试论除尘系统的节能原理和途径

1试论除尘系统的节能原理和途径庄剑恒1冯馨瑶2（1、2中国京冶工程技术有限公司）摘要：目前国家环保要求日趋严格，节能减排目标明确，各行业对除尘系统的节能要求也越来越高。文中介绍了除尘系统的节能原理及实现节能目标的设计要点。关键词：除尘系统节能设计除尘系统由集气吸尘罩、管网、除尘器、卸灰装置、通风机和附属设施组成。与除尘系统密切相关的还有尘源密闭装置与回收系统。除尘系统节能设计就要从每个环节考虑。1.除尘系统节能原理除尘系统的任务就是将污染源散发的颗粒污染物捕集并送到除尘器净化后达标排放。一个除尘系统的能耗大体可以分为两部分：一是使含尘气体通过除尘设备的能耗，即处理所捕集的气量和克服系统阻力所消耗的功，集中反映在主风机的功率上，这几乎是各种除尘器都具有的。二是除尘或清灰的附加能耗，这与各类除尘器的特点有关，如静电除尘器的电晕功率、振打清灰所消耗的电能；湿式除尘器的供水耗电和耗水量；袋式除尘器清灰所消耗的反吹风机的电能或压缩空气；另外还有输灰系统、电动阀门、烟气加热等消耗的电力、水蒸气、压缩空气等能源。这里不讨论第二部分，此部分能耗相对较少。第一部分能耗是主要的，并有节能潜力。主风机的电耗取决于风机的全压p（KPa）和所处理的气体量Q（3/mh），当风机的全压效率为（%）时，所需要的动力消耗P（KW）为42.7810/PpQ（1）从上式中可以看出，当风机的全压效率一定时，所需要的动力消耗分别正比于全压p和风量Q。风压、风量和功率的关系见图1。对于一个特定的除尘系统而言，若能以较小的风量达到粉尘控制效果，或者使系统的阻力最小，实现降低能耗的目的，这就是节能基本原理。特别应该强调指出的是，对于除尘而言，并不是除尘系统所收集的粉尘越多越好，也不是捕集所控制的区域越大越好，而是以控制住粉尘不扩散、不外溢为最终目的。若能够达到同样的效果，则应以最小控制风量和最低的压降为首选。2图1风量、静压、排风机轴动力、电动机关系（离心风机常温运转）2.除尘系统节能设计2.1集气吸尘罩节能集气吸尘罩在除尘系统节能设计中占有重要地位，可以设想，如果把除尘器的除尘效率或风机的效率提高1%～3%是相对困难，如果把集气吸尘罩的集气效率提高l%～3%，要相对容易得多。⑴设置排风罩的地点，应考虑消除罩内正压，保持罩内负压均匀，有效控制含尘气流不致从罩内逸出，并避免吸出粉料。如对破碎、筛分和运输设备，吸尘罩应避开含尘气流中心，以防吸出大量粉料。对于胶带运输机受料点吸尘罩与卸料溜槽相邻两边之间距离应为溜槽边长的0.75～1.5倍，但不小于300～500mm，吸尘罩口离胶带机表面高度不小于胶带机宽度的0.6倍。当卸料溜槽与胶带机倾斜交料时，应在卸料溜槽的前方布置吸尘罩；当卸料溜槽与胶带机垂直交料时，宜在卸料溜槽前、后方均设吸尘罩。⑵处理或输送热物料时，排风罩应设在密闭罩的顶部，或给料点与受料点设置上、下抽风。⑶吸尘罩不宜靠近敞开的孔洞（如操作孔、观察孔、出料口等），以免吸入罩外空气，浪费能量。胶带机受料点吸尘罩前必须设遮尘帘。⑷有条件的尘源应尽可能采用密闭罩或半密闭罩，避免吸入尘源外的气体。为使罩内气流均匀，减少阻力一般采用伞形罩。当从密闭罩和料仓排风时，一般无吸出粉料之虑，可不设吸尘罩，将风管直接接在密闭罩或料仓上。接管与罩之间应有变径管以便减少局部阻力。⑸吸尘罩的罩口平均风速不宜过高，以免吸出粉料和浪费能源。吸尘罩罩口平均风速不宜大于3m/s。2.2除尘管网节能设计3⑴除尘系统中，除尘器以前除尘管道在进行阻力计算比较后可按集合管管网或枝状管网布置，优选节能系统。⑵含尘气体管道风速一般采取l5~20m/s。根据粉尘性质不同，最小风速不得低于国标GBJ19所列数值。⑶管网的三通管、弯管等异形管件会对气流产生阻力，设计选阻力系数较小者。含尘气体管道支管宜从主管的上面或侧面连接；连接用三通的夹角，宜采用15°~45°。⑷对粉尘和水蒸气共生的尘源，应尽量将除尘器直接配置在排风罩上方，使粉尘和水蒸气通过垂直管段进入除尘器。当必须采用水平管段时，风管应向除尘器入口构成不小于l0°的坡度，并在风管上设检查孔，以便冲洗管内黏结的粉尘。2.3除尘器的节能选择⑴除尘器能耗含尘气体通过除尘器的能耗是流体通过除尘器时的压降。所谓除尘器压降如图2所示，系指除尘器进口和出口气流全压之差，一般按除尘器进口动压的倍数计算：图2除尘器压降示意图212vP（2）式中：P——除尘器压降，Pa；1v——除尘器进口气流速度，/ms；——气体密度，3/kgm；——除尘器压损系数（阻力系数）。⑵除尘器能耗比较据资料统计表明，一般除尘器的电耗范围是0.2~2.4/KW10003m，在很多情况下发现，除尘器的总除尘效率越高，电耗也越高。估算几种除尘器处理10003/mh气体的电耗，若以旋风除尘器电耗的相对值归为1，可求4出其他除尘器电耗的相对比值，见表1。表1五种除尘器电耗汇总除尘器总耗电/[kW/（1000m3/h）]相对值重力除尘器旋风除尘器文丘里除尘器静电除尘器袋式除尘器0.0850.6402.2120.3080.8040.131.03.460.481.262.4通风机的节能设计通风机调速有两个目的，一是为了节约能源，避免除尘系统用电过多，二是为了控制风量，避免除尘系统吸风口抽吸有用物料。除尘系统调节风量的方法有风机进出口阀调节和风机变速运转，其中增加调速装置使风机变速工作是主要的。⑴节能原理设1为原来风机参数，2代表改变以后风机参数，则通风机的压力p、流量Q和功率P与转速存在以下关系：23222222111111,,QnpnPnQnpnPn（3）式中：1Q、2Q——流量，3/ms；1n、2n——转速，/minr；1P、2P——功率，KW；1p、2p——全压，Pa。即流量与转速成比例，而功率与流量的3次方成比例。当流量需要改变时，用改变风门或阀门的开度进行控制，效率很低。若采用转速控制，当流量减小时，所需功率近似按流量的3次方大幅下降，从而节约能量。当调节风机前后的阀门，随着阀门关小风机流量降低。图3和图4分别为风门控制和转速控制流量变化的特性曲线。图3、图4中A代表原来风机的工作点，B、C代表风门改变后的工作点。由图3可知，当流量降到80%时，功耗为原来的96%，即1.20.80.96BBBAAAPpQpQP（4）5图3风机流量的风门控制图4风机流量的转速控制（η1η2）由图4可知，当流量下降到80%时，功率为原来的56%（即降低了44%）即0.70.80.56ACCAAAPpQpQP（5）由此可知，调速比调风门增大的节电率为0.960.56100%41%0.96AAAPPP可见流量的转速控制比阀门控制节能效果显著。⑵节能方式比较除电机本身的功率的损耗外，无论是哪一种调速节能都存在额外的功率损耗，它们的效率都不可能为l。图5给出了挡板调节、变频器调速、液力偶合器调速、内反馈串级等调速的效率示意曲线，图中可见变频器调速的节能效果最好。图5各种调速、功耗曲线对比1-出口采用风门挡板调节；2-进口采用风门挡板调节；3-进口采用轴向导流器（用于离心式），进口采用静叶调节器（用于轴流式）；4-晶闸管串激调速、电磁离合器调速、电动机变极调速、藕合器调速；5-变频调速6⑶调速方式具体选择要点流量在90%～l00%变化时，各种调速方式入口节流方式的节能效果相近，因此无需调速运行。当流量在80%～l00%变化时，应采用串级或变频高效调速方式，而不宜采用调压、调阻、电磁滑差离合器等改变转差率的低效调速方式。当流量在50%～l00%变化时，各种调速方式均适用。变极调速时，流量只能阶梯状变化（75%／l00%；67%／l00%）。当流量在小于50%变化时，以采用变频调速、串级调速最合适。3.严格管理、发挥除尘系统效能不管何种类型的除尘系统，只要设计没有问题，在系统开始投入运行时，一般效果都不错，除尘效率也能达到设计指标。但当运行一段时间后，多则几年，少则几个月，容易出现系统抽力不足，除尘器效率下降的情况。这主要是除尘器的维护管理出了问题。比如，除尘系统运行一段时间后，由于反复开关、管道积灰和磨损，会造成阀门关闭不严，漏风增大，污染控制能力下降。特别是对于不同时工作的除尘系统采用了风机调速节能措施，若因阀门不能正常开关，不仅造成除尘系统风量不足，除尘效果下降，而且也达不到节能的目的。漏风对旋风除尘器效率的影响非常大。灰斗漏风5%，除尘效率可下降50%左右：漏风l0%～l5%，除尘效率接近0。布袋除尘器当清灰不力阻力增大时，系统处理风量变小，而负压增高还会使漏风更加严重，使有效风量更小，但系统能耗并不随之减小。静电除尘器长时间运行后，极板、极线上总是要黏些灰。清灰不力、粉尘局部堆积会使放电特性下降，即电功率变小，从而除尘效率下降。因此，严格的操作管理是保证除尘系统充分发挥其效能的必要条件，否则出现问题不能及时解决，小毛病拖成大毛病，设备带病运行，效率下降，能耗不减，也是一种极大的浪费。4.结语除尘系统节约能源有巨大潜力，主要是做到设计良好的集气吸尘罩和合理的除尘管网。选择低阻高效的除尘器，根据风量变化对风机进行调速运行，同时加强除尘系统的严格管理，做到这几点一定能达到节能减排的目的。