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混凝土搅拌站除尘系统设计应用探讨 混凝土搅拌站除尘系统设计应用探讨 倪小青，关保清，范书名，黄安涛 （三一重工股份有限公司，湖南 长沙 410100 ） 摘要分析混凝土搅拌站的粉尘来源，介绍影响除尘效果的粉尘特性因素，对混凝土搅拌站除尘系 统设计进行分析，计算除尘过滤面积，阐述除尘器的选型原则，就混凝土搅拌站主机除尘对粉料计量的 误差进行分析，并以城市环保型商品混凝土搅拌站为例，进行除尘系统设计。 关键词混凝土搅拌站 ；除尘系统 ；除尘器 ；粉尘控制 中图分类号tu64? ?文献标识码b 文献编码1001-554x （2011 ）11-0103-06 application and designing on dedusting system of concrete mixing plant ni xiao-qing ，guan bao-qing ，fan shu-ming ，huang an-tao 混凝土搅拌站粉尘污染的处理和控制是困扰 和斜皮带头罩处无法做到完全封闭，产生的粉尘会 许多混凝土机械生产厂家和用户的难题 , 在环保问 从未封闭处溢出。 题越来越受到重视的今天，消除搅拌站粉尘污染的 （2 ）向主机投放骨料和粉料时产生大量粉尘。 需求愈加迫切。 混凝土搅拌站主楼部分产生的粉尘主要有两个阶 当前市场上混凝土搅拌站的除尘效果有很大 段 ：第一阶段为粉料称量时产生的粉尘 ；第二阶段 的改善空间，无论是进口还是国产的混凝土搅拌站 为粉料和骨料投入主机时产生的粉尘。主楼粉尘产 大部分都存在除尘效果不佳、粉尘超标的问题，一 生源及含尘气体流向如图 1 所示，图中的“阀”指 是除尘系统的设计、布置和设备的选型不合理，二 用程序自动控制开启和闭合的蝶阀，“箭头”指含 是用户使用不当和维护不及时造成的。对除尘系统 尘气体的流动方向，“ 1”和“2”分别指产生粉尘 进行优化设计、科学布置和除尘设备的合理选型不 的第一和第二阶段或风机排气的第一和第二阶段， 仅可以保证搅拌站的整体质量，提高搅拌站的使用 “3”指收尘机集料斗粉尘积满时的卸灰阶段。第一 寿命，而且对提高搅拌站的使用性能和运行效果有 阶段 ：螺旋输送机输送粉料到粉料计量斗中，实现 着重要的意义。 粉料的称重（投料口的蝶阀关闭），此时由粉料斗 往主机进气，如箭头 1 所示。螺旋机一般设计成由 1 混凝土搅拌站的粉尘来源 标准节组装成的产品系列，标准节通过螺栓连接， 混凝土搅拌站在生产过程中所产生的粉尘主 当连接密封不可靠时，就会产生漏灰。同时标准节 要来自以下 3 个方面。 上还设置有观察维修口，是可拆卸部件，难以做到 （1 ）骨料（砂和石）在上料、称量、输送过 完全密闭，也容易产生漏灰。粉料称量时，风机抽 程中产生的扬尘，粉料（水泥、粉煤灰、矿粉和 取搅拌主机内的含尘气体，粉尘粘结在过滤室内滤 膨胀剂）在输送过程中产生的粉尘外泄。装载机 芯上，气体由风机排出。第二阶段 ：当拌和料称量 在将料场中的砂、石装载入搅拌站配料站时，铲 完毕后，粉料计量斗和骨料待料斗的投料口蝶阀都 斗抛料时产生扬尘 ；骨料由平皮带机、斜皮带输送 已打开 ，骨料和粉料被投入主机，骨料中粉尘随骨 机从称量斗输送到骨料集料斗时 , 由于斜皮带输送 机头部滚筒和集料斗之间存在着很高的落差，在抛 收稿日期2011-06-09 通讯地址倪小青，湖南省长沙市星沙三一重工股份有限 投骨料时会产生粉尘，而且斜皮带进入骨料待料斗 公司搅拌设备研究院 2011.11（上） 103 料一同进入主机，投入主机内的粉尘大部分参与搅 的情况下，运动的含尘气体流速将逐层减少。对 拌，少部分扬起。拌和料进入主机时，主机形成正 布袋式除尘器，黏性的影响更为突出，因为过滤阻 压，主机内的气体向外流动，部分气体由计量斗气 力及除尘效率在很大程度上取决于滤料（滤芯）过 道进入粉料斗中，另一部分气体由气道进入待料斗 滤粉尘的能力。对于黏附性强的粉尘，应选取经表 中，还有一部分气体由引风管进入收尘系统的过滤 面烧毛、压光、镜面处理的针刺毡滤料。 室，最后被风机抽出排入大气。当收尘系统的过滤 （3 ）粉尘的密度或堆积密度，即单位体积的 布袋或滤芯出现破损时，粉尘就会出现外泄，直接 粉尘质量。其中的单位体积包括尘粒本身体积、尘 排放进入大气。 粒表面吸附的空气体积、尘粒本身的微孔、尘粒之 2 间的空隙。自然堆积状态下单位体积粉尘的质量为 风机 1 粉料 骨料 引 堆积密度，它与储运设备和除尘器斗体设计有关， 计 计量斗 待 待料斗 风 过滤室 管 另外粉尘气力输送也要考虑堆积密度。密实状态下 量 量 斗 投 阀 斗 投 阀 集料斗 引 单位体积粉尘的质量为真密度（粉尘粒密度），其 气 料 气 料 负 卸 阀 风 对机械除尘器（如重力沉降室、惯性除尘器）的工 道 道 压 灰 口 口 阀 管 管 作和效果有较大影响。 1 2 2 1 2 2 1 2 （4 ）粉尘的安置角和滑动角。将粉尘自然地 3 堆放在水平面上，堆积成圆锥体的锥底角称为安置 搅拌主机 角 1 ；将粉尘置于光滑的平板上，使该板倾斜到粉 尘开始滑动时的角度称为滑动角。粉尘的安置角和 图1 主楼粉尘的产生源及含尘气体流向图 滑动角是设计储料仓锥度、除尘器集料斗、除尘管 （3 ）向粉料仓内送料时产生泄漏粉尘。散装 道和输灰管的依据。 物料罐车在向粉料仓送料时，水泥、粉煤灰等物 （5 ）粉尘的湿润性和水硬性。粉尘粒子被水 料以高压空气为动力输送，在输送过程中，筒仓内 （或其他液体）湿润难易的性质称为湿润性。有些 的压力大于大气压，压缩空气通过仓顶除尘器的滤 粉尘（如炭黑、石墨）很难被水湿润，这类粉尘称 芯向外释放。一般仓顶除尘器都是通过机械振动方 为憎水性粉尘，用湿式除尘器处理憎水性粉尘，其 式振落滤芯表面的粉尘，当振动器发生故障或无人 除尘效率不高。有些粉尘（如锅炉飞灰）容易被水 操作其振动时，粉尘会堵死滤芯，此时粉料仓内的 湿润，与水接触后发生凝并和增重，有利于从气流 压缩空气通过安全卸压阀卸荷，然而安全卸压阀无 中分离，这类粉尘称为亲水性粉尘。有些粉尘（如 空气过滤功能，粉尘会随着卸压的空气排放到大气 水泥、石灰）与水接触后，会黏结变硬形成硬垢， 中，造成对周围的环境污染。 这类粉尘称为水硬性粉尘。水硬性粉尘易使湿式除 尘器和排水管道结垢堵塞，故不宜采用湿法除尘。 2 影响除尘效果的粉尘特性因素 对于湿润性、潮解性粉尘，在选用袋式除尘器滤料 要准确地控制粉尘，应掌握粉尘及含尘气体 时应注意滤料的光滑、不起绒和憎水性。 的特性。影响除尘效果的粉尘特性因素较多，其中 （6 ）粉尘的磨损性。粉尘在流动过程中对管壁 主要有以下几个因素 ： 或器壁的磨损程度称为粉尘的磨损性。硬度高、密 （1 ）粉尘的粒径和分散度（粒径频率分布）。 度大、带有棱角的粉尘磨损性大。粉尘的磨损性和 粉尘是由各种不同粒径的颗粒组成的集合体，单纯 气流速度密切相关，一般与气流速度的 2-3 次方 用平均粒径来表征这种集合体是不够全面的。 成正比，与粉尘粒径的 1.5 次方成正比。为了降低 （2 ）粉尘的黏性（黏附性）。粉尘黏性是粉尘 粉尘 的磨损，需要合理地选取管道壁厚和严格确定 之间或粉尘与物体表面分子之间相互吸引的一种特 管道中气流速度。对磨损性大的粉尘，最好在易于 性 1 。由于黏性的耗能作用，在无外界能量补充 磨损的部位，如管道的弯头部位采用耐磨材料作为 104 内衬板。在常见粉尘中，碳粉、烧结矿粉、硅粉、 除尘系统设计 ；选型及验收。除尘器的选型主要考 焦粉等都是高磨损性粉尘，对于磨损性粉尘应选用 虑如下因素 ： 耐磨性好的滤料。 （1 ）处理风量。它是袋式除尘器和强制式除 （7）含尘气体的物理和化学性质，如含湿量、 尘器设计 中最重要的因素之一。进行除尘设计时， 温度、化学成份及性质。这些参数的确定与除尘附 一般不能使除尘器在超过规定风量的情况下运行， 加处理措施、过滤风速、滤料的选择有着直接的关 否则滤袋容易堵塞，寿命缩短、压力损失大幅度上 系。如有的含尘气体含有氯化物等化学成份，而一 升，除尘效率也要降低。但处理风量值也不能选取 般氯化物易于“吸潮”，可能导致“糊袋”，可在除尘 过大，否则会增加设备投资和占地面积。合理地选 器底部增加除湿料斗，减少和避免此类现象的产生。 择处理风量常常是根据工艺情况和经验来决定的。 对含湿气体在除尘滤袋设计时宜采用圆形滤袋，尽 （2 ）使用温度。对于袋式除尘器和强制式除 量不采用形状复杂、布置紧凑的扁滤袋和菱形滤袋。 尘器来说，其使用温度取决于两个因素，第一是滤 从粉尘特性着手作定性的研究，有助于选取 料的最高承受温度，第二是气体温度必须在露点温 合适的除尘方式，合理地选择滤芯材料，进行 除 度以上。考虑到搅拌站主机和粉料计量斗直接与大 尘过滤面积的计算。 气接触，主机内的含尘气体和空气温度几乎相当， 因此气体温度一般都高于露点温度，并低于滤料的 3 除尘过滤面积计算及除尘器选型 承受温度。 在混凝土搅拌站粉尘来源中，粉尘污染主要 （3 ）滤袋的长径比。滤袋的长径比是指滤袋 有 ：骨料抛入待料斗时产生的粉尘，集料投入搅拌 的长度和直径之比。滤袋的长径比根据其除尘方式 主机时产生的粉尘，向粉料筒仓输送料时泄漏的粉 取值 ：反吹风式为 3040 ；机械摇动式为 1535 ； 4 尘。除尘过滤面积计算及除尘器选型主要针对上述 脉冲式为 1823 。 粉尘污染源。 （4 ）压力损失。袋式除尘的压力损失是指气 3.1 除尘过滤面积计算 体从除尘器进口到出口的压力降，或称阻力。压力 除尘过滤面积按以下公式计算 损失取决于下列 3 个因素 ：设备结构的压力损失 ， 2 它与设备结构复杂度有关，例如引灰管弯头多，压 s k q/ （60 v ） f 式中 k 安全系数，一般取 1.2 1.43 ； 力损失就增大 ；滤料的压力损失，与滤料的性质有 q 空 气 流 量（ 处 理 风 量 ）， 其 值 为 关（如孔隙率等）；滤料上堆积的粉尘层压力损失， 3600 m/t ； 堆积粉尘越厚，压力损失就越大。 3 为了提高除尘器清灰效果和连续工作的能力， m 投放物料的体积，m ； t 物料投放所需的时间，s ； 在设计中通常将除尘器分割成若干过滤室（或过滤 v 过滤速率，m/min 。 区），每个过滤室都通过一个单独的主气阀来控制。 f 以 hzs180 搅拌站为例，采用公称容积为 3m3 当其中一个过滤室进行清灰时，关闭通往该过滤室 3 的主气阀，此时处理风量由其它过滤室负担。过滤 的搅拌主机，生产一盘料需要的集料体积为 4.5m 。 经试验检测，主机集料的投料时间约为 17s，假如 室设计成若干个区域，在相同的体积内可以增大过 选取的除尘器滤芯为聚酯滤芯，则集料对滤芯的过 滤面积，提高除尘效果。 滤速度为 1.2 m/min。取安全系数为 1.3，则所需要 4 搅拌主机粉尘控制及计量误差分析 的除尘过滤面积为 s 1.3 3600 4.5/ （60 1.2 17 ） 17.2 m2 搅拌站主机一般共用一套除尘设备。目前主 3.2 除尘器设计及选型 流搅拌站粉料计量、卸料时的主机除尘主要有如下 除尘器设计及选型，可按如下步骤进行 ：明 3 种方式 ：布袋式除尘、开放式箱体除尘、强制式 确除尘要求 ；确定除尘方式 ；除尘影响因素分析 ； 收尘机除尘。 2011.11（上） 105 4.1 布袋式除尘效果及计量误差分析 过文丘里管将高压空气（0.5 0.6mpa ）以脉冲方 布袋式除尘器是各类除尘器中应用最多的， 式周期间歇式地吹入滤芯内部，将黏附在滤芯外表 其除尘效率高，能满足日益严格的环保要求 ；运行 面的灰尘（块）吹落。这种除尘方式在粉尘颗粒最 稳定可靠，适应力强，能够有效避免粉尘外泄。布 小为 1 m 时，除尘效率达 99.6 5 。 袋式除尘充分利用了布袋的可伸缩性和透气性，布 5 环保型搅拌站除尘设计实例 袋可用帆布、针刺毡等制作，结构简单、制作成本 低。布袋式除尘器在安装初期效果显著，但是长时 以环保型 hzs180 搅拌站为例，分析搅拌站粉 间使用后，如果不及时进行清理积压的粉尘，会堵 尘的控制过程和粉尘除尘方法。 塞布袋上的孔隙，使布袋的透气性大大降低，最终 5.1 搅拌站主体外包装全封闭 导致除尘效果明显下降。布袋孔隙堵塞严重时，甚 搅拌站主体二层及以上外包装采用全封闭，可 至会出现布袋爆裂。 用角钢搭建骨架模型，用夹心彩钢板包装整体主楼 搅拌过程中，当集料投入搅拌主机时，主机系 框架，以控制主楼内产生的粉尘进入周围环境的浓 统内产生正压，粉料计量斗内产生负压，使得粉料 度。目前市场上主流环保型商品混凝土搅拌站主楼 计量斗底部蝶阀的上下压力不均衡（下面是正压， 框架外包装都是全封闭式结构。 上面是负压），主机内含尘气体对粉料计量斗产生 5.2 骨料堆场全封闭 向上的举升力，导致粉料计量斗的称量比实际值偏 我国目前建材行业所用碎石通常未经过水洗， 小，增加粉料（水泥、粉煤灰和矿粉等）用量。主 粉尘含量高，在储存、运输、堆料及装载机铲料过 机搅拌后卸料时，主机系统内产生负压，而螺旋机 程中容易扬尘，而砂料特别是机制砂料的含尘量更 输送粉料时，粉料计量斗内产生正压，粉料计量斗 高。在城市环保型搅拌站中引入全封闭的骨料堆场， 内含尘气体对粉料计量斗产生向下的压力，使粉料 料场整体承重骨架采用钢结构，整体强度高、内部 计量斗的称量值偏大，少用了粉料。 空间大、光线好，非承重墙体可采用空心砖砌成。 4.2 开放式箱体除尘效果及计量误差分析 料场内设置喷淋水装置，对骨料的扬尘起到压制作 开放式箱体除尘是利用箱体来收集粉尘，粉 用。工程车辆、装载机作业产生的粉尘不会排放到 尘依靠自身的重量沉降，箱体实质上是一个重力沉 周边环境中，同时也降低了设备作业的噪声污染。 降室。通过在箱体顶部设置一个单向吸气口，可以 5.3 骨料配料和上料环节全封闭 消除搅拌机卸料时产生的负压。箱体侧面通过弯管 装载机送料至配料站储存仓时，会产生大量 与骨料待料斗连接，由于骨料待料斗是半敞开的， 粉尘。骨料计量过程中，骨料由储料斗进入到计量 实际上主机与大气连通，因此除尘效果较差。但由 斗以及由计量斗落到皮带机上，存在垂直高度落 于主机与大气连通，使主机内气压和粉料计量斗内 差，骨料会产生扬尘。在骨料输送环节，上下系统 气压平衡，不会产生正负压，对计量没有影响。 交接处如果暴露在周边环境中，粉尘很容易对周边 4.3 强制式除尘效果及计量误差分析 大气造成污染。无论是采用皮带机还是提升机输送 强制式除尘结构较复杂，成本相对较高，能 上料，可以对配料站和输送上料系统整体实现全封 够有效地除去水泥及掺和粉料计量和卸料时所产生 闭，用钢结构搭建骨架，用彩钢板做外包装进行封 的粉尘，使用初期的除尘效果非常好。使用较长时 装。这样可以使骨料配料、上料输送过程中外泄到 间后，粉料易粘在滤芯上造成堵塞，除尘效果会大 周边环境中的粉尘降至最低。 打折扣。搅拌主机和称量斗均为密闭空间，使用强 5.4 粉料筒仓除尘 制收尘机容易使主机产生负压，从而影响水泥及粉 粉料筒仓除尘通常是在仓顶上设置强制式除 料计量精度，由此需要在搅拌主机的上盖加装负压 尘机，为了提高滤料的除尘效率，增大粉尘的过滤 阀，用于消除主机卸料和强制除尘机抽风时产生的 面积，同时考虑到粉料仓中粉尘的含水量很低，滤 负压。目前得到广泛应用的是脉冲反吹除尘器，通 料选用空隙小的滤纸，滤纸外形设计成褶皱圆筒 106 状，以进一步增大单位空间内的过滤面积。除尘机 5.5 优化主机盖布水管结构及进水方式 内部设计多个过滤滤芯，若干个滤芯为一组，含尘 在主机投水方式上，增加加压水泵，提高水进 气体通过滤芯时，粉尘被过滤并粘在滤芯上。为了 入主机的压力，可起到压尘的作用。主机增加高压 清除粘在滤芯上的粉尘，可以利用振动方式抖动掉 清洗装置，形成雾化水，一方面可以进一步提高水 滤芯上的粉尘，也可用气体脉冲反吹方式吹掉滤芯 压，同时还可以起到清洗主机搅拌轴粉料的作用。 上的粉尘。采用强制除尘，需要定期进行设备的维 优化设计主机盖布水管结构，布水管设计成“u” 护和保养，定期更换滤芯上的滤料。粉料筒仓振动 形结构，喷嘴正对 2 根搅拌轴卸水，可起到压尘和 式除尘机工作示意图如图 2 所示。进气管通过电磁 清洗主轴上粉料及混凝土浆的作用。改善布水管喷 阀控制开闭。第一阶段，散装水泥车通过吹灰管往 嘴结构，喷嘴截面设计成“跑道”形，喷嘴呈交错 粉料罐里面输送粉料时，粉罐内产生正压，粉料罐 90等间距布置，由于喷嘴从进水端到出水端的截 内含尘气体通过滤芯过滤，除尘机起到收尘的作 面呈收缩状，在等流量的情况下提高了卸水压力， 用，过滤后气体通过进气管排出。第二阶段，螺旋 卸水时形成水幕，对主机投料时产生的粉尘起到压 输送机将粉料罐中的粉料输送到粉料计量斗时，粉 制作用。 料罐内产生负压，大部分气体经由吹灰管进入粉料 5.6 优化集料投料时序 罐，少量气体由进气管流入收尘贮气室，并经滤芯 合理设计集料投料顺序，进行交叉投料方式， 到粉料罐。 能有效地降低粉尘排放。在配料站进行骨料配料 机盖 时，储料仓粗称门打开，骨料落入计量斗并开始计 电磁阀组 进气管 量，当骨料重量接近精称值时，关闭粗称门、精称 贮气室 防尘密封圈 门工作，直到完成称重计量。为了避免骨料待料斗 滤 滤 滤 滤 滤 滤 磨损 ，先开启砂计量斗门，砂卸料约 1/3 时关闭 ； 芯 芯 芯 芯 芯 芯 再打开细石计量斗门，细石卸料约 1/2 时关闭。再 打开粗石计量斗门，粗石卸料约 1/2 时关闭 ；再次 粉 吹 料 粉料罐 灰 开启砂计量斗门，卸料约 1/3 时关闭。再打开粗石 管 计 量 计量斗门，卸料约 1/2 时关闭 ；再打开细石计量斗 粉料输送机 斗 门，卸料约 1/2 时关闭 ；最后开启砂计量斗门，卸 图2 粉料筒仓除尘机工作示意图 料大约 1/3 时关闭，此时骨料全部卸料完毕。通过 混凝土生产循环周期 60s 时间轴/s 0 2 4 6 8 1xxxxxxxxxx02224262830323436384042444648505254565860 骨料计算 水泥计量 粉煤灰计量 料 盘 二 第 矿粉计量 水计量 添加剂计量 骨料卸料 骨料输送 骨料、水投料 料 盘 一 第 粉料投料 搅拌时间 搅拌机卸料 图3 混凝土搅拌站生产时序图 2011.11（上） 107 先砂、后细石、再粗石，然后先砂、后粗石、再细 动社会保障出版社，2003. 石、最终砂，如此骨料交替卸料，可以避免骨料对 2 陈家庆 . 环保设备原理和设计 m . 北京 ：中国石化 料斗的快速磨损。同时预留部分砂最后卸料，可 出版社，2005. 以盖住石料中的粉尘扬尘。公称容积 3m3 搅拌机 3 bianca.rimini&gino ferretti.sizing of a dedusting system j . world cement ，1997，（6 ）. 的混凝土搅拌站混凝土生产时序图如图 3 所示（不 4 焦斌 . 袋式除尘器在烟气除尘系统中的应用 j . 辽宁 计第一盘料的骨料输送时序），搅拌站正常拌料时， 化工，2009 ，（5 ）:345-347. 骨料、砂一起投入搅拌主机，同时水和液体添加剂 5 张荣善 . 散料输送与贮存 m . 北京 ：化学工业出版 也投入搅拌机 ；大约过 6s 后，粉料投入搅拌机。 社， 1996. 参考文献 1 石万鹏 . 安全科学技术百科全书 m . 北京 ：中国劳 （上接第102 页） 仿真结果表明，振动筛在起振的 0.3s 内处于 输送速度，增加振动筛的生产率。 自由振动和受迫振动的共同作用下，未达到稳定状 图 9 为转速分别为 930、990 和 1008r/min 时物料 态。此外，由于振动筛的筛面结构是带有弧状的曲 的振动曲线，在具体参数调整过程中，为了确保转速 面，所以物料发生碰撞不在同一平面内。根据理论 调整过程中激振力大小不变，需要调整偏心块质量以 2 分析可知，当 a /g 1.67 时，物料运动速度未 确保激振力恒定。根据振动曲线，当激振轴转速增加 达到稳定状态，此时物料运动轨迹比较混乱，即为 时，物料颗粒被抛掷的幅值变大，脱离筛面的时间也 混沌运动状态。 增长，