袋式除尘技术与水泥工业PM2.5粉尘的控制

吴 刚，穆璐莹，王 健，施 勇

（合肥水泥研究设计院，合肥 230051）

引言

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，其可以穿透人体呼吸道的防御毛发状结构，也就是鼻腔中的鼻纤毛，进入人体内部，引发人体整个范围的疾病。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

水泥工业中的成品与半成品主要以粉状形式存在，并伴有煅烧过程，因此其粉尘排放对大气造成的污染程度很大。水泥生产过程中产生的许多细颗粒物和硫化物、氮氧化物都是形成PM2.5的因素，因此可以说水泥工业是副产PM2.5的大户。《水泥工业“十二五”发展规划》（简称《规划》）客观分析了“十一五”期间水泥工业的发展现状，并确立了“十二五”期间的发展目标：到2015年，规模以上企业工业增加值年均增长10%以上，淘汰落后水泥产能，主要污染物实现达标排放，协同处置取得明显进展，综合利用废弃物总量提高20%。“十二五”的发展目标所提主要污染物，毫无疑问和大气中所含的PM2.5有关。

1 水泥工业主要污染物与PM2.5

1.1 水泥生产过程中的主要污染物

水泥工业对大气产生影响的主要污染源是粉尘和废气，粉尘主要是由于水泥生产过程中原料、燃料和水泥成品储运，物料的破碎、烘干、粉磨、煅烧等工序产生的废气排放或外逸而引起的，其中原料粉磨及煅烧发生的粉尘排放最为严重，约占水泥厂粉尘总排放量的70%以上，排放的粉尘粒径分布见下表。水泥工业对大气环境产生影响的废气包括SO2、NOx、CO2、HF等，其中SO2是因烧成系统的燃料含硫燃烧产生的；CO2是由水泥生产中CaCO3分解和煤炭燃烧而产生的；NOx是空气中的N2在高温有氧燃烧条件下产生的；HF是由于立窑厂采用萤石CaF2矿化剂，在煅烧过程中产生的有害废气。根据我国每年的水泥总产量推算，我国目前每年因水泥生产向大气排放的粉尘量和废气量分别为：各类粉尘约1330万吨；废气排放方面，每年向大气中排放的CO2约2亿吨；SO2排放量约100万吨；NOx排放量1.3×106～1.6×106立方米。

水泥厂排放粉尘种类及粒径分布表

1.2 PM2.5与水泥工业颗粒物排放

表1中，水泥生产过程中粉尘粒径分析所示：＜10μm以下的粉尘所占比例很大。10μm以下的粉尘中，＜2μm的约占60%，2～5μm的约占25%，5～10μm的约占l5%。工信部节[2010]582号《工业和信息化部关于水泥工业节能减排的指导意见》明确提出，“到“十二五”末，水泥颗粒物排放在2009年基础上降低50%的硬性指标。虽然水泥行业的粉尘治理技术已经相对成熟，各种袋式除尘系统的除尘效率已经达到99%以上，但水泥行业粒径较小的PM2.5粉尘在总粉尘排放量中所占的比例极高，换言之，通常工况下PM2.5的排放量极有可能很大。在水泥行业所产生的粉尘中，细颗粒物（PM2.5）对人体健康造成的伤害最大，PM2.5不仅可以成为病毒和细菌的载体，为呼吸道疾病的传播推波助澜，而且可以通过支气管和肺泡进入血液，对人体造成更大的伤害。

2 袋式除尘器技术在水泥工业中的应用

袋式除尘器品种多、技术全面、可靠，能满足水泥生产线上任何排放点和扬尘点的除尘要求。目前在新建、扩建的水泥干法生产线上，从原料破碎到包装出厂的整个生产线大多采用袋式除尘器。这主要得益于袋式除尘器所具有的优点及技术的不断进步。

2.1 运行稳定，适应性强

袋式除尘器除尘效率高（＞99.99%），可以过滤亚微米级的粉尘颗粒。其过滤性能不受气体和粉尘性质的影响。

2.2 不受CO浓度影响

由于电除尘器内的放电会造成一氧化碳爆炸，因而在除尘器内要安装防爆装置，当CO含量超过一定值时，防爆装置就会自动切断电源，使高浓度含尘气体直接排入大气。而袋式除尘器则没有放电问题，即使在高CO条件下亦能连续运行。

2.3 便于维修

由于袋式除尘器设有很多室，可关闭一个室并在隔离的情况下进行维修，对工艺过程影响很小。电除尘器一般不设计成独立的室。袋式除尘器不会因“停磨”而排放超标，通常全部窑废气在进入除尘器之前先通过生料磨，当停磨时，窑废气直接进入除尘器，此时废气温度、粉尘特性和废气水分都会发生变化，这种变化常会造成电除尘器较高的粉尘排放，直至工艺稳定为止。

2.4 不需设置喷水系统和消耗水

通常气体中的水分对袋式除尘器并非关键，而对电除尘器却极为重要，为此袋式除尘器不需要喷水系统的投资和操作成本。袋式除尘器在后期需要降低排放时有更多的选择，因为袋式除尘器具有采用新开发滤袋的优点，不需要改造除尘器的基本构造。

2.5 随着袋式除尘器技术的进步，特别是新型滤料的出现，使袋式除尘器的应用范围更为广泛

目前，生产中应用最广、市场占有率最高的大型袋式除尘器是脉冲喷吹除尘器。大型化的高效袋式除尘器是现代除尘技术发展的标志之一。其除尘效率高，特别是捕集微细粉尘效果更佳。近年来，袋式除尘器滤料材质的提高和清灰控制自动化与本体结构性能的优化，为袋式除尘器的发展提供了技术保证，大型干法水泥窑窑尾烟气处理采用袋式除尘器已渐成趋势。

3 袋式除尘技术能有效控制水泥工业PM2.5粉尘排放

水泥工业粉尘排放的控制，主要是通过除尘器的过滤。根据新修订的标准，从2005年1月1日起，新、改、扩建水泥生产线的粉尘排放浓度就应达到：破碎机、磨机、包装机等通风设备粉尘排放浓度在30mg/m3以下；窑、烘干机、篦冷机等热力设备排放浓度在50mg/m3以下；从2010年1月1日起现有生产线所有生产设备的粉尘排放浓度均执行上述排放要求。袋式除尘器是目前除尘效率最高的一种除尘方式，也是近年来发展最为迅速的一种方式。袋式除尘器除尘效率高（＞99.99%），可以过滤亚微米级的粉尘颗粒。袋式除尘技术的进步，为水泥工业PM2.5粉尘排放控制，提供了有效的技术手段。

3.1 粉尘粒径分布与袋式除尘器过滤效率

实验表明，粉尘粒径分布的变化对袋式除尘器阻力的影响不大。在稳定状况下，当其余条件相同时，保留在滤袋上的粗粉尘比细粉尘少，粗粉尘的穿透率没有细粉尘高[1]。水泥工业粉尘颗粒的尺寸范围很大，涵盖了从亚微粉尘到易于沉降的毫米级微粒。对于电除尘器来说，粉尘的粒径分布、粉尘比电阻均会影响其除尘效率。此外，电除尘器的运行也有较多的不确定影响因素，比如：高低压控制设计运行不佳，振打清灰装置的运行方式不合理等。虽然电除尘器在正常运行工况下除尘效率较高，但对于超细颗粒物来说，仍有高达15%的颗粒物会排入大气，因此，若按今后控制PM2.5排放浓度要求，电除尘器将逐渐被列入淘汰的行列。袋式除尘器是利用机械式阻拦过滤机理，融合了重力、筛滤、惯性碰撞、吸附效应和扩散效应等各种力的综合效应，其对于比滤布空隙小的粉尘微粒同样可以取得良好的过滤性能。

3.2 袋式除尘器过滤材料的进步与PM2.5粉尘的控制

袋式除尘器根据不同工况条件需采用不同材质的滤料。目前，市场上使用的主流产品主要有涤纶、丙纶、芳纶、芳砜纶、PPS、P84、玻纤及PTFE等。袋式除尘器的除尘效率高是和滤料分不开的，滤料性能和质量的好坏，直接关系到袋式除尘器的好坏和使用寿命的长短。滤料的性能和质量也促进了袋式除尘技术进步。袋式除尘过滤在滤袋表面形成尘饼之前，对粉尘阻挡效率不高，会由少量的微细粉尘通过滤料缝隙直接排放，而且微细粉尘会渗入滤料内部，增大滤料的表面阻力。随着袋式除尘滤料的覆膜技术、涂层技术的进步，对限制PM2.5粉尘排放均有较好的表现。

3.3 袋式除尘清灰技术的进步与PM2.5粉尘的控制

袋式除尘器使用的关键在清灰，清灰效果很大程度决定着袋式除尘器及整个系统的成败，以强力清灰为特征的脉冲袋式除尘器成为首选的设备。新一代脉冲袋式除尘技术完全克服了传统脉冲除尘的缺点，清灰能力强的特征更为突出，使滤袋更长（6m或更长），占地面积少，设备阻力低，清灰所需气源压力低，工作可靠，维修工作量小等优点，杜绝了弱清灰类袋式除尘器普遍存在阻力过高的现象。袋式除尘器的除尘效率更加提高，排放浓度低于30mg/Nm3已是普遍现象，低于10mg/Nm3也非罕见[2]。

3.4 袋式除尘结构的优化与PM2.5粉尘的控制

随着水泥工业的大型化，要求处理的风量也随之增加。如1万t/d生产线的窑尾处理风量达200万m3/h，这就要求除尘器大型化。因此对除尘器内部结构的优化设计，是保证其稳定运行的关键。通过除尘器内部结构的计算机模拟优化，风量均衡计算及模拟，改进除尘器内部流场，均衡各袋室的进风量，可有效提高袋式除尘器的过滤效率和降低出口排放。

4 结语

（1）限制水泥工业PM2.5粉尘排放，袋式除尘技术无疑优于电除尘技术。袋式除尘器的表面过滤技术、涂层过滤技术均有较好的表现。

（2）随着国内水泥工业的飞速发展，在注重科学发展过程中，全社会已深刻认识到PM2.5细颗粒物尘对环境及人类健康的危害。同时也对袋式除尘技术去除PM2.5的作用有了一定的认识。

（3）我国水泥工业的节能减排已取得了长足进步，袋式除尘技术也得到了大力推广，其对水泥工业的粉尘排放取得了较好的控制效果。但与国外高标准相比，我国水泥工业对环境的污染影响仍然很大。

[1]冯国鸣.粉尘粒径分布对脉冲袋式除尘器除尘效率的影响[J].冶金安全，1984（1）.

[2]吴善淦.水泥行业粉尘控制依然严峻[C].南京水泥峰会，2012，12.