選礦廠破碎系統濾筒脈沖除塵器運用分析

門同濤

（濟南國能環境工程有限公司,山東 濟南 250000）

在綠色發展理念指導下,國內選礦廠已陸續開展生產設備改造升級行動,依托產線設備改造、引入除塵系統等多種技術方案落實環保整改行動。破碎系統作為鐵礦石加工過程中的關鍵工序環節,在礦石破碎、輸送、篩分等過程中均會產生大量粉塵,現有集塵裝置、除塵裝置多以終端收集處理為主,較少實現對生產加工過程排放粉塵含量及各崗位衛生狀況的動態監測,對于除塵器系統改造升級提出現實要求。

1 項目背景

1.1 選礦廠概況

以某選礦廠為例,該廠礦石粉碎生產線主要由鐵板給礦機、條格篩、旋回破碎機、圓錐破碎機、皮帶輸送機、振動篩及礦倉等裝置組成。其生產流程為：從粗碎礦倉中取鐵礦石物料,經鐵板給礦機與1#皮帶運輸、過條格篩后送入旋回破碎機進行礦石粗碎處理；隨后通過2#皮帶運送至圓錐破碎機中,對礦石物料進行中碎處理；再通過3#皮帶運送至振動篩處進行篩選,篩選出不合格礦石經6#皮帶返回至圓錐破碎機處進行細碎處理,將篩選合格的礦石經4#皮帶送至篩分礦倉內,留待后續進行礦石磨選操作[1]。

1.2 粉塵污染情況

該選礦廠粗碎廠房內僅安裝離心風機收塵,缺乏凈化裝置；中細碎及篩分裝置安放區域內僅設有簡易濕式除塵裝置,粉塵凈化效率低下,且風機風量未實現合理分配,多處管道與揚塵點缺乏良好密封效果,導致廠房內揚塵現象嚴重。針對破碎系統崗位粉塵含量進行檢測（如表1 所示）,檢測結果顯示總塵量、呼塵量均超出國家標準值（總塵濃度≦1.0mg/m3,呼塵濃度≦0.7mg/m3）,外排煙塵、粉塵顆粒物含量嚴重超標,游離狀二氧化硅濃度超限,易增加現場作業人員患塵肺病的風險[2]。通過獲取現場5 個點位的檢測結果,結合三類廠房的作業區域面積,粗碎、中細碎、篩分廠房的除塵器排放濃度分別為48mg/m3、132mg/m3和283mg/m3。參考GB 28661-2012 標準中要求將顆粒物排放濃度控制在20mg/m3以內,對比發現該項目中各檢測點位均存在超標問題。

表1 粉塵檢測數據及結果判定

2 除塵系統改造方案設計

2.1 設計要點

結合破碎系統組成與生產流程進行選礦廠塵源分析,主要包含機械、卸載兩類塵源,分別產生于鐵礦石粗碎、中細碎與篩分環節,皮帶轉運輸送環節,破碎機及輸送機卸料小車的下料部位等,由此將上述部位確認為除塵系統改造的重點區域。在除塵系統改造方案設計上,需明確以下要點：（1）合理設置吸風點,對產塵點處采取有效密閉措施,提升吸風效率；（2）優化風道管線布局,維持不同吸風支管的壓力平衡狀態,用于減輕管段磨損,防范因管道堵塞增加阻力,兼顧節能降耗目標；（3）設計風量精確計算,綜合考慮除塵設備效率、輸料溜槽傾斜角度與落差、密閉罩密封性能與容積等指標,并結合生產實踐經驗進行計算結果修正,得出準確的吸風量數值；（4）除塵設備選型優化,保證設備可實現對粒徑不超過5μm 粉塵顆粒的有效去除,且無粘結、堵塞等問題,符合高效、低能耗、低成本等性能指標要求；（5）無害化處理,將系統收集的粉塵進行有效回收,防范出現二次揚塵污染。

2.2 系統技術方案

2.2.1 總體設計方案

由于該選礦廠破碎生產線覆蓋范圍較廣、涉及多個廠房車間,污染源點位布局分散、數量較多,僅依靠現場安裝除塵器、收塵風機等難以達到良好除塵效果,管路布局復雜、存在大量交叉或沖突部位,且增加設備投放與運維成本。因此在除塵系統改造環節,引入分區方案進行設備與管網設置,并對收集的粉塵顆粒物進行混合制漿,經管道輸送至事故池內進行統一處理,規避二次揚塵現象。

2.2.2 分區設計方案

（1）粗碎廠房,選取旋回破碎機進料口、出料口溜槽與2#皮帶輸送機尾輪處分別布設1 個監測點,根據總吸塵量計算出除塵器風量需達到27500～28500m3/h。考慮到鐵板給礦機獲取鐵礦石環節易發生礦料堵塞問題,因此需預留較大范圍的敞開作業空間,難以實現全密閉式設計,因此選擇在旋回破碎機前段設置自動噴淋裝置,在檢測到鐵礦石物料運出后自動噴淋,保證礦石表面濕潤、減小物料運輸過程的揚塵量；對于廠房內其他位置分別設置密閉罩,并在生產線周圍安裝防塵簾。

（2）中細碎廠房,選取2#和3#輸送皮帶的頭部卸料段、3#輸送皮帶尾部受料點、各圓錐破碎機進料口等部位布設監測點,估算出所需除塵風量大小約為39000～41000m3/h。對此選擇在圓錐破碎機進料口處加裝密封簾、上方預留觀察孔；其他位置安裝密閉罩,完善導流槽及軟簾的設置。

（3）篩分廠房,選取2#、3#、6#皮帶頭部卸料、尾部受料區段,振動篩上、下受料點與篩面,篩分礦倉進料口等部位分別設置監測點,估算出除塵風量設計值為140000～145000m3/h。在皮帶輸送機與礦倉連接部位加裝整體式密閉罩,上方開設觀察孔；振動篩上部為獨立密封室,采用可拆式結構設計,開設觀察孔與活動門；皮帶輸送機處安裝密閉罩、導流槽及軟簾。

3 濾筒脈沖除塵器選型比較及應用成效

3.1 濾筒除塵器原理

濾筒脈沖除塵器是一種新型高效工業除塵器,當含粉塵氣體隨流道進入除塵器灰斗內,此時氣流斷面明顯增大,粒度較大的塵粒在自重與均流板慣性雙重作用下沉降在灰斗底部；粒度細小的塵粒送入過濾室內,經擴散、篩濾等處理流程后附著在褶式濾筒表面；經凈化后的不含塵氣體統一收集至凈氣室內,經風機排風管道排出。針對除塵器工作原理進行分析,利用程序控制脈沖閥與反吹系統執行清灰作業,此時褶式濾筒內將形成瞬時正壓,對濾料表面附著的粉塵顆粒產生鼓脹、微動作用,使顆粒抖動、脫落后進入灰斗中,并通過調節卸灰閥進行灰塵的統一排放[3]。

3.2 除塵器結構及配套設計

3.2.1 設備結構

選用褶式濾筒脈沖除塵器作為除塵設備,φ320mm濾筒筒體高2000mm,除塵器自身阻力為800～900Pa,過濾風速不超過0.9m/min。在濾筒脈沖除塵器設計上（如圖1 所示）,由殼體、褶式濾筒、過濾室、灰斗及反吹管路組成,在設備殼體與進風口之間設有過濾室,過濾室底部安裝過濾網；殼體內部與側面分別設有用于分腔的梯狀支撐板,用于將進入殼體內的含粉塵氣體與潔凈氣體進行有效分離,并且在潔凈氣體區域開設出風口,底板上安裝喇叭口；褶式濾筒由3 根帶螺紋的支撐桿組成支架,將支撐桿帶螺紋部位穿過喇叭口與濾筒固定,利用螺母將其鎖緊,完成褶式濾筒的套接,且在濾筒支架中心點處設有1 個安裝桿,安裝桿一端穿過蓋板進行安裝固定；殼體側壁上安裝有反吹管路,管路與多個噴水管連接,使管道穿過殼體側面與喇叭口銜接。

圖1 褶式脈沖除塵器立體示意圖

3.2.2 選型及配套設計

整合除塵器過濾面積、風機風量、管道阻損、風機全壓等技術參數，對不同廠房內的除塵器進行選型及配套設計優化：粗碎廠房選用DMCC24 脈沖除塵器，選配G4-73 №9D 離心風機（流量23003～32079m3/h，全壓2668～2559Pa），配套Y200L-4 電動機（功率30kW）、φ920mm 煙囪；中細碎廠房選用DMC72 脈沖除塵器，選配G4-73 №10D 離心風機（流量31554～60533m3/h，全壓3301～2194Pa），配套Y250M-4 電動機（功率55kW）、φ1020mm 煙囪；篩分廠房選用DM120 脈沖除塵器，選配G4-73 №16D 離心風機（流量85571～164150m3/h，全壓3709 ～2465Pa），配 套Y355M2-6 電 動 機（功 率185kW）、φ2020mm 煙囪。

3.3 影響除塵效果因素及優化

3.3.1 濾筒結構分析

為驗證褶式濾筒脈沖除塵器的除塵與清灰效能,收集除塵器濾筒褶皺結構參數進行分析與檢驗。先對褶式濾筒結構進行分析,已知該濾筒內部采用褶式錐形結構設計（如圖2 所示）,相較于常規圓柱形濾筒其結構更為復雜,將褶式濾筒內徑設為D、濾筒高度為H,內部錐體高度為H1、錐體中圓臺內徑為D1,褶皺高度為h,錐體夾角為α、褶皺夾角為β,濾筒外徑為A,錐體褶皺數量為n、濾筒褶皺數量為m。為獲取最佳褶皺參數,應結合除塵器運行狀態下的壓力損失Δp（目標函數Y）這一性能指標進行參數優化設計,其中壓力損失大小主要取決于除塵器內部結構阻力Δf1（通常取值為200～500Pa）、粉塵層阻力Δf2、褶皺結構阻力Δf3和濾料阻力Δf4四項參數,則褶式濾筒除塵器的壓力損失計算公式為：

圖2 褶式濾筒結構示意圖

3.3.2 濾筒參數優化設計

運用響應曲面法進行濾筒最優工藝參數的組合設計,將上述濾筒參數作為響應值建立二次回歸方程,計算出23 種工況下濾筒除塵器的壓力損失,得出壓力損失范圍在643.92 ～1000.71Pa 以內。隨后采用Minintab 統計分析軟件進行響應值的回歸擬合,建立二次多項回歸方程,代入相應參數對濾筒除塵器的壓力損失情況進行預測,對不同濾筒參數間的變化關系進行分析（以褶夾角θ、褶高h 與函數Y 的關系為例,其響應曲面如圖3 所示）。經數值模擬后,確認高2000mm 的φ320mm 濾筒內部錐體高度最優值為600mm,圓臺內徑最優值為130mm,其他參數包含褶皺夾角度數5.2°、褶皺高度0.035mm、濾筒褶皺數量為50 個,依據上述工藝參數進行褶式濾筒錐體部分的優化設計。

圖3 響應曲面圖示例

3.3.3 脈沖清灰過程模擬分析

（1）建立脈沖清灰模型,依據濾筒脈沖除塵器的工作原理可知,除塵器主要利用濾筒內、外側壁間形成的壓差使粉塵抖動、脫落,對此可選取兩種濾筒的剖面圖進行剖面比例及參數的比較分析,根據濾筒形狀差異可判斷兩種濾筒區別取決于上部長方體單元的高度,然而實際模擬分析環節重點關注內容為濾筒內部流場變化情況,因此對于上部長方體高度的差異可忽略不計。

（2）數值模擬計算,為便于數值模擬計算,忽略濾筒內氣流變化對于除塵效果的影響,假設在單相流動的理想條件下建立濾筒內的S-A 湍流模型,將氣體最高流速、濾筒入口處的邊界條件（噴吹壓力）、出口處壓力、時間步長等指標均納入計算域范圍內,并以50mm 為間隔進行濾筒內監測點位的布置。分別以多孔介質域、流體域進行濾筒內部結構的劃分。在此基礎上,運用CutCell網格進行濾筒模型網格的劃分,分別依據355 萬、360 萬網格數進行褶式濾筒與圓柱形濾筒的網格劃分。

（3）模擬結果分析,參考現有文獻分析結果,將濾筒側壁壓差的峰值以及到達峰值的時間作為影響除塵器工作效能的關鍵指標,分別對速度場及濾筒壓差變化特征進行具體分析。其中在速度場變化特征方面,觀察褶式濾筒在脈沖噴吹環節的速度云圖可以發現,伴隨濾筒進氣阻力的持續增大,將脈沖閥開啟后,最初含粉塵氣流的運動規律與圓柱形濾筒保持一致,但由于褶式濾筒的噴嘴距離更近,因此脈沖氣流的穩定性更強、不易受含塵氣流的干擾,從噴嘴進入濾筒后出現較高強度的流核,同比圓柱形濾筒可有效擴大清灰面積、改善上部結構中的負壓流暢；在濾筒壓差變化情況方面,褶式濾筒的峰值壓差在時間連續性上優于圓柱形濾筒,同時沿流向其壓差峰值逐漸減小、上部壓差峰值增大,能夠有效利用內部壓差提升清灰效果,并且峰值氣流可持續、均勻作用于筒壁,保證濾筒內壁承受負荷處于均勻狀態下,從而有效延長濾筒壽命、節約維修及更換成本。

3.4 現場運行結果

待完成除塵系統安裝、調試并投入運行6 個月后,由第三方質檢機構對改造后生產線進行設備外排粉塵濃度與各崗位工作點的粉塵含量進行檢測,測試結果如表2 所示。將質量檢測結果進行匯總可知,粗碎、中細碎、篩分外排粉塵平均濃度分別為2.87mg/m3、4.86mg/m3以及6.87mg/m3,崗位職業衛生檢測結果判定為合格,且同比改造前除塵效率分別提升94.02%、96.32%及97.57%,滿足國家最低排放標準及環境衛生要求。

表2 改造后生產線第三方檢測結果

4 結論

通過結合破碎系統除塵需求,綜合考慮產塵分布特征、粉塵屬性以及廠房車間現場工藝布局,在生產現場進行粉塵排放濃度監測點位的科學部署,并引入一種褶式濾筒除塵器進行破碎過程粉塵的有效收集與無害化處理,最終將整體破碎過程中外排粉塵濃度控制在20mg/m3以內,收獲良好改造效益。