干法水泥生产线窑尾除尘系统的应用

１新型干法水泥生产线窑尾系统除尘——电收尘器的应用河南中材环保有限公司一、概述水泥工业是污染环境最为严重的工业部门之一，而污染物主要是粉尘。水泥厂最大的粉尘污染源是回转窑生产系统，包括窑的喂料、锻烧和熟料冷却等。新型干法水泥生产线均将窑尾烟气用来烘干原料，并与窑尾共用一台收尘器。因而，窑尾系统的粉尘排放量占到整个生产线的二分之一，是水泥厂的环保控制重点。电收尘器由于其效率高、阻力小、能耗低、耐温高和维护费用少等特点，是窑尾除尘系统优选的除尘设备。根据国家产业政策和十五期间水泥工业发展规划，淘汰落后的小立窑、建设新型干法回转窑已成为水泥工业的发展方向。以海螺集团为龙头的一大批水泥企业集团抓住机遇，新上了一大批新型干法生产线，带动了整个行业的进步与发展。这些生产线的特点是：单线产量越来越大，建设周期越来越短，投资效益越来越高。然而，由于窑尾系统工艺流程的多样性和对电收尘器的除尘机理不清，有些生产线在投产后其环境效益没有达到预期目标，给生产和环境带来了不良影响。因而在研究新型干法水泥生产技术时，如何确保环保效益达标，是重要课题之一。本文将从电收尘器的除尘机理入手，通过对窑尾工艺系统的分析，提出一些看法，供各位同行专家及用户参考。二、电收尘器的工作原理及影响因素众所周知，电收尘器是利用高压静电来进行气、尘分离的。电场内设计有线状的放电极（阴极）和板状的收尘极（阳极），当在电极间加上直流高压后，由于放电极和收尘极的型式不同，使电极间产生一个不均匀电场。当施加的直流电压达到一定数值时，放电极周围局部区域的电场强度足以使气体电离，生成电子和正、负离子。其中正离子很快到达放电极中和，而大量的电子和负离子在电场力的作用下向收尘极方向运动，这就是电晕放电和电晕电流。当含尘气体通过电极间的通道时，电晕电流中的电子和负离子（正离子由于其作用区域很小，绝大部分粉尘靠电子和负离子吸附）就会吸附到粉尘上，使粉尘荷电。荷电的粉尘在电场力的作用下向收尘极运动，最后沉积在收尘极板上并将电荷释放出来。当粉尘沉积到一定厚度时，通过振打装置将粉尘清入灰斗排出，完成了分离过程（见图1）。图1电收尘器的除尘过程２电收尘器的除尘过程可表示为：①放电→②荷电→③运动→④沉积、释放→⑤清灰正是由于电收尘器的这一工作原理，其除尘效率虽与电场的结构型式、供电装置的特性等有关，但与烟气和粉尘的性质关系更大。如烟气和粉尘的成份、温度、湿度、浓度、粒度和比电阻等。其中粉尘的比电阻对除尘效率的影响最为突出。大量的实验和实践证明，当粉尘的比电阻在104-1011Ω-cm之间时，电收尘器才有很好的除尘效率。比电阻低于104Ω-cm的粉尘称为低比电阻粉尘。当这种粉尘到达收尘极表面后，会很快释放电荷，并获得收尘极的正电荷，从而与收尘极相互排斥而重返气流。当再次荷电到达收尘极后又重复以上过程，形成粉尘在收尘极上的跳跃现象，最后可能随气流带出收尘器，使除尘效率下降（见图2）。图2低比电阻粉尘的跳跃现象比电阻高于1011Ω-cm的粉尘称为高比电阻粉尘。这种粉尘到达收尘极表面后，释放电荷很慢，当粉尘不断积厚时，粉尘层的电荷与收尘极间产生一个强电场，这一电场不但减弱了电极间的电场强度，排斥其它粉尘继续向收尘极运动，还会在粉尘层的孔隙间发生局部击穿，产生大量的正离子与电场内的负离子中和。其结果是，电晕电流增大，电压降低，电场内闪络频繁，粉尘的二次飞扬严重。这就是所谓的反电晕现象，导致电能消耗增加，除尘性能恶化甚至无法工作（见图3）。图3高比电阻粉尘的反电晕现象显然，要使电收尘器具有良好的除尘效率，必须注意粉尘的比电阻。当比电阻不在适合的范围内时，应进行调节，这种调节在水泥行业称为烟气的调质处理。３露点50℃三、烟气的调质处理新型干法水泥生产线的窑尾烟气，由于其湿度小、温度高，粉尘的比电阻往往高于1011Ω-cm，对于应用电收尘器作为窑尾除尘设备来说，调质处理的主要目的就是降低粉尘比电阻。我国有些干法水泥厂的窑尾电收尘器，长期以来除尘效果不好，都是由于烟气未进行调质处理或处理不好所致，所以对烟气进行调质处理是保证电收尘器稳定高效运行的重要条件。降低粉尘比电阻的方法很多，如向烟气中掺入导电性能好的物质或通入某种能降低粉尘比电阻的气体。但这些方法应用于工业不但经济上不合理，而且技术也很复杂。而水泥厂对烟气的调质措施，是根据粉尘的比电阻随温度和湿度（湿度常用露点表示）的变化而变化的性质（见图4），通过调节烟气的湿度和温度将粉尘的比电阻降低到要求的范围。由图4我们可以看出，粉尘的比电阻与温度的关系曲线呈抛物线，且比电阻有一个峰值。当温度低于峰值时，电传导主要发生在颗粒表面，我们称表面比电阻。当温度高于峰值时，电传导主要发生在颗粒内部，我们称体积比电阻。体积比电阻与湿度的关系不大，而表面比电阻与湿度的关系很大。新型干法水泥生产线窑尾的烟气温度一般在320-350℃左右，从图中可以看出，当温度超过400℃时，粉尘的体积比电阻才可能降到1011Ω-cm以下，显然这一段我们是不会去利用的。当温度低于200℃时，粉尘的表面比电阻随温度的下降和露点温度的上升而下降。如当烟气露点温度为50℃时，只要将烟气温度降到150℃，则粉尘的比电阻就可降到1011Ω-cm以下，这是我们用来进行调整的区段。在这一区段，必须兼顾到温度和露点温度两个条件，单纯的烟气温度和露点温度都不能保证达到所需的调质要求。100200300400气体温度气→℃图4粉尘比电阻与温度和湿度的关系现在的新型干法水泥生产线窑尾都配有增湿塔，其作用就是对窑尾烟气进行增湿降温，以保证电收尘器的高效运行，所以增湿塔是窑尾除尘系统的重要组成部分，它的工作好坏直接影响除尘效果的好坏。增湿塔的工作原理是向烟气中喷入水滴直径很细的雾化水，这些水滴在高温烟气中迅速气化蒸发，吸收大量的热量使烟气温度降低，并使烟气和粉尘的湿度增加，达到增湿降温的目的。计算和实践结果表明，窑尾排出的高温烟气，需增湿至露点温度50℃以上，温度降至150℃以下，粉尘的比电阻才能降到1011Ω-cm以下，这就是用户在选购电收尘器时所提供的烟气参数值的来历。我们在对电收尘器进行规格选择时，也非常重视这一参数，尤其是联合操作时的参数。101363101263101163101063109比电阻→Ω–cm４因为电收尘器规格的大小除了与烟气量、粉尘浓度和排放要求有关外，另一个重要因素就是粉尘的比电阻值。对于干法水泥生产窑尾来说，反映的就是烟气的温度和露点温度值。因为只有当烟气的温度和露点温度在这个范围内时，电收尘器的规格才可以确定并选得合理。反之，规格可能要成倍的加大也不一定能解决问题。秦皇岛日本浅野水泥公司一条4000t/d的生产线，其提供的窑尾烟气在联合操作时的参数为：露点温度55-60℃，温度109℃，鲁奇公司选择了一台145m2的三电场电收尘器（285t）。这在我们国内是不可想象的，因为我国的一条2000t/d的生产线窑尾一般都要配备120-158m2的三电场电收尘器（290-400t），可见这一参数对电收尘器的规格影响非常显著[注1]。为了充分利用热源，现在的新型干法生产线都将窑尾烟气用于原料（或其它物料）的烘干，并与窑尾共用一台电收尘器。这就要求电收尘器不但在原料磨停用时（直接操作）要达到规定的除尘效率，当原料磨开时（联合操作）也要达到规定的除尘效率。对电收尘器来说就是所谓的转换操作，此时仅有以上的参数是不够的。计算和实践证明，在联合操作时，当烘干物料后的烟气露点达到47℃以上，温度降到130℃以下时，粉尘的比电阻就可降到1011Ω-cm以下。这就是为什么用户在为新型干法生产线选择窑尾电收尘器时，要分别提供直接操作和联合操作两个烟气参数的原因，否则同样很难对电收尘器进行合理的选择。最近有些用户在招标窑尾电收尘器时，不分别提供这两种参数，有的不提供露点温度，有的甚至提出在烟气温度100-200℃时，电收尘器也要保证收尘效率的要求。从上面的分析我们可以看出，如真按这些条件选择电收尘器的规格，则会让用户难以接受。有些供货厂家也不看这些参数，只是简单的按烟气量或生产线的规模来选择电收尘器，这不但对用户不负责，也对自己不负责。况且就是联合操作，由于采用的工艺系统布置不同，选用的原料磨不一样，原料在烘干前的含水率不一样等，对电收尘器的工作也会造成不同的影响。所以在工艺设计中要考虑电收尘器的要求，在生产过程中要达到并保持正常的烟气参数，供货厂家在选择电收尘器时要了解工艺参数，只有这样才能使电收尘器长期、稳定、高效的运行，才能使建成的生产线做到生产和环保双达标。四、电收尘器规格大小的影响因素目前电收尘器的规格选择仍采用多依奇（W.Deutsch）的除尘效率公式：式中：η——总收尘效率%e——自然对数的底ln——自然对数（此段取消）ω——驱进速度cm/sf——比收尘面积m2/m3s-1式中：A——总收尘面积[注2]m2Q——烟气量m3/s将（2）式代入（1）式并转换得：)1(100)100.1(fe)2(QAf)3(100)1(lnQA５从（3）式中可以看出，在烟气量和除尘效率不变的情况下，电收尘器的总收尘面积A与驱进速度ω成反比关系。ω是一个多因素影响因子，它与烟气和粉尘的成份、状态及性质、与收尘器的结构等许多因素有关，在选择电收尘器的规格大小时，如何正确的选择ω值就显得非常重要。对于新型干法水泥生产线窑尾除尘系统来说，其烟气和粉尘的成份并没有很大的差别[注3]，可作为一个固定因素。对于鲁奇型电收尘器的标准结构来说，ω可以描述成与烟气温度和湿度的函数关系，这一关系是鲁奇公司通过上千例的应用实践不断统计和修正得出的，具有非常高的准确度。在联合操作时，这一关系说明了ω值随烟气温度的降低和湿度的增加而增加。也就是说，只有ω值取得大，电收尘器的规格才能小。同时，在联合操作时，烟气温度最大为130℃和露点温度最低为47℃的一组值是极限值，超过这一极限值时，电收尘器的工作极不稳定，这是所有窑尾除尘系统操作中必须注意的。五、窑尾工艺系统及对除尘效果的影响新型干法水泥生产线都将窑尾烟气用于原料烘干，所谓的窑尾工艺系统实际上包括了原料粉磨烘干。由于原料磨的种类很多，工艺系统的布置也各有不同，但从对除尘系统的影响来看，可以简分为立磨和管磨两大类。现举一些典型实例进行说明。1）窑尾不进行预热利用的除尘系统（见图5、图6）。之所以介绍这一系统，是因为它等同于窑尾工艺系统工作在直接操作状态。在直接操作状态下，进电收尘器的烟气和粉尘都是从窑尾预热器出来的，其粉尘的粒径很细，大部分在20μ以下，小于5μ的占有较大的比例。图5与图6的区别是高温风机的布置方式不一样，图5中的高温风机布置在增湿塔后面，我们称为负压式（对增湿塔而言），图6则为正压式。这两种布置方式除经济性外，对除尘效果没有区别，重要的是增湿塔的操作。一般从预热器出来的烟气温度为350℃左右，通过增湿塔的增湿降温作用[注4]必须将烟气温度降到150℃以下，露点温度50℃以上，电收尘器才有良好的性能。理论和实践证明，温度降得越低，则除尘效率越高。但温度降得太低一则增加耗水量，同时也易造成增湿塔的湿底，加上粉尘的粘性增大对清灰和输灰不利，所以一般控制增湿塔的出口温度在120-130℃之间，此时各方面的工作性能最佳。图5负压式图6正压式６目前，这一系统的电收尘应用在技术上已很成熟，操作也较简单。需要注意的是，当发现电收尘器的电压电流不正常，烟囱排放超标时，首先应检查增湿塔的工作状况，因为增湿塔的工作状况对电收尘器的工作影响很大。当增湿塔的出口烟气温度高于150℃时，收尘效率会明显恶化。2）窑尾＋立磨的除尘系统由于立磨具有电耗低、占地少，流程简单和操作灵活等特点，广泛被水泥工业采用。图7为带旋风收尘器的立磨系统，这是典型的窑尾及原料立磨粉磨工艺。从窑尾预热器出来的烟气先通过增湿塔和高温风机，然后分两路，一路直接进电收尘器，另一路通过立式磨、旋风收尘器和循环风机再到电收尘器。两路烟气通过一个汇风箱汇合后进电收尘器。图7带旋风收尘器的立磨系统图8为不带旋风收尘器的