低温袋式除尘PAN滤袋收缩失控：从机理到工程对策

基于Eskom Hendrina电站长期运行案例的PAN滤袋热定型与收缩管理研究解读（ICESP X, 2006）

关键词
Polyacrylonitrile, bag shrinkage, heat setting, fabric filter, telescopic cage, 静电除尘器, 工业烟气治理

在燃煤电厂超低排放和老旧机组深度治理的背景下，袋式除尘器已经与静电除尘器（ESP）形成互补组合，成为工业烟气治理的主力技术之一。与高温PPS针刺毡相比，低温Polyacrylonitrile（PAN，聚丙烯腈）滤袋因成本优势，在燃煤电站低温布袋除尘工程中被广泛采用。然而，PAN滤袋在实际工程中出现的“随机收缩”问题，却常常让运维团队措手不及：不仅影响单袋性能，更会触发整套烟气净化系统的连锁故障，导致除尘效率波动、压降飙升甚至机组降负荷运行。

本文基于Eskom公司Hendrina燃煤电站的典型工程案例，解读ICESP X – Australia 2006会议上南非Eskom高级技术专家Hendre D. Grobbelaar发表的研究工作[1]，聚焦低温布袋除尘（低温袋式除尘）工况下PAN滤袋收缩机理、实验方法及工程化管理策略，对当前行业在滤袋选型、制造控制与运行管理方面具有直接借鉴意义。

Hendrina电站位于南非Mpumalanga省，是10×200 MW的燃煤机组，燃用邻近Optimum煤矿的煤炭。为响应更严的环保法规，原有体积有限、效率仅96%–98%的两场、三场ESP被改造为布袋除尘器，采用Lurgi旋转喷吹歧管结构的低温布袋除尘系统，并统一配置PAN滤袋。由于改造空间受原ESP壳体限制，单个室内滤袋数量不足，无法实现在线检修，一旦需要切除一个室室（Cell），机组负荷就必须降至50% MCR且依赖燃油支撑燃烧。这意味着任何由滤袋收缩引发的旋转歧管“卡死”事故，都直接放大为燃油消耗、发电量损失、人工检修和滤袋/骨架更换的综合成本——文中给出的典型一次事故费用约合1.5万美元，1998年与2000年的年度相关支出分别高达约200万和270万美元级别[1]。

从纤维科学角度看，PAN滤袋的收缩可分为化学收缩和物理收缩两类。化学收缩主要与纤维的环化（cyclisation）反应有关：PAN在热和一定化学环境作用下，分子链发生环化反应，伴随放热与颜色加深，导致尺寸变化和结构硬化。物理收缩则来源于纤维在制造过程中产生的“弹性记忆”与内部应力——包括纺丝、拉伸、织造、针刺和热定型等环节所引入的取向与残余应力。如果热定型工艺不足以释放这些应力，纤维在后期运行中一旦暴露于热和时间的叠加作用，就会向更稳定、更致密的结构收缩，从而表现为滤袋长度缩短、厚度压实和渗透性下降。

这一理论在Hendrina电站的实际样品测试中得到了有力印证。Eskom咨询、研发部门（C,R&D）从同一滤袋室中抽取了3条明显收缩和3条未收缩的PAN滤袋，采用差示扫描量热（DSC）方法进行对比分析[1]。由于布袋收缩往往表现为“随机发生”，而同室滤袋在烟气侧所承受的工况（烟温、含湿量、酸露点、粉尘负荷）基本一致，因此该方法的关键在于：在等工况、等运行时数下，比较收缩与未收缩滤袋在热行为上的差异，以判定问题是由工况异常（热逸散、冷端腐蚀、酸露点以下运行）驱动，还是源自滤袋制造和热定型环节。

样品首先经温水洗涤去除灰尘，并在60 ℃烘箱中干燥，以排除表面污染物对分析结果的干扰。随后通过DSC对纤维在受控升温过程中的放热与吸热行为进行测量，用以刻画PAN纤维的环化程度及熔融/软化特征。结果显示，收缩与未收缩样品在环化过程的放热峰值和总放热量上并无本质差异，说明两类滤袋在电站运行期间所经历的温度–时间历史高度接近，且PAN纤维的化学变化程度相当。这一点直接否定了“仅由工况因素决定收缩”的直观推断。

但在熔融峰分析中，差异却非常明显：收缩样品的熔融峰温度更高，表明其内部分子排列更加有序、结晶区比例更大、结构更致密，需要更高的能量才能破坏晶区。这与物理收缩机理高度吻合。对于热塑性PAN而言，纤维在成形过程中往往被拉伸取向，冷却后处于一种亚稳态的半结晶结构。当再次加热并释放外部约束时，分子链倾向于从高取向、高内能状态回缩至更稳定、更规整的构型，表现为可观的长度收缩。若热定型过程未能在足够高温度、足够时间和合理张力下“锁定”这种尺寸状态，剩余收缩记忆就会在滤袋服役期间被逐步释放。Hendrina样品测试的结论是：收缩滤袋与未收缩滤袋的热历史基本相同，差别主要来自纤维初始结构和热定型状态，收缩本质上属于制造工艺差异导致的物理收缩，而非运行中偶发的热事故。

从系统运行的角度看，PAN滤袋收缩带来的后果远不止尺寸变化这么简单。首先，滤袋沿长度方向收缩会将骨架向上“顶起”，破坏袋口与花板之间的密封，使含尘烟气绕过滤袋直接泄漏，从而出现不可解释的排放升高和除尘效率波动。其次，收缩导致滤料孔隙结构压实、渗透性下降，同时滤袋紧箍骨架，脉冲清灰时滤袋难以充分膨胀和抖动，灰饼难以剥离，形成典型的“可逆清灰能力降低”现象。对于旋转喷吹歧管结构而言，如果骨架顶部超过花板高度，甚至会直接与旋转歧管干涉，触发保护跳停，迫使机组降负荷或切除滤袋室运行。随着布袋阻力持续升高，诱导风机（ID Fan）运行裕度被迅速吞噬，机组满负荷能力受限，经济性和环保性同时受损。

在Hendrina工程中，Eskom团队对“已经发生的收缩”采取了一套阶段性、工程导向的应急方案。最初阶段，由于尚不了解收缩上限，通过改变旋转歧管的空间位置来“给骨架让路”：先通过改造连接螺栓孔和增加支撑件，将歧管整体上抬约10 mm，在原有花板上方40 mm的基础上再释放少量空间；待运行一段时间后，随着骨架再次顶升，则通过抬高驱动减速机并在支撑轴承下加垫片的方式，再额外上抬约15 mm，为后续1000小时左右的运行赢得喘息时间。此后，当干涉问题再次出现时，只能切割中心管，将歧管整体提高约80 mm，但由此带来的清灰动力距离增大，直接削弱了脉冲气流对滤袋的冲击效果，灰饼层加厚、压降升高，单位时间能耗与运行风险显著上升。最终，随着滤袋接近寿命末期，不得不通过分批更换“问题滤袋”来维持系统可用性。

相比之下，该项目的长期解决方案更具代表性，也更值得当前行业参考。Eskom与设备供应商联合开发了一种可吸收轴向收缩的“伸缩式骨架”（Telescopic Support Cage）。其基本思路是：在骨架顶部设置一段可伸缩的金属套筒结构，使滤袋发生一定量的纵向收缩时，骨架整体高度并不会相应抬高，而是通过内部伸缩结构“消化”这一形变；同时保证袋口密封段结构始终位于合理位置，不影响花板密封和脉冲清灰几何关系。首代（MK1）伸缩骨架可容纳约50 mm的滤袋收缩，此后在运行反馈基础上进行优化，MK2版本通过加长挤压成型金属套筒，将可吸收收缩量提升至约90 mm，在设计寿命32000小时内基本不需再通过抬高歧管来“让位”，从而保持脉冲清灰效率与滤袋阻力在可控区间。与此同时，他们在歧管上预留法兰式距离件，一旦未来出现极端收缩，使伸缩骨架行程被完全耗尽，运维团队可以在短时间内拆除距离件，实现歧管快速“应急抬高”，将原本需三天检修才能完成的改造压缩到数小时窗口内。

在滤袋收缩风险的源头控制方面，该研究也给出了系统性建议：其一，在滤袋选型与招标阶段，除给出设计工况外，应同步披露实际运行数据，包括烟气入口温度波动范围、温度分层情况、酸露点测试结果、燃煤特性、目标压降区间等，使滤袋生产方能准确评估PAN滤料的适用性和安全裕度，必要时及早考虑PPS等高温耐化学滤料的替代。其二，强化试用袋（Trial Bag）机制，在新一轮大规模更换前，先在同一布袋室中随机布置不少于10条试验滤袋，与现有滤袋同期运行，通过定期取样、对比压降、收缩量和排放表现，验证不同制造商、不同热定型工艺的实际差异。其三，建立从纤维生产、针刺毡加工到滤袋成型的全过程质量见证与抽检机制，鼓励业主方或第三方实验室介入对针刺毡热定型质量、收缩率和力学性能的独立测试，以减少批量性“内生收缩隐患”流入现场的概率。其四，定期复核布袋除尘器的温度控制与防冷端腐蚀策略，严控酸露点工况和偶发热冲击，避免把本就存在残余“收缩记忆”的PAN滤袋推向失稳边缘。

从ICESP这类国际静电除尘与过滤技术会议的视角回看Hendrina案例，最大的启示在于：滤袋收缩并非单纯的“运行问题”或“材料问题”，而是纤维科学、滤料热定型工艺与工程系统设计三者叠加的结果。对于仍大量采用低温PAN滤袋的电厂和水泥、冶金企业而言，提升滤袋寿命和系统可靠性的路径，既包括源头上提高纤维与针刺毡热定型质量，也包括在袋式除尘器结构设计中预留足够的“收缩吸收”能力，以及在运行控制上避免极端工况。通过“规范滤袋选型+严控制造质量+合理结构冗余+精细化运行管理”的组合拳，PAN滤袋收缩这类“隐形失效模式”是可以被有效管理乃至主动化解的。

Keywords: Polyacrylonitrile, bag shrinkage, heat setting, fabric filter, telescopic cage, 静电除尘器, 工业烟气治理

参考文献
[1] Grobbelaar H D. Managing bag shrinkage in low temperature fabric filter plants[C]//ICESP X – Australia 2006, Paper 8C1, June 2006.
[2] Gupta V B. Heat setting of synthetic fibers[J]. Indian Institute of Technology, 2000.
[3] Sen K, Bahrami S H, Bajaj P. High performance acrylic fibers[R]. Indian Institute of Technology, 1996.
[4] Topkin J. Analysis of shrunk and non-shrunk fabric filter samples from Hendrina Unit[R]. Eskom CR&D, 2001.
[5] Carrott P J, Nabais J M, Ribeiro Carrott M M, Parajes J A. Preparation of activated carbon fibers from acrylic textile fibers[J]. Universidade de Évora, 2000.

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