正確選擇濾袋節(jié)約運行成本

  前言

  袋式除塵器，特別是采用脈沖式清灰方式的袋式除塵器，是用于水泥窯尾高溫廢氣除塵的常用技術。運行和維護的主要成本在于濾袋采購和更換、引風機能耗和壓縮空氣的使用上。通常，引風機能耗占據(jù)著運行成本的絕大部分，甚至超過了濾袋的成本。值得注意的是，由于濾袋性能決定了除塵器在運行期間的壓差，引風機的能耗高低主要是受到濾袋性能的影響。用于清灰的壓縮空氣大約占到成本的10%左右，采用低壓清灰方式，并且較少的清灰次數(shù)可節(jié)省能耗并減少濾袋的機械磨損。至于產(chǎn)量產(chǎn)能的損失，應根據(jù)具體情況進行評估，取決于實際的生產(chǎn)狀況 - 例如，需要保證粉塵排放而更換失效濾袋導致的停窯停產(chǎn)。

圖1.P84^®的多葉形纖維橫截面

  用于水泥生料磨/窯尾除塵器的濾料選擇

  通常有兩種不同材質(zhì)和構(gòu)造的濾料用于水泥生料磨/窯尾的脈沖式除塵器：

  P84^®針刺氈濾料。

  玻璃纖維機織布覆e-PTFE薄膜。

  兩種材質(zhì)的高溫穩(wěn)定性比較接近，比如最高耐溫可以達到的峰值為260℃，但在設計和極限工況方面則完全不同。在窯尾廢氣的典型工況條件下，P84^®纖維濾袋針刺氈濾料在機械性能方面相當穩(wěn)定，迎塵面和凈氣面兩層針刺氈起到阻隔分離粉塵的作用，即使濾料表面受到損傷，也不會影響過濾效果。其中起到支撐作用的基布嵌在兩層針刺氈中間，使基布受到保護，免受機械損壞，這確保了濾料極高的耐彎折性，且在與袋籠橫筋接觸點處提供良好保護。P84^®纖維相比其它纖維的獨特優(yōu)勢在于其多葉形的纖維橫截面（圖1），無需使用覆膜，也可以很好地實現(xiàn)表面過濾的效果。當然，極端的高溫會影響   P84^®針刺氈濾料的壽命，但大多數(shù)窯尾的正常運行溫度都是在其承受范圍內(nèi)，所以P84^®針刺氈濾料可以在使用周期內(nèi)穩(wěn)定可靠地運行。玻璃纖維機織布覆e-PTFE薄膜的材質(zhì)耐化學性也很好，但在設計，運輸，安裝和運行時應采取防護措施以防止出現(xiàn)意外的機械損壞。

  另外，PAN（壓克力）和PPS（聚苯硫醚）一般用在連續(xù)使用溫度和極限峰值溫度均較低的應用中。為了提高過濾效率，經(jīng)常采用添加P84^®纖維進行混紡，或在表面覆PTFE薄膜的濾料方案。另外，為了降低濾袋成本，有些生產(chǎn)廠家采用不同材質(zhì)濾料纖維生產(chǎn)的混紡濾料，或者玻璃纖維和濾料纖維生產(chǎn)的混紡濾料。需要指出的是，由于混紡纖維的多樣性，很難對這些材料的性能做一個總體評價。普遍而言，這種混紡濾料的使用壽命較短且運行中壓差較高，在大多數(shù)情況下，這種方法無法降低除塵器的總體運行成本，即“The Cheaper Is Expensive”- 用便宜的材料會化更多的錢。

  阿姆卜加水泥魯烏里工廠（Ambuja Rauri）

  -- 印度首個使用純P84^®濾袋的生料磨/窯尾除塵器

  阿姆卜加水泥（Ambuja）在靠近喜馬爾杰邦（Himachal Pradesh）達拉各哈特（Darlaghat）的日產(chǎn)7200噸的水泥生產(chǎn)線是印度首個安裝純P84^®濾袋的生料磨/窯尾除塵器的大型水泥生產(chǎn)線，并且在濾料中添加了P84^®超細纖維。其除塵器由Intensiv Filter（現(xiàn)已被 Himenviro Pvt Ltd收購）提供。于2010年底投入運營時，工作壓差為400~600Pa，排放量低于10mg/Nm³（運行詳情請參見表1）。運行3年后，除塵器工況及性能未明顯發(fā)生改變，并且沒有一個失效的濾袋需要更換。同時，贏創(chuàng)纖維（Evonik Fibres）位于奧地利的實驗室中對一個取自現(xiàn)場的純P84^®濾袋進行了分析，確認這個濾袋保持了良好的狀態(tài)，預計還可以繼續(xù)使用3年或更長時間。

  濾袋運行3年后的實驗室分析結(jié)果

  使用3年后，濾袋的強度仍與新濾袋的典型值接近。同時，液相色譜法的化學分析也確認了材料的良好狀態(tài)，僅觀察到輕微程度的氧化。對剪開的濾袋（圖2）進行觀察，發(fā)現(xiàn)在凈氣面無粉塵，且無損壞的跡象。

圖2.運行3年后的P84^®過濾袋剪開檢查

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  圖3顯示了兩個取自不同位置P84^®濾袋的橫截面，左圖樣袋取自袋室入口附近；右圖樣袋取自袋室中心位置。兩個樣袋的橫截面均無粉塵侵入，取自入口處的濾袋觀察到的黑色物質(zhì)（滲至橫截面大約一半處）是未充分燃燒的烴類物質(zhì)。通常，烴類冷凝物可導致濾料阻塞，特別是在使用PTFE覆膜濾料時。阿姆卜加水泥（Ambuja）濾袋的透氣性測試確認了兩個取自不同位置的濾袋具有接近的透氣性，也就是說P84^®濾袋的透氣性并沒有受到未充分燃燒物質(zhì)的影響。

  干凈無粉塵侵入的濾料橫截面，連同自啟用以來穩(wěn)定的壓降，證實了P84^®濾袋幾近完美的表面過濾效果。普通濾料一旦發(fā)生粉塵侵入，伴隨著壓降上升，清灰頻率也會明顯增加。

  通過研究濾袋的整體性能狀況，可以估計它的預期壽命至少還有三年。這段時間之后，可以再次從現(xiàn)場提取樣袋，進行實驗室分析。

  引風機能耗

  當生料磨開啟時，引風機的能耗大約為300kW，生料磨停開時大約為750kW。生料磨停開的時間大約占總運行時間的15%，此時需要大量新鮮空氣稀釋冷卻煙氣，會導致較高的煙氣流量。總的來說，生產(chǎn)線的運行平均壓差大約在450Pa的水平，而引風機平均功率約為400kW，平均年耗能量為3000MWh。即使是該地區(qū)的電力相對廉價，每年的引風機電力費用也要達到20萬美元，但與其它水泥廠平均高于900Pa的壓差相比，每年可節(jié)省一半的電力成本。而P84^®濾袋的預期壽命為6年，每年除塵器濾袋的成本為10萬美元。

  粉塵排放

  通常，袋式除塵器有限的粉塵排放中幾乎100%都是低于10μm（PM10）粒徑的粉塵，大部分低于2.5μm（PM2.5）。也就是說，袋式除塵器對微粒粉塵（比如PM2.5）的排放控制，可以通過降低粉塵排放的總量來實現(xiàn)。對于阿姆卜加水泥（Ambuja）魯烏里工廠這種規(guī)模的水泥生產(chǎn)線，10mg/Nm³的排放相當于產(chǎn)品和原料損失大約為80噸/年。減少的排放不僅意味著直接的成本節(jié)省，而且對工人健康的影響和周圍環(huán)境的污染亦可顯著降低。

  阿聯(lián)酋聯(lián)合水泥（UCC）哈伊瑪角（Ras Al Khaimah）工廠的運行經(jīng)驗

  --- 使用P84^®超細纖維的純84^®濾袋實現(xiàn)5mg/Nm³超低排放

  阿聯(lián)酋聯(lián)合水泥（UCC）哈伊瑪角（Ras Al Khaimah）工廠日產(chǎn)10,000噸的熟料生產(chǎn)線的生料磨/窯尾除塵器由來自中國的中材環(huán)保有限公司（中材平頂山）提供，包括兩個使用2x8448個濾袋的平行袋室，濾袋長度6m，氣布比大約0.9m/min，過濾面積超過了50,000m²。為了保證嚴格的 5mg/Nm³ 粉塵排放要求，初裝設備中安裝的濾袋由德國濾袋供應商 MGF Gutsche 提供，并采用了添加 P84^®超細纖維的純P84^®濾袋。

  經(jīng)過6年多的運行后，粉塵排放仍然低于5mg/Nm³。 壓差僅從開始的500~600Pa，上升到了600~700Pa。大約17,000個過濾袋中僅更換了20-40個。

  與阿姆卜加水泥（Ambuja）的情況類似，其引風機能耗成本大約是濾袋年平均成本的兩倍。如果濾袋持續(xù)保持可運行狀態(tài)，濾袋的年平均成本會變得更低，甚至低于引風機能耗成本的一半。

  濾袋運行5年后的實驗室分析結(jié)果

  根據(jù)取自兩個袋室的樣袋的實驗室分析結(jié)果，可以確認濾袋依然具備良好狀態(tài)。絕大部分的濾料參數(shù)接近新材料的典型值，樣袋的強度仍接近新材料的典型值證明了這一點，即長度方向超過600N/5cm，橫向超過1300N/5cm。

  圖4展示了實驗室中剪開的濾袋。凈氣面無粉塵，僅看到銹蝕的袋籠豎筋上的褐色痕跡，但是濾料在這些位置并沒有開始損壞的跡象。右面那張圖顯示了袋籠受腐蝕后產(chǎn)生的沉積物留在濾袋的底部。這種沉積物以及受到腐蝕的籠架通常會使濾袋材料出現(xiàn)額外的機械磨損，而P84^®濾袋材料的良好狀態(tài)證明了P84^®針刺氈可以勝任這種苛刻的煙氣環(huán)境。

  圖5所示，濾料的橫截面無粉塵，即使在關鍵部位也是如此，例如在袋籠橫筋處。這是優(yōu)異的表面過濾效果的證明。幾乎沒有變化的壓差也證實了這一點：由于粉塵顆粒在毛氈表面處是分離的，粉塵不會侵入到濾料毛氈的內(nèi)部。在濾料迎塵面添加P84^®超細纖維，就是保證優(yōu)異的表面過濾性能的原因之一。

  對樣品濾袋材料進行的分子化學分析，顯示濾袋材料只出現(xiàn)了輕微氧化。參考上百個使用P84^®濾袋的工業(yè)裝置進行的分析結(jié)果，以及在實驗室進行的人工老化實驗結(jié)果，贏創(chuàng)纖維（Evonik Fibres）可以對濾袋材料的狀態(tài)和剩余壽命進行有效估計。就此而論，阿聯(lián)酋聯(lián)合水泥（UCC）哈伊瑪角（Ras Al Khaimah）工廠生料磨/窯尾除塵器預計在接下來的幾年中不會出現(xiàn)使用的問題。

  不過，為了安全起見，避免有個別濾袋會有較嚴重的磨損，或因袋籠嚴重腐蝕而發(fā)生局部損壞而導致濾袋失效，該廠已經(jīng)按原規(guī)格訂購了整套采用P84^®超細纖維的純P84^®濾袋。以做好在需要的時候立即更換的準備。P84^®濾袋可以長期保存，不會影響其運行性能，特別是使用壽命、運行壓差和粉塵排放。

  總結(jié)

  阿聯(lián)酋聯(lián)合水泥（UCC）哈伊瑪角（Ras Al Khaimah）工廠日產(chǎn)10,000噸的熟料生產(chǎn)線生料磨/窯尾除塵器和阿姆卜加水泥魯烏里工廠（Ambuja Rauri）日產(chǎn)7200噸生產(chǎn)線生料磨/窯尾除塵器是幾百臺成功使用純P84^®濾袋的水泥窯尾除塵器中的兩臺。兩臺除塵器都實現(xiàn)了450~700Pa的低壓差，使得引風機的能耗很低。另外，在整個濾袋使用期間排放量都低于10mg/Nm³，特別是阿聯(lián)酋聯(lián)合水泥（UCC）哈伊瑪角（Ras Al Khaimah）工廠，在經(jīng)過6年的運行后，排放仍然低于5mg/Nm³。

  對用過的濾袋進行實驗室分析是一種用來評估濾袋剩余使用壽命的重要方法。分析了濾袋的狀態(tài)之后，可以將意外停窯的風險降至最低，運營管理者可及時計劃更換。有多家公司可以提供這種服務，例如濾袋供應商、纖維制造商和除塵器生產(chǎn)廠商。

  本文中的兩個實際使用添加P84^®超細纖維的純P84^®濾袋案例里，水泥窯尾除塵器的引風機運行能耗成本大約是濾袋平均年成本的兩倍。如果選擇高性能的濾袋，成本可能要增加40%，那么當運行壓差降低20%時，增加的濾袋成本即可在運行3~4年后通過引風機的能耗節(jié)約而獲得補償。當然，運行壓差降低越多，濾袋使用壽命越長，則引風機能耗節(jié)省的收益就會越大。因此，在選擇濾袋材質(zhì)和結(jié)構(gòu)時，相關的成本計算中必須涵蓋預期運行壓差和產(chǎn)生的引風機能耗，否則的話，廉價的濾袋會在將來變成一筆昂貴的費用，即 “The Cheaper Is Expensive” - 用便宜的材料會化更多的錢。