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【科塵】袋式除塵技術發展回顧和展望

人氣:542 發表時間:2019-08-16 【


2019-08-1616:23:29

  節能減排是轉變發展方式、實現中國可持續發展必由之路。我國經濟快速增長,各項建設取得巨大成就,但也付出了巨大的資源和環境被破壞的代價,這兩者之間的矛盾日趨尖銳。不加快調整經濟結構、轉變增長方式,資源支撐不住,環境容納不下,社會承受不起,經濟發展難以為繼。只有堅持節約發展、清潔發展、安全發展,才能實現經濟又好又快發展。


  節能減排包括節能和減排兩大技術領域,二者有聯系,又有區別。一般地講,節能必定減排,而減排卻未必節能,所以減排項目必須加強節能技術的應用,以避免因片面追求減排結果而造成的能耗激增,注重社會效益和環境效益均衡。從這個角度講,環保技術和裝備也必須講節能;同樣,環保技術和裝備本身更應講環保,而不應破壞環境或帶來新的環境污染。


  對袋除塵技術和裝備的研發以往我們更多的是考慮除塵效率更高以及過濾材料的使用壽命更長;現在我們已經知道不僅要考慮高效率、長壽命,還要考慮低運行阻力,也就是要節電;今后我們還要考慮總動力能源的低消耗(電能、氣能)、廢棄過濾材料的回收處理。作為除塵技術中的重要領域之一的袋式除塵技術應該也必將為我國實現可持續發展做出更多、更好的貢獻,袋式除塵技術和裝備的創新以及整個袋式除塵行業發展也應該秉承可持續發展的理念。


  1回顧


  “十一五”、“十二五”期間,隨著我國水泥、電力、鋼鐵等行業的快速發展,通過不斷創新,我國的袋式除塵技術和裝備水平顯著提高,實現了跨越式發展。主要體現在以下幾點:


  1.1裝備大型化開發應用取得了突破,標志著技術水平上臺階


  隨著水泥、電力、鋼鐵等行業生產規模的擴大和設備能力的提高,袋式除塵設備的大型化是必然的結果。通過產、學、研、用各方面的持續不斷的協同創新,裝備大型化開發和應用有了實質性的突破,水泥行業單機處理風量已達到了100萬m3/h,單線規模達到200萬m3/h,電力行業單機處理風量已達到了250萬m3/h,且設備已做到了穩定、可靠運行。大型化袋式除塵器的研發和應用,使我國袋式除塵器技術和裝備的水平得到大幅提高,步入了國際先進水平。


  1.2裝備設計開發多樣化,滿足了不同行業的要求


  水泥、電力、鋼鐵等行業的科技工作者,根據各行業的不同需求,開發出了不同類型的產品,如低壓長袋脈沖袋式除塵器、電袋復合除塵器、直通均流袋式除塵器、低壓回轉脈沖噴吹袋式除塵器、階梯式袋式除塵器等。這些產品基本上都形成了系列化,滿足了本行業不同規模生產線的要求。


  水泥行業已形成了2500t/d、3000t/d、4000t/d、5000t/d、10000t/d、12000t/d配套的系列化低壓長袋脈沖袋式除塵器。該除塵器的結構和實物見圖1。


  1.3計算機技術的應用提高了研發水平和設計質量


  采用計算機三維設計提高了除塵裝備和工程設計的效率和質量;CFD數模技術的應用提高了研發水平,縮短了研發周期,為裝備的優化設計特別是大型化裝備的結構優化提供了依據。


  例如,利用CFD數值模擬技術可開展除塵器內部氣流速度場、溫度場、顆粒物濃度場模擬試驗,分析氣流流動狀態和規律,為大型除塵器氣流合理分布,從延長濾袋使用壽命、促進粉塵沉降、降低設備阻力等方面為結構設計提供依據和指導;研究噴吹系統氣流流量和壓力分布,為噴吹管的結構設計提供依據;模擬濾袋的壓力分布和壓力變化,確定濾袋的規格。袋式除塵器內部的計算機三維模擬見圖2。


  1.4標準的制定推動了技術的發展以及推廣應用


  2012年頒布的《袋除塵工程通用技術規范》(HJ2020—2012),規定了袋式除塵工程設計、施工與安裝、調試與驗收、運行與維護的通用技術要求;《水泥工業除塵工程技術規范》(HJ434—2008)、《鋼鐵工業除塵工程技術規范》(HJ435—2008)、《燃煤電廠鍋爐煙氣袋式除塵工程技術規范》(DL/T1121—2009)、《垃圾焚燒袋式除塵工程技術規范》(HJ2012—2012)等提出了各行業主要生產工藝中煙氣治理的原則和措施,規定了除塵工程設計的技術要求。同時國家還組織制定和修訂了一系列袋式除塵器產品規范,包括主機、濾料和濾袋、袋籠、脈沖閥、分氣包等。


  燃煤電廠、鋼鐵工業、水泥工業等都適時進行了大氣污染物排放標準的修訂,提出了更嚴格的工業排放標準:《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》(GB28662—2012)、《煉鐵工業大氣污染物排放標準》(GB28663—2012)、《煉鋼工業大氣污染物排放標準》(GB28664—2012);《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011);《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB4915—2013)。


  上述標準的制定推動了各個行業環保技術的發展和進步,加快了袋式除塵裝備工程化開發和應用。


  在總結成績時,還要看到不足,突出問題表現在裝備制造水平有待提高。我國袋除塵器的整體制造水平與國外發達國家還有相當大的差距;大量的袋除塵裝備制造企業水平參差不齊,同行間存在相當大的差距;袋除塵生產企業與電除塵生產企業相比,制造水平也有差距,特別是加工精度、零部件的標準化等方面的差距明顯。應堅決淘汰落后的作坊式加工方式,實現裝備高端化制造。


  2袋除塵技術發展的展望和思考


  2.1超凈排放技術


  眾所周知,PM2.5是霧霾產生主要原因之一,減少污染源,削減大氣污染物排放是解決霧霾的根本之道。國情決定了對于我國的水泥、鋼鐵、有色等行業,去產能可以,去產業做不到。所以,即使我們的行業過剩問題解決,我國環境容量的巨大壓力依然存在。這就要求我們未來的標準要比現有標準更嚴,甚至超歐、美、日的標準,才能滿足生態文明建設的要求。有關方面對我國水泥廠窯尾除塵器排放煙氣進行了檢測統計,PM2.5占比40%~60%;一組國外相關報道的數據表明,在排放達到15mg/Nm3的煙氣中,PM10含量為80%,PM2.5含量為26.7%??梢钥闯?,進一步降低排放濃度,實現超低排放,對降低PM2.5含量有明顯作用。超凈排放(超低排放)技術的研發已是刻不容緩。


  火電行業已先行,明確提出了“超凈排放”。超凈排放是指用多種污染物綜合治理技術,使火電廠主要大氣污染物(煙塵、二氧化硫、氮氧化物)排放達到或優于燃氣輪機組的大氣污染物排放限值:SO2排放35mg/Nm3,NOx排放50mg/Nm3,粉塵排放5mg/Nm3。相比于2015年7月1日起開始執行的“史上最嚴格火電排放標準”(非重點地區現有煤電機組執行二氧化硫200mg/Nm3、氮氧化物100mg/Nm3、煙塵30mg/Nm3,重點地區50mg/Nm3、100mg/Nm3、20mg/Nm3),主要污染物的排放可以減少三到七成。濕式除塵器技術的研發和應用,為火電行業實現超凈排放的探索提供了一條新途徑,火電行業的先行探索和實踐,必將帶動其他行業的共同進步。因此,10mg/Nm3、5mg/Nm3的粉塵排放指標對水泥行業來說將不是遙遠的目標。


  目前,袋除塵器對粉塵的凈化效率可以達到99.99%,PM10的捕集效率99.35%,PM2.5的捕集效率98.84%,在控制細顆粒物有明顯優勢。對于袋除塵器來說,超凈排放技術不應簡單地理解為把濾料質量提高,或提高濾袋的縫制質量就可解決問題,這是綜合技術的集成系統,應從高效噴吹清灰系統、高精度過濾系統、低阻結構系統、均風分布系統、智能控制系統等五大主要系統技術進行創新,超凈排放技術的研發對袋式除塵器各個系統的創新研究將是一次提升和考驗,也必將進一步整體提升我國袋除塵的技術和裝備水平。


  2.2智能控制、檢測和應急處置技術


  大型脈沖噴吹袋除塵器普遍用于水泥、冶金、電力、化工等行業,由于環保排放要求越來越嚴格,一旦除塵器出現故障,如破袋、清灰系統短路(如脈沖閥、提升閥等)、超溫等故障,會影響系統的正常運行,嚴重的造成粉塵超標排放。幾千條甚至上萬條濾袋以及幾百個脈沖閥,如何及時、準確判斷故障位置并進行應急處置,對企業管理提出了更高的要求。利用計算機仿真技術,實現破袋在線檢測及定位、清灰系統短路故障的快速排查、遠程故障報警,方便用戶及時對故障進行分析和處理,真正實現袋除塵器預警、定位、檢測、處置等功能一體的智能化控制,將大大提高企業管理水平,降低運行、維護成本,減少事故損失。


  在線破袋檢測定位技術可有效并及時發現破袋位置,縮短排查和處置時間,杜絕事故排放,延長濾袋使用壽命,減少設備的運行和維護成本。利用清灰系統短路故障的快速排查技術,可大大減少人力排查時間,提高運行可靠性。故障實時監測和無線報警,及時發現和處理問題,避免事故擴大化。靈活的數據輸出功能。曲線圖、表格、報警指示等,提供智能化歷史趨勢全自動回放功能等,方便快捷,有利于對歷史數據進行分析,查找系統存在的問題。


  2.3粉塵與有害廢氣協同治理技術


  現有技術對于工業窯爐廢氣中的粉塵、NOx、SO2等治理一般是采用分別單獨處理的方式,各自為政。


  隨著水泥窯協同處置生活垃圾、危險廢物、污泥、污染土等固體廢物技術的成熟,以及垃圾焚燒發電、生物質焚燒發電的推廣應用,廢氣成分更加復雜,處置難度加大,成本增加。


  試驗表明,袋除塵器具有多污染物協同去除的功能,如在有效收集細顆粒物的同時,還可以兼顧處理SO2、HCl、汞和二惡英等污染物。有資料表明,在干法、半干法脫硫時,采用袋除塵器可提高脫硫效率8%。


  按協同處理的理念,在廢氣處理過程中,脫硫的同時進行脫硝,除塵的同時進行進一步脫汞、二惡英,必將提高效率,降低成本。


  研制帶有催化功能的過濾材料,除塵的同時進行脫硝,也將是一個值得探討和研究的技術方向。戈爾公司率先進行了覆膜濾袋催化過濾技術的研究開發,據戈爾公司提供的試驗數據表明,脫硝效率達到65%~75%,氨逃逸幾乎為零,但未見進一步的商業應用報道。


  2.4高溫除塵技術


  2.4.1玄武巖濾料高溫袋除塵器


  玄武巖纖維采用天然礦物原料熔融體制備而成,其耐溫、絕熱、隔音性能方面優于其他品種纖維,能夠在600℃或者更高溫度下應用,玄武巖纖維制品在空氣與水介質中不會釋放出有毒物質,不水解、耐酸堿、耐高溫、阻燃。


  合肥水泥研究設計院承擔的國家“十二五”科技支撐項目“玄武巖纖維濾料制備關鍵技術與示范應用”開發的玄武巖濾料高溫袋除塵器,已投入運行并順利完成了項目驗收。項目主要包含了玄武巖纖維結構及物化特性研究、玄武巖纖維表面改性技術研究、玄武巖纖維濾料織造技術及性能研究、高溫袋除塵器的研制等研究內容。通過對玄武巖礦物組成特征、玄武巖纖維物理特性、玄武巖纖維濾料針刺工藝及表面改性后處理等技術的研究,開發了耐高溫玄武巖纖維濾料,玄武巖纖維濾料及其制品見圖3。


  玄武巖濾料高溫袋除塵器具有可耐330℃以上高溫,投資成本低,運行穩定等特點。


  2.4.2陶瓷濾筒高溫除塵器


  陶瓷濾筒是利用多孔陶瓷(堇青石、碳化硅)表面覆蓋一層極薄陶瓷膜(小于50μm)制造成的,陶瓷過濾器具有很多優點,如耐高溫(300~900℃)、機械強度大、耐高壓(4MPa)、耐酸堿腐蝕、壽命長、過濾精度高等。陶瓷膜孔徑范圍0.5~3μm,因此對于小于10μm的固體顆粒的除塵率高達99.5%以上,滿足工業上對氣固兩項的高效和深度過濾。對于超細粉塵的收集效果顯著,能穩定滿足<5mg/Nm3的超凈排放要求。


  20世紀70年代開始,美國能源部開展了以陶瓷過濾介質為主的高溫氣體過濾除塵技術的開發,德國、日本、英國等發達國家也都相繼開展了類似的研究工作,并取得了很大的進展。目前,高溫除塵過濾介質一般采用多孔陶瓷材料、多孔金屬材料和陶瓷纖維增強復合多孔材料等。陶瓷材料具有優良的耐熱性、化學穩定性和高溫抗腐蝕性,但韌性和抗熱震性較差。


  國內一些大學、科研單位和企業已開展了相關研發工作,并進行了小型化的應用,在改善多孔陶瓷濾芯的抗熱震性和清灰再生性能,提高除塵效率、降低過濾阻力、延長使用壽命等關鍵技術上取得了明顯的進步。但由于資源分散,未能形成合力,特別是在裝備大型化、低成本的工業化應用開發方面還面臨很多技術難題,應加強技術攻關。建議按產學研結合的集成創新思路來進行陶瓷濾筒高溫除塵器技術與裝備的研制與開發。陶瓷濾筒在除塵、脫硝協同處理具有先天優勢,具備發展前景。


  實現高溫煙氣除塵前置,將為水泥窯尾、玻璃窯采用SCR技術脫硝徹底解決目前遇到的技術障礙,同時為進一步提高余熱發電的效率提供了空間。高溫除塵器未來除了在水泥行業、玻璃行業以外,在高爐煤氣、鋼鐵燒結和球團、燃煤電廠以及其他特殊行業高溫煙氣除塵也具有很好的應用前景。


  2.5廢舊濾袋的處理技術


  隨著袋式除塵器的廣泛應用,大量破損的廢舊濾袋的處置已成為難以解決的棘手問題,其特點為數量大、品種多。


  從表1可以看出,從1985年到2005年的20年間,我國的濾料產量增長了22倍以上,進入21世紀以來,濾料的發展速度更快,呈現出爆發式增長。從表1中還可以看出,每年淘汰下來以及歷年積累的破損、廢舊濾袋的數量將是天文數字。


  纖維的種類在快速發展,從早期的天然纖維、滌綸纖維、玻纖濾料,到NOMEX、PPS、PTFE、P84等合成纖維。各個行業采用的濾袋品種繁多,有單一纖維濾袋、多種有機纖維復合氈濾袋、有機和無機纖維復合氈濾袋。


  目前廢舊濾袋的處理方式主要有以下幾種:


  1)廢棄或填埋


  填埋是目前處置廢舊濾袋最簡單實用的方法,也是應用最多的方法。由于濾袋采用化纖合成原料,其生物降解性差。濾袋廢棄或填埋都會成為新的污染源。


  2)焚燒


  焚燒是實現廢舊濾袋減量化、無害化的有效手段,也是目前解決破損、廢舊濾袋最有效的方法之一。在焚燒過程中存在二次污染,但焚燒后可以實現減量化、減容化和穩定化。有機合成纖維焚燒后主要變成了CO2和H2O等氣體,但玻纖濾袋經高溫焚燒是難點(熔化溫度1300~1600℃)。


  3)回收利用


  廢舊濾袋最理想的處置方式是收集后,熔化拉絲,重復利用。但收集、運輸、清洗、烘干、熔化等過程困難,是廢舊濾袋難以回收的關鍵所在,經濟性也是廢舊濾袋難以回收的主要問題之一。


  國內已有相關單位在進行回收生產線的技術研究和開發,但目前相關的技術和裝備尚不成熟,需要進一步進行研究。


  廢舊濾袋回收利用是未來的發展方向,甚至將產生一個產業。在環保要求日益提高的情況下,廢舊過濾材料的處理技術研究甚至將影響未來袋除塵器技術的發展。


  2.6新過濾材料的研發


  2.6.1特種纖維


  芳綸、聚酰亞胺纖維作為具有優異性能耐高溫過濾材料得到普遍應用,但中國市場曾經長期被NOMEX、P84國外品牌壟斷。近十多年來我國自主研發取得了很大進步,芳綸產品質量和規模已達到國外同類產品的水平,聚酰亞胺纖維全流程工業化規模生產線實現突破,其主要指標已接近國外同類產品的水平,但產品的穩定性、纖維的均勻性還有差距,還需加強研究工作。


  2.6.2超細纖維


  超細纖維(一般把纖度0.3旦,直徑5μm以下的纖維稱為超細纖維)的開發將是提高濾料過濾性能的重要手段和方法之一。采用超細纖維作濾料迎風面層的梯度濾料,同樣具有表面過濾的作用,且與面層不易分離、脫落,可降低過濾阻力。


  隨著特種纖維、超細纖維生產國產化、規?;膶崿F,不僅可滿足各工業領域對除塵濾料的需求,也可提升國產袋式除塵裝備的質量。未來,高性能、功能性濾料將得到快速發展。


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