窯頭除塵器電改袋后煙氣降溫方式的探討

由于袋除塵器具備低排放、無事故排放和不受粉塵比電阻影響的性能，使得許多水泥廠在對原電除塵器進行改造時采用電改袋的方式（包括改為電袋復合）。本文就其中窯頭電除塵器改造為袋除塵器后的煙氣降溫方式進行探討。

1　窯頭篦冷機煙氣特性

1）風量變化大。篦冷機的風量隨進入篦冷機熟料量多少變化，尤其出現(xiàn)窯內(nèi)結(jié)圈和堆積等惡劣工況時，一旦窯圈崩塌使窯內(nèi)黃心料在極短的時間內(nèi)進入篦冷機，將導致風量迅速增加。

2）溫度和含塵濃度變化大。正常情況下，出篦冷機末端余風溫度在200~260℃，標態(tài)下含塵濃度約為20g/m3，隨著篦冷機內(nèi)熟料量的增加，余風溫度相應(yīng)升高，一旦出現(xiàn)“跑黃心料”的情況，溫度很快達到450℃以上，標態(tài)下含塵濃度也在50g/m3以上。

3）粉塵顆粒較粗、密度大且磨蝕性強以及干燥比電阻高。生產(chǎn)線增加余熱發(fā)電設(shè)備以后，煙氣溫度降低到100℃左右，且粉塵濕度小、比電阻太高，電除塵器易形成反電暈現(xiàn)象，即從收塵極向電暈空間釋放大量的正電荷，這種倒流的電荷與負電荷快速中和，隨氣流逸出電除塵器，破壞正常的收塵作用，不但降低除塵效率，而且還白白消耗大量的電暈功率。

以上特性不論是在除塵工藝設(shè)計和設(shè)備選型還是在后期除塵設(shè)備改造時都必須充分考慮。尤其是煙氣溫度，就目前的技術(shù)水平，電除塵器和袋除塵器均無法對此類煙氣直接進行凈化處理。同時，根據(jù)近幾年窯頭電除塵器改造成袋除塵器項目來看，無論采用玻纖覆膜濾料，還是采用復合氈類濾料，耐溫均不超過260℃。因此，需要增加降溫設(shè)備或提供降溫途徑。

2　降溫措施

2.1　強制風冷冷卻器

這種冷卻器是由一定數(shù)量的傳熱鋼管排列組合而成，所以也稱多管冷卻器。高溫氣體在管束內(nèi)通過，同時在管束外壁用軸流風機強制通風進行冷卻，由于鋼管壁的熱傳導作用，使高溫氣體的溫度降低而冷風的溫度升高。在圖1中處于篦冷機余風與除塵器進口之間的位置，與余熱鍋爐是并聯(lián)關(guān)系。

圖1　窯頭工藝流程示意

由于環(huán)境空氣的溫度和濕度是變化的，需要處理煙氣的氣體量和溫度也是變化的，而一定規(guī)格的冷卻器其散熱面積是固定的，為使冷卻器適應(yīng)這種變化，確保高溫煙氣被冷卻至一個允許的范圍內(nèi)，在距冷卻器進、出氣口適當?shù)木嚯x上（由現(xiàn)場工藝決定，越遠越好）分別安裝進口和出口測溫裝置。每個測溫裝置有幾個測溫元件組成以防誤差和個別損壞，測溫元件必須反應(yīng)靈敏，檢測溫度真實可靠，保證測試數(shù)據(jù)與實際工況一致。在冷卻器上安裝了相當數(shù)量的軸流風機，以便在情況發(fā)生變化時啟動這些風機進行強制通風，增加冷卻效果。同時根據(jù)現(xiàn)場測溫裝置提供4~20mA的模擬信號控制軸流風機的啟停數(shù)量，也可采用變頻調(diào)速裝置進行控制，保證了冷卻器出口溫度的穩(wěn)定可靠。

實例：我公司在某企業(yè)窯頭除塵器電改袋項目中提供了強制風冷冷卻器，其設(shè)計參數(shù)見表1。

該冷卻設(shè)備經(jīng)過現(xiàn)場安裝調(diào)試完畢后，窯點火成功，并同步運行與窯頭袋除塵器配套的冷卻器，系統(tǒng)正常運行后，測篦冷機末端取風口管道處（即冷卻器進口測溫點）溫度為260~280℃，袋除塵器進口（即冷卻器出口測溫點）溫度為90~110℃，根據(jù)起始調(diào)節(jié)情況溫降時間大約在5～10min。完全滿足袋除塵器使用的工況要求，并且還有約三分之一的風機未運行，如出現(xiàn)異常工況可啟動所有風機保證袋除塵器進口溫度控制在濾料可承受的溫度210℃以下。

表1　強制風冷冷卻器設(shè)計參數(shù)

強制風冷冷卻器的穩(wěn)定性和管理簡單等優(yōu)點非常明顯，冷卻效果可完全達到設(shè)計要求。在改造項目中，因使用該冷卻器，降低了工況溫度，減少了袋除塵器工況下處理的煙氣量，并且煙氣經(jīng)過冷卻器后，部分粉塵得到了預沉降，又因未采用噴霧降溫，煙氣含水量小，清灰效果好，加之使用了諾麥克斯濾料，濾袋壽命長達5~6年，工況阻力基本在1000Pa以下，運行第6年阻力仍能保證在1200Pa以下。

2.2　噴霧降溫

這種降溫方式通過特殊霧化設(shè)備將水霧化，由于水的比熱較大，霧狀顆粒擴散蒸發(fā)就會吸收周圍環(huán)境的熱量，從而使周圍環(huán)境溫度降低。

現(xiàn)在水泥廠窯頭篦冷機常用的噴霧降溫系統(tǒng)分為雙流體噴霧系統(tǒng)和單流體噴霧系統(tǒng)（其中包含高壓回流式和高壓直噴式）。雙流體噴霧系統(tǒng)（見圖2）構(gòu)成主要有：1）水路系統(tǒng)，包括水箱、水泵、液體過濾器和流量控制裝置等；2）氣路系統(tǒng)，由氣體壓力調(diào)節(jié)閥、電磁控制閥和壓力檢測組件等組成；3）控制系統(tǒng)，由溫度檢測裝置、控制柜、變頻器、水路和氣路壓力變送器及壓力開關(guān)等組成；4）噴槍。

圖2　雙流體噴霧系統(tǒng)示意

雙流體噴霧系統(tǒng)與單流體噴霧系統(tǒng)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別表現(xiàn)在前者比后者增加了氣路系統(tǒng)，并相應(yīng)增加氣路的控制元件。包括由自動控制回路、安全模式回路和噴槍吹掃回路等組成的供氣系統(tǒng)，由控制器控制實現(xiàn)回路的自動切換。在系統(tǒng)停用時，可以通過低壓吹掃保持噴槍內(nèi)的微正壓，保證含塵煙氣不會進入噴槍，有效地防止噴槍的堵塞。

由于結(jié)構(gòu)不同造成兩者在經(jīng)濟技術(shù)指標上也有著本質(zhì)的區(qū)別。雙流體水泵出口壓力小，噴槍水氣壓低，相應(yīng)系統(tǒng)管路元件承受壓力低，流量調(diào)節(jié)采用噴槍分組及水泵變頻調(diào)節(jié)噴水量，霧化粒徑小，霧化效果好，蒸發(fā)時間少，使篦冷機內(nèi)不易結(jié)垢，處理同樣的煙氣量需要的噴槍數(shù)量少，尤其在噴水量由大變小的過程中相對單流體高壓直噴式優(yōu)勢明顯。雙流體噴嘴是核心部件，噴嘴孔徑大，不易堵塞，可直接使用河水、廢水和循環(huán)水不需過濾處理。同時由于噴嘴孔徑大、工作壓力低，使噴嘴磨損速度慢，使用壽命長。

噴霧裝置可與余熱發(fā)電系統(tǒng)配合使用，首先根據(jù)余熱發(fā)電停用時系統(tǒng)需處理的煙氣量、工況煙氣高溫度和進除塵器高溫度確定噴霧裝置規(guī)格。然后根據(jù)現(xiàn)場具體情況，工藝管道走向，選擇噴霧裝置安裝位置。目前使用的噴霧裝置，大多布置在篦冷機頂部或篦冷機煙氣出風管道內(nèi)，也有兩處同時布置的，正常情況下篦冷機內(nèi)噴霧裝置工作，當遇到突發(fā)意外情況時，管道內(nèi)噴霧裝置也可達到噴霧降溫功能。篦冷機安裝噴槍時要充分考慮其內(nèi)部溫度高、粉塵磨蝕性大和內(nèi)部氣體流場等情況，以此來確定噴槍的材質(zhì)和安裝的位置。避免因煙氣溫度過高，使噴槍過熱報廢，同時也要避免由于內(nèi)部過大氣流帶動粉塵沖刷磨蝕噴槍。當余熱發(fā)電長期穩(wěn)定運行期間，可采用伸縮式噴槍，或縮短噴槍插入深度，并增加耐磨防護套，或直接把噴槍抽出以避免噴槍不必要的損壞。當噴霧系統(tǒng)布置在管道內(nèi)部時，要盡量遠離除塵設(shè)備進口位置，同時保證在直管段部位，順氣流噴射，要避免噴出的水霧打在管道壁上，影響降溫效果。當余熱發(fā)電設(shè)備有計劃的停運時，可先行檢查噴霧降溫系統(tǒng)設(shè)備完好情況，并保證設(shè)備的正常巡檢不遺漏。

實例：我公司在某企業(yè)窯頭除塵器電改袋項目中提供了噴霧降溫裝置，其設(shè)計參數(shù)見表2。

表2　噴霧降溫裝置設(shè)計參數(shù)

全套噴霧設(shè)備經(jīng)過現(xiàn)場安裝調(diào)試完畢后，窯點火運行成功，并同步運行配套余熱發(fā)電系統(tǒng)，緩慢關(guān)閉通往余熱鍋爐的煙氣管道，打開噴霧系統(tǒng)自動控制程序，并打開篦冷機末端取風口管道閥門，使煙氣緩慢進入改造后的袋除塵器內(nèi)部，檢測到煙氣初始溫度276~302℃，通過控制噴霧水泵電動機運行頻率由10Hz調(diào)到30Hz，袋除塵器的煙氣進口溫度在150~180℃之間。根據(jù)起始調(diào)節(jié)情況溫降時間大約在1~3min，因此完全滿足袋除塵器使用的工況要求，并且水泵的工作能力還未充分發(fā)揮。

2.3　強制風冷冷卻器與噴霧降溫裝置的比較

表3分別從設(shè)備性能、投資等方面對兩種降溫裝置進行比較。

表3　強制風冷冷卻器與噴霧降溫的比較

2.4　其他降溫措施

其他降溫措施就是在上述降溫裝置正常運行的基礎(chǔ)上，增加系統(tǒng)安全性，避免出現(xiàn)系統(tǒng)風量和溫度過高損毀袋除塵器的濾袋和除塵器本體。常用的方式有：1）在系統(tǒng)風管上增加冷風閥和溫度控制器；2）增加旁路煙道，當系統(tǒng)遇到超高溫時，直接由旁路煙道排出，避免進入袋除塵器濾袋區(qū)燒毀濾袋。

關(guān)于增加冷風閥和溫度控制器。對它的效果有待考證，當系統(tǒng)運行正常的情況下，無論是強制風冷冷卻器，還是噴霧降溫措施均能很容易達到煙氣的降溫要求，但當窯系統(tǒng)不穩(wěn)定時，尤其發(fā)生塌料的時候，在篦冷機與除塵器設(shè)備之間的管道內(nèi)形成正壓區(qū)，冷風閥打開時系統(tǒng)外的空氣不會進入系統(tǒng)內(nèi)部，達不到降溫效果。同時由于事故出現(xiàn)前，系統(tǒng)基本沒有任何征兆，很難保證長期不運行的冷風閥在很短時間內(nèi)打開。根據(jù)實際應(yīng)用情況，國內(nèi)水泥行業(yè)窯頭收塵技術(shù)很少單獨采用摻冷風冷卻高溫氣體的措施，因摻冷風后會增大廢氣的處理量，摻入的氣體受環(huán)境溫度影響較大，同時必須增大除塵設(shè)備規(guī)格，增大投資；如果在系統(tǒng)中運用，可以在有其他降溫措施的情況下，作為一種輔助措施，增加系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)于增加旁路煙道。旁路煙道的設(shè)置，在國內(nèi)電力行業(yè)應(yīng)用較為普遍，但隨著社會公眾對環(huán)境保護的重視和技術(shù)的發(fā)展，電力行業(yè)的旁路煙道系統(tǒng)已經(jīng)實施了拆除或鉛封制度。水泥行業(yè)借鑒電力行業(yè)設(shè)置旁路煙道系統(tǒng)，是在余熱發(fā)電異常情況停運、煙氣溫度超出濾袋耐溫范圍時使用，從目前情況不建議采用旁路煙道，因增加旁路煙道既增加了設(shè)備投資，又增加旁路煙道漏灰的可能性，使排放超標，且隨著環(huán)保要求的嚴格，水泥行業(yè)旁路偷排現(xiàn)象必定會受到法律和法規(guī)的約束。

2.5　需要說明的問題

無論采用何種降溫措施，其中熱電阻的選用是重要一環(huán)，因任何降溫系統(tǒng)運行都是以熱電阻的檢測溫度信號為參數(shù)進行調(diào)節(jié)的。熱電阻要選用熱響應(yīng)時間短的；接線方式要選用能消除引線電阻對測量結(jié)果影響的三線制，尤其在溫度測量點距控制箱較遠的情況下；熱電阻的安裝要合理，測點位置要保證熱電阻的測量端與被測量介質(zhì)之間有充分的熱交換，避免在閥門、彎頭、管道和設(shè)備的死角處安裝熱電阻；熱電阻的選用長度要適當，通常情況下要插入管道中心線處，根據(jù)我們的實際使用經(jīng)驗，如果插入深度不合適，可能會與被測溫度相差20℃以上。因此對于窯頭除塵器電改袋降溫系統(tǒng)來說，熱電阻的選擇應(yīng)用是好重要的一環(huán)，必須引起足夠的重視。

3　結(jié)束語

綜上所述，對于窯頭廢氣降溫方案綜合比較：大型強制風冷冷卻器有著冷卻效果好、適應(yīng)性強、可靠性高、整機振動小和變頻控制節(jié)能效果明顯等優(yōu)勢，它的缺點是，投資大且對場地有一定的要求；噴霧降溫裝置投資少，對場地要求不高，尤其適宜原水泥生產(chǎn)線配有余熱發(fā)電系統(tǒng)和應(yīng)用強制風冷冷卻器空間布置受限的情況。根據(jù)我公司現(xiàn)有窯頭除塵器電改袋的運行情況，在設(shè)備調(diào)試和試運行階段，噴霧降溫系統(tǒng)能夠達到設(shè)計的降溫要求，但篦冷機出現(xiàn)極端工況時，缺少實際運行情況數(shù)據(jù)，所以它的可靠性和強制風冷冷卻器相比要差一點。因此，噴霧降溫系統(tǒng)常需要和其他輔助措施同時應(yīng)用。

作者：譚長栓

作者單位：河南中材環(huán)保有限公司