浅谈水泥厂窑尾袋除尘器的选型及应用

2014-04-26何宏涛

四川水泥 2014年3期

光辉何宏涛

（合肥水泥研究设计院，安徽合肥 230051）

0 前言

我国的水泥生产企业是由小到大逐步发展起来的，尤其在“十一五”期间和“十二五”初期，我国水泥工业取得了长足发展，新型干法水泥技术在节能、大型化方面取得突破性进展，目前新型干法水泥窑规模以5000t/d熟料规模为主，规模最大的已达到12000t/d熟料。

水泥生产排尘量约占全国排放总量的70%以上，成为工业粉尘的主要排放源,严重污染了环境，为适应国家“十二五”和今后一段时间环境管理的需求，有效加强对颗粒物、SO2、NOx等的排放控制，国家环境保护部已于2012年组织对《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004）进行修订，新修订的《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2013）已于2013年12月27日发布，将于2014年3月1日正式实施，新标准除严格水泥工业NOx排放控制外，进一步降低颗粒物的排放水平，按照新标准要求，新建企业自2014年3月1日起，现有企业自2015年7月1日起，颗粒物排放控制执行新标准的排放限值要求：水泥窑及窑尾余热利用系统、烘干机、烘干磨、煤磨及冷却机等热力设备排放限值为30mg/Nm3，破碎机、磨机、包装机等通风设备排放限值20mg/Nm3。另外，重点地区企业执行大气污染物特别排放限值∶热力设备排放限值为20mg/Nm3，通风设备排放限值10mg/Nm3。

作为新型干法水泥生产线热力设备，窑头和窑尾的粉尘排放是水泥厂最大的粉尘污染源，应GB4915-2013新标准的排放限值要求，水泥厂窑头和窑尾只有采用高效袋除尘器、高效电除尘器和高效电-袋复合除尘器才能使废气排放达标。因袋除尘器具有能处理微细粉尘、除尘效率高、结构简单、适应性强、系统运行稳定等优点，故袋除尘器更有优势，下面主要对水泥厂窑尾袋除尘器的选型及应用方面进行探讨。

1 回转窑窑尾废气的特性

回转窑的废气是由燃料燃烧后的烟气、水泥原料在分解反应中生成的CO2、生料干燥过程中放出的水蒸气以及过剩空气等组成。废气中的粉尘主要是已经干燥的和部分分解的入窑生料，少量的熟料微粒、未完全燃烧颗粒和燃料的灰分。此外还有少量钾、钠、硫的氧化物结晶。新型干法水泥回转窑窑尾废气具有如下特点：

（1）含尘浓度高，窑外分解窑窑尾废气含尘浓度为40～80g/m3；

（2）温度高，新型干法窑外分解窑窑尾废气温度为320～350℃左右；

（3）含尘颗粒细，＜10μm的细颗粒占90%～97%，小于2～3μm的细颗粒占50%；

（4）粉尘中有一定的碱含量，剥离性较差；

（5）风量较大，且随着窑系统工况变化时风量不稳定；

（6）粉尘比电阻高，正常高达1012～1013Ω.cm。

为响应节能、降耗、减排等政策要求，新型干法水泥生产线积极利用窑尾废气的余热，主要用于物料烘干和余热发电等，经过余热利用后的废气的特性发生较大的变化，如废气温度得到降低、粉尘浓度提高等。

2 国内窑尾袋除尘技术的现状及发展趋势

自上世纪80年代中期以来，我国研究和设计单位先后引进了美国富乐公司的气箱脉冲、反吹风等系列袋除尘技术和欧洲的脉冲袋除尘器技术。我国用于水泥厂窑尾的袋除尘器主要有反吹风袋除尘器、在线高压脉冲喷吹袋除尘器和低压长袋脉冲袋除尘器，我院先后研制的窑尾用袋除尘器主要有CXS型反吹风高温玻纤袋除尘器、GMC型高温高压脉喷袋除尘器和CDMC型低压长袋脉喷高温袋除尘器三种。

CXS型反吹风高温玻纤袋除尘器是我院研制的一种窑尾用袋除尘器，该除尘器采用三状态清灰工艺，同时在钢结构本体设计方面，采用了标准箱体式和用户型板块结构，在260℃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，如采用引进技术生产的玻纤膨体纱滤袋，可提高滤袋性能和降低阻力。该类除尘器在初期显示其很多优越性，但其具有如下突出特点和不足：①采用内滤式，如清灰不彻底会造成袋内积灰；②过滤风速选取值偏低，设计过滤风速正常取0.45m/min以下，因此设备钢耗较高、体积较大； ③采用反吹风清灰，清灰动能较低，很难清灰彻底，清灰时引入大量新鲜冷空气，不利于防结露。④排放浓度正常能达50mg/Nm3以下。随着节材、节能和环保意识的逐步提高，尤其拟定新标准的排放浓度限值的降低，CXS型反吹风高温玻纤袋除尘器将会逐步被脉冲类袋除尘器取代。

GMC型高温高压脉喷袋除尘器是在新型XMC型高压脉冲袋除尘器研制基础上于1998年研制成功的，其具有以下显著的性能特点：①采用外滤式，设计过滤风速可取1.0～1.2m/min，设备钢耗较低；②能处理窑尾高浓度含尘气体，只要一级收尘；③采用高压脉冲清灰，清灰气源压力控制在0.5～0.7MPa，清灰动能大，清灰彻底； ④除尘效率高，出口排放浓度可控制在30mg/Nm3以下，采用覆膜滤料出口排放浓度控制在10mg/Nm3以下。

我院在低压长袋脉冲袋除尘器技术方面做了长期深入的研究，1999年成功研制了LMC型低压长袋脉冲回转窑袋除尘器，后来在此基础上又成功研制了CDMC型低压长袋脉喷高温袋除尘器，CDMC型低压长袋脉喷高温袋除尘器于2009年通过省级技术鉴定，并广泛应用于新型干法水泥厂窑头系统和窑尾（或窑磨一体机）废气除尘。CDMC系列低压长袋脉喷高温袋除尘器综合了分室反吹和脉冲清灰两类除尘器的优点，克服了分室反吹清灰强度不足和一般脉冲清灰粉尘再吸附缺点，使清灰效率提高，喷吹频率大为降低。与以上两类除尘器相比，该除尘器具有以下明显优点：①清灰气源压力为0.2～0.4MPa，清灰周期比一般脉冲除尘器长，清灰能耗低，②因清灰频率低，故提高了滤袋和脉冲阀的寿命；③因采用了6米以上长度的滤袋，钢耗低，占地面积小，节约设备和土建等投资；④与反吹风袋除尘器相比，采用上部抽袋方式，改善了换袋的操作环境。

随着脉冲阀和滤料技术的发展，再加上低压长袋脉冲袋除尘器具有的显著优点，在新建水泥生产线或老厂窑尾除尘器改造中，低压长袋脉喷高温袋除尘器技术将得到越来越广泛的应用。

3 窑尾袋除尘器的选型

根据工艺设计方案和原始参数对袋除尘器进行选型，主要步骤包括：袋除尘器类型的确定、处理风量的确定、滤料的选择、过滤风速的选取、过滤面积的计算、除尘器规格的选取等。下面以我院的三种类型及型号的窑尾袋除尘器为例进行介绍。

3.1 袋除尘器类型的确定

该三种袋除尘器的结构及工作原理介绍如下：

（1）CXS型反吹风高温玻纤袋除尘器

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。

该袋除尘器主要由进气系统、排气系统、反吹系统、袋室、灰斗、排灰系统和电控等组成。

其工作原理：CXS型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。

（2）GMC型高温高压脉冲喷吹袋除尘器

该袋除尘器主要由灰斗、袋室、净气室、喷吹管路系统、排灰装置、卸灰阀和电控柜等组成。

其工作原理：含尘气体经过风道进入除尘器已扩大的灰斗进行预收尘，通过导流板均布于各条滤袋之间，粉尘阻留于滤袋表面，为使设备阻力不超过1500Pa, 高压气体经电磁脉冲阀产生脉冲，使气包内压缩空气由喷吹管孔眼喷吹，（称一次风）通过文丘里管诱导数倍于一次风的周围空气（称二次风）进入滤袋使滤袋瞬时急剧膨胀，并伴随着气流的反作用抖落粉尘，达到清灰的目的，使用PLC自动控制装置实现定时清灰，可根据粉尘浓度随意调节清灰周期和脉喷时间，使除尘器在较低的阻力范围内运行。

（3）CDMC型低压长袋脉喷高温袋除尘器

该袋除尘器主要由进气管路、进气室、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、出风蝶阀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，首先关闭排风阀打开脉冲阀，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，收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。

3.2 处理风量的确定

水泥窑尾袋除尘器的处理风量应根据工艺计算再结合经验数据，按生产时产生的最大废气量选取。新型干法水泥生产线都将窑尾烟气用于原料烘干，窑尾工艺系统实际上包括了原料粉磨烘干系统。当原料磨运行时，除尘系统要同时处理窑尾废气和原料磨废气，称为联合操作。当原料磨停运时，除尘系统只处理窑尾废气，称为直接操作。对水泥窑尾袋除尘器来说，直接操作时由于废气量和粉尘浓度较联合操作低, 所以应考虑联合操作时的废气量。

3.3 滤料的选择

滤料是袋除尘器的核心部件，滤料的性能和寿命直接决定了袋除尘系统的使用性能和经济效果。在进行窑尾袋除尘器用滤料选择时, 首先要分析废气特性对滤料性能的影响, 主要考虑废气的温度、湿度、腐蚀性以及氧化剂等因素，除了废气特性外，粉尘浓度、除尘效率、阻力、粉尘剥离率、清灰方式也影响着滤料的选择；同时,滤料经向纬向断裂强力和断裂伸长率也是需要考虑的重要因素。目前，水泥厂窑尾袋除尘器常用滤料主要有玻璃纤维膨体纱、玻纤覆膜、P84和高温复合滤料四大类，窑尾袋除尘器常用四种滤料的具体性能特点见表1。

表1 窑尾袋除尘器常用滤料的性能特点和过滤风速选取

3.4 过滤风速ω的选取

为使袋除尘器高效稳定运行，应根据水泥窑尾废气的性质、工艺状况、滤料的种类、清灰方式等选取合适的过滤风速。对于CXS型反吹风高温玻纤袋除尘器，滤袋选用玻璃纤维膨体纱滤料和玻纤覆膜滤料，滤料可以在260℃连续使用，允许瞬间耐温为280℃，具有耐温高，抗拉、抗酸碱性好，憎水和憎油性能优良等特点。对于GMC型高温高压脉冲喷吹袋除尘器和CDMC型低压长袋脉喷高温袋除尘器，滤袋可以选用玻纤覆膜、P84和高温复合滤料，该三种滤料各具特点。综合考虑各因素，对于CXS型反吹风高温玻纤袋除尘器，当选用玻璃纤维膨体纱滤料时，过滤风速选≤0.45m/min，当选用玻纤覆膜滤料时，过滤风速选≤0.6m/min，对于脉冲喷吹袋除尘器，当选用玻纤覆膜滤料时，过滤风速选≤1.0m/min，当选用P84滤料时，过滤风速选≤1.2m/min，当选用高温复合滤料时，过滤风速选≤0.90m/min。具体详见表1。这里所提的过滤风速是净过滤风速，其过滤风速数值为一般建议, 在具体选择时要充分考虑工艺参数、滤料的技术性能、经济性、目标使用寿命、滤料供应商等因素，尤其要注意的是, 即使是相同种类的滤料，不同的滤料生产供应商所提供的滤料质量有较大的差异, 在选取过滤风速时, 这种差异要给予充分的考虑。

3.5 过滤面积S的计算

S=Q/(60×ω)

式中∶ S——过滤面积, m2；

Q——废气量, m3/h；

ω——过滤风速, m/min。

要说明的是, 对于离线清灰的袋除尘器, 采用以上公式计算出来的过滤面积为净过滤面积, 净过滤面积是指扣除离线清灰室以后的过滤面积，在具体选型时，根据推算的总过滤面积选择相应规格。对于在线清灰的袋除尘器,计算出来的净过滤面积就是总过滤面积。

3.6 除尘器规格的选取

根据过滤面积，对照相应袋除尘器的规格和性能表选择一种规格。该三种袋除尘器的规格和性能分别见表2、表3、表4。根据回转窑的规格和熟料产量，也可以为业主设计非标型产品。

表2 CXS型反吹风高温玻纤袋式除尘器规格和性能

表3 GMC型高温高压脉冲喷吹袋除尘器规格和性能

表4 CDMC型低压长袋脉喷高温袋除尘器规格和性能

4 窑尾袋除尘器的应用

CXS型反吹风高温玻纤袋除尘器是我院研制的一种高效收尘设备，该类型除尘器在GB4915-2004颁布实施前曾经发挥了积极作用，随着节材、节能和环保意识的逐步提高，尤其是GB4915-2013新标准的排放浓度限值的进一步降低，CXS型反吹风高温玻纤袋除尘器将会逐步被高温脉冲喷吹类袋除尘器取代。

GMC型高温高压脉喷袋除尘器自研制以来广泛应用于水泥窑尾废气治理，目前已推广销售了40余台，应用于新疆屯河五宫水泥厂、乌鲁木齐燕儿窝水泥厂、新疆天山和静水泥有限公司等生产线项目。该类型除尘器技术于2003年通过省级技术鉴定，并荣获“2005年度建材行业科技进步三等奖”荣誉。

CDMC型低压长袋脉喷高温袋除尘器在许多生产线成功应用的基础上，于2009年通过省级技术鉴定，该系列技术和产品已在国内外水泥厂广泛推广应用，可为10000t/d及其以下不同规模的水泥生产线窑尾除尘提供配套设备，至今在水泥厂窑尾已推广应用了两百余台，成功应用于青州中联水泥公司、唐山冀东水泥股份有限公司、怀宁上峰水泥有限公司、宝鸡众喜水泥有限公司、春江集团有限公司、沙特NCC、越南缘何公司、埃塞俄比亚等新建的水泥生产线项目。

为适应新标准GB4915-2013实施的要求，低压长袋脉喷高温袋除尘器由于其具有除尘效率高、清灰彻底、出口排放浓度低、滤袋使用寿命长、维护方便、占地面积小、系统运行稳定等优点，必将逐步占据主导地位。近年来，除广泛应用于新建水泥生产线，该类型袋除尘器技术在现有生产线窑尾除尘系统环保改造中发挥了积极的作用。