高压脉冲袋式除尘在焦炉烟气治理中的应用突破

基于日立Hitachi Plant Technologies在ICESP X的焦炉布袋除尘试验研究解读

关键词
fabric filter, coke oven, pulse-jet, pressure loss, acceleration, agent, 电袋复合除尘, 超低排放

在焦炉烟气治理领域，长期困扰行业的一大难题，是如何在高效控制黑烟排放的同时，稳定控制布袋除尘器的压降。与电除尘器（ESP）相比，袋式除尘器对超细颗粒物有优势，但焦炉烟气中的未燃碳呈“蒸发凝结型”极细粉尘，极易在滤料表面形成致密粉饼，导致运行一段时间后压降陡升、清灰困难、能耗飙升。这也是当前众多钢铁企业在推进超低排放改造时，对“焦炉布袋除尘+高压脉冲”工艺始终保持谨慎的核心原因之一。

本文解读的是日本 Hitachi Plant Technologies, Ltd. 的 Naoyuki Ohashi 和 Kazuaki Takafuji 在 ICESP X（Australia, 2006）上发表的研究成果《Application of Fabric Filter to Coke Oven》[1]。该团队在实际焦炉工况下搭建中试装置，系统研究高压脉冲袋式除尘器在焦炉烟气条件下的压降控制机理、脉冲参数优化方法以及助滤剂的协同作用，并将优化结果成功放大应用到工业装置，对当前焦炉烟气布袋除尘技术路线具有较强的参考价值。

焦炉本体结构决定了烟气工况的复杂性。典型焦炉由耐火砖砌筑而成，碳化室与燃烧室交错布置，煤在碳化室中受燃烧室高温加热生成焦炭，燃烧室燃料多为一氧化碳等可燃气体。一旦燃烧不完全，未燃碳以极微细颗粒的形式经烟道和烟囱排出，形成我们肉眼可见的黑烟。这类粒径极小的粉尘黏附在滤袋上后，会使布袋除尘器压降迅速上升，常规脉冲清灰方式难以有效剥离粉饼，因此亟需针对焦炉工况的高压脉冲清灰优化方案。

为此，研究团队在实际焦炉装置上布置了一套中试规模的高压脉冲袋式除尘器。试验装置过滤风量约 3000 m³/h，共配 9 条滤袋，有效过滤面积 30.2 m²，滤袋尺寸为直径 155 mm、长度 6.9 m；脉冲系统设计为 0.6 MPa 高压脉冲，脉冲时间 0.2 s，脉冲周期 60 min，脉冲空气罐容积 85 L，脉冲阀口径 25A、40A，可更换喷嘴直径为 10–17 mm。滤室被划分为 6 个分室，采用离线清灰方式：清灰时暂停该分室气流，其余分室继续过滤，从而在清灰期间维持整体过滤风速约 1.6 m/min，这也是试验研究的主要过滤速度条件。

与常规布袋除尘研究不同，该研究特别关注“脉冲瞬间滤袋内压与滤袋表面加速度”的关系，以此定量刻画清灰强度和粉饼脱落效果。研究人员在滤袋内部悬挂动态应变式压力传感器，在滤袋外表面预先固定铁片，并安装磁电式加速度传感器，实现滤袋内压与表面振动加速度的同步测量。试验表明，当高压脉冲触发后，滤袋内压先快速上升，然后在短时间内维持一个相对稳定的平台，随后逐渐衰减；与此同时，滤袋由收缩状态逐步鼓胀，加速度峰值出现在滤袋“完全鼓胀的瞬间”。这一瞬间的瞬态应力，对压紧粉饼的剥离至关重要。

在系统分析试验数据前，研究团队首先验证了滤袋内压的理论模型。对透气性包络体（滤袋）而言，滤袋内压的变化由“进入滤袋的空气量与透过滤料排出的空气量之差”决定，可用下式描述：

dP/dt = P₀ (Q_in − Q_out) / V

其中 P 为滤袋内压，P₀ 为大气压，Q_in 为脉冲瞬间进入滤袋的气量，Q_out 为透过滤袋排出的气量，V 为滤袋内部有效容积。研究中用实测的脉冲管道压力作为脉冲源条件，将不同喷嘴直径、不同脉冲空气量（15–40 L/条）代入模型计算滤袋内压随时间的变化，再与实际测量结果对比。结果显示，理论计算曲线与测量值高度吻合[1]，验证了该简化模型在工程设计和参数预测中的适用性。这一点对于工程设计单位而言尤其重要，因为在新建或改造焦炉烟气布袋除尘项目时，可以利用此类模型预估不同脉冲参数对滤袋内压和清灰强度的影响，从而减少现场反复试调。

在滤袋内压沿轴向分布方面，研究发现：当滤袋表面积灰足够厚时，脉冲过程中的轴向压力分布趋于均匀。因此，后续分析直接采用滤袋中部位置的代表性压力数据来评价不同脉冲工况。通过改变喷嘴直径（10–17 mm）和脉冲空气量（15–40 L/条），并保持脉冲压力 0.6 MPa、脉冲时间 0.2 s，研究者绘制了喷嘴直径与滤袋中部内压的关系曲线。结果表明，在该中试装置下，当喷嘴直径为 14 mm 且脉冲空气量位于 15–40 L/条范围内时，滤袋内压达到相对最高水平，而进一步放大到 17 mm 并未提高滤袋内压。原因在于，一方面喷嘴越大、脉冲管道压力越高，理论上可获得更大的瞬时流量 Q_in；但另一方面，喷嘴过大将导致脉冲管道压降过快，脉冲有效压力下降。两者折中后，在该规模、该脉冲供气条件下形成了 14 mm 的最优喷嘴直径。

滤袋表面加速度的测量结果与滤袋内压的变化趋势高度一致。在相同脉冲空气量 25 L/条、不同喷嘴直径条件下，滤袋表面加速度最大值同样出现在 14 mm 喷嘴工况，其它直径（10、12、17 mm）均低于这一水平[1]。结合内压模型可归纳出：在高压脉冲袋式除尘器中，滤袋表面峰值加速度主要由脉冲瞬间滤袋鼓胀形成，其大小直接受脉冲管道压力、喷嘴直径、脉冲空气量及滤袋结构等参数的共同决定。对焦炉这种“超细、易致密化”的粉尘，获得足够高而又不过度的峰值加速度，是有效清灰、控制压降、避免滤袋机械疲劳的关键。

在中试阶段，研究团队对比了不同脉冲参数下袋式除尘器整体压降的变化，特别分析了喷嘴直径 10 mm 与 14 mm 的差异。焦炉烟气工况下，系统对压降的目标控制值约为 1.7 kPa。试验结果显示：当采用 10 mm 喷嘴、脉冲空气量 20 L/条时，布袋除尘器的峰值压降上升到 1.94 kPa，明显超出目标值；而在采用 14 mm 喷嘴时，当脉冲空气量为 25 L/条时，峰值压降控制在约 1.6 kPa，进一步提高到 40 L/条时，峰值压降可降至约 1.4 kPa，完全满足设计目标。这说明在焦炉工况下，单纯缩小喷嘴、降低瞬时流量并不能换来更好的压降控制，相反，适当放大喷嘴、提高 Q_in，反而能够在滤袋承受的机械应力可接受的前提下，显著改善清灰效率和压降水平。

除了脉冲参数优化，该研究还考察了助滤剂对压降控制的作用。研究在布袋前端投加无机构造剂（文中称“agent”），通过改变“助剂/粉尘”的质量比，考察不同投加比例下除尘器压降的变化趋势。结果表明：随着助滤剂投加比例的增加，布袋除尘器压降明显下降，当助滤剂与粉尘质量比达到约 5.5 以上时，压降趋于稳定，不再显著下降[1]。这说明，在焦炉这类超细粉尘工况中，合理投加助滤剂可改变粉尘在滤袋表面的堆积结构，减弱粉饼致密化趋势，使脉冲清灰更加容易，从而实现持续稳定的低压降运行。对于已经投运而压降偏高的焦炉布袋项目，结合在线投加助滤剂与脉冲参数优化，往往比单纯加大脉冲强度更具经济性和可靠性。

基于中试研究成果，Hitachi 将优化后的高压脉冲袋式除尘系统应用于一套实际焦炉烟气治理工程。该工程的关键参数包括：处理烟气量约 212,416 Nm³/h，有效过滤面积 5241 m²，烟气温度约 190 ℃，配置 1560 条滤袋，尺寸与中试相同（φ155 mm × 6900 mm）；脉冲压力仍为 0.6 MPa，喷嘴直径选用 14 mm，脉冲空气量定为 25 L/条，并在布袋前设置助滤剂投加装置。工艺流程为：部分焦炉烟气在进入原烟囱烟道前分支引出，经调节阀与布袋除尘器过滤后，再并入总烟道或排放。

该实际装置在投运后连续运行约三个月，监测结果显示袋式除尘器压降始终稳定在设计值以下。系统采用差压控制清灰逻辑：当压降升至设定上限时启动离线脉冲清灰，压降回落至下限停机；由于清灰时相应分室暂时关闭，滤袋瞬时压降在清灰期间会有所上升，但从系统整体压降曲线来看，波动幅度保持在可接受范围内，未出现随运行时间延长而压降阶梯式累积上升的现象。这说明通过“高压脉冲参数优化 + 助滤剂投加 + 离线分室清灰”的组合策略，可以在焦炉复杂、波动的烟气条件下，实现袋式除尘器的长期稳定低压降运行，为钢铁行业焦炉烟气超低排放提供了实践路径。

从行业视角看，这项研究的价值不仅在于给出了一套具体的脉冲参数组合（如 0.6 MPa、14 mm 喷嘴、25–40 L/条脉冲量等），更关键的是：

第一，构建了可用于工程预测的滤袋内压模型，并通过实测数据验证，为设计端优化高压脉冲布袋除尘器提供了可靠工具；

第二，明确了滤袋内压、表面加速度与清灰效果之间的定量关联，强调“大压差瞬间鼓胀”在超细粉尘清灰中的决定性作用，为焦炉、烧结机、电炉等高难度工况的脉冲设计提供了思路；

第三，通过系统试验证明，助滤剂在超细粉尘工况下对压降控制具有显著贡献，且存在一个经济合理的投加区间（助剂/粉尘质量比 ≥5.5 时收益递减），为运行单位在经济性和效果之间找到平衡提供了参考。

随着钢铁行业超低排放、“双碳”目标以及新污染物治理要求的不断提升，单一依赖电除尘器已难以满足日益严格的颗粒物与有害成分控制指标，布袋除尘与电袋复合除尘（ESP+Baghouse）的技术组合将会在焦炉、烧结、球团等工序得到更广泛应用。本文解读的这项高压脉冲袋式除尘实炉试验工作，为行业在焦炉工况下正确理解和使用布袋除尘器提供了重要实证，也为相关工程公司和业主单位在选型、设计和改造过程中，提供了可量化、可验证的技术依据。

Keywords: fabric filter, coke oven, pulse-jet, pressure loss, acceleration, agent, 电袋复合除尘, 超低排放

[1] Ohashi N, Takafuji K. Application of Fabric Filter to Coke Oven[C]//ICESP X – Australia 2006, Paper 6C3. ICESP, 2006.

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参考文献
[1] Ohashi N, Takafuji K. Application of Fabric Filter to Coke Oven[C]//ICESP X – Australia 2006, Paper 6C3. ICESP, 2006.