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水泥气力系统投料车间粉尘污染的治理天津大学安大伟郭斌袁凤东摘要针对投料车间粉尘污染的特点，在分析原有的通风除尘系统不能很好的除尘的原因之后，结合气力输送系统重新设计出新的自动化除尘系统。新系统把地下储料罐内的工作环境由正压改为了负压，从而根本上解决了粉尘污染。该系统自动化程度很高，工人只要对控制面板上的按钮进行操作即可。同时在设计的过程中给出了气固两相悬浮流阻力损失的计算。管道风速的确定采用控制点控制风速法。关键词通风除尘负压自动控制阻力风速0引言在石油系统的水泥输送工艺中，气力输送技术得到了广泛的应用。由于水泥属于粉粒状的固体，颗粒直径小，在气力输送过程中很容易产生水泥粉尘，尤其是在气力输送系统的投料车间。由于投料一般是由工人手工操作，在水泥袋的搬运、破袋、投料过程中，都会产生大量的水泥粉尘。过多的水泥粉尘不仅造成了原材料的浪费，污染了环境，而且会给工人的身心健康带来严重的影响。1工程背景1.1原除尘系统该系统于20世纪70年代初设计、施工，并投入使用。现场设有空气压缩机，可以产生高压气体，用于气力输送系统。该系统具有输送距离远、输送量大、系统所需供料设备少等特点，是国内应用最早、最广泛的一种气力除灰方式。系统由供料设备、气源设备和集料设备三大基本功能组分以及通风除尘系统、控制系统等构成。该气力输送系统原设计采用两套子系统，投料车间的通风除尘系统采用上吸式排气罩，排气罩直接安装于投料口的上方2m处，离心式风机安装在室外的屋顶上。该除尘系统直接将所吸收的水泥粉尘排至大气中，而且两台离心式风机的功率均为25KW。1.2粉尘污染状况原通风除尘系统基本上处于报废状态，工人在投料操作中受水泥粉尘污染严重，同时系统产生的粉尘对周围环境造成了很大的污染。近几年经有关环保部门的每年检测，投料车间的粉尘浓度为84mg/m3，超过国家规定的最高容许浓度6mg/m3的13倍，操作室的粉尘浓度为36mg/m3，超过国家规定的最高容许浓度6mg/m3的5倍。投料时整个投料车间内到处弥漫着水泥粉尘，地面上的水泥积尘很多。1.3原有除尘系统瘫痪的原因其原因主要是原来设计的通风除尘系统不合理，本身存在很大的缺陷，同时维护工作做的不好，也是造成污染的一个重要原因。上吸式排气罩虽然可以排走一些粉尘，但是它不是采取措施主动抑止粉尘飞扬的产生，只是被动的将生产过程中飞扬起来的粉尘排走，而且采用上吸式排气罩，使得粉尘在进入排气罩前先通过工人的操作区，这样工人在投料过程中必然受到水泥粉尘的污染，给他们的身心健康造成很大的危害。这种通风设计是不合理的，因而给系统带来了很大的缺陷。原来的气力输送系统的设计中，在地下储料罐上设有卸压管道，用来把储料罐内的输灰结束时剩余的正压排除掉，以便进行下一次的投料。但是由于日常设备维修和管理的不够重视，该卸压管道已经生锈腐蚀，已经不能正常工作了。从而造成地下储料罐在气力输送过程结束时，罐内总是残余输灰过程中的正压。这样当再次往地下储灰罐投料时，一旦打开进料阀，储料罐内的水泥粉尘在罐内剩余正压的作用下，就会喷出储料罐，造成严重的粉尘污染。2新系统的设计2.1新除尘系统的结构a）将原有的机械振打式布袋除尘器改为脉冲式布袋除尘器。一方面由于原有的机械振打式布袋除尘器已经不能使用，另一方面因为脉冲式布袋除尘器与机械振打式除尘器相比，具有除尘效率高、寿命长、维护工作量小等优点，还可利用原有的空气压缩机，不增加工程造价。b）由于除尘车间的生产工艺采用两套系统，一套系统用于正常的生产，另外一套系统为备用，所以，在设计新的除尘系统时，充分考虑到生产的实际要求，本着降低工程造价的原则，将两套除尘子系统的除尘管道并联，两套子系统合用一台除尘器c）充分利用现场的实际条件，采用两级除尘方式。即在脉冲式布袋除尘器前加设一级除尘器（沉降室），使得大部分水泥粉尘在沉降室里沉降，降低了脉冲式布袋除尘器的负荷，提高其寿命，降低运行费用。为了节约成本，利用现场原有的一个水泥罐体作为该沉降室除尘器，使得除尘系统中的绝大部分水泥被截留于该罐体，利用原有的水泥罐输灰管道系统，将截留下的水泥输送到罐车，再次利用。这样既治理粉尘污染，又回收水泥，创造了经济效益。整个系统如图1所示。图1除尘系统结构图2.2系统工作流程和控制系统气力输送现场的工作条件比较恶劣，对通风除尘系统的稳定性要求很高。为了实现对工作流程的安全可靠控制，设计了单片机控制器。cpu采用AT89C2051芯片，输入信号采用光电隔离技术，彻底消除干扰，通过内部定时和逻辑运算控制可控硅无触电开关，最终去控制相关电磁阀动作，确保系统安全可靠运行。在单片机的芯片内，装入控制程序，使得整个工艺流程的操作简便而可靠。具体的工艺流程如图2所示，控制面板如图3所示。在气力输送过程中，保持通风除尘系统的风机一直运转。在上一气力输送过程结束时，先打开除尘系统中通风管道上的除尘阀，让地下储灰罐内的正压经过通风管道而卸除。五秒以后，当储灰罐内为负压时，再打开储灰罐上的进料阀，投料时储灰罐内的水泥粉尘就不会在正压的作用下喷溅出来而造成粉尘污染和进入操作区对工人造成身体上的伤害。解决了投料车间的主要粉尘污染问题。而且使粉尘不会在进入通风系统之前，先经过。从而不会对工人的身体健康产生危害。当地下储灰罐达到一次输料容量时，先关闭进料阀。这样保证在整个投料过程中，进料口处都是处于负压状态。进料阀关闭之后，关闭通风管道上的除尘阀。然后打开连接着高压罐的进气阀，让现场的高压罐内出来的高压气体就进入储灰罐。当气体的压力达到储灰罐上的压力表设定的压力上限时，脉冲阀打开，开始向室外的水泥罐输送水泥。压力下限延时5秒触发系统开始按钮压力上限延时5秒开除尘阀开进料阀关进料阀开脉冲阀开进气阀关除尘阀关进气阀关脉冲阀一定灰量触发开始输灰按钮图2除尘系统工作流程由于气力输送过程的需要，从现场的高压罐向气力输送管道引了几根高压气体管道。在输送过程中，间隔的向输送管道输送高压气体。送气时间为10秒，停气时间为5秒。把送气时间和停气时间写到单片机的程序里面，从而可以根据需要对脉冲阀送、停气时间进行调整，实现了输送过程的自动控制，提高了输送效率。图3系统控制面板图当储灰罐上的压力表到达设定的压力下限时，关闭高压管道上的进气阀。在储灰罐内剩余的正压的作用下，再向水泥罐内输送一些水泥。延迟五秒后，关闭脉冲阀，停止气力输送。此时，储料罐内还是剩余一定压力的正压的，所以此时还不打开进料阀。脉冲阀关闭后，打开除尘阀，储料罐内剩余的正压通过除尘管道而卸除。从而消除了“放炮”现象的形成。储料罐内的正压卸除后，再打开进料阀，开始下一个输灰系统。从而完成一个气力输送系统过程。在整个工作过程中操作人员只需要在气力输送过程开始时按“打开风机”；然后按“系统开始”键，则排气阀自动打开，延时五秒后，进料阀自动打开。此时，工人开始往储料罐打灰，当储料罐满后，按下“输灰开始”键，进料阀自动关闭，之后延排气阀关闭，然后进气阀打开，往储料罐内输送高压气体；当储料罐内的气体压力达到压力表设定的压力上限时，脉冲阀自动打开。开始输送水泥进水泥罐。当储料罐罐内的气体压力达到压力表设定的压力下限时，此时储料罐内的水泥已经基本输送完毕。脉冲阀自动关闭，不再输送水泥。然后关闭进气阀，不再往储料罐内输送高压气体，同时打开排气阀，延时五秒后，等地下储料罐内形成负压，进料阀自动打开。工人可以再次往储料罐内打灰。又开始了下一个工作流程。2.3除尘系统中风速的确定2.3.1含尘气体流的压力损失在计算该除尘系统管道内空气和粉体两相流的压力损失的时候，认为该两相流是悬浮流[1]。在悬浮式输送中，气固两相流的压力损失的确定，按下述原则处理[2]：第一，将两相流中的颗粒群运动，视为一种特殊流体，它在管道中运动和一般流体一样，有摩擦阻力和局部阻力，所引起的附加压力损失，分别服从达西定律及局部损失定律；第二，在确定纯气流压力损失时，忽略物料所占的断面积和容积，按单相气流的压力损失来计算；第三，两相流的压力损失Δpm是气流的各项压力损失Δpa与颗粒群运动附加的各项压力损失Δps之和，即Δpm=Δpa+Δps；第四，两相流的总压力损失，由加速压损、摩擦压损、悬浮提升压损及局部压损所组成。空气和粉尘所消耗的一切能量都是由空气流的压力能量来补偿的，这样就可以根据功能原理来计算各个部分的压力损失。空气的速度与粉体颗粒的速度不同，产生的动能和各种压损也不同，所消耗的各种能量必须分别计算。a）两相流的加速压损ΔPma2212samamaavvpvμρ⎡⎤⎛⎞⎢⎥Δ=+⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦（1）式中A----管道截面积，m2；av----管内空气流速，m2/s；sv----管内颗粒群流速，m2/s；aρ-----空气密度，Kg/m3；mμ----混合比，mmsmqqaμ=；b）两相流的摩擦压损ΔPmf[3]()212amfmaavlpkDμλρΔ=+（2）式中D----管道内径，m；l----管道长度，m；aλ----空气阻力系数，Pa/m；k----称为沿程阻力的附加系数，取ssaavkvλλ=；c）悬浮提升压损stpΔastmaGsvpgvμρΔ=fL（3）式中Gf----重力阻力系数，取sinnsGavvfvθ+=；（θ为管道倾斜角）nv----颗粒群悬浮速度，m2/s；d）两相流的局部压损ΔPmξz吸入口的局部压损Δpξg在通风系统吸入口除气体和粉尘速度均不稳定，但二者差别不大()212agmgavpξμξρΔ=+（4）式中ξg——纯气流时吸入口的局部阻力系数。z弯头的局部压损Δpξb它取决于粉尘性质、气流速度、弯头在空间的方位以及弯曲角和曲率半径。一般按下式确定：()212abmbbavpkξμξρΔ=+（5）式中ξb——纯气流时弯头的局部阻力系数；kb——弯头局部阻力的附加系数；z除尘器压损Δpξx在除尘器内的粉尘粒子靠惯性运动，无需消耗压力能，而只有空气继续靠压力能沿给定路线流动`。所以只考虑气流通过的压损，即22xxxavpξξρΔ=（6）式中ξx——除尘器的阻力系数；vx——除尘器的进口风速。至此，可以得出通风除尘系统的总压力损失ΔpmmgmamfstbxpppppppξξΔ=Δ+Δ+Δ+Δ+Δ+ΣΔξ（7）2.3.2除尘管道风速的确定通风管道采用φ168×8的钢管，从地下储料罐引至现场的沉降罐，现场的沉降罐为高10m，直径为4m的水泥罐。为了使地下储料罐进料口处所产生的粉尘不向四周扩散，同时使进料口周围的粉尘在负压的作用下随周围的空气流向储料罐，取进料口处的控制风速为0.5m/s。按照这个控制风速，得到除尘管道内的风速为22.6m/s。内径150mm的钢管，其沿程阻力与管内风速的关系，经试验，得到如图4的曲线关系。从图4可得，当风速为22.6m/s时，管道的沿程阻力为45pa/m。由沿程阻力、管道风速，根据上述的公式，可以得出系统的压力损失即风机需提供的风压为5331pa，风量为1656m3/h。在满足风压、风量的条件下，选择9-26-5A型风机，转速为2900r/min，功率为12.9KW，脉冲袋式除尘器选择MC60-Ⅱ型。3改造后的运行情况改造后的通风除尘系统，经过两个月的运行，除尘效果非常好。在投料过程中也没有发生粉尘飞扬现象。投料车间的粉尘污染问题已经得到解决，投料车间的粉尘浓度也在允许的05010015020025030035040045019.428.33032.339.544.347.551.556.759.966.671.4流速（m/s）比摩阻（Pa/m）图4流速与比摩阻的关系曲线最高浓度之下（6mg/m3）。经过沉降除尘的气体从沉降罐出来后，进入脉冲袋滤式除尘器，再次经过净化除尘后，达到国家规定的空气排放卫生标准，排入大气。从而对周围的环境不造成粉尘污染。整个系统的改造得到了该物资转运库公司的高度认可和赞扬。参考文献[1]原永涛,蒋学典,孙宝森等,火力发电厂气力除灰技术及其应用,北京:中国电力出版社,2002.