水泥厂煤粉制备系统袋除尘器的选型及应用
1 前言
为了提高原煤在工业窑炉中的燃烧效率，通常要将其磨成煤粉来燃烧。在水泥（回转窑）、冶金、电力行业，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，通常采用的磨机为风扫式球磨机或立式磨。但无论采取何种粉磨方式，在煤粉制备及输送过程中，部分煤粉都会随气流排出，对环境造成污染。因此，煤粉制备工艺系统中含尘废气中的煤粉回收成为了必不可少的环节。随着煤粉制备工艺技术的发展，煤粉制备系统已由传统的两级收尘改为一级收尘，粉磨设备也逐渐被高效的立式磨替代，收尘器在粉磨系统中不仅是收尘设备，而且也是主要的工艺设备之一。
新标准《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915- 2004）对煤粉制备系统含尘废气的排放限值作了严格规定：自2006年7月1日起至2009年12月31日止，现有生产线煤磨排气筒中的颗粒物最高允许排放浓度是 100mg/Nm3 ，自2010年1月1日起，其最高允许排放浓度是50mg/Nm3 。自2005年1月1日起，新建生产线煤磨排气筒中的颗粒物最高允许排放浓度是50mg/Nm3 。为适应新标准，水泥厂煤粉制备系统选用高效脉冲防爆袋除尘器是设计选型的必然趋势。
2 煤粉制备系统含尘废气的特性
在水泥生产线中，煤粉制备系统的粉尘净化处理一般都采用防爆除尘器。水泥厂煤粉制备系统的废气大都具有如下特点：
（1）粉尘浓度高
不管是风扫磨还是立式磨，由于取消了细粉分离器，煤粉制备产生的废气的粉尘浓度均较高，一般为 400～1000g/m3。
（2）挥发份高
尽管无烟煤煅烧技术的研究和开发已取得初步进展，但在水泥、电力、冶金工业生产中大量采用的是高挥发分的烟煤，挥发分一般大于20%，而且多数水泥厂采用的烟煤挥发分含量达25%～30%。
（3）粒度小
煤粉成品的粒度小，粒径小于80μm的占80%。
（4）易结露，有腐蚀性
因煤粉制备采用烘干兼粉磨的工艺技术，煤磨出口废气含有一定的水分，故容易结露，使得该粉尘的剥离性也比干粉尘差。由于原料煤中含有一定量的硫，废气会对设备产生一定的腐蚀。
（5）有燃爆的可能性
煤粉发生自燃及爆炸的三个条件为：
1）煤粉爆炸的下限浓度为20～30g/m3 ，上限浓度为2000～7000g/m3 ，煤粉浓度界于爆炸的上限和下限之间，有爆炸的危险，而且当煤粉的挥发分高于20%时，爆炸的可能性将增加；
2）有足够的氧气；
3）环境达到一定温度或存在火源隐患。在带烘干粉磨的煤粉制备系统中，存在以下几种火源：来自烘干热气流中的火星；长期堆积的煤粉氧化后使局部温度升高而燃烧起火；因系统中的静电积累而引起的火花；机械碰撞火花；其它外部火源。
在煤粉制备中同时具备以上三个条件的可能性是常常存在的，因此有发生燃爆的可能。
3 煤粉制备系统粉尘治理技术的发展与应用
煤磨废气不但是水泥厂的主要污染源，而且还浪费了大量有用的燃料，因此做好煤磨系统除尘有很重要的意义。煤磨废气除尘主要有燃烧法、水膜法、电除尘器、袋除尘器四种技术方法。
3.1 燃烧法除尘
二十世纪八十年代中期前，回转窑生产线煤磨系统大都采用旋风收尘器作为预收尘设备，旋风收尘器的收尘效率一般低于90%，旋风收尘器出口煤粉浓度一般为 25～80g/m3 。燃烧法是将旋风收尘器的出口废气作为一次空气直接送入窑头燃烧，这样虽然能解决问题，但由于诸多因素的制约，除了少数湿法生产线能做到用尽全部废气外，大部分生产线用不完煤磨系统排出的废气，用不完的废气需进行处理，直接排空会造成严重污染。采取燃烧法的前提条件是窑和煤磨要同步运行，停窑期间煤磨排出的废气没法处理。因此，这种方法远远满足不了环保要求，目前已被淘汰。
3.2 水膜法除尘
由于燃烧法存在的不足，有些水泥厂采用水膜法除尘技术来处理煤磨系统排出的废气，这种方法的最大特点是投资省、操作维护简单，但收尘效率低，达不到国家环保排放标准，而且存在含煤废水及煤泥的二次污染。这种方法除一些偏僻小厂外，一般很少使用，目前也已经被淘汰。
3.3 电除尘器除尘
随着电除尘器技术的发展，二十世纪八十年代中期电除尘器技术得到推广应用，与燃烧法除尘和水膜法除尘相比，电除尘器的除尘效果较高，但一般采用两级除尘，即废气进电除尘器之前由细粉分离器进行预收尘，废气进入电除尘器之前的浓度低于70g/m3 。
电除尘器特点如下：
（1）运行阻力低且运行稳定可靠；
（2）粉尘比电阻、粉尘浓度、烟气温度、烟气成分对除尘效率都有影响；
（3）煤磨电除尘器设计排放浓度小于100mg/Nm3 ，由于电除尘器的除尘效率与除尘极板面积呈指数曲线关系，如果要进一步降低排放浓度，必须通过增加电场数量或增加每个电场的极板面积从而大幅度地提高除尘面积来实现，但设备的投资以及运行费用会因此大幅度上升，且除尘效果提高不十分显著；
（4）清灰不彻底，极板和极线易变形，烟气对极板和极线会造成腐蚀，很难保证除尘长期高效；
（5）电除尘器存在发生事故排放的缺陷；
（6）电除尘器的火花放电给系统的防爆带来不利影响。为防CO超标引起爆炸，电除尘器入口需安装CO分析系统。
3.4 袋除尘器除尘
二十世纪八十年代后期，随着袋式除尘技术的不断发展，尤其是新型滤料的研制及应用和清灰技术的发展，国内逐渐开发出了煤磨专用的抗静电、防燃、防爆袋除尘器，使袋除尘器在水泥厂煤粉制备系统粉尘治理中得到了广泛应用。针对煤粉制备工艺系统和含尘废气的特点，科研部门研制出了反吹风型和脉冲喷吹型专用袋除尘器，其中的反吹风型主要为MDC型防爆袋除尘器，脉冲喷吹型为FGM（M）型气箱脉冲防爆袋除尘器、MMC型脉冲喷吹防爆袋除尘器和LPMC型低阻高效防爆袋除尘器。
二十世纪八十年代后期，以MDC为代表的反吹风型煤磨防爆袋除尘器广泛用于水泥厂煤粉制备系统的粉尘治理，并取得了良好的效果，该除尘器有如下特点：
（1）除尘效率高，能实现排放浓度＜100mg/Nm3 ，在过滤风速取低值时，也能实现排放浓度＜50mg/Nm3 ；
（2）采用外滤式反吹清灰，清灰动能较低，过滤风速低，设计过滤风速为0.8～1.0m/min，设备钢耗较高，体积较大；
（3）处理低浓度含尘气体，允许入口含尘浓度＜150g/m3 ，通常需要二级收尘；
（4）采用反吹风清灰，很难彻底清灰，设备设计阻力＜1770Pa，清灰时会引入大量新鲜冷空气，既不利于防结露，又不利于防燃爆。
相比反吹风型防爆袋除尘器，脉冲喷吹防爆袋除尘器具有更好的性能，其特点如下：
（1）采用外滤式，设计过滤风速为1.0～1.2m/min，设备钢耗较低；
（2）可处理浓度低于1000g/m3 的高浓度含尘气体，无论是与立式磨还是与风扫磨配套都只要一级除尘；
（3）采用电磁脉冲阀进行脉冲清灰，清灰动能大，清灰彻底；
（4）选用防油防水抗静电滤料并配置自动防爆卸压装置，阻燃防爆性能好。
为适应排放新标准《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004）的限值要求，新建水泥生产线的设计最好选用脉冲喷吹型防爆袋除尘器。
4 煤磨袋除尘器的选型
根据工艺设计方案和原始参数对袋除尘器进行选型，主要包括以下步骤：袋除尘器类型的确定、处理风量的确定、过滤风速的选取、过滤面积的计算、除尘器规格的选取等。
4.1 袋除尘器类型的确定
上述三种脉冲喷吹型防爆袋除尘器的结构及工作原理如下：
（1）FGM（M）型气箱脉冲防爆袋除尘器
气箱脉冲防爆袋除尘器主要由箱体、袋室、灰斗、进出风口、支柱、爬梯、栏杆、气路系统、提升阀系统、清灰控制器等部分组成。
工作原理：当含尘烟气由进风口进入灰斗以后，一部分较粗尘粒由于惯性碰撞、自然沉降等原因落入灰斗，大部分尘粒随气流上升进入袋室，经滤袋过滤后，尘粒被阻留在滤袋外侧，净化后的烟气由滤袋内部进入箱体，再由阀板孔、出风口排入大气，达到除尘的目的；随着过滤过程的进行，滤袋外侧的积尘逐渐增多，使除尘器的运行阻力逐步增大。当阻力增至预先设定值或者到达设定时间时，清灰控制器发出信号，首先控制提升阀将阀板孔关闭，切断过滤烟气流，停止过滤过程，然后电磁脉冲阀打开，以极短的时间（0.1～ 0.15s）向箱体内喷入压力为0.5～0.7MPa的压缩空气，压缩空气在箱体内迅速膨胀，涌入滤袋内部，使滤袋产生变形、振动，加上逆向气流的作用，袋室外部的粉尘便被清除下来掉入灰斗，清灰完毕之后，提升阀再次打开，除尘器又进入过滤状态。清灰动作均由PLC进行自动控制，清灰控制分定时式和定压式两种。
（2）MMC型脉冲喷吹防爆袋除尘器
MMC脉冲喷吹防爆袋除尘器主要由箱体、袋室、灰斗、进出风口、支柱、爬梯、栏杆、喷吹系统、清灰控制器等部分组成。
工作原理：含尘气体由风管或法兰口进入除尘器，在风道的导向下，部分粉尘在灰斗壁上沉降，微细粉尘则随着气流飞入滤袋室并均匀地分散到各个滤袋表面，粉尘被阻留在滤袋外侧，而穿过滤袋的净化气体经过滤袋口进入到上部净气室，最后通过出口排风机排入大气。积附在滤袋外侧的粉尘，一部分靠自重落入灰斗中，另一部分则继续留在滤袋外表面，并使得设备阻力逐渐升高。为保证设备阻力不超过1500Pa，每隔一定时间需要彻底清灰一次，将积附在滤袋外侧的粉尘清理干净。
在净气室中，每排滤袋的上部都对应着装有一根喷吹管与脉冲阀及压缩空气主管相联，喷吹管上有许多小孔，每个小孔均对应着一条滤袋的中心，在除尘过程中，清灰控制器自动发出命令，控制各个脉冲阀顺序开启，此时高压空气以极快的速度从喷嘴中喷出，并通过文丘里管从周围吸引5～7倍喷出空气量的二次气体与之混合，然后冲进滤袋内，像一个从上到下运动的“脉冲气泡”，使滤袋鼓涨变形，引起一次振幅不大的冲击振动，同时在瞬间产生由里向外的逆向气流，将积附在滤袋外侧的粉尘抖落到灰斗中。清灰动作均由PLC进行自动控制，清灰控制有定时式和定压式两种。
（3）LPMC型低阻高效防爆袋除尘器
LPMC低阻高效防爆袋除尘器主要由箱体、袋室、灰斗、进出风口、支柱、爬梯、栏杆、喷吹系统、清灰控制器等部分组成。
工作原理：含尘气体由入口法兰进入除尘器导流均风室，在均风导流板的导向下，因风道截面扩大、风速降低，部分粉尘在灰斗壁上沉降，微细粉尘则随着气流经过灰斗上端面和侧面的栅格幕墙均匀导入滤袋室，由上而下均匀地分散到各条滤袋表面，粉尘被阻留在滤袋外侧，而穿过滤袋的净化气体经过滤袋上口进入到上部净气室，再汇入出口风道，最后通过出口排风机排入大气。积附在滤袋外侧的粉尘，一部分靠自重落入灰斗中，另一部分继续留在滤袋外表面，并使得设备阻力逐渐升高。为保证设备阻力不超过设定值，每隔一定时间或达到预定阻力时就需要清灰一次，将积附在滤袋外侧的粉尘清除干净。清灰采用淹没式脉冲阀脉冲清灰。除尘器的清灰、卸灰、温度检测及报警均采用PLC自动控制系统进行控制。
4.2 处理风量的确定
煤粉制备系统的主机设备按其通风性质可分为风扫球磨和立式磨，因风扫球磨和立式磨的物料全部用风力输送，故其通风量通常用台时产量计算得出。两种磨机的计算公式基本一致：
处理风量Q=（2000～3500）G，其中，Q的单位为吨，G为磨机台时产量。袋除尘器的处理风量应根据理论计算并结合经验数据选取（按一般生产时所产生的最大废气量选取，且要考虑5%的系统漏风量）。
4.3 过滤风速的选取
过滤风速是袋除尘器的一个重要技术参数。过滤风速的大小直接影响袋除尘器的设备投资、运行费用、使用效果和滤袋的使用寿命等。袋除尘器的过滤风速取决于滤袋材质、处理的含尘气体性质（粉尘颗粒大小、浓度、温度、湿度、易燃易爆性、粉尘粘结特性等）和排放标准的要求等。过滤风速过大，阻力高，排放浓度高，滤袋寿命短；过滤风速过小，除尘器体积大，设备投资高。
袋除尘器过滤风速计算公式为：ω= k×Q/60F
式中：ω— 过滤风速，m/min；
k — 风量波动系数；
Q — 风量，m3 /h； F — 面积，m2 。根据所选滤料的性能、高浓度的废气性质和粉尘排放标准，再结合水泥厂煤粉制备工艺推荐的过滤风速值。对于正常工况可选用抗静电涤纶针刺毡和覆膜抗静电涤纶针刺毡。对于原煤水分较高的工况，建议在设计及订货时尽量选用抗静电防油防水涤纶针刺毡、覆膜抗静电涤纶针刺毡滤料或覆膜抗静电防油防水涤纶针刺毡，如选用550g/m2 的覆膜抗静电涤纶针刺毡滤料和覆膜抗静电防油防水涤纶针刺毡滤料，除尘器的过滤风速定为1.0～1.1m/min比较适宜；如选用550g/m2 的抗静电涤纶针刺毡滤料和抗静电防油防水涤纶针刺毡滤料，除尘器的过滤风速定为0.8～ 1.0m/min比较适宜。
4.4 过滤面积的计算
过滤面积S=Q/（60×ω）。
4.5 除尘器规格的选取
根据过滤面积，对照相应袋除尘器的规格和性能表选择一种规格。3种袋除尘器的主要规格和性能分别见表1、表2、表3。
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4.6 各种规模生产线除尘器的选型
目前国内拟建、在建、新建的水泥生产线多是 2000～5000t/d能力的新型干法生产线。各设计院在设计煤粉制备系统时，采用的生产工艺流程及性能配置有所不同，配置的除尘器型号规格也有所区别，但通常工艺设计选型基本是一致的。具体见表4。
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5 煤磨袋除尘器的应用
5.1 推广应用情况
（1）FGM（M）型气箱脉冲防爆袋除尘器是在 FGM（PPW）气箱脉冲袋除尘器基础上研制开发的。该除尘器自研制以来，在水泥厂、钢厂和电厂进行了推广应用，使用厂家遍布国内外，仅在国内的水泥厂至今已有300余台投入使用，取得了良好的经济、环境和社会效益。该除尘器于1997年通过省级鉴定，于1999年荣获国家建材局科技进步三等奖。
（2）MMC型脉冲喷吹防爆袋除尘器自1999年开始研制，于2003年通过部级鉴定，目前已推广销售了40余台，先后应用于重庆南桐特种水泥有限公司、都江堰拉法基水泥公司和重庆拉法基水泥公司等水泥生产线。
（3）LPMC型低阻高效防爆袋除尘器自研制以来广泛应用于冶金、电力、水泥等行业煤粉制备系统的废气治理，目前已推广销售了近20台，应用于山东铝业公司水泥厂等新老生产线。该除尘器于2006年12月通过部级鉴定，其研制项目获得2007年度建材行业科技进步三等奖。
5.2 部分典型应用业绩
这3种类型除尘器的部分业绩见表5。
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6 结语
（1）煤粉制备系统已由传统的两级除尘改为一级除尘，该系统废气具有粉尘浓度高、挥发分高、粒度小、易结露、有腐蚀性、有燃爆可能性等特点。为适应新标准《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004）的要求，煤磨废气治理必须选用低阻高效防爆袋除尘器。
（2）煤磨废气除尘相继经历了燃烧法除尘、水膜法除尘、电收尘器除尘、袋收尘器除尘四个技术阶段。脉冲喷吹型防爆袋除尘器因具有运行稳定可靠、清灰效果好、能处理高浓度废气、除尘效率高等优点在水泥厂得到了广泛应用。
（3）煤磨袋除尘器的选型主要包括袋除尘器类型的确定、处理风量的确定、过滤风速的选取、过滤面积的计算、除尘器规格的选取等内容。目前，广泛应用的煤磨袋除尘器是脉冲喷吹型，主要有FGM（M）型气箱脉冲防爆袋除尘器、MMC型脉冲喷吹防爆袋除尘器和LPMC型低阻高效防爆袋除尘器3种。
参考文献：
徐宁，陈章水，毛志伟，等.水泥工业环保工程手册[K].北京：中国建材工业出版社，2008.
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