作為一種成熟的除塵技術，袋式除塵技術在世界各地的水泥和石灰窯普遍使用。由于環(huán)境法規(guī)對工業(yè)設施排放粉塵的要求越來越嚴格，減少粉塵排放量及相關運營成本就成為了水泥和石灰生產(chǎn)商的一大要務。 在本文中，Georg Rathwallner博士、Alecsandru Barbulescu先生和K N Rao先生通過對水泥和石灰窯的一系列案例研究，詳細論述了他們使用P84^®纖維制作的過濾袋的經(jīng)驗。

  介紹

  袋式過濾器，尤其是脈沖噴吹袋式除塵器，廣泛用于水泥和石灰窯的高溫煙氣除塵。其運行和維護成本主要在于過濾袋、引風機能耗和壓縮空氣方面。一般來說，引風機的耗電在運行成本中占了最大比重，甚至超過了過濾袋的成本。引風機的耗電量主要是受過濾袋性能的影響，因為其決定了除塵器在運行期間的壓降。壓縮空氣約占10%的成本。所以，低壓除塵可以節(jié)約能源并減少過濾袋的機械磨損。

  然而，只要不影響生產(chǎn)（即需要控制風量或者需要停工來更換失效的過濾袋），一般人很少關注袋式除塵器停工損失的成本甚至有可能高于過濾袋和耗電的成本。水泥生產(chǎn)商的計算結果已經(jīng)證明，投資購買優(yōu)質(zhì)的過濾袋，反而能夠在較短的時間內(nèi)收回投資成本，尤其是在能防止意外停工的情況下。

  案例研究：Carmeuse公司的石灰窯除塵經(jīng)驗

  Carmeuse公司在歐洲的各個平行流再生（PFR）石灰窯使用統(tǒng)一的煙氣凈化系統(tǒng)。根據(jù)各個窯的產(chǎn)能，該系統(tǒng)由不同大小的Redecam脈沖噴吹袋式除塵器組成。過濾袋原先采用玻纖織物加覆聚四氟乙烯（PTFE）膜的材料制成。石灰窯使用天然氣作燃料時，該系統(tǒng)的工作效果令人滿意。這種過濾袋的壓降為8-12毫巴，一般每小時循環(huán)清灰1-3次。

  燃料由天然氣改為褐煤后，Carmeuse公司立刻遇到了一些問題：在幾天或幾周內(nèi)，所有的PFR袋式除塵器的壓降都變得很大。即使提高脈沖氣壓并將清灰頻率增加到每小時6次，壓降還是超過了15毫巴，進而窯頂難以維持穩(wěn)定運行所需的略微低壓。引風機的能源消耗和壓縮空氣的用量也顯著增加了。

  圖1：Carmeuse公司石灰廠現(xiàn)場的壓降測量值

  表1：運行條件──Carmeuse公司石灰廠的850個P84^®基布過濾袋（150mm x 5015mm）采用了850 P84^®細纖維針刺氈

  上面 - 圖2：運行15個月后，Carmeuse公司試驗濾袋的狀況。

  2a） P84^®針刺氈橫截面：沒有灰塵滲入針刺氈。

  2b） PTFE針刺氈橫截面：灰塵全面滲透針刺氈。

  2c） 玻纖覆膜（PTFE膜）表面的平面圖：受損的薄膜。

  2d） 玻纖覆膜（PTFE膜）的橫截面：灰塵穿過纖維織物。

  除了PTFE膜損壞，對濾袋的調(diào)查結果也無法查明導致過濾介質(zhì)堵塞的原因。表1列出了運行條件。為了評估選擇合適的過濾介質(zhì)，Carmeuse公司挑選用了不同材料制成的試驗過濾袋，并安裝在一個袋式除塵器內(nèi)：

  PTFE玻纖覆膜（750g/m²）；

  PTFE基布針刺氈（約700g/m²）；

  P84^®基布針刺氈（500g/m²）

  每種材質(zhì)的濾袋各準備5個，分別裝在除塵器的不同位置，同種材質(zhì)的被安裝在同一區(qū)域。每隔四個月在現(xiàn)場測量了試驗袋的壓降，以便弄清楚哪些是最合適的過濾材料。運行12個月后，對過濾袋進行實驗室分析，進一步證實最初的試驗結果。P84^® 過濾袋（圖2a）上的灰塵并沒有明顯滲入織物的深處，這也符合穩(wěn)定壓降的要求。PTFE針刺氈的橫截面充滿了灰塵（圖2b）：光滑的PTFE纖維未能有效地把灰塵阻擋在表面上，從而增加深層阻塞現(xiàn)象并相應地加大壓降。玻纖覆膜過濾袋的試驗也出現(xiàn)了同樣的情況。在運行過程中，如果PTFE膜沒有損壞，還可以把灰塵阻擋在過濾袋表面，觀察結果如圖所示（圖2c和2d）。

  表2：運行條件──Ambuja公司水泥廠的7680個采用了P84^®細纖維和P84^®基布的過濾袋（150mm x 8000mm）

  用玻纖過濾袋和用化纖制成的針刺氈具有不同的性質(zhì)和限制，兩者都需要調(diào)整運行參數(shù)?？販卮胧ɡ鋮s稀釋空氣和減少褐煤用量）是有效的，在較低溫度下能防止聚合物的過度熱氧化。混風降溫導致氣體流量增加也是可以接受的，因為與PTFE覆膜濾料比，P84^®針刺氈對高氣布比不那么敏感。 最早的三個石灰窯過濾器目前使用德國漢跋（Heimbach）過濾技術公司制造的P84^®過濾袋，現(xiàn)在仍對其性能進行密切監(jiān)測。

  案例研究：Holcim公司使用P84^®針刺氈和PTFE玻纖覆膜的經(jīng)驗

  瑞士Holcim公司通過Ambuja水泥有限公司和ACC有限公司，在印度開展經(jīng)營。在印度喜馬偕爾邦Rauri地區(qū)，Ambuja公司運營著一座日產(chǎn)量9000噸的水泥窯。這也是印度首個使用P84^®過濾袋除塵過濾器的大型水泥窯/原料磨。所使用的過濾器來自于Intensiv Filter公司（最近已被Himenviro私人有限公司收購）。

  2009年底，該水泥廠開始投入運營，水泥窯袋式除塵器的清灰壓力設定值為4.5毫巴（法蘭至法蘭）。如此低的設定值是邊界值在不同運行模式下（原料磨運行或停機），都導致了過濾袋幾乎連續(xù)的清灰。過濾袋再次清灰的循環(huán)時間可能下降到只需一分鐘。幾個月后，過濾袋供應商必達福印度公司（BWF India）建議將最小循環(huán)時間設置為8分鐘，以防止過濾袋的過度機械磨損。自從那以后，壓降一直穩(wěn)定在4-8.5毫巴（取決于運行模式）。原料磨停機時，混風降溫到180°C導致氣體流量增加，壓降達到了上限值。將近五年以來，粉塵排放量都不超過8.5mg/Nm3（表2）。

  圖3：Ambuja公司石灰窯過濾器使用三年后，P84^®過濾袋材料的橫截面，頂部為迎塵面。

  3a – 迎塵面

  3b – 迎塵面

  3a） 由于未燃盡的碳氫化合物，靠近進氣口位置的濾袋變黑。

  3b） 處于過濾間中央位置的過濾袋。

  注：垂直紅線標示針刺氈厚度約為2毫米。

  運行三年后，到了2013年初，對一個使用過的過濾袋進行了分析，證實了該過濾介質(zhì)的狀況良好，并且預計其使用壽命將不少于六年。迄今也沒有出現(xiàn)任何失效的過濾袋，說明這個估測到目前為止還是正確的。

  凈氣面沒有灰塵，而且也未發(fā)現(xiàn)損壞的跡象。圖3展示了兩個P84^®過濾袋材料的橫截面，其中一個過濾袋靠近進氣口（圖3a），另一個則處于除塵器的中央位置（圖3b）。兩個過濾袋都沒有灰塵，但由于有些碳氫化合物未燃燒，靠近進氣口的過濾袋變黑了。烴冷凝物可導致過濾介質(zhì)的堵塞，尤其是容易堵塞膜材料。通過測量兩個過濾袋的空氣滲透率，發(fā)現(xiàn)兩個過濾袋的透氣性相似，表明未燃燒的燃料并不影響P84^®過濾袋材料的性能。在這一方面，覆膜濾料比針刺氈更容易受到影響。橫截面內(nèi)沒有灰塵，而且自投入運行以來壓降一直穩(wěn)定，說明進行的是穩(wěn)定的表層過濾。如果出現(xiàn)深層過濾現(xiàn)象的話，那么壓降或者清灰頻率就會增加。

  除了Rauri水泥廠外，Holcim公司在印度的其他水泥廠也使用脈沖袋式過濾器為水泥窯除塵，但配備的是玻纖覆膜過濾袋，其壓降大于Rauri水泥廠使用P84^®過濾袋的壓降，在某些情況下可高達20毫巴。P84^®過濾袋在使用了2-3年后，引風機用電節(jié)省的費用就可以彌補其比較高的最初濾袋成本。此外，薄膜過濾袋的使用壽命一般為2-3年，其中有些過濾袋會過早失效，有幾個薄膜過濾袋只能用3個月。這意味著，即使不考慮引風機用電和意外停工這兩個因素，玻纖覆膜過濾袋的年度成本也高于P84^® 過濾袋的，因為前者的使用壽命比較短。

  使用P84^®過濾袋的綜合成本是相當?shù)偷?。如果把過濾袋壽命、引風機用電和生產(chǎn)損失方面的成本綜合考量的話，用于比較使用不同過濾袋時的成本，那么只需幾個月便可收回P84^®過濾袋的額外投資成本。

  表3：運行條件──UCC公司哈伊馬角水泥窯/原料磨過濾器的16,896個采用了P84^®細纖維和P84^®基布過濾袋（160mm x 6000mm）

  案例研究：阿聯(lián)酋哈伊馬角UCC公司使用P84^®過濾袋的經(jīng)驗

  阿聯(lián)酋聯(lián)合水泥公司（UCC）在阿聯(lián)酋境內(nèi)擁有日產(chǎn)10,000噸的水泥熟料生產(chǎn)線。中國中材集團的平頂山子公司為該生產(chǎn)線裝配了兩座并聯(lián)的袋式除塵器，分別設有8448個6米長的過濾袋。表3列出了詳細的運行條件。初始設備使用了德國高奇公司（MGF Gutsche）制造的P84^®超細纖維過濾袋。由于灰塵排放量的要求很嚴格（5mg/Nm³），所以選用了這種優(yōu)質(zhì)的超細纖維過濾材料。其微粒排放量一直保持在5mg/Nm³以下。在過濾袋的使用壽命期內(nèi)，氣布比約為0.9 m/min，壓降從最初的5-6 mbar僅輕微增加到6-8 mbar。在六年的運行過程中，將近17,000個過濾袋當中，只有20-40個需要更換。該生產(chǎn)線的過濾袋與引風機能耗之間的年度成本差額接近于Ambuja公司水泥廠。如果過濾袋能夠一直使用，那么其成本將不到電耗成本的一半。

  運行五年后，從這兩個過濾器中挑選了一些過濾袋進行實驗室分析，證實了過濾介質(zhì)的狀況非常好。大部分的針刺氈參數(shù)值近似于新材料的性能。圖4a展示了在實驗室切開的過濾袋：凈氣面無灰塵?？梢钥匆娀\骨金屬條銹蝕造成的褐色線條，但在那些位置并沒有出現(xiàn)開始受損的跡象。圖4b展示了沉積在過濾袋底部的腐蝕產(chǎn)物。這樣的沉積物以及銹蝕的籠骨會增加過濾袋材料的機械磨損。然而，過濾袋材料的狀況很好，證明了P84^®針刺氈在這樣的環(huán)境下也工作良好。即使在一些關鍵部位（例如貼著支撐籠骨的金屬條的部位），針刺氈的橫截面（圖5）都沒有灰塵，證明了表層過濾良好。壓降幾乎沒有發(fā)生變化，說明針刺氈內(nèi)部只有少量的灰塵累積，因為顆粒物被隔離在針刺氈表面了。在迎塵面采用P84 超細纖維，有力地促成了這樣的卓越性能。

  然而，為了避免除塵器中某些過濾袋超過平均水平的磨損，或者袋籠的局部腐蝕更容易損壞籠骨并導致過濾袋故障的風險，為了安全起見，于2013年從Testori Emirates公司訂購了一整套的過濾袋。2013年8月，更換了其中一個除塵器的過濾袋；另一個除塵器的過濾袋則于2014年9月進行更換。由于其性質(zhì)優(yōu)異，P84^®過濾袋可存放多年，也不影響其質(zhì)量和性能。

  這種規(guī)模的工廠標準粉塵排放量為20 mg/Nm3，相比之下，粉塵排放量為5mg/Nm³時，每年可減少灰塵排放150噸。這個結果雖然不能反映節(jié)省大量成本的潛力，但顯著保護了工人和周圍居民的健康。袋式除塵器的排放物幾乎100%都小于10μm（顆粒物10，PM10），而且很大一部分通常小于2.5μm（PM2.5）。這意味著，通過減少總顆粒物排放，可以降低細微粉塵排放量。

  總結

  優(yōu)質(zhì)過濾介質(zhì)的益處并不僅限于減少顆粒物排放。只要選用合適的介質(zhì)并相應調(diào)整框架條件，也有助于降低能源消耗。因過濾袋過早失效或氣體流量限制而影響生產(chǎn)時，或者在過濾袋性能良好的地方，也都值得考慮進行升級改造。

  在實驗室分析已使用的過濾袋是一項重要的方法，能夠確定過濾袋的剩余使用壽命和找到性能不足的原因。了解過濾袋的狀況，能夠最大限度降低意外停工的風險，而且便于經(jīng)營者及時安排更換。原始設備制造商（OEM）、過濾袋供應商和纖維制造商等，例如贏創(chuàng)纖維制品責任有限公司，都可以提供這些服務。

  為了確定更換何種品質(zhì)的過濾袋，成本計算時應考慮預期的壓降和相應的引風機用電情況，不然的話，采用廉價的過濾袋也可能在短期內(nèi)造成高昂的成本。

  參考資料

  “P84^®濾料和玻纖覆膜濾料的生命周期和成本分析（依據(jù)印度經(jīng)驗）”，K N Rao，印度ACC有限公司能源與環(huán)境部主管，第11屆高溫過濾學術會議，2014年9月9-11日，奧地利萊奧岡。

  “PFR固體燃料窯的新過濾介質(zhì)”，Dan Alecsandru Barbulescu，比利時Carmeuse公司協(xié)調(diào)中心，第11屆高溫過濾學術會議，2014年9月9-11日，奧地利萊奧岡。

  圖4a：UCC公司哈伊馬角水泥窯/原料磨運行五年后，濾袋頂部

  圖4b：UCC公司哈伊馬角水泥窯/原料磨運行五年后，濾袋底部。

  5a – 迎塵面

  圖5a：UCC公司哈伊馬角水泥窯/原料磨運行五年后，P84^®針刺氈的橫截面，頂部為迎塵面。

  注：垂直紅線標示針刺氈厚度約為2毫米。

  5b -迎塵面

  圖5b：UCC公司哈伊馬角水泥窯/原料磨運行五年后，與籠骨金屬條接觸的P84^®針刺氈的橫截面，頂部為迎塵面。

  注：垂直紅線標示針刺氈厚度約為2毫米。

  原作者：

  贏創(chuàng)纖維制品責任有限公司Georg Rathwallner博士

  Carmeuse研究技術股份有限公司Alecsandru Barbulescu

  ACC有限公司能源與環(huán)境部主管，K N Rao

  翻譯/校對：

  贏創(chuàng)特種化學（上海）有限公司- 陸明先生/王紅先生

  原版文章曾刊登于Global Cement Magazine2014/12月份期刊