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低压脉冲袋式除尘器清灰控制策略研究 ＊ 常宏杰 张新聚 王惠贞 河北科技大学机械电子工程学院, 石家庄 050054 摘要 从理论上分析清灰过程及影响因素, 针对传统控制方式的缺陷和变频调速后带来的新问题, 提出了除尘器清灰 模糊控制策略。 即先根据风量变化对除尘器阻力目标值进行模糊修正, 再根据阻力偏差和风量大小模糊推理脉冲间 隔时间。 在此对模糊控制器设计过程作了详细介绍。 该策略应用效果良好。 关键词 除尘器 清灰 阻力 模糊控制 ＊河北科技大学科研基金资助项目 项目号 XL2005033 近年来,低压脉冲袋式除尘器在我国钢铁企业的 电炉除尘系统中获得了广泛应用。在日常运行中 ,通 过在布袋上保持一定厚度的粉尘层来使除尘器有较 高的过滤效率; 但粉尘过多又会使布袋阻力增加, 风 机能耗升高。清灰的目的就是使粉尘层保持合适的 厚度 ,使除尘器有较高的除尘效率和较低的能耗。在 工程实际中 ,粉尘层厚度的测量比较困难 ,一般利用 容易测量的除尘器阻力来间接反映粉尘层厚度。 1 清灰过程及影响因素的理论分析 1. 1 传统清灰控制方式存在的问题 目前 ,国内外常用的清灰控制方式有定时清灰和 定阻力清灰。定时清灰是指按照预先设定的清灰周 期和脉冲间隔控制清灰机构动作 , 其属于开环控制, 不考虑除尘器的实际阻力 。若时间设置不合理,会使 除尘效率太低或系统能耗太高 。 定阻力清灰是根据除尘器实际阻力大小来控制 清灰 。通常设定好阻力的上限和下限, 当阻力大于上 限时开始清灰, 直到阻力小于下限时停止清灰 ,其阻 力的上下限设定值为常数 。这种方式虽然实现了阻 力的简单闭环控制, 但由于其清灰频率没有根据阻力 大小相应调整, 使除尘器阻力始终在上下限之间波 动,无法保证稳定的除尘效率, 除尘器并没有工作在 最佳状态 。 1. 2 变频调速带来的新问题 电炉在冶炼的不同阶段, 所产生的烟尘量有很大 差别, 早期的除尘系统都按最大风量设计运行 ,风量 不予调节或简单地通过挡板调节, 电能浪费严重。为 节能降耗 ,通过变频调速技术调节风量已在除尘系统 中普遍采用 。但这样以来, 就有了新问题 同样的粉 尘层厚度, 风量变化必然引起除尘器阻力变化, 变化 后的阻力已经不能正确反映粉尘层厚度 。此时如果 仍以一个不变的除尘器阻力目标值作为控制依据是 不合适的, 应该对阻力目标值进行修正。 1. 3 理论分析 1. 3. 1 粉尘层厚度与除尘器阻力的关系 除尘器的阻力通常用除尘器进出口的压力差 ΔP 来衡量, 根据柯西方程 [ 1] ΔP ΔPfΔPp xfμgv Kf xpμgv Kp 1 式中 ΔPf 布袋阻力 Pa ; ΔPp 布袋上粉尘层阻力 Pa ; Kf、 Kp 粉尘层或布袋的渗透率 ; xf、xp 粉尘层或布袋厚度 m ; μ g 气体动力粘度 Pa s; v 气体过滤风速 m s。 由 1 式可知 对于给定的布袋, xf为常数, 当过 滤风速和气体动力粘度保持不变时 ,ΔPf基本上是常 数,因此 ,通过除尘器的阻力主要取决于 ΔPp。对于 给定的操作条件 气体粘度和过滤风速 ,ΔPp主要由 粉尘层厚度 xp决定, 粉尘层越厚,阻力越大。即除尘 器阻力在一定条件下能够反映粉尘层厚度,这是对除 尘器阻力进行控制的理论依据 。 1. 3. 2 布袋粉尘层厚度与过滤风速的关系 假设在时间 t 内, 沉积在布袋上的粉尘层的质量 为 m ,则粉尘层厚度为 xp m ρcA vAρ t ρcA vρ t ρc 2 式中 A 布袋的过滤面积 m 2 ; ρ 烟气中的粉尘浓度 kg m 3 ; 48 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 ρ c 粉尘层的密度 kg m 3 。 2 式表明 由于 ρc和 ρ 变化很小, xp与过滤风 速 v 和过滤时间t 的乘积成线性关系。因此, 在清灰 控制时,通过改变清灰间隔时间可以控制粉尘层厚度 xp的变化 ; 并且必须考虑过滤风速 v 的大小; 过滤风 速越大,间隔时间应该越短。 1. 3. 3 过滤风速对除尘效率的影响 过滤风速对除尘效率有重要影响。如图 1 所 示 [ 2] 。在堆积粉尘负荷 粉尘层厚度 相同情况下 ,由 于过滤风速不同 , 除尘效率相差很大 。过滤风速越 低,除尘效率越高 。在阻力目标值修正时 ,必须考虑 这一影响 。 图 1 过滤风速与除尘效率的关系 另外,根据相关文献[ 2] , 除了过滤风速的影响, 除尘效率和除尘器阻力还受粉尘浓度、粉尘粒径分 布、 堆积密度、烟气温度、烟气湿度等诸多参数的影 响,这些参数绝大多数是随着工艺条件的变化不断变 化,它们之间也是相互耦合的 。 总结以上分析 ①除尘器阻力可以间接反映布袋 粉尘层厚度 ,通过对清灰脉冲间隔时间的控制, 能够使 粉尘层厚度和除尘效率稳定在合适的范围内。 ② 风量 过滤风速 的变化,对除尘器阻力和除尘效率有着重 要影响,在变频调速后,必须对除尘器阻力目标值进行 修正; ③ 除尘效率和除尘器阻力还受其它诸多因素的 影响,这些因素具有时变性 ,且之间相互耦合。 2 控制策略 基于以上分析并结合实践经验 ,综合考虑影响除 尘器阻力和除尘效率的多种因素, 提出除尘器清灰模 糊控制策略 , 其方框图如图 2 所示 。分两步完成, 第 一步是除尘器阻力目标值的模糊修正,即根据风量变 化对阻力目标值进行模糊修正 ; 第二步是除尘器阻力 的模糊控制 ,即根据实际阻力与目标阻力的偏差及风 量变化模糊推理清灰脉冲间隔时间 ,使实际阻力跟随 目标阻力, 保证较高的除尘效率和较低的能耗 。 图 2 除尘器清灰模糊控制策略框图 2. 1 除尘器阻力目标值的模糊修正 将除尘器的设计风量和设计阻力作为阻力目标 模糊修正的初始参照值 。确定该模糊控制器的输入 量为风量差值 , 即实际风量与设计风量之差 ΔQ ; 输 出量为除尘器阻力修正值 ΔPm。ΔQ 和 ΔPm的隶属 函数曲线均选为三角形, 其论域和隶属函数曲线如 图3 所示。模糊控制规则如表 1所示。 图3 风量差值 ΔQ和阻力修正值 ΔPm的隶属函数曲线 表 1 模糊控制规则表 IFΔQNBNMBNMSNSO THENΔPmNBNMBNMSNSO 经离线推理得到目标阻力模糊修正查询表, 如 表2所示。 表 2 阻力目标值模糊修正查询表 ΔQΔPmΔQΔPmΔQΔPm - 8- 10-5-6- 2-2 - 7-8-4-4- 1-1 - 6-7-3-300 由表 2 可知 在风量降低较少时 ,阻力目标值的 修正基本是线性的 ,在风量降低较大时 , 阻力目标值 的修正变为非线性, 修正值较大。此规律与前面的理 论分析相符合。 2. 2 除尘器阻力的模糊控制 有了阻力目标值, 下一步是除尘器阻力的模糊 控制 。 由理论分析可知 ,风量 过滤风速 大小实际上决 定了粉尘层厚度变化的速度, 它对时间的积分与粉尘 49 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 层厚度成正比。因此, 结合工艺专家的经验 ,将阻力 偏差 EΔP和风量Q 作为阻力模糊控制器的输入量 ,将 脉冲间隔时间 T 作为控制器的输出量 。输入、输出 量的论域和隶属函数曲线如图 4 所示 。 图4 阻力偏差 EΔ P、风量 Q 和脉冲间隔时间T 的隶属函数曲线 根据理论推导并结合工艺人员经验 ,经反复调整 确定如表 3 所示控制规则。 表 3 阻力模糊控制规则表 Q EΔ P NBNSOPSPMPB SBBMBMSSS MBMBMSMSSS BBMBMSSSS 经离线推理后得到除尘器阻力模糊控制查询表, 如表 4 所示 。 表 4 阻力模糊控制查询表 Q EΔ P -6 -5 -4 -3 -2 -10123456 17777765432111 27776654432111 37776543332111 47775543322111 57775543211111 由表 4 可知 在除尘器实际阻力远小于目标阻力 时,无论风量大小,脉冲间隔时间均采用最大值,以使 布袋上迅速附着一层粉尘 , 快速提高布袋的过滤效 率; 当实际阻力接近目标值后, 根据风量不同采用适 当的脉冲间隔, 使系统稳定 ; 当实际阻力超过目标值 较大时 ,迅速缩短脉冲间隔时间, 使除尘器实际阻力 能够尽快回到目标值附近 。 3 应用效果 该控制策略现已在某钢厂90 t电炉除尘器中成功 应用, 该除尘器设计风 量800 000 m 3 h , 设计阻力 1 500 Pa ,除尘器过滤面积150 m 2 。应用中风量差值 ΔQ 的基本论域取[ -600 000, 0] m 3 h, 阻力修正值 ΔPm的基本论域取[ -1 000,0] Pa ; 阻力偏差 EΔP的 基本论域取[ -150, 150] Pa, 风量 Q 的基本论域取 [ 200 000,800 000] m 3 h , 脉冲间隔时间 T 的基本论 域为离散的 ,取[ 5,15, 25,35, 45, 55,65] s, 分别与查 询表中1～ 7相对应 。 在不同工艺时段如融化期 、氧化期 、 还原期的风 量不同 ,忽略很短的风量调整时间, 则系统风量处于 阶 梯 型 的 变 化 中。 实 际 应 用 中 , 当 风 量 由 800 000 m 3 h降到500 000 m3 h再降到300 000 m3 h时, 相应的阻力目标修正曲线及实际阻力响应曲线如图 5 所示 。 图 5 阻力目标修正曲线及实际阻力响应曲线 由图5 可知 当风量阶梯型变化时, 目标阻力随 之由1 500 Pa修正到1 100 Pa再修正到700 Pa 。阻力 模糊控制器推理脉冲间隔使实际阻力快速跟随目标 阻力变化, 并保持在目标值附近一定偏差范围内, 稳 定后阻力波动范围很小, 能保证较高的除尘效率和较 低的能耗。系统响应迅速、稳定性好, 但存在一定的 稳态误差, 这是模糊控制器的先天缺陷 , 由于除尘系 统对阻力控制的要求并不十分精确 ,一定的稳定误差 是允许的。 参考文献 [ 1] 郝吉明等. 大气污染控制工程. 北京 高等教育出版社, 2002. [ 2] 张殿印, 张学义. 除尘技术手册. 北京 冶金工业出版社, 2002. [ 3] 廉小亲. 模糊控制技术. 北京 中国电力出版社, 2003. 作者通讯处 常宏杰 050054 石家庄市新华路 505 号 河北科技大 学西校区机械学院机设教研室 电话 0311 88613185转 806 传真 0311 88613298 E -mail sjzchjsohu. com 2006- 12-12 收稿 50 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 recycled liquid density was 0. 05～ 0 . 9 m3 m2h , hydrogen sulfide, ammonia and trimethylamine removal efficiency was about 100, 99. 2 and 99. 4 separately. The results of analysis by scanning electron microscope show that Paracoccus and Thiobacillus are the dominant bacteria during the purification. Keywords biological packed column, odor, hydrogen sulfide, ammonia, trimethylamine, removal efficiency PERANCE EXPERIMENT ON AEROBIC BIODEGRADATION OF BENZENE, TOLUENE AND XYLENE BY FUNGUS TRICHODERMA VIRIDE PERS . EX FR Hou Chentao Ma Guangda 45 Abstract The degradation perance of benzene, toluene and xylene by fungus Trichoderma viride Pers. ex Fr were studied. The experimental results showed that the biodegradation rate of benzene, toluene and xylene increasedwith increasing of their initialgas concentrations; when concentrations of them were 47. 25～ 1 677. 47 g m3, 64. 70～ 1 258. 50 g m3and 20. 59～ 1 707. 85 g m3respectively, the biodegradation rate of toluene and benzene accorded with the Monod equation, while that of xylene accorded with first -order reaction. Keywords toluene, benzene, xylene, aerobic biodegradation and fungus RESEARCH ONDUST-REMOVING CONTROL STRATEGY FOR BAG TYPE COLLECTORWITH LOW-PRESSURE PULSEChang Hongjie Zhang Xinju Wang Huizhen 48 Abstract The process of dust -removing and effect factors are analyzed based on theory. Aiming at the disadvantage of traditional control ways and new problem because of frequency variation and speed regulation, fuzzy control strategy is brought forward. Firstly, resistance reference of dust remover ismodified fuzzily according to variationof flow rate; next, fuzzy controller according to flow rate and resistance deviation deduces pulse interval. The design process of fuzzy controller is introduced in detail. whose effect of application is good. Keywords dust remover, dust -removing, resistance and fuzzy control THE ENGINEERING APPLICATIONOF HIGH -GRAVITY MACHINETO DE -SULFURIZE ANDDE- DUST FROM FLUE GASChen Minggong 51 Abstract The high -gravity machine is a new technology of desulfurization of flue gases from medium and small -sized boilers with high efficiency, which is characterized by small volume of equipment, high efficiency, convenient operation and simple maintenance. Engineering principle and design scheme of this technology were illuminated, and some main problemsexisted in the course of design andfunctionwere brought forward and relevant solve measureswere discussed in this paper. Keywords flue gas, desulfurization, removing dust and high-gravity machine EXPERIMENT ON PURIFYING TOLUENE IN A BIO-TRICKLING FILTER UNDER TRANSIENT CONDITIONSZhang Shujing Li Jian Li Yili et al 53 Abstract The removal of toluene from an artificial waste gas was investigated in a laboratory scale bio -trickling filter packed with biologic ceramic pellets under transient conditions, whichwas the typical character of industrial operation. The bio -trickling filter was inoculated with pure bacterial culturePseudomonas Putida. The resistance ability to loading change and starving was studied. The results indicated that the bio- trickling filter had a high flexibility of the loading change, and the removal efficiency of the filter was not obviously influenced by the change of residence time and inlet concentration and only decreased 7 in the beginning, it can regain the original removal efficiency within 12 h. The maximum volumetric removal rate of 136. 49 g m3hwas achieved. The periods of nitrogen and carbon starvation or complete system shutdown had little influence on the filter perance. The water content in the bed played an important role on the bio -degradation process of the organic compounds. Keywords bio -trickling filter, toluene, transient conditions, loading shock and starvation GAS CLEAN TECHNIQUE WITHWATER SPRAYING CROSSWISE Chen Guoping Zhou Tianrui Sun Yifeng et al 57 Abstract The theory and s of water spraying crosswise to treat waste gas are introduced, aiming at the technical lack of current air decontamination. The technique not only keepsdown water -drop second breaked to piece, but avoids the hole block whichwill cause lower cleaning effect. at the same time, chemical additive are proportionally added into water, then, the soak energy of water for dust is improved, and the power for spaying and dust removal increased. Keywords first spray, second spray, clean, waste gas, chemical dust removal and chemical additive RECOVERY OF MANGANESE FROM SPENT PRIMARY BATTERY BY ELECTROCHEMICAL SLURRY LEACHING WITH ANION EXCHANGE MEMBRANE REACTOR Wei Qifeng Ren Xiulian Zhang Huiling et al 60 Abstract The technical parameters for recovery of manganese from spent primary battery by electrochemical slurry leaching were investigated. The experimental results indicated that the current density was 150 A m2, the acidity was 1. 0 mol L, the ratio of liquid to solid was 8∶ 1, and temperature was 20 ℃. Under this condution, the percent recovery was 25. 77 and the current efficiency was 101. 1. The leaching mechanicswas analyzed. Itwas concluded that the reaction velocity was controlled by both chemical reaction and diffusion before 1 h. And it was controlled by chemical reaction after 1 h. The activation energy was 52. 85 kJ mol. This can make the resource recycle and has environmental and economical benefits. Keywords primary zinc -manganese batteries, slurry electrolysis, manganese sulfate and reaction mechanism 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25,No. 3, Jun. , 2007