袋式除尘器机械自动循环清灰控制器在水泥行业的应用

高连勇，徐 帅，王 念，梁 健

1枣庄职业学院 山东枣庄 277800

2中检集团公信安全科技有限公司 山东枣庄 277100

我 国是水泥生产与消费大国，水泥行业作为国民经济的支柱产业，得到了长足的发展。据百年建筑网统计，2018 年全国水泥产量达到 21.77 亿t，水泥产量已占世界水泥产量的 55.95%，全国熟料产量 14 亿 t，全国水泥熟料生产线约 1 593 个[1]。水泥工业在支撑国民经济快速发展的同时，也带来了严重的环境污染。我国水泥行业的 PM、SO2、NOx 排放量居高不下，给生态环境带来巨大压力。为贯彻落实国务院《大气污染防治行动计划》，“倒逼”产业转型升级，环境保护部会同国家质检总局 2013 年重点修订与完善 GB 4915—2013《水泥工业大气污染物排放标准》、GB 30485—2013《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》及 HJ 662—2013《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》3 项标准。经过多年的转型发展，水泥行业在淘汰落后产能、污染物治理和余热发电等方面都取得了不俗的成绩，但是水泥行业仍然是高消耗、高排放行业。

1 水泥行业除尘设备现状

据统计，目前水泥窑用的除尘设备 80% 以上为电除尘器，其余为其他类型的除尘设备。电除尘器作为高效除尘器，其排放标准为 50～100 mg/Nm3[2]。随着 GB 4915—2013《水泥工业大气污染物排放标准》的实施，对水泥生产环保提出了非常严格的要求。GB 4915—2013 标准规定的排放标准为 20 mg/Nm3，目前运行的电除尘设备无法满足这样高标准的排放要求，因此对原有电除尘设备改造势在必行。由于电除尘器本身的除尘机理和水泥生产工艺特点，仅对原有电除尘器进行简单的改造是不行的。电除尘器改造中主要存在以下问题[3]。

(1)原有的电除尘器是按照排放标准为 50、100、150 mg/Nm3设计选型的，要满足新标准，最致命的缺点是其容量不足。如果通过增加电场进行扩容，又受空间场地制约。

(2)通过余热发电降温后的气体，如果不进行调质处理，比电阻将超出合理区间，电除尘器无法满足低排放要求。

(3)新标准规定了环保设备与主机设备同步运行率为 100%，而电除尘器无法避免因 CO 浓度超标自动切断高压电源而造成事故排放，电除尘器此时仅作为具有沉降作用的烟气通道，粉尘将对空排放，这种情况是新标准绝对不允许的。

袋式收尘器从除尘机理上克服了电除尘的不足，完全可以避免事故排放，且袋式除尘器对工业粉尘过滤效率能够达到 97% 以上，并已有成熟的应用经验，在不同行业中得到广泛的推广应用[4]。环境保护部第 31 号公告 (2013)《水泥工业污染防治技术政策》第 15 条要求水泥窑头、窑尾气体降温调质后输送至袋式除尘器、静电除尘器或电袋复合除尘器处理，其他通风生产设备和扬尘点采用袋式除尘器。随着袋式除尘过滤技术、清灰技术均取得了长足进步，滤料寿命大大延长，运行成本大大降低，完全可以满足新标准的排放要求。水泥行业电除尘改造为袋式除尘器是目前为满足新标准而做出的必要选择，也是可行的选择，因此有专家提出“水泥行业除尘电改袋改造刻不容缓”[5]。

2 技术优势与存在问题

目前，水泥行业主要有以下几种袋式除尘器。

(1)标准型脉冲袋式除尘器[6]主机一般均为单室结构，即 1 个除尘室内排列安装滤袋，滤袋由滤袋框支撑，滤袋采用外滤形式过滤含尘气体，配有压缩空气辅助设备，使用脉冲阀反吹清灰。该设备存在以下问题：①除尘室内分排脉冲反吹清灰，滤袋反吹清灰后的粉尘会部分直接吸附到其他滤袋上，使清灰效果降低，缩短除尘器的清灰周期；② 滤袋框的阻挡会减少滤袋过滤面积；③需要专用的压缩空气设备，增加了设备投资成本；④ 反吹风过大会破坏滤袋底层粉尘膜，降低了除尘效率，影响滤袋寿命；⑤ 单室结构设计，需要停机检修；⑥ 外滤式滤袋使除尘室内检修或更换滤袋条件恶劣，影响操作人员的身体健康。

(2)机械振打清灰袋式除尘器[7]一般为分室结构，滤袋进行无框架结构设计，采用内滤形式过滤粉尘，滤袋上下拉紧，清灰通过滤袋上下张紧与松弛拉拽动作或横向摆动清灰，其优点是不需要配制清灰气源，机械传动运行可靠。该设备存在以下问题：①采用拉拽结构清灰时，滤袋拉拽幅度大，形成的过度清灰会破坏滤袋底层粉尘膜，影响滤袋每次清灰后初始过滤除尘效率，并且影响滤袋的使用寿命；② 采用横向摆动清灰时，振打结构工作零件直接接触滤袋，造成局部接触磨损使滤袋寿命缩短；③分室清灰控制配套的排风管道结构复杂，增加了制造成本。

(3)反吹风清灰袋式除尘器[8]一般为分室结构，采用除尘器自身气源进行反方向吹风。滤袋分为框架或无框架结构 2 种形式，一般为内滤形式滤袋过滤粉尘。其工作原理为：含尘气体过滤时，滤袋内壁承受正压，粉尘滞留在滤袋内壁上。清灰时，通过阀门改变通风管道流向，利用过滤后的气体反方向吹入过滤风室，使滤袋压缩变形从而实现清灰。其优点是不需要配制清灰气源，反方向吹风不过度清灰，能够保护滤袋底层粉尘膜，不影响滤袋除尘效率，滤袋磨损小。该设备存在以下问题：①主机需要增加静压室结构，增加了制造与密封难度；② 分室清灰控制配套的排风管道结构复杂，增加了制造成本。

综合分析目前水泥行业使用的袋式除尘器，主要在于其清灰系统存在结构复杂、制造困难、维修麻烦、设备投入成本高等问题。因此，解决袋式除尘器清灰系统存在的问题是袋式除尘器推广应用的关键[9]。

3 袋式除尘器清灰系统方案设计

根据环境保护部第 31 号公告 (2013)《水泥工业污染防治技术政策》第 16 条“除尘器采取单元滤室设计，应具备发现故障或破袋时及时在线修复的功能”的要求，以及环保设备与主机设备同步运行率为100% 的规定，设计方案应该满足以下条件：

(1)袋式除尘器主机必须采取单元滤室设计，以保证除尘器发生故障时可以不停机进行维修保养；

(2)滤袋应该避免过度张紧，防止滤袋严重受力，影响滤袋使用寿命；

(3)避免出现过度清灰现象，清灰后能够保留滤袋底层粉尘，保证过滤除尘效果；

(4)单元滤室轮流开闭装置结构简单，运行安全可靠，制造成本低；

(5)不需要配备辅助清灰气源，减少企业环保设备投入。

根据以上设计方案应该满足的技术条件，袋式除尘器清灰系统如图 1 所示。

图1 袋式除尘器清灰系统Fig.1 Cleaning system of bag dust collector

4 工作原理

机械自动循环清灰控制器如图 2 所示，由控制器壳、梅花形总出风口板、扇形风门板、驱动减速器、触动开关、振动电动机、滤袋吊架、滤袋及弹性元件组成。

图2 机械自动循环清灰控制器Fig.2 Mechanical automatic circulating cleaning controller

控制器的总出风口板焊接在控制器壳底部，驱动减速器安装在总出风口板中心，其轴端安装扇形风门板并重叠紧贴在总出风口板下面，分别在总出风口板风口之间的钢板上安装触动开关；扇形风门板的扇形角度大于风口占有的扇形角度，其上面制作弧形槽，圆弧半径R对应触动开关的安装位置；弧形槽长度对应该处风口圆弧长度，弧形槽深度以不能触动开关，使振动电动机的电路处于断开状态为宜。驱动减速器旋转带动扇形风门板转动，轮流关闭总出风口板上单元滤室出风口。在单元滤室出风口关闭过程中，触动开关卡装在弧形槽内不承受压力，振动电动机的电路不接通电源；当单元滤室出风口全部关闭后，弧形槽结束，扇形风门板的平面压迫触点开关，振动电动机的电路接通，振动电动机工作，产生的震动力带动滤袋吊架震动，使滤袋吊架上倒挂的滤袋实现抖动清灰。安装机械自动循环清灰控制器的袋式除尘器，由于为了保护滤袋，防止滤袋清灰时承受冲击拉力，影响滤袋使用寿命，一般滤袋安装后调整为自然下垂状态，除尘过滤时滤袋依靠风压自然膨胀进行内滤除尘。所以清灰控制可以采用以下 2 种形式：

(1)机械自动循环清灰控制器分别接通驱动减速器与振动电动机的电源，利用扇形风门板旋转轮流开关单元滤室出风口并压迫触点开关，控制单元滤室振动电动机工作，使单元滤室中的滤袋抖动清灰。

(2)机械自动循环清灰控制器只接通驱动减速器的电源，扇形风门板旋转轮流开关单元滤室出风口，利用积尘滤袋重力使滤袋自然下垂让滤袋瘪闭，使滤袋内壁粉尘层破拱脱落，实现自然重力清灰，更加有利于保护滤袋内壁的初始粉尘膜。

以上 2 种清灰形式可以轮番配合使用，既可以保证过滤效果，也可以防止滤袋受损，延长了滤袋使用寿命。在总出风口板的上平面使用扇形风口板，分别盖堵单元滤室出风口，即可方便关闭单元滤室，对关闭的单元滤室进行检修并更换滤袋。

5 实际应用

机械自动循环清灰机构的袋式除尘器结构如图3 所示，主要由机械自动循环清灰控制器、振动电动机、滤袋震动架、单元滤室组、滤袋、花盘、集灰斗和排灰绞龙组成。除尘器一般设计成 4 个单元滤室为 1 组，将 4 个单元滤室的总出风口设计在除尘器顶部的中心位置，单元滤室出风口在总出风口中呈梅花形布局，机械自动循环滤室风门控制器安装在总出风口上。花盘安装在滤室组与集灰斗之间。单元滤室上部安装滤袋吊架，采用弹性元件柔性连接。滤袋采用倒挂方式，滤袋口朝下，安装在花盘上的滤袋固定圈上。集灰斗底部安装排灰绞龙。除尘器采用下部侧进风结构，含尘气体进入滤袋需要改变方向，大颗粒粉尘就会脱离气流沉降进入集灰斗，细小颗粒粉尘进入滤袋过滤，在滤袋内壁上结拱成膜，粉尘层逐渐增厚，然后由清灰机构清灰，粉尘落入集灰斗内，由排灰绞龙推出除尘器。

图3 袋式除尘器结构Fig.3 Structure of bag dust collector

6 结语

在袋式除尘器上采用机械自动循环清灰控制器，结构简单紧凑，制造成本明显降低，且不需要配备专用清灰气源，能够降低水泥行业配备除尘设备的投资成本。且利用集中控制方式，可以实现多单元滤室组积木式组合应用，适用于新产品开发及现有袋式除尘器的技术改造，具有一定的推广应用价值。