电除尘器设计分析

电除尘器设计分析

一、水泥粉尘简介

水泥是世界上建筑材料中应用最为广泛的原料之一，水泥工业也是世界上能耗最高、物耗最高、污染物排放量最大的行业之一。水泥工业按污染特征分，属二类重污染企业。水泥生产给环境带来的主要是大气污染，污染物以（烟）粉尘为主，水泥生产几乎每道工序都伴随着粉尘的产生及排放。根据统计资料，水泥粉尘排放量历年都占工业粉尘排放总量的60～70%，居各工业部门粉尘排放量之首[1]。而水泥粉尘对环境的影响是很大的。水泥粉尘污染对人、农作物和植物等都会产生很大的危害作用。

本设计为福建省永春水泥厂2000t/d熟料水泥生产线技改工程项目的除尘设计。新型干法生产线窑尾排放是水泥厂最大的粉尘污染源，且将窑尾烟气用于烘干原料，并与原料磨共用一台除尘器。因此，窑尾系统的粉尘排放量占到整条生产线的二分之一强。世界发达国家对水泥窑的排放要求愈来愈严格，欧盟IPPC(综合污染预防与控制)指令(96、61、EC)关于《水泥制造业的最佳可用技术(BAT)与污染物排放指南》指出：采用袋除尘和电除尘技术，对应的排放控制水平为2O一30 mg／Nm3这份文件将成为欧洲各国制定排放标准的依据。有一些国家(如德国、荷兰)水泥工业粉尘排放甚至要求达10 mg／Nm3，尤其近年来“趋零排放”已为一种潮流[2]。而近几年来随着国家对新型干法水泥生产环保要求的不断提高，《水泥工业大气污染物排放标准》明确规定，“到2010年1月1日起，现有的水泥生产线窑尾粉尘排放浓度低于50mg／Nm3。”对水泥窑尾粉尘排放浓度作了严格的要求．规定现有的水泥窑电收尘器做到在生产工艺波动的情况下仍能正常运转．禁止非正常排放[3]。 二、设计概况 2.1工程概况

福建省永春水泥厂将新建一条2000t/d回转窑水泥熟料生产线，新线厂址选定永春一都镇仙友村，距福建省永春县城西110公里。该项目拟采用五级旋风预热及窑外分解的新型干法水泥生产工艺。根据《水泥厂大气污染物排放标准》GB4915-2004中规定自2005年1月1日起，新建水泥生产线窑尾排放浓度低于50mg／Nm3，单位产品排放量低于0.15kg/t。[5] 2.2基础资料

2.2.1地形、地质

拟建新生产线厂区在现有生产线南侧，属丘陵地貌，局部山坡起伏较大，基本呈阶梯状缓坡地形，地面高程在501～511米，地层覆盖土较厚，部分谷地已成为耕地，种植经济作物。 2.2.2气候特征

拟建区属亚热带季风型湿润气象区。所气象资料统计，年平均降水量为1700mm；年平均相对湿度为80%；年平均日照时数为1186.8小时；年最高温度38.5℃，最低温度-3.3℃，年平均气温20℃，历年最多风向为东风和东北风，最大风速26m/s，平均风速1.7m/s，最大风力10级，极端最高气温38.5℃，极端最低气温-3.3℃，年最小降雨量1500mm，最大降雨量2100mm。常年主导风向为东风，次主导风向为西北风，年平均风速2.3m/s。 2.2.3水文特征

流经本区的小河——一都溪又名碧溪自西北向东南经横口乡注入安溪县的清溪，是晋江西溪发源地之一。

一都溪为小河，具有山区小流域溪流的特征。流域面积150km2,河长110km，河宽1～15m，平均水面坡降2～3%; 流域极易为干旱和暴雨所影响，流量小而变化大，95%保证率的最枯流量约有2.0m3/s。 2.2.4窑尾废气特征

干法旋窑窑尾烟气的特点是：烟气量大，温度高，粉尘浓度高，粉尘细而粘、比电阻值高且含有酸碱氧化物等腐蚀性烟气。窑单体操作与窑磨联合操作相互转换时，进入除尘器烟尘的工况变化较大[4]。

窑尾废气中（烟）粉尘的种类及粒径分布见表1-1，（烟）粉尘污染物产生量及排放量见表1-2。

表1-1 窑尾（烟）粉尘种类及粒径分布

粒径分布（%） 污染源 粉尘种类 ≤10μm 窑尾（含原料粉磨） 10-40μm ＞40μm 水泥窑、生料粉尘 78 16 6 表1-2 窑尾（烟）粉尘污染物产生量及排放

进口浓度 污风量 温度 粉尘产生量 出口粉尘排放量 高度 内径 日运染(Nm3/h) (℃) （g/Nm3） 源名称及编号 窑尾 （Kg/d） 浓度 m （m） （m） 行 （h） （kg/h） g/Nm3 （kg/h） （kg/d） 420000 250 ≤80 33600.0 806400 ≤50 3.40 81.6 80 3.0 24 根据《水泥厂大气污染物排放标准》GB4915-2004中规定自2005年1月1日起，新建水泥生产线窑尾排放浓度低于50mg／Nm3，单位产品排放量低于0.15kg/t。[5] 2.3设计依据与原则 2.3.1依据

(1)水泥厂的环境影响评价报告书 （2）同类粉尘治理技术和经验

（3）《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004）

（4）《大气污染防治技术及工程应用》 2.3.2原则

本设计遵循如下原则进行工艺路线的选择及工艺参数的确定： （1）基础数据可靠，总体布局合理。

（2）避免二次污染，降低能耗，近期远期结合、满足安全要求。 （3）采用成熟、合理、先进的处理工艺，处理能力符合处理要求； （4）投资少、能耗和运行成本低，操作管理简单，具有适当的安全系数，各工艺参数的选择略有富余，并确保处理后的尾气可以达标排放；

（5）在设计中采用耐腐蚀设备及材料，以延长设施的使用寿命； （6）废气处理系统的设计考虑事故的排放、设备备用等保护措施； （7）工程设计及设备安装的验收及资料应满足国家相关专业验收技术规范和标准。

2.4工程设计的范围

2.5设计参数 2.6方案比选 2.6.1 综述

目前，国内外用于水泥窑尾除尘都是电、袋两大类收尘器。且根据《水泥工业除尘工程技术规范》的规定，新型干法窑窑尾推荐使用袋式除尘器或电除尘器

[6]

。

国内生产的袋除尘器、电除尘器每小时能处理几十到一百多万立方米风量的

含尘废气，进口浓度允许超过100g／Nm3。排放浓度热力设备可控制在50mg／Nm3以下，通风设备可控制在30mg／Nm3以下。我国水泥回转窑据统计10%使用袋除尘器，90%使用电除尘器，但随着《水泥工业大气污染物排放标准》的出台，袋除尘器应用愈来愈多，国内外均出现“电改袋”的现象。但袋、电除尘器由于除尘机理不同，应用情况，除尘效果也不尽相同[7]。 2.6.2 原理

电除尘器的收尘，主要是在高压电场中使气体电离，进入电场中的尘粒得以荷电，并在电场库仑力的作用下，荷电尘粒趋向收尘极，达到了收尘的目的。由于能量是直接作用在尘粒上，故能耗根低，且电除尘器由于除了缓慢转动的振打部件外，没有其他运动的部件，维护工作量小，运行费用较低，所以在各种除尘技术中具有显著的优越性。且净化效率高，处理量变动范围大：根据条件和要求，可以设计能达到任意净化度(99％ ～99．9％)和处理量(从几个m3／h到几百万m3／h)的电除尘器，在设计中可以通过不同的操作参数，来满足所要求的净化效率

[8]

。

袋除尘器是以织物纤维滤料采用过滤技术将空气中的固体颗粒进行分离的

设备。目前主要有纤维过滤，膜过滤(表面覆膜)和粉尘层过滤，具体表现为：筛分，惯性碰撞；扩散，重力沉降等综合作用。目前，国内外滤料表面覆膜过滤技术的应用，使袋除尘器的过滤机理都有所改变。这种技术对微细粉尘有更高的捕集率，将粉尘阻留在滤料表面，更容易剥离。国内生产的袋除尘器可达到99．99%的除尘效率，已趋近“零排放”。 2.6.3存在的问题

他们各自亦存在着相应的问题。

电除尘器在实际运行中是一个极为复杂的过程，会受到诸多因素影响，从理论计算的除尘效率与实际运行数据相差较大，这些因素包括物理、电力、流体力学等，而最强干扰作用，是烟气和粉尘的性质，如粉尘的比电阻，电收尘器对粉尘的比电阻有严格的要求，当比电阻在105～1011Ω·cm收尘效果最好，比电阻低于104Ω·cm时（低阻型）粉尘导电良好,当粉尘比电阻在1011以上时(高阻型) (也有把p>5×1010 Ω·cm定为高比电阻粉尘，会出现反电晕现象，在集尘极和物料层中形成大量阳离子，中和了迎面而来的阴离子，使电能消耗增加，净化操作恶化，甚至无法操作[9]，故对粉尘有一定的选择性，不能使所有粉尘都获得很高的净化效率。并且受气体的温度和湿度等条件影响较大，同一种粉尘如在不同温度、湿度下操作，所达到的除尘效果不同[10]。另外，化学成分、尘粒分布、压力、气体流速等等也会对除尘效率产生影响。同时电除尘器对微细粒子处理能力有限。ESP对人体健康危害最大的O．1～2μm的尘粒的除尘效率较差[11]。

电除尘器的存在的另一个问题是，电除尘器虽然除尘效率高但设备比较复杂，造价高，对运行、安装以及维护管理水平要求较高。对一些中小企业来说是无法负担的，所以其使用范围局限于一些大型企业。

另外，水泥回转窑窑尾用电除尘器时，为了使电除尘器安全运行，设置了CO采样分析，超标自动停止向电极供电功能。回转窑正常工作时，废气中CO浓度为0.5%左右，其浓度超过1.5%时报警，超过2%时则自动切断电源，关闭高压硅整流器，这时电除尘器仅是一个烟气通道，粉尘对空排放。这样就造成电除尘器与窑系统不同步运行问题导致污染物排放量急剧增加。根据对水泥生产中电除尘器运行情况的了解，大部分生产厂CO超标时间都在1%左右，部分超过2%，几乎每天都有1次以上超标排放。一般情况下认为要使CO超标时间控制在0．5 以下比较困难。按CO超标时间0.5 %计算，由于CO 超标引起的电除尘器年超标排放总量与除尘器正常达标排放总量相当，可见CO超标引起的粉尘排放总量相当惊人。故使用电除尘器，需安装现代化的自动测量与控制系统，进行精确、有效的工艺控制。保证电除尘器与水泥窑完全同步运行，实现起来难度很大。通常袋除尘器在这方面有明显优势。

而袋除尘器则存在运行阻力问题。袋除尘器运行阻力较高，(1000～1700Pa)

超负荷通过能力较差，运行时阻力能耗比电除尘器大。对不同工况变化，袋除尘器入口及本体易产生正压现象。压力损失大(～1500Pa)，且波动较大。袋除尘器的除尘效率很大程度上取决于滤袋。普通滤袋耐低温能力差（只能处理小于230℃的气体[12]），而耐高温滤料价钱又过高，使成本增加。而且，滤袋由于容易破损，寿命不长，更换周期一般较短，一般为一年。另外，滤袋受烟气湿度影响大，烟气湿度的高低改变露点，露点越高越易引起结露、糊袋，影响除尘器过滤性能，增加阻力。

在维护费用方面，电除尘器的使用寿命一般在l0年以上，在正常工况使用下，每年的维护费用约为一次性投资的5％，甚至更低。当袋除尘器采用进口覆膜滤料时，其使用寿命一般为3-4年，在袋除尘器的总投资中，滤袋的费用约占设备总投资的65％～70％，每年滤袋的换袋维护费用约为设备总投资的20％～25％。仅袋除尘器滤袋的换袋费用，就是电除尘器维护费用的3倍左右。[13] 2.6.4 方案比选

综上所述，袋、电除尘器各自存在着其优点及不足，在此，在综合考虑本项目设计各项指标的基础上，对这两种方案进行比选，力求达到最优化设计。下表对电、袋除尘的主要优缺点、性能、及总体经济投资做了比较。

电除尘器和袋除尘器的主要优缺点比较

电除尘器 袋除尘器 1. 可以处理较高温度的1. 操作简单 烟气（～400℃） 2. 较低的爆炸危险 2. 压力损失较小（约3. 受烟气性质变化影响优点 200～250Pa） 3. 维护费用低，较耐用 小，对粉尘的性质适应性广 4. 出口排放浓度随入口含尘浓度的变化不大 1. 存在爆炸的危险 缺点 2. 故障排放较频繁 1. 用于烟气温度较低的场合（小于230℃） 3. 受烟气性质变化影响2. 压力损失大（～1500 大，对粉尘的适应性Pa），且波动较大 差 3. 投资和操作维护费用高 4. 对湿度大的粉尘易堵塞 电、袋除尘器性能比较表

项目 处理风量 排放情况 阻力 对废气温度要求 对粉尘特电除尘器 能处理大规模的工业废气 一般5Omg/Nm3排放情况，可以达到30mg/Nm3 较小，≤300Pa ≤400℃ 袋除尘器 相对电除尘器偏小 一般30mg／Nm3，可达到10mg／Nm3 偏大，≤1700Pa ≤250℃ 一般，对粉尘比电阻没有要求 比较严格，要求控制烟气粉尘比411性的要求 电阻为10～10? 设备维护 一次性投资 运行成本 维护成本 简单 一般 一般 一般 较高 较高 较高 较高

电除尘器和袋收尘器总体经济对比表(单位：万元)

生产线规模 收尘器类型 设备一次投资 电除尘器 259 2000t／d 袋除尘器 638 装机年能耗费用 克服阻力年能耗消耗费用 费用 年维护费用 合计 85.2 12.1 <15 <112.3 46.7 91.1 >10 >242．8 说明：此表为国内某大型环保企业做的比较 2.7方案确定及工艺流程 2.7.1 方案确定

由于本设计按要求达50mg／m3，电、袋两种除尘方式均可做到达标排放。而通过以上经济技术指标的对比，同时借鉴以往烟气处理经验（通常对于烟气量小于1O0000m3／h以下时，布袋除尘器比ESP效果较好。但是当烟气量大于100000 m3／h时，两者就会有较大差距并随着烟气量的加，袋式除尘器的总投资会明显提高），在本项目烟气处理量420000m3／h的情况下，电除尘有着明显的优势。

当排放浓度(标准状况)要求为不大于30mg／m3时，从低浓度排放和设备达标运行稳定性方面出发，在窑尾选用袋收尘器为宜[14]。而本设计只要求达到50mg／m3，电除尘器已能满足其要求。

另外，考虑到电晕封闭——烟气含尘浓度增大，电场电流会减小，当含尘浓度大于临界值时，电场电流趋向于零，除尘作用失败 [15]。而本项目窑尾烟气粉尘含量不大于80g／Nm3，在电收尘允许范围(不大于100g／Nm3)内，适合于使用电收尘。

综上所述，本设计在综合考虑各方因素的情况下，本设计拟采用电除尘。 2.7.2工艺流程

其工艺流程如下：

窑尾电除尘工艺流程图

三、设计计算与选型

3.1增湿塔选型

由于窑尾粉尘粒度很细，且含尘浓度较高，特别是烟气的湿含量很低，致使粉尘的比电阻往往高于临界值，所以一般电收尘器的效果很差。因此烟气在通入电除尘器之前，需要对烟气进行调质，使粉尘比电阻降到临界值以下，以提高收尘效率。

3.1.1增湿塔型式的选择

据有关经验，本工艺设计中的增湿塔采用上进风下出风上部顺流喷雾形式。气流从上而下，喷嘴安装在增湿塔的上部，这种配置方式，烟气和水滴的热交换条件较好，水滴也不易落入下部灰斗。 3.1.2增湿塔内径尺寸

增湿塔直径根据断面风速确定。通常控制风速为1.5～2.0m/s。设计选型中，断面风速按最大负荷时，取最高值～2m/s进行选取以求经济合理。 D=

Q

0.785?3600?v420000

0.785?3600?2 =

=8.62（m） =8620mm

3.1.3增湿塔有效高度

增湿塔的有效高度取决于喷嘴喷入水滴所需的蒸发时间。而蒸发时间与水滴的大小和烟气的进出口湿度有关。在水泥生产上对于增湿塔的水滴蒸发时间可取7～10s。

h=v×10=20(m)

3.1.4增湿塔喷水量计算

根据《除尘技术手册》，对于水泥窑烟气喷雾增湿的估算，一般可按增加1%

3

湿含量，1m烟气约需喷水9～10g。所以，喷水量约为4.2t/h。喷水量应在整个流量范围内灵活调节。

所以根据以上计算的增湿塔内径、有效高度、喷水量以及相关数据，从增湿塔型号表可查到增湿塔的型号，选用SJ-ZT系列规格为￠9.0×22的增湿塔。其相关指标如下表

规格 处理烟进气温出气温喷水量 喷嘴 （m） 气量度 度 (t/h) 压力形式 数量 Nm3/h （℃） （℃） (Kpa) ￠9.0×458000 350 120～20 内外流1960 14 22 150 式 3.2、电除尘器设计 3.2.1电除尘器型号的确定

设计选用单区电除尘器，即粒子的捕集和荷电是在同一个区域中进行的。单区电除尘器按结构可分为立式和卧式电除尘。立式电除尘器中的气流是自下而上垂直运动，一般用于烟气量较小、除尘效率不太高的情况。立式除尘器较高，气体通常直接排入大气，所以在正压下进行。他的主要优点是占地面积小。卧式电除尘器内的气流是沿水平方向流动。它的优点是按照不同除尘效率的要求，可任意增加电场长度和电场个数；能分段供电；适合于负压操作，引风机的寿命较长。本设计由于烟气量较大，电场多，分段供电等，因此采用卧式电除尘器。

按清灰方式可分干式和湿式。干式清灰是通过冲击振动来剥离电极上的粉尘，收集的粉尘是干燥的，便于综合利用。湿式清灰是用水冲洗电极，一般只在易爆气体净化或烟气温度过高，没有泥浆处理设备时才使用。设计清灰采用干式。

按电极形状可分板式、管式和棒帏式电除尘器。板式电除尘器的收尘极呈板状。为了减少粉尘的二次飞扬和增加极板的刚度，通常将极板轧制成不同的凹凸槽型。管式电除尘器的收尘极由一根或一组截面呈圆形、六角形或方形的管子构成，放电极位于管子中心。通常用于除去气体中的液滴。棒帏式电收尘器的收尘使用￠8钢筋编成棒帏状，它结实，耐腐蚀，不易变形，但自重大，耗钢材多。本设计采用板式电除尘。

按电极的大小分常规电除尘和宽间距电除尘器。同极距在400mm以上的成为宽间距电除尘，它在本体结构上与常规电除尘没有根本区别，但由于间距的加大，供电机组电压提高，有效电场强度大，板电流密度均匀，趋进速度提高，有利于净化高比电阻粉尘，因此，本设计采用宽间距电除尘。

综上所述，本次设计采用的是卧式、板式、宽间距电除尘器。 3.2.2主要参数 3.2.2.1已知参数 Q=420000m3/h Cin?80g/m3

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/08e.html