COHPAC混合除尘技术长期表现：Gaston电站袋滤器运行样本解析

基于Alabama Power E.C. Gaston 2、3号机组超过十年的COHPAC袋式除尘器监测数据，由Southern Research与EPRI联合团队的实践观察

关键词
Fabric filter, baghouse, COHPAC, 静电除尘器, 烟气治理

在燃煤机组超低排放和老旧静电除尘器（ESP）改造的讨论中，COHPAC（Compact Hybrid Particulate Collector，紧凑型混合除尘器）技术正重新进入行业视野。与简单“加一排布袋”不同，COHPAC的核心思路是：利用原有热态ESP做粗除尘，再叠加高风速小型脉冲袋式除尘器做“抛光”捕集细颗粒，从而在不大规模重建ESP的前提下，显著压低烟尘排放和烟羽可见度。本文解读的研究对象，是Alabama Power公司E.C. Gaston电站2、3号机组COHPAC袋式除尘系统的长期运行表现，由Southern Research Institute的Cushing等人联合Grubb Filtration Testing Services、Alabama Power和EPRI团队完成，覆盖近十余年连续运行数据[1–10]。

Gaston电站采用的是典型美国东部低硫烟煤，机组配套热态ESP，早期通过喷加硫酸钠提高飞灰电阻率以改善除尘效率，但仍需频繁降负荷和清洗ESP才能勉强维持排放不超标。Gaston 1–4号机组两两共用烟囱内衬，一台ESP波动就会在公共烟道上放大为明显的烟羽波动，这在当前透明烟气和公众感知不断提升的背景下尤为敏感。基于在德州Big Brown电站首套全尺寸COHPAC工程的经验[3]，Alabama Power在1990年代中期与EPRI合作，先在自家J.H. Miller电站搭建1 MW级COHPAC试验装置，验证“高过滤风速+在线低压大流量脉冲清灰”的可行性，再将成熟方案移植到Gaston 3号机（1996年投运）和2号机（1999年投运）。

Gaston COHPAC工程的一大特点，是充分“盘活”弃用的冷态ESP壳体。受厂区布置限制，2、3号机组的COHPAC袋滤器全部布置在原冷态ESP箱体内，每台机组两座壳体，每壳体再分为左右两个可隔离分室，中间用旁路烟道分隔。为在有限占地内承接107万acfm、约290 °F的烟气流量，并实现8–8.5 ft/min的设计过滤风速，设计方对原ESP箱体沿烟气流向延伸约3.6 m，内部每个分室布置前后两个圆形布袋模块，单模块544条、袋长约7 m。与常见线型布置不同，本工程采用Hamon Research-Cottrell供货的“低压/大流量脉冲+同心圆布袋+旋转脉冲臂”结构，避免了传统逐根喷吹管的维护难题，也在高过滤风速下保持较为均匀的气流和清灰效果。

在投运前，团队在Miller电站试验平台验证了关键工况窗口：在8.5–10 ft/min过滤风速、仅采用在线清灰工况下，COHPAC可以稳定维持约4 in.w.c.的管板压差，平均清灰频率低于1次/袋·小时，未出现因在线清灰导致的粉尘穿透或滤袋压差“失控爬升”问题[4]。基于这一基础，Gaston工程在设计时将目标运行压差设定在4–4.5 in.w.c.的管板压差区间，通过压差或滤袋阻力（drag）控制脉冲启动，辅以最长5小时的定时清灰作为保护模式，以兼顾能耗与滤袋寿命。

长期运行数据表明，这一策略是有效的。以3号机为例，研究团队对2007年上半年大约2700个小时平均运行点进行了拟合分析：在4–9 ft/min的空气布比范围内，两座壳体A、B的法兰到法兰压降曲线近乎重合；当A/C=8 ft/min时，平均法兰压降约5.45 in.w.c.，扣除风道等附加损失后推算管板压降约4.2 in.w.c.，对应单位阻力约0.5 in.w.c./(ft/min)，完全落在COHPAC设计的“舒适区”。2号机在较新滤袋条件下，典型阻力甚至可降至0.3 in.w.c./(ft/min)。

滤袋清灰频率与材料演进密切相关。最初安装的是3.0和2.7 denier的Ryton（PPS）毡袋，随着运行时间和上游ESP性能波动，平均脉冲频率多在0.4–0.7 次/袋·小时，局部甚至超过1 次/袋·小时。此后通过多轮对比试验，业主团队将滤袋全面升级为7.0 denier高渗透PPS毡，袋重、厚度适度降低但透气性显著提高。实践表明，7.0 denier PPS在相同过滤风速和排放要求下，平均清灰频率可压缩到0.2 次/袋·小时左右，压降更低、清灰能耗更小，且未观察到明显的出口粉尘浓度恶化[5]。

从排放控制效果看，COHPAC的“抛光”作用在Gaston电站表现得十分直观。3号机组投运后，Alabama Power每年对两个壳体的袋滤器出口粉尘浓度进行一次等速采样检测，长期平均值约0.0046 gr/dscf。投运初期（1997年3月）的偏高值被认为与个别袋漏装、早期破袋未完全排查有关，随后在2000年10月前部模块滤袋整体更换后，出口浓度恢复并保持在较低水平。更能体现系统效果的是公共烟囱的不透明度记录：统计1995–2007年双机同开且袋室未旁路的工况，3、4号机公用烟囱的平均不透明度，与COHPAC投运前两年相比下降约50%（由12.7%降至6.3%），月均超20%不透明度的小时数则减少约95%（从每月约140小时降至7小时）[5,9]。2号机COHPAC投运后，1、2号机共用烟囱也表现出类似趋势，平均不透明度下降约38%，高 opacity 时段减少近九成。

COHPAC工程的O&M焦点在滤袋寿命与异常破袋控制。整体来看，Gaston项目的滤袋寿命属于燃煤袋滤器中较为理想的水平：后排模块的原装3.0 denier Ryton毡袋在3号机上累计接触烟气超过39,500小时（约5年）仍仅有少量破袋，3.0 / 2.7 denier和后续7.0 denier PPS的平均服务寿命一般为19,000–27,000小时（约2–3年），符合甚至略优于行业经验。不过两台机组的前排模块均在早期发生集中破袋，故障特征明显指向袋间互相摩擦。通过现场检查，团队发现靠近箱体壁一圈的布袋摆动幅度较大，烟气绕流与入口均流穿孔板积灰共同造成“包边加速风”的气流形态，导致袋列剧烈晃动和相互磨损。

为此，业主在2000年检修中对四个前排模块实施了一项颇具“机械直觉”的改造：在最外圈布袋下端约150 mm处内外各焊接一圈不锈钢管环，将外圈滤袋轻微“限位绑扎”，有效抑制大幅摆动。同时，在入口均布孔板上加装振打装置，防止孔板局部积灰形成严重流场偏差。改造后，前排模块的早期破袋现象几乎消失，袋滤器出口排放和烟囱不透明度均显著改善，这一经验对国内在紧凑箱体内高A/C布置袋室的改造项目具有直接参考价值。

值得注意的是，为深入掌握不同滤料在COHPAC高过滤风速、热态烟气条件下的长期行为，项目方自2000年起在Gaston 2、3号机组上持续开展了系统性滤袋试验与阻力监测。研究团队开发了适用于椭圆型低压脉冲袋的现场单袋阻力测试装置，通过在单袋口设置密封适配器、引入定量风量并测量文丘里和滤袋差压，从而计算每条滤袋的drag值，精度足以分辨不同材料、不同位置滤袋随服役时间变化的细微差异[1,5]。

在2号机的2A11模块上，研究者布置了部分7.0 denier PPS试验袋，与周边2.7 denier PPS作对比。运行约7,500小时后，18条7.0 denier PPS袋的平均阻力约0.18 in.w.c./(ft/min)，而相邻2.7 denier PPS袋平均约0.31 in.w.c./(ft/min)，差异接近42%。进一步在2B10模块上试验的6.0 denier PPS，运行3,650小时和10,870小时时的平均阻力分别为0.24和0.41 in.w.c./(ft/min)，整体仍高于7.0 denier PPS在7,500小时时的表现。与3号机中2.7 denier PPS的20,000小时阻力数据对比可以看到，传统细纤维PPS在长周期运行中阻力逐步爬升且波动较大，而7.0 denier PPS在相同或更高A/C下则表现出更稳定、更低的压降平台，这也解释了业主最终在两台机组上全面采用7.0 denier PPS作为“新常态”滤料的决策逻辑。

更进一步的滤料优化来自于对双密度PPS毡的研究。2005年，研究团队在3号机3A11模块中布置了四种试验滤料：标准7.0 denier Torcon PPS、7.0 denier Procon PPS，以及两种高渗透双密度Torcon PPS（9058和9059）。双密度结构本质上是在一面铺设2.7与7.0 denier的混合纤维层，形成梯度孔径和截尘结构，同时整体透气度控制在85±15 cfm（标准单密度7.0 denier约125±20 cfm）。部分滤袋采用混合纤维面朝烟气（9058），部分则是7.0 denier一侧朝烟气（9059），以考察表面结构对长期阻力的影响。

在运行约6,400小时和19,600小时两个时间点的现场drag测量表明，各类滤料的阻力均随时间大致翻倍，但差异逐渐拉开：至约20,000小时时，9058型双密度Torcon PPS的平均阻力最低，且标准差最小，性能优于标准7.0 denier、9059和Procon PPS，并未出现因渗透率提高导致出口粉尘明显上升的迹象[5]。这一结果对于当前国内正在探索的“高透气PPS+高A/C”技术路线有重要启示：在合理的滤料结构和清灰控制下，高透气双密度PPS既可压降较低，又能维持良好的截尘与再生特性，为老ESP+小袋滤器组合改造提供了可行的材料基础。

从更宏观的排放控制与经济性角度看，Gaston工程的经验也具有现实借鉴意义。一方面，COHPAC的投运使业主基本摆脱了对硫酸钠等电阻率调节剂的依赖，大幅降低了化学品成本和因ESP频繁清洗带来的运行干扰；另一方面，ESP+COHPAC的混合除尘组合，使机组在负荷变化和煤质波动下的烟尘排放更加平滑，削弱了ESP效率对灰电性、气流场细微变化的敏感性，这对于即将面对更严苛烟尘和PM2.5排放限值的燃煤机组而言，是一种结构性风险缓释方案。

从行业风向看，COHPAC在Gaston的十余年稳定运行，为“ESP+小袋滤器抛光”这一混合除尘思路提供了扎实的工程样本：在不大规模重建ESP的前提下，通过高过滤风速、低压大流量脉冲袋式除尘器的精细设计与滤料优化，可以在有限场地内显著降低烟尘排放和烟羽不透明度。对于已大范围完成常规ESP改造、但仍面临更严标准或公众感知压力的电厂而言，这一模式值得认真评估和本地化再设计。在静电除尘器与袋式除尘器“各有所长”的时代，混合除尘技术很可能成为下一轮燃煤机组深度减排和灵活改造的重要方向。

参考文献
[1] Cushing KM, Grubb WT, Corina BV, Chang RL. Long-Term COHPAC Baghouse Performance at Alabama Power Company’s E. C. Gaston Units 2 & 3. In: 11th International Conference on Electrostatic Precipitation; 2008.
[2] Chang RL. Compact Hybrid Particulate Collector. US Patent 5,024,681. 1991-06-18.
[3] Miller RL. Advanced Technology Development Dry Filtration Systems. Council of Industrial Boiler Owners – Advanced Technologies II Roundtable; 1996.
[4] Harrison WA, Cushing KM, Miller RL, Chang RL. Recent COHPAC Data for Fine Particulate Matter & Air Toxics Removal from Coal-Fired Power Plants. Power-Gen International; 1996.
[5] Miller R, Harrison W, Corina B, Cushing K, Chang R. COHPAC (Compact Hybrid Particulate Collector) The Next Generation in Particulate Control Technology – Alabama Power Company’s E. C. Gaston Units #2 and #3 ‘A Success Story’. In: EPRI-DOE-EPA Combined Utility Air Pollutant Control Symposium; 1999.
[6] Jones R. Gaston Rebuild Project Tops Site Difficulty. Clear Stacks. 1996.
[7] Cushing KM. SRI Remote Baghouse Monitoring System for Plant Gaston. Clear Stacks. 1996.
[8] Miller R, Harrison W, Prater D, Chang R. Alabama Power Company E. C. Gaston 272 MW Electric Steam Plant – Unit No. 3 Enhanced COHPAC I Installation. EPRI Report TR-108683-V3; 1997.
[9] Cushing KM, Wilson RR, Harrison WA, Prater DB, Chang RL. Performance Monitoring of a COHPAC I Baghouse System on Unit 3 (270 MWe) at Alabama Power Company’s E.C. Gaston Electric Generating Plant. EPRI Report TR-108683-V3; 1997.
[10] Miller R. COHPAC: Full-Scale Demonstrations of an Advanced Particulate Collector. ICAC Clean Air Technology News. 1999.

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