水泥厂窑头多管冷却器及袋除尘技术的应用

杨如顺，毛志伟，吕忠明，田 源

（合肥水泥研究设计院，合肥 230051）

水泥厂窑头多管冷却器及袋除尘技术的应用

杨如顺，毛志伟，吕忠明，田 源

（合肥水泥研究设计院，合肥 230051）

介绍了水泥厂窑头篦冷机烟气的特性和袋除尘治理工艺、国外技术现状；国内外窑头烟气调质技术应用和国内窑头袋除尘器技术应用。列举典型案例分别对CXS型反吹风高温玻纤袋式除尘器、FGM气箱脉冲高温袋式除尘器、CDMC新型低压长袋脉冲高温袋式除尘器三种袋式除尘器技术的应用进行详细描述。分析认为，多管冷却器和新型低压长袋脉冲高温袋式除尘器组合是最好的应用技术。

水泥厂窑头除尘;多管冷却器;袋式除尘器

1 前言

我国的水泥生产企业是由小到大逐步发展起来的，水泥生产排尘量占全国粉尘排放总量的70%以上，成为工业粉尘的主要排放源， 严重污染了环境。“十一五”期间和“十二五”初，我国水泥工业取得了长足发展，新型干法水泥技术在节能、大型化方面取得了突破性进展。目前新型干法水泥窑规模以5000t/d为主，新型干法水泥生产线窑头窑尾粉尘排放是水泥厂最大的粉尘污染源。水泥生产线规模的扩大，不仅促进了与之配套的环保设备的大型化，同时也促进了环保装备及技术的进步。随着中国水泥走向世界，国际上采用中国水泥技术和装备累计建成投产、正在实施和已签合同的水泥成套线达110条。

目前，我国大多数预分解窑生产线都采用篦式冷却机冷却出窑高温熟料。篦冷机是一种骤冷式冷却机，用鼓风机向机内分室鼓风，使冷风通过铺在篦板上的高温熟料层，进行充分的热交换以达到急冷熟料、改善熟料质量的目的。一般篦冷机的鼓风量约为3Nm3/kg熟料，机内经过热交换后的热风，一部分（前段高温风）作为二次风入窑，一部分（中段高温风）作为三次风入分解炉，剩下的为余风（或称烟气），余风量的多少与篦冷机的结构有关，一般在1.2～2.5Nm3/kg熟料范围内，即每冷却1吨熟料产生1200～2500Nm3的余风，如不加以利用则全部排放，如加以利用（烘干原燃料或余热发电）则排放量会小一些。但无论利用与否，都会有夹杂着熟料粉尘的余风向外排放，所以必须对其进行除尘处理。为达到《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915－2004）中规定“水泥窑篦冷机余风除尘”排放标准为50mg/Nm3的限值，除尘系统需要高效、稳定的除尘设备才能实现。

2 窑头篦冷机烟气的特性和袋除尘治理工艺

水泥厂窑头篦冷机烟气具有以下工况特性：

（1）风量变化大。篦冷机的余风量随进入篦冷机内熟料量的增加而增大，尤其是当窑内出现结圈、窑中生料大量堆积的恶劣工况时，一旦窑圈崩塌使窑内黄料在极短时间内进入篦冷机，导致余风量增大到正常余风量的1.5倍。

（2）温度变化大。正常情况下，出篦冷机余风温度约为200℃～250℃，随着篦冷机内熟料量的增加，余风温度会相应升高，一旦窑内出现上述恶劣工况，余风温度就可能会高达450℃以上。

（3）含尘浓度变化大。正常情况下，出篦冷机余风含尘浓度为2～30g/Nm3，含尘浓度随篦冷机内细粉料的多少作相应的波动，一旦窑内出现上述恶劣工况，余风含尘浓度可能会增加到50g/Nm3以上。

（4）粉尘粒较粗且磨琢性强。其中≥50μm的粉尘约占50%，又因余风中夹杂的粉尘是熟料粉尘，故其磨琢性较强。

（5）粉尘比电阻高。因余风干燥，含湿量为1%～2%，故粉尘比电阻高达1011Ω·cm以上。

（6）粉尘比重大，比重约为3.2g/cm3。

根据以上特性分析，窑头篦冷机烟气具有风量变化大、温度变化大、含尘浓度变化大、粉尘粒粗、磨琢性强等特性，在除尘工艺设计和设备选型时须充分考虑。尤其是温度特性，因为在不正常工况时温度有时可达450℃，在此烟气温度下，就目前环保除尘技术，无论是电除尘器还是袋除尘器，均无法对此类烟气直接进行高效收尘，只有通过改变含尘气体的温度和湿度，或粉尘的性质，才能使除尘设备对此类粉尘有高效收尘能力，净化后的气体才能达到新标准的要求。改变烟气性质的手段或方法称为烟气调质，其目的是通过调质设备改变高温含尘气体的温度和湿度，调节粉尘的比电阻，使其满足后序除尘设备的进气要求，达到稳定高效收尘。近几年，对于新建生产线和环保改造项目，绝大部分都选用高效高温袋式除尘器，烟气调质的主要目的是使烟气温度冷却到250℃以下，以达到高温袋除尘器的进气温度要求。水泥厂窑头烟气治理常用工艺流程如下图。

水泥厂窑头烟气治理工艺流程图

3 国外技术现状

目前，世界发达国家对水泥窑头、窑尾的排放要求愈来愈严格，具体变化见表1。欧盟IPPC（综合污染预防与控制）指令（96、61、EC）关于《水泥制造业的最佳可用技术（BAT）与污染物排放指南》指出：采用袋除尘和电除尘技术，对应的排放控制水平为20～30mg/Nm3。这份文件将成为欧洲各国制定排放标准的依据。有一些国家（如德国、荷兰）水泥工业粉尘排放甚至要求达10mg/Nm3以下，尤其近年来“趋零排放”已为一种潮流。

表1 不同时期国外粉尘排放标准 （单位：mg/Nm3）

发达国家为控制污染总量，不断提高排放要求，降低污染程度，同时促进了除尘技术的发展与进步。在实际应用中，因袋式除尘器过滤材料的技术进步，使得出口排放降至十几甚至几mg/Nm3，大大改善了环境。在某些领域和生产工艺当中，袋式除尘器被大量使用，有些地方拆除了旧的电除尘器改换新的袋式除尘器，使袋式除尘器在一定的条件下有取代电除尘器的趋势。

国外水泥窑窑头篦冷机烟气除尘用袋式除尘器的发展过程是：反吹风式袋式除尘器 → 反吹风与高压脉冲喷吹并用袋式除尘器 → 低压分箱脉冲袋式除尘器。其中高压脉冲喷吹袋式除尘器有以下不足之处：1）过滤与清灰在同一箱体中同时进行，易产生粉尘再吸附；2）因不分箱，滤袋之间的截面上升风速受限，从而限制了滤袋长度（最长4m），占地面积大；3）不能进行分室检修。低压分箱脉冲式袋式除尘器克服了上述缺陷，滤袋可加长到8m。所以国外大型低压分箱脉冲袋式除尘器已成为发展趋势。

4 国内外窑头烟气调质技术及应用

在收尘技术工程中，一般将温度高于130℃的气体称为高温气体。新型干法水泥厂篦式冷却机排出的废气就属高温气体。其温度在200℃～250℃范围内，最高可达450℃，大大超过了袋式除尘器滤料的极限承受温度。显然，不经过烟气调质处理就无法直接使用袋式除尘器。

高温气体冷却降温的介质是常温空气或水，所以，通常称为风冷或水冷。不论是风冷或水冷设施都统称为冷却器。冷却器通常分为直接冷却器和间接冷却器两大类。所谓直接冷却器是指冷却降温的介质和高温气体直接接触进行热交换的冷却装置；所谓间接冷却器是指冷却降温的介质和高温气体不直接接触，而是通过器壁进行热交换的冷却装置。

（1）掺冷风

直接冷却器中用冷空气直接混入高温气体的冷却形式就叫掺冷风。它的结构简单，投资少，也易于控制，只需要在收尘器入口风管上装一个自动调节阀和温度控制器即可。直接冷却器中用水直接混入高温气体的冷却形式就叫喷雾增湿。水泥厂喷雾增湿塔普遍用于水泥厂干法窑窑尾电除尘系统，对废气进行降温、增湿，以降低粉尘的比电阻，能明显地提高电除尘器的收尘效率，其工作好坏是影响收尘效果的关键。由于窑尾粉尘的流量和温度随生产情况经常变化，必须及时调节喷水（雾）量到给定值上，否则，就会造成湿底故障、被迫停产，或者粉尘温度过高，使除尘器极板线变形而影响收尘。

根据调查，国内水泥行业收尘技术工程中极少采用掺冷风冷却高温气体的形式。因为掺冷风后会增加废气的体积流量，导致处理废气的收尘器体积或负荷加大。另外，渗入的气体受环境温度的影响较大。而在中东一些国家，由于缺水、地下水质差但能源丰富，仍然有不少水泥企业采用掺冷风冷却高温气体的形式。因为此种方法控制烟气温度简单可靠。

（2）自然风冷冷却器

自然风冷冷却器是利用大气对流自然冷却的管式冷却器。它的结构简单，没有运转部件，因而投资较小，维护方便，使用寿命长。在烟气冷却过程中，既没有渗入冷风，也没有水蒸气的加入，因而烟气的体积流量会随着温度的降低而减少，可降低收尘器的负荷，对稳定系统的工况十分有利。早在1986年，苏州光华水泥厂就设计安装了日产300吨水泥生产线窑尾自然风冷冷却器和反吹风布袋除尘器系统，并取得了良好的效果。此后，上海嘉定、湖北宜都等水泥厂也应用了自然风冷冷却器。但由于自然风冷冷却器的导热能力比较小，特别是被冷却的烟气量较大时，结构比较笨重。所以自然风冷冷却器只使用于较小烟气量的冷却场合。

（3）强制风冷冷却器（多管冷却器）

这种冷却器是由一定数量的传热钢管排列组合而成，所以平时俗称“多管冷却器”。高温气体在管束内通过，同时在管束外壁用轴流风机强制通风进行冷却，由于钢管壁的热传导作用，使高温气体的温度降低而冷却风的温度升高。在水泥行业，1997年成功地在南京青龙山水泥厂1200t/d生产线窑头篦式冷却机设计、安装了一台强制风冷冷却器和反吹风玻纤袋式除尘器进行配套。该冷却器的技术参数见表2。

表2 南京青龙山水泥厂1200t/d生产线窑头用冷却器技术参数

此后，又在南京青龙山1500t/d项目和巴基斯坦3000t/d项目开发了不同工况、不同型式的窑头多管冷却器，以及拉法基印尼4800t/d项目、约旦6000t/d项目、青州6000t/d项目和河南义马5000t/d等项目的水泥生产线窑头强制风冷冷却器，满足了袋除尘器除尘系统的工艺要求。青州水泥厂6000t/d生产线窑头用冷却器技术参数见表3。

表3 青州水泥厂6000t/d生产线窑头用冷却器技术参数

该冷却器实现了智能控制：当篦冷机余风温度高于滤料承受温度（或设定温度）时，分组、分步开启冷却风机，包括冷风阀，直至收尘器入口温度满足要求。当篦冷机余风温度低于滤料承受温度（或设定温度）时，分组、分步关闭冷风阀、冷却风机，直至收尘器入口温度满足要求。这样既有效地保证了收尘系统的正常运行，保护滤料，又最大限度地节省了能源，延长了冷却风机和冷却器的使用寿命。

5 国内窑头袋式除尘器技术及应用

目前，国内用于水泥厂窑头篦冷机烟气治理主要采用电除尘器和袋式除尘器两大类。国内生产的袋式除尘器、电除尘器均能够达标处理窑头含尘烟气，进口粉尘浓度允许超过100g/Nm3，出口排放浓度可控制在50mg/Nm3以下。随着《环境空气质量标准》（GB3095-2012）新标准的颁布实施和《水泥工业大气污染物排放标准》的进一步贯彻执行，袋式除尘器的优越性更加明显，尤其对PM10和PM2.5以下的粉尘捕集效果更佳。袋式除尘器的最大优点是除尘效率高，在实际应用中通常可达到99.99%，粉尘排放浓度可达到10mg/Nm3以下，这是由袋式除尘器的过滤机理所决定的，其可使粉尘附着在滤袋上，用粉尘层来过滤粉尘。在我国实行可持续发展战略、大力加强环境保护、实行污染物总量控制的情况下，袋式除尘器在治理粉尘、烟尘、二氧化硫、二英等污染方面，将大有作为。袋式除尘器的最大缺点是需要更换滤袋，过去由于滤料的品种少、质量欠佳、缝袋技术不过关以及除尘系统的其它原因，滤袋的使用寿命短，增加了运行费用和维护工作量，给用户带来不便。目前，随着滤料技术的发展，我国的滤料品种增多、质量及缝袋技术提高，滤袋使用寿命可提高到3年以上，甚至更长时间，满足了用户的要求。因此，袋式除尘器在新建项目或环保改造项目中将得到更广泛的应用。

目前，国内1000t/d以上规模的新型干法水泥生产线窑头几乎全部用篦冷机，自洛阳水泥厂烟气治理首次采用袋式除尘器后，由于其具有投资省、效率高且稳定等优点，袋式除尘器很快在郑州金龙水泥厂1000t/d生产线、南京青龙山1000t/d和1500t/d生产线、岐星水泥厂1000t/d生产线、四川都江堰3000t/d生产线、峨眉山1500t/d生产线等几百家水泥厂陆续成功应用。针对窑头工艺系统和含尘烟气的特性，国内先后研制和应用的典型技术和产品有3种：1）CXS型反吹风高温玻纤袋式除尘器；2）FGM气箱脉冲高温袋式除尘器；3）CDMC新型低压长袋脉冲高温袋式除尘器。具体介绍如下：

（1）CXS型反吹风高温玻纤袋除尘器

CXS型反吹风高温玻纤袋式除尘器是一种高效收尘设备。该收尘器采用三状态清灰工艺，同时在钢结构本体设计方面，为了便于安装，保证现场质量，降低钢耗，采用了标准箱体式和用户型板块结构。该收尘器在250℃以下高含尘浓度烟气条件下，能长期高效运行，收尘效率可稳定在99.99%以上。采用微机自动控制，能在不停机情况下进行维修而不影响生产。最近又采用了引进技术生产的玻纤膨体纱滤袋，提高了滤袋性能，降低了阻力。可广泛用于水泥、电力、冶金等工业窑炉废气的净化。水泥行业主要用于新型干法水泥厂回转窑窑尾和窑头篦式冷却机的除尘。

CXS反吹风高温玻纤袋除尘器的工作原理是：正常工作时，含尘气体在通风机作用下压入进气部管，通过各进气支管，进入各个灰斗，均匀地通过花板，然后涌入滤袋，大量粉尘就被滞留在滤袋上，部分直接掉入灰斗，而气流则透过滤袋达到净化，净化后的气流通过排气管排入大气。随着滤袋织物表面附着粉尘层的增厚，收尘器的阻力不断上升，通过反吹风机的抽吸作用，改变了滤袋内外的压差进行清灰。大量粉尘掉入灰斗，由排灰阀卸出。清灰工作完成后，进行正常过滤工作。收尘器整个运行、清灰过程是由PLC自动控制来完成的。

第一代产品是CXS（Ⅰ）型。南京青龙山水泥厂 1000t/d窑头篦冷机烟气除尘选用规格型号是CXS（Ⅰ）-2×6，该除尘器自1997年投入使用，运行效果良好。该除尘器技术性能参数见表4。

表4 南京青龙山1000t/d窑头袋式除尘器性能参数

第二代产品是CXS（Ⅱ）型，CXS（Ⅱ）型袋除尘器的主体结构由箱体、袋室、灰斗、进出风管四大部分组成，并配有基础支柱、爬梯、栏杆、检修门、滤袋及吊挂装置、压缩空气气路系统、清灰系统、控制系统、卸灰输送系统等。CXS（Ⅱ）型袋式除尘器采用单元式箱体结构，所有的箱体都是独立的单元，在厂家制作完成后到现场组装，这样大大提高了制造精度及质量，又便于现场安装，使整个工程周期大大缩短。同时，由于改变了滤袋本身的结构和增加了滤袋的顶部吊挂装置，使得滤袋清灰状态横向剪切力大大减小以及滤袋悬挂松紧程度可调。从而，延长了滤袋的使用寿命，维护方便，节省了运行费用。南京青龙山水泥厂1500t/d窑头篦冷机烟气除尘选用规格型号是CXS（Ⅱ）900-2×6（F），该除尘器自2003年投入使用，取得了很好的效果。该除尘器技术性能参数见表5。

表5 南京青龙山1500t/d窑头袋式除尘器性能参数

（2）FGM气箱脉冲高温袋式除尘器

FGM型气箱脉冲袋式除尘器主要由箱体、袋室、灰斗、进出风口、滤袋、袋笼、支柱、爬梯、栏杆、气路系统、提升阀系统、卸灰装置、清灰控制器等部分组成。其进出风口连接成一体形成风道，进出风口分别布置在袋室相对的两侧面，中间用斜隔板隔成互不透气的两部分，使气流分布均匀且预收尘效果好。

工作原理：含尘烟气先由进风口进入，在风道斜隔板的导向下，风道截面扩大，风速降低，部分较粗尘粒在这里由于惯性碰撞、自然沉降等原因落入灰斗，大部分尘粒随气流上升进入袋室，经滤袋过滤后，尘粒被阻留在滤袋外侧，净化的烟气由滤袋内部进入净气箱，再由阀板孔、出风口排入大气，达到收尘的目的。随着过滤过程的不断进行，滤袋外侧的积尘也逐渐增多，从而使除尘器的运行阻力也逐步增高。当阻力增到预先设定值（1245～1470Pa），或者到设定时间时，清灰控制器发出信号，首先控制提升阀将阀板孔关闭，以切断该单元过滤烟气流，停止过滤过程，然后电磁脉冲阀打开，以极短的时间（0.1～0.15s）向净气箱内喷入压力为0.5～0.7MPa的压缩空气，压缩空气在净气箱内迅速膨胀，涌入滤袋内部，使滤袋产生变形、振动、加上逆气流的作用，袋室外部的粉尘被清除下来掉入灰斗，清灰完毕后提升阀再次打开，除尘器又进入过滤状态。清灰动作均由PLC进行自动控制，清灰控制有定时式和定压式两种。

都江堰拉法基水泥厂3500t/d生产线冷却熟料采用篦床有效面积75.5m2的篦冷机，单位熟料冷却风量为1.8Nm3/kg熟料，窑头篦冷机烟气治理首次采用气箱脉冲袋式除尘器。净化后气体含尘浓度＜50mg/Nm3。四川峨眉山佛光水泥厂1200t/d熟料生产线窑头烟气除尘工艺也采用气箱脉冲袋式除尘器。篦冷机烟气经风冷式多管冷却器冷却降温后，进入气箱脉冲袋式除尘器处理。除尘器过滤风速1.2m/min，净化后气体含尘浓度＜50mg/Nm3。佛光水泥厂1200t/d生产线窑头用气箱脉冲袋式除尘器的技术参数见表6。

表6 佛光水泥厂1200t/d窑头袋除尘器性能参数

（3）CDMC新型低压长袋脉冲高温袋式除尘器

CDMC新型低压长袋脉冲袋式除尘器主要由进气管路、灰斗、袋室、净气室、出口管道、喷吹管路系统、排灰装置、卸灰阀和电气控制系统组成。

其工作原理：含尘烟气经烟道进入尘气通道，然后折入灰斗。当气流撞击导流板，部分粗粒由惯性而落入灰斗，其余含尘烟气的粉尘被阻留在滤袋表面，净气相继经净气室、提升阀壳体和排风道最终排入大气。除尘器运行一段时间后，滤袋外表面捕集的粉尘层增厚，除尘器的运行阻力上升，当增加到一定值后，就需要对滤袋进行清灰，整个清灰过程主要是通过脉冲阀来进行的，首先关闭提升阀板打开脉冲阀，压缩空气通过喷管向本排每条滤袋喷射气流，使滤袋产生变形、震动以达到清灰的目的。清灰结束后，排风阀再次打开，除尘器又进入过滤状态，互不干扰，实现了长期连续运行，提高了清灰效果。

近几年，随着水泥生产线规模越来越大，窑头篦冷机冷却烟气处理风量也越来越大。新上水泥生产线的窑头篦冷机冷却烟气处理大多数采用新型低压长袋脉冲袋式除尘器。如峨眉山1500t/d、山西双良水泥有限公司3000t/d、四川金顶广源2500t/d、河南义马5000t/d、山西保德2500t/d、山东青州6000t/d生产线等水泥厂。山东青州6000t/d生产线窑头用低压长袋脉冲袋式除尘器的技术参数见表7。

表7 山东青州6000t/d窑头袋除尘器性能参数

新型低压长袋脉冲袋式除尘器不仅综合了分室反吹和气箱脉冲的特点，克服了普通分室反吹强度不足和气箱脉冲滤袋短的缺点。由于加长了滤袋，充分发挥压缩空气强力清灰的作用。所以，新型低压长袋式脉冲袋除尘器是一种除尘效率高，占地面积小，运行稳定、性能可靠，维修方便的大型除尘设备。其性能特点：1）采用脉冲喷吹清灰技术，清灰能力强，除尘效率高，排放浓度低，漏风率小，能耗少，钢耗少，占地面积少，运行稳定可靠，经济效益好；2）箱体采用气密性设计，密封性好，检查门用优良的密封材料，制作过程中以煤油检漏，漏风率很低；3）进、出口风道布置紧凑，气流阻力小；4）采用分室停风脉冲喷吹清灰，清灰周期长，能耗低，可成倍提高滤袋与阀片的寿命；5）可实现不停机换袋，检修不影响设备正常运行；6）采用上部抽袋方式，改善了换袋的操作环境。

6 结论

（1）水泥厂窑头篦冷机烟气具有风量变化大、温度变化大、含尘浓度变化大、粉尘粒粗、磨琢性强等特性，在除尘工艺设计和设备选型时须充分考虑。无论是电除尘器还是袋式除尘器，均应先进行烟气调质，才能使除尘设备对此类粉尘有高效收尘能力，净化后的气体才能达到新标准的限值要求。

（2）国内外水泥厂窑头烟气调质技术有掺冷风、自然风冷冷却器和强制风冷冷却器（多管冷却器）3种方式，目前多管冷却器因性能可靠运行稳定应用最广泛。

（3）针对窑头工艺系统和含尘烟气的特性，国内先后研制和应用的典型技术和产品有3种：CXS型反吹风高温玻纤袋式除尘器、FGM气箱脉冲高温袋式除尘器、CDMC新型低压长袋脉冲高温袋式除尘器。其中CDMC新型低压长袋脉冲高温袋式除尘器应用最多。

（4）在目前环保排放标准日益严格的形势下，袋式除尘器在烟气治理领域将是一种新的发展趋势，因而应大力进行袋式除尘器的技术创新，袋除尘技术对于进一步改善环境质量，实现可持续发展战略，大有可为。

Application of Multi-pipes Cooler of Kiln Head in Cement Plant and Bag Hose Precipitation Technology

YANG Ru-shun, MAO Zhi-wei, LV Zhong-ming, TIAN Yuan
(Hefei Cement Research & Design Institute, Hefei 230051, China)

The paper presents the characteristic of flue gas of grating cooler and prevention and control technology of bag hose precipitation in kiln heat of cement plant, technical status abroad; quality adjustment technology and application of kiln heat flue gas at home and abroad, and bag hose precipitator technology and application of kiln head in the country. The paper describes the technology and application on CXS bag hose precipitator with reversing blowing, high temperature and spun glass, FGM bag hose precipitator with air box, pulse and high temperature, CDMC bag hose precipitator with new pattern,low pressure, long bag, pulse and high temperature. The combination of multi-pipes cooler and bag hose precipitator with new pattern, low pressure, long bag, pulse and high temperature is the best technical approach.

kiln head precipitation in cement plant; multi-pipes cooler; bag hose precipitator

X701.2

A

1006-5377（2012）08-0031-06