水泥厂配料车间粉尘污染治理工程(课程)设计

水泥厂配料车间粉尘污染治理工程(课程)设计

一、水泥厂除尘概述

（一）、水泥的概念

水泥是粉状水硬性无机胶凝材料，加水搅拌后成浆体，能在空气中或水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。水泥是重要的建筑材料，用水泥制成的砂浆或混凝土，坚固耐久，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。

（二）、水泥粉尘污染特点

我省水泥行业，有以下二个特点：

（一）规模小，工艺落后，市场竞争力差

我省现有水泥企业的生产线大多数属于规模小，设备工艺落后，应限制淘汰之列。全省机立窑生产线中，设计年生产规模８．８万吨（含８．８万吨）以下的有４１７条生产线，占总数的９６％，其中设计年生产规模４．４万吨和不及４．４万吨的生产线２２７条，占总数５２％。由于规模小，工艺设备落后，能耗、物耗高，导致水泥成本增加，也限制了产品质量的提高，与省外包括省内大中型水泥企业相比，在市场竞争中处在相对劣势，经不起市场变化的考验。近几年，由于水泥市场相对紧缩，加上省外水泥的大量涌入，对我省水泥企业造成很大冲击。

（二）环保防治措施滞后，污染严重

我省水泥企业起步较早，老企业居多，环保历史欠帐严重，加上前几年大量兴建的小水泥企业，由于一些地方领导和企业负责人对环保重视不够，没有严格执行环境影响评价和“三同时”制度，造成布局不当和治污设施未上或不完善，绝大多数水泥企业都不同程度存在粉尘超标排放。许多地方因粉尘污染扰民，厂群纠纷突出。据统计，全省水泥企业实际安装各类除尘设施２０００台套，占应安装数５０％，已安装除尘设备的粉尘排放达标率仅为５０％。这说明我省水泥企业约有７５％粉尘点未达到排放标准。在布局上，水泥企业分布建城区、近郊、中心集镇或其它敏感区域的有８０多家，由此可见，布局不当问题也相当突出。

（三）、生产工艺

水泥的生产工艺，以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，喂入水泥窑中煅烧成熟料，加入适量石膏（有时还掺加混合材料或外加剂）磨细而成。

水泥生产过程可简单地分为生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个主要过程。详细过程见下图：

水泥生产工艺流程图

我国水泥厂粉尘排放现状可包括以下几方面：

1、排放仍很严重

我国水泥工业每年向大气排放的粉尘、烟尘在1000万吨以上，成为我国粉尘污染的大户。

2、乱排、偷排现象依然严重

我国水泥厂规模一般较小但数量多这样就使管理有了很大的麻烦，为此有很多企业不管政府有关规定偷排、乱排对地方环境造成严重的破坏。

3、排放粉尘浓度高

水泥厂排放的粉尘中固体颗粒占到97％以上，其中有较大一部分是成品水泥灰。水泥企业除尘现状：

1)除尘设备配备基本齐全2）除尘设备老化

a、“三同时”a、中小企业重视不够

b、物料回收比较方便，回收价值高b、老设备更新换代难

3）监管不够4）管理使用技术不高

a、排污收费力度不够，形式不科学a、企业环保管理未到

定额收费，按产量收费等

b、环保部门监管不够b、使用技术培训不够

5）电除尘和袋式除尘是设备主流

a、电除尘器流行

b、环保部门推荐使用袋式除尘

目前水泥行业的污染治理状况仍然存在着较多的问题，主要表现为以下三点：一是由于大多数水泥厂为立窑生产线，生产工艺相对落后，加之生产和污染治理设施的管理维护力度不够，因此，部分水泥厂粉尘和废气的跑、冒、滴、漏现象以及粉尘的无组织排放仍然突出。二是经过多年运行，大部分企业污染治理设施受损老化；另外，部分企业的污染治理设施由于仓促上马，治理设施选型不合理，质量不过关，运行维护难度大；加上企业自身技术条件的局限，污染治理设施故障频出，有效运行率逐年降低，污染治理效果不断下降，企业难以保证污染物长期、稳定地达标排放，一定程度上出现了污染反弹现象。三是2000年限期治理达标工作取得阶段性成效后，大部分企业满足于现状，对存在的各种问题认识不够，缺乏积极主动提高污染治理水平的意识和决心，污染治理设施出现问题时，不及时报告、不及时修理，个别企业甚至还出现治理设施不正常运行的情况。

（四）、粉尘的介绍

粉尘是水泥工业的主要污染物。在水泥生产过程中，需要经过矿山开采、原料破碎、黏土烘干、生料粉磨、熟料煅烧、熟料冷却、水泥粉磨及成品包装等多道工序，每道工序都存在不同程度的粉尘外溢，其中烘干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，而很多水泥厂在建厂之初根本就没有考虑其窑炉或烘干机的除尘工艺，建成投产后甚至连一个简易的沉降室都没有，有少数厂虽然安装了除尘设施，却形同虚设，要么就是疏于管理而不能正常运行，要么就是白天运行晚上关闭，要么干脆就是一套应付检查的摆设而已，粉尘大多处于直接排放状态。有资料表明，目前我国大气粉尘污染主要源自于水泥、火电和冶金三大行业，其中水泥行业的排放量跃居首位。据专家保守估计，我国水泥工业每年排放的粉尘总量超过1200万吨，约占水泥年产量的2.5%，而德国、美国日本等先进国家，其水泥工业粉尘排放量仅占产量的0.01%左右，两者相差200多倍。我国相关标准规定的水泥厂允许排放浓度本来就高出先进国家1-2倍，然而先进国家却能做到达标排放，反而我们能够做到达标排放的水泥厂仅仅是凤毛麟角而已，绝大多数在标排放，且排放浓度动辄超过标准数十倍，甚至上百倍，这不能不令人深思、忧虑。每年所排放的一千余万吨粉尘，不仅造成环境的严重污染，同时造成了资源的巨大浪费。

（五）主要产尘源

粉尘污染源主要来自破碎机、烘干机、生料磨机立窑、水泥磨、包装机以及料库提升机、输送机等设备。其中烘干机和机立窑属于热力生产设备，其它均属机械通风生产

设备。就收尘技术而言，热力生产设备的粉尘污染源治理难度大，尤其是机立窑烟尘，因治理技术、资金等方面的原因，长期以来得不到有效治理，是水泥企业粉尘污染治理的难点。石灰石、页岩、砂岩和其它体积较大的原材料均需破碎。破碎时产生粉尘。破碎后的石灰石转运至预均化堆场，然后输送到原料调配站与其它转运来的原料按比例混合，送至原料磨进行粉磨。在转运和粉磨的过程中，不断有粉尘产生。粉磨后的原料混合物称作生料。生料在生料库中均化后，送入窑中煅烧。生料的转运过程同样产生粉尘污染。从窑尾排出的气体含粉尘、SO2、NOX等污染物。生料在窑中煅烧成熟料，经冷却和储存，送至水泥磨与石膏等添加剂一起粉磨形成水泥。熟料冷却和转运、添加剂破碎与转运、水泥磨以及水泥选粉机等环节均排放粉尘。水泥转运、包装和散装时也存在粉尘排放问题。总之，物料的破碎、粉磨、堆放、转运、煅烧、冷却、包装和散装等过程是粉尘的排放源，另外，窑尾气体中还含有SO2、NOX等气态污染物。

（六）、球磨机的介绍

球磨机是我国水泥生产企业粉磨水泥的主要设备，本机运转平稳，工作可靠，流程简单，操作管理及维修方便。

球磨机由给料部、出料部、回转部、传动部（减速机、小传动齿轮、电机、电控）等主要部分组成。中空轴采用铸钢体，内陈可拆换，回转大齿轮采用铸件滚齿加工，筒体内镶有耐磨衬板，具有良好的耐磨性。本机为卧式筒形旋转装置，外沿齿轮传动，两仓，格子型球磨机。物料由进料装置经入料中空轴螺旋均匀地进入磨机第一仓，该仓内有阶梯衬板或波纹衬板，内装不同规格钢球，筒体转动产生离心力将钢球带到一定高度后落下，对物料产生重击和研磨作用。物料在第一仓达到粗磨后，经单层隔仓板进入第二仓，该仓内镶有平衬板，内有钢球，将物料进一步研磨。粉状物通过卸料箅板排出，完成粉磨作业。它广泛应用于水泥、硅酸盐制品、新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑色与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿式粉磨。

生料磨除尘可选用旋风和电除尘器。

目前水泥行业的污染治理状况仍然存在着较多的问题，主要表现为以下三点：一是由于大多数水泥厂为立窑生产线，生产工艺相对落后，加之生产和污染治理设施的管理维护力度不够，因此，部分水泥厂粉尘和废气的跑、冒、滴、漏现象以及粉尘的无组织排放仍然突出。二是经过多年运行，大部分企业污染治理设施受损老化；另外，部分企业的污染治理设施由于仓促上马，治理设施选型不合理，质量不过关，运行维护难度大；

加上企业自身技术条件的局限，污染治理设施故障频出，有效运行率逐年降低，污染治理效果不断下降，企业难以保证污染物长期、稳定地达标排放，一定程度上出现了污染反弹现象。三是2000年限期治理达标工作取得阶段性成效后，大部分企业满足于现状，对存在的各种问题认识不够，缺乏积极主动提高污染治理水平的意识和决心，污染治理设施出现问题时，不及时报告、不及时修理，个别企业甚至还出现治理设施不正常运行的情况。

二、设计点情况分析

1. 设计基础资料

●计量皮带宽度:450mm

●配料皮带宽度:700mm

●皮带转换落差:500mm

●设粉尘收集后,粉尘浓度为2000mg/m3,粉尘的粒径分布如下表.

2. 设计要求

●排放浓度小于50 mg/m3

●设计二级除尘系统,第一级为旋风除尘器,第二级为电除尘器或者袋式除尘器.

●计算旋风除尘器的分级除尘效率和除尘系统的总效率.

●选择风机和电机

●绘制除尘系统平面布置图

●绘制除尘器本体结构图

编制设计说明书.

1、污染源分析

电除尘器的除尘效率受粉尘物理性质影响很大，特别是粉尘的比电阻的影响更为突出。电除尘器最适宜捕集比电阻为104 ～1010·cm的粉尘粒子，当净化比电阻小于104·或大于1010·cm的粉尘粒子时，除尘效率是很低的；

因为产生负电晕的电压比正电晕的低，并且电晕电流大，所以工业用的电除尘器，均采用负电晕放电的形式；

在电除尘器进口处的气体流速，一般为10-15m/s，而在除尘器内部则只有0.5-2 m/s。若不采取必要的分布措施，气体在除尘器内会很不均匀，中心部分流速将大大超过设计标准，气体在除尘器内的停留时间大大缩短，被捕集到的再飞扬也会被高速气体所带走。同时气流分布不均匀会使电晕极产生晃动，引起供电电压的波动，从而使实际除尘效率降低。严重时会造成电除尘器不能正常操作。为此，可通过加设气流分布装置加以解决。

水泥业发展迅猛造成水泥粉尘污染急剧上升，严重污染环境，影响人民生活。据专家透露，目前全国每年水泥粉尘排放量达1000 多万吨，构成工业粉尘排放量的大头，是重要的空气污染源，治理水泥粉尘污染已刻不容缓。粉尘是水泥工业的主要污染物。粉尘对人体的危害，根据其理化性质、进入人体的量的不同，可引起不同的病变。如呼吸性系统疾病、局部作用、中毒作用等。将尘源有效的封闭，是防止粉尘外逸的一项有效的技术措施. 磨尾卸料口和除尘器出灰口，必须装锁风装置。物料输送应尽可能选用密闭性能好的输送设备，如斗式提升机、螺旋输送机等。

水泥生料靠用球磨机磨细，磨机出料时扬尘较多，加之生产上需要抽风引导物料流动，生料磨尾必然产生大量含尘废气，需要除尘器净化后排放。不是设计点的无规律的含尘气体，采用可靠的除尘设备加以处理净化后的废气即可通过排气管道排人车间外大气中。

2. 净化方案设计及运行参数选择

本设计中采用旋风除尘设备进行净化处理。

2.1 旋风除尘器的工作原理

旋风除尘器一般有带有一锥形的外圆筒，进气管，排气管，圆锥观和贮灰箱的排气阀组成。当含尘气流以一定的速度（一般在14～25m/s之间，最大不超过35m/s）由进气管进入旋风除尘器后，气流由直线运动变为圆周运动。由于受到外圆筒上盖及圆筒壁的限流，迫使气流作自上而下的旋转运动。旋转过程中产生较大的离心力，尘粒在离心力的作用下，被甩向外筒壁，失去惯性后在重力的作用下，落入贮灰箱中，与气体分离。而旋转下降的气流到达锥体时，因锥体收缩的影响，而向除尘器中心汇集，根据“旋转矩”不变理论，其切向速度不断升高，气流下降到一定程度时，开始方向上升，经排气管排出[1]。

2.2 旋风除尘器的特点

现在的旋风除尘器具有结构简单；应用广泛；分离效率高可以有效地清除微粒；处理气体量大且阻力低； 适用于高温和腐蚀性气体； 运行费用低；应用广泛等优点[2]。

2.3 运行参数的选择与设计

根据相关资料及实际运行情况，本设计中烟气的入口速度取为s m v /200=。根据国家相关规定及标准确灰分风的最高允许排放浓度为3/200m mg [3]。则本设中要求达到的除尘效率η为： %92%1002486

2002486≈?-=η (2-1) 2.4 净化效率的影响因素

2.4.1旋风除尘器结构尺寸对净化效率的影响

在旋风除尘器结构尺寸中主要的影响因素有：除尘器的外筒直径，高度，气体进口和排气管形状和大小。这些部件一般都有一较适宜的尺寸及组合。过大或过小都会降低设备效率。

2.4.2 操作条件对旋风除尘器性能的影响

操作条件应控制在一个较适宜的范围内，过大会降低设备效率，过小会增加阻力损失，两种情况均不利于设备的高效运转。

3.设备结构设计与计算

3.1 进气口设计计算

根据已有经验及实际运行已确定本设计中烟气的入口速度为：s m v /200=。考虑设备漏风及安全运行等因素，假定实际进入设备的烟气量为1.2Q 。则进气口部分的面积r s 为： 200936.020

56.12.12.1m v Q s r =?== (3-1) 现有旋风除尘器的进口有三类：直入切向进入式，蜗壳切向进入式，轴向进入反转

式（见图3-1）。

直入切向进入式 蜗壳切向进入式 轴向进入反转式

图3-1 现有的几类进气管

本设计中采用蜗壳切向进入式 ，它可减少进口系统对筒体内气流的撞击和干扰，其处理量大，压力损失小。其尺寸一般为高)(a 宽)(b 之比b a /在2～3之间。本设计中取2/=b a 。则进口的宽度b 为：

mm b 210= (3-2) 进口高a 为： mm m a 4504457.021

.00936.0≈==

(3-3) 则实际的高宽比：

14.2210/450/≈=b a (在2～3之间) （3-4） 实际进口面积'r s 为：

20945.021.045.0m s r =?=' （3-5）

实际的入口速度'0v 为： s m s Q v r

/8.190945.056.12.12.10≈?='=' （3-6） 3.2 旋风除尘器外筒直径的设计计算

一般旋风除尘器，其进口高a ，宽b 分别为旋风除尘器外筒直径0D 的0.4～0.75倍和0.2～0.25倍。本设计中假定宽为外筒直径的0.2倍，则高应为0.428倍，则旋风除尘器的外筒直径0D 为： m D 05.12

.021.00== （3-7） 3.3 旋风除尘器高度的设计计算

性能较好的旋风除尘器，其直筒部分高度一般为其外筒直径的1～2倍，锥体部分高度为外筒直径的1～3倍，锥部底角在20°～40°之间。本设计中直筒部分高度1H ,锥体部分高度2H ，分别取为旋风除尘器外筒直径的1.4倍及2倍。则：

m H 47.105.14.11=?= (3-8) m H 1.205.122=?= (3-9) 旋风除尘器的总高度H 为：

m H H H 57.31.247.121=+=+= (3-10)

3.4 旋风除尘器排气管的设计计算

现有的排气管有两类：底部收缩式和直管式（见图3-2）。

直管式 底部收缩式

图3-2 排气管的类型

无论哪一类排气管，其管径一般取为旋风除尘器外筒直径的0.3～0.5倍。本设计采用直管式，其管径1D 取为04.0D ，则排气管管径：

mm D 42005.14.01=?= (3-11)

排气管插入旋风除尘器外筒内深度一般与进气管下缘平齐或稍低。本设计中为避免气体短路，伸入长度3H 取为mm 500。即mm H 5003=。

3.5 排灰管的设计计算及卸灰装置的选择

旋风除尘器的排灰管直径2D 一般取为外筒直径的0.25倍，即mm D D 5.26205.125.025.002=?==。结合实际取为mm 260。实际02248.0D D ≈。 底部锥角α为： 222100

22601050arctan 2≈?-=α（在20°～40°之间） (3-12)

卸灰装置兼有卸灰和密封两种功能，是影响除尘器的关键部件之一。若有漏风现象，不但影响正常排灰，而且严重影响除尘器效率。现有的卸灰装置有两类：二级翻板式和回转式（见图3-3）。本设计采用二级翻板式。

二级翻板式 回转式

图3-3 现有的两类卸灰装置

3.6 流体阻力计算

旋风除尘器内的压力损失一般可按下式计算：

22i u p ρζ=? (3-14)

式中：ρ——烟气密度，约为3/748.0m Kg ；

i u ——除尘器内含尘气体的流速，s m /；

ζ——流体阻力系数，无量纲；

其中 216e d A

=ζ (3-15)

式中：A ——旋风除尘器的进口截面积，2m ；

e d ——排气管直径，m

带入相关值，得

6.842

.00945.0162≈?=ζ (3-16) 所以，pa p 56.12862

748.0206.82=??=?（在500pa ～1500pa 之间） 4. 烟囱的设计计算

由于烟囱有一定的高度，烟囱中的热气体受到大气浮力的作用，而具有一定的几何压头，在烟囱底部造成负压—“抽力”。如果这种抽力正好能克服气体在窑炉中流动的各种阻力，就能使窑内热气体能源源不断地流入烟囱底部，并通过烟囱排入大气。

烟囱内烟气的流速选为s m /12，则直径可用下式计算： 0

36002.14v Q d π??= （4-1） 式中：Q ——烟气流量，h m /3；

0v ——烟气流速，s m /；

1.2——修正系。

所以烟囱的直径为： mm d 4461236005.56172.14=????=π （4-2） 取为mm 450，则实际烟气流速为：

4.2 烟囱高度的设计计算

本设计中，参照国家标准，确定烟囱高度为m H S 50=，则烟气抬升高度?H 为：

s

v H T T 35.0Q ?=paQ （4-3） 式中：H Q ——烟气的热释放功率，Kw ；

s T ——地区环境温度，K

v Q ——烟气释放速率，s m /3；

pa ——大气压强，pa ；

T ?——温差，K

代入相关值得：

由于Kw Q H 9.158=

所以烟囱的总高度H 为：

m H H H s 95.57=?+= （4-4）

烟囱亦采用钢管，其阻力可按下式计算：

2

2ρλv d l p m ?=? （4-5） 式中：λ——摩擦阻力系数，无量纲；

v ——管内烟气平均流速，s m /；

ρ——烟气密度，3/m Kg ；

l ——管道长度，m ；

d ——管道直径，m

已知钢管的摩擦系数为0.02，所以烟囱的阻力损失为：

则地面最大浓度为：

可见地面最大浓度小于国家规定，烟囱高度设计合理。

5. 管道系统设计计算

5.1 管径的计算

管道采用薄皮钢管，管内烟气流速为s m v o /15=，则管道直径d 为： 0

36002.14v Q d π??= （5-1） 式中：Q ——烟气流量，h m /3；

0v ——烟气流速，s m /；

1.2——修正系数

代入相关值得：

结合实际情况，取为mm 400，则实际烟气流速'0v 为： s m d S Q v /91.14360056.12.142.142

0=??=??='π （5-2） 5.2 摩擦阻力损失计算

根据流体力学原理，空气在任何横截面形状不变的管道内流动时，摩擦阻力m p ?可

用下式计算：

2

2ρλv d l p m ?=? （5-3） 式中：λ——摩擦阻力系数，无量纲；

v ——管内烟气平均流速，s m /；

ρ——烟气密度，3/m Kg ；

l ——管道长度，m ；

d ——管道直径，m ；

对于薄皮钢管，查阅相关资料的钢管的02.0=λ。代入相关数值得：

5.3 局部阻力损失计算

烟气管道局部阻力损失可按下式计算：

22

v n p m ρζ='? （5-4）

式中：n ——弯头个数；

ζ——局部阻力系数，无量纲；

ρ——烟气密度，3/m Kg ；

v ——管内烟气平均流速，s m /；

在烟气管道中一般采用的是二中节二端节型90°弯头，其局部阻力损失系数25.0=ζ，所以感到局部阻力损失为：

pa p m 86.2072

91.14748.025.02=??='? （5-5） 总阻力损失p ?为：

pa p p p m m 72.415='?+?=? （5-6）

5.4 风机，电机的选择

引风机全压头可按下式计算：

p p d ?=2.1 （5-7）

其中p ?为系统总压力损失：

所以风机的全压为：

引风机的风量d V 可按下式计算：

pa

t ABV Vd y y 510013.1273273?++= （5-8） 式中：d V ——引风机的风量，3m ；

A ——引风机容积裕度系数，取为1.1；

B ——燃料消耗量，h Kg /；

y v ——每公斤燃料产生的烟气量，3/m Kg ；

pa ——当地大气压，pa ；

y t ——引风机入口处烟气温度，℃；

代入相关值得：

35.11873m v d = （5-9）

结合风机全压及送风量，选用Y5-47-6c 型离心引风机，其性能参数见表5-1。

表5-1 Y5-47-6c 型离心引风机性能参数 36c

18.5 2850 8020～15129 3364～2452

电机的效率 式中；N e —电机功率，kW ；

Q —风机的总风量，m 3/h ；

1η--通风机全压效率，一般取0.5～0.7；

2η--机械传动效率，对于直联传动为0.95；

代入数据得：

电机选择：电机选用Y280S-4型，其性能参数见下表：

型号

马力

HP/KW

电压V电流/A

转数

/r/min

效率/%

功率因

素

堵转转

数

堵转电

流

重量/KG

Y280S-4100/75380139.7148092.70.88 1.97562

6. 核算

排烟温度下粉尘浓度为2486.5mg/m3，按旋风除尘器除尘效率92%计，则粉尘的排放浓度为：3

/

9.

198

)

92

.0

1(

5.

2486m

mg

=

-

?；

本设计任务书中规定，污染物排放按照锅炉大气污染物排放标准中二类区新建排污项目执行。由新污染源大气污染物排放限值《GWPB3一1999 GBl3271—200lmission standardAir P0uutants for Coal—Baming oil—baming Gas—nred Boiler锅炉大气污染物排放标准》查得，烟囱高度为50m时，颗粒物最高允许排放浓度为200mg/m3。比较得出排放浓度和速率都不超标，因而设计合理，符合标准，所以该气体经处理后可以在国家2级标准下排放。

7. 总结

经过一周的努力，本次课程设计顺利完成。设计中首先对锅炉用煤进行耗空气量，烟气流量，烟气灰分及二氧化硫浓度的计算。第二部分主要介绍了旋风除尘器的原理，性能影响因素，以及为运行选定参数。第三部分对旋风除尘器各部分的尺寸进行了设计计算。第四部分主要是设计烟囱，计算其高度，直径以及压力损失等。第五部分则对连接锅炉，除尘设备，烟囱的管道进行设计计算，主要计算管道压力损失。

通过此次设计，我对旋风除尘器的工作原理，性能影响因素有了一个全面的认识，对其各部分尺寸的设计也有了一定的了解。一周的努力结果可能不尽人意，但是我们付出了。这几天虽然很辛苦，但很充实，遗忘的知识又重新在头脑中熟悉，通过对此次课程的设计准备，学到了更多新知识。付出了许多，但是收获的更多。感谢老师在此次设计中给予我的帮助。

参考文献

[1]周兴求，叶代启.环保设备设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004：19

[2]魏先勋，环境工程设计手册[M].湖南：湖南科学出版社，2002：145

[3]GB3095-82，《大气质量标准》[S].北京：中国标准出版社，2002