呼吸顺畅的袋式除尘器
水泥 Global Cement Magazine 2015-03-13
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作为一种成熟的除尘技术，袋式除尘技术在世界各地的水泥和石灰窑普遍使用。由于环境法规对工业设施排放粉尘的要求越来越严格，减少粉尘排放量及相关运营成本就成为了水泥和石灰生产商的一大要务。 在本文中，Georg Rathwallner博士、Alecsandru Barbulescu先生和K N Rao先生通过对水泥和石灰窑的一系列案例研究，详细论述了他们使用P84®纤维制作的过滤袋的经验。
介绍
袋式过滤器，尤其是脉冲喷吹袋式除尘器，广泛用于水泥和石灰窑的高温烟气除尘。其运行和维护成本主要在于过滤袋、引风机能耗和压缩空气方面。一般来说，引风机的耗电在运行成本中占了最大比重，甚至超过了过滤袋的成本。引风机的耗电量主要是受过滤袋性能的影响，因为其决定了除尘器在运行期间的压降。压缩空气约占10%的成本。所以，低压除尘可以节约能源并减少过滤袋的机械磨损。
然而，只要不影响生产（即需要控制风量或者需要停工来更换失效的过滤袋），一般人很少关注袋式除尘器停工损失的成本甚至有可能高于过滤袋和耗电的成本。水泥生产商的计算结果已经证明，投资购买优质的过滤袋，反而能够在较短的时间内收回投资成本，尤其是在能防止意外停工的情况下。
案例研究：Carmeuse公司的石灰窑除尘经验
Carmeuse公司在欧洲的各个平行流再生（PFR）石灰窑使用统一的烟气净化系统。根据各个窑的产能，该系统由不同大小的Redecam脉冲喷吹袋式除尘器组成。过滤袋原先采用玻纤织物加覆聚四氟乙烯（PTFE）膜的材料制成。石灰窑使用天然气作燃料时，该系统的工作效果令人满意。这种过滤袋的压降为8-12毫巴，一般每小时循环清灰1-3次。
燃料由天然气改为褐煤后，Carmeuse公司立刻遇到了一些问题：在几天或几周内，所有的PFR袋式除尘器的压降都变得很大。即使提高脉冲气压并将清灰频率增加到每小时6次，压降还是超过了15毫巴，进而窑顶难以维持稳定运行所需的略微低压。引风机的能源消耗和压缩空气的用量也显着增加了。
图1：Carmeuse公司石灰厂现场的压降测量值
表1：运行条件──Carmeuse公司石灰厂的850个P84®基布过滤袋（150mm x 5015mm）采用了850 P84®细纤维针刺毡
上面 - 图2：运行15个月后，Carmeuse公司试验滤袋的状况。
2a） P84®针刺毡横截面：没有灰尘渗入针刺毡。
2b） PTFE针刺毡横截面：灰尘全面渗透针刺毡。
2c） 玻纤覆膜（PTFE膜）表面的平面图：受损的薄膜。
2d） 玻纤覆膜（PTFE膜）的横截面：灰尘穿过纤维织物。
除了PTFE膜损坏，对滤袋的调查结果也无法查明导致过滤介质堵塞的原因。表1列出了运行条件。为了评估选择合适的过滤介质，Carmeuse公司挑选用了不同材料制成的试验过滤袋，并安装在一个袋式除尘器内：
PTFE玻纤覆膜（750g/m2）；
PTFE基布针刺毡（约700g/m2）；
P84®基布针刺毡（500g/m2）
每种材质的滤袋各准备5个，分别装在除尘器的不同位置，同种材质的被安装在同一区域。每隔四个月在现场测量了试验袋的压降，以便弄清楚哪些是最合适的过滤材料。运行12个月后，对过滤袋进行实验室分析，进一步证实最初的试验结果。P84® 过滤袋（图2a）上的灰尘并没有明显渗入织物的深处，这也符合稳定压降的要求。PTFE针刺毡的横截面充满了灰尘（图2b）：光滑的PTFE纤维未能有效地把灰尘阻挡在表面上，从而增加深层阻塞现象并相应地加大压降。玻纤覆膜过滤袋的试验也出现了同样的情况。在运行过程中，如果PTFE膜没有损坏，还可以把灰尘阻挡在过滤袋表面，观察结果如图所示（图2c和2d）。
表2：运行条件──Ambuja公司水泥厂的7680个采用了P84®细纤维和P84®基布的过滤袋（150mm x 8000mm）
用玻纤过滤袋和用化纤制成的针刺毡具有不同的性质和限制，两者都需要调整运行参数。控温措施（冷却稀释空气和减少褐煤用量）是有效的，在较低温度下能防止聚合物的过度热氧化。混风降温导致气体流量增加也是可以接受的，因为与PTFE覆膜滤料比，P84®针刺毡对高气布比不那么敏感。 最早的三个石灰窑过滤器目前使用德国汉跋（Heimbach）过滤技术公司制造的P84®过滤袋，现在仍对其性能进行密切监测。
案例研究：Holcim公司使用P84®针刺毡和PTFE玻纤覆膜的经验
瑞士Holcim公司通过Ambuja水泥有限公司和ACC有限公司，在印度开展经营。在印度喜马偕尔邦Rauri地区，Ambuja公司运营着一座日产量9000吨的水泥窑。这也是印度首个使用P84®过滤袋除尘过滤器的大型水泥窑/原料磨。所使用的过滤器来自于Intensiv Filter公司（最近已被Himenviro私人有限公司收购）。
2009年底，该水泥厂开始投入运营，水泥窑袋式除尘器的清灰压力设定值为4.5毫巴（法兰至法兰）。如此低的设定值是边界值在不同运行模式下（原料磨运行或停机），都导致了过滤袋几乎连续的清灰。过滤袋再次清灰的循环时间可能下降到只需一分钟。几个月后，过滤袋供应商必达福印度公司（BWF India）建议将最小循环时间设置为8分钟，以防止过滤袋的过度机械磨损。自从那以后，压降一直稳定在4-8.5毫巴（取决于运行模式）。原料磨停机时，混风降温到180°C导致气体流量增加，压降达到了上限值。将近五年以来，粉尘排放量都不超过8.5mg/Nm3（表2）。
图3：Ambuja公司石灰窑过滤器使用三年后，P84®过滤袋材料的横截面，顶部为迎尘面。
3a – 迎尘面
3b – 迎尘面
3a） 由于未燃尽的碳氢化合物，靠近进气口位置的滤袋变黑。
3b） 处于过滤间中央位置的过滤袋。
注：垂直红线标示针刺毡厚度约为2毫米。
运行三年后，到了2013年初，对一个使用过的过滤袋进行了分析，证实了该过滤介质的状况良好，并且预计其使用寿命将不少于六年。迄今也没有出现任何失效的过滤袋，说明这个估测到目前为止还是正确的。
净气面没有灰尘，而且也未发现损坏的迹象。图3展示了两个P84®过滤袋材料的横截面，其中一个过滤袋靠近进气口（图3a），另一个则处于除尘器的中央位置（图3b）。两个过滤袋都没有灰尘，但由于有些碳氢化合物未燃烧，靠近进气口的过滤袋变黑了。烃冷凝物可导致过滤介质的堵塞，尤其是容易堵塞膜材料。通过测量两个过滤袋的空气渗透率，发现两个过滤袋的透气性相似，表明未燃烧的燃料并不影响P84®过滤袋材料的性能。在这一方面，覆膜滤料比针刺毡更容易受到影响。横截面内没有灰尘，而且自投入运行以来压降一直稳定，说明进行的是稳定的表层过滤。如果出现深层过滤现象的话，那么压降或者清灰频率就会增加。
除了Rauri水泥厂外，Holcim公司在印度的其他水泥厂也使用脉冲袋式过滤器为水泥窑除尘，但配备的是玻纤覆膜过滤袋，其压降大于Rauri水泥厂使用P84®过滤袋的压降，在某些情况下可高达20毫巴。P84®过滤袋在使用了2-3年后，引风机用电节省的费用就可以弥补其比较高的最初滤袋成本。此外，薄膜过滤袋的使用寿命一般为2-3年，其中有些过滤袋会过早失效，有几个薄膜过滤袋只能用3个月。这意味着，即使不考虑引风机用电和意外停工这两个因素，玻纤覆膜过滤袋的年度成本也高于P84® 过滤袋的，因为前者的使用寿命比较短。
使用P84®过滤袋的综合成本是相当低的。如果把过滤袋寿命、引风机用电和生产损失方面的成本综合考量的话，用于比较使用不同过滤袋时的成本，那么只需几个月便可收回P84®过滤袋的额外投资成本。
表3：运行条件──UCC公司哈伊马角水泥窑/原料磨过滤器的16,896个采用了P84®细纤维和P84®基布过滤袋（160mm x 6000mm）
案例研究：阿联酋哈伊马角UCC公司使用P84®过滤袋的经验
阿联酋联合水泥公司（UCC）在阿联酋境内拥有日产10,000吨的水泥熟料生产线。中国中材集团的平顶山子公司为该生产线装配了两座并联的袋式除尘器，分别设有8448个6米长的过滤袋。表3列出了详细的运行条件。初始设备使用了德国高奇公司（MGF Gutsche）制造的P84®超细纤维过滤袋。由于灰尘排放量的要求很严格（5mg/Nm3），所以选用了这种优质的超细纤维过滤材料。其微粒排放量一直保持在5mg/Nm3以下。在过滤袋的使用寿命期内，气布比约为0.9 m/min，压降从最初的5-6 mbar仅轻微增加到6-8 mbar。在六年的运行过程中，将近17,000个过滤袋当中，只有20-40个需要更换。该生产线的过滤袋与引风机能耗之间的年度成本差额接近于Ambuja公司水泥厂。如果过滤袋能够一直使用，那么其成本将不到电耗成本的一半。
运行五年后，从这两个过滤器中挑选了一些过滤袋进行实验室分析，证实了过滤介质的状况非常好。大部分的针刺毡参数值近似于新材料的性能。图4a展示了在实验室切开的过滤袋：净气面无灰尘。可以看见笼骨金属条锈蚀造成的褐色线条，但在那些位置并没有出现开始受损的迹象。图4b展示了沉积在过滤袋底部的腐蚀产物。这样的沉积物以及锈蚀的笼骨会增加过滤袋材料的机械磨损。然而，过滤袋材料的状况很好，证明了P84®针刺毡在这样的环境下也工作良好。即使在一些关键部位（例如贴着支撑笼骨的金属条的部位），针刺毡的横截面（图5）都没有灰尘，证明了表层过滤良好。压降几乎没有发生变化，说明针刺毡内部只有少量的灰尘累积，因为颗粒物被隔离在针刺毡表面了。在迎尘面采用P84 超细纤维，有力地促成了这样的卓越性能。
然而，为了避免除尘器中某些过滤袋超过平均水平的磨损，或者袋笼的局部腐蚀更容易损坏笼骨并导致过滤袋故障的风险，为了安全起见，于2013年从Testori Emirates公司订购了一整套的过滤袋。2013年8月，更换了其中一个除尘器的过滤袋；另一个除尘器的过滤袋则于2014年9月进行更换。由于其性质优异，P84®过滤袋可存放多年，也不影响其质量和性能。
这种规模的工厂标准粉尘排放量为20 mg/Nm3，相比之下，粉尘排放量为5mg/Nm3时，每年可减少灰尘排放150吨。这个结果虽然不能反映节省大量成本的潜力，但显着保护了工人和周围居民的健康。袋式除尘器的排放物几乎100%都小于10μm（颗粒物10，PM10），而且很大一部分通常小于2.5μm（PM2.5）。这意味着，通过减少总颗粒物排放，可以降低细微粉尘排放量。
总结
优质过滤介质的益处并不仅限于减少颗粒物排放。只要选用合适的介质并相应调整框架条件，也有助于降低能源消耗。因过滤袋过早失效或气体流量限制而影响生产时，或者在过滤袋性能良好的地方，也都值得考虑进行升级改造。
在实验室分析已使用的过滤袋是一项重要的方法，能够确定过滤袋的剩余使用寿命和找到性能不足的原因。了解过滤袋的状况，能够最大限度降低意外停工的风险，而且便于经营者及时安排更换。原始设备制造商（OEM）、过滤袋供应商和纤维制造商等，例如赢创纤维制品责任有限公司，都可以提供这些服务。
为了确定更换何种品质的过滤袋，成本计算时应考虑预期的压降和相应的引风机用电情况，不然的话，采用廉价的过滤袋也可能在短期内造成高昂的成本。
参考资料
“P84®滤料和玻纤覆膜滤料的生命周期和成本分析（依据印度经验）”，K N Rao，印度ACC有限公司能源与环境部主管，第11届高温过滤学术会议，2014年9月9-11日，奥地利莱奥冈。
“PFR固体燃料窑的新过滤介质”，Dan Alecsandru Barbulescu，比利时Carmeuse公司协调中心，第11届高温过滤学术会议，2014年9月9-11日，奥地利莱奥冈。
图4a：UCC公司哈伊马角水泥窑/原料磨运行五年后，滤袋顶部
图4b：UCC公司哈伊马角水泥窑/原料磨运行五年后，滤袋底部。
5a – 迎尘面
图5a：UCC公司哈伊马角水泥窑/原料磨运行五年后，P84®针刺毡的横截面，顶部为迎尘面。
注：垂直红线标示针刺毡厚度约为2毫米。
5b -迎尘面
图5b：UCC公司哈伊马角水泥窑/原料磨运行五年后，与笼骨金属条接触的P84®针刺毡的横截面，顶部为迎尘面。
注：垂直红线标示针刺毡厚度约为2毫米。
原作者：
赢创纤维制品责任有限公司Georg Rathwallner博士
Carmeuse研究技术股份有限公司Alecsandru Barbulescu
ACC有限公司能源与环境部主管，K N Rao
翻译/校对：
赢创特种化学（上海）有限公司- 陆明先生/王红先生
原版文章曾刊登于Global Cement Magazine2014/12月份期刊
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