喷雾干燥器除尘系统研究设计及其运行管理＊

闫开放 李 转 康智勇 赵建安 李 婷

（咸阳陶瓷研究设计院 陕西 咸阳 712000）

喷雾干燥器除尘系统研究设计及其运行管理＊

闫开放 李 转 康智勇 赵建安 李 婷

（咸阳陶瓷研究设计院 陕西 咸阳 712000）

喷雾干燥器除尘系统设计及其运行管理对节能减排保护环境具有极其重要的现实意义。本文对除尘系统的配置、设计、管道与部件材料的选用作了详细的阐述，对其运行管理的方法也做了简单的分析介绍。

除尘系统 配置 设计 运行管理

喷雾干燥器除尘系统就是将混有粉料的尾气分离、捕集、输送、净化直至干净气体排放的整个过程。图1是喷雾干燥器除尘系统示意图。作为除尘器前的工艺措施，除尘管网配件是指除了除尘系统的吸尘罩、管道、除尘器、风机之外，为了使除尘系统正常运行而配备的自然补偿器、温度调节阀、除尘阀门、冷却器等，特别是对高温烟气除尘系统这些配套装置是必不可少的。喷雾干燥器除尘一方面粉料可以回收利用，减少浪费，另一方面可以降低环境污染，改善环境质量。因而，喷雾干燥器除尘系统设计及其运行管理对节能减排具有极其重要的现实意义。

1 除尘系统的配置

除尘系统一般包括排气吸尘罩、管道及其附件、除尘设备与风机以及相应的电控装置等。作为除尘系统还必须考虑烟气和粉尘的性质以及系统中各个部分的匹配。只有综合考虑各种因素，才能设计出经济合理的除尘系统。

表1 各类工业粉尘在水平和垂直管道内的最小流速

1.1 排气吸尘罩的设置

除尘系统设置排气吸尘罩，应考虑以下因素：

1）应根据生产工艺及排尘特点，对污染源分别采取局部密闭、整体密闭或其它形式的控制方式。

2）吸尘罩的结构和形式应在满足生产需求的前提下保持一定容积，而且罩内气流方向与污染物流方向一致。

3）排气罩要质量轻，操作灵活，启闭方便，一般要设置调节阀门和检查孔，为了进行除尘系统的风量调整还应在支、干管上设置侧孔。

1.2 管网配置

除尘管网配置应考虑以下条件：

1）在生产工艺和现场条件允许的前提下，系统的管道应尽可能短，弯头尽可能少，以便节约投资，减少运行费用。

2）对于多个污染源的场所，可以分散布置多个独立系统，也可联合布置成集中系统。压缩除尘系统数量对减少排放源和管理维护均有好处。

3）粉尘浓度较大时，管道以垂直和倾斜布置为宜。斜管段与水平面夹角应大于粉尘的自然安息角。采用水平管道，风速应大一些，同时要设置清灰孔，但风速过大时，系统阻力较高，运行费用增加，因此，管道内最低气流速度的选择是以不使粉尘沉积在管道内为原则。表1列出了各类工业粉尘在水平和垂直管道内的最小流速。

1.3 除尘设备

选用除尘设备应注意以下问题：

1）选用除尘设备首先应了解和掌握各种除尘器的适用场所及投资、运行费用。表2给出了6种除尘设备投资及运行费用的比较。表3为常用干式收尘设备的适用范围。

表2 6种除尘设备投资及运行费用的比较

2）生产工艺及其排尘特点是选用除尘设备的重要依据之一。这些特点是指排风量、粉尘性质、温度、湿度及主要特殊要求等。

3）在条件允许的情况下，除尘器应布置在远离污染源而又不影响生产操作的地方。

4）在一级除尘不能满足要求时，可考虑二级或三级除尘。但除尘器串联越多，操作管理越困难。

5）除尘器的运行应与生产设备连锁起来。在启动生产工艺时除尘器先运行；在停车时除尘器最后停止运行。

1.4 排灰装置及粉尘的回收处理

袋式收尘器放灰时不允许从放灰口漏入空气。因此，可作为排灰装置的种类就受到一定限制。一般采用较多的是翻板阀和双层翻板阀（见图2）。

表3 常用干式收尘设备的适用范围

图2 几种常见的翻板阀

图3 回转式卸灰阀

回转阀有多种形式，图3为其中一例。

虽然回转阀在结果上差别不大，但是旋片与阀体的间隙和其他参数设计以及制造精度却决定着结果的严密程度和在一定压差下的漏风量。回转阀漏风，特别是袋式收尘器处于负压状态下工作时的大量漏风，常常会成为事故的原因。漏风不仅造成排灰困难，而且使灰尘在灰斗内飞扬，从而提高了袋式收尘器内的粉尘浓度，导致压力损失过大，设备不能正常运转。因此，必须选用严密性（耐压度）与收尘器操作压力相适应的回转阀。

双层翻板阀是由两道平板阀门串联组成的，它们交替开闭，可在隔断气流的状态下排出灰尘。

袋式收尘器的粉尘排出装置大多采用回转阀，但是，对附着性强和磨损剧烈的粉料，或是负压较大的场合，则倾向于选用双层翻板阀。回转阀和双层翻板阀可直接安装在圆锥形或角锥形灰斗的下部，采用螺旋运输机输灰到排灰阀，如图4所示。

图4 螺旋运输机输灰装置

2 除尘系统的设计

对于除尘系统来说，一要有高的收尘效率，二要有较低的压力损失；既要保证投资少、维修费用低、使用寿命长，又要保证达到设置收尘装置的目的。

除尘系统的设计包括设备选型计算、管网计算以及风机选择等步骤。

2.1 除尘设备的确定

确定除尘系统首先是根据污染源的特点选择除尘设备以及除尘级数。除尘级数主要是根据《大气污染综合排放标准》（GB 16297—1996）、行业和地方环保标准规定的数据确定的。我们根据陶瓷行业喷雾干燥器制备粉料过程中尾气的性质和浓度，确定其除尘级数为三级，一级选用旋风除尘器，二级选用袋式除尘器，三级选用水喷淋除尘器。水喷淋除尘器同时兼备脱硫器作用（用一定配比的石灰水循环使用）。

1）旋风除尘器。旋风除尘器具以下优点：有结构简单、造价低、体积小、操作维修方便；压力损失中等，动力消耗不大，除尘效率较高（可达80%以上）；可用各种材料制作；适用于粉尘负荷变化大的含尘气体，性能较好，能用于高温、高压及腐蚀性气体的除尘，无运动部件，运行管理简便等；一般用来捕集5～10μm的尘粒。

旋风除尘器的压力损失是用气体通过旋风除尘器时的总能量消耗来表示，气流进口切向速度是影响旋风除尘器的压力损失的主要因素。△P＝ξ（ρu2／2）。对于一定结构形式的旋风除尘器，ξ为常数，一般由实验确定，也可用下式计算：

式中：K——常数，20～40，近似取30；

D——筒体直径，m；

b——进口宽度，m，当D一定时，b可取（1／5）D；

h——进口高度，m，当D一定时，h可取（3／5）D；

d——排气筒直径，m，当D一定时，d可取（1／2）D；

L——筒体长度，m，L可取D；

H——锥体长度，m，H可取2D。

由于旋风除尘器各部件的尺寸都是筒体直径D的倍数，所以只要进口气流速度u相同，不管多大的旋风除尘器，其压力损失都相同。因此，在压力损失都相同时，小型除尘器的进口宽度b值较小，则除去的粒径也最小。所以，多筒旋风除尘器相对于单筒旋风除尘器，除尘效率有所提高。旋风除尘器的压力损失一般在1～2kPa。

旋风除尘器可根据处理风量大小、含尘浓度、除尘要求等具体选择其结构形式及其组合。

2）袋式除尘器。袋式除尘器是利用滤袋进行过滤的除尘设备。袋式除尘器净化效率高（可达95%以上），性能稳定可靠，操作简便，对于微细粉尘收集最为适用。

袋式除尘器的压力损失不仅决定着能耗，而且决定着清灰周期。初次使用滤袋的压力损失很小（为200～250Pa），随着尘粒在滤袋表面沉积，压力损失不断增加。袋式除尘器清灰时不应破坏粉尘初层，否则会使滤尘效率下降。初层的阻力称为残留阻力，其数值一般为700～1 000Pa。

滤布是袋式除尘器制作滤袋的材料，袋式除尘器的性能在很大程度上取决于滤布的特性。如除尘效率、压力损失、清灰周期等都与滤布的性能有关。

制作滤袋的材料可分为天然纤维、合成纤维和无机纤维。按滤料的制作工艺可分为：

织物滤料适合于制成大直径、长滤袋，滤料平整光滑，有利于清灰；

针刺滤料具有三维结构，利于形成粉尘层，透气性好，阻力小；

覆膜滤料膜表面过滤，近100%截留被滤物，能低压、高通量连续工作，容易清灰；

玻璃纤维滤料耐热性好，可在260～280℃高温下使用，耐腐蚀、抗结露、清灰性能好。事实上一般要求温度在240℃以上才能正常使用。陶瓷行业喷雾干燥器用布袋除尘器最容易损坏的部分就是滤布袋，此滤布袋质量的好坏是除尘系统正常运行的关键所在。这是因为此行业粉料要求含水率高（5%～7%），易粘连布袋，同时生产时瞬间温度较高（240℃以上），易烫坏布袋，所以必须选用特殊布袋或采用其它措施对粉尘降温。

袋式除尘器一般根据含尘气体的性质、粉尘特性及袋式除尘器的清灰方式选择不同的滤布，使其满足生产条件和特殊要求。

袋式除尘器有机械振打袋式除尘器、脉冲袋式除尘器、反吹风袋式除尘器、旁插扁袋式除尘器等形式。

袋式除尘器的选型计算是一项比较细致的工作，若选型不当，对成本或生产将造成一定影响。设备型号选大了，占地大，浪费资金，影响成本；选小了，能力不够，达不到收尘的预期效果，直接影响生产。

根据处理含尘风量和含尘浓度，确定过滤风速，计算除尘器的过滤面积，选择合适的型号。

3）水喷淋除尘脱硫（除氟）器。水喷淋除尘器是在烟囱内设置喷淋头，经过布袋除尘器后粉尘量已很少，此处主要是脱硫（除氟）作用，用石灰水加压循环使用，最终达到净化尾气，保护环境的目的。

确定除尘系统还要考虑管网布置的可能性及风机性能等因素。有时候为了使除尘系统更合理，必须按除尘管道布置的一般原则及除尘系统的具体条件反复比较。

2.2 除尘管网的计算

1）确定除尘系统排风量后，根据下述公式计算排风管道直径：

式中：D——管道直径，m；

Q——通过除尘管道的气体量，m3／h；

υ——除尘管道风速，m／s。

在管道计算中，实际风量应按工艺求得后再加上漏风量。由实际风量按上式计算出管道直径，或查《全国通风管道计算表》，选取统一规格的基本管径，以便于加工和配备阀门、法兰。

2）管道摩擦阻力的计算：

式中：Δp1——直管道的摩擦阻力，Pa；

f——摩擦阻力系数；

L——直管道的长度，m；

D——直管道的直径，m。对于矩形管道，流速当量直径D为4ab／（a＋d），a、b分别为矩形管道的边长；

v——管内气体的流速，m／s；

ρ——管内气体的密度，kg／m3；

vg——管内粉尘的流速，m／s；

c——含尘气体质量浓度，kg／m3。

由于u／ug接近l，且c通常很小，所以也可以近似用干净的气体阻力计算公式，计算含尘气体。

在工程应用中，当所采用管道的粗糙度与制表采用的光滑管道的粗糙度不同时，按计算表查得单位长度摩擦阻力（R）值，应按下式进行修正：

式中：R＇——修正后的单位摩擦阻力，Pa／m；

R——按计算表查得的单位摩擦阻力，Pa／m；

K——风管内壁的绝对粗糙度，mm；

v——风管内的平均风速，m／s。

常用的通风管道的绝对粗糙度见表4。

表4 常用的通风管道的绝对粗糙度

3）局部压力损失计算。管道内的气流经异形管件时所造成的局部压力损失，可按下式计算：

式中：ζz——异形管件的局部阻力系数。

公式中ρv2／2表示管内流动流体所具有的动压头。通俗地说，局部压力损失的大小在数值上可以用流体具有动压头的倍数ξ来表示。

4）除尘系统管网的总阻力是不同直径各直管段摩擦阻力之和，加上各局部阻力点局部阻力之和，再乘以附加阻力系数（储备量），即：

式中：△P——除尘系统管网总阻力；

K——流体阻力附加系数，可取K＝1.15～1.20。

为减少系统阻力，尽量减少弯头数量，增大弯头曲率半径。多个尘源的分支管路，要有相同的压损，两支管之间的阻力差不应大于10%。

2.3 风机的配置

通风除尘管网设计计算的目的，是根据生产工艺的特点及管道配置确定系统的总排风量、管道尺寸及系统的总阻力，然后选择匹配的风机。

工程应用中，在选择风机时应考虑到系统管网的漏风以及风机运行工况与标准工况不一致等情况，因此计算管网风量和风压必须考虑一定的附加系数和气体状态的修正。

1）风量计算在确定管网排风量的基础上，一般增加10%～15%的漏风附加系数作为选择风机时的计算风量，计算公式如下：

式中：Q0——选择风机时的计算风量，m3／h；

Q——管网计算确定的抽风量，m3／h；

K——管道漏风附加系数。一般取K＝0.1～0.15。

2）风压计算考虑到风机性能波动，在无样本参照时，在管网确定的风压基础上增加10%的附加系数，然后进行气体状态修正，所得到的风压值作为选择风机时的计算风压。计算公式如下：

式中：P——选择风机的风压，Pa；

△Pt——除尘系统的总压力损失，管网和除尘器压力损失之和，Pa；

φ——风机性能波动系数（有样本时按样本选取，无样本时取φ＝0.1）。

3 管道与部件材料的选用

除尘管网的材料包括普通材料和耐磨材料。管网的部件包括风管检查孔、测孔、弯头、三通、四通以及风机出口等，这些都是除尘系统设计和正常运行不可缺少的部分。特别是耐磨材料，对除尘系统有着重要的作用。

3.1 管网普通材料

除尘管道最常用的材料是Q235钢板，由钢板制作的管道具有坚固、耐用、造价低，易于制作安装等一系列优点。对于不同的系统，因其输送的气体性质不同，并考虑到适用强度的要求，必须选用不同厚度的钢板制作。考虑到粉尘对管壁的磨损，除尘管道的钢板厚度见表5。

表5 除尘管道壁的厚度（mm）

但一般在设计时同时要考虑经济性，上表仅起参考作用，有时用不锈钢板可增加耐磨性，但其厚度将减少。

3.2 管网耐磨材料

金属材料的磨损分为粘着磨损、颗粒磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损。在除尘管道的磨损中，主要是颗粒磨损。这种形式的磨损程度取决于材料本身的硬度，硬度越高耐磨损程度越好。所以在耐磨材料的开发中，都是以提高材料硬度为主攻方向。

4 除尘系统的运行管理

选择了合适的除尘器，如不进行科学的维护管理，除尘器就不可能长期正常运转。只有对除尘器进行认真的维护管理，才能使除尘器经常处于最佳运转状态，并可延长其使用寿命。

负责运转和管理除尘器的人员必须经过专门的培训，不仅要熟悉和严格执行操作规程，而且还要具备以下知识能力：

1）熟悉收尘装置的排尘浓度、粒径及其变化范围；

2）熟悉除尘器的阻力、除尘效率、进出口风量、温度、压力；

3）要了解各种仪表、设备的性能，并使其处于良好状态；

4）设备运转时要使各项指标达到要求，如发现异常情况，应及时分析原因，并能排除故障。

除尘器及其附属设备常常因为磨损、腐蚀、堵塞等原因引起设备穿孔、漏气或堵塞，致使除尘效率急剧下降，甚至造成事故。

为了使除尘器能长期保持良好的性能，必须定期或不定期地对除尘器及其附属设备进行检查和维护，这虽然需要花费一定的时间、资金和材料（国外维护费一般占运转费用的8%左右），但却能延长设备的使用寿命，并能保持其运行的可靠性和稳定性。如不及时进行维护，一旦设备出了故障，将会给环境或生产带来重大损失。

我国陶瓷行业喷雾干燥器布袋除尘技术之所以存在问题，设备的维修管理不到位是很重要的原因，操作工人的整体素质也必须提高。

4.1 旋风除尘器的维护

旋风除尘器首先是稳定运行参数，主要是入口气流速度，一般为12～25m／s，浓度高和颗粒粗时入口速度应选小些，反之应选大些；其次应防止漏风，主要是进、出风口法兰处，本体和卸灰装置，若有漏风应及时更换老化或不密封垫；第三是检查磨损，包括壳体、圆锥和排灰口，若有磨穿孔洞应及时修补；第四避免粉尘堵塞和积灰，通过测定压力损失升高或气体流量减少检查设备堵塞情况并及时清理，保持排灰阀工作可靠、运转正常，防止贮灰和集灰系统中的粉尘结块硬化。

4.2 袋式除尘器的维护

重点检查和修理其漏气部位，滤袋使用情况等。定期检修项目如下：

1）修补滤袋上的硅酮、石墨、聚四氟乙烯等耐磨或高温涂料损坏部分，保证其性能；

2）对于破损和粘附物无法打落下来的滤袋进行更换；

3）滤袋如发生变形要进行修理和调整；

4）清洗压缩空气的喷嘴及脉冲喷吹部分，并更换失灵的配管和阀门；

5）检查清灰机构可动部分的磨损情况，并对严重磨损的部件进行更换。

4.3 除尘器附属设备的维修

1）电动机、风机、水泵等设备要定期加注润滑油、更换滚珠；

2）叶轮要定期清洗，设备内的积灰、结垢要定期清除；

3）各种仪器、仪表要定期进行检查和校正；

4）各种阀门要定期进行检查、维护，风管要定期清扫；

5）防止风机轴承座冷却系统缺水，堵塞。

喷雾干燥器除尘系统设计及其运行管理是喷雾干燥器制备粉料生产过程中重要辅助设备的关键所在，对用喷雾干燥器制备粉料生产企业的节能减排保护环境具有重要影响。搞好其除尘系统设计，优化除尘器结构，合理匹配除尘器的相关尺寸，提高除尘器制造精度和安装水平。加强除尘器运行管理，健全设备运行管理制度，严格按操作规程使用设备。严密监视设备运行状态，及时发现和排除故障，定期进行检查和维修。确保除尘系统高效、安全、可靠运行，提高空气净化程度，为搞好环境保护及节能减排作出应有的贡献。

TQ174.5

A

1002－2872（2011）01－0009－06

图1 喷雾干燥器除尘系统示意图

喷雾塔和窑炉废气处理技术和装备研究开发（项目编号：：2010ZG132277）

闫开放同志，毕业于重庆建筑工程学院建材制品专业，大学本科。教授级高级工程师，享受国务院特殊津贴。现任咸阳陶瓷研究设计院院长兼党委书记。

闫开放同志长期从事墙体材料工业技术开发与工程设计工作，积累了很丰富的经验，尤其在工艺专业、机械设备专业方面颇为突出。1988～1991年负责承担了国家“七五”科技攻关专题“消化翻版粘土空心砖关键设备的安装、调试、考核”全过程工作。1992～1995年参加的“墙体革新与节能建筑推广系统工程的研究”课题获得建材部科技进步一等奖和国家科技进步二等奖；作为主要完成人承担的“全煤矸石空心砖生产工艺及装备的开发研究”课题获国家科技进步二等奖。在省级以上刊物上公开发表论文20多篇，编写了10多万字的“墙材革新与建筑节能培训教材”。闫开放同志还在工程设计方面作为工艺设计负责人和主要设计者完成的“黑龙江双鸭山市煤矸石空心砖生产线”获得国家优秀设计银质奖。另有五项工程设计，三项获行业部级优秀设计二等奖，二项获行业部级设计三等奖。

喷雾干燥器主要用于陶瓷行业粉料的制备，同时在矿业、冶金、染料、化工等行业得到广泛使用。喷雾干燥器是将含有一定水分的料浆，通过压力泵输入喷雾干燥塔内的雾化枪，料浆雾化成滴群与干燥热风发生迅速的热交换，料浆雾滴脱水，被干燥成符合工艺参数要求的球状粉料，后在重力作用下聚集于塔底，由卸料装置排出。同时混有粉料的尾气通过除尘系统把粉料分离出来收集于下部集灰斗中由排灰阀排出，而净化后的尾气由烟囱排入大气。