骨料生产线机制砂储库放料装车水除尘系统设计

2022-11-28师华东

水泥技术 2022年6期

师华东

1 引言

骨料生产线机制砂储库放料装车除尘问题是骨料生产线粉尘污染治理的难点之一。机制砂储库放料设备主要包括散装机、扇形阀、放矿机等，其中，散装机是最常用的放料设备。机制砂储库放料装车除尘方式分为干法除尘和湿法除尘两种。干法除尘主要是采用袋除尘器进行除尘，湿法除尘主要用水进行除尘。湿法除尘包括以下两种方式：一种是在机制砂储库库底设置拌湿机（有立式、卧式两种结构，采用卧式较多），通过拌湿机制砂来解决放料装车过程中产生的扬尘；另一种是在机制砂的放料设备上（如散装机）设置“喷淋+干雾”除尘装置。喷淋除尘装置是通过喷出的水颗粒将物料打湿，从而抑制扬尘；干雾除尘装置是将水雾化成<10μm 的超细雾滴，使粉尘颗粒相互粘结、聚积增大，并在其自身重力作用下沉降，从而达到除尘的目的。

本文将重点介绍机制砂散装装车系统的工艺设计，水除尘系统的工艺流程、选型及特点，水除尘与布袋除尘各自的优势，以及机制砂储库放料装车水除尘的设计实践，供业界同仁参考。

2 机制砂散装装车系统工艺设计

2.1 机制砂散装机的组成及特点

机制砂散装机主要由棒阀、弧形阀、卷扬装置、散装头、电气控制系统等组成。其工作流程为：打开棒阀，调节放料流量，当车停到相应位置后，按下控制柜的“下降”按钮，散装头下降到位后自动断开升降电机电源，再按“装车”按钮进入卸料状态，此时辅助配套设备（除尘）会相应开始工作。当物料装满时，散装头会自动上升，上升距离需在安装前设置完成（一般I=0.3~0.4m），即，将时间继电器的时间设定为T=I/V（V-卷扬机提升速度）。在散装头开始上升时，关闭弧形阀，其他设备（除尘）相应停止工作。待散装头到达最高位置后，按“停车”按钮，散装头复位。

骨料生产线用散装机分为骨料散装机和机制砂散装机。由于骨料和机制砂物料粒径不同，两种散装机的结构也有所不同。一是散装机的弧形阀阀板结构不同。骨料颗粒较大，易卡料，从而造成弧形阀关不严、漏料；而机制砂颗粒较小，弧形阀更容易关严。二是耐磨材料使用不同。骨料和机制砂粒径不同，对弧形阀、散装头的磨损程度也不同，使用的耐磨材料也有区别。散装机常用的耐磨材料是“耐磨钢板+螺纹钢”。

2.2 机制砂散装装车工艺

骨料生产线机制砂散装装车工艺流程见图1。

图1 骨料生产线机制砂散装装车工艺流程

在机制砂储库库底一般设置有“单层双向棒条阀+插板阀”，通过棒条阀调节物料通过量。由于机制砂颗粒较细，易漏料，相对骨料而言，机制砂储库需多加一道插板阀来控制物料通过量。插板阀阀门下连接机制砂散装机，最新设计的机制砂散装机由弧形阀、插板阀、散装头组成，其中弧形阀、插板阀可以是电动、电液动、气动或液压驱动。与常规的散装机相比，机制砂散装机增加了电动插板阀，主要是为了避免散装机停机时，插板阀出现关不严、漏料的情况。弧形阀一般要求加装蓄能器，在停电时，保证弧形阀能够关严。散装头由卷扬电机驱动，伸缩距离可调节。库底配汽车衡对装车物料进行称重计量。

3 水除尘系统工艺设计

3.1 水除尘系统工艺流程

骨料生产线机制砂库水除尘系统工艺流程见图2。机制砂库水除尘系统由过滤器、水箱、水泵主机、管道及阀门、喷嘴组成。除尘系统用水来自于厂区的生产用水，首先进行水处理过滤，过滤器滤料可以使用活性炭或石英砂，也可以同时使用活性炭和石英砂双级过滤系统，过滤器应具备手动反冲洗功能。出过滤器的水进入水箱，水箱上配有电动球阀、液位计、排污阀等。出水箱的水进入水泵主机系统，水泵可以是柱塞泵或管道泵，水泵上配有压力表、球阀、排污阀、水泵过滤器等。水泵过滤器可以防止大颗粒杂质对水泵造成损害，对水泵增加了一层保护。出水泵的水进入喷淋管路，机制砂散装机设置了三道喷淋程序，首先在弧形阀进行第一道喷淋，将机制砂打湿，然后在插板阀进行第二道喷淋，进一步打湿机制砂，最后在散装头内进行第三道喷淋，将机制砂拌湿，并通过其内部布置的十字交错的钢筋，将湿粉打散。三道喷淋后，进入卡车的机制砂含水率控制在2%~4%，此时基本上不扬尘。同时，在车位前后增加干雾喷头，保证整个装车过程干净、无扬尘。

图2 骨料生产线机制砂库水除尘系统工艺流程

3.2 工艺计算及选型

喷淋系统的理论计算基础是将物料打湿后，测定物料的含水率，计算喷水量[1]。如装车的机制砂含水率控制在2%~4%，假定散装机的物料通过量为500t/h，可以计算出喷淋系统所需用水量，从而得出水泵的流量。但在实际操作中，影响散装机下料流量的因素较多，如机制砂的流速、通过量、散装头尺寸等，因此，这种计算只能作为参考，具体的选型需结合实际经验确定。喷淋是指通过在设备外壳开孔，对机制砂进行喷水，在实际操作过程中，机制砂不可能被均匀打湿，靠近喷嘴的物料更容易被打湿，甚至形成结块，而远离喷嘴的物料则不易被打湿，这也是在车位前后增加干雾喷头除尘的原因。笔者结合多年经验，总结出以下水泵流量计算公式。

喷淋需水量的计算：

式中：

Q1——喷淋需水量，m3/h

α——填充率，即物料通过散装机的填充率，可选50%~90%

F——散装机的横截面积，即散装头的截面积，物料通过量为500t/h时，可按0.6m直径计算，m2

V——物料流速，m/s，可通过下料口到卡车的高度进行核算，可选1~5m/s

β——物料平均含水率，取2%~4%

γ1——富余系数，取1.15

物料经喷淋除尘后，仍会有少量粉尘溢出，因此，在卡车前后增加了干雾喷头进行除尘。喷雾抑尘是一种建立在重力沉降机理上的降尘方法，当水滴的直径与灰尘颗粒的直径相当时，灰尘颗粒将跟随气流与水滴碰撞，从而将其从空气中清除。干雾需水量应满足水雾和粉尘尘粒相互结合能够沉降的需求。

干雾需水量的计算：

式中：

Q2——干雾需水量，m3/h

q——除尘风量，m3/h，物料通过量为500t/h时，喷淋后，除尘风量可选1 000~2 000m3/h

t——含尘浓度，g/m3，物料通过量为500t/h时，喷淋后，含尘浓度可选1~30g/m3

k——水的密度，1t/m3

γ2——富余系数，取1.15

水泵流量的计算：

水除尘系统设备选型步骤：喷淋用水量+干雾用水量→水泵流量→水泵选型→水箱选型→过滤器选型→喷嘴数量及布置。骨料生产线机制砂散装装车水除尘设计的核心在于计算和选型。应平衡各参数间的关系，做出经济合理的选型设计，水除尘系统设备选型既不能过大，造成浪费；也不能过小，导致除尘能力不足。

3.3 水除尘系统特点

（1）水除尘系统为机械与电气一体化的自动控制系统，能够与装车系统实现联锁，除尘系统具备现场控制与远程控制功能，能够实现自动控制和手动控制。

（2）水除尘系统具备吹扫功能，可以在冬季实现管道排空后吹扫。

（3）水除尘系统具备很好的流量分配功能，可使每个喷嘴雾化效果相同，或根据现场使用需求，自由调整喷嘴雾化量。

（4）寒冷地区的水除尘系统管道需作保温措施，一般使用30mm橡塑保温棉。

（5）通过监测散装机阀门开度，可以输出对应的模拟量，控制水除尘系统的喷雾压力，达到精准控制物料含水率。

4 水除尘控制系统

水除尘系统以PLC为控制中心，实现对整个系统的控制。该控制系统采用手动操作控制、现场自动控制、中控（DCS）自动控制三种模式。手动操作模式主要用于调试阶段和后期维护阶段，生产期间的主要操作模式为自动模式。在中控室设置单独的DCS 水除尘控制系统，以实现远程监控，并实现对所有控制阀门的开启和关闭控制，同时，能够记录水泵主机的运行停止时间、设备故障时间等。水除尘控制系统的控制原理如图3所示。

图3 骨料生产线机制砂水除尘控制系统的控制原理

水除尘控制系统具有以下特点：

（1）水除尘系统与散装机联锁自动开启。

（2）能够显示主机系统运行信号、故障信号（含空压机、水泵、过滤器等设备的故障信号）。

（3）可根据气候情况（如干燥、潮湿、湿润），选择喷雾组合方式（喷水量大小），实现不同的喷水方式运行（控制喷水的喷头数量），减少喷水量，降低运行成本。

（4）可根据散装机弧形阀的开度，调整喷水量，精准控制物料含水率。

（5）无论在哪种控制方式下，对正在运行的设备按下现场控制箱对应的紧急停止按钮时，该设备将立即停止运行，确保安全。

5 布袋除尘系统与水除尘系统对比

5.1 布袋除尘工作原理及布置形式

布袋除尘的工作原理是：含尘气体从除尘器的进风口进入除尘器，受除尘器滤袋的阻隔气流速度变慢，气体中的粗颗粒粉尘落入灰斗。随着含尘气体过滤的不断进行，附着于滤袋外表面的粉尘逐渐增多，气流通过的阻力也逐渐增大，当阻力达到一定限值时，通过压缩空气进行清灰，粉尘落入灰斗。

骨料生产线机制砂储库布袋除尘器的布置形式主要有三种：

（1）除尘器和风机布置在仓顶，通过收尘风管将散装机装车过程中的含尘气体送入仓顶除尘器，收集的粉尘进入机制砂储库。此种布置下收尘管道较长，阻力较大，风机风压一般需＞4 000Pa。

（2）除尘器和风机置于地面，除尘风管从散装机收尘口引入除尘器进风口。收集的粉尘经回转下料器、单仓泵、罗茨风机、气力输送管道，送入机制砂储库。

（3）除尘器和风机置于二层平台，收集的粉尘通过螺旋输送机进入散装机，直接装车。此种布袋除尘系统工艺流程如图4所示，一个车位有两台散装机，散装机一用一备，除尘设计时考虑一台散装机的除尘风量即可。由于一台除尘器负责两台散装机，除尘风管上应增设两个电动风量调节阀，电动风量调节阀与散装机联锁启停。装车产生的扬尘通过除尘风管进入除尘器，清洁空气由排风机排入大气，收集的粉尘通过螺旋输送机送入散装机随物料装车。螺旋输送机有两个下料口，分别对应两台散装机，在下料溜子上安装电动插板阀，电动插板阀与散装机联锁启停。

图4 骨料生产线机制砂库布袋除尘系统工艺流程

目前，三种除尘布置形式均有应用，第三种布置形式的应用相对较多。本文以第三种布袋除尘布置形式与水除尘作工艺对比分析。

5.2 布袋除尘系统与水除尘系统工艺对比

布袋除尘系统工艺选型：以每台散装机能力500t/h、二层平台标高5.5m 为例，参照混凝土骨料制备工程对布袋除尘器和风机进行选型和计算。

选用气箱脉冲32-5系列，除尘风量7 296m3/h，净过滤面积152m2，总过滤面积160m2，过滤风速0.8m/min，耗气量0.46Nm3/min，出口气体含尘浓度＜10mg/Nm3；回转下料器规格为300mm×300mm，功率为1.1kW；螺旋输送机叶片直径ϕ300mm，输送量30m3/h，功率2.2kW；风机型号：9-19-12.5D，风量8 327m3/h，风压3 975Pa，电机功率22kW。

水除尘系统选型：水泵主机功率10kW，流量30L/min，压力5MPa。

布袋除尘系统与水除尘系统的工艺参数对比见表1。由表1 可知，布袋除尘系统多采用两套设备，且对应两个车位进行除尘；而一个或多个机制砂库仅需设置一套水除尘系统，方便控制和使用。布袋除尘系统耗气量较大，而水除尘系统的压缩空气仅用于管道维护时的反吹清理和干雾除尘，用量相对较小。布袋除尘系统中，回转下料器、螺旋输送机、风机均配有电机，装机功率及电耗较大；水除尘系统主要是水泵主机配有电机，装机功率、电耗较低。水除尘系统设备重量较轻，安装费较低；布袋除尘系统需要配备进出风管和烟囱，设备较重，安装费用较高，总体费用约为水除尘系统的两倍以上。但布袋除尘系统不需要消耗水资源；而水除尘系统用水量较大，更加适用于水资源丰富的厂区。