正确选择滤袋节约运行成本

  前言

  袋式除尘器，特别是采用脉冲式清灰方式的袋式除尘器，是用于水泥窑尾高温废气除尘的常用技术。运行和维护的主要成本在于滤袋采购和更换、引风机能耗和压缩空气的使用上。通常，引风机能耗占据着运行成本的绝大部分，甚至超过了滤袋的成本。值得注意的是，由于滤袋性能决定了除尘器在运行期间的压差，引风机的能耗高低主要是受到滤袋性能的影响。用于清灰的压缩空气大约占到成本的10%左右，采用低压清灰方式，并且较少的清灰次数可节省能耗并减少滤袋的机械磨损。至于产量产能的损失，应根据具体情况进行评估，取决于实际的生产状况 - 例如，需要保证粉尘排放而更换失效滤袋导致的停窑停产。

图1.P84^®的多叶形纤维横截面

  用于水泥生料磨/窑尾除尘器的滤料选择

  通常有两种不同材质和构造的滤料用于水泥生料磨/窑尾的脉冲式除尘器：

  P84^®针刺毡滤料。

  玻璃纤维机织布覆e-PTFE薄膜。

  两种材质的高温稳定性比较接近，比如最高耐温可以达到的峰值为260℃，但在设计和极限工况方面则完全不同。在窑尾废气的典型工况条件下，P84^®纤维滤袋针刺毡滤料在机械性能方面相当稳定，迎尘面和净气面两层针刺毡起到阻隔分离粉尘的作用，即使滤料表面受到损伤，也不会影响过滤效果。其中起到支撑作用的基布嵌在两层针刺毡中间，使基布受到保护，免受机械损坏，这确保了滤料极高的耐弯折性，且在与袋笼横筋接触点处提供良好保护。P84^®纤维相比其它纤维的独特优势在于其多叶形的纤维横截面（图1），无需使用覆膜，也可以很好地实现表面过滤的效果。当然，极端的高温会影响   P84^®针刺毡滤料的寿命，但大多数窑尾的正常运行温度都是在其承受范围内，所以P84^®针刺毡滤料可以在使用周期内稳定可靠地运行。玻璃纤维机织布覆e-PTFE薄膜的材质耐化学性也很好，但在设计，运输，安装和运行时应采取防护措施以防止出现意外的机械损坏。

  另外，PAN（压克力）和PPS（聚苯硫醚）一般用在连续使用温度和极限峰值温度均较低的应用中。为了提高过滤效率，经常采用添加P84^®纤维进行混纺，或在表面覆PTFE薄膜的滤料方案。另外，为了降低滤袋成本，有些生产厂家采用不同材质滤料纤维生产的混纺滤料，或者玻璃纤维和滤料纤维生产的混纺滤料。需要指出的是，由于混纺纤维的多样性，很难对这些材料的性能做一个总体评价。普遍而言，这种混纺滤料的使用寿命较短且运行中压差较高，在大多数情况下，这种方法无法降低除尘器的总体运行成本，即“The Cheaper Is Expensive”- 用便宜的材料会化更多的钱。

  阿姆卜加水泥鲁乌里工厂（Ambuja Rauri）

  -- 印度首个使用纯P84^®滤袋的生料磨/窑尾除尘器

  阿姆卜加水泥（Ambuja）在靠近喜马尔杰邦（Himachal Pradesh）达拉各哈特（Darlaghat）的日产7200吨的水泥生产线是印度首个安装纯P84^®滤袋的生料磨/窑尾除尘器的大型水泥生产线，并且在滤料中添加了P84^®超细纤维。其除尘器由Intensiv Filter（现已被 Himenviro Pvt Ltd收购）提供。于2010年底投入运营时，工作压差为400~600Pa，排放量低于10mg/Nm³（运行详情请参见表1）。运行3年后，除尘器工况及性能未明显发生改变，并且没有一个失效的滤袋需要更换。同时，赢创纤维（Evonik Fibres）位于奥地利的实验室中对一个取自现场的纯P84^®滤袋进行了分析，确认这个滤袋保持了良好的状态，预计还可以继续使用3年或更长时间。

  滤袋运行3年后的实验室分析结果

  使用3年后，滤袋的强度仍与新滤袋的典型值接近。同时，液相色谱法的化学分析也确认了材料的良好状态，仅观察到轻微程度的氧化。对剪开的滤袋（图2）进行观察，发现在净气面无粉尘，且无损坏的迹象。

图2.运行3年后的P84^®过滤袋剪开检查

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  图3显示了两个取自不同位置P84^®滤袋的横截面，左图样袋取自袋室入口附近；右图样袋取自袋室中心位置。两个样袋的横截面均无粉尘侵入，取自入口处的滤袋观察到的黑色物质（渗至横截面大约一半处）是未充分燃烧的烃类物质。通常，烃类冷凝物可导致滤料阻塞，特别是在使用PTFE覆膜滤料时。阿姆卜加水泥（Ambuja）滤袋的透气性测试确认了两个取自不同位置的滤袋具有接近的透气性，也就是说P84^®滤袋的透气性并没有受到未充分燃烧物质的影响。

  干净无粉尘侵入的滤料横截面，连同自启用以来稳定的压降，证实了P84^®滤袋几近完美的表面过滤效果。普通滤料一旦发生粉尘侵入，伴随着压降上升，清灰频率也会明显增加。

  通过研究滤袋的整体性能状况，可以估计它的预期寿命至少还有三年。这段时间之后，可以再次从现场提取样袋，进行实验室分析。

  引风机能耗

  当生料磨开启时，引风机的能耗大约为300kW，生料磨停开时大约为750kW。生料磨停开的时间大约占总运行时间的15%，此时需要大量新鲜空气稀释冷却烟气，会导致较高的烟气流量。总的来说，生产线的运行平均压差大约在450Pa的水平，而引风机平均功率约为400kW，平均年耗能量为3000MWh。即使是该地区的电力相对廉价，每年的引风机电力费用也要达到20万美元，但与其它水泥厂平均高于900Pa的压差相比，每年可节省一半的电力成本。而P84^®滤袋的预期寿命为6年，每年除尘器滤袋的成本为10万美元。

  粉尘排放

  通常，袋式除尘器有限的粉尘排放中几乎100%都是低于10μm（PM10）粒径的粉尘，大部分低于2.5μm（PM2.5）。也就是说，袋式除尘器对微粒粉尘（比如PM2.5）的排放控制，可以通过降低粉尘排放的总量来实现。对于阿姆卜加水泥（Ambuja）鲁乌里工厂这种规模的水泥生产线，10mg/Nm³的排放相当于产品和原料损失大约为80吨/年。减少的排放不仅意味着直接的成本节省，而且对工人健康的影响和周围环境的污染亦可显着降低。

  阿联酋联合水泥（UCC）哈伊玛角（Ras Al Khaimah）工厂的运行经验

  --- 使用P84^®超细纤维的纯84^®滤袋实现5mg/Nm³超低排放

  阿联酋联合水泥（UCC）哈伊玛角（Ras Al Khaimah）工厂日产10,000吨的熟料生产线的生料磨/窑尾除尘器由来自中国的中材环保有限公司（中材平顶山）提供，包括两个使用2x8448个滤袋的平行袋室，滤袋长度6m，气布比大约0.9m/min，过滤面积超过了50,000m²。为了保证严格的 5mg/Nm³ 粉尘排放要求，初装设备中安装的滤袋由德国滤袋供应商 MGF Gutsche 提供，并采用了添加 P84^®超细纤维的纯P84^®滤袋。

  经过6年多的运行后，粉尘排放仍然低于5mg/Nm³。 压差仅从开始的500~600Pa，上升到了600~700Pa。大约17,000个过滤袋中仅更换了20-40个。

  与阿姆卜加水泥（Ambuja）的情况类似，其引风机能耗成本大约是滤袋年平均成本的两倍。如果滤袋持续保持可运行状态，滤袋的年平均成本会变得更低，甚至低于引风机能耗成本的一半。

  滤袋运行5年后的实验室分析结果

  根据取自两个袋室的样袋的实验室分析结果，可以确认滤袋依然具备良好状态。绝大部分的滤料参数接近新材料的典型值，样袋的强度仍接近新材料的典型值证明了这一点，即长度方向超过600N/5cm，横向超过1300N/5cm。

  图4展示了实验室中剪开的滤袋。净气面无粉尘，仅看到锈蚀的袋笼竖筋上的褐色痕迹，但是滤料在这些位置并没有开始损坏的迹象。右面那张图显示了袋笼受腐蚀后产生的沉积物留在滤袋的底部。这种沉积物以及受到腐蚀的笼架通常会使滤袋材料出现额外的机械磨损，而P84^®滤袋材料的良好状态证明了P84^®针刺毡可以胜任这种苛刻的烟气环境。

  图5所示，滤料的横截面无粉尘，即使在关键部位也是如此，例如在袋笼横筋处。这是优异的表面过滤效果的证明。几乎没有变化的压差也证实了这一点：由于粉尘颗粒在毛毡表面处是分离的，粉尘不会侵入到滤料毛毡的内部。在滤料迎尘面添加P84^®超细纤维，就是保证优异的表面过滤性能的原因之一。

  对样品滤袋材料进行的分子化学分析，显示滤袋材料只出现了轻微氧化。参考上百个使用P84^®滤袋的工业装置进行的分析结果，以及在实验室进行的人工老化实验结果，赢创纤维（Evonik Fibres）可以对滤袋材料的状态和剩余寿命进行有效估计。就此而论，阿联酋联合水泥（UCC）哈伊玛角（Ras Al Khaimah）工厂生料磨/窑尾除尘器预计在接下来的几年中不会出现使用的问题。

  不过，为了安全起见，避免有个别滤袋会有较严重的磨损，或因袋笼严重腐蚀而发生局部损坏而导致滤袋失效，该厂已经按原规格订购了整套采用P84^®超细纤维的纯P84^®滤袋。以做好在需要的时候立即更换的准备。P84^®滤袋可以长期保存，不会影响其运行性能，特别是使用寿命、运行压差和粉尘排放。

  总结

  阿联酋联合水泥（UCC）哈伊玛角（Ras Al Khaimah）工厂日产10,000吨的熟料生产线生料磨/窑尾除尘器和阿姆卜加水泥鲁乌里工厂（Ambuja Rauri）日产7200吨生产线生料磨/窑尾除尘器是几百台成功使用纯P84^®滤袋的水泥窑尾除尘器中的两台。两台除尘器都实现了450~700Pa的低压差，使得引风机的能耗很低。另外，在整个滤袋使用期间排放量都低于10mg/Nm³，特别是阿联酋联合水泥（UCC）哈伊玛角（Ras Al Khaimah）工厂，在经过6年的运行后，排放仍然低于5mg/Nm³。

  对用过的滤袋进行实验室分析是一种用来评估滤袋剩余使用寿命的重要方法。分析了滤袋的状态之后，可以将意外停窑的风险降至最低，运营管理者可及时计划更换。有多家公司可以提供这种服务，例如滤袋供应商、纤维制造商和除尘器生产厂商。

  本文中的两个实际使用添加P84^®超细纤维的纯P84^®滤袋案例里，水泥窑尾除尘器的引风机运行能耗成本大约是滤袋平均年成本的两倍。如果选择高性能的滤袋，成本可能要增加40%，那么当运行压差降低20%时，增加的滤袋成本即可在运行3~4年后通过引风机的能耗节约而获得补偿。当然，运行压差降低越多，滤袋使用寿命越长，则引风机能耗节省的收益就会越大。因此，在选择滤袋材质和结构时，相关的成本计算中必须涵盖预期运行压差和产生的引风机能耗，否则的话，廉价的滤袋会在将来变成一笔昂贵的费用，即 “The Cheaper Is Expensive” - 用便宜的材料会化更多的钱。