水泥廠煤粉制備系統袋除塵器的選型及應用
1 前言
為了提高原煤在工業窯爐中的燃燒效率，通常要將其磨成煤粉來燃燒。在水泥（回轉窯）、冶金、電力行業，由于燃用的原煤中含有一定的水分，往往采取粉磨兼烘干的方式，通常采用的磨機為風掃式球磨機或立式磨。但無論采取何種粉磨方式，在煤粉制備及輸送過程中，部分煤粉都會隨氣流排出，對環境造成污染。因此，煤粉制備工藝系統中含塵廢氣中的煤粉回收成為了必不可少的環節。隨著煤粉制備工藝技術的發展，煤粉制備系統已由傳統的兩級收塵改為一級收塵，粉磨設備也逐漸被高效的立式磨替代，收塵器在粉磨系統中不僅是收塵設備，而且也是主要的工藝設備之一。
新標準《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB4915- 2004）對煤粉制備系統含塵廢氣的排放限值作了嚴格規定：自2006年7月1日起至2009年12月31日止，現有生產線煤磨排氣筒中的顆粒物最高允許排放濃度是 100mg/Nm3 ，自2010年1月1日起，其最高允許排放濃度是50mg/Nm3 。自2005年1月1日起，新建生產線煤磨排氣筒中的顆粒物最高允許排放濃度是50mg/Nm3 。為適應新標準，水泥廠煤粉制備系統選用高效脈沖防爆袋除塵器是設計選型的必然趨勢。
2 煤粉制備系統含塵廢氣的特性
在水泥生產線中，煤粉制備系統的粉塵凈化處理一般都采用防爆除塵器。水泥廠煤粉制備系統的廢氣大都具有如下特點：
（1）粉塵濃度高
不管是風掃磨還是立式磨，由于取消了細粉分離器，煤粉制備產生的廢氣的粉塵濃度均較高，一般為 400～1000g/m3。
（2）揮發份高
盡管無煙煤煅燒技術的研究和開發已取得初步進展，但在水泥、電力、冶金工業生產中大量采用的是高揮發分的煙煤，揮發分一般大于20%，而且多數水泥廠采用的煙煤揮發分含量達25%～30%。
（3）粒度小
煤粉成品的粒度小，粒徑小于80μm的占80%。
（4）易結露，有腐蝕性
因煤粉制備采用烘干兼粉磨的工藝技術，煤磨出口廢氣含有一定的水分，故容易結露，使得該粉塵的剝離性也比干粉塵差。由于原料煤中含有一定量的硫，廢氣會對設備產生一定的腐蝕。
（5）有燃爆的可能性
煤粉發生自燃及爆炸的三個條件為：
1）煤粉爆炸的下限濃度為20～30g/m3 ，上限濃度為2000～7000g/m3 ，煤粉濃度界于爆炸的上限和下限之間，有爆炸的危險，而且當煤粉的揮發分高于20%時，爆炸的可能性將增加；
2）有足夠的氧氣；
3）環境達到一定溫度或存在火源隱患。在帶烘干粉磨的煤粉制備系統中，存在以下幾種火源：來自烘干熱氣流中的火星；長期堆積的煤粉氧化后使局部溫度升高而燃燒起火；因系統中的靜電積累而引起的火花；機械碰撞火花；其它外部火源。
在煤粉制備中同時具備以上三個條件的可能性是常常存在的，因此有發生燃爆的可能。
3 煤粉制備系統粉塵治理技術的發展與應用
煤磨廢氣不但是水泥廠的主要污染源，而且還浪費了大量有用的燃料，因此做好煤磨系統除塵有很重要的意義。煤磨廢氣除塵主要有燃燒法、水膜法、電除塵器、袋除塵器四種技術方法。
3.1 燃燒法除塵
二十世紀八十年代中期前，回轉窯生產線煤磨系統大都采用旋風收塵器作為預收塵設備，旋風收塵器的收塵效率一般低于90%，旋風收塵器出口煤粉濃度一般為 25～80g/m3 。燃燒法是將旋風收塵器的出口廢氣作為一次空氣直接送入窯頭燃燒，這樣雖然能解決問題，但由于諸多因素的制約，除了少數濕法生產線能做到用盡全部廢氣外，大部分生產線用不完煤磨系統排出的廢氣，用不完的廢氣需進行處理，直接排空會造成嚴重污染。采取燃燒法的前提條件是窯和煤磨要同步運行，停窯期間煤磨排出的廢氣沒法處理。因此，這種方法遠遠滿足不了環保要求，目前已被淘汰。
3.2 水膜法除塵
由于燃燒法存在的不足，有些水泥廠采用水膜法除塵技術來處理煤磨系統排出的廢氣，這種方法的最大特點是投資省、操作維護簡單，但收塵效率低，達不到國家環保排放標準，而且存在含煤廢水及煤泥的二次污染。這種方法除一些偏僻小廠外，一般很少使用，目前也已經被淘汰。
3.3 電除塵器除塵
隨著電除塵器技術的發展，二十世紀八十年代中期電除塵器技術得到推廣應用，與燃燒法除塵和水膜法除塵相比，電除塵器的除塵效果較高，但一般采用兩級除塵，即廢氣進電除塵器之前由細粉分離器進行預收塵，廢氣進入電除塵器之前的濃度低于70g/m3 。
電除塵器特點如下：
（1）運行阻力低且運行穩定可靠；
（2）粉塵比電阻、粉塵濃度、煙氣溫度、煙氣成分對除塵效率都有影響；
（3）煤磨電除塵器設計排放濃度小于100mg/Nm3 ，由于電除塵器的除塵效率與除塵極板面積呈指數曲線關系，如果要進一步降低排放濃度，必須通過增加電場數量或增加每個電場的極板面積從而大幅度地提高除塵面積來實現，但設備的投資以及運行費用會因此大幅度上升，且除塵效果提高不十分顯著；
（4）清灰不徹底，極板和極線易變形，煙氣對極板和極線會造成腐蝕，很難保證除塵長期高效；
（5）電除塵器存在發生事故排放的缺陷；
（6）電除塵器的火花放電給系統的防爆帶來不利影響。為防CO超標引起爆炸，電除塵器入口需安裝CO分析系統。
3.4 袋除塵器除塵
二十世紀八十年代后期，隨著袋式除塵技術的不斷發展，尤其是新型濾料的研制及應用和清灰技術的發展，國內逐漸開發出了煤磨專用的抗靜電、防燃、防爆袋除塵器，使袋除塵器在水泥廠煤粉制備系統粉塵治理中得到了廣泛應用。針對煤粉制備工藝系統和含塵廢氣的特點，科研部門研制出了反吹風型和脈沖噴吹型專用袋除塵器，其中的反吹風型主要為MDC型防爆袋除塵器，脈沖噴吹型為FGM（M）型氣箱脈沖防爆袋除塵器、MMC型脈沖噴吹防爆袋除塵器和LPMC型低阻高效防爆袋除塵器。
二十世紀八十年代后期，以MDC為代表的反吹風型煤磨防爆袋除塵器廣泛用于水泥廠煤粉制備系統的粉塵治理，并取得了良好的效果，該除塵器有如下特點：
（1）除塵效率高，能實現排放濃度＜100mg/Nm3 ，在過濾風速取低值時，也能實現排放濃度＜50mg/Nm3 ；
（2）采用外濾式反吹清灰，清灰動能較低，過濾風速低，設計過濾風速為0.8～1.0m/min，設備鋼耗較高，體積較大；
（3）處理低濃度含塵氣體，允許入口含塵濃度＜150g/m3 ，通常需要二級收塵；
（4）采用反吹風清灰，很難徹底清灰，設備設計阻力＜1770Pa，清灰時會引入大量新鮮冷空氣，既不利于防結露，又不利于防燃爆。
相比反吹風型防爆袋除塵器，脈沖噴吹防爆袋除塵器具有更好的性能，其特點如下：
（1）采用外濾式，設計過濾風速為1.0～1.2m/min，設備鋼耗較低；
（2）可處理濃度低于1000g/m3 的高濃度含塵氣體，無論是與立式磨還是與風掃磨配套都只要一級除塵；
（3）采用電磁脈沖閥進行脈沖清灰，清灰動能大，清灰徹底；
（4）選用防油防水抗靜電濾料并配置自動防爆卸壓裝置，阻燃防爆性能好。
為適應排放新標準《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB4915-2004）的限值要求，新建水泥生產線的設計最好選用脈沖噴吹型防爆袋除塵器。
4 煤磨袋除塵器的選型
根據工藝設計方案和原始參數對袋除塵器進行選型，主要包括以下步驟：袋除塵器類型的確定、處理風量的確定、過濾風速的選取、過濾面積的計算、除塵器規格的選取等。
4.1 袋除塵器類型的確定
上述三種脈沖噴吹型防爆袋除塵器的結構及工作原理如下：
（1）FGM（M）型氣箱脈沖防爆袋除塵器
氣箱脈沖防爆袋除塵器主要由箱體、袋室、灰斗、進出風口、支柱、爬梯、欄桿、氣路系統、提升閥系統、清灰控制器等部分組成。
工作原理：當含塵煙氣由進風口進入灰斗以后，一部分較粗塵粒由于慣性碰撞、自然沉降等原因落入灰斗，大部分塵粒隨氣流上升進入袋室，經濾袋過濾后，塵粒被阻留在濾袋外側，凈化后的煙氣由濾袋內部進入箱體，再由閥板孔、出風口排入大氣，達到除塵的目的；隨著過濾過程的進行，濾袋外側的積塵逐漸增多，使除塵器的運行阻力逐步增大。當阻力增至預先設定值或者到達設定時間時，清灰控制器發出信號，首先控制提升閥將閥板孔關閉，切斷過濾煙氣流，停止過濾過程，然后電磁脈沖閥打開，以極短的時間（0.1～ 0.15s）向箱體內噴入壓力為0.5～0.7MPa的壓縮空氣，壓縮空氣在箱體內迅速膨脹，涌入濾袋內部，使濾袋產生變形、振動，加上逆向氣流的作用，袋室外部的粉塵便被清除下來掉入灰斗，清灰完畢之后，提升閥再次打開，除塵器又進入過濾狀態。清灰動作均由PLC進行自動控制，清灰控制分定時式和定壓式兩種。
（2）MMC型脈沖噴吹防爆袋除塵器
MMC脈沖噴吹防爆袋除塵器主要由箱體、袋室、灰斗、進出風口、支柱、爬梯、欄桿、噴吹系統、清灰控制器等部分組成。
工作原理：含塵氣體由風管或法蘭口進入除塵器，在風道的導向下，部分粉塵在灰斗壁上沉降，微細粉塵則隨著氣流飛入濾袋室并均勻地分散到各個濾袋表面，粉塵被阻留在濾袋外側，而穿過濾袋的凈化氣體經過濾袋口進入到上部凈氣室，最后通過出口排風機排入大氣。積附在濾袋外側的粉塵，一部分靠自重落入灰斗中，另一部分則繼續留在濾袋外表面，并使得設備阻力逐漸升高。為保證設備阻力不超過1500Pa，每隔一定時間需要徹底清灰一次，將積附在濾袋外側的粉塵清理干凈。
在凈氣室中，每排濾袋的上部都對應著裝有一根噴吹管與脈沖閥及壓縮空氣主管相聯，噴吹管上有許多小孔，每個小孔均對應著一條濾袋的中心，在除塵過程中，清灰控制器自動發出命令，控制各個脈沖閥順序開啟，此時高壓空氣以極快的速度從噴嘴中噴出，并通過文丘里管從周圍吸引5～7倍噴出空氣量的二次氣體與之混合，然后沖進濾袋內，像一個從上到下運動的“脈沖氣泡”，使濾袋鼓漲變形，引起一次振幅不大的沖擊振動，同時在瞬間產生由里向外的逆向氣流，將積附在濾袋外側的粉塵抖落到灰斗中。清灰動作均由PLC進行自動控制，清灰控制有定時式和定壓式兩種。
（3）LPMC型低阻高效防爆袋除塵器
LPMC低阻高效防爆袋除塵器主要由箱體、袋室、灰斗、進出風口、支柱、爬梯、欄桿、噴吹系統、清灰控制器等部分組成。
工作原理：含塵氣體由入口法蘭進入除塵器導流均風室，在均風導流板的導向下，因風道截面擴大、風速降低，部分粉塵在灰斗壁上沉降，微細粉塵則隨著氣流經過灰斗上端面和側面的柵格幕墻均勻導入濾袋室，由上而下均勻地分散到各條濾袋表面，粉塵被阻留在濾袋外側，而穿過濾袋的凈化氣體經過濾袋上口進入到上部凈氣室，再匯入出口風道，最后通過出口排風機排入大氣。積附在濾袋外側的粉塵，一部分靠自重落入灰斗中，另一部分繼續留在濾袋外表面，并使得設備阻力逐漸升高。為保證設備阻力不超過設定值，每隔一定時間或達到預定阻力時就需要清灰一次，將積附在濾袋外側的粉塵清除干凈。清灰采用淹沒式脈沖閥脈沖清灰。除塵器的清灰、卸灰、溫度檢測及報警均采用PLC自動控制系統進行控制。
4.2 處理風量的確定
煤粉制備系統的主機設備按其通風性質可分為風掃球磨和立式磨，因風掃球磨和立式磨的物料全部用風力輸送，故其通風量通常用臺時產量計算得出。兩種磨機的計算公式基本一致：
處理風量Q=（2000～3500）G，其中，Q的單位為噸，G為磨機臺時產量。袋除塵器的處理風量應根據理論計算并結合經驗數據選取（按一般生產時所產生的最大廢氣量選取，且要考慮5%的系統漏風量）。
4.3 過濾風速的選取
過濾風速是袋除塵器的一個重要技術參數。過濾風速的大小直接影響袋除塵器的設備投資、運行費用、使用效果和濾袋的使用壽命等。袋除塵器的過濾風速取決于濾袋材質、處理的含塵氣體性質（粉塵顆粒大小、濃度、溫度、濕度、易燃易爆性、粉塵粘結特性等）和排放標準的要求等。過濾風速過大，阻力高，排放濃度高，濾袋壽命短；過濾風速過小，除塵器體積大，設備投資高。
袋除塵器過濾風速計算公式為：ω= k×Q/60F
式中：ω— 過濾風速，m/min；
k — 風量波動系數；
Q — 風量，m3 /h； F — 面積，m2 。根據所選濾料的性能、高濃度的廢氣性質和粉塵排放標準，再結合水泥廠煤粉制備工藝推薦的過濾風速值。對于正常工況可選用抗靜電滌綸針刺氈和覆膜抗靜電滌綸針刺氈。對于原煤水分較高的工況，建議在設計及訂貨時盡量選用抗靜電防油防水滌綸針刺氈、覆膜抗靜電滌綸針刺氈濾料或覆膜抗靜電防油防水滌綸針刺氈，如選用550g/m2 的覆膜抗靜電滌綸針刺氈濾料和覆膜抗靜電防油防水滌綸針刺氈濾料，除塵器的過濾風速定為1.0～1.1m/min比較適宜；如選用550g/m2 的抗靜電滌綸針刺氈濾料和抗靜電防油防水滌綸針刺氈濾料，除塵器的過濾風速定為0.8～ 1.0m/min比較適宜。
4.4 過濾面積的計算
過濾面積S=Q/（60×ω）。
4.5 除塵器規格的選取
根據過濾面積，對照相應袋除塵器的規格和性能表選擇一種規格。3種袋除塵器的主要規格和性能分別見表1、表2、表3。
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4.6 各種規模生產線除塵器的選型
目前國內擬建、在建、新建的水泥生產線多是 2000～5000t/d能力的新型干法生產線。各設計院在設計煤粉制備系統時，采用的生產工藝流程及性能配置有所不同，配置的除塵器型號規格也有所區別，但通常工藝設計選型基本是一致的。具體見表4。
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5 煤磨袋除塵器的應用
5.1 推廣應用情況
（1）FGM（M）型氣箱脈沖防爆袋除塵器是在 FGM（PPW）氣箱脈沖袋除塵器基礎上研制開發的。該除塵器自研制以來，在水泥廠、鋼廠和電廠進行了推廣應用，使用廠家遍布國內外，僅在國內的水泥廠至今已有300余臺投入使用，取得了良好的經濟、環境和社會效益。該除塵器于1997年通過省級鑒定，于1999年榮獲國家建材局科技進步三等獎。
（2）MMC型脈沖噴吹防爆袋除塵器自1999年開始研制，于2003年通過部級鑒定，目前已推廣銷售了40余臺，先后應用于重慶南桐特種水泥有限公司、都江堰拉法基水泥公司和重慶拉法基水泥公司等水泥生產線。
（3）LPMC型低阻高效防爆袋除塵器自研制以來廣泛應用于冶金、電力、水泥等行業煤粉制備系統的廢氣治理，目前已推廣銷售了近20臺，應用于山東鋁業公司水泥廠等新老生產線。該除塵器于2006年12月通過部級鑒定，其研制項目獲得2007年度建材行業科技進步三等獎。
5.2 部分典型應用業績
這3種類型除塵器的部分業績見表5。
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6 結語
（1）煤粉制備系統已由傳統的兩級除塵改為一級除塵，該系統廢氣具有粉塵濃度高、揮發分高、粒度小、易結露、有腐蝕性、有燃爆可能性等特點。為適應新標準《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB4915-2004）的要求，煤磨廢氣治理必須選用低阻高效防爆袋除塵器。
（2）煤磨廢氣除塵相繼經歷了燃燒法除塵、水膜法除塵、電收塵器除塵、袋收塵器除塵四個技術階段。脈沖噴吹型防爆袋除塵器因具有運行穩定可靠、清灰效果好、能處理高濃度廢氣、除塵效率高等優點在水泥廠得到了廣泛應用。
（3）煤磨袋除塵器的選型主要包括袋除塵器類型的確定、處理風量的確定、過濾風速的選取、過濾面積的計算、除塵器規格的選取等內容。目前，廣泛應用的煤磨袋除塵器是脈沖噴吹型，主要有FGM（M）型氣箱脈沖防爆袋除塵器、MMC型脈沖噴吹防爆袋除塵器和LPMC型低阻高效防爆袋除塵器3種。
參考文獻：
徐寧，陳章水，毛志偉，等.水泥工業環保工程手冊[K].北京：中國建材工業出版社，2008.
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