移動電極電除塵器清灰刷失效試驗方法及裝置設計

趙海寶，王賢明，何毓忠，酈建國

（浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800）

0 引言

MEEP（移動電極電除塵器）是用于燃煤發電廠煙氣除塵的主流新技術之一，具有有效避免二次揚塵、防止高比電阻煙塵的反電暈現象、出口粉塵濃度低、降低PM2.5排放、結構緊湊、電能損耗低、經濟性高等特點，是大氣污染治理的最佳能手之一[1-3]。清灰刷是MEEP的關鍵部件之一，其壽命已成為MEEP使用壽命的最大瓶頸，其國產化的質量把控顯得尤為重要。清灰刷的壽命評估、失效形式分析和相應的改進是電除塵器廠家的關注點，把握好清灰刷相應工作參數可大幅提高MEEP的維護性能，從而提高除塵效率并降低運行成本。

1 清灰刷失效形式研究及主要原因分析

MEEP的除塵方式為：旋轉清灰刷在非集塵區域清刷陽極板，使得吸附在陽極板上的粉塵被順勢刷下。旋轉清灰刷的2個鋼刷的軸間距可調整，使得兩軸間距比鋼刷外徑小5～10mm，因此鋼刷在工作時呈彈性狀態并且被彎曲成弧形面。每旋轉一圈，鋼刷被強制過盈刮刷移動陽極板，將在陽極板上的粉塵清除。鋼刷與極板每接觸一次，將同時經過一次彈性變形，完成一個循環，因此，鋼刷鋼針承受的主要是周期性載荷。

魏崇光[4]等認為鋼刷破壞的主要原因是大于3mm的鋼渣異物嵌入刷面鋼針間隙內而引起鋼針倒伏。嵌入的異物使鋼針在運動過程中承受的彎曲應力超過了屈服極限，鋼針產生塑性變形而倒伏。倒伏的鋼針脫離了工作狀態，減少了鋼刷的有效承壓面積，從而加大了倒伏區周圍鋼針的負荷，隨著運行次數的增加，倒伏現象不斷向周圍擴展。

因此，在進行鋼刷失效形式試驗時，不僅需要考慮鋼針的強度、磨損、疲勞等因素，還要考慮由于鋼針的塑性變形而產生的倒伏。

1979年日立工業建設公司藪田宏昭[5-6]的研究報告顯示，磨耗試驗裝置在有粉塵狀態下進行了約1年的試驗，其磨耗量約為5mm。通過每年調整1次集塵極與刷子的軸距離，來保證鋼刷對移動極板清灰效果的有效性。之后對實際運行的MEEP的追蹤調查顯示：刷子每年的磨耗約為2.5mm，磨損量是磨耗試驗的一半。因此，實際運行的MEEP可以延長調整的時間間隔，可以1.5年進行一次距離調整，甚至2年一次。

2006年，T.MISAKA等[7]認為通過改進極板結構，可使鋼刷的待刷平面度大大提高，從而提高鋼刷的壽命，改進后的移動極板和旋轉刷的接合實驗結果表明，旋轉刷的磨損量幾乎為傳統的一半。日立認為當鋼刷磨損總量小于25mm時，可通過減小鋼刷軸的間距使鋼刷的刷力足夠將粘附在移動極板上的粉塵去除；當鋼刷磨損總量大于25mm時應該作報廢處理，同時更換鋼刷軸。6年的實際實驗結果表明，鋼刷磨損總量約為10mm，陽極板結構改進后，鋼刷的更換時間將會超過15年。

日立在2011年改進了旋轉鋼刷結構[8]，將旋轉改為固定形式。在保證移動極板上粉塵層厚度低于反電暈時出現的最小粉塵層厚度20μm的情況下，如圖1所示的實驗結果表明，單級刷在被安裝成與水平線小于45°的夾角時，刷子就可以有效地去除粉塵。

圖1 固定刷基礎研究結果

綜上所述，從魏崇光的實驗結果可以得出，粉塵等顆粒進入鋼刷的鋼針之間，使得鋼針塑性變形而失效，這可能是鋼刷失效的主要原因；從T.MISAKA的改進被刷平面的平面度的實驗結果得出，被刷平面的平面度改進使鋼刷壽命增加了一倍，因此，被刷平面的平面度增加，使得鋼刷在周期載荷下的最大應變減小，因此，鋼刷的疲勞失效可能是鋼刷失效的主要原因。

2 試驗裝置和試驗方法設計

2.1 鋼刷材料對比

在日本投運的MEEP的清灰鋼刷，其鋼針采用的不銹鋼材料為SUS304，該材料在室溫下呈奧氏體單相組織，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度，在低溫、室溫及高溫下均有較高的塑性和韌性，以及較好的冷作成型和焊接性。其力學性能為：屈服強度σs=263.80 MPa，抗拉強度σb=625.55 MPa，延伸率δ=46.70%，楊氏模量E=194020 MPa。鋼針焊接在鋼條上，鋼條盤旋焊接在旋轉軸上，旋轉軸為鋼管。

SUS304對應國內GB牌號為0Cr18Ni9（新標準0Cr19Ni9）。圖2為國內廠家的移動電極電除塵器清灰刷產品實物圖，圖3為清灰刷旋轉方式示意圖，通過圖2和圖3可以看出清灰刷的結構和清灰工作原理。

由于國內外材料的制造標準和方式不同，存在一定的差異性，因而針對國內清灰刷開展試驗非常必要。

2.2 一次試驗計劃與試驗結果

圖2 待實驗的清灰刷實物

圖3 清灰刷旋轉示意

本試驗分一次試驗和二次試驗，一次試驗在無灰的情況下進行，極板結構與實際移動極板結構完全相同，如圖4所示。

圖4 一次清灰刷試驗裝置

（1）通過收集斷裂掉落的鋼針，統計鋼針斷裂數量隨時間變化情況，并且觀察斷裂鋼針的金相組織，分析斷裂的原因。由于是在無灰的環境下進行試驗，掉落的鋼針較容易收集。

（2）在法蘭連接處更換清灰刷，測試不同種類清灰刷的性能，選出最佳的鋼針材料、直徑、長度、螺旋組數等，并判斷刷緊力和磨損的關系。

（3）在試驗開始前對清灰刷進行平行光投影，測出各斷面的外直徑，試驗結束后，再通過平行光投影測出各斷面直徑，數據處理后得出倒伏隨時間變化情況，以等效每年的時間調整一次軸間距并記錄磨損量，以25mm磨損量為報廢標準。

2.3 二次試驗計劃與試驗方案設計

2.3.1 方案設計

二次試驗裝置是在一次試驗裝置的基礎上改造而成，充分利用一次試驗裝置，從而減低試驗成本。試驗裝置如圖5所示，由加料灰斗、灰斗支架、清灰刷機構、清灰刷傳動和支架機構等部件組成。

圖5 二次清灰刷試驗裝置

二次實驗的轉鼓極板之間留有縫隙，模擬移動極板之間的縫隙，用轉鼓極板的轉動模擬移動極板的上下移動。轉鼓的凹口模擬極板之間的間距，鋼針掛刷接觸面通過灰斗加灰，模擬清灰過程。設計時，將轉鼓的周長設計成與實際極板等高，實際極板間的距離等于轉鼓凹槽寬度，從而模擬極板間凹口的工況，達到近真實的模擬。

2.3.2 試驗參數設計及技術路線

（1）變量因素：粉煤灰種類，壓緊力（壓緊距離），鋼刷（材料、直徑、長度、螺旋組數），極板（平面度、粗糙度），轉速及運行時間。

（2）測試量：掉針數，倒伏量，磨損情況，金相組織，最大變形量。

圖6 試驗技術路線

試驗技術路線如圖6所示。

2.3.3 測試及判斷方法

（1）通過收集斷裂而掉落的鋼針，統計鋼針斷裂數量隨時間變化情況，并且觀察斷裂鋼針的金相組織，分析斷裂的原因。

（2）在法蘭連接處更換鋼刷，試驗不同種類鋼刷的性能，選出最佳的鋼針材料、直徑、長度和螺旋組數等。

（3）在試驗開始前對鋼刷進行平行光投影，測出各斷面的外直徑，試驗結束后，再通過平行光投影測出各斷面直徑，數據處理后得出倒伏隨時間變化情況，以等效每年的時間調整一次軸間距并記錄磨損量，以25mm磨損量為報廢標準。

2.4 試驗時間進度安排

具體試驗時間進度安排如表1所示。

表1 試驗進度安排

試驗方法：用圓弧外平面模擬極板平面，用凹槽模擬極板之間縫隙，一圈圓弧外徑與一塊極板距離相等，轉鼓每旋轉一圈模擬清灰刷刷完一塊極板。

試驗目的：模擬前4年清灰刷磨損情況，磨損量隨時間的變化情況，確定清灰刷軸距調整時間，確定磨損的主要原因，為進一步試驗和改進提供依據。

3 結論

在研究了用于移動電極電除塵器的清灰刷失效形式和日立針對清灰刷試驗的3次試驗結果的基礎上，設計了清灰刷試驗裝置，并作了詳細的試驗安排，為提高清灰刷壽命和降低移動電極電除塵器出口粉塵排放濃度提供了試驗數據，推動了移動電極電除塵器關鍵部件的研究進程，為移動電極電除塵器清灰刷的改進和現有設備間距調整時間提供了參考。

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