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煤磨除尘系统的两大影响因素及结构分析
时间:2018-09-13 20:56:06 来源:水泥技术
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  在水泥行业,煤磨的收尘采用袋式除尘器已广为应用,但是由于煤磨设备的发展,煤粉的输送已取消细粉分离器,而由袋式除尘器取而代之,而煤磨袋除尘器是根据煤粉尘防燃、防爆原理,以及袋除尘器过滤机理相结合研制成功的。煤粉在输送、粉磨与除尘过程中的主要危险是燃烧、爆炸。因此,防燃、防爆是煤粉磨系统及除尘器设计时必需考虑的两大因素。

  1、煤磨烟气的特性

  煤磨烟气中所含粉尘为煤粉,其浓度大,粒度细,易燃易爆。

  1.1煤粉的几项特性

  据煤炭科研部门试验表明,煤粉具有如下特性:

  (1)爆炸极限:烟煤爆炸下限浓度为110~335g/m3,爆炸上限浓度为1500g/m3;无烟煤爆炸下限浓度为45~55g/m3,爆炸上限浓度为1500~2000g/m3。

  (2)煤粉可燃爆的粒度:上限为0.5~0.8mm,粒经小于75μm更易于燃爆。

  (3)煤粉的着火温度:500~530℃,自燃温度:140~350℃。

  (4)煤的挥发份:无烟煤挥发份≤10%,无爆炸危险;烟煤挥发份>10%,有爆炸危险,百分比愈大,爆炸性愈大。

  1.2煤粉只有具备如下三要素,才可能进行燃烧和爆炸,缺一不行

  (1)有可燃物质一煤粉;

  (2)有氧气;

  (3)有点燃源。

  1.3粉尘浓度较低

  水泥厂煤磨工艺流程是煤磨排出的含煤粉烟气先流经粗粉分离器再经细粉分离器至除尘器,其粉尘浓度较低,约为70g/m3左右。随着技术的发展与进步,取消细粉分离器,含煤粉烟气经粗粉分离器后即直接至除尘器。此时,煤粉的浓度提高至300~700g/m3,在除尘器空间内煤粉弥漫正处于燃爆范围内。而煤粉的浓度很细,比表面积大,粒度<80μm的占80%左右;水泥厂现又多采用烟煤,挥发性一般在10%~30%,也均处于燃爆范围。此外由于煤磨属于烘干磨,烟气中有一定水份含量,露点一般在50~55℃,易于结露。

  1.4易引起燃爆

  氧气的浓度在15%~17%以上,易引起燃爆,小于14%视为惰性气体。

  水泥厂煤粉制备工艺系统——煤磨布置在窑尾(指回转窑),利用窑尾烟气作为烘干介质时,烟气中含氧量低,有抑制燃煤的作用——而用冷却机热风作为烘干介质时,热风中含氧量将高达21%,具备燃爆条件。

  1.5点燃源,煤磨是否具有煤粉燃爆的自燃或着火温度范围

  水泥厂煤磨入口温度一般不大于400℃,煤磨出口烟气温度为避免结露需高于露点温度15~30℃,一般控制在70~85℃,但当利用窑尾烟气作烘干用时,因其水份含量有时高达6%,煤磨烟气出口应高于露点温度30~35℃,一般控制在85~90℃。可见其出口烟气温度均在着火或自燃温度范围外。

  2、煤磨袋收尘器的防燃防爆

  2.1控制燃烧物

  含尘气体的燃烧物一是可燃气体,另一个是固体燃烧物,可燃气体主要是一氧化碳,其在气体中的含量达到一定浓度就可能发生爆炸,一氧化碳主要来自通风系统的热源,因此,必须加强通风系统的管理,保证一氧化碳含量在安全范围内。

  控制固体可燃物包括控制进气口含尘浓度和避免收尘器内部煤粉堆积两方面,避免煤粉堆积由收尘器特殊结构来保证,而气体的含尘浓度则由系统工艺决定,根据有关试验表明,煤粉的爆炸浓度工区是100~2000g/m3因此,为保证带收尘器安全运行,最好控制在60g以下,但是随着粉磨技术的发展带收尘器常被作为工艺设备选用,而且又都采用一级收尘,含尘气体由磨机经粗粉分离器直接进入带收尘器,含尘浓度都在300~700g/m3之间,这正处在爆炸危险区域,因此,控制其它两个爆炸条件及保证检测、防暴系统的正常尤为重要。

  2.2控制含氧量

  氧气是燃烧的三要素之一,试验表明,气体含氧量低于12%时,就能避免燃烧发生。在煤磨系统中,常需要热气体对磨进行通风和烘干物料,煤粉磨常用窑头冷却机热风,或窑尾废气做热源,若采用冷却机热风,气体中的含氧量基本上与空气相同,为21%,这将增大煤粉烟气爆炸的可能,极不安全,因此,使用带收尘器的煤磨系统最好是采用窑尾废气做热源,含氧量可控制在12%以下。

  2.3控制温度

  气体温度的控制对于煤磨收尘器来说,入口气体的温度应严格控制,保证高于露点以上25℃,低于75℃的范围。温度过高容易引燃含尘气体而发生爆炸;温度若低于露点一下,会引起结露,不仅造成积灰,还会堵塞滤带使清灰困难而影响收尘器的正常运行。

  2.4消除火源

  (1)消除内部火源

  主要是消除除尘器滤袋静电火源。抗静电针刺毡是在针刺毡的基布上纺入导电纤维,使滤料电阻值降低,利于附着滤袋表面粉尘所带静电荷的释放。有导电纤维较无导电纤维针刺毡表面电阻、体电阻和摩擦电位都低得多。为防止煤粉自燃,结构设计不能有积灰面。设备设计要符合防爆要求,本体上还必须装有卸压阀。煤磨袋除尘器的灰斗是很容易积灰的,煤粉尘细度细,粒度小于40μm的占95%以上,附着性强,粉尘还可能吸收空气中的水分,在灰斗壁上冷凝。所以灰斗壁的倾角应≥70°。在灰斗两面形成的谷角处,设计一溜料板,成为两个加大的谷角,减少粉尘的沉积。

  (2)消除外部火源

  外来火源主要有热风炉热风带入的火星;机械摩擦火花;电火花;维修时电、气焊造成的局部高温等。有些在系统操作时,只要引起足够的重视就可以克服,有些则难以预料,因此,必须采取安全措施,如设备检修时,停止系统的运行、隔离操作面、准备灭火器材等。我国大部分水泥厂煤磨设置在窑头,热风来源或为热风炉或为篦冷机或为窑头,氧含量均在20%左右,属于非惰性操作。随着氧浓度的增加,煤粉点燃温度呈下降趋势。在除尘器内热的煤粉尘与空气混合就会形成爆炸性混合物,当其浓度在45~2000g/m3之间时,一旦温度过高就会引起燃烧、爆炸。当煤的挥发分Vad>20%时,危险会更大。因此,须将入袋除尘器的废气温度控制在90℃以下。一旦温度超温,声、光报警,紧急切断系统,停止运行。

  另外,CO气体的监测、报警也是用于煤磨安全运行的一种措施。要求有一整套配备的降温、过滤、干燥等装置,需要严格的管理和维护。这样CO自动监测系统是能够起到预警作用的。如果条件允许,煤磨系统采用窑尾预热器排出的废气作为热源,其氧含量在6%~10%、气体温度在300~340℃之间,使系统在惰性气氛下操作更安全。

  (3)采用灭火装置

  在我国有些水泥厂由于资金和管理等诸多原因,煤粉磨系统只是简单的配备几个泡沫灭火器,有的连这个都做不到,这是非常不可取的。煤粉磨系统防燃、防爆应配有温度预警装置和CO2自动灭火装置。当CO2在空气中的浓度达30%~40%时,一般可燃物质的燃烧能窒息;40%~50%时,能抑制汽油蒸汽以及其它气体的爆炸。对于煤粉尘而言,CO2含量在50%能够抑制其燃爆。CO2自动灭火装置由固定的CO2供给源,通过与之相连的带喷嘴的固定管道,向被保护设备直接释放CO2灭火剂。

  3、脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器的分析

  3.1收尘器工作原理

  含尘气体首先进入收尘器的导流室,经导流板撞击后进行预收尘和气体均布,然后经收尘器布袋过滤净化后由排气口排出。粉尘阻留于滤袋外表面,在滤袋上积累一定时间后采用脉喷方式清灰,卸灰采用气动卸灰阀,从而达到卸灰和锁风的目的。

  3.2防爆装置的分析

  防爆装置是煤磨防爆袋收尘器研制的一个重点,对于处理含煤粉气体布袋除尘要完全杜绝爆炸三个条件的出现是很难做到的,关键是要及早预知爆炸,并且采取相应措施,防止爆炸的发生。爆炸发生最明显前兆之一是压力骤变,为此采取自动卸压式防爆门,把压力及时释放出去,从而把爆炸消除在萌芽阶段。

  (1)防爆装置结构型式的确定

  防爆装置的主要作用是及时迅速释放压力,从而达到安全运行的目的。根据调查和实验,研制新型重力自复位式防爆装置作为脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器防爆装置。该防爆装置由配重锤、压杆、阀门、外罩、阀座等组成,当收尘器内部压力超过设定压力时,防爆门自动打开释放压力。防爆装置释放压力可根据实际要求,通过调整配重锤位置进行调整,气体释放后,防爆门自动关闭恢复原状,保持原来的密封效果。

  实际使用证明,新型重力自复位式防爆装置的密封效果虽然比膜片式稍差,但在设计时采取适当措施进行处理,且收尘器是负压工作,完全能满足系统要求。为防止防爆门内侧含尘气体结露,设计时在防爆门内表面敷设保温层。

  (2)卸压面积的确定

  防爆装置的卸压面积计算,到目前为止,世界上还无理论计算公式,大多根据试验或经验总结出来的。目前常用的计算方法有德国工业指南VDI3673的诺模图;根据美国防火协会卸压面积计算图和易燃粉尘的通风比(卸压面积与设备容积之比),煤粉的通风比一般为1∶35(m2/m3)左右。根据以上经验公式,确定脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器的卸压面积。

  3.3收尘器清灰方式的分析

  煤粉在收尘过程中由于积尘速度快很容易造成堆积,从而形成事故隐患,大量煤尘积附在滤袋的表面,为了使位于收尘器不同位置的滤袋都能及时清理干净,不但要适当加大清灰动能,而且要使清灰动能均匀施加于每一条滤袋的不同部位上,以满足工况的需要。

  (1)清灰方式的选择

  袋式收尘器常用的清灰方式有:机械振打式清灰、反吹风式清灰、气箱脉冲式清灰、脉冲喷吹型清灰。

  机械振打式清灰方式虽然滤袋运动幅度较大,但由于清灰动能较低,容易导致清灰不彻底,且滤袋损伤大,寿命短,目前已较少采用。反吹风式清灰和气箱脉冲式清灰方式,虽然各有特点,但由于都是整个袋室同时清灰,难免造成局部的滤袋或滤袋的局部的粉尘不能及时清除干净,对处理一般粉尘来说,影响的只是使收尘器的阻力升高,而对于处理含煤粉的废气,就留下了煤粉因长期在滤袋上滞留而自燃的隐患。

  脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器采用脉冲喷吹型清灰方式,利用压缩空气对每条滤袋分别清灰,清灰动能高,清灰更彻底。

  (2)过滤风速的确定

  过滤风速是指单位时间内单位面积滤布上通过的气体量。过滤风速是袋收尘器的一个重要技术参数,过滤风速的大小直接影响袋收尘器的设备投资,运行费用,使用效果等。袋收尘器过滤风速取决于滤袋材质、处理含尘气体性质(粉尘颗粒大小、温度、湿度、易燃易爆性、粉尘粘结特性等)和排放要求等。过滤风速过大,阻力高,排放浓度高,滤袋寿命短。过滤风速过小,除尘器体积大,设备投资高。

  袋收尘器过滤风速计算公式

  V=k×Q/60F

  式中:V——风速,m/min;

  k——风量波动系数;

  F——面积,m2;

  Q——风量,m3/h。

  脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器选用抗静电涤纶阵刺毡滤料,根据滤料行业推荐风速为0.8~1.0m/min。

  (3)喷吹压力的确定和喷吹管的分析

  为使高压空气能有控制地进入每条滤袋清灰,采取以高压空气包为主干,通过若干个支气管到各排滤袋的布置方式。每个喷吹管上安装一只脉冲阀控制进入喷吹管的高压空气,每只脉冲阀控制一排滤袋的清灰。

  当滤袋的长度及每排滤袋的数量确定后,喷嘴的孔径是一个非常重要的参数。通过试验,也证实喷吹孔直径的大小是影响喷吹力大小的关键,以6~8mm左右为宜,圆型孔优于其它形状的孔,且随着喷吹孔距脉冲阀的远近大小不等。脉冲阀的大小决定着每根喷吹管开孔的个数,要使一根喷吹管喷吹较多的滤袋数,必须采用较大的脉冲阀。根据确定的收尘器处理风量,通过技术经济比较后,采用G11/2脉冲阀,每阀喷吹12条滤袋。对于处理风量小于40000m3/h的收尘器,在保证清灰效果的前提下,将清灰压力选定为0.3~0.5MPa。

  (4)采用文丘里管技术产生二次诱导风,提高清灰动能。

  实验证明,采用与不采用文丘里管诱导技术,清灰效果差别很大。采用文丘里管清灰更彻底、滤袋更干净;不采用文丘里管滤袋上尚有残灰吸附在上面,尤其是滤袋的下部。

  脉冲阀动作时产生的声波还可以使滤袋产生微振动,起到辅助清灰作用。

  脉冲清灰使用微机自动装置控制,根据粉尘浓度随意调整清灰周期和脉喷时间,使收尘器保持在一定的阻力范围内运行,又尽可能地降低压缩空气消耗量,并且减少收尘器内部外界新鲜空气的带入量,降低了收尘器的燃爆危险性。

  3.4收尘器箱体结构的分析

  脉喷式防爆袋收尘器的机械结构是否合理,不仅直接影响收尘效果,而且还影响设备的维护、安装以及制造工艺。

  (1)箱体结构设计

  脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器的箱体一般为矩形结构,它与一般袋式收尘器的不同之处,主要是固定滤袋的多孔板在箱体的上半部,且收尘处于负压运行状态,在滤袋内装设防止滤袋被负压吸瘪袋笼。

  收尘器箱体承受压力:

  F=S×P

  式中:F——压力,KN;

  S——面积,m2;

  P——单位面积承受压力,Pa。

  根据设备承受压力大小,确定箱体钢板厚度及加强筋的布置形式和密度。设备承受压力分为负压和防爆变形压力,负压根据使用工艺确定,一般小于7500Pa,防爆变形压力取极限爆炸压力12000Pa。

  为了安装及更换滤袋方便,滤袋的形状设计成单筒圆形。要把滤袋安装在箱体内,首先要在箱体内设置一块多孔花板,即根据滤袋直径的大小在一块钢板上开数个大小相同的孔。孔中心距也很讲究,过小,造成收尘器内部气体嵌速度过高,易造成设备阻力大,不可避免滤袋之间的相互摩擦;过大,使设备体积增大,造成浪费。多孔花板的结构是确定收尘设备尺寸的关键。

  另外,多孔花板既要承受系统负压,又要承受滤袋及袋笼的重量,稍有变形可能影响袋口处的密封效果,设计时对多孔花板已做了加强处理。

  (2)灰斗的设计

  为了防止煤粉内部构件上积灰,所有梁、分离板等均设置防尘板,而防尘板的角度均为70°以上,灰斗的溜角大于70°,同时为防止两斗壁间夹角(谷角)太小而积灰,两相邻侧板焊上溜料板,加大谷角,消除煤粉的沉积。在所有平台、死角处加焊坡板。

  另外考虑到由于操作不正常和含尘气体湿度大时出现灰斗结露堵塞,在对收尘器壳体保温的同时也要对收尘器灰斗进行保温。对于高寒地区收尘器灰斗下部设计成双层,并可在两层之间加设电加热装置。

  3.5控制系统的分析

  脉冲喷吹型煤磨防爆袋收尘器控制系统是用于收尘器的喷吹清灰系统的自动控制以及系统参数检测报警。收尘器滤袋的定时喷吹清灰是由定时控制器对电磁脉冲阀定时顺序控制来实现的,定时清灰可确保收尘器的阻力在较低的范围内。为了防止收尘器的内部产生煤粉的自燃和爆炸,通过智能数控仪测量出收尘器入口、出口、灰斗的温度,超温时即可产生报警信号,又可输出控制信号给相应的执行机构,从而保证了收尘器的安全运行。

  4、结束语

  水泥企业煤粉磨系统的防燃、防爆是一项系统工程。从操作到设备管理都要制订严格的规章制度。严格按章办事,只有这样,煤粉磨系统及煤磨除尘器才能长期安全、稳定、高效运行。

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