袋式除塵技術(shù)與水泥工業(yè)PM2.5粉塵的控制

吳 剛，穆璐瑩，王 健，施 勇

（合肥水泥研究設(shè)計院，合肥 230051）

引言

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物，其可以穿透人體呼吸道的防御毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)，也就是鼻腔中的鼻纖毛，進入人體內(nèi)部，引發(fā)人體整個范圍的疾病。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。

水泥工業(yè)中的成品與半成品主要以粉狀形式存在，并伴有煅燒過程，因此其粉塵排放對大氣造成的污染程度很大。水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的許多細顆粒物和硫化物、氮氧化物都是形成PM2.5的因素，因此可以說水泥工業(yè)是副產(chǎn)PM2.5的大戶。《水泥工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》（簡稱《規(guī)劃》）客觀分析了“十一五”期間水泥工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，并確立了“十二五”期間的發(fā)展目標(biāo)：到2015年，規(guī)模以上企業(yè)工業(yè)增加值年均增長10%以上，淘汰落后水泥產(chǎn)能，主要污染物實現(xiàn)達標(biāo)排放，協(xié)同處置取得明顯進展，綜合利用廢棄物總量提高20%。“十二五”的發(fā)展目標(biāo)所提主要污染物，毫無疑問和大氣中所含的PM2.5有關(guān)。

1 水泥工業(yè)主要污染物與PM2.5

1.1 水泥生產(chǎn)過程中的主要污染物

水泥工業(yè)對大氣產(chǎn)生影響的主要污染源是粉塵和廢氣，粉塵主要是由于水泥生產(chǎn)過程中原料、燃料和水泥成品儲運，物料的破碎、烘干、粉磨、煅燒等工序產(chǎn)生的廢氣排放或外逸而引起的，其中原料粉磨及煅燒發(fā)生的粉塵排放最為嚴(yán)重，約占水泥廠粉塵總排放量的70%以上，排放的粉塵粒徑分布見下表。水泥工業(yè)對大氣環(huán)境產(chǎn)生影響的廢氣包括SO2、NOx、CO2、HF等，其中SO2是因燒成系統(tǒng)的燃料含硫燃燒產(chǎn)生的；CO2是由水泥生產(chǎn)中CaCO3分解和煤炭燃燒而產(chǎn)生的；NOx是空氣中的N2在高溫有氧燃燒條件下產(chǎn)生的；HF是由于立窯廠采用螢石CaF2礦化劑，在煅燒過程中產(chǎn)生的有害廢氣。根據(jù)我國每年的水泥總產(chǎn)量推算，我國目前每年因水泥生產(chǎn)向大氣排放的粉塵量和廢氣量分別為：各類粉塵約1330萬噸；廢氣排放方面，每年向大氣中排放的CO2約2億噸；SO2排放量約100萬噸；NOx排放量1.3×106～1.6×106立方米。

水泥廠排放粉塵種類及粒徑分布表

1.2 PM2.5與水泥工業(yè)顆粒物排放

表1中，水泥生產(chǎn)過程中粉塵粒徑分析所示：＜10μm以下的粉塵所占比例很大。10μm以下的粉塵中，＜2μm的約占60%，2～5μm的約占25%，5～10μm的約占l5%。工信部節(jié)[2010]582號《工業(yè)和信息化部關(guān)于水泥工業(yè)節(jié)能減排的指導(dǎo)意見》明確提出，“到“十二五”末，水泥顆粒物排放在2009年基礎(chǔ)上降低50%的硬性指標(biāo)。雖然水泥行業(yè)的粉塵治理技術(shù)已經(jīng)相對成熟，各種袋式除塵系統(tǒng)的除塵效率已經(jīng)達到99%以上，但水泥行業(yè)粒徑較小的PM2.5粉塵在總粉塵排放量中所占的比例極高，換言之，通常工況下PM2.5的排放量極有可能很大。在水泥行業(yè)所產(chǎn)生的粉塵中，細顆粒物（PM2.5）對人體健康造成的傷害最大，PM2.5不僅可以成為病毒和細菌的載體，為呼吸道疾病的傳播推波助瀾，而且可以通過支氣管和肺泡進入血液，對人體造成更大的傷害。

2 袋式除塵器技術(shù)在水泥工業(yè)中的應(yīng)用

袋式除塵器品種多、技術(shù)全面、可靠，能滿足水泥生產(chǎn)線上任何排放點和揚塵點的除塵要求。目前在新建、擴建的水泥干法生產(chǎn)線上，從原料破碎到包裝出廠的整個生產(chǎn)線大多采用袋式除塵器。這主要得益于袋式除塵器所具有的優(yōu)點及技術(shù)的不斷進步。

2.1 運行穩(wěn)定，適應(yīng)性強

袋式除塵器除塵效率高（＞99.99%），可以過濾亞微米級的粉塵顆粒。其過濾性能不受氣體和粉塵性質(zhì)的影響。

2.2 不受CO濃度影響

由于電除塵器內(nèi)的放電會造成一氧化碳爆炸，因而在除塵器內(nèi)要安裝防爆裝置，當(dāng)CO含量超過一定值時，防爆裝置就會自動切斷電源，使高濃度含塵氣體直接排入大氣。而袋式除塵器則沒有放電問題，即使在高CO條件下亦能連續(xù)運行。

2.3 便于維修

由于袋式除塵器設(shè)有很多室，可關(guān)閉一個室并在隔離的情況下進行維修，對工藝過程影響很小。電除塵器一般不設(shè)計成獨立的室。袋式除塵器不會因“停磨”而排放超標(biāo)，通常全部窯廢氣在進入除塵器之前先通過生料磨，當(dāng)停磨時，窯廢氣直接進入除塵器，此時廢氣溫度、粉塵特性和廢氣水分都會發(fā)生變化，這種變化常會造成電除塵器較高的粉塵排放，直至工藝穩(wěn)定為止。

2.4 不需設(shè)置噴水系統(tǒng)和消耗水

通常氣體中的水分對袋式除塵器并非關(guān)鍵，而對電除塵器卻極為重要，為此袋式除塵器不需要噴水系統(tǒng)的投資和操作成本。袋式除塵器在后期需要降低排放時有更多的選擇，因為袋式除塵器具有采用新開發(fā)濾袋的優(yōu)點，不需要改造除塵器的基本構(gòu)造。

2.5 隨著袋式除塵器技術(shù)的進步，特別是新型濾料的出現(xiàn)，使袋式除塵器的應(yīng)用范圍更為廣泛

目前，生產(chǎn)中應(yīng)用最廣、市場占有率最高的大型袋式除塵器是脈沖噴吹除塵器。大型化的高效袋式除塵器是現(xiàn)代除塵技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志之一。其除塵效率高，特別是捕集微細粉塵效果更佳。近年來，袋式除塵器濾料材質(zhì)的提高和清灰控制自動化與本體結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化，為袋式除塵器的發(fā)展提供了技術(shù)保證，大型干法水泥窯窯尾煙氣處理采用袋式除塵器已漸成趨勢。

3 袋式除塵技術(shù)能有效控制水泥工業(yè)PM2.5粉塵排放

水泥工業(yè)粉塵排放的控制，主要是通過除塵器的過濾。根據(jù)新修訂的標(biāo)準(zhǔn)，從2005年1月1日起，新、改、擴建水泥生產(chǎn)線的粉塵排放濃度就應(yīng)達到：破碎機、磨機、包裝機等通風(fēng)設(shè)備粉塵排放濃度在30mg/m3以下；窯、烘干機、篦冷機等熱力設(shè)備排放濃度在50mg/m3以下；從2010年1月1日起現(xiàn)有生產(chǎn)線所有生產(chǎn)設(shè)備的粉塵排放濃度均執(zhí)行上述排放要求。袋式除塵器是目前除塵效率最高的一種除塵方式，也是近年來發(fā)展最為迅速的一種方式。袋式除塵器除塵效率高（＞99.99%），可以過濾亞微米級的粉塵顆粒。袋式除塵技術(shù)的進步，為水泥工業(yè)PM2.5粉塵排放控制，提供了有效的技術(shù)手段。

3.1 粉塵粒徑分布與袋式除塵器過濾效率

實驗表明，粉塵粒徑分布的變化對袋式除塵器阻力的影響不大。在穩(wěn)定狀況下，當(dāng)其余條件相同時，保留在濾袋上的粗粉塵比細粉塵少，粗粉塵的穿透率沒有細粉塵高[1]。水泥工業(yè)粉塵顆粒的尺寸范圍很大，涵蓋了從亞微粉塵到易于沉降的毫米級微粒。對于電除塵器來說，粉塵的粒徑分布、粉塵比電阻均會影響其除塵效率。此外，電除塵器的運行也有較多的不確定影響因素，比如：高低壓控制設(shè)計運行不佳，振打清灰裝置的運行方式不合理等。雖然電除塵器在正常運行工況下除塵效率較高，但對于超細顆粒物來說，仍有高達15%的顆粒物會排入大氣，因此，若按今后控制PM2.5排放濃度要求，電除塵器將逐漸被列入淘汰的行列。袋式除塵器是利用機械式阻攔過濾機理，融合了重力、篩濾、慣性碰撞、吸附效應(yīng)和擴散效應(yīng)等各種力的綜合效應(yīng)，其對于比濾布空隙小的粉塵微粒同樣可以取得良好的過濾性能。

3.2 袋式除塵器過濾材料的進步與PM2.5粉塵的控制

袋式除塵器根據(jù)不同工況條件需采用不同材質(zhì)的濾料。目前，市場上使用的主流產(chǎn)品主要有滌綸、丙綸、芳綸、芳砜綸、PPS、P84、玻纖及PTFE等。袋式除塵器的除塵效率高是和濾料分不開的，濾料性能和質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到袋式除塵器的好壞和使用壽命的長短。濾料的性能和質(zhì)量也促進了袋式除塵技術(shù)進步。袋式除塵過濾在濾袋表面形成塵餅之前，對粉塵阻擋效率不高，會由少量的微細粉塵通過濾料縫隙直接排放，而且微細粉塵會滲入濾料內(nèi)部，增大濾料的表面阻力。隨著袋式除塵濾料的覆膜技術(shù)、涂層技術(shù)的進步，對限制PM2.5粉塵排放均有較好的表現(xiàn)。

3.3 袋式除塵清灰技術(shù)的進步與PM2.5粉塵的控制

袋式除塵器使用的關(guān)鍵在清灰，清灰效果很大程度決定著袋式除塵器及整個系統(tǒng)的成敗，以強力清灰為特征的脈沖袋式除塵器成為首選的設(shè)備。新一代脈沖袋式除塵技術(shù)完全克服了傳統(tǒng)脈沖除塵的缺點，清灰能力強的特征更為突出，使濾袋更長（6m或更長），占地面積少，設(shè)備阻力低，清灰所需氣源壓力低，工作可靠，維修工作量小等優(yōu)點，杜絕了弱清灰類袋式除塵器普遍存在阻力過高的現(xiàn)象。袋式除塵器的除塵效率更加提高，排放濃度低于30mg/Nm3已是普遍現(xiàn)象，低于10mg/Nm3也非罕見[2]。

3.4 袋式除塵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與PM2.5粉塵的控制

隨著水泥工業(yè)的大型化，要求處理的風(fēng)量也隨之增加。如1萬t/d生產(chǎn)線的窯尾處理風(fēng)量達200萬m3/h，這就要求除塵器大型化。因此對除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，是保證其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。通過除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的計算機模擬優(yōu)化，風(fēng)量均衡計算及模擬，改進除塵器內(nèi)部流場，均衡各袋室的進風(fēng)量，可有效提高袋式除塵器的過濾效率和降低出口排放。

4 結(jié)語

（1）限制水泥工業(yè)PM2.5粉塵排放，袋式除塵技術(shù)無疑優(yōu)于電除塵技術(shù)。袋式除塵器的表面過濾技術(shù)、涂層過濾技術(shù)均有較好的表現(xiàn)。

（2）隨著國內(nèi)水泥工業(yè)的飛速發(fā)展，在注重科學(xué)發(fā)展過程中，全社會已深刻認(rèn)識到PM2.5細顆粒物塵對環(huán)境及人類健康的危害。同時也對袋式除塵技術(shù)去除PM2.5的作用有了一定的認(rèn)識。

（3）我國水泥工業(yè)的節(jié)能減排已取得了長足進步，袋式除塵技術(shù)也得到了大力推廣，其對水泥工業(yè)的粉塵排放取得了較好的控制效果。但與國外高標(biāo)準(zhǔn)相比，我國水泥工業(yè)對環(huán)境的污染影響仍然很大。

[1]馮國鳴.粉塵粒徑分布對脈沖袋式除塵器除塵效率的影響[J].冶金安全，1984（1）.

[2]吳善淦.水泥行業(yè)粉塵控制依然嚴(yán)峻[C].南京水泥峰會，2012，12.