鄧沙寧

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410014)

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隔板式沉降室在冶金爐窯收塵系統(tǒng)的應(yīng)用

鄧沙寧

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410014)

從有色冶金爐窯煙氣收塵系統(tǒng)配置的實(shí)用要求出發(fā),結(jié)合新型沉降收塵裝置的理論分析,探討了新型沉降裝置在有色冶金爐窯煙氣收塵系統(tǒng)的必要性,并通過(guò)工程實(shí)際應(yīng)用,表明新型沉降收塵裝置具有收塵效率適中,阻力低、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn),為有色冶金爐窯收塵系統(tǒng)配置提供設(shè)計(jì)參考。

冶金爐窯;收塵系統(tǒng);沉降裝置

有色冶金爐窯設(shè)計(jì)原則一般是粗收塵和布袋收塵(或電收塵)共同作用的工藝收塵流程,粗收塵是收集煙氣中的粗顆粒,減少后面收塵器入口粉塵濃度負(fù)荷,粗收塵有重力沉降收塵、慣性收塵、旋風(fēng)收塵等。旋風(fēng)收塵在收塵系統(tǒng)中用得比較普遍,它的最大特點(diǎn)是對(duì)粗顆粒除塵效率比較高,達(dá)到80%以上,且占用的空間也較小,它的缺點(diǎn)是阻力較大,一般在800 Pa水柱以上,對(duì)于煙氣量比較大的冶金爐窯煙氣,阻力到達(dá)1 200 Pa水柱以上。重力沉降收塵、慣性收塵作為粗收塵器相對(duì)起來(lái)卻用得比較少,它們的除塵效率不高,且占地大,但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉,阻力損失小,一般在50～100 Pa[1,2]。

粗收塵器在冶金爐窯收塵工藝中只起到一定的輔助收塵作用,在國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)中,用得最多的旋風(fēng)除塵器作為初級(jí)收塵,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,也存在著不少問(wèn)題,主要表現(xiàn)在阻力損失大,在系統(tǒng)漏風(fēng)的情況下,后面的主風(fēng)機(jī),不能把煙氣全部拉過(guò)來(lái),爐口冒煙嚴(yán)重,同時(shí),由于旋轉(zhuǎn)速度往往達(dá)不到分離塵粒的極限值(旋轉(zhuǎn)速度一般在15～20 m/s),效率降低,另外,由于阻力損失大,能耗相對(duì)就大,相反,如果采用重力沉降除塵,再加一些垂直或水平隔板,作為前級(jí)預(yù)除塵器,則能達(dá)到比較滿意的效果,特別是在已經(jīng)形成的冶金爐窯收塵系統(tǒng)的改造中,在主風(fēng)機(jī)不變的情況下,采用這種隔板式沉降室能達(dá)到改造的目的[3,4]。

值得注意的是:沉降室空間大,氣流速度低,對(duì)于冶金爐窯系統(tǒng)中的某些防爆,采取增加防爆門等辦法,爆炸現(xiàn)象能得以解決。

1 除塵機(jī)理

重力沉降室實(shí)際上是擴(kuò)大輸送氣體管道的一種除塵室。在沉降室里,氣流速度得到顯著降低,從而使粉塵在重力作用下沉降下來(lái)。重力是自然力,因此不需要額外的能耗,但是,要使粉塵能沉降下來(lái),一方面需要?dú)饬魉俣群艿?一般在0.2～0.6 m/s之間),在有限的沉降室長(zhǎng)度范圍內(nèi)粉塵才能沉降下來(lái),另一方面需要重力比較大,即要求塵粒的粒徑dp和塵粒密度Pp大,使得塵粒在沉降速度W作用下,在有限的沉降時(shí)間內(nèi)粉塵沉降到灰斗里,這就要求沉降室有足夠的長(zhǎng)度和斷面積,同時(shí),又要求沉降室高度小,以減少沉降時(shí)間?？傊?沉降室的除塵效率取決于沉降室的幾何尺寸,在考慮經(jīng)濟(jì)和場(chǎng)地時(shí),合理地設(shè)計(jì)沉降室的長(zhǎng)、寬、高,其收效率才能得到充分發(fā)揮。

在沉降室里加水平隔板,可降低粉塵的沉降高度,從而提高沉降室的除塵效率;在沉降室里加垂直擋板,氣流在沉降室里折轉(zhuǎn)流動(dòng),這就相當(dāng)于增加了沉降室的長(zhǎng)度,同時(shí),氣流方向的突然改變,粉塵粒子由于慣性,碰到前面的擋板而被捕集下來(lái),有資料表明,在沉降室里加幾塊這樣的擋板,效率可提高10%左右。

結(jié)合工程改造中的兩個(gè)實(shí)例,說(shuō)明沉降室的理論計(jì)算。

1.1 水平隔板沉降室理論計(jì)算

某廠對(duì)轉(zhuǎn)爐工藝收塵系統(tǒng)進(jìn)行了改造,設(shè)計(jì)了一個(gè)帶兩層水平隔板的翻板式沉降室,沉降室的尺寸為:長(zhǎng)×寬×高=6 m×3 m×3 m。進(jìn)入沉降室的煙氣量按兩次實(shí)測(cè)的平均值Q=39 000 m3/h,煙塵的密度Pp=4 038 kg/m3,煙氣在300℃的動(dòng)力粘度近似按空氣動(dòng)力粘度來(lái)考慮,取μ=3.03×10-5Pa·s,煙氣的密度取Pg=0.74 kg/m3,假如氣流為層流狀態(tài),且氣流分布較均勻,沉降室內(nèi)的斷面風(fēng)速[5]:

式中B為沉降室寬度/m;H為沉降室高度/m;Q為進(jìn)入沉降室的平均煙氣量/m3·s-1。

煙氣在沉降室內(nèi)的通過(guò)時(shí)間:

式中L為沉降室長(zhǎng)度/m。

在t=300℃、P=1 kg/m2的條件下,粒徑為=300μm和=50μm的沉降速度分別為:

式中g(shù)為重力加速度9.81/m·s-2;Pg為煙氣的密度/kg·m-3;Pp為塵粒密度/kg·m-3;μ為空氣在300℃時(shí),在1個(gè)大氣壓下的動(dòng)力粘度/Pa·s;dp為煙塵粒徑/m。

直徑為30μm和500μm的塵粒在沉降室內(nèi)的下降高度分別為:

直徑為30μm塵粒的收塵效率(分級(jí)效率):

式中ηd1為分級(jí)效率;N為水平隔板層數(shù)。

直徑為50μm塵粒的收塵效率(分級(jí)效率):

重力沉降室100%捕集的最小粒徑。

沉降室對(duì)該煙塵的分級(jí)效率表示為ηd-dp曲線,如圖1、圖2所示。

圖1 Pp=4 038 kg/m3粒子的ηd-dp曲線圖

圖2 Pp=4 860 kg/m3粒子的ηd-dp曲線圖

沉降室阻力:

式中ki為進(jìn)口阻力系數(shù);k0為出口阻力系數(shù);f為沉降室磨擦系數(shù)(0.004 59);Rh為沉降室水力半徑/m。

通過(guò)計(jì)算得:ΔP=57.52(Pa)

沉降室的最大阻力ΔPmax

通過(guò)以上計(jì)算可以看出,該沉降室對(duì)于大于50 μm的煙塵有很高的收塵效率,對(duì)于大于40μm的煙塵有比較好的收塵效率,小于30μm的煙塵效率比較低,小于20μm的煙塵效率極低。同時(shí),該沉降率阻力很低,一般情況下在70 Pa左右。

1.2 垂直隔板沉降室理論計(jì)算

某廠煙化爐氧化鋅工藝收藝系統(tǒng)進(jìn)行了改造,在空氣冷卻器后加了一個(gè)沉降室,沉降室內(nèi)設(shè)三塊垂直擋板,沉降室的尺寸為:長(zhǎng)×寬×高=6.4 m×3 m×3 m。進(jìn)入沉降室的煙氣量按實(shí)測(cè)的平均值Q=37 000 m3/h,煙塵的密度Pp=4 860 kg/m3,煙氣在100℃的動(dòng)力粘度近似按空氣動(dòng)力粘度來(lái)考慮,取μ=2.32×10-5Pa·s,煙氣的密度取Pg=0.80 kg/m3,垂直擋板的高為1.5 m,寬為1.3 m,同樣假定氣流為層流狀態(tài),且氣流分布較均勻。

氣流進(jìn)入沉降室后,遇到檔板,折轉(zhuǎn)180°,氣流經(jīng)過(guò)三個(gè)轉(zhuǎn)折180°,然后排出,氣流在沉降室里流動(dòng),由于折轉(zhuǎn),無(wú)形就增加了氣流在沉降室里的運(yùn)行距離,這就相當(dāng)于增加了沉降室的長(zhǎng)度L=9.01 (m)。

沉降室的分級(jí)效率為:

沉降室對(duì)dp=30μm和dp=50μm的分級(jí)效率分別為:

沉降室能夠100%捕集的最小直徑dmin為:

該沉降室對(duì)煙氣的分級(jí)效率ηd-dp曲線如圖2所示。

式中kj為沉降室垂直擋板阻力系數(shù)(1.71)。

沉降室雷諾爾數(shù)Re的確定:

通過(guò)計(jì)算,沉降室氣流為紊流狀態(tài)。

通過(guò)計(jì)算,ΔP=58.25(Pa)

沉降室的最大阻力ΔPmax

通過(guò)以上計(jì)算可以看出,該沉降室對(duì)于大于50 μm的煙塵有較好的收塵效率,對(duì)于小于30μm的煙塵效率較低。同時(shí),該沉降室阻力很低,一般在70 Pa左右,另外,由于設(shè)置了垂直擋板,應(yīng)用到了慣性收塵的原理,收塵效率實(shí)際上要比理論計(jì)算結(jié)果還要高,本次計(jì)算考慮到沉降室里氣流速度不大(1.14 m/s),而慣性收塵氣流速度要達(dá)到10 m/s以上效果才明顯,因此,理論計(jì)算仍采用沉降室的計(jì)算方法。

2 工程上的應(yīng)用情況

2.1 水平隔板沉降室的應(yīng)用

某廠轉(zhuǎn)爐車間原來(lái)的工藝流程為:爐口煙氣→沉降室→旋風(fēng)收塵器→鐘罩閥→電收塵器→制酸設(shè)備→主風(fēng)機(jī)→煙囪。

改造前,轉(zhuǎn)爐爐口附近為微正壓,爐口冒煙嚴(yán)重,有20%左右的煙氣從爐口跑掉,對(duì)粗收塵系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn),沉降室入口處的含塵濃度平均為24.47 g/m3,旋風(fēng)口收塵器出口的含塵濃度為12.87 g/m3,對(duì)粗收塵(旋風(fēng)收塵器和沉降室)收集下來(lái)的粉塵進(jìn)行分散度分析,情況列于表1,對(duì)電收塵器的粒塵進(jìn)行分散度分析,情況列于表2。

表1 粗收塵粉塵分散度分析

表2 電收塵器粒塵分散度分析

根據(jù)改造的現(xiàn)狀和測(cè)定數(shù)據(jù)可知:(1)粗收塵收塵效率偏低,按濃度法求得粗收塵的效率為47.41%,從分散來(lái)看,電收塵灰斗粉塵大于30μm的占56.9%,這部分粉塵沒(méi)有被粗收塵收集到。原有沉降室的尺寸為長(zhǎng)×寬×高=3.4 m×3.4 m×4 m,這樣的沉降室對(duì)粉塵的收塵效率極低,旋風(fēng)收塵器的入口風(fēng)速為11 m/s,而旋風(fēng)除塵器的入口速度要達(dá)15～20 m/s之間,收塵效果才會(huì)較高;(2)爐口冒煙嚴(yán)重,說(shuō)明系統(tǒng)阻力太大,作為粗收塵同時(shí)設(shè)置沉降室和旋內(nèi)收塵器是得不償失。

針對(duì)上面原因分析,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改造,去掉前面的沉降室和旋風(fēng)收塵器,在電收塵器的旁邊設(shè)計(jì)了帶兩層水平隔板的翻板式沉降室,沉降室的尺寸為:長(zhǎng)×寬×高=6 m×3 m×3 m,水平隔板可以翻轉(zhuǎn)到800 m左右,具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從幾年的實(shí)踐運(yùn)行來(lái)看,爐口冒煙現(xiàn)象已消除,系統(tǒng)阻力明顯降低,爐口出現(xiàn)了微負(fù)壓。通過(guò)對(duì)電收塵灰斗粉塵重量分散度分析發(fā)現(xiàn),大于30μm的僅占5.67%,電收塵的出含塵濃度低于200 mg/m3,這說(shuō)明進(jìn)入收塵的粗顆粒不多,粗顆粒絕大部分已在水平隔板式沉室中得到捕集,這說(shuō)明翻板式水平隔板沉降室的收塵效率還是很高。

圖3 水平翻板式隔板沉降室

2.2 垂直隔板沉降室的應(yīng)用。

某廠煙化爐氧化鋅收塵工藝改造前的流程為:煙化爐—余熱鍋爐—水冷卻器—空氣冷卻器—風(fēng)機(jī)—布袋收塵器—風(fēng)機(jī)—煙囟,煙化爐粉塵分散度列于表3、煙化爐煙塵分析列于表4。

表3 煙化爐粉塵分散度

表4 煙塵成分含量 %

從煙化爐粉塵粒徑分析,發(fā)現(xiàn)大于30μm的粒子占25.4%,從煙化爐煙塵成分來(lái)看,雖然混合煙塵的含碳量只有1.16%,但對(duì)混合煙塵進(jìn)行分級(jí)處理后,發(fā)現(xiàn)200目篩上物含碳量達(dá)26.7%,這表明:混合塵中大顆粒物為煙化爐燃煤中未完全燃燒的碳粒子。對(duì)布袋除塵器入口含塵濃度測(cè)定,發(fā)現(xiàn)入口煙塵濃度達(dá)16.6 g/m3。由此可見(jiàn),整個(gè)流程由于沒(méi)有粗收塵裝置,使得布袋收塵器負(fù)擔(dān)太大,布袋磨損嚴(yán)重,同時(shí),由于碳粒子大量進(jìn)入到布袋,極易在布袋引起自燃,而發(fā)生爆炸,嚴(yán)重影響到生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

因此,在考慮到風(fēng)機(jī)不變的情況下,去掉空氣冷卻器后面的幾個(gè)集塵斗,增加了一個(gè)長(zhǎng)×寬×高= 6.4 m×3 m×3 m的垂直檔板沉降室,使得煙氣中的粗顆粒(尤其是碳粒子)在沉降室得到捕集,以減少布袋負(fù)擔(dān)過(guò)重和防爆炸,垂直檔板沉降室的結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 垂直隔板沉降室

從投產(chǎn)后的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看,該沉室起到了控制袋式收塵器入口含塵濃度的作用,對(duì)運(yùn)行工況下的沉降室收集塵和袋式收塵器粉塵進(jìn)行了化學(xué)成分分析和物性參數(shù)測(cè)定,檢查結(jié)果列于表5、表6。

表5 粉塵的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表6 粉塵的物性參數(shù)

從表5、表6的分析檢測(cè)結(jié)果可知,煙化爐收塵系統(tǒng)增設(shè)垂直多隔板沉降收塵裝置后,布袋收集塵的品質(zhì)得到有效的改善,且沉降室起到有效分離粗粒子可燃物的效用。

3 結(jié) 論

1.水平隔板的設(shè)置降低了沉降高度,有效地提高了粉塵的收塵效率。

2.水平隔板由電動(dòng)葫蘆、鋼絲繩、連桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn),可以自如翻轉(zhuǎn)到80左右,粉塵可自如落入灰斗,清灰方便、可靠。

3.垂直檔板使氣流折轉(zhuǎn),相應(yīng)地提高了沉降長(zhǎng)度,實(shí)際上提高了沉降室的收塵效率。

4.垂直隔板沉降裝置也起到一定的慣性除塵作用。

5.沉降裝置阻力小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,在收塵系統(tǒng)中的應(yīng)用是成功的。但是,它只能作為粗級(jí)收塵,并且,只能在塵粒粒徑較粗的情況下,才能體現(xiàn)到它的優(yōu)越性。

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[2] 陳洪霞.利用鋼渣、煉鐵除塵灰生產(chǎn)氧化鋅[J].包鋼科技, 2010,36(6):82-83.

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[4] 張殿義,張學(xué)義.除塵技術(shù)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2002.

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Application of Clapboard-type Settling Chamber on the Dust Collecting System of Metallurgical Furnace

DENG Sha-ning
(Hunan L abour Protection Institute of Nonferrous Metals,Changsha410014,China)

From the practical requirements of the configuration of dust collector to the smoke clean system of nonferrous metallurgical furnaces,this paper discusses the necessity of dust collecting system of non-ferrous metallurgical furnaces based on theoretical analysis of the new settlement dust collective device.By engineering applications,the results show that the new settlement dust collective device has the advantages of suitable dust collecting efficiency,low resistance and steady and reliable operation.And the design could be referred to the configuration of dust collector to the smoke clean system of non-ferrous metallurgical furnaces.

metallurgical furnace;dust collecting system;settlement dust collective

X701.2

A

1003-5540(2011)06-0040-05

鄧沙寧(1983-),男,助理工程師,主要從事環(huán)境保護(hù)研究工作。

2011-08-20