除尘器及除尘系统的改造

2011-11-02王作杰

水泥技术 2011年2期

王作杰

除尘器及除尘系统的改造

Modification of Dust Collector and Dust Removal System

王作杰

按照《中华人民共和国大气污染防治法》和工业大气污染物排放国家标准，工业粉尘排放浓度要求低于50mg/m3（标），许多地方法规规定低于30mg/m3（标），生产系统禁止非正常排放，除尘装置对于工业窑炉通风机的年同步运转率不得＜99%。工业生产中许多电或袋除尘器因早期技术落后或设备年久老化，都不同程度地存在一定问题，其主要现象是排放超标。因此，越来越多的工业企业实施了除尘器及除尘系统的改造。

如何针对不同企业的具体情况，因地制宜地制定改造方案，在满足环保要求的前提下，充分利用原电除尘器的结构，缩短施工工期，降低成本，保证其服务的生产工艺的稳定性，并实现节能降耗，是除尘器改造技术至关重要的问题。

电除尘器及系统的改造一般有4种方案。

第一，“电改电”技术：原则是增加集尘面积，提高除尘效率。按照Deutsch公式：

式中：η——除尘效率，%

A——收尘面积，m2

Q——处理烟气量，m3/h

ω——荷电尘粒在电场力作用下的驱进速度，cm/s

再考虑环境因素系数后计算出需要的集尘面积，同时增加电场数量，至少预留一个备用电场，加大保险系数。

另外，同时改进电源装置以提高粉尘荷电效率，也是“电改电”技术措施之一，如采用高频电源或电能增强器等。

实施“电改电”技术需配合进行气体的调质，改善粉尘比电阻。例如，水泥窑尾废气除尘效率的稳定性取决于系统设备配套增湿塔，如果增湿塔工作不理想，应考虑增湿塔喷雾系统的改造，否则达不到改造效果。

“电改电”技术方案理论上可行，但依据目前环保标准要求，必须按照以上思路实施。因而，改造成本很高，有时受工艺布置及场地限制根本无法加接电场。

“电改电”技术实际上更多的是取决于工艺系统操作的稳定性和设备性能的可靠性，一般很难避免事故状态超标排放，例如断极线后无法在线检修。因此，目前实施案例较少。

第二是“电换袋”。即拆除原来的电除尘器，重新安装新型除尘器。此方案达到改造效果没有问题，但一般投资高，改造时间长，很少实施此方案。

第三是改为“电-袋复合”除尘器。即保留电除尘器部分壳体和电场，改为电-袋复合除尘器。

电-袋复合除尘器是电除尘器和袋除尘器的组合。目前世界上有2种形式的电袋复合除尘器，一种称为COHPAC，由美国电力研究所（EPRI）的Ramsay Chang博士开发并取得专利，Hamon Rasearch-Cottell公司将之实现工业化应用；另外一种称为Advanced Hybnd（简称AH），由美国南达科他大学的能源与环境研究中心（EERC）开发并取得专利。AH的结构比较复杂，基本结构是在电场极板中穿插滤袋，利用静电场力收集滤袋清灰以提高清灰效率，从而提高过滤风速。COHPAC就是所谓的“前电后袋”的典型复合除尘器，已经取得了工业规模的运行业绩。

电袋复合除尘器在我国国内也开始研究应用，但多数为COHPAC方式。

COHPAC电袋复合除尘器理论上的优点在于经过电场除尘后，滤袋的粉尘负荷降低，滤袋过滤风速可适当提高，清灰周期也可以延长。但电场故障时袋过滤部分负荷会增大，系统阻力会增大而影响系统正常运行，尤其不适合工艺除尘系统，如电厂锅炉废气除尘和水泥窑尾除尘等系统。因此，实际应用中滤袋的过滤风速不能取得太高，比纯袋除尘器过滤风速提高20%为佳。从这个意义上说，电袋复合除尘器的投资经济性和运行经济性都不是最优。

计算电袋复合除尘器的经济性，包括投资经济性、运行经济性和可靠性，投资经济性是考虑增加电场后，减少滤袋部分投资能否补偿设置电场部分的投资；运行经济性则是所谓降低阻力，即延长滤袋寿命节约的成本能否补偿电场部分额外耗电的成本。如果从理论计算则其假设很多，难以置信。我们从成功运行的电袋复合除尘器和袋除尘器的比较看，前者比后者实际投资一般高20%～30%，而实际运行维护成本并没有明显差距。而电袋复合除尘器电场部分的可靠性对实际运行成本影响很大，一旦电场故障实际运行的是一台纯袋除尘器。

电袋复合除尘器的主要缺点：a管理相对复杂，电场部分不能在线维修，整机维修比较困难。b运行费用偏高，电袋复合除尘器实际上是两台除尘器（一台电除尘器和一台袋式除尘器）相串联，两种除尘器的缺点也就集中到一起，电场部分高压电源耗电+袋除尘器的系统阻力。

然而，对于改造而言，电袋复合除尘器倒是可以论证和考虑的方案，尤其在高粉尘浓度下靠电场预降尘而降低滤袋部分负荷确有作用。天津水泥工业设计研究院有限公司在改造天瑞汝州和天瑞卫辉两台5000t/d高浓度高负压电除尘器时计算其原电除尘器的空间富余，于是实施了电袋复合改造方案。改造后除尘器实际运行效果良好，袋除尘部分总压差在1300Pa以下，分室压差在1000Pa以下，其中汝州天瑞电袋除尘器已经运行三年半未更换滤袋，超出了预期寿命，充分证明高含尘浓度气体的电袋复合除尘改造成功。

改造为电袋复合除尘器的前提是：a气体比电阻是适合的或气体调质系统是完好的；b原电除尘器确有充足的空间可保留一到两个电场。这时基本无需电场部分投资，“电改电-袋”方案实际投资成本并不高，甚至偏低，保留电场还可以减少改造工程量，缩短施工工期。换言之，如果空间不足，需要另外增加电场或袋室的电-袋复合改造没有意义。

然而，目前国内实际成功应用的工艺性电袋复合除尘器，包括上面提到的天津院的电袋复合案例，其袋滤部分的过滤风速并非如理论计算那样高，即过滤面积基本不小于纯袋除尘器的方案，因而具有真正的实用性和可靠性。

另外，从我们近几年的改造实践看有富余空间的电除尘器并不多，因此适合用电袋复合除尘器改造电除尘器方案的也不多。

第四是“电改袋”。即在保留原电除尘器部分壳体的基础上直接改为袋式除尘器。此项技术目前国内外电除尘器改造成功的应用案例最多。比较其他改造方案，它有如下优点：

（1）适应多数电除尘器的改造，完全可以满足目前严格的废气粉尘污染物排放标准要求；

（2）简单实用，改造停窑时间短，投资成本低；

（3）完全可以在线维护和检修，充分保证了系统运转率；

（4）完全可以做到低漏风、低阻力和更长的滤袋寿命，运行成本低。

天津院有限公司环保分公司多年来已成功运用电改袋技术改造了各种规模水泥生产工艺的除尘器近二十台套，取得了许多有益的经验，促进了除尘器改造。

表1 是天津院有限公司环保分公司在水泥窑头窑尾除尘器及除尘系统改造的主要案例。

不同的应用工艺，不同的原电除尘器规格，必须采用不同的结构改造方案。例如：华新集团苏州金猫水泥有限公司4000t/d窑尾电改袋，是原两条中空窑系统改造为一条4000t/d干法水泥熟料生产线，要求利用其中一台窑尾电除尘器的基础进行袋除尘器改造。我们方案的重点是基础结构的优化，尽量减少施工停窑周期，巧妙利用原电除尘器结构，实现气流合理走向，谨慎改造原有力学结构，不能出现结构失效事故。

综上所述，目前多数情况下“电改袋”方案应是除尘器改造的优先选择，然而，要想改造成功，体现上述优点，必须注意如下两点：

（1）采用的核心技术要先进、成熟、可靠，并针对不同电除尘器实施不同的改造“嫁接”方案。

（2）要同时考虑除尘工艺系统及相关设备的改造。

什么是先进、成熟、可靠的“电改袋”的核心技术？当然是先进的袋除尘技术。

先进袋除尘技术标准：

（1）100%达到国家规定的排放标准，甚至排放更低，一般≤30mg/m3（标），无事故排放。

（2）集尘能耗最低。过滤元件的单位面积透气量大（高通透率），过滤阻力低；本体结构简单合理，结构阻力低，袋除尘整机压差应低于1300Pa；宜用净气室内换袋结构，降低设备漏风率。

（3）清灰使用能量较少，清灰效率高，减少压缩空气使用量。

（4）采用智能运行监测系统，对气体温度、分室压差及压缩空气压力进行监控。实施压差反馈清灰控制；同时实施运行中破袋检测，具备参数异常报警功能。

表1 天津院除尘器及除尘系统改造的主要案例

气箱脉冲技术虽已普遍应用，但因其分室离线清灰和袋长限制的缺点而被行喷清灰技术所取代，后者以简单、清灰高效、在线清灰和长滤袋而占绝对优势。

因此，短袋的气箱脉冲袋除尘技术和长袋反吹清灰袋除尘技术都无法实现“电改袋”的结构要求，而行喷吹清灰技术和引射喷吹清灰技术都非常适用，后者清灰效率更高，但由于结构处理较复杂，还没有应用案例，目前国内外电改袋的成功案例都是行喷吹清灰技术，天津院有限公司成功实践的“电改袋”均是此技术。

为什么要同时考虑除尘工艺系统及相关设备的改造呢？那就是要充分了解和研究被改除尘器所服务的工艺系统的特点和要求，充分评估改造后参数的变化对系统及设备的影响，在设备改造的同时，实施必要的系统改造。否则，对于任何工艺系统采用固定的结构和定式的改造方法可能会导致改造失败。

现以水泥窑尾废气处理系统为例进行简单讨论。图1是两种典型的水泥窑尾废气处理流程图。

一般讲，无论哪种工艺系统，一旦实施“电改袋”，系统设备方面需要改造的内容如下：

（1）为确保改造后滤袋不被高温烟气损坏，须将现有增湿塔的喷水系统改造升级，将其改造为恒温控制喷雾系统，或者增加进气冷风阀，在除尘器入口负压不足或微正压时应增加鼓风机，确保滤袋的安全；

（2）利用现有的窑尾废气电除尘器壳体，将其改造成一台先进可靠的行喷脉冲清灰袋除尘器；

（3）为克服电改袋后设备阻力增加，须将现有窑尾EP风机及电机改造或更换；

（4）为满足改造后袋除尘器清灰压缩空气需求，需要对原有压缩空气系统进行核算，必要时新增空气压缩机，并入原压缩空气系统；

（5）最后还要注意核算原有系统风管和排料系统是否适应，如果不适合要对系统实施必要改造。这一点一般不被重视，但以笔者的体会，关注系统是非常必要的。

下面，从三个方面浅谈除尘器及除尘系统改造技术的研究和体会：

1 水泥窑头废气降温方式探讨和窑尾增湿塔喷水系统的改造

1.1 水泥窑头废气降温方式探讨

水泥窑头冷却机废气除尘已有更多采用袋除尘技术的案例，但其废气降温方式是非常令人头痛的事。为保证不烧袋应将废气温度由250℃（瞬时450℃）的气体降到200℃以下，降温方式有掺（鼓）冷风法、空气热交换器冷却法和喷水降温法。目前应用较多的是空气热交换器冷却法，但根据热交换计算公式：Φ=A·k·△t需要的热交换面积很大，因此热交换器设备成本很高。而掺（鼓）冷风法则使系统瞬时风量增大，造成系统不稳定，甚至发生危险。喷水降温法确是不错的选择，它降温效果好，反应速度快。主要是基于目前许多水泥系统都加入了余热发电锅炉系统，一般情况下降温系统是短期和应急应用。焦作千业水泥窑头电改袋后就是采用了恒温控制喷雾降温系统，运行两年多来降温控制准确，在接入余热锅炉系统后确实起到了袋除尘器及系统安全的保护神的作用。

喷雾降温恒温控制技术的应用在千业水泥窑头电改袋工程中主要在篦冷机2、3段和篦冷机出口烟道内加装了喷水降温系统（图2、3）。

其技术难点在于长期连续大量喷水后怎样防止受潮熟料在篦冷机和烟道内结皮。喷雾系统技术参数见表2。

图1 水泥窑尾废气处理系统典型的工艺流程

系统采用回流控制+分组及单枪控制方式，安装远、近程多点温度检测，并将数据即时反馈给中央处理器，超前调整，并反馈控制喷水喷头数量、位置和喷水量，以保证除尘器进气温度在要求范围之内。图4为实际运行监测屏，图中上面曲线为篦冷机出气口温度，下面曲线为控制的和实测进入袋除尘器温度。可见，在篦冷机出气口温度在350～530℃之间剧烈波动的情况下，实际进入袋除尘器温度基本稳定在127℃。

1.2 窑尾增湿塔喷水系统的改造

一般认为，水泥窑尾“电改袋”后对增湿塔喷雾系统的要求比电除尘器降低了，只要保证不烧袋，无需改造喷雾系统。但根据我们调查，目前国内水泥窑尾增湿塔喷水系统工作不正常的约占80%，一个原因是多数系统设计没有考虑精确的恒温自动控制技术，而是将喷雾装置和水泵系统的控制割裂开来，实施粗放和简单的控制；另一个原因是许多用户对喷雾系统的重要性认识不足，维护不到位，系统始终带病运行。其实，这也是许多电除尘器运行不正常的原因之一。

正如窑头喷雾降温系统一样,窑尾系统喷水降温系统温控的准确和稳定意义重大。不仅仅是防止烧袋，更重要的是可以降低气体流量，使系统运行稳定，甚至可以减少袋除尘器过滤面积，降低废气处理系统总投资和降低运行成本。

表2 喷雾系统技术参数

图2 篦冷机出口段管道喷雾系统

图3 篦冷机篦床上方管道系统

图4 实际运行监测屏

进行增湿塔喷水系统改造，喷水系统应考虑采用恒温控制系统，将入除尘器温度稳定控制在较低的温度范围内，例如当生料磨及锅炉系统不运行时，可以保证将废气温度控制在120℃±5℃，当生料磨或余热锅炉投入运行时，气体温度将更低，任何工况下窑尾废气温度不会高于120℃±5℃。而目前窑尾系统工况废气量的温度一般是按照200℃换算，例如把5000t/d水泥熟料生产线窑尾废气处理量提高到960000m3/h。从理论上讲按照125℃计算工况废气量可降低27%，即5000t/d水泥熟料生产线窑尾废气处理量可按照604800m3/h，实际考虑安全系数按照720000m3/h选择风机和袋除尘器，可降低投资20%。当然，如果采用可靠的恒温控制喷雾降温系统，仍然按照960000m3/h进行废气处理系统设备的选型没有问题，只是提高了安全稳定系数。同状况下除尘器过滤面积越大阻力越低。

增湿塔恒温控制喷雾系统应该是一个独立的控制系统，它的工作需面对锅炉、生料磨开、停、窑况异常等不同工况条件，烟气的温度、流量、湿度的各种变化。为满足上述各种变化，并保证经济运行，系统采用泵组运行方式。

当窑系统单独运行，锅炉没有运行，甚至出现异常高温时，输水量较大，多台水泵同时启动，恒温系统可把增湿塔出口温度控制在120℃±10℃的区间内。

当回转窑与生料磨同步运行时，生料磨需较高温度气体烘干生料，设定出塔温度为180～220℃，一般只开启一台水泵少量喷水。

一般水泥厂生料磨与回转窑同步运行率为85%，通过以上运行方式可知，单台水泵的运行时间将占全年总运行时间的80%以上，单台水泵电机功率仅22～37kW，所以对于自动温控系统，低成本运行是主导运行方式。

采用恒温控制喷雾降温系统是需要我们研究探讨和推广应用的。我们即将实施改造的意大利富平水泥窑尾废气处理系统将同时改造增湿塔喷雾降温系统为恒温控制喷雾系统。

2 除尘器本体的改造

“电改袋”技术及本体方案有多种：（1）美国GE（BHA）公司的加设外风管及进风闸阀的方案，例如北京燕山水泥厂窑尾袋除尘器改造。（2）天津院有限公司的袋室底侧风管内分风的方案，如金隅集团琉璃河水泥厂一号窑尾除尘器改造。（3）天津院有限公司的保留部分电场，袋室内隔板分风的电袋复合方案，例如汝州天瑞5000t/d窑尾袋除尘器改造。（4）天津院有限公司的中心风道分风的电改袋方案，例如焦作千业水泥5000t/d窑头电改袋。以上四种方案均为大净气室，室内换袋结构。（5）其他公司的方案，内隔板分风或内悬吊风管分风+小净气室，顶换袋方案。

以上五种方案中第一种方案理论上是最完美的，各分室进出口都有阀门，从安全角度讲是最合理的，即可以在线检修和换袋。但缺点是结构复杂，施工量大，改造需要停窑时间长，一般要停窑一个月左右。第五种是最简单的改造方案，耗钢率低，应该可以最少的停窑时间完成改造。但缺点明显，漏风率高，能耗高，易结露，最不适合寒冷地区应用。

需要分析第二到第四种方案各自的优缺点和演变过程。第二种方案分风更合理，减少滤袋不规则破损，缺点是制造施工复杂；第四种方案结构简单，可不改变进出风管连接方式，简化施工，缺点是钢耗偏高，不适合双室电除尘器及鲁奇BS930结构改造；第三种方案结构气流更顺畅，可使系统阻力更低，而且可适用于大多电除尘器结构，2010年初完成的大连小野田水泥窑尾高浓度电改袋就是应用的此方案。缺点是出风管连接复杂，钢耗量大。总之，第二到第四种方案均是天津院有限公司基于先进的TDM袋除尘技术，根据不同的电除尘器结构，不断总结、改进而创造的结构，总优点是结构规范紧凑、漏风率低。

TDM袋除尘技术具有如下特点：

（1）计算机专业软件辅助结构开发，第二代行喷脉冲袋除尘器技术，室内换袋（Walk in）结构，更低的漏风率、低阻、节能。

（2）核心结构——清灰机构以及控制拥有多项国家发明专利和实用新型专利。

（3）采用低CAN风速结构设计，保证设备高效运行。

（4）挂袋多孔板全部采用数控激光切割成型，确保尺寸定位及形状公差小于0.2mm，孔板平面度公差小于3mm。

（5）关键件采用国际名牌产品，确保设备性能优越。

（6）采用智能运行监测系统，全面监视系统运行中的气体温度压力及分室压差监控、分风状况和破袋检测，保证运行中破袋检测快速准确。

（7）标准板块结构设计，方便现场安装，并利于结构密封施焊。

（8）可靠的风路系统，完全实现在系统正常运行过程中的分室在线维护和检修功能。

3 技术改造要充分了解所服务工艺系统的特点

在国家节能减排战略下，现有水泥生产企业进行节能减排改造是当务之急。预热器改造，冷却机改造，水泥磨系统改造，加上余热发电系统和工艺性除尘系统改造，项目繁多。怎样用更低的投资达到更好的改造效果是生产企业最需要的，也是我们科研服务企业所追求的。笔者体会，各项改造应有机结合，充分考虑系统工艺参数改变对改造效果的影响。

图5 大连小野田电改袋

图6 赞皇水泥系统风管改造

除尘系统改造绝不是除尘器本体改造好就万事大吉了。无论如何改造为袋除尘器以后，过滤机理变化很大，决不能影响生产系统的稳定性。要充分了解生产系统的特点，例如改造前系统实际相关工作参数，设备规格参数，改造前后有无其他技术改造，例如余热发电系统改造，改造是否预留提产空间等等，甚至应该了解系统管道的管径和走向。否则会使改造效果大打折扣，甚至改造失败。

2008年7月金隅赞皇水泥有限公司2500t/d窑尾电改袋的实践中，我们确实体会颇深。改造完成后我们就遇到了问题：首先系统阻力很高，尽管除尘器本体压差显示阻力并不高，约1300Pa，但直接表现是新更换的废气风机能力不足，尽管风机风门100%打开，除尘器入口始终出现正压冒烟。而后，不到三个月滤袋大面积破损。开始我们怀疑滤袋，怀疑袋笼，怀疑孔板，甚至怀疑喷吹清灰机构。更换滤袋，增加袋口保护罩，均无济于事。

经过一年的研究探讨，我们比较所有改造的案例结构没有差异，对气体分布状况的数字模拟研究，未发现问题。我们开始对系统进行现场标定，结果是进入除尘器风管约20m长，阻力太高，达到1000Pa。我们再比较其他改造案例的工作环境认为，工艺系统设计不合理、进气风速高（超过30m/s）是阻力高的主要原因。再经过数字模拟测试以及现场排查，认为进气风速过高和排灰系统故障，灰斗经常不定时不对称地积灰对袋室中工作滤袋的扰动作用相当大，是造成滤袋早期破损失效的主要原因。

于是，我们提出工艺系统改造方案，今年三月份利用停窑检修实施了系统改造，包括生料磨及除尘系统入风管加粗改造和灰斗拉链机完善。改造完成后系统运转良好，系统阻力下降，无正压现象出现，废气风机阀门开度70%足够，再没有滤袋破损现象。

产生这个问题的主要原因是此生产线设计工艺管路按照2000t/d系统设计，而设备按2500t/d系统配套。另外由于此生产线还未建设完成就实施了电改袋，我们的设计没有关注工艺系统问题。因此，我们必须重视分析技术改造对其服务系统的影响。