水泥廠輔機(jī)除塵系統(tǒng)的優(yōu)化

任 鵬

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400

水泥廠輔機(jī)除塵系統(tǒng)的優(yōu)化

任 鵬

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400

水泥廠輔機(jī)除塵系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)期效果時(shí)，往往歸咎于除塵器本身性能的優(yōu)劣，而很少研究和檢查除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理和正確。為了使除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確合理，對(duì)需要處理的風(fēng)量、吸風(fēng)罩或與塵源設(shè)備連接的管道的結(jié)構(gòu)，以及風(fēng)管的規(guī)格和走向的確定，都要做到有理有據(jù)。

輔機(jī)除塵 吸風(fēng)罩 捕捉速度 集中除塵 分散除塵

0 引言

水泥廠的輔機(jī)是指除回轉(zhuǎn)窯、熟料冷卻機(jī)和磨機(jī)等主機(jī)以外的其他輔助工藝生產(chǎn)設(shè)備。水泥廠的主機(jī)和輔機(jī)，在生產(chǎn)過(guò)程中，特別是干法生產(chǎn)的水泥工廠，都不免會(huì)產(chǎn)生大量的含塵氣體。為了防止含塵氣體污染環(huán)境，和危害工作人員的身體健康，不論是主機(jī)還是輔機(jī)都要求在負(fù)壓下操作，且排出的含塵氣體都需經(jīng)除塵器凈化后排入大氣。

一條完整的預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線大小除塵設(shè)備約有40～50臺(tái)，其中主機(jī)的除塵設(shè)備只占4～5臺(tái)，而輔機(jī)的除塵設(shè)備占絕大多數(shù)。主機(jī)的除塵設(shè)備雖然只占少數(shù)，但是主機(jī)的除塵有處理風(fēng)量大、含塵濃度高和溫度較高等特點(diǎn)，備受重視。有關(guān)主機(jī)的除塵技術(shù)，許多期刊和專著都有大量的論述，所以本文僅就輔機(jī)除塵有關(guān)問(wèn)題加以討論。

水泥廠輔機(jī)的粉塵點(diǎn)很多，包括原料和燃料的卸料、原料的破碎和篩分、原料的儲(chǔ)庫(kù)、磨機(jī)的喂料和卸料、生料粉的均化和儲(chǔ)庫(kù)、煤的破碎和儲(chǔ)存、熟料和石膏的破碎儲(chǔ)存和卸料、水泥的儲(chǔ)存和運(yùn)輸以及水泥包裝和發(fā)運(yùn)等。雖然輔機(jī)處理風(fēng)量和含塵濃度較低，而且處理氣體多為常溫，相對(duì)于主機(jī)的除塵來(lái)說(shuō)比較有利，但是由于塵源點(diǎn)多，也比較分散，而且排放出的粉塵直接危害工人的身體健康，所以也要引起足夠的重視。

輔機(jī)除塵系統(tǒng)一般由吸風(fēng)罩、風(fēng)管、除塵器、風(fēng)機(jī)和煙囪等所組成。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的吸力，將含塵氣體吸入吸塵罩，經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入除塵器凈化后通過(guò)煙囪排入大氣。常見(jiàn)的除塵系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 水泥廠輔機(jī)常見(jiàn)的除塵系統(tǒng)

當(dāng)輔機(jī)除塵系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)期效果時(shí)，往往歸咎于除塵器本身性能的優(yōu)劣，而很少研究和檢查除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理和正確。由于忽視這些問(wèn)題，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)下列情況：

（1）管道頻繁出現(xiàn)積灰堵塞；

（2）吸風(fēng)罩的吸風(fēng)點(diǎn)不合適；

（3）吸風(fēng)點(diǎn)往外噴灰；

（4）作業(yè)區(qū)粉塵彌漫；

（5）作業(yè)區(qū)地面有粉塵沉積；

（6）清灰效果不佳；

（7）煙囪粉塵排放超標(biāo)；

（8）長(zhǎng)期出現(xiàn)故障而且故障重復(fù)出現(xiàn)。

為了使除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確合理，對(duì)需要處理的風(fēng)量、吸風(fēng)罩或與塵源設(shè)備連接的管道的結(jié)構(gòu)，以及風(fēng)管的規(guī)格和走向的確定，都要做到有理有據(jù)。為此，本文就輔機(jī)除塵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

1 含塵氣體量的確定

為了捕集塵源點(diǎn)的揚(yáng)塵，首先要確定抽吸的風(fēng)量，如果抽吸風(fēng)量過(guò)大，會(huì)將產(chǎn)品物料吸入除塵系統(tǒng)，甚至將大顆粒的物料吸起，這樣不僅會(huì)增加除塵器的負(fù)荷，還會(huì)加速管道及其附件的磨損，所以確定合適的除塵風(fēng)量十分重要。水泥廠輔機(jī)的除塵風(fēng)量和含塵濃度見(jiàn)表1[1][2]。

表1 水泥廠輔助設(shè)備的除塵風(fēng)量和含塵濃度

2 吸風(fēng)罩或設(shè)備連接風(fēng)管的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

許多設(shè)計(jì)者，對(duì)捕集的粉塵如何處理的關(guān)心程度，勝過(guò)如何降低塵源點(diǎn)被捕集氣體的含塵濃度。如果吸風(fēng)罩和設(shè)備連接件設(shè)計(jì)不正確不合理，不僅不能有效控制揚(yáng)塵，還會(huì)將大量物料吸入除塵系統(tǒng)。出現(xiàn)這種不利情況后，除導(dǎo)致降低生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)量外，還會(huì)加速管道及其附件的嚴(yán)重磨損，以及除塵器頻繁清灰，增大功率消耗和降低濾袋的使用壽命等。

吸風(fēng)罩有完全密閉式和不完全密閉式之分，而水泥廠除塵的吸風(fēng)罩多為完全密閉式。即使采用不完全密閉式，也要采取一定措施，盡量減少吸入風(fēng)量，如膠帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)吸風(fēng)罩的四周都要增設(shè)防塵簾。

2.1 吸風(fēng)罩一般遵循的設(shè)計(jì)原則

（1) 密閉吸風(fēng)罩的形式，應(yīng)根據(jù)工藝設(shè)備的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)操作條件和處理氣體的特性等因素確定。

（2）吸風(fēng)罩要能有效地控制含塵氣體不致從吸風(fēng)罩逸出，同時(shí)要避免吸出物料。

（3）吸風(fēng)罩的收縮角≤60°，從吸風(fēng)罩出口到調(diào)節(jié)閥前盡量設(shè)一段直管，其長(zhǎng)度應(yīng)是管徑的3倍。

（4）吸風(fēng)罩不宜靠近敞開(kāi)的孔洞（如操作孔、觀察孔和出料口等），以防止抽出與除塵無(wú)關(guān)的氣體。

2.2 吸風(fēng)罩的設(shè)計(jì)三要素

設(shè)計(jì)三要素包括捕捉速度、吸風(fēng)罩或設(shè)備連接風(fēng)管的面積，和吸風(fēng)點(diǎn)的合適位置。

2.2.1 捕捉速度（catch velocity）

所謂捕捉速度是指在塵源點(diǎn)將含塵氣體吸入吸風(fēng)罩和設(shè)備連接件的最小風(fēng)速，是確定吸風(fēng)罩尺寸的重要依據(jù)。水泥廠吸風(fēng)罩捕捉速度的建議值見(jiàn)表2。

表2 水泥工廠吸風(fēng)罩捕捉速度的建議值

表2中的的建議值不夠具體，而且波動(dòng)范圍也較大，應(yīng)用很不方便，現(xiàn)將水泥廠輔機(jī)除塵的捕捉速度的經(jīng)驗(yàn)值補(bǔ)充如下：

（1）膠帶輸送機(jī) 、提升機(jī)入倉(cāng)、空氣輸送泵入倉(cāng)2.5 m/s；

（2）空氣輸送斜槽入倉(cāng)1.5 m/s；

（3）庫(kù)或倉(cāng)到振動(dòng)輸送機(jī)1.27 m/s（砂及類似物料），2.54 m/s（顆粒物料）；

（4）空氣輸送泵小倉(cāng)1.52 m/s；

（5）篩2.54 m/s；

（6）斗式提升機(jī)： 斜槽進(jìn)料1.52 m/s；膠帶機(jī)進(jìn)料1.54 m/s； 提升機(jī)進(jìn)料2.54 m/s；

（7）包裝機(jī)：包裝倉(cāng)1.27 m/s， 包裝機(jī)1.0 m/s；集灰斗1.27 m/s， 篦式輸送機(jī) 3.3 m/s。

2.2.2 吸風(fēng)罩或設(shè)備連接風(fēng)管的面積

設(shè)計(jì)吸塵罩和與設(shè)備的連接管道時(shí)，可采用相同的公式。但是，根據(jù)設(shè)計(jì)理念不同，應(yīng)用公式也有所差異。吸風(fēng)罩外形示意見(jiàn)圖2，其吸風(fēng)量Q的計(jì)算式如下：

與設(shè)備連接的法蘭端

式中： Q—吸風(fēng)罩吸風(fēng)量，m3/s；

Vc—捕捉速度，m/s；

X—距塵源點(diǎn)的距離，m；

A—吸風(fēng)罩面積，m2。

圖2 吸風(fēng)罩外形示意圖

與設(shè)備連接吸風(fēng)管道規(guī)格的確定，為獲得所需的風(fēng)量，其捕捉速度要盡可能取小值。計(jì)算出的風(fēng)量要參照表1中的數(shù)據(jù)，取二者之中的最大值。

采用直管連接的吸風(fēng)管見(jiàn)圖3。這種連接方式是水泥廠最常見(jiàn)的，可能也是最不好的吸風(fēng)方式。這種直管連接會(huì)導(dǎo)致距輸送物料點(diǎn)的捕捉風(fēng)速很高，這將大大地將產(chǎn)品從工藝設(shè)備中吸起，其后果是引起管道嚴(yán)重磨損和增大除塵器的負(fù)荷，所以用直管連接要盡可能避免，其優(yōu)化后的吸風(fēng)管見(jiàn)圖4。

例如一除塵系統(tǒng)的處理風(fēng)量為1.27 m3/s，捕捉速度取1.0 m/s，管道風(fēng)速取18 m/s時(shí)，計(jì)算出的風(fēng)管直徑為300 mm。如果采用如圖2的直管連接，為減少吸起物料，則距塵源點(diǎn)的距離最小為400 mm。如果采用如圖3改進(jìn)后的吸風(fēng)罩（連接端900 mm×900 mm），則距塵源點(diǎn)的最小距離減少為300 mm。

圖3 直管連接的吸風(fēng)管

圖4 改善后的吸風(fēng)管

2.2.3 吸風(fēng)點(diǎn)位置的確定

吸風(fēng)點(diǎn)位置的確定，對(duì)除塵系統(tǒng)的效果起決定性作用。但是，這一重要問(wèn)題往往被設(shè)計(jì)者所忽視，因此許多吸風(fēng)點(diǎn)多選擇在距含塵濃度很高的部位。例如斗式提升機(jī)除塵系統(tǒng)的吸風(fēng)點(diǎn)，選擇在距下料點(diǎn)很近的位置。因?yàn)樵谶@個(gè)位置，物料流經(jīng)卸料口進(jìn)入下料溜子，產(chǎn)生的氣體含塵濃度很高。致使加速管道的磨損和濾料的過(guò)早損壞。如果提升機(jī)的高度大于10 m，吸風(fēng)點(diǎn)應(yīng)選擇在頭軸的下方，二次吸風(fēng)點(diǎn)應(yīng)選擇在尾軸的上方，見(jiàn)圖5。總之，除塵系統(tǒng)捕集高濃度含塵氣體不是目的。

圖5 斗式提升機(jī)的正確吸風(fēng)點(diǎn)

2.3 吸風(fēng)罩結(jié)構(gòu)和吸風(fēng)點(diǎn)位置對(duì)除塵系統(tǒng)的影響

現(xiàn)再就膠帶輸送機(jī)的吸風(fēng)罩結(jié)構(gòu)和吸風(fēng)點(diǎn)位置對(duì)除塵系統(tǒng)的影響加以說(shuō)明。

圖6表示吸風(fēng)管是采用直管與膠帶機(jī)的防塵罩直接連接，這種結(jié)構(gòu)的吸風(fēng)點(diǎn)距膠帶機(jī)上的物料很近，必然會(huì)將物料吸起，其后果是加大管道磨損和增加除塵器的負(fù)荷。

圖6 直管與膠帶機(jī)的防塵罩直接連接

圖7 表示吸風(fēng)管與膠帶機(jī)的防塵罩不是采用直管連接，而是改為四周為垂直壁的吸風(fēng)罩，同時(shí)吸風(fēng)點(diǎn)距下料點(diǎn)位置也延長(zhǎng)了，這種結(jié)構(gòu)顯然會(huì)降低捕捉速度，因而吸起的物料量也會(huì)相應(yīng)減少。

圖7 與膠帶機(jī)的防塵罩非直管直接連接

雖然圖7連接的結(jié)構(gòu)有所改善，但是吸風(fēng)罩與膠帶接觸面積還不夠大，下料沖擊膠帶的速度并未降低，含塵濃度仍較高。所以最佳結(jié)構(gòu)是將吸風(fēng)罩四周垂直壁改為小于60°的斜壁，見(jiàn)圖8。假設(shè)圖7中吸風(fēng)罩垂直壁每邊的寬度為457 mm，則圖8中吸風(fēng)罩斜壁每邊寬度增大到610 mm。這樣增大了與膠帶的接觸面積，可進(jìn)一步降低氣體含塵濃度，對(duì)除塵系統(tǒng)十分有利。

3 管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 管道風(fēng)速

管道直徑的確定，取決于處理風(fēng)量和管道風(fēng)速。水泥廠管道風(fēng)速取決于所輸送的物料，一般粉塵15～18 m/s，爆炸性粉塵18～24 m/s。一般傾斜管段12～16 m/s，水平管段18～22 m/s，垂直管段8～12 m/s。煙囪出口風(fēng)速最好≤12 m/s。管道直徑最小為130 mm，石灰石、礦渣和水泥粉塵管道的斜度為60°，熟料為45°。管道最小鋼板厚度為3 mm。

圖8 膠帶機(jī)防塵罩改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)

管道出現(xiàn)積灰堵塞的故障，主要是管道設(shè)計(jì)沒(méi)能根據(jù)物料性質(zhì)、管道的走向和斜度來(lái)選取風(fēng)速。

3.2 管道布置和走向

除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)管道的布置和走向，一般沒(méi)有過(guò)多考慮。無(wú)彎頭和直線管道是最理想的，這種直線管道材料消耗少和運(yùn)行費(fèi)用低。這是因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)額外彎頭或增加直管的額外管段，都將增加除塵系統(tǒng)的阻力，就意味著增加電耗和運(yùn)行費(fèi)用。而且額外的管道附件和額外管道長(zhǎng)度，還會(huì)增加安裝材料和人工費(fèi)用。

例如一除塵系統(tǒng)的處理風(fēng)量為2.74 m3/s，原設(shè)計(jì)的管道布置和走向如圖9所示。不僅管道走向的彎頭多，而且額外管段也長(zhǎng)，系統(tǒng)中的負(fù)靜壓為1 481 Pa。管道系統(tǒng)改進(jìn)后如圖10所示。彎頭和額外管道都減少了，所以系統(tǒng)中的負(fù)靜壓降低為1 042 Pa。這意味著每年至少可節(jié)省電費(fèi)7 500元。

圖9 某除塵系統(tǒng)管道的布置和走向

圖10 某除塵系統(tǒng)改善后的管道布置和走向

4 集中除塵還是分散除塵

輔機(jī)除塵系統(tǒng)有兩種方式，即集中除塵系統(tǒng)和分散除塵系統(tǒng)，這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 集中除塵系統(tǒng)

所謂集中除塵是指多個(gè)塵源點(diǎn)共用一臺(tái)大的除塵器，每個(gè)塵源點(diǎn)的處理風(fēng)量，通過(guò)各自管道匯集到總管進(jìn)入除塵器。這種除塵系統(tǒng)的除塵器，通常安裝在車間廠房的較高層，通過(guò)管道連接同樓層或低層設(shè)備的塵源點(diǎn)，往往由于空間的限制，有的管道通過(guò)建筑物很費(fèi)勁才能進(jìn)入除塵器，見(jiàn)圖11，多見(jiàn)于早期興建的水泥廠。這種除塵系統(tǒng)的管道一般較長(zhǎng)、彎頭多、阻力大，而且各個(gè)支管的阻力不易平衡。阻力大的支管吸風(fēng)量就少，這是有些吸風(fēng)點(diǎn)形成正壓往外噴灰的主要原因。所以有的文獻(xiàn)規(guī)定一臺(tái)除塵器連接的塵源點(diǎn)不要多于6～8個(gè)，丹麥F·L·Smidth公司規(guī)定不多于5個(gè)。但是這種除塵系統(tǒng)的除塵器投資較低。

圖11 集中除塵系統(tǒng)

4.2 分散除塵系統(tǒng)

所謂分散除塵系統(tǒng)，是指除塵器安裝在每臺(tái)需要通風(fēng)除塵設(shè)備的附近。無(wú)疑這種除塵系統(tǒng)一次投資比集中除塵系統(tǒng)要高。但是這種除塵系統(tǒng)有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即安裝容易，系統(tǒng)阻力較小，運(yùn)行費(fèi)用低，而且系統(tǒng)改造有很大的靈活性。隨著類似膠帶機(jī)小型除塵機(jī)組出現(xiàn)，現(xiàn)代水泥廠采用分散除塵系統(tǒng)的越來(lái)越普遍，見(jiàn)圖12。

集中除塵系統(tǒng)和分散除塵系統(tǒng)的比較見(jiàn)表3。

5 結(jié)束語(yǔ)

輔機(jī)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)有許多方面影響其性能和使用壽命，其中管道是最后安裝的部件，往往是其中最容易被忽視的重要問(wèn)題之一。管道和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良，將長(zhǎng)期影響運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。改進(jìn)現(xiàn)有

表3 集中除塵系統(tǒng)和分散除塵系統(tǒng)的比較

圖12 小型除塵機(jī)組和除塵器相結(jié)合的分散除塵系統(tǒng)

除塵系統(tǒng)的吸風(fēng)罩和管道，會(huì)大大提高其可靠性，甚至對(duì)工藝生產(chǎn)設(shè)備的性能也有所改善。

不論是新設(shè)計(jì)的還是現(xiàn)有的除塵系統(tǒng)，重視上述所涉及的幾個(gè)方面，都會(huì)取得優(yōu)化除塵系統(tǒng)性能的效果，而且也會(huì)提高管道、除塵設(shè)備和過(guò)濾介質(zhì)等的性能，延長(zhǎng)使用壽命。

[1] 劉后啟, 竇立功, 張曉梅, 等 . 水泥廠大氣污染物排放控制技術(shù)[M] . 北京: 中國(guó)建材工業(yè)出版社, 2007.

[2] Otto Labahn.Cement Engineers，Handbook[M] .Bauverlag Gmbh,1983.

2014-09-20）

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1008-0473(2015)01-0028-06

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