脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器的研制与应用

摘要： 该收尘器在机理和结构上具有防燃防爆功能，采用脉喷式清灰方式，确保了收尘器内每条滤袋清灰彻底，设备阻力低，且在线清灰方式使得系统阻力稳定，在一定程度上缓解了煤磨系统高阻力的矛盾，实现了收尘器高效、低阻、安全运行。小于50mg/Nm3的低浓度排放，在相当长的时间内能满足不断提高的环保新标准的要求。
    关键词： 煤磨系统 收尘器 排放 防爆装置
    一、前言
    现代化的水泥厂煤磨系统一般都采用烘干兼粉磨的工艺流程，煤磨系统废气是含煤粉具有燃爆危险的热废气，对它进行净化处理也比一般废气难度更大。该收尘器在机理和结构上具有防燃防爆功能，采用脉喷式清灰方式，确保了收尘器内每条滤袋清灰彻底，设备阻力低，且在线清灰方式使得系统阻力稳定，在一定程度上缓解了煤磨系统高阻力的矛盾，实现了收尘器高效、低阻、安全运行。小于50mg/Nm3的低浓度排放，在相当长的时间内能满足不断提高的环保新标准的要求。
    二、煤磨系统粉尘的特点
    水泥厂煤磨系统产生的粉尘主要是煤粉制备过程中，随烘干热风等一起排出的含尘气体。国内水泥厂回转窑生产线煤粉制备目前一般采用风扫式煤磨，煤磨废气中含有的粉尘具有以下特点：
    1. 粒度细，一般<0.1mm（大部分厂煤粉<0.08mm占80%以上）；
    2. 粉尘挥发份高，一般>20%，属于燃爆危险品，具有一定的燃爆危险性；
    3. 粉尘的浓度在爆炸极限之内（煤粉爆炸极限35~2500g/m3） ；
    4. 含尘气体具有一定的温度，一般为60～110℃；
    5. 含尘气体具有一定的湿度，湿含量为5～10%，露点一般为40～55℃。
    由此可见：煤磨废气具有一定的温度和湿含量，粉尘颗粒较细，有燃爆危险性。
    含尘气体燃烧爆炸必须同时具备以下三个条件：（1）浓度处于爆炸极限范围内（煤粉的爆炸极限根据煤质不同，一般为35~2500 g/m3），（2）氧含量大于13%，（3）引燃的火种。因此预防燃烧爆炸即是采取积极措施有效抑制上述三个条件的产生，也就是说降低系统对爆炸的敏感性能，缩小爆炸的效应。
    三、脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器的设计
    1. 收尘器工作原理
    含尘气体首先进入收尘器的导流室，经导流板撞击后进行预收尘和气体均布，然后经收尘器布袋过滤净化后由排气口排出。粉尘阻留于滤袋外表面，在滤袋上积累一定时间后采用脉喷方式清灰，卸灰采用气动卸灰阀，从而达到卸灰和锁风的目的。
    2. 防爆装置的研究
    防爆装置是煤磨防爆袋收尘器研制的一个重点，对于处理含煤粉气体布袋除尘要完全杜绝爆炸三个条件的出现是很难做到的，关键是要及早预知爆炸，并且采取相应措施，防止爆炸的发生。爆炸发生最明显前兆之一是压力骤变，为此我们采取自动卸压式防爆门，把压力及时释放出去，从而把爆炸消除在萌芽阶段。
    （1）防爆装置结构型式的确定
    防爆装置的主要作用是及时迅速释放压力，从而达到安全运行的目的。根据调查和实验，研制新型重力自复位式防爆装置作为脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器防爆装置。该防爆装置由配重锤、压杆、阀门、外罩、阀座等组成，当收尘器内部压力超过设定压力时，防爆门自动打开释放压力。防爆装置释放压力可根据实际要求，通过调整配重锤位置进行调整，气体释放后，防爆门自动关闭恢复原状，保持原来的密封效果。
    实际使用证明，新型重力自复位式防爆装置的密封效果虽然比膜片式稍差，但在设计时采取适当措施进行处理，且收尘器是负压工作，完全能满足系统要求。为防止防爆门内侧含尘气体结露，设计时在防爆门内表面敷设保温层。
    （2）卸压面积的确定
    防爆装置的卸压面积计算，到目前为止，世界上还无理论计算公式，大多根据试验或经验总结出来的。目前常用的计算方法有德国工业指南VDI3673的诺模图；根据美国防火协会卸压面积计算图和易燃粉尘的通风比（卸压面积与设备容积之比），煤粉的通风比一般为1：35（m2/m3）左右。根据以上经验公式，确定脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器的卸压面积。
    3. 收尘器清灰方式的研究
    煤粉在收尘程中由于积尘速度快很容易造成堆积，从而形成事故隐患，大量煤尘积附在滤袋的表面，为了使位于收尘器不同位置的滤袋都能及时清理干净，不但要适当加大清灰动能，而且要使清灰动能均匀施加于每一条滤袋的不同部位上，以满足工况的需要。
    （1）清灰方式的选择
    袋式收尘器常用的清灰方式有：机械振打式清灰，反吹风式清灰，气箱脉冲式清灰，脉冲喷吹型清灰。
    机械振打式清灰方式虽然滤袋运动幅度较大，但由于清灰动能较低，容易导致清灰不彻底，且滤袋损伤大，寿命短，目前已较少采用。反吹风式清灰和气箱脉冲式清灰方式，虽然各有特点，但由于都是整个袋室同时清灰，难免造成局部的滤袋或滤袋的局部的粉尘不能及时清除干净，对处理一般粉尘来说，影响的只是使收尘器的阻力升高，而对于处理含煤粉的废气，就留下了煤粉因长期在滤袋上滞留而自燃的隐患。
    脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器采用脉冲喷吹型清灰方式，利用压缩空气对每条滤袋分别清灰，清灰动能高，清灰更彻底。
    （2）过滤风速的确定
    过滤风速是指单位时间内单位面积滤布上通过的气体量。过滤风速是袋收尘器的一个重要技术参数，过滤风速的大小直接影响袋收尘器的设备投资，运行费用，使用效果等。
    袋收尘器过滤风速取决于滤袋材质、处理含尘气体性质（粉尘颗粒大小、温度、湿度、易燃易爆性、粉尘粘结特性等）和排放要求等。过滤风速过大，阻力高，排放浓度高，滤袋寿命段。过滤风速过小，除尘器体积大，设备投资高。
    袋收尘器过滤风速计算公式
    V=k×Q/60F
    式中 V——风速 m/min
    k——风量波动系数
    F——面积 m2
    Q——风量 m3/h
    脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器选用抗静电涤纶阵刺毡滤料，根据滤料行业推荐风速为0.8~1.0 m/min.
    （3）喷吹压力的确定和喷吹管的研究
    为使高压空气能有控制地进入每条滤袋清灰，我们采取以高压空气包为主干，通过若干个支气管到各排滤袋的布置方式。每个喷吹管上安装一只脉冲阀控制进入喷吹管的高压空气，每只脉冲阀控制一排滤袋的清灰。
    当滤袋的长度及每排滤袋的数量确定后，喷嘴的孔径是一个非常重要的参数。通过试验，也证实喷吹孔直径的大小是影响喷吹力大小的关键，以6～8mm左右为宜，园型孔优于其它形状的孔，且随着喷吹孔距脉冲阀的远近大小不等。脉冲阀的大小决定着每根喷吹管开孔的个数，要使一根喷吹管较多的滤袋，必须采用较大的脉冲阀。根据确定的收尘器处理风量，通过技术经济比较后，我们采用G11/2&quot;脉冲阀，每阀喷吹12条滤袋。对于处理风量小于40000m3/h的收尘器，在保证清灰效果的前提下，将清灰压力选定为0.3~0.5MPa.
    （4）采用文丘里管技术产生二次诱导风，提高清灰动能。
    实验证明，采用与不采用文丘里管诱导技术，清灰效果差别很大。采用文丘里管清灰更彻底、滤袋更干净；不采用文丘里管滤袋上尚有残灰吸附在上面，尤其是滤袋的下部。
    脉冲阀动作时产生的声波还可以使滤袋产生微振动，起到辅助清灰作用。
    脉冲清灰使用微机自动装置控制，根据粉尘浓度随意调整清灰周期和脉喷时间，使收尘器保持在一定的阻力范围内运行，又尽可能地降低压缩空气消耗量，并且减少收尘器内部外界新鲜空气的带入量，降低了收尘器的燃爆危险性。
    4. 收尘器箱体结构的研究
    脉喷式防爆袋收尘器的机械结构是否合理，不仅直接影响收尘效果，而且还影响设备的维护、安装以及制造工艺。
    （1） 箱体结构设计
    脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器的箱体一般为矩形结构，它与一般袋式收尘器的不同之处，主要是固定滤袋的多孔板在箱体的上半部，且收尘处于负压运行状态，在滤袋内装设防止滤袋被负压吸瘪袋笼。
    收尘器箱体承受压力 F = S×P
    式中 F—压力KN
    S—面积ｍ2
    P—单位面积承受压力Pa
    根据设备承受压力大小，确定箱体钢板厚度及加强筋的布置形式和密度。设备承受压力分为负压和防爆变形压力，负压根据使用工艺确定，一般小于7500Pa，防爆变形压力取极限爆炸压力12000Pa.
    为了安装及更换滤袋方便，滤袋的形状设计成单筒圆形。要把滤袋安装在箱体内，首先要在箱体内设置一块多孔花板，即根据滤袋直径的大小在一块钢板上开数个大小相同的孔。孔中心距也很讲究，过小，造成收尘器内部气体嵌速度过高，易造成设备阻力大，不可避免滤袋之间的相互摩擦；过大，使设备体积增大，造成浪费。多孔花板的结构是确定收尘设备尺寸的关键。
    另外，多孔花板既要承受系统负压，又要承受滤袋及袋笼的重量，稍有变形可能影响袋口处的密封效果，设计时对多孔花板已做了加强处理。
    （2） 灰斗的设计
    为了防止煤粉内部构件上积灰，所有梁、分离板等均设置防尘板，而防尘板的角度均为70度以上，灰斗的溜角大于70度，同时为防止两斗壁间夹角（谷角）太小而积灰，两相邻侧板焊上溜料板，加大谷角，消除煤粉的沉积。在所有平台、死角处加焊坡板，如下图所示。
    另外考虑到由于操作不正常和含尘气体湿度大时出现灰斗结露堵塞，在对收尘器壳体保温的同时也要对收尘器灰斗进行保温。对高寒地区收尘器灰斗下部设计成双层，并可在两层之间加设电加热装置。
    5. 控制系统的研制
    脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器控制系统是用于收尘器的喷吹清灰系统的自动控制以及系统参数检测报警。收尘器滤袋的定时喷吹清灰是由定时控制器对电磁脉冲阀定时顺序控制来实现的，定时清灰可确保收尘器的阻力在较低的范围内。为了防止收尘器的内部产生煤粉的自燃和爆炸，通过智能数控仪测量出收尘器入口、出口、灰斗的温度，超温时即可产生报警信号，又可输出控制信号给相应的执行机构，从而保证了收尘器的安全运行。
    6. 滤袋设计
    根据确定的清灰方式和箱体结构，采用外滤式圆形滤袋。滤袋的长度决定收尘器箱体的高度，考虑到运输因素，将滤袋长度确定为2750mm，实验证明滤袋的长径比20时比较经济，因此我们将滤袋的规格确定为Ф130x2750mm，在袋收尘器内部，由于煤粉随空气流动，粉尘与滤布的冲击摩擦等都能产生静电。静电的积累会产生火花从而引起燃烧和爆炸，我们采用BWF抗静电滤料，同时对收尘器壳体进行接地，确保接地电阻小于4Ω，消除静电效应。
    四、实际应用
    重庆南桐矿务局特种水泥厂1999年8月26日投运一台MMC70-5脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器，处量风量为18000~22000 m3/h，入口浓度为55.40g/m3，收尘效率为99.99%，粉尘排放浓度为26.40 mg/Nm3，优于国家排放标准，投运后半年多即收回了投资，其经济效益十分显著。