矿渣粉磨系统袋式除尘器的选型及应用
摘要:介绍了矿渣粉磨系统含尘废气的特性、国内治理技术现状和除尘新技术，并从处理风量的确定、袋式除尘器类型的确定、过滤风速的选取、过滤面积的计算、除尘器规格的选取等方面介绍了矿渣粉磨袋式除尘器的选型，以及FGM型矿渣用气箱脉冲袋式除尘器和KDMC大型低阻袋式除尘器在矿渣粉磨系统除尘的应用推广情况。
关键词:矿渣粉磨,袋式除尘器,选型,应用
1 前言
高炉矿渣是钢铁厂生产过程中排出的废渣，全国钢铁企业每年产生约1.2亿吨的矿渣，将矿渣磨细成矿渣微粉，等量代替水泥，既可以变废为宝，又可以节约生产水泥所需的矿山资源，是发展循环经济，实现可持续发展的重要途径。矿渣微粉是一种新型高强混凝土掺和料、优质水泥混合材料，其原料是冶金行业的高炉矿渣，是保护生态环境、利用工业废渣的新型环保产品，近十年来，国内许多大型钢铁企业纷纷投资建设矿渣粉磨生产线，把矿渣微粉项目列为非钢产业发展的一个重点。
矿渣粉磨系统的终端设备是袋式除尘器。袋式除尘器具有收集成品和环保除尘的双重功能，在粉磨系统中起着至关重要的作用。矿渣粉磨系统废气的排放依据新标准《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2004）的规定执行，新标准对废气的排放限值作了严格规定：自2006年7月1日起至2009年12月31日止，现有生产线磨机排气筒中的颗粒物最高允许排放浓度是50mg/Nm3，自2010年1月1日起，其最高允许排放浓度是30mg/Nm3；自2005年1月1日起，新建生产线磨机排气筒中的颗粒物最高允许排放浓度是30mg/Nm3。为适应新标准，选用新型高效袋式除尘器是设计选型的必然趋势。
2 矿渣粉磨系统含尘废气的特性
为了更好地发挥矿渣的潜能，需要将矿渣磨细。从《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T18046-2000）标准来看，只要将矿渣比表面积控制在420～450m2/kg，即可满足标准中S95级要求。这样不但满足了水泥制造厂提供42.5～52.5级矿渣水泥（矿渣掺量30%～50%）的要求，又满足了预拌混凝土公司配置大于C60混凝土的要求。根据现有的装备情况，可采取立式磨、辊压机、球磨机、振动磨四种终粉磨工艺，或者采用立式磨+球磨机、辊压机+球磨机的联合粉磨工艺。近年来，采用立式磨生产矿渣微粉的终粉磨工艺最为普遍且发展迅速。
矿渣粉磨系统的废气一般具有如下特点：
（1）粉尘颗粒细。磨细矿渣微粉磨到一定细度（比表面积）才能充分参与水化反应提高活性，但同时还与颗粒组成有关，细颗粒多则比表面积大。对不同矿物微粉进行比表面积及颗粒组成的测定详见表1。从表1可以看出，在标准规定的比表面积下，矿渣小于10μm的颗粒占58%，比粉煤灰及P.0525水泥都要多。由此可见，矿渣微粉粒径小，在废气中悬浮性强，给除尘带来较大难度。
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（2）含尘浓度高。不管是球磨工艺还是立式磨工艺，由于取消了二级除尘用旋风收尘器，矿渣粉磨系统含尘废气的粉尘浓度较高，一般为400～1000g/m3。
（3）粉尘含湿量高。由于水淬矿渣具有高含水量，有时高达15%～20%，入磨前水分是难以去除的，在磨内磨粉过程中会产生大量热量，立式磨还附设热风炉供热风给磨机，最终成品微粉水分控制在0.5%～1.2%，随废气进入袋式除尘器的过细微粉极易造成结露糊袋现象。
3 矿渣粉磨系统粉尘治理技术的现状
随着袋式除尘器技术的不断发展，尤其是新型滤料的研制及应用和清灰技术的发展，使袋式除尘器在矿渣粉磨系统除尘中得到了更加广泛的应用。针对矿渣粉磨工艺系统和含尘废气的特性，国内外先后研制和应用了反吹风型和脉冲喷吹型两类袋式除尘器。其中脉冲喷吹型有气箱脉冲袋式除尘器、低压长袋脉冲袋除尘器和箱管结合低阻高效袋式除尘器。
反吹风型袋式除尘器是采用高压反吹风机进行清灰的内滤式袋式除尘器，具有如下特点：
（1）采用内滤式反吹清灰，清灰动能较低，过滤风速必须取低值，设计过滤风速正常选取0.4～0.5m/min，因此具有设备体积较大、钢耗较高、占地面积大和投资较高的缺点；
（2）正常处理低浓度含尘气体，允许入口含尘浓度小于150g/m3，对于高浓度废气除尘，必须采用二级收尘，因此工艺较复杂；
（3）除尘效率较高，如过滤风速取低值，也能实现排放浓度<50mg/Nm3，但很难实现排放浓度<30mg/Nm3；
（4）采用反吹风清灰，清灰很难彻底，设备设计阻力小于1770Pa，清灰时引入大量新鲜冷空气，不利于防结露；
（5）因设备体积大、工艺复杂、占地面积大等，不适用于规模大、处理风量大的矿渣粉磨生产线。根据以上特点分析，该技术应用将越来越少，直至淘汰。
随着新型滤料性能的改善和脉冲清灰技术的发展，脉冲喷吹型袋式除尘器在矿渣粉磨系统除尘中得到一定程度的应用。相比反吹风型袋式除尘器，脉冲喷吹型袋式除尘器具有更好的性能，其性能特点如下：
（1）采用外滤式，设计过滤风速0.8～1.0m/min，因此具有设备体积较小、钢耗较低、占地面积小和投资较少的优点；
（2）能处理低于1000g/m3的高浓度含尘气体，无论是与立式磨还是与球磨配套都只要一级收尘，工艺流程简单；
（3）采用电磁脉冲阀进行脉冲清灰，清灰动能大，清灰彻底；
（4）选用涤纶针刺毡覆膜滤料，抗磨抗折抗拉的强力性能好，抗结露性能好。
但是，低压长袋脉冲除尘器用于矿渣粉磨系统时，由于矿渣微粉粉尘颗粒细、含湿量高、粘性强、清灰较困难，因此会造成整机阻力高而影响系统生产和运行成本。该除尘器属于行脉喷，存在粉尘的二次飞扬，阻力上升快，清灰次数多，缩短了脉冲阀和滤袋的使用寿命。
为有效避免该袋式除尘器存在的高阻力、滤袋寿命短和电耗高等缺点，国内有关研究设计院先后研制了FGM型矿渣用气箱脉冲袋式除尘器和KDMC大型低阻袋式除尘器。其中，FGM型矿渣用气箱脉冲袋式除尘器是在原气箱脉冲袋式除尘器的基础上进行改进的，适用于20万m3以下处理风量；KDMC大型低阻袋式除尘器是在原气箱脉冲袋式除尘器的基础上进行大风量、低阻力和均风结构的优化设计，采用“箱管结脉冲”清灰装置，适用于20万m3以上处理风量，两种袋式除尘器对过滤材料都进行了优化选型，这两种袋式除尘器目前已成为国内矿渣粉磨系统国产化除尘设备的首选。
4 矿渣粉磨系统除尘新技术介绍
4.1 FGM型矿渣用气箱脉冲袋式除尘器
FGM型气箱脉冲袋式除尘器主要由箱体、袋室、灰斗、进出风口、滤袋、袋笼、支柱、爬梯、栏杆、气路系统、提升阀系统、卸灰装置、清灰控制器等部分组成。其进出风口连接成一体形成风道，进出风口分别布置在袋室相对的两侧面，中间用斜隔板隔成互不透气的两部分，使气流分布均匀且预收尘效果好。
其工作原理是：含尘烟气先由进风口进入，在风道斜隔板的导向下，风道截面扩大风速降低，部分较大的尘粒在这里由于惯性碰撞、自然沉降等原因落入灰斗，大部分尘粒随气流上升进入袋室，经滤袋过滤后，尘粒被阻留在滤袋外侧，净化的烟气由滤袋内部进入净气箱，再由阀板孔、出风口排入大气，达到收尘的目的；随着过滤过程的不断进行，滤袋外侧的积尘也逐渐增多，从而使收尘器的运行阻力也逐步增高。当阻力增到预先设定值（1245～1470Pa）或者设定时间到时，清灰控制器发出信号，首先控制提升阀将阀板孔关闭，以切断该单元过滤烟气流，停止过滤过程，然后电磁脉冲阀打开，以极短的时间（0.1～0.15s）向净气箱内喷入压力为0.5～0.7MPa的压缩空气，压缩空气在净气箱内迅速膨胀，涌入滤袋内部，使滤袋产生变形、振动，加上逆气流的作用，袋室外部的粉尘便被清除下来掉入灰斗，清灰完毕后提升阀再次打开，收尘器又进入过滤状态。清灰动作均由PLC进行自动控制，清灰控制器有定时式和定压式两种。
其性能特点有：
（1）能处理高浓度含尘气体，只要一级收尘，工艺流程简单；
（2）具有设备体积较小、钢耗较低、占地面积小和投资较少的优点；
（3）清灰动能大，清灰彻底；
（4）设备运行阻力低，阻力小于1500Pa；
（5）滤袋使用寿命长，抗结露性能好。
4.2 KDMC矿渣粉磨大型低阻袋式除尘器
KDMC袋式除尘器由箱体、灰斗、滤袋、袋笼、提升阀、脉冲清灰系统、进出风管、卸灰装置、清灰控制器等等组成。
KDMC袋式除尘器最突出的两大结构特点是：
（1）进风道设计“梯极耙式均风导流板”。设计的梯级均风导流板用一整块5mm钢板压制而成，又设计了耙形叶片分布在整个烟道中，组合成为梯级耙式均风导流板。梯级耙式均风导流板的作用是使各袋室气流风速和流量尽量均等。在风道中相对应的每个袋室安装两片耙形叶片（5mm钢板压制而成），当含尘气体进入风道中，最大限度地增加了气流中粉尘颗粒与导流板撞击的面积，使更多量的粉尘颗粒在惯性重力作用下沉降到集灰斗中，从而降低了滤袋的粉尘负荷，使滤袋上的粉尘阻力降至最低。
（2）采用新研制的“箱管结合式”清灰装置。在箱式脉冲系统基础上加装压缩空气引导管，每个净气室内安装两根引流管，其原理与管式行脉冲的喷吹管相似，但其管径与喷吹口角度均不相同。该清灰装置克服了原箱式脉冲喷吹气流紊乱、箱内滤袋清灰强弱受力不均和管式脉冲阻力上升快、维护管理工作复杂的缺点，其清灰效果优于箱式、管式两种方式，管理简单，节能降耗。
其工作原理是：含尘气体进入除尘器进风管，然后折下进入灰斗，再上升经滤袋过滤。粗颗粒靠惯性落入灰斗底部，细粉尘被阻留在滤袋外表面。过滤后气体通过各滤袋汇集到净气室，经由出风管、风机排入大气（见下图）。KDMC袋式除尘器设计为离线清灰。随着过滤过程的不断进行，滤袋外表层积尘逐渐增多、增厚，需对滤袋进行清灰。清灰时，PLC控制仪发出信号，首先关闭一单元切换阀，两组脉冲清灰系统分别工作，向该单元滤袋喷射压缩空气，使滤袋膨胀、震动，达到清灰目的。清灰结束后，切换阀再次打开，该单元又重新进入过滤状态。清灰过程是按一定的时间间隔逐个单元依次轮流进行的，当某个单元清灰时，其余单元仍在过滤，互不干扰，可实现长期连续作业，提高清灰效果。
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其性能特点是：
（1）能处理大风量、高浓度含尘气体，只要一级收尘，工艺流程简单；
（2）具有设备体积较小、钢耗较低、占地面积小和投资较少的优点；
（3）采用箱管结合清灰方式，清灰动能大，清灰更彻底；
（4）设备运行阻力低，阻力为600～800Pa；
（5）滤袋使用寿命长，寿命在 3 年以上；
（6）排放浓度很低，达到并可优于30mg/Nm3的国家新标准。
5 矿渣粉磨袋式除尘器的选型
根据工艺设计方案和原始参数对袋式除尘器作选型，主要步骤包括：处理风量的确定、袋式除尘器类型的确定、过滤风速的选取、过滤面积的计算、除尘器规格的选取等。
5.1 处理风量的确定
因矿渣粉磨系统采用的工艺不同、原料水分不同、产品的品质要求不同，故单位产量处理风量大小不同。在工业运行实践中，大多选用立式磨终粉磨工艺，其成品物料全部用风力输送，处理风量通常用“带走矿粉所需要的最小风量”计算得出，带走矿粉所需要的最小风量可按入口粉尘浓度为220～270g/m3计算。处理风量也可以通过磨机单机台时产量来计算，处理风量Q=（4200～4800）G，其中，G为磨机台时产量（单位：吨/时），两种计算方法的结果基本一致。袋式除尘器的处理风量应根据理论计算再结合经验数据选取，按一般生产时所产生的最大废气量选取，且要考虑5%的系统漏风量。
5.2 袋式除尘器类型的确定
根据以上结构和原理分析，FGM型矿渣用气箱脉冲袋除尘器和KDMC大型低阻袋式除尘器有各自的适用范围。对于20万m3以下处理风量，可选用FGM型矿渣用气箱脉冲袋式除尘器；对于20万m3以上处理风量，可选用KDMC大型低阻袋式除尘器。
5.3 过滤风速的选取
过滤风速是袋式除尘器的一个重要技术参数，过滤风速的大小直接影响袋式除尘器的设备投资、运行费用、使用效果和滤袋的使用寿命等。袋除尘器的过滤风速取决于滤袋材质、处理的含尘气体性质（粉尘颗粒大小、浓度、温度、湿度、是否易燃易爆、粉尘粘结特性等）和排放标准要求等。过滤风速过大，就会造成阻力高、排放浓度高、滤袋寿命短；过滤风速过小，则会导致除尘器体积大、设备投资高。
袋式除尘器过滤风速计算公式为：
ω=k×Q/60F
式中：ω — 过滤风速(m/min)；
k — 风量波动系数；
Q — 风量（m3/h）；
F — 过滤面积（m2）。
过滤风速根据所选滤料的性能、高浓度的废气性质和粉尘排放标准，再结合矿渣粉磨工艺推荐的过滤风速值进行选取。对于处理风量小的FGM型矿渣用气箱脉冲袋除尘器，正常工况可选用普通涤纶针刺毡和涤纶针刺毡覆膜滤料。如选用550g/m2涤纶针刺毡覆膜滤料，过滤风速选1.0m/min以下比较适宜；如选用550g/m2涤纶针刺毡滤料，过滤风速定为0.8～0.9m/min比较适宜。对于处理风量大的KDMC大型低阻袋式除尘器，应综合考虑矿渣微粉特性、运行阻力和滤袋使用寿命等因素，选用550g/m2涤纶针刺毡覆膜滤料，过滤风速选1.0m/min以下比较适宜。
5.4 过滤面积的计算
过滤面积S=Q/(60×ω)。
5.5 除尘器规格的选取
这两种袋式除尘器的主要规格和性能见表2、表3和表4。
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5.6 各种规模生产线除尘器的选型
目前，国内单条矿渣粉磨生产线的规模从10万吨/年到100万吨/年不等。各设计院在设计矿渣粉磨系统时，工艺设计参数如处理风量基本是一致的，但采用的生产工艺流程及配置有所不同，配置的除尘器型号规格也有所区别。各种规格选型见表5。具体选型应以设计院提供的参数为准。
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6 矿渣粉磨袋式除尘器的应用
6.1 推广和应用情况
FGM型矿渣用气箱脉冲袋式除尘器是在FGM气箱脉冲袋式除尘器基础上研制开发的，该除尘器自研制以来在全国各地水泥厂粉磨车间和矿渣微粉生产线上大量推广使用，至今已有30余台投入使用，取得了良好的经济效益、环境效益和社会效益。
KDMC大型低阻袋式除尘器首先在江苏沙钢集团取得了成功应用，该企业应用的2台袋式除尘器自2005年9月投运以来，完全达到并超过设计的预期技术经济指标，实现了高效、节能、稳定运行的目的。2006年11月张家港市环保监测部门对该袋式除尘器进行了监测，其袋式除尘器出口排放浓度为3.5mg/Nm3。从监测结果看，粉尘排放浓度远低于新标准规定30mg/Nm3的限值，已经达到或超过欧美发达国家的排放标准。
KDMC大型低阻袋式除尘器自研制以来广泛应用于矿渣粉磨系统的废气治理，目前已推广销售了20多台，应用于济南鲁昂新型建材公司、山东莱芜钢厂、日照钢厂等矿渣微粉生产线。该除尘器于2006年11月通过部级鉴定；该除尘器研制项目先后荣获“2007年度合肥市重大科技产业化项目”、“2008年度建材行业科技进步三等奖”和“2008年环保部科技进步三等奖”等荣誉。
6.2 部分典型应用业绩
两种类型除尘器的部分应用业绩见表6。
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7 结语
（1）矿渣粉磨系统废气具有含粉尘颗粒细、粉尘浓度高和含湿量高等特点。为适应新标准《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004），废气治理必须选用新型低阻高效袋式除尘器。
（2）矿渣废气除尘技术主要有反吹风型袋式除尘器、脉冲喷吹型袋式除尘器和专用型袋式除尘器。为克服原技术存在高阻力、滤袋寿命短和运行成本高等弱点，近年来研制的FGM型矿渣用袋式除尘器和KDMC大型低阻袋式除尘器具有先进的结构特点及良好的性能特点。
（3）矿渣粉磨袋式除尘器的选型主要应考虑处理风量的确定、袋式除尘器类型的确定、过滤风速的选取、过滤面积的计算、除尘器规格的选取等内容。目前，FGM型矿渣用袋式除尘器和KDMC大型低阻袋式除尘器已得到了广泛的应用，随着矿渣微粉生产线规模的日益扩大，KDMC大型低阻袋式除尘器的应用具有很好的经济效益、社会效益和环境效益，该除尘器已成为业主和设计院的首选产品。
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