門(mén)同濤

（濟(jì)南國(guó)能環(huán)境工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000）

在綠色發(fā)展理念指導(dǎo)下,國(guó)內(nèi)選礦廠已陸續(xù)開(kāi)展生產(chǎn)設(shè)備改造升級(jí)行動(dòng),依托產(chǎn)線設(shè)備改造、引入除塵系統(tǒng)等多種技術(shù)方案落實(shí)環(huán)保整改行動(dòng)。破碎系統(tǒng)作為鐵礦石加工過(guò)程中的關(guān)鍵工序環(huán)節(jié),在礦石破碎、輸送、篩分等過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生大量粉塵,現(xiàn)有集塵裝置、除塵裝置多以終端收集處理為主,較少實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)加工過(guò)程排放粉塵含量及各崗位衛(wèi)生狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),對(duì)于除塵器系統(tǒng)改造升級(jí)提出現(xiàn)實(shí)要求。

1 項(xiàng)目背景

1.1 選礦廠概況

以某選礦廠為例,該廠礦石粉碎生產(chǎn)線主要由鐵板給礦機(jī)、條格篩、旋回破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、皮帶輸送機(jī)、振動(dòng)篩及礦倉(cāng)等裝置組成。其生產(chǎn)流程為：從粗碎礦倉(cāng)中取鐵礦石物料,經(jīng)鐵板給礦機(jī)與1#皮帶運(yùn)輸、過(guò)條格篩后送入旋回破碎機(jī)進(jìn)行礦石粗碎處理；隨后通過(guò)2#皮帶運(yùn)送至圓錐破碎機(jī)中,對(duì)礦石物料進(jìn)行中碎處理；再通過(guò)3#皮帶運(yùn)送至振動(dòng)篩處進(jìn)行篩選,篩選出不合格礦石經(jīng)6#皮帶返回至圓錐破碎機(jī)處進(jìn)行細(xì)碎處理,將篩選合格的礦石經(jīng)4#皮帶送至篩分礦倉(cāng)內(nèi),留待后續(xù)進(jìn)行礦石磨選操作[1]。

1.2 粉塵污染情況

該選礦廠粗碎廠房?jī)?nèi)僅安裝離心風(fēng)機(jī)收塵,缺乏凈化裝置；中細(xì)碎及篩分裝置安放區(qū)域內(nèi)僅設(shè)有簡(jiǎn)易濕式除塵裝置,粉塵凈化效率低下,且風(fēng)機(jī)風(fēng)量未實(shí)現(xiàn)合理分配,多處管道與揚(yáng)塵點(diǎn)缺乏良好密封效果,導(dǎo)致廠房?jī)?nèi)揚(yáng)塵現(xiàn)象嚴(yán)重。針對(duì)破碎系統(tǒng)崗位粉塵含量進(jìn)行檢測(cè)（如表1 所示）,檢測(cè)結(jié)果顯示總塵量、呼塵量均超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值（總塵濃度≦1.0mg/m3,呼塵濃度≦0.7mg/m3）,外排煙塵、粉塵顆粒物含量嚴(yán)重超標(biāo),游離狀二氧化硅濃度超限,易增加現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員患?jí)m肺病的風(fēng)險(xiǎn)[2]。通過(guò)獲取現(xiàn)場(chǎng)5 個(gè)點(diǎn)位的檢測(cè)結(jié)果,結(jié)合三類(lèi)廠房的作業(yè)區(qū)域面積,粗碎、中細(xì)碎、篩分廠房的除塵器排放濃度分別為48mg/m3、132mg/m3和283mg/m3。參考GB 28661-2012 標(biāo)準(zhǔn)中要求將顆粒物排放濃度控制在20mg/m3以內(nèi),對(duì)比發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目中各檢測(cè)點(diǎn)位均存在超標(biāo)問(wèn)題。

表1 粉塵檢測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果判定

2 除塵系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

結(jié)合破碎系統(tǒng)組成與生產(chǎn)流程進(jìn)行選礦廠塵源分析,主要包含機(jī)械、卸載兩類(lèi)塵源,分別產(chǎn)生于鐵礦石粗碎、中細(xì)碎與篩分環(huán)節(jié),皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)輸送環(huán)節(jié),破碎機(jī)及輸送機(jī)卸料小車(chē)的下料部位等,由此將上述部位確認(rèn)為除塵系統(tǒng)改造的重點(diǎn)區(qū)域。在除塵系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)上,需明確以下要點(diǎn)：（1）合理設(shè)置吸風(fēng)點(diǎn),對(duì)產(chǎn)塵點(diǎn)處采取有效密閉措施,提升吸風(fēng)效率；（2）優(yōu)化風(fēng)道管線布局,維持不同吸風(fēng)支管的壓力平衡狀態(tài),用于減輕管段磨損,防范因管道堵塞增加阻力,兼顧節(jié)能降耗目標(biāo)；（3）設(shè)計(jì)風(fēng)量精確計(jì)算,綜合考慮除塵設(shè)備效率、輸料溜槽傾斜角度與落差、密閉罩密封性能與容積等指標(biāo),并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果修正,得出準(zhǔn)確的吸風(fēng)量數(shù)值；（4）除塵設(shè)備選型優(yōu)化,保證設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)粒徑不超過(guò)5μm 粉塵顆粒的有效去除,且無(wú)粘結(jié)、堵塞等問(wèn)題,符合高效、低能耗、低成本等性能指標(biāo)要求；（5）無(wú)害化處理,將系統(tǒng)收集的粉塵進(jìn)行有效回收,防范出現(xiàn)二次揚(yáng)塵污染。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)方案

2.2.1 總體設(shè)計(jì)方案

由于該選礦廠破碎生產(chǎn)線覆蓋范圍較廣、涉及多個(gè)廠房車(chē)間,污染源點(diǎn)位布局分散、數(shù)量較多,僅依靠現(xiàn)場(chǎng)安裝除塵器、收塵風(fēng)機(jī)等難以達(dá)到良好除塵效果,管路布局復(fù)雜、存在大量交叉或沖突部位,且增加設(shè)備投放與運(yùn)維成本。因此在除塵系統(tǒng)改造環(huán)節(jié),引入分區(qū)方案進(jìn)行設(shè)備與管網(wǎng)設(shè)置,并對(duì)收集的粉塵顆粒物進(jìn)行混合制漿,經(jīng)管道輸送至事故池內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一處理,規(guī)避二次揚(yáng)塵現(xiàn)象。

2.2.2 分區(qū)設(shè)計(jì)方案

（1）粗碎廠房,選取旋回破碎機(jī)進(jìn)料口、出料口溜槽與2#皮帶輸送機(jī)尾輪處分別布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),根據(jù)總吸塵量計(jì)算出除塵器風(fēng)量需達(dá)到27500～28500m3/h?？紤]到鐵板給礦機(jī)獲取鐵礦石環(huán)節(jié)易發(fā)生礦料堵塞問(wèn)題,因此需預(yù)留較大范圍的敞開(kāi)作業(yè)空間,難以實(shí)現(xiàn)全密閉式設(shè)計(jì),因此選擇在旋回破碎機(jī)前段設(shè)置自動(dòng)噴淋裝置,在檢測(cè)到鐵礦石物料運(yùn)出后自動(dòng)噴淋,保證礦石表面濕潤(rùn)、減小物料運(yùn)輸過(guò)程的揚(yáng)塵量；對(duì)于廠房?jī)?nèi)其他位置分別設(shè)置密閉罩,并在生產(chǎn)線周?chē)惭b防塵簾。

（2）中細(xì)碎廠房,選取2#和3#輸送皮帶的頭部卸料段、3#輸送皮帶尾部受料點(diǎn)、各圓錐破碎機(jī)進(jìn)料口等部位布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),估算出所需除塵風(fēng)量大小約為39000～41000m3/h。對(duì)此選擇在圓錐破碎機(jī)進(jìn)料口處加裝密封簾、上方預(yù)留觀察孔；其他位置安裝密閉罩,完善導(dǎo)流槽及軟簾的設(shè)置。

（3）篩分廠房,選取2#、3#、6#皮帶頭部卸料、尾部受料區(qū)段,振動(dòng)篩上、下受料點(diǎn)與篩面,篩分礦倉(cāng)進(jìn)料口等部位分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),估算出除塵風(fēng)量設(shè)計(jì)值為140000～145000m3/h。在皮帶輸送機(jī)與礦倉(cāng)連接部位加裝整體式密閉罩,上方開(kāi)設(shè)觀察孔；振動(dòng)篩上部為獨(dú)立密封室,采用可拆式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),開(kāi)設(shè)觀察孔與活動(dòng)門(mén)；皮帶輸送機(jī)處安裝密閉罩、導(dǎo)流槽及軟簾。

3 濾筒脈沖除塵器選型比較及應(yīng)用成效

3.1 濾筒除塵器原理

濾筒脈沖除塵器是一種新型高效工業(yè)除塵器,當(dāng)含粉塵氣體隨流道進(jìn)入除塵器灰斗內(nèi),此時(shí)氣流斷面明顯增大,粒度較大的塵粒在自重與均流板慣性雙重作用下沉降在灰斗底部；粒度細(xì)小的塵粒送入過(guò)濾室內(nèi),經(jīng)擴(kuò)散、篩濾等處理流程后附著在褶式濾筒表面；經(jīng)凈化后的不含塵氣體統(tǒng)一收集至凈氣室內(nèi),經(jīng)風(fēng)機(jī)排風(fēng)管道排出。針對(duì)除塵器工作原理進(jìn)行分析,利用程序控制脈沖閥與反吹系統(tǒng)執(zhí)行清灰作業(yè),此時(shí)褶式濾筒內(nèi)將形成瞬時(shí)正壓,對(duì)濾料表面附著的粉塵顆粒產(chǎn)生鼓脹、微動(dòng)作用,使顆粒抖動(dòng)、脫落后進(jìn)入灰斗中,并通過(guò)調(diào)節(jié)卸灰閥進(jìn)行灰塵的統(tǒng)一排放[3]。

3.2 除塵器結(jié)構(gòu)及配套設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

選用褶式濾筒脈沖除塵器作為除塵設(shè)備,φ320mm濾筒筒體高2000mm,除塵器自身阻力為800～900Pa,過(guò)濾風(fēng)速不超過(guò)0.9m/min。在濾筒脈沖除塵器設(shè)計(jì)上（如圖1 所示）,由殼體、褶式濾筒、過(guò)濾室、灰斗及反吹管路組成,在設(shè)備殼體與進(jìn)風(fēng)口之間設(shè)有過(guò)濾室,過(guò)濾室底部安裝過(guò)濾網(wǎng)；殼體內(nèi)部與側(cè)面分別設(shè)有用于分腔的梯狀支撐板,用于將進(jìn)入殼體內(nèi)的含粉塵氣體與潔凈氣體進(jìn)行有效分離,并且在潔凈氣體區(qū)域開(kāi)設(shè)出風(fēng)口,底板上安裝喇叭口；褶式濾筒由3 根帶螺紋的支撐桿組成支架,將支撐桿帶螺紋部位穿過(guò)喇叭口與濾筒固定,利用螺母將其鎖緊,完成褶式濾筒的套接,且在濾筒支架中心點(diǎn)處設(shè)有1 個(gè)安裝桿,安裝桿一端穿過(guò)蓋板進(jìn)行安裝固定；殼體側(cè)壁上安裝有反吹管路,管路與多個(gè)噴水管連接,使管道穿過(guò)殼體側(cè)面與喇叭口銜接。

圖1 褶式脈沖除塵器立體示意圖

3.2.2 選型及配套設(shè)計(jì)

整合除塵器過(guò)濾面積、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、管道阻損、風(fēng)機(jī)全壓等技術(shù)參數(shù)，對(duì)不同廠房?jī)?nèi)的除塵器進(jìn)行選型及配套設(shè)計(jì)優(yōu)化：粗碎廠房選用DMCC24 脈沖除塵器，選配G4-73 №9D 離心風(fēng)機(jī)（流量23003～32079m3/h，全壓2668～2559Pa），配套Y200L-4 電動(dòng)機(jī)（功率30kW）、φ920mm 煙囪；中細(xì)碎廠房選用DMC72 脈沖除塵器，選配G4-73 №10D 離心風(fēng)機(jī)（流量31554～60533m3/h，全壓3301～2194Pa），配套Y250M-4 電動(dòng)機(jī)（功率55kW）、φ1020mm 煙囪；篩分廠房選用DM120 脈沖除塵器，選配G4-73 №16D 離心風(fēng)機(jī)（流量85571～164150m3/h，全壓3709 ～2465Pa），配 套Y355M2-6 電 動(dòng) 機(jī)（功 率185kW）、φ2020mm 煙囪。

3.3 影響除塵效果因素及優(yōu)化

3.3.1 濾筒結(jié)構(gòu)分析

為驗(yàn)證褶式濾筒脈沖除塵器的除塵與清灰效能,收集除塵器濾筒褶皺結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析與檢驗(yàn)。先對(duì)褶式濾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,已知該濾筒內(nèi)部采用褶式錐形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖2 所示）,相較于常規(guī)圓柱形濾筒其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,將褶式濾筒內(nèi)徑設(shè)為D、濾筒高度為H,內(nèi)部錐體高度為H1、錐體中圓臺(tái)內(nèi)徑為D1,褶皺高度為h,錐體夾角為α、褶皺夾角為β,濾筒外徑為A,錐體褶皺數(shù)量為n、濾筒褶皺數(shù)量為m。為獲取最佳褶皺參數(shù),應(yīng)結(jié)合除塵器運(yùn)行狀態(tài)下的壓力損失Δp（目標(biāo)函數(shù)Y）這一性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),其中壓力損失大小主要取決于除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻力Δf1（通常取值為200～500Pa）、粉塵層阻力Δf2、褶皺結(jié)構(gòu)阻力Δf3和濾料阻力Δf4四項(xiàng)參數(shù),則褶式濾筒除塵器的壓力損失計(jì)算公式為：

圖2 褶式濾筒結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.2 濾筒參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用響應(yīng)曲面法進(jìn)行濾筒最優(yōu)工藝參數(shù)的組合設(shè)計(jì),將上述濾筒參數(shù)作為響應(yīng)值建立二次回歸方程,計(jì)算出23 種工況下濾筒除塵器的壓力損失,得出壓力損失范圍在643.92 ～1000.71Pa 以內(nèi)。隨后采用Minintab 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行響應(yīng)值的回歸擬合,建立二次多項(xiàng)回歸方程,代入相應(yīng)參數(shù)對(duì)濾筒除塵器的壓力損失情況進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)不同濾筒參數(shù)間的變化關(guān)系進(jìn)行分析（以褶夾角θ、褶高h(yuǎn) 與函數(shù)Y 的關(guān)系為例,其響應(yīng)曲面如圖3 所示）。經(jīng)數(shù)值模擬后,確認(rèn)高2000mm 的φ320mm 濾筒內(nèi)部錐體高度最優(yōu)值為600mm,圓臺(tái)內(nèi)徑最優(yōu)值為130mm,其他參數(shù)包含褶皺夾角度數(shù)5.2°、褶皺高度0.035mm、濾筒褶皺數(shù)量為50 個(gè),依據(jù)上述工藝參數(shù)進(jìn)行褶式濾筒錐體部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 響應(yīng)曲面圖示例

3.3.3 脈沖清灰過(guò)程模擬分析

（1）建立脈沖清灰模型,依據(jù)濾筒脈沖除塵器的工作原理可知,除塵器主要利用濾筒內(nèi)、外側(cè)壁間形成的壓差使粉塵抖動(dòng)、脫落,對(duì)此可選取兩種濾筒的剖面圖進(jìn)行剖面比例及參數(shù)的比較分析,根據(jù)濾筒形狀差異可判斷兩種濾筒區(qū)別取決于上部長(zhǎng)方體單元的高度,然而實(shí)際模擬分析環(huán)節(jié)重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容為濾筒內(nèi)部流場(chǎng)變化情況,因此對(duì)于上部長(zhǎng)方體高度的差異可忽略不計(jì)。

（2）數(shù)值模擬計(jì)算,為便于數(shù)值模擬計(jì)算,忽略濾筒內(nèi)氣流變化對(duì)于除塵效果的影響,假設(shè)在單相流動(dòng)的理想條件下建立濾筒內(nèi)的S-A 湍流模型,將氣體最高流速、濾筒入口處的邊界條件（噴吹壓力）、出口處壓力、時(shí)間步長(zhǎng)等指標(biāo)均納入計(jì)算域范圍內(nèi),并以50mm 為間隔進(jìn)行濾筒內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置。分別以多孔介質(zhì)域、流體域進(jìn)行濾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劃分。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用CutCell網(wǎng)格進(jìn)行濾筒模型網(wǎng)格的劃分,分別依據(jù)355 萬(wàn)、360 萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行褶式濾筒與圓柱形濾筒的網(wǎng)格劃分。

（3）模擬結(jié)果分析,參考現(xiàn)有文獻(xiàn)分析結(jié)果,將濾筒側(cè)壁壓差的峰值以及到達(dá)峰值的時(shí)間作為影響除塵器工作效能的關(guān)鍵指標(biāo),分別對(duì)速度場(chǎng)及濾筒壓差變化特征進(jìn)行具體分析。其中在速度場(chǎng)變化特征方面,觀察褶式濾筒在脈沖噴吹環(huán)節(jié)的速度云圖可以發(fā)現(xiàn),伴隨濾筒進(jìn)氣阻力的持續(xù)增大,將脈沖閥開(kāi)啟后,最初含粉塵氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與圓柱形濾筒保持一致,但由于褶式濾筒的噴嘴距離更近,因此脈沖氣流的穩(wěn)定性更強(qiáng)、不易受含塵氣流的干擾,從噴嘴進(jìn)入濾筒后出現(xiàn)較高強(qiáng)度的流核,同比圓柱形濾筒可有效擴(kuò)大清灰面積、改善上部結(jié)構(gòu)中的負(fù)壓流暢；在濾筒壓差變化情況方面,褶式濾筒的峰值壓差在時(shí)間連續(xù)性上優(yōu)于圓柱形濾筒,同時(shí)沿流向其壓差峰值逐漸減小、上部壓差峰值增大,能夠有效利用內(nèi)部壓差提升清灰效果,并且峰值氣流可持續(xù)、均勻作用于筒壁,保證濾筒內(nèi)壁承受負(fù)荷處于均勻狀態(tài)下,從而有效延長(zhǎng)濾筒壽命、節(jié)約維修及更換成本。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果

待完成除塵系統(tǒng)安裝、調(diào)試并投入運(yùn)行6 個(gè)月后,由第三方質(zhì)檢機(jī)構(gòu)對(duì)改造后生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)備外排粉塵濃度與各崗位工作點(diǎn)的粉塵含量進(jìn)行檢測(cè),測(cè)試結(jié)果如表2 所示。將質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總可知,粗碎、中細(xì)碎、篩分外排粉塵平均濃度分別為2.87mg/m3、4.86mg/m3以及6.87mg/m3,崗位職業(yè)衛(wèi)生檢測(cè)結(jié)果判定為合格,且同比改造前除塵效率分別提升94.02%、96.32%及97.57%,滿足國(guó)家最低排放標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)境衛(wèi)生要求。

表2 改造后生產(chǎn)線第三方檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)結(jié)合破碎系統(tǒng)除塵需求,綜合考慮產(chǎn)塵分布特征、粉塵屬性以及廠房車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)工藝布局,在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行粉塵排放濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的科學(xué)部署,并引入一種褶式濾筒除塵器進(jìn)行破碎過(guò)程粉塵的有效收集與無(wú)害化處理,最終將整體破碎過(guò)程中外排粉塵濃度控制在20mg/m3以內(nèi),收獲良好改造效益。