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(shù)。運(yùn)行和維護(hù)的主要成本在于濾袋采購(gòu)和更換、引風(fēng)機(jī)能耗和壓縮空氣的使用上。通常，引風(fēng)機(jī)能耗占據(jù)著運(yùn)行成本的絕大部分，甚至超過(guò)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(yùn)行期間的壓差，引風(fēng)機(jī)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(jī)械磨損。至于產(chǎn)量產(chǎn)能的損失，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行評(píng)估，取決于實(shí)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(dǎo)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(jī)織布覆e-PTFE薄膜。

兩種材質(zhì)的高溫穩(wěn)定性比較接近，比如高耐溫可以達(dá)到的峰值為260℃，但在設(shè)計(jì)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(jī)械性能方面相當(dāng)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(huì)影響過(guò)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(hù)，免受機(jī)械損壞，這確保了濾料很高的耐彎折性，且在與袋籠橫筋接觸點(diǎn)處提供良好保護(hù)。P84®纖維相比其它纖維的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其多葉形的纖維橫截面（圖1），無(wú)需使用覆膜，也可以很好地實(shí)現(xiàn)表面過(guò)濾的效果。當(dāng)然，極端的高溫會(huì)影響 P84®針刺氈濾料的壽命，但大多數(shù)窯尾的正常運(yùn)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(yùn)行。玻璃纖維機(jī)織布覆e-PTFE薄膜的材質(zhì)耐化學(xué)性也很好，但在設(shè)計(jì)，運(yùn)輸，安裝和運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取防護(hù)措施以防止出現(xiàn)意外的機(jī)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(yīng)用中。為了提高過(guò)濾效率，經(jīng)常采用添加P84®纖維進(jìn)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(duì)這些材料的性能做一個(gè)總體評(píng)價(jià)。普遍而言，這種混紡濾料的使用壽命較短且運(yùn)行中壓差較高，在大多數(shù)情況下，這種方法無(wú)法降低除塵器的總體運(yùn)行成本，即“The Cheaper Is Expensive”- 用便宜的材料會(huì)化更多的錢(qián)。

阿姆卜加水泥魯烏里工廠（Ambuja Rauri）

-- 印度首個(gè)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(dá)拉各哈特（Darlaghat）的日產(chǎn)7200噸的水泥生產(chǎn)線是印度首個(gè)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(xì)纖維。其除塵器由Intensiv Filter（現(xiàn)已被 Himenviro Pvt Ltd收購(gòu)）提供。于2010年底投入運(yùn)營(yíng)時(shí)，工作壓差為400~600Pa，排放量低于10mg/Nm3（運(yùn)行詳情請(qǐng)參見(jiàn)表1）。運(yùn)行3年后，除塵器工況及性能未明顯發(fā)生改變，并且沒(méi)有一個(gè)失效的濾袋需要更換。同時(shí)，贏創(chuàng)纖維（Evonik Fibres）位于奧地利的實(shí)驗(yàn)室中對(duì)一個(gè)取自現(xiàn)場(chǎng)的純P84®濾袋進(jìn)行了分析，確認(rèn)這個(gè)濾袋保持了良好的狀態(tài)，預(yù)計(jì)還可以繼續(xù)使用3年或更長(zhǎng)時(shí)間。

濾袋運(yùn)行3年后的實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果

使用3年后，濾袋的強(qiáng)度仍與新濾袋的典型值接近。同時(shí)，液相色譜法的化學(xué)分析也確認(rèn)了材料的良好狀態(tài)，僅觀察到輕微程度的氧化。對(duì)剪開(kāi)的濾袋（圖2）進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在凈氣面無(wú)粉塵，且無(wú)損壞的跡象。

圖2.運(yùn)行3年后的P84®過(guò)濾袋剪開(kāi)檢查

圖3顯示了兩個(gè)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(gè)樣袋的橫截面均無(wú)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(lèi)物質(zhì)。通常，烴類(lèi)冷凝物可導(dǎo)致濾料阻塞，特別是在使用PTFE覆膜濾料時(shí)。阿姆卜加水泥（Ambuja）濾袋的透氣性測(cè)試確認(rèn)了兩個(gè)取自不同位置的濾袋具有接近的透氣性，也就是說(shuō)P84®濾袋的透氣性并沒(méi)有受到未充分燃燒物質(zhì)的影響。

干凈無(wú)粉塵侵入的濾料橫截面，連同自啟用以來(lái)穩(wěn)定的壓降，證實(shí)了P84®濾袋表面過(guò)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(huì)明顯增加。

通過(guò)研究濾袋的整體性能狀況，可以估計(jì)它的預(yù)期壽命至少還有三年。這段時(shí)間之后，可以再次從現(xiàn)場(chǎng)提取樣袋，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。

引風(fēng)機(jī)能耗

當(dāng)生料磨開(kāi)啟時(shí)，引風(fēng)機(jī)的能耗大約為300kW，生料磨停開(kāi)時(shí)大約為750kW。生料磨停開(kāi)的時(shí)間大約占總運(yùn)行時(shí)間的15%，此時(shí)需要大量新鮮空氣稀釋冷卻煙氣，會(huì)導(dǎo)致較高的煙氣流量。總的來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)線的運(yùn)行平均壓差大約在450Pa的水平，而引風(fēng)機(jī)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(duì)廉價(jià)，每年的引風(fēng)機(jī)電力費(fèi)用也要達(dá)到20萬(wàn)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(yù)期壽命為6年，每年除塵器濾袋的成本為10萬(wàn)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(shuō)，袋式除塵器對(duì)微粒粉塵（比如PM2.5）的排放控制，可以通過(guò)降低粉塵排放的總量來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(dāng)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(duì)工人健康的影響和周?chē)h(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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

--- 使用P84®超細(xì)纖維的純84®濾袋實(shí)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(lái)自中國(guó)的中材環(huán)保有限公司（中材平頂山）提供，包括兩個(gè)使用2x8448個(gè)濾袋的平行袋室，濾袋長(zhǎng)度6m，氣布比大約0.9m/min，過(guò)濾面積超過(guò)了50,000m2。為了保證嚴(yán)格的 5mg/Nm3 粉塵排放要求，初裝設(shè)備中安裝的濾袋由德國(guó)濾袋供應(yīng)商 MGF Gutsche 提供，并采用了添加 P84®細(xì)纖維的純P84®濾袋。

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

與阿姆卜加水泥（Ambuja）的情況類(lèi)似，其引風(fēng)機(jī)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(yùn)行狀態(tài)，濾袋的年平均成本會(huì)變得更低，甚至低于引風(fēng)機(jī)能耗成本的一半。

濾袋運(yùn)行5年后的實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果

根據(jù)取自?xún)蓚€(gè)袋室的樣袋的實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果，可以確認(rèn)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(qiáng)度仍接近新材料的典型值證明了這一點(diǎn)，即長(zhǎng)度方向超過(guò)600N/5cm，橫向超過(guò)1300N/5cm。

圖4展示了實(shí)驗(yàn)室中剪開(kāi)的濾袋。凈氣面無(wú)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(méi)有開(kāi)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(huì)使濾袋材料出現(xiàn)額外的機(jī)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(wú)粉塵，即使在關(guān)鍵部位也是如此，例如在袋籠橫筋處。這是優(yōu)異的表面過(guò)濾效果的證明。幾乎沒(méi)有變化的壓差也證實(shí)了這一點(diǎn)：由于粉塵顆粒在毛氈表面處是分離的，粉塵不會(huì)侵入到濾料毛氈的內(nèi)部。在濾料迎塵面添加P84®超細(xì)纖維，就是保證優(yōu)異的表面過(guò)濾性能的原因之一。

對(duì)樣品濾袋材料進(jìn)行的分子化學(xué)分析，顯示濾袋材料只出現(xiàn)了輕微氧化。參考上百個(gè)使用P84®濾袋的工業(yè)裝置進(jìn)行的分析結(jié)果，以及在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的人工老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，贏創(chuàng)纖維（Evonik Fibres）可以對(duì)濾袋材料的狀態(tài)和剩余壽命進(jìn)行有效估計(jì)。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(yù)計(jì)在接下來(lái)的幾年中不會(huì)出現(xiàn)使用的問(wèn)題。

不過(guò)，為了安全起見(jiàn)，避免有個(gè)別濾袋會(huì)有較嚴(yán)重的磨損，或因袋籠嚴(yán)重腐蝕而發(fā)生局部損壞而導(dǎo)致濾袋失效，該廠已經(jīng)按原規(guī)格訂購(gòu)了整套采用P84®超細(xì)纖維的純P84®濾袋。以做好在需要的時(shí)候立即更換的準(zhǔn)備。P84®濾袋可以長(zhǎng)期保存，不會(huì)影響其運(yùn)行性能，特別是使用壽命、運(yùn)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(tái)成功使用純P84®濾袋的水泥窯尾除塵器中的兩臺(tái)。兩臺(tái)除塵器都實(shí)現(xiàn)了450~700Pa的低壓差，使得引風(fēng)機(jī)的能耗很低。另外，在整個(gè)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(guò)6年的運(yùn)行后，排放仍然低于5mg/Nm3。

對(duì)用過(guò)的濾袋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析是一種用來(lái)評(píng)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(fēng)險(xiǎn)降至低點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)管理者可及時(shí)計(jì)劃更換。有多家公司可以提供這種服務(wù)，例如濾袋供應(yīng)商、纖維制造商和除塵器生產(chǎn)廠商。

本文中的兩個(gè)實(shí)際使用添加P84®超細(xì)纖維的純P84®濾袋案例里，水泥窯尾除塵器的引風(fēng)機(jī)運(yùn)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(dāng)運(yùn)行壓差降低20%時(shí)，增加的濾袋成本即可在運(yùn)行3~4年后通過(guò)引風(fēng)機(jī)的能耗節(jié)約而獲得補(bǔ)償。當(dāng)然，運(yùn)行壓差降低越多，濾袋使用壽命越長(zhǎng)，則引風(fēng)機(jī)能耗節(jié)省的收益就會(huì)越大。因此，在選擇濾袋材質(zhì)和結(jié)構(gòu)時(shí)，相關(guān)的成本計(jì)算中必須涵蓋預(yù)期運(yùn)行壓差和產(chǎn)生的引風(fēng)機(jī)能耗，否則的話，廉價(jià)的濾袋會(huì)在將來(lái)變成一筆昂貴的費(fèi)用，即 “The Cheaper Is Expensive” - 用便宜的材料會(huì)花更多的錢(qián)。