礦渣粉磨系統袋式除塵器的選型及應用
摘要:介紹了礦渣粉磨系統含塵廢氣的特性、國內治理技術現狀和除塵新技術，并從處理風量的確定、袋式除塵器類型的確定、過濾風速的選取、過濾面積的計算、除塵器規格的選取等方面介紹了礦渣粉磨袋式除塵器的選型，以及FGM型礦渣用氣箱脈沖袋式除塵器和KDMC大型低阻袋式除塵器在礦渣粉磨系統除塵的應用推廣情況。
關鍵詞:礦渣粉磨,袋式除塵器,選型,應用
1 前言
高爐礦渣是鋼鐵廠生產過程中排出的廢渣，全國鋼鐵企業每年產生約1.2億噸的礦渣，將礦渣磨細成礦渣微粉，等量代替水泥，既可以變廢為寶，又可以節約生產水泥所需的礦山資源，是發展循環經濟，實現可持續發展的重要途徑。礦渣微粉是一種新型高強混凝土摻和料、優質水泥混合材料，其原料是冶金行業的高爐礦渣，是保護生態環境、利用工業廢渣的新型環保產品，近十年來，國內許多大型鋼鐵企業紛紛投資建設礦渣粉磨生產線，把礦渣微粉項目列為非鋼產業發展的一個重點。
礦渣粉磨系統的終端設備是袋式除塵器。袋式除塵器具有收集成品和環保除塵的雙重功能，在粉磨系統中起著至關重要的作用。礦渣粉磨系統廢氣的排放依據新標準《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB4915-2004）的規定執行，新標準對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，現有生產線磨機排氣筒中的顆粒物最高允許排放濃度是50mg/Nm3，自2010年1月1日起，其最高允許排放濃度是30mg/Nm3；自2005年1月1日起，新建生產線磨機排氣筒中的顆粒物最高允許排放濃度是30mg/Nm3。為適應新標準，選用新型高效袋式除塵器是設計選型的必然趨勢。
2 礦渣粉磨系統含塵廢氣的特性
為了更好地發揮礦渣的潛能，需要將礦渣磨細。從《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》(GB/T18046-2000）標準來看，只要將礦渣比表面積控制在420～450m2/kg，即可滿足標準中S95級要求。這樣不但滿足了水泥制造廠提供42.5～52.5級礦渣水泥（礦渣摻量30%～50%）的要求，又滿足了預拌混凝土公司配置大于C60混凝土的要求。根據現有的裝備情況，可采取立式磨、輥壓機、球磨機、振動磨四種終粉磨工藝，或者采用立式磨+球磨機、輥壓機+球磨機的聯合粉磨工藝。近年來，采用立式磨生產礦渣微粉的終粉磨工藝最為普遍且發展迅速。
礦渣粉磨系統的廢氣一般具有如下特點：
（1）粉塵顆粒細。磨細礦渣微粉磨到一定細度（比表面積）才能充分參與水化反應提高活性，但同時還與顆粒組成有關，細顆粒多則比表面積大。對不同礦物微粉進行比表面積及顆粒組成的測定詳見表1。從表1可以看出，在標準規定的比表面積下，礦渣小于10μm的顆粒占58%，比粉煤灰及P.0525水泥都要多。由此可見，礦渣微粉粒徑小，在廢氣中懸浮性強，給除塵帶來較大難度。
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（2）含塵濃度高。不管是球磨工藝還是立式磨工藝，由于取消了二級除塵用旋風收塵器，礦渣粉磨系統含塵廢氣的粉塵濃度較高，一般為400～1000g/m3。
（3）粉塵含濕量高。由于水淬礦渣具有高含水量，有時高達15%～20%，入磨前水分是難以去除的，在磨內磨粉過程中會產生大量熱量，立式磨還附設熱風爐供熱風給磨機，最終成品微粉水分控制在0.5%～1.2%，隨廢氣進入袋式除塵器的過細微粉極易造成結露糊袋現象。
3 礦渣粉磨系統粉塵治理技術的現狀
隨著袋式除塵器技術的不斷發展，尤其是新型濾料的研制及應用和清灰技術的發展，使袋式除塵器在礦渣粉磨系統除塵中得到了更加廣泛的應用。針對礦渣粉磨工藝系統和含塵廢氣的特性，國內外先后研制和應用了反吹風型和脈沖噴吹型兩類袋式除塵器。其中脈沖噴吹型有氣箱脈沖袋式除塵器、低壓長袋脈沖袋除塵器和箱管結合低阻高效袋式除塵器。
反吹風型袋式除塵器是采用高壓反吹風機進行清灰的內濾式袋式除塵器，具有如下特點：
（1）采用內濾式反吹清灰，清灰動能較低，過濾風速必須取低值，設計過濾風速正常選取0.4～0.5m/min，因此具有設備體積較大、鋼耗較高、占地面積大和投資較高的缺點；
（2）正常處理低濃度含塵氣體，允許入口含塵濃度小于150g/m3，對于高濃度廢氣除塵，必須采用二級收塵，因此工藝較復雜；
（3）除塵效率較高，如過濾風速取低值，也能實現排放濃度<50mg/Nm3，但很難實現排放濃度<30mg/Nm3；
（4）采用反吹風清灰，清灰很難徹底，設備設計阻力小于1770Pa，清灰時引入大量新鮮冷空氣，不利于防結露；
（5）因設備體積大、工藝復雜、占地面積大等，不適用于規模大、處理風量大的礦渣粉磨生產線。根據以上特點分析，該技術應用將越來越少，直至淘汰。
隨著新型濾料性能的改善和脈沖清灰技術的發展，脈沖噴吹型袋式除塵器在礦渣粉磨系統除塵中得到一定程度的應用。相比反吹風型袋式除塵器，脈沖噴吹型袋式除塵器具有更好的性能，其性能特點如下：
（1）采用外濾式，設計過濾風速0.8～1.0m/min，因此具有設備體積較小、鋼耗較低、占地面積小和投資較少的優點；
（2）能處理低于1000g/m3的高濃度含塵氣體，無論是與立式磨還是與球磨配套都只要一級收塵，工藝流程簡單；
（3）采用電磁脈沖閥進行脈沖清灰，清灰動能大，清灰徹底；
（4）選用滌綸針刺氈覆膜濾料，抗磨抗折抗拉的強力性能好，抗結露性能好。
但是，低壓長袋脈沖除塵器用于礦渣粉磨系統時，由于礦渣微粉粉塵顆粒細、含濕量高、粘性強、清灰較困難，因此會造成整機阻力高而影響系統生產和運行成本。該除塵器屬于行脈噴，存在粉塵的二次飛揚，阻力上升快，清灰次數多，縮短了脈沖閥和濾袋的使用壽命。
為有效避免該袋式除塵器存在的高阻力、濾袋壽命短和電耗高等缺點，國內有關研究設計院先后研制了FGM型礦渣用氣箱脈沖袋式除塵器和KDMC大型低阻袋式除塵器。其中，FGM型礦渣用氣箱脈沖袋式除塵器是在原氣箱脈沖袋式除塵器的基礎上進行改進的，適用于20萬m3以下處理風量；KDMC大型低阻袋式除塵器是在原氣箱脈沖袋式除塵器的基礎上進行大風量、低阻力和均風結構的優化設計，采用“箱管結脈沖”清灰裝置，適用于20萬m3以上處理風量，兩種袋式除塵器對過濾材料都進行了優化選型，這兩種袋式除塵器目前已成為國內礦渣粉磨系統國產化除塵設備的首選。
4 礦渣粉磨系統除塵新技術介紹
4.1 FGM型礦渣用氣箱脈沖袋式除塵器
FGM型氣箱脈沖袋式除塵器主要由箱體、袋室、灰斗、進出風口、濾袋、袋籠、支柱、爬梯、欄桿、氣路系統、提升閥系統、卸灰裝置、清灰控制器等部分組成。其進出風口連接成一體形成風道，進出風口分別布置在袋室相對的兩側面，中間用斜隔板隔成互不透氣的兩部分，使氣流分布均勻且預收塵效果好。
其工作原理是：含塵煙氣先由進風口進入，在風道斜隔板的導向下，風道截面擴大風速降低，部分較大的塵粒在這里由于慣性碰撞、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，凈化的煙氣由濾袋內部進入凈氣箱，再由閥板孔、出風口排入大氣，達到收塵的目的；隨著過濾過程的不斷進行，濾袋外側的積塵也逐漸增多，從而使收塵器的運行阻力也逐步增高。當阻力增到預先設定值（1245～1470Pa）或者設定時間到時，清灰控制器發出信號，首先控制提升閥將閥板孔關閉，以切斷該單元過濾煙氣流，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）向凈氣箱內噴入壓力為0.5～0.7MPa的壓縮空氣，壓縮空氣在凈氣箱內迅速膨脹，涌入濾袋內部，使濾袋產生變形、振動，加上逆氣流的作用，袋室外部的粉塵便被清除下來掉入灰斗，清灰完畢后提升閥再次打開，收塵器又進入過濾狀態。清灰動作均由PLC進行自動控制，清灰控制器有定時式和定壓式兩種。
其性能特點有：
（1）能處理高濃度含塵氣體，只要一級收塵，工藝流程簡單；
（2）具有設備體積較小、鋼耗較低、占地面積小和投資較少的優點；
（3）清灰動能大，清灰徹底；
（4）設備運行阻力低，阻力小于1500Pa；
（5）濾袋使用壽命長，抗結露性能好。
4.2 KDMC礦渣粉磨大型低阻袋式除塵器
KDMC袋式除塵器由箱體、灰斗、濾袋、袋籠、提升閥、脈沖清灰系統、進出風管、卸灰裝置、清灰控制器等等組成。
KDMC袋式除塵器最突出的兩大結構特點是：
（1）進風道設計“梯極耙式均風導流板”。設計的梯級均風導流板用一整塊5mm鋼板壓制而成，又設計了耙形葉片分布在整個煙道中，組合成為梯級耙式均風導流板。梯級耙式均風導流板的作用是使各袋室氣流風速和流量盡量均等。在風道中相對應的每個袋室安裝兩片耙形葉片（5mm鋼板壓制而成），當含塵氣體進入風道中，最大限度地增加了氣流中粉塵顆粒與導流板撞擊的面積，使更多量的粉塵顆粒在慣性重力作用下沉降到集灰斗中，從而降低了濾袋的粉塵負荷，使濾袋上的粉塵阻力降至最低。
（2）采用新研制的“箱管結合式”清灰裝置。在箱式脈沖系統基礎上加裝壓縮空氣引導管，每個凈氣室內安裝兩根引流管，其原理與管式行脈沖的噴吹管相似，但其管徑與噴吹口角度均不相同。該清灰裝置克服了原箱式脈沖噴吹氣流紊亂、箱內濾袋清灰強弱受力不均和管式脈沖阻力上升快、維護管理工作復雜的缺點，其清灰效果優于箱式、管式兩種方式，管理簡單，節能降耗。
其工作原理是：含塵氣體進入除塵器進風管，然后折下進入灰斗，再上升經濾袋過濾。粗顆粒靠慣性落入灰斗底部，細粉塵被阻留在濾袋外表面。過濾后氣體通過各濾袋匯集到凈氣室，經由出風管、風機排入大氣（見下圖）。KDMC袋式除塵器設計為離線清灰。隨著過濾過程的不斷進行，濾袋外表層積塵逐漸增多、增厚，需對濾袋進行清灰。清灰時，PLC控制儀發出信號，首先關閉一單元切換閥，兩組脈沖清灰系統分別工作，向該單元濾袋噴射壓縮空氣，使濾袋膨脹、震動，達到清灰目的。清灰結束后，切換閥再次打開，該單元又重新進入過濾狀態。清灰過程是按一定的時間間隔逐個單元依次輪流進行的，當某個單元清灰時，其余單元仍在過濾，互不干擾，可實現長期連續作業，提高清灰效果。
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其性能特點是：
（1）能處理大風量、高濃度含塵氣體，只要一級收塵，工藝流程簡單；
（2）具有設備體積較小、鋼耗較低、占地面積小和投資較少的優點；
（3）采用箱管結合清灰方式，清灰動能大，清灰更徹底；
（4）設備運行阻力低，阻力為600～800Pa；
（5）濾袋使用壽命長，壽命在 3 年以上；
（6）排放濃度很低，達到并可優于30mg/Nm3的國家新標準。
5 礦渣粉磨袋式除塵器的選型
根據工藝設計方案和原始參數對袋式除塵器作選型，主要步驟包括：處理風量的確定、袋式除塵器類型的確定、過濾風速的選取、過濾面積的計算、除塵器規格的選取等。
5.1 處理風量的確定
因礦渣粉磨系統采用的工藝不同、原料水分不同、產品的品質要求不同，故單位產量處理風量大小不同。在工業運行實踐中，大多選用立式磨終粉磨工藝，其成品物料全部用風力輸送，處理風量通常用“帶走礦粉所需要的最小風量”計算得出，帶走礦粉所需要的最小風量可按入口粉塵濃度為220～270g/m3計算。處理風量也可以通過磨機單機臺時產量來計算，處理風量Q=（4200～4800）G，其中，G為磨機臺時產量（單位：噸/時），兩種計算方法的結果基本一致。袋式除塵器的處理風量應根據理論計算再結合經驗數據選取，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。
5.2 袋式除塵器類型的確定
根據以上結構和原理分析，FGM型礦渣用氣箱脈沖袋除塵器和KDMC大型低阻袋式除塵器有各自的適用范圍。對于20萬m3以下處理風量，可選用FGM型礦渣用氣箱脈沖袋式除塵器；對于20萬m3以上處理風量，可選用KDMC大型低阻袋式除塵器。
5.3 過濾風速的選取
過濾風速是袋式除塵器的一個重要技術參數，過濾風速的大小直接影響袋式除塵器的設備投資、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、是否易燃易爆、粉塵粘結特性等）和排放標準要求等。過濾風速過大，就會造成阻力高、排放濃度高、濾袋壽命短；過濾風速過小，則會導致除塵器體積大、設備投資高。
袋式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 — 過濾面積（m2）。
過濾風速根據所選濾料的性能、高濃度的廢氣性質和粉塵排放標準，再結合礦渣粉磨工藝推薦的過濾風速值進行選取。對于處理風量小的FGM型礦渣用氣箱脈沖袋除塵器，正常工況可選用普通滌綸針刺氈和滌綸針刺氈覆膜濾料。如選用550g/m2滌綸針刺氈覆膜濾料，過濾風速選1.0m/min以下比較適宜；如選用550g/m2滌綸針刺氈濾料，過濾風速定為0.8～0.9m/min比較適宜。對于處理風量大的KDMC大型低阻袋式除塵器，應綜合考慮礦渣微粉特性、運行阻力和濾袋使用壽命等因素，選用550g/m2滌綸針刺氈覆膜濾料，過濾風速選1.0m/min以下比較適宜。
5.4 過濾面積的計算
過濾面積S=Q/(60×ω)。
5.5 除塵器規格的選取
這兩種袋式除塵器的主要規格和性能見表2、表3和表4。
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5.6 各種規模生產線除塵器的選型
目前，國內單條礦渣粉磨生產線的規模從10萬噸/年到100萬噸/年不等。各設計院在設計礦渣粉磨系統時，工藝設計參數如處理風量基本是一致的，但采用的生產工藝流程及配置有所不同，配置的除塵器型號規格也有所區別。各種規格選型見表5。具體選型應以設計院提供的參數為準。
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6 礦渣粉磨袋式除塵器的應用
6.1 推廣和應用情況
FGM型礦渣用氣箱脈沖袋式除塵器是在FGM氣箱脈沖袋式除塵器基礎上研制開發的，該除塵器自研制以來在全國各地水泥廠粉磨車間和礦渣微粉生產線上大量推廣使用，至今已有30余臺投入使用，取得了良好的經濟效益、環境效益和社會效益。
KDMC大型低阻袋式除塵器首先在江蘇沙鋼集團取得了成功應用，該企業應用的2臺袋式除塵器自2005年9月投運以來，完全達到并超過設計的預期技術經濟指標，實現了高效、節能、穩定運行的目的。2006年11月張家港市環保監測部門對該袋式除塵器進行了監測，其袋式除塵器出口排放濃度為3.5mg/Nm3。從監測結果看，粉塵排放濃度遠低于新標準規定30mg/Nm3的限值，已經達到或超過歐美發達國家的排放標準。
KDMC大型低阻袋式除塵器自研制以來廣泛應用于礦渣粉磨系統的廢氣治理，目前已推廣銷售了20多臺，應用于濟南魯昂新型建材公司、山東萊蕪鋼廠、日照鋼廠等礦渣微粉生產線。該除塵器于2006年11月通過部級鑒定；該除塵器研制項目先后榮獲“2007年度合肥市重大科技產業化項目”、“2008年度建材行業科技進步三等獎”和“2008年環保部科技進步三等獎”等榮譽。
6.2 部分典型應用業績
兩種類型除塵器的部分應用業績見表6。
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7 結語
（1）礦渣粉磨系統廢氣具有含粉塵顆粒細、粉塵濃度高和含濕量高等特點。為適應新標準《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB4915-2004），廢氣治理必須選用新型低阻高效袋式除塵器。
（2）礦渣廢氣除塵技術主要有反吹風型袋式除塵器、脈沖噴吹型袋式除塵器和專用型袋式除塵器。為克服原技術存在高阻力、濾袋壽命短和運行成本高等弱點，近年來研制的FGM型礦渣用袋式除塵器和KDMC大型低阻袋式除塵器具有先進的結構特點及良好的性能特點。
（3）礦渣粉磨袋式除塵器的選型主要應考慮處理風量的確定、袋式除塵器類型的確定、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，FGM型礦渣用袋式除塵器和KDMC大型低阻袋式除塵器已得到了廣泛的應用，隨著礦渣微粉生產線規模的日益擴大，KDMC大型低阻袋式除塵器的應用具有很好的經濟效益、社會效益和環境效益，該除塵器已成為業主和設計院的首選產品。
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