水泥窑“电改袋”系统解决方案探讨

  为提升企业环保水平，挖掘企业节能潜力，提升企业竞争力，促进水泥工作转型升级，中国水泥网在河南郑州召开了“2014第二届中国水泥节能环保技术交流大会”。 会议邀请行业领导，知名专家，水泥企业总工，节能技术负责人，科研院所研究员，广大水泥行业服务商共计三百余人齐聚一堂，组织召开了共同探讨水泥工业的节能环保政策，交流最新装备和技术措施。河南中材环保有限公司总经理李桂亭针对水泥窑“电改袋”系统解决方案进行了探讨。

河南中材环保有限公司总经理李桂亭

 一、电收尘器改造为袋收尘器的必要性与可行性

  进入二十一世纪以来，随着我国经济持续高速增长，资源能源需求不断提高，环境压力日益突出。“沙尘暴”、“低碳”、“雾霾”、“PM2.5”等一系列热门词汇，更使得环境保护关切度尤为突出。党的十八首次将“努力建设美丽中国”作为执政理念提出，相继出台了一系列政策性文件，一方面培育和发展环保产业，两一方面不断提高环保标准，赶超世界先进水平。

  水泥行业作为国民经济的支柱产业，得到了长足的发展。截止2013年底，全国水泥产量达到24.1亿吨，全国熟料产能18.6亿吨，产量13.6亿吨，熟料生产线达到1714条。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、余热发电等方面都取得了不俗的成绩。但是我们应该清醒的看到，水泥行业仍然是高消耗高排放行业，这是目前水泥生产的工艺过程所决定的。据2010年数据统计，水泥工业产业的粉尘排放占到全国工业生产总排放量的31.7%，这样大的污染物排放总量，给生态环境带来巨大压力。据统计目前水泥窑用的除尘设备80％以上为电除尘器，排放标准普遍在50-100mg/Nm³。 根据水泥行业环保现状和国家环境保护的实际需要，国家多次对水泥行业粉尘排放标准进行修订和完善（详见表一）。

  通过表一看出，国家对水泥生产环保要求是非常严格的，而绝大部分在运行的电除尘设备将无法满足这样高标准的排放要求，而明年7月1日现有企业将按新标准执行，因此对原有电除尘改造势在必行。

  电除尘器作为高效除尘器的一种，在水泥行业除尘领域占有绝对的主导地位。但由于电除尘本身除尘机理和水泥生产工艺特点决定了要满足20mg/Nm³的排放要求，仅对原有电除尘器进行简单的改造是不行的，必须从除尘机理上改造为袋式除尘器。

  第一、原有的电除尘都是按照排放50、100、150设计选型的，要满足新标准，其容量本身不够，仅简单的更换部件、更换控制方式，使排放成倍降低是不可能的。增加电场，又受空间场地制约，也不一定能取得好的效果。

表一：新旧标准的比较

  第二、电除尘器受比电阻影响非常大。通过余热发电降温后，若不再进行调质处理，比电阻将超出合理区间，电除尘器无法满足低排放要求。

  第三、电除尘器无法避免事故排放。

  以窑尾电除尘为例，水泥窑窑尾使用电除尘时，为了电除尘安全运行，均安装了CO检测系统。当CO浓度超过2%时将自动切断高压电源。此时，电除尘器仅作为具有沉降作用的烟气通道，粉尘将对空排放。据测算，当排放标准按100mg/Nm³考虑时，若CO超标时间按0.5%计算，则由于CO超标引起的电除尘器年超标排放总量与除尘器正常达标排放的总量相当^[1] 。如果按新标准30mg/Nm³考虑，若CO超标时间按0.5%计算，则由于CO超标引起的电除尘器年超标排放总量是除尘器正常达标排放总量的3.3倍。而CO超标时间控制在0.5%以内是不可能的，大部分在1%，有的甚至达到2%。因此由于CO超标而造成的事故排放总量将是极其惊人的，这也是新标准绝对不允许的。因此新标准规定了环保设备与主机设备同步运行率为100%。

  第四、袋式收尘器从除尘机理上就克服了电除尘的不足，完全可以避免事故排放。我国袋式除尘从过滤技术到清灰技术均取得了长足的进步，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。

  综上所述，水泥行业电除尘改造为袋式除尘器是目前为满足新标准的必要选择，也是可行的选择。

  二、电改袋几种形式比较

  目前对于电改袋并没有确切的定义，只要原来使用的电除尘器经过改造，其排放效果由袋除尘器保证，都可称为电改袋。其具体形式有如下几种：

  1、保留原电除尘器的壳体，仅拆除内部构件而改造成袋除尘器，简称“电改袋”

  2、保留原电除尘器1-2个电场，将剩余电场内部拆除改造成袋除尘器，也称电改为电袋复合除尘器

  3、在原电除尘器基础上，新建一台袋除尘器，也称“电换袋”。

  4、在原电除尘器前或后串联一台袋除尘器。

  5、在原电除尘器旁边并联一台袋除尘器，并封堵或拆除原电除尘器。

  以上几种形式在工程实践中均有应用。就目前国内水泥行业应用最多的是第1和第2种形式。第3种形式等于完全拆除电除尘器，在投资和工期方面均无优势。第4和第5种形式在国外有个别应用，由于场地等原因，显然是不适合技改的。

  至于采用“电改袋”还是采用“电改电袋复合”方式，在工程应用中存在着不同的看法，有着孰优孰略的争论。实际上只要我们明白为什么要把电除尘改为袋除尘，在改造方式的选择上就清晰了。之所以电改袋，就是因为原电收尘器无法保证达标排放，而袋除尘能够保证要求。也就是说，排放达标是由袋除尘保证的，改造首先要保证满足袋收尘的空间要求。若原电除尘器空间足够大，保留1-2个电场剩余的空间仍能满足袋除尘的布置要求，则完全可以保留1-2个电场。反之，则必须全部改为袋式除尘器。

  仅就电袋复合除尘器和袋除尘器比较而言，电袋复合集合了电除尘和袋除尘的优点于一身，有其自身的特点和优势。

  首先，电袋复合除尘器前面的电场可以去除80%左右的粗颗粒，大大减轻后面滤袋的负荷。

  其次，粉尘在电场中荷电，由于同电荷排斥的原理，在滤袋表面集结比较蓬松，易于清灰。

  基于上述因素，滤袋的过滤阻力大大降低（与纯袋相比可降低200-300Pa），清灰周期延长，滤袋使用寿命增加。

  需要强调说明的是，选择电袋复合作为技改方式，必须保证有足够的空间，在滤料的选择上必须选用表面过滤的滤材，否则将适得其反。

  三、电改袋系统解决方案探讨

  电收尘器改造为袋收尘器，由于除尘机理的改变，对整个系统均有较大的影响。电改袋后，除了必须满足排放要求之外，还必须考虑运行成本和滤袋使用寿命，力争达到低阻、高效、长寿命的要求。因此它绝不仅仅是单机的改造，而需要系统解决方案。

  （一）现场工况的标定及场地勘察

  为了制订切合实际的改造方案，需要到现场标定现有电除尘器的工况，包括风量标定、烟气成分标定、运行温度标定、入口浓度标定等，还需要对施工场地进行必要的勘察。需要仔细查看原电除尘器的图纸，了解原电除尘器的结构。若找不到图纸，就必须现场对外形测绘。

  （二）本体改造方案的确定

  首先，根据现场标定情况和对原电除尘器结构的了解，确定采用“电改袋”方案还是“电改电袋复合”方案。

  其次，根据方案和使用场合选用滤料。

  对于窑尾而言一般推荐使用玻纤覆膜滤料或P84滤料；对于窑头一般推荐芳纶滤料或玻纤覆膜滤料。需要说明的是，若采用电改电袋复合形式，则一定要选用覆膜滤料。（几种滤料性能比较见表二）

  表二  几种滤料的性能比较

  第三，根据实际工况风量及选定的滤料，确定过滤风速及总收尘面积，继而选定方案的具体规格型号。按照公式确定过滤面积：

  S=Q/60V

  S--总过滤面积m²

  Q--工况风量m3/h

  V--过滤风速m/min[Page]

  （三）降温方式的确定

  袋式除尘器使用滤料的不同，其耐温不同。无论窑头和窑尾经过预热发电后，其温度基本适合袋子的要求。由于预热发电与窑运行存在不同步问题，必须考虑采取降温措施。对窑尾而言，原电除尘器一般均有增湿塔，可以利用增湿塔作为降温设备。对窑头除尘改造时就必须考虑采用何种降温措施了（窑头温度见表三）。

 表三    窑头余热发电开、停时的温度比较(单位℃)

   常用的窑头降温措施有以下几种：

  1、列管冷却器：降温效果稳定可靠，但投资成本较高，而且需要有场地布置，涉及到水泥厂工艺管道及输灰系统的改造，施工复杂，周期长（可以提前施工）。采用此降温措施时可采用芳纶材质的滤袋。

  2、篦冷机喷水+蝶阀+双冷风阀：正常余热发电停时，篦冷机喷水打开降温。异常情况时，篦冷机喷水打开，同时关闭蝶阀，打开蝶阀前后两个冷风阀，保护滤袋。由于降温效果不理想，建议采用玻纤覆膜滤袋。

  3、管道增湿：在工艺管道上布置耐高温、耐磨的雾化效果好的喷枪进行增湿降温。在正常情况下，预热发电停时，用其降温没有问题。在异常情况下，由于反应时间问题，其效果不好。

  如果现场场地允许，推荐使用列管冷却器降温，可以大大延长滤袋使用寿命。

  （四）风机改造方案的确定

  电改袋后，由于除尘机理的变化，系统的阻力将发生较大的变化，原系统的风机功率可能不能满足需要，需对风机进行改造。电改袋后系统阻力变化见表四。

 表四：窑头、窑尾电改袋后阻力变化情况

   根据上表阻力变化情况和现有风机的实际情况比较，若现有风机不能满足要求，则必须对风机进行改造。目前，对风机的改造有以下几种方式：

  1、整体更换大功率的风机

  2、仅更换电机或变频

  3、仅更换叶轮（包括轴和联轴器）

  具体改造原则，首先必须满足电改袋后的需要，其次投资节省和较短的工期。

  （五）电改袋具体制造工艺原则

  电改袋的目的是为了满足更高标准的排放要求，同时技改项目又有时间的严格限制。因此，除了科学的改造方案之外，对制造工艺也提出了较高的要求。在工程实践中我们总结了以下应遵循的工艺原则：

  第一，“三配合”原则。

  所谓“三配合”就是对每一个改造项目，滤袋、袋笼和花板孔必须做配合试验。无论本体供应商、滤袋供应商、袋笼供应商是哪一家，均需有本体供应商首先提供花板样孔，并组织滤袋、袋笼与花板孔的配合试验，按照具体的配合结果再进行滤袋和袋笼的生产。

  第二，关键部件工厂组装原则.

  电改袋最主要部件的是净气室及分气箱。为保证改造质量和改造工期的要求，应尽可能将组件在工厂内部完成。为此，我们要求花板组对、净气室组装、气密性检查等在工厂内完成。分气箱与脉冲阀的组对、水压、气压试验在工厂内完成。（详见图一、二、三）

  图一、净气室组对为整体

  图二  喷吹管与花板的对中组对

  图三  分气箱与脉冲阀的组对及实验

  （五）现场施工方案的确定

  作为系统解决方案，现场施工是整个改造环节的重要一环。现场施工组织设计是项目该能否顺利实施的关键。典型的的施工工艺有以下步骤^【2】：

  （1）搭建脚手架、拆除电除尘的顶部平台、防雨板等不影响电除尘器运行的部件，将所有能在地面进行的组对工作完成。

  （2）停窑拆除电除尘的内部构件及不需的部件，利用不需的部件对壳体进行加固，同时开始风机的改造

  （3）检修电场顶梁的平面度，安装净气室支撑

  （4）安装净气室、分气箱

  （5）改做出气口

  （6）改造安装气路系统及喷吹装置的调试

  （7）安装滤袋和袋笼

  （9）系统调试

  （10）荧光粉检测

  （11）预涂灰

  （12）试运行

  （13）外保温改造

  （六）正式运行后的排放检测

  电改袋的重要目的就是为了适合高标准的排放要求，因此改造完成后进行必要的环保检测，以检验改造是否成功也是关键的步骤之一。