袋、電除塵器在水泥行業的應用與比較
0 概述：水泥回轉窯系統除塵設備的選擇
我國水泥工業取得了長足發展，2006年產量達12.4億噸，近幾年 平均增速為12%。新型干法水泥技術在節能、大型化方面取得突破性進展，其生產量占全部水泥產量的百分比由2000年12%上升到50%，而粉塵排放減少 500萬噸。目前新型干法窯中以5000t/d窯規模為主的工藝線迅速推廣，水泥生產線規模的擴大，不僅促進了與之配套的的環保設備的大型化，同時也促進 了環保裝備及技術的進步。
水泥回轉窯是水泥廠最大的粉塵污染源，新型干法水泥生產線均將窯尾煙氣用于烘干原料、并與窯尾共用一臺除塵器。因此，窯尾系統的粉塵排 放量占到整條生產線的二分之一強。新修訂的《水泥工業大氣污染物排放標準》GB4915－2004中規定“水泥窯及窯磨一體機”排放標準為 50mg/m³，需要高效、穩定的除塵設備才能達標運行。世界發達國家對水泥窯的排放要求愈來愈嚴格，歐盟IPPC（綜合污染預防與控制）指令（96、 61、EC）關于《水泥制造業的最佳可用技術（BAT）與污染物排 放指南》指出：采用袋除塵和電除塵技術，對應的排放控制水平為20~30 mg/Nm³。這份文件將成為歐洲各國制定排放標準的依據。有一些國家（如德國、荷蘭）水泥工業粉塵排放甚至要求達10 mg/Nm³，尤其近年來“趨零排放”已成為一種潮流（表1）。
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表1 國外水泥工業顆粒物排放標準（mg/Nm³）
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目前，國內外用于水泥回轉窯除塵都是電、袋兩大類除塵器。國內生產的袋除塵器、電除塵器每小時能處理幾百到一百多萬立方米風量的含塵廢氣，進口 濃度允許超過100 g/Nm³，排放濃度熱力設備可控制在50mg/Nm³以下，通風設備可控制在30 mg/Nm³以下。我國水泥回轉窯據統計10%使用袋除塵器，90%使用電除塵器，但隨著《水泥工業大氣污染物排放標準》的出臺，袋除塵器應用愈來愈多， 國內外均出現“電改袋”的現象。袋、電除塵器由于除塵機理不同，應用情況，除塵效果也不盡相同。以下就電、袋兩種除塵器工作原理，用于水泥回轉窯除塵實際 情況作簡要分析比較。
1 電除塵器
電除塵器是利用高壓靜電來進行氣塵分離的，它除塵基本過程分三個階段：（1）進入電除塵器內的粉塵粒子先荷電；（2） 荷電塵粒移動后沉降（即收塵）；（3）振打使沉積粉塵脫落（即清灰）。當含塵氣體通過電極間通道時，電暈電流中的電子和負離子就會吸附到粉塵上，稱為荷 電。荷電的粉塵在電場的作用下向收塵極運動，最后沉積在收塵極板上并將電荷釋放出來，當粉塵沉積到一定厚度時，通過振打裝置將粉塵打落入灰斗排出。
工業電除塵器在實際運行中，除塵是一個極為復雜的過程，受諸多因素的影響，如圖1、圖2所示。從理論計算的除塵效率與實際運行數據相差較大，這 些因素包括物理、電力、流體力學等，而最強干擾作用，是煙氣和粉塵的性質，如粉塵的比電阻；氣體的溫度和濕度；化學成分；塵粒分布；壓力，氣體流速等等。
 圖1 電除塵荷電和除塵過程 |
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圖2 影響電除塵器性能的主要因素
1.1 比電阻是主要影響因素
電除塵器要求控制煙氣粉塵比電阻在104~1011?.cm這個范圍，其除塵效率最佳，這也是長期實 踐得出的結論。
低于1011?.cm的粉塵稱為低阻粉塵，這種粉塵導電良好，荷電粒子與集塵極接觸立即放出電荷，同時獲得與集塵極相同電荷的正電荷，受到集塵 極相同電荷的排斥又脫離集塵極返回到氣流中，形成二次飛揚（圖3），又稱“跳躍現象”。
高于1011?.cm的粉塵稱為高阻粉塵。這種粉塵在集塵極放電緩慢，因此粉塵層間形成很大的電壓梯度，產生一個強電場，這一電場不但減弱了電 極間的電場強度，排斥其它粉塵繼續向集塵極運動，還會發生局部放電，出現反電暈現象（圖4），在集塵極和物料層中形成大量的陽離子，中和了迎面而來的陰離 子，使電能消耗增加甚至無法工作。
 圖3 低比電阻粉塵的跳躍現象 |
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圖4 高比電阻粉塵的反電暈現象
1.2 煙氣調質控制比電阻
為使電除塵器能在正常比電阻范圍內工作，所有干法水泥廠回轉窯都要采用增濕塔做為煙氣調質處理。而煙 氣調質是根據粉塵中比電阻隨溫度和濕度（濕度以露點表示）變化而變化的性質來進行的，必須兼顧到溫度和露點兩個條件。新型干法生產線窯尾煙氣溫度在 300°C ~ 400°C之間，進行增濕降溫后，露點為50°C，溫度為150°C，粉塵比電阻可調到1011?.cm以下，是電除塵理想的工作范圍。增濕塔是窯尾除塵 系統的重要組成部分，它的工作好壞直接影響電除塵器的效果。
1.3 存在事故排放
1.3.1煙氣中CO超標與對空排放
水泥回轉窯窯尾用電除塵器時，為了使電除塵器安全運行，設置 了CO采樣分析，超標自動停止向電極供電功能。回轉窯正常工作時，廢氣中CO濃度為0.5%左右，其濃度超過1.5%時報警，超過2%時則自動切斷電源， 關閉高壓硅整流器，這時電除塵器僅是一個煙氣通道，粉塵對空排放。這樣就造成電除塵器與窯系統不同步運行問題。
如下兩種情況產生CO濃度超標：
1） 生產工藝操作不當CO超標。
2） 點窯時煤燃燒不完全CO超標。
上述二種情況中，點燃窯的情況是：在窯溫上升到一定溫度，剛點窯時不開系統風機，僅靠煙囪的自然抽力，排風量很小。燃燒基本正常時才開系統風機 并投料，這時電除塵器也投入了運行，超標時間很短，排放總量可以忽略。在投料之前，只有煙塵，即使有一段時間超標，但超過值很少，排放總量也可忽略。只有 第一種情況，工藝操作不當，煤燃燒不完全，引起廢氣中CO超標，被迫停止向電除塵器電極供電，而這時又要對窯系統進行調整，不能停止運行，引起粉塵濃度超 標排放。
1.3.2 不同步時間與超標排放量的計算
(1) 除塵效率下限：
為了使除塵設備達標排放，當入口濃度為某定值時，除 塵設備必須要具有最低的除塵效率。若粉塵排放濃度限值為50 mg/Nm³，入口濃度與除塵效率的關系如表2：
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表2 不同入口濃度情況下要求的最低除塵效率
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不同步運行，也就是工藝設備運行時，電除塵器本身只起到類似沉降室的作用，污染物排放量急劇增加。假定該沉降室的除塵效率為50%，收塵裝置不 同步污染物排放總量與同步運行時污染物排放總量相等時，不同步時間的百分比與除塵裝置入口污染物濃度有關。當入口粉塵濃度為10、100、1000 g/Nm³時，不同步的時間分別為1%；0.1%；0.01%。水泥生產中除烘干磨O-sepa選粉機外，一般設備產生的粉塵濃度在100 g/Nm³左右，若收塵裝置與工藝設備有千分之一不同步就能使不同步的粉塵排放總量與同步運行的排放總量相等。
(2)排放總量估算如下：
水泥窯正常工作時，出預熱器粉塵濃度平均為60g/Nm³，氣體溫度320°，換算到標準狀態下粉塵平均 標況濃度約為130 g/Nm³。當出現CO超標時，調整水泥窯系統，減少喂料量，假設可使預熱器出口粉塵濃度下降一半，為65g/Nm³。增濕塔或冷卻器使粉塵沉降 20%~40%，下面計算取40%；電除塵器電極不帶電時其殼體作為沉降室，沉降率50%，這時排入大氣的粉塵濃度為：
65X（1－0.4）(1－0.5)=19.5 g/Nm³
當環保標準允許排放濃度為100m g/Nm³時，生產中因CO超標而引起電除塵器被迫停電，所產生的粉塵濃度是允許排放濃度的195倍。即小時超標排放的粉塵量，等于195個小時正常生產 的粉塵達標排放總量。
根據對水泥生產中電除塵器運行情況的了解，大部分生產廠CO超標時間都在1%左右。部分超過2%，幾乎每天都有1次以上超標排放。一般情況下認 為要使CO超標時間控制在0.5%以下比較困難。按CO超標時間0.5%計算，由于CO超標引起的電除塵器年超標排放總量與除塵器正常達標排放總量相當， 可見CO超標引起的粉塵排放總量相當驚人。
1.4 《新標準》對水泥回轉窯尾除塵設備要求嚴格
《水泥工業大氣污染物排放標準》“征求意見稿”曾規定“新建水泥生產線窯尾一律 采用布袋除塵器”，是考慮到電除塵器有一些難以克服的缺陷（如CO預警問題）造成不正常排放量很大，通常袋除塵器要好的多。從調研情況看，不排除電除塵器 能解決這一問題（如自控手段），以及開發出新形式的除塵設備。因此不再要求新建水泥窯一律采用布袋除塵器。
而工藝波動造成除塵器關閉，此時水泥窯需要調整運行（不能停止）所造成的非正常排放，電除塵器就很嚴重了。對這種不正常排放要控制。因此新標準 規定如下：新建水泥窯應保證在生產工藝波動情況下除塵裝置仍能正常運轉,禁止非正常排放。現有水泥窯采用的除塵裝置，其相對于水泥窯通風機的年同步運轉率 不得小于99%。
使用電除塵器，需安裝現代化的自動測量與控制系統，進行精確、有效的工藝控制。保證電除塵器與水泥窯完全同步運行，實現起來難度很大。通常袋除 塵器在這方面有明顯優勢。
2 袋除塵器
袋除塵器是以織物纖維濾料采用過濾技術將空氣中的固體顆粒進行分離的設備。目前主要有纖維過濾，膜過濾（表面覆膜）和 粉塵層過濾，具體表現為：篩分，慣性碰撞，擴散，重力沉降等綜合作用。其作用機理為：（1）慣性捕集：顆粒物與風速都較大時，氣流接近過濾材料因受阻而發 生繞流，顆粒物則由于慣性作用而脫離流線，直接與纖維碰撞而被捕集。（2）篩分捕集：當顆粒物的粒徑大于過濾材料的孔徑時，顆粒物無法通過而被捕 集。（3）擴散捕集：由于氣體分子熱運動對微粒的碰撞而產生的布朗運動線，從而撞擊到纖維上被吸附，對于越小的微粒越顯著，大于0.3µm的微粒其布朗運 動減弱，一般不足以靠布朗運動使其離開流線碰撞到纖維上。（4）重力沉降捕集：在過濾速度較小時，氣體比較重的顆粒由于重力的作用而脫離流線，沉積在纖維 上。
 圖5 |
圖5表示在袋除塵器過濾過程中濾料的縱斷面圖。這是普通的化學纖維濾布，網孔為20~50微米，（使用短纖維如果考慮起毛的話，則為5~10微 米）。在過濾中，粉塵逐漸在濾布表面形成初始粘附層（也稱粉塵架橋現象），它本身就起對粉塵的過濾作用。目前，國內外濾料表面覆膜過濾技術的應用，使袋除 塵器的過濾機理都有所改變。這種技術對微細粉塵有更高的捕集率，將粉塵阻留在濾料表面，更容易剝離。不用說1微米的塵粒，就是0.1微米的煙霧，也能獲得 接近100%的除塵效率，國內生產的袋除塵器可達到99.99%的除塵效率，已趨近“零排放”。
2.1袋除塵器用于水泥回轉窯除塵
2.1.1 煙氣粉塵特性影響
（1）不受煙氣比電阻影響，干燥煙氣更利于袋除塵器。
（2）用于窯尾除塵有脫硫作用。煙氣中SO2在過濾時與濾袋表面粉塵層中的鉀、鈉結合生成鹽，脫硫80%左右。
（3）對窯工況煙氣變化、波 動不敏感。尤其是窯系統煤燃燒不完全時導致的CO超標，袋除塵器可正常工作，不需對空排放（旁路）。
（4）降溫方式多樣。袋除塵器濾袋承受溫 度一般在240~260°C左右，（最高允許溫度在260~280℃）可以用增濕塔降溫，但要求遠沒有電除塵器高。比如煙氣只需降到260°C以下露點 50°C以上即可，其用水量不及電除塵器一半。袋除塵器降溫還可用空氣冷卻器，尤其在北方缺水地區，還有水質不好的地區。
（5）袋除塵器在線 檢修可保證與窯的同步運轉率。
水泥回轉窯窯尾用袋除塵器，也會因為濾袋損壞引起超標排放。水泥窯窯尾用袋除塵器都在10個袋室以上，斷定破袋 所在位置從發現超標排放開始，檢查一般需5~30分鐘。目前，濾袋使用壽命均在一年以上，破袋僅在濾袋使用一年以后發生。查出破損濾袋所在袋室只要關閉該 袋室，對其更換即可，其余袋室仍可正常運行。一般關閉20%袋室不會影響工藝設備生產和除塵設施的除塵效率。及時發現濾袋損壞是減少超標排放量的關鍵，這 只能依靠在線連續檢測設備的及時報警。一般認為：袋除塵器破袋，在少部分破損時即可被發現，其它濾袋還會起一定的作用，超標的排放量遠小于電除塵器因CO 超標時的排放量。
（6）運行阻力問題。袋除塵器運行阻力較高（1000~1700Pa）超負荷通過能力較差，運行時阻力能耗比電除塵器大。對 窯不同工況變化，袋除塵器入口及本體易產生正壓現象。
3 袋、電除塵器用于水泥回轉窯投資及運行費用比較。
3.1 國內某大型環保企業做的比較（表3）
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表3 電除塵器和袋收塵器總體經濟對比表（單位：萬元）
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3.2 國內某設計院做的比較（3000t/d生產線）（表4）
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表4 電除塵器和袋除塵器的費用比較
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3.3 合肥水泥研究設計院做的5000t/d袋、電工藝參數及投資、運行費用比較。
3.3.1 5000t/d袋、電收塵器選型及工藝參數（表5、表6）
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表5 5000t/d袋收塵器選型及工藝參數
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表6 5000t/d電收塵器選型及工藝參數
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3.3.2 5000t/d袋、電收塵器投資及運行費用比較
（1）設備一次性投資費用比較（表7）
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表7 設備一次性投資費用比較（萬元）
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（2）日常運行維護費用及電耗
①袋收塵器
a、濾袋更換費（按國產計算）
窯頭、窯尾濾袋在正常使用條件下， 濾袋壽命為24個月以上，一套濾袋價格窯頭袋收塵器：124萬元；窯尾袋收塵器254萬元。
年維護費用：窯頭袋收塵器62萬元，窯尾袋收塵器127萬元。
b、電耗
風機阻力電耗（括號內數據指窯頭）：
空壓機功率電耗：
7.5KW×50%（使用效率）=3.75KW
總電耗：
窯尾：431+3.75=435KW 窯頭：295+3.75=299KW
②電收塵器
a．電收塵器正常情況下，每5年維護一次，一次性維護費用（極板整形、更換極絲等），窯頭電收塵器需80萬元，窯尾電收 塵器需120萬元。每年窯頭為16萬元，窯尾24萬元。
b．電耗（括號內數據指有別于窯尾的窯頭收塵器數據）
風機阻力電耗:
高壓整流器電耗：
3.2(2.0)A ×72KV×3×0.7×70%(使用效率)=338.6KW(211.7KW)
加熱器電耗：
0.4KW/個 ×60（36）個=24KW(14.4)
振打減速電機：9KW（4.5KW）
總電耗：窯尾：129+338.6+24+9=500.6KW
窯頭：89+211.7+14.4+4.5=319.6KW
（3）從以上數據可以定性地看出：
①隨著高品質濾袋的使用，袋收塵器一次性投資一般比電收塵一次投資高20%左右，如果采用進口濾 料，則為50-60%；
②袋收塵器運行費用高于電收塵器；
③由于袋收塵器采用覆膜濾料，系統阻力有所降低，其電耗低于電收塵 器；④袋收塵器的排放濃度能夠＜10mg/Nm3，幾乎為零排放。而電收塵器需在嚴格保證制造和安裝質量的前提下，才能達 ＜50mg/Nm3。
袋除塵器技術近年來發展很快，高品質濾料國產化，設備結構設計日趨合理，袋收塵器的濾料品質、脈沖閥等配件質量不斷提高。隨著國家環保新標準的 提高，5000t/d以上生產線配套使用窯尾袋收塵器的越來越多，如合肥院為沙特NAJRAN水泥公司6000t/d熟料水泥生產線配套的袋收塵器風量達 160萬m3/h；河南南陽、山東青州等6000t/d生產線均采用袋收塵器。
4 結束語：
隨著世界各國環保要求的日益嚴格，排放標準的不斷提高；在發達國家以袋收塵器替換電收塵器的數量越來越多，即使在發 展中國家也有這樣的趨勢。美國水泥廠控制污染標準是以高效袋收塵器的效率性能作為基礎的，而電收塵器只是作為另一種可供選擇的收塵器來考慮。我國隨著水泥 新標準的實施，在一些環保要求高的地區，如北京、上海、廣州及各個風景區，已有水泥廠將電收塵器改為袋收塵器（保留電收塵器殼體，內部結構換成袋收塵器的 結構）。但是，目前國內大型窯系統中袋收塵器采用的濾料絕大部分為進口濾料，因此帶來了袋收塵的投資和維護費用大幅度上升的問題，所以盡快研制和開發出質 優、價廉并能夠大量商業化生產的國產濾料，是袋收塵器技術發展的重要課題。解決好這一問題，將使袋收塵器在激烈的市場競爭中處于不敗之地。
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