銅鉛鋅冶煉煙塵凈化用濾料優化研究

朱永貴

(湖南有色冶金勞動保護研究院,湖南長沙 410014)

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銅鉛鋅冶煉煙塵凈化用濾料優化研究

朱永貴

(湖南有色冶金勞動保護研究院,湖南長沙 410014)

從分析銅鉛鋅冶煉煙塵性質入手,在對比國產幾種主要工業濾料空載及荷載阻力特性基礎上,進行了有代表性的工業生產性過濾清灰試驗研究。從而對銅鉛鋅冶煉煙塵凈化用濾料的優化進行研究,并探討出經濟實用、運行阻力低、清灰性能好的新型過濾材料。

銅鉛鋅冶煉煙塵;工業濾料;阻力特性;過濾材料

在銅鉛鋅冶煉過程中產生大量的煙塵,由于其特殊的性質,如高比電阻、分散度高、流動性差、粘度中等偏高等等,使得銅鉛鋅冶煉煙塵大部分凈化回收系統采用了干式布袋收塵技術措施。就我國目前較大的銅鉛鋅冶煉企業株洲冶煉集團股份有限公司而言,其工藝收塵和環保凈化用的布袋收塵設備達三十多臺套,占企業總凈化收塵設備臺數70%以上。這些收塵設備對企業的生產和環保凈化收塵工作起到了非常重要的作用。

作為袋式收塵設備而言,一方面是清灰再生技術,它關系到設備能否長期穩定運行;另一方面是過濾材料,它不但影響清灰效果,而且是收塵效率、運行阻力等技術指標能否優化的關鍵。

上世紀70年代,我國隨著化工紡織技術的發展,開發出了滌綸208過濾布,且得到大面積應用,由于這種聚酯類纖維濾料表面采用拉毛織法,使得其表面有較長的絨毛,特別是在銅鉛鋅冶煉煙塵凈化過程中,容易出現運行阻力高、剩余煙塵量大、積塵不易清除等技術問題。為克服208滌綸濾料的技術不足,國內又相繼開發出了多種新型過濾材料,如0347芳砜綸、針刺氈、梅洛克斯、729、F729等,0347芳砜綸雖然耐高溫、耐酸性和耐濕性較好,但耐堿性和耐磨性比較差,針刺氈雖然耐高溫、過濾效率高,但透氣性、粉塵剝落性較差,梅洛克斯雖然耐高溫、耐酸性和耐堿性較好,但粉塵剝落性較差,F729透氣性好、過濾效率高、容易清灰。不過對于銅鉛鋅冶煉煙塵凈化收塵而言,由于工藝流程互不相同,塵源性質十分復雜的各收塵系統,是不可能一概而論能否采用哪種濾料,而應根據試驗研究結果,科學合理,經濟實用地選擇適用于各工藝系統的過濾材料。因此,開展銅鉛鋅冶煉煙塵凈化收塵用濾料的優化試驗工作,將能有效改善收塵設施的運行狀況,降低收塵系統的運行阻力,提高收塵效率。無論在經濟效益,還是在環境效益及社會效益上都具有明顯的現實意義。

1 幾種主要工業過濾材料阻力特性試驗

為達到布袋收塵裝置高效連續地運行,除清灰方式和設備本體結構外,其關鍵技術在濾料的研究與選用。近年來,國內外在濾料的研究開發、應用推廣方面做了許多工作。

在布袋收塵設備的高溫應用領域,對濾料的要求更加嚴格,不但要求纖維材料耐高溫,同時要求耐腐蝕性氣體。目前在國內加工生產的高溫濾料材質有:Aramid纖維、PTFE纖維、PPS纖維等幾種,由于原料大多為進口,故價格較高,使用范圍非常有限。而國產的玻璃纖維雖然具有很好的耐溫性能(230～260℃),是目前用于過濾高溫煙氣的濾料之一,但耐磨和耐折彎的機械強度差,使得其應用范圍受到局限。為克服玻璃纖維的缺點而研究出一些不同的預處理方法,取得了較好的效果。特別是玻纖針氈與普通的玻纖織布比較,提高了過濾效率,降低了阻力,延長了濾袋使用壽命,并且節約造價達43%。這種濾料已成功地運用于鍋爐及水泥熟料回轉窯的煙氣凈化工程,取得較好的效果。

隨著化纖工業的發展在布袋收塵器的中低溫范圍內(＜130℃),目前廣泛采用的濾料是國產聚脂纖維濾料,消化引進產品還有聚丙烯晴(PAN)和聚乙烯對苯二(甲)酸鹽脂(PETP)。PETP纖維對水解很敏感,在高溫、高濕和酸性氣體條件下,PETP纖維會很快遭到破壞。PAN纖維可在120℃及高濕的氣體中工作,在含有NO2、SO2的氣體中PAN纖維的破壞狀況類似于在高溫(＞200℃)空氣中的分解,因此PAN纖維在含有NO2、SO2的煙氣中的應用是非常有限的。208滌綸絨布和新型F729濾料統屬聚脂類纖維,具有抗腐蝕性強、機械性能好等共同優點。

對幾種國產過濾材料進行了對比試驗。對比試驗選用了F729、208、0347、針刺氈四種材質,分別進行了空載阻力特性、濾料靜態集塵之后的阻力特性、以及反吹強度對剩余阻力和粉塵量的影響測試。

對上述四種常溫下應用的濾料,在不同的過濾風速下,空載阻力的測定值見圖1,由圖1中可以看出:針刺氈阻力系數最小,透氣性最好,而0347阻力系數最大。

圖1 濾料空載阻力特性

濾料靜態集塵阻力,濾料集塵后阻力上升的快慢是評價濾料集塵阻力特性的主要參數,上升速率與粉塵阻力系數、粉塵層負荷指數有關,表1是四種被測試濾料在過濾某種標準粉塵時,靜態集塵阻力的上升速率值,測定時的運行條件是過濾風速0.8 m/min,發塵濃度相同,過濾時間為30 min。

表1 四種濾料的集塵阻力速率

由測試結果看出:F729濾料與針刺氈的集塵阻力上升速率較小。

反吹強度參數對剩余阻力及粉塵量的影響。濾料集塵后阻力上升,影響其過濾性能,因此需要不斷地清灰再生,反吹風清灰是利用與過濾氣流相反的氣流清理濾料上的集塵層。反吹風強度參數的高低對剩余阻力和剩余粉塵層量大小起一定作用。表2是在過濾風速為0.8 m/min,反吹風風量與過濾風量之比取不同值的條件下對四種濾料的剩余阻力和剩余粉塵量的測定結果。

表2 不同反吹風條件下濾料的剩余阻力和粉塵量

由表2的結果可以看出,對于該種試驗粉塵而言,反吹風風量與過濾風量之比要大于1.5才能達到適宜清灰的目的。另外反吹風作用后0347濾料的剩余粉塵量最少,氈類最高。

通過上述試驗比較的結果說明,新型濾料無論是過濾特性還是清灰效果都得到了較大的提高。

2 工業性生產過濾清灰試驗

為了探討篩選出的幾種過濾材料在實際生產中的性能,展開了反吹風大布袋收塵用過濾材料的工業性生產應用對比試驗研究。目的在于檢驗新型過濾材料在各種生產條件下對煙塵的適應性,以及運行過程中過濾和清灰的阻力特性等技術參數是否能達到預期的要求。由于株洲冶煉集團股份有限公司工藝生產條件較復雜,為了使試驗更具有代表性,各試驗點的選擇按下述原則進行:

1.銅、鉛、鋅、稀貴等不同的金屬冶煉工藝過程中各選一個試驗點。

2.各試驗點的煙氣、煙塵性質具有較強的代表性。

3.原有的大布袋收塵設施應能基本正常地運行,年運行天數較多。

4.原有的大布袋收塵設施應擁有較好的清灰再生系統。

5.原有的大布袋收塵設施應擁有較好的維護管理人員隊伍。

根據上述原則,選擇的本次試驗點為:銅冶煉分廠鼓風爐、鉛精煉分廠浮渣反射爐、鋅焙燒分廠多膛爐、鉛粗煉分廠煙化爐、稀貴分廠銀轉爐。以上五個點的收塵系統狀況見表3。

表3 五個試驗點收塵系統的基本技術狀況

試驗方法及檢測結果。在每一個試驗點上選取兩個布袋室,一個布袋室維持原有的濾料不變;另一個布袋室則全部更換為試驗的新型濾料布袋,并且分別裝上壓差監測儀器,試驗測試示意圖見圖2。

圖2 試驗測試示意圖

試驗過程中,完全按照原來的生產要求進行操作。根據生產情況的變化定期觀測兩個試驗箱體內的溫度以及過濾-清灰過程中的壓差變化。經記錄整理后的檢測結果列于表4。(注:由于銀轉爐的試驗用濾料送到廠的日期滯后,暫未加以統計。)

通過對以上過濾-清灰過程的壓差檢測數據分析以及對各箱體內布袋凈氣面粉塵粘附狀況的觀察,有必要對兩種不同的濾料進行粉塵透過率的測試。于是,分別在兩個不同的箱體內安裝AKFC-92G個體粉塵采樣器,獲得如表5的結果。

3 分析討論

通過對銅鉛鋅冶煉幾個有代表性的布袋收塵器試驗點上不同濾料的對比測試研究,大體上表明新型F729過濾材料是基本上能滿足生產工藝要求的。對獲得的幾個主要技術參數分析討論如下。

表4 各試驗點采用不同濾料時的測試結果 Pa

表5 F729和208兩種過濾材料的透過粉塵濃度

3.1 過濾和清灰的阻力特性

根據表4中的數據可以作出在每種收塵設備中分別采用兩種不同濾料時的壓差工作曲線。工作曲線分別見圖3～圖6。

圖3 鉛煙化爐袋式除塵器濾料壓差變化曲線

圖4 鉛浮渣反射爐袋式除塵器濾料壓差變化曲線

圖5 銅鼓風爐袋式除塵器濾料壓差變化曲線

圖6 鋅焙燒多膛爐袋式除塵器濾料壓差變化曲線

由圖3～圖6的曲線上可以清楚地看出,兩種濾料的阻力特性是明顯不同的。雖然在清灰前狀態下兩種濾料的工作壓差非常接近,但是在清灰后F729的阻力卻明顯低于滌綸208。這是因為在濾料上附著有一層粉塵層時,粉塵層是構成壓差的主要部分,而在清灰以后,工作壓差則主要由濾料織物本身的阻力特性所決定。

布袋收塵器主要是采用濾料對含塵氣體進行過濾,使粉塵駐留在濾料上,以達到除塵的目的。過濾過程分為兩個階段:首先是含塵氣體通過清潔濾料,這時起過濾作用的主要是纖維,因而遵循纖維過濾的機理。而當駐留的粉塵量不斷增加時,一部分粉塵將嵌入到濾料內部,其余則覆蓋在表面上而形成一層粉塵層,在這一階段中,含塵氣體的過濾,主要是依靠粉塵層進行的。

3.2 濾料阻力與系統能耗

布袋收塵器的阻力特性與除塵效率有著同樣重要的技術和經濟意義。理論上,布袋收塵器的阻力(ΔP)主要由除塵器的結構阻力(ΔPc)、清潔濾料阻力(ΔPf)及濾料上積附的粉塵層阻力(ΔPd)三部分組成。

除塵器的機構阻力(ΔPc)包括氣流通過除塵器的進、出口、灰斗擋板等部位時所損失的壓力。在結構設計合理的正常情況下,一般為200～500 Pa。

清潔濾料的阻力是指未過濾粉塵前的阻力。由于氣流速度低,屬于粘性流狀態,此時阻力與流速成正比:

其中ξf為濾料的阻力系數,與濾料特性有關;μ為氣體粘度,與煙氣特性有關/Pa·s;v為平均過濾風速/m·s-1。

當濾料開始過濾粉塵后,其上形成一個粉塵層,從而產生一個附加阻力,其大小則與粉塵的性質有關,即:

其中μ為氣體粘度/Pa·s;α為粉塵層阻力系數;m為單位面積粉塵質量/kg·m-2;v為平均過濾風速/ m·s-1。

此時濾料的總阻力為:

盡管只是在清灰后F729的低阻力特性才充分體現出來,但這對于整個收塵系統的運行仍然是具有積極作用的。它降低了系統在整個運行期間的平均阻力損失,而風機的能耗是與運行阻力成正比的。因為有電機功率消耗:

其中ηs為機械傳動效率(＜1)/%;η為風機效率(＜1)/%;KR為容量安全系數(1～2,一般取1.3); Q為風量/m3·h-1;P為風壓/Pa;

也就是說,如果一臺正常運行在2 000 Pa的風機在風量不變的條件下能降到1 800～1 900 Pa的風壓下運行,能耗也將同樣下降5%～10%。這無疑是一筆可觀的效益。

事實上,由于進行試驗的布袋室的進出風管全部都是相通的,清灰后F729布袋室因為壓差較低,會導致更多的氣流流向F729布袋室,提高了這個布袋室的負荷,阻力很快又上升,所以如果在整臺布袋收塵器上都換用F729濾料,運行阻力的下降將比試驗條件下更為明顯,工作狀況更優于試驗時的狀況。

另外,除塵器的性能在很大程度上也取決于過濾風速的大小。風速過高會使沉積在濾料上的粉塵層壓實,阻力會急劇增加。由于濾料兩側的壓差增加,使粉塵顆粒滲入到濾料內部,甚至透過濾料,致使出口塵濃度增加。這種現象在濾料的非正常清灰以后表現更為突出。過濾風速過高時還會導致濾料上迅速形成粉塵層,引起過于頻繁的清灰。對于分室類型的大型布袋收塵器來說,應合理地分布各室煙氣,避免造成局部的過負荷,才能保障收塵設備的正常運行。當然,同樣重要的是運行中要保持濾袋的完整,否則,只要有一個濾袋上出現小孔,就會導致除塵效率的大幅度下降,影響濾料的使用壽命。

4 結 論

通過對銅鉛鋅冶煉煙塵凈化用濾料優化試驗研究,在布袋收塵設備運行溫度小于130℃的場所,采用F729濾料,其透氣性能好,運行阻力低,粉塵剝離性能大幅度提高,且使用壽命延長一倍以上,造價僅為208滌綸布的1/3左右,起到了優化袋式除塵設備性能的效果。

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Abstract:The paper analyzes the properties of Cu-Pb-Zn smelting fume,contrastes the no-load and load resistance characteristics of several domestic major industrial filter and makes the experimental study of filter cleaning of industrial production at last.In order to explore the economical,practical,low running resistance and good cleaning performance of the new filter material,it in-depth studies filter optimization for the purification of Cu-Pb-Zn smelting fume.

Key words:Cu-Pb-Zn smelting fume;industrial filter;resistance characteristics;filter material

Filter Optimization Studies for the Purification of Cu-Pb-Zn Smelting Fume

ZHU Yong-gui
(Hunan L abor Protection Institute of Nonferrous Metals,Changsha410014,China)

X75

A

1003-5540(2012)04-0050-05

2012-05-30

朱永貴(1966-),男,高級工程師,主要從事環保、暖通研究工作。