选矿厂破碎系统滤筒脉冲除尘器运用分析

门同涛

（济南国能环境工程有限公司,山东 济南 250000）

在绿色发展理念指导下,国内选矿厂已陆续开展生产设备改造升级行动,依托产线设备改造、引入除尘系统等多种技术方案落实环保整改行动。破碎系统作为铁矿石加工过程中的关键工序环节,在矿石破碎、输送、筛分等过程中均会产生大量粉尘,现有集尘装置、除尘装置多以终端收集处理为主,较少实现对生产加工过程排放粉尘含量及各岗位卫生状况的动态监测,对于除尘器系统改造升级提出现实要求。

1 项目背景

1.1 选矿厂概况

以某选矿厂为例,该厂矿石粉碎生产线主要由铁板给矿机、条格筛、旋回破碎机、圆锥破碎机、皮带输送机、振动筛及矿仓等装置组成。其生产流程为：从粗碎矿仓中取铁矿石物料,经铁板给矿机与1#皮带运输、过条格筛后送入旋回破碎机进行矿石粗碎处理；随后通过2#皮带运送至圆锥破碎机中,对矿石物料进行中碎处理；再通过3#皮带运送至振动筛处进行筛选,筛选出不合格矿石经6#皮带返回至圆锥破碎机处进行细碎处理,将筛选合格的矿石经4#皮带送至筛分矿仓内,留待后续进行矿石磨选操作[1]。

1.2 粉尘污染情况

该选矿厂粗碎厂房内仅安装离心风机收尘,缺乏净化装置；中细碎及筛分装置安放区域内仅设有简易湿式除尘装置,粉尘净化效率低下,且风机风量未实现合理分配,多处管道与扬尘点缺乏良好密封效果,导致厂房内扬尘现象严重。针对破碎系统岗位粉尘含量进行检测（如表1 所示）,检测结果显示总尘量、呼尘量均超出国家标准值（总尘浓度≦1.0mg/m3,呼尘浓度≦0.7mg/m3）,外排烟尘、粉尘颗粒物含量严重超标,游离状二氧化硅浓度超限,易增加现场作业人员患尘肺病的风险[2]。通过获取现场5 个点位的检测结果,结合三类厂房的作业区域面积,粗碎、中细碎、筛分厂房的除尘器排放浓度分别为48mg/m3、132mg/m3和283mg/m3。参考GB 28661-2012 标准中要求将颗粒物排放浓度控制在20mg/m3以内,对比发现该项目中各检测点位均存在超标问题。

表1 粉尘检测数据及结果判定

2 除尘系统改造方案设计

2.1 设计要点

结合破碎系统组成与生产流程进行选矿厂尘源分析,主要包含机械、卸载两类尘源,分别产生于铁矿石粗碎、中细碎与筛分环节,皮带转运输送环节,破碎机及输送机卸料小车的下料部位等,由此将上述部位确认为除尘系统改造的重点区域。在除尘系统改造方案设计上,需明确以下要点：（1）合理设置吸风点,对产尘点处采取有效密闭措施,提升吸风效率；（2）优化风道管线布局,维持不同吸风支管的压力平衡状态,用于减轻管段磨损,防范因管道堵塞增加阻力,兼顾节能降耗目标；（3）设计风量精确计算,综合考虑除尘设备效率、输料溜槽倾斜角度与落差、密闭罩密封性能与容积等指标,并结合生产实践经验进行计算结果修正,得出准确的吸风量数值；（4）除尘设备选型优化,保证设备可实现对粒径不超过5μm 粉尘颗粒的有效去除,且无粘结、堵塞等问题,符合高效、低能耗、低成本等性能指标要求；（5）无害化处理,将系统收集的粉尘进行有效回收,防范出现二次扬尘污染。

2.2 系统技术方案

2.2.1 总体设计方案

由于该选矿厂破碎生产线覆盖范围较广、涉及多个厂房车间,污染源点位布局分散、数量较多,仅依靠现场安装除尘器、收尘风机等难以达到良好除尘效果,管路布局复杂、存在大量交叉或冲突部位,且增加设备投放与运维成本。因此在除尘系统改造环节,引入分区方案进行设备与管网设置,并对收集的粉尘颗粒物进行混合制浆,经管道输送至事故池内进行统一处理,规避二次扬尘现象。

2.2.2 分区设计方案

（1）粗碎厂房,选取旋回破碎机进料口、出料口溜槽与2#皮带输送机尾轮处分别布设1 个监测点,根据总吸尘量计算出除尘器风量需达到27500～28500m3/h。考虑到铁板给矿机获取铁矿石环节易发生矿料堵塞问题,因此需预留较大范围的敞开作业空间,难以实现全密闭式设计,因此选择在旋回破碎机前段设置自动喷淋装置,在检测到铁矿石物料运出后自动喷淋,保证矿石表面湿润、减小物料运输过程的扬尘量；对于厂房内其他位置分别设置密闭罩,并在生产线周围安装防尘帘。

（2）中细碎厂房,选取2#和3#输送皮带的头部卸料段、3#输送皮带尾部受料点、各圆锥破碎机进料口等部位布设监测点,估算出所需除尘风量大小约为39000～41000m3/h。对此选择在圆锥破碎机进料口处加装密封帘、上方预留观察孔；其他位置安装密闭罩,完善导流槽及软帘的设置。

（3）筛分厂房,选取2#、3#、6#皮带头部卸料、尾部受料区段,振动筛上、下受料点与筛面,筛分矿仓进料口等部位分别设置监测点,估算出除尘风量设计值为140000～145000m3/h。在皮带输送机与矿仓连接部位加装整体式密闭罩,上方开设观察孔；振动筛上部为独立密封室,采用可拆式结构设计,开设观察孔与活动门；皮带输送机处安装密闭罩、导流槽及软帘。

3 滤筒脉冲除尘器选型比较及应用成效

3.1 滤筒除尘器原理

滤筒脉冲除尘器是一种新型高效工业除尘器,当含粉尘气体随流道进入除尘器灰斗内,此时气流断面明显增大,粒度较大的尘粒在自重与均流板惯性双重作用下沉降在灰斗底部；粒度细小的尘粒送入过滤室内,经扩散、筛滤等处理流程后附着在褶式滤筒表面；经净化后的不含尘气体统一收集至净气室内,经风机排风管道排出。针对除尘器工作原理进行分析,利用程序控制脉冲阀与反吹系统执行清灰作业,此时褶式滤筒内将形成瞬时正压,对滤料表面附着的粉尘颗粒产生鼓胀、微动作用,使颗粒抖动、脱落后进入灰斗中,并通过调节卸灰阀进行灰尘的统一排放[3]。

3.2 除尘器结构及配套设计

3.2.1 设备结构

选用褶式滤筒脉冲除尘器作为除尘设备,φ320mm滤筒筒体高2000mm,除尘器自身阻力为800～900Pa,过滤风速不超过0.9m/min。在滤筒脉冲除尘器设计上（如图1 所示）,由壳体、褶式滤筒、过滤室、灰斗及反吹管路组成,在设备壳体与进风口之间设有过滤室,过滤室底部安装过滤网；壳体内部与侧面分别设有用于分腔的梯状支撑板,用于将进入壳体内的含粉尘气体与洁净气体进行有效分离,并且在洁净气体区域开设出风口,底板上安装喇叭口；褶式滤筒由3 根带螺纹的支撑杆组成支架,将支撑杆带螺纹部位穿过喇叭口与滤筒固定,利用螺母将其锁紧,完成褶式滤筒的套接,且在滤筒支架中心点处设有1 个安装杆,安装杆一端穿过盖板进行安装固定；壳体侧壁上安装有反吹管路,管路与多个喷水管连接,使管道穿过壳体侧面与喇叭口衔接。

图1 褶式脉冲除尘器立体示意图

3.2.2 选型及配套设计

整合除尘器过滤面积、风机风量、管道阻损、风机全压等技术参数，对不同厂房内的除尘器进行选型及配套设计优化：粗碎厂房选用DMCC24 脉冲除尘器，选配G4-73 №9D 离心风机（流量23003～32079m3/h，全压2668～2559Pa），配套Y200L-4 电动机（功率30kW）、φ920mm 烟囱；中细碎厂房选用DMC72 脉冲除尘器，选配G4-73 №10D 离心风机（流量31554～60533m3/h，全压3301～2194Pa），配套Y250M-4 电动机（功率55kW）、φ1020mm 烟囱；筛分厂房选用DM120 脉冲除尘器，选配G4-73 №16D 离心风机（流量85571～164150m3/h，全压3709 ～2465Pa），配 套Y355M2-6 电 动 机（功 率185kW）、φ2020mm 烟囱。

3.3 影响除尘效果因素及优化

3.3.1 滤筒结构分析

为验证褶式滤筒脉冲除尘器的除尘与清灰效能,收集除尘器滤筒褶皱结构参数进行分析与检验。先对褶式滤筒结构进行分析,已知该滤筒内部采用褶式锥形结构设计（如图2 所示）,相较于常规圆柱形滤筒其结构更为复杂,将褶式滤筒内径设为D、滤筒高度为H,内部锥体高度为H1、锥体中圆台内径为D1,褶皱高度为h,锥体夹角为α、褶皱夹角为β,滤筒外径为A,锥体褶皱数量为n、滤筒褶皱数量为m。为获取最佳褶皱参数,应结合除尘器运行状态下的压力损失Δp（目标函数Y）这一性能指标进行参数优化设计,其中压力损失大小主要取决于除尘器内部结构阻力Δf1（通常取值为200～500Pa）、粉尘层阻力Δf2、褶皱结构阻力Δf3和滤料阻力Δf4四项参数,则褶式滤筒除尘器的压力损失计算公式为：

图2 褶式滤筒结构示意图

3.3.2 滤筒参数优化设计

运用响应曲面法进行滤筒最优工艺参数的组合设计,将上述滤筒参数作为响应值建立二次回归方程,计算出23 种工况下滤筒除尘器的压力损失,得出压力损失范围在643.92 ～1000.71Pa 以内。随后采用Minintab 统计分析软件进行响应值的回归拟合,建立二次多项回归方程,代入相应参数对滤筒除尘器的压力损失情况进行预测,对不同滤筒参数间的变化关系进行分析（以褶夹角θ、褶高h 与函数Y 的关系为例,其响应曲面如图3 所示）。经数值模拟后,确认高2000mm 的φ320mm 滤筒内部锥体高度最优值为600mm,圆台内径最优值为130mm,其他参数包含褶皱夹角度数5.2°、褶皱高度0.035mm、滤筒褶皱数量为50 个,依据上述工艺参数进行褶式滤筒锥体部分的优化设计。

图3 响应曲面图示例

3.3.3 脉冲清灰过程模拟分析

（1）建立脉冲清灰模型,依据滤筒脉冲除尘器的工作原理可知,除尘器主要利用滤筒内、外侧壁间形成的压差使粉尘抖动、脱落,对此可选取两种滤筒的剖面图进行剖面比例及参数的比较分析,根据滤筒形状差异可判断两种滤筒区别取决于上部长方体单元的高度,然而实际模拟分析环节重点关注内容为滤筒内部流场变化情况,因此对于上部长方体高度的差异可忽略不计。

（2）数值模拟计算,为便于数值模拟计算,忽略滤筒内气流变化对于除尘效果的影响,假设在单相流动的理想条件下建立滤筒内的S-A 湍流模型,将气体最高流速、滤筒入口处的边界条件（喷吹压力）、出口处压力、时间步长等指标均纳入计算域范围内,并以50mm 为间隔进行滤筒内监测点位的布置。分别以多孔介质域、流体域进行滤筒内部结构的划分。在此基础上,运用CutCell网格进行滤筒模型网格的划分,分别依据355 万、360 万网格数进行褶式滤筒与圆柱形滤筒的网格划分。

（3）模拟结果分析,参考现有文献分析结果,将滤筒侧壁压差的峰值以及到达峰值的时间作为影响除尘器工作效能的关键指标,分别对速度场及滤筒压差变化特征进行具体分析。其中在速度场变化特征方面,观察褶式滤筒在脉冲喷吹环节的速度云图可以发现,伴随滤筒进气阻力的持续增大,将脉冲阀开启后,最初含粉尘气流的运动规律与圆柱形滤筒保持一致,但由于褶式滤筒的喷嘴距离更近,因此脉冲气流的稳定性更强、不易受含尘气流的干扰,从喷嘴进入滤筒后出现较高强度的流核,同比圆柱形滤筒可有效扩大清灰面积、改善上部结构中的负压流畅；在滤筒压差变化情况方面,褶式滤筒的峰值压差在时间连续性上优于圆柱形滤筒,同时沿流向其压差峰值逐渐减小、上部压差峰值增大,能够有效利用内部压差提升清灰效果,并且峰值气流可持续、均匀作用于筒壁,保证滤筒内壁承受负荷处于均匀状态下,从而有效延长滤筒寿命、节约维修及更换成本。

3.4 现场运行结果

待完成除尘系统安装、调试并投入运行6 个月后,由第三方质检机构对改造后生产线进行设备外排粉尘浓度与各岗位工作点的粉尘含量进行检测,测试结果如表2 所示。将质量检测结果进行汇总可知,粗碎、中细碎、筛分外排粉尘平均浓度分别为2.87mg/m3、4.86mg/m3以及6.87mg/m3,岗位职业卫生检测结果判定为合格,且同比改造前除尘效率分别提升94.02%、96.32%及97.57%,满足国家最低排放标准及环境卫生要求。

表2 改造后生产线第三方检测结果

4 结论

通过结合破碎系统除尘需求,综合考虑产尘分布特征、粉尘属性以及厂房车间现场工艺布局,在生产现场进行粉尘排放浓度监测点位的科学部署,并引入一种褶式滤筒除尘器进行破碎过程粉尘的有效收集与无害化处理,最终将整体破碎过程中外排粉尘浓度控制在20mg/m3以内,收获良好改造效益。