袋式除塵器機械自動循環(huán)清灰控制器在水泥行業(yè)的應(yīng)用

高連勇，徐 帥，王 念，梁 健

1棗莊職業(yè)學(xué)院 山東棗莊 277800

2中檢集團公信安全科技有限公司 山東棗莊 277100

我 國是水泥生產(chǎn)與消費大國，水泥行業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，得到了長足的發(fā)展。據(jù)百年建筑網(wǎng)統(tǒng)計，2018 年全國水泥產(chǎn)量達到 21.77 億t，水泥產(chǎn)量已占世界水泥產(chǎn)量的 55.95%，全國熟料產(chǎn)量 14 億 t，全國水泥熟料生產(chǎn)線約 1 593 個[1]。水泥工業(yè)在支撐國民經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，也帶來了嚴重的環(huán)境污染。我國水泥行業(yè)的 PM、SO2、NOx 排放量居高不下，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力。為貫徹落實國務(wù)院《大氣污染防治行動計劃》，“倒逼”產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，環(huán)境保護部會同國家質(zhì)檢總局 2013 年重點修訂與完善 GB 4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 30485—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》及 HJ 662—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護技術(shù)規(guī)范》3 項標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過多年的轉(zhuǎn)型發(fā)展，水泥行業(yè)在淘汰落后產(chǎn)能、污染物治理和余熱發(fā)電等方面都取得了不俗的成績，但是水泥行業(yè)仍然是高消耗、高排放行業(yè)。

1 水泥行業(yè)除塵設(shè)備現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，目前水泥窯用的除塵設(shè)備 80% 以上為電除塵器，其余為其他類型的除塵設(shè)備。電除塵器作為高效除塵器，其排放標(biāo)準(zhǔn)為 50～100 mg/Nm3[2]。隨著 GB 4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的實施，對水泥生產(chǎn)環(huán)保提出了非常嚴格的要求。GB 4915—2013 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)為 20 mg/Nm3，目前運行的電除塵設(shè)備無法滿足這樣高標(biāo)準(zhǔn)的排放要求，因此對原有電除塵設(shè)備改造勢在必行。由于電除塵器本身的除塵機理和水泥生產(chǎn)工藝特點，僅對原有電除塵器進行簡單的改造是不行的。電除塵器改造中主要存在以下問題[3]。

(1)原有的電除塵器是按照排放標(biāo)準(zhǔn)為 50、100、150 mg/Nm3設(shè)計選型的，要滿足新標(biāo)準(zhǔn)，最致命的缺點是其容量不足。如果通過增加電場進行擴容，又受空間場地制約。

(2)通過余熱發(fā)電降溫后的氣體，如果不進行調(diào)質(zhì)處理，比電阻將超出合理區(qū)間，電除塵器無法滿足低排放要求。

(3)新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了環(huán)保設(shè)備與主機設(shè)備同步運行率為 100%，而電除塵器無法避免因 CO 濃度超標(biāo)自動切斷高壓電源而造成事故排放，電除塵器此時僅作為具有沉降作用的煙氣通道，粉塵將對空排放，這種情況是新標(biāo)準(zhǔn)絕對不允許的。

袋式收塵器從除塵機理上克服了電除塵的不足，完全可以避免事故排放，且袋式除塵器對工業(yè)粉塵過濾效率能夠達到 97% 以上，并已有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，在不同行業(yè)中得到廣泛的推廣應(yīng)用[4]。環(huán)境保護部第 31 號公告 (2013)《水泥工業(yè)污染防治技術(shù)政策》第 15 條要求水泥窯頭、窯尾氣體降溫調(diào)質(zhì)后輸送至袋式除塵器、靜電除塵器或電袋復(fù)合除塵器處理，其他通風(fēng)生產(chǎn)設(shè)備和揚塵點采用袋式除塵器。隨著袋式除塵過濾技術(shù)、清灰技術(shù)均取得了長足進步，濾料壽命大大延長，運行成本大大降低，完全可以滿足新標(biāo)準(zhǔn)的排放要求。水泥行業(yè)電除塵改造為袋式除塵器是目前為滿足新標(biāo)準(zhǔn)而做出的必要選擇，也是可行的選擇，因此有專家提出“水泥行業(yè)除塵電改袋改造刻不容緩”[5]。

2 技術(shù)優(yōu)勢與存在問題

目前，水泥行業(yè)主要有以下幾種袋式除塵器。

(1)標(biāo)準(zhǔn)型脈沖袋式除塵器[6]主機一般均為單室結(jié)構(gòu)，即 1 個除塵室內(nèi)排列安裝濾袋，濾袋由濾袋框支撐，濾袋采用外濾形式過濾含塵氣體，配有壓縮空氣輔助設(shè)備，使用脈沖閥反吹清灰。該設(shè)備存在以下問題：①除塵室內(nèi)分排脈沖反吹清灰，濾袋反吹清灰后的粉塵會部分直接吸附到其他濾袋上，使清灰效果降低，縮短除塵器的清灰周期；② 濾袋框的阻擋會減少濾袋過濾面積；③需要專用的壓縮空氣設(shè)備，增加了設(shè)備投資成本；④ 反吹風(fēng)過大會破壞濾袋底層粉塵膜，降低了除塵效率，影響濾袋壽命；⑤ 單室結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要停機檢修；⑥ 外濾式濾袋使除塵室內(nèi)檢修或更換濾袋條件惡劣，影響操作人員的身體健康。

(2)機械振打清灰袋式除塵器[7]一般為分室結(jié)構(gòu)，濾袋進行無框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用內(nèi)濾形式過濾粉塵，濾袋上下拉緊，清灰通過濾袋上下張緊與松弛拉拽動作或橫向擺動清灰，其優(yōu)點是不需要配制清灰氣源，機械傳動運行可靠。該設(shè)備存在以下問題：①采用拉拽結(jié)構(gòu)清灰時，濾袋拉拽幅度大，形成的過度清灰會破壞濾袋底層粉塵膜，影響濾袋每次清灰后初始過濾除塵效率，并且影響濾袋的使用壽命；② 采用橫向擺動清灰時，振打結(jié)構(gòu)工作零件直接接觸濾袋，造成局部接觸磨損使濾袋壽命縮短；③分室清灰控制配套的排風(fēng)管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了制造成本。

(3)反吹風(fēng)清灰袋式除塵器[8]一般為分室結(jié)構(gòu)，采用除塵器自身氣源進行反方向吹風(fēng)。濾袋分為框架或無框架結(jié)構(gòu) 2 種形式，一般為內(nèi)濾形式濾袋過濾粉塵。其工作原理為：含塵氣體過濾時，濾袋內(nèi)壁承受正壓，粉塵滯留在濾袋內(nèi)壁上。清灰時，通過閥門改變通風(fēng)管道流向，利用過濾后的氣體反方向吹入過濾風(fēng)室，使濾袋壓縮變形從而實現(xiàn)清灰。其優(yōu)點是不需要配制清灰氣源，反方向吹風(fēng)不過度清灰，能夠保護濾袋底層粉塵膜，不影響濾袋除塵效率，濾袋磨損小。該設(shè)備存在以下問題：①主機需要增加靜壓室結(jié)構(gòu)，增加了制造與密封難度；② 分室清灰控制配套的排風(fēng)管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了制造成本。

綜合分析目前水泥行業(yè)使用的袋式除塵器，主要在于其清灰系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、維修麻煩、設(shè)備投入成本高等問題。因此，解決袋式除塵器清灰系統(tǒng)存在的問題是袋式除塵器推廣應(yīng)用的關(guān)鍵[9]。

3 袋式除塵器清灰系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)環(huán)境保護部第 31 號公告 (2013)《水泥工業(yè)污染防治技術(shù)政策》第 16 條“除塵器采取單元濾室設(shè)計，應(yīng)具備發(fā)現(xiàn)故障或破袋時及時在線修復(fù)的功能”的要求，以及環(huán)保設(shè)備與主機設(shè)備同步運行率為100% 的規(guī)定，設(shè)計方案應(yīng)該滿足以下條件：

(1)袋式除塵器主機必須采取單元濾室設(shè)計，以保證除塵器發(fā)生故障時可以不停機進行維修保養(yǎng)；

(2)濾袋應(yīng)該避免過度張緊，防止濾袋嚴重受力，影響濾袋使用壽命；

(3)避免出現(xiàn)過度清灰現(xiàn)象，清灰后能夠保留濾袋底層粉塵，保證過濾除塵效果；

(4)單元濾室輪流開閉裝置結(jié)構(gòu)簡單，運行安全可靠，制造成本低；

(5)不需要配備輔助清灰氣源，減少企業(yè)環(huán)保設(shè)備投入。

根據(jù)以上設(shè)計方案應(yīng)該滿足的技術(shù)條件，袋式除塵器清灰系統(tǒng)如圖 1 所示。

圖1 袋式除塵器清灰系統(tǒng)Fig.1 Cleaning system of bag dust collector

4 工作原理

機械自動循環(huán)清灰控制器如圖 2 所示，由控制器殼、梅花形總出風(fēng)口板、扇形風(fēng)門板、驅(qū)動減速器、觸動開關(guān)、振動電動機、濾袋吊架、濾袋及彈性元件組成。

圖2 機械自動循環(huán)清灰控制器Fig.2 Mechanical automatic circulating cleaning controller

控制器的總出風(fēng)口板焊接在控制器殼底部，驅(qū)動減速器安裝在總出風(fēng)口板中心，其軸端安裝扇形風(fēng)門板并重疊緊貼在總出風(fēng)口板下面，分別在總出風(fēng)口板風(fēng)口之間的鋼板上安裝觸動開關(guān)；扇形風(fēng)門板的扇形角度大于風(fēng)口占有的扇形角度，其上面制作弧形槽，圓弧半徑R對應(yīng)觸動開關(guān)的安裝位置；弧形槽長度對應(yīng)該處風(fēng)口圓弧長度，弧形槽深度以不能觸動開關(guān)，使振動電動機的電路處于斷開狀態(tài)為宜。驅(qū)動減速器旋轉(zhuǎn)帶動扇形風(fēng)門板轉(zhuǎn)動，輪流關(guān)閉總出風(fēng)口板上單元濾室出風(fēng)口。在單元濾室出風(fēng)口關(guān)閉過程中，觸動開關(guān)卡裝在弧形槽內(nèi)不承受壓力，振動電動機的電路不接通電源；當(dāng)單元濾室出風(fēng)口全部關(guān)閉后，弧形槽結(jié)束，扇形風(fēng)門板的平面壓迫觸點開關(guān)，振動電動機的電路接通，振動電動機工作，產(chǎn)生的震動力帶動濾袋吊架震動，使濾袋吊架上倒掛的濾袋實現(xiàn)抖動清灰。安裝機械自動循環(huán)清灰控制器的袋式除塵器，由于為了保護濾袋，防止濾袋清灰時承受沖擊拉力，影響濾袋使用壽命，一般濾袋安裝后調(diào)整為自然下垂?fàn)顟B(tài)，除塵過濾時濾袋依靠風(fēng)壓自然膨脹進行內(nèi)濾除塵。所以清灰控制可以采用以下 2 種形式：

(1)機械自動循環(huán)清灰控制器分別接通驅(qū)動減速器與振動電動機的電源，利用扇形風(fēng)門板旋轉(zhuǎn)輪流開關(guān)單元濾室出風(fēng)口并壓迫觸點開關(guān)，控制單元濾室振動電動機工作，使單元濾室中的濾袋抖動清灰。

(2)機械自動循環(huán)清灰控制器只接通驅(qū)動減速器的電源，扇形風(fēng)門板旋轉(zhuǎn)輪流開關(guān)單元濾室出風(fēng)口，利用積塵濾袋重力使濾袋自然下垂讓濾袋癟閉，使濾袋內(nèi)壁粉塵層破拱脫落，實現(xiàn)自然重力清灰，更加有利于保護濾袋內(nèi)壁的初始粉塵膜。

以上 2 種清灰形式可以輪番配合使用，既可以保證過濾效果，也可以防止濾袋受損，延長了濾袋使用壽命。在總出風(fēng)口板的上平面使用扇形風(fēng)口板，分別蓋堵單元濾室出風(fēng)口，即可方便關(guān)閉單元濾室，對關(guān)閉的單元濾室進行檢修并更換濾袋。

5 實際應(yīng)用

機械自動循環(huán)清灰機構(gòu)的袋式除塵器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由機械自動循環(huán)清灰控制器、振動電動機、濾袋震動架、單元濾室組、濾袋、花盤、集灰斗和排灰絞龍組成。除塵器一般設(shè)計成 4 個單元濾室為 1 組，將 4 個單元濾室的總出風(fēng)口設(shè)計在除塵器頂部的中心位置，單元濾室出風(fēng)口在總出風(fēng)口中呈梅花形布局，機械自動循環(huán)濾室風(fēng)門控制器安裝在總出風(fēng)口上?；ūP安裝在濾室組與集灰斗之間。單元濾室上部安裝濾袋吊架，采用彈性元件柔性連接。濾袋采用倒掛方式，濾袋口朝下，安裝在花盤上的濾袋固定圈上。集灰斗底部安裝排灰絞龍。除塵器采用下部側(cè)進風(fēng)結(jié)構(gòu)，含塵氣體進入濾袋需要改變方向，大顆粒粉塵就會脫離氣流沉降進入集灰斗，細小顆粒粉塵進入濾袋過濾，在濾袋內(nèi)壁上結(jié)拱成膜，粉塵層逐漸增厚，然后由清灰機構(gòu)清灰，粉塵落入集灰斗內(nèi)，由排灰絞龍推出除塵器。

圖3 袋式除塵器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of bag dust collector

6 結(jié)語

在袋式除塵器上采用機械自動循環(huán)清灰控制器，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，制造成本明顯降低，且不需要配備專用清灰氣源，能夠降低水泥行業(yè)配備除塵設(shè)備的投資成本。且利用集中控制方式，可以實現(xiàn)多單元濾室組積木式組合應(yīng)用，適用于新產(chǎn)品開發(fā)及現(xiàn)有袋式除塵器的技術(shù)改造，具有一定的推廣應(yīng)用價值。