何 滿 李自光 曾樹(shù)林

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 410076;2.湖南湘路科技有限公司，湖南 410004)

瀝青拌合機(jī)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生煙氣和粉塵，如果直接排放到大氣中，會(huì)污染環(huán)境，對(duì)人體健康造成危害。因此，必須安裝除塵裝置，以減少瀝青拌和機(jī)的排放物對(duì)環(huán)境的污染。

1 瀝青拌和機(jī)除塵裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

瀝青拌和機(jī)除塵裝置由旋風(fēng)除塵和水除塵串聯(lián)構(gòu)成，其外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。工作時(shí)，含有煙塵的氣體從旋風(fēng)除塵進(jìn)氣管沿旋風(fēng)筒的切向進(jìn)入，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的離心力和慣性力把塵粒從氣流中分離出來(lái)。旋風(fēng)除塵的分離效率可以達(dá)到70%～90%，但對(duì)小于5 μm 的粒子分離效率較低，細(xì)粒子灰塵不能充分除凈，還需要進(jìn)行下一級(jí)的除塵，這里采用的是水除塵。從一級(jí)除塵裝置排出的氣體在旋風(fēng)椎體的作用下上升到集氣箱，從旋風(fēng)除塵排氣管排向水除塵裝置。經(jīng)過(guò)兩級(jí)水霧除塵，一級(jí)擋水板除塵，一級(jí)脫硫除塵后，最終形成潔凈的氣體直接排放到大氣中。

1.1 旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 瀝青拌和機(jī)除塵裝置結(jié)構(gòu)外形圖Figure 1 Configuration for dust collector of pitch mixing machine

旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其由旋風(fēng)除塵進(jìn)氣口、旋風(fēng)筒、下灰斗、旋風(fēng)除塵出氣口等組成，下灰斗用作卸灰裝置，是密封結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)時(shí)，含塵氣流進(jìn)入旋風(fēng)筒后，在引風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下，沿筒壁由上向下作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成外渦旋。外渦旋到達(dá)旋風(fēng)筒底部椎體后，湍流達(dá)到最強(qiáng)，速度達(dá)到最大值，氣體轉(zhuǎn)而沿軸心排風(fēng)管作向上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)渦旋。塵粒在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在慣性離心力的作用下向外壁移動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)氣流和重力的作用下沿筒壁滑落到下灰斗中。

圖2 旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic sketch of dust collector cyclone structure

為了提高除塵效率，采用了四個(gè)小直徑的旋風(fēng)子單管順排組合而成的多管旋風(fēng)除塵器。順排是指相鄰排列的旋風(fēng)子管其軸心在同一條軸線上且互相垂直。還有一種叉排的排列方式，是指旋風(fēng)子單管采用交錯(cuò)排列，后一排旋風(fēng)子單管插排入前一排的縫隙中。順排方式與插排方式的在相同條件下的除塵效率相當(dāng)。對(duì)于多管除塵器，最重要的是如何保證各進(jìn)氣管內(nèi)氣流分布均勻。旋風(fēng)子單管尺寸不宜過(guò)小，過(guò)小不宜處理粘性大的粉塵，容易阻塞。多管除塵器主要用于高溫?zé)煔獾膬艋?。但是，由于煙塵高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中存在的徑向分速度，導(dǎo)致內(nèi)旋氣流在上升的過(guò)程中湍動(dòng)劇烈，流動(dòng)狀態(tài)變得混亂，形成大量的局部渦旋把沉降在下部椎體中已從氣體中分離的塵粒又重新攪拌起來(lái)，帶入到上升的漩渦中，造成部分塵粒和氣體一起排離旋風(fēng)除塵器的二次揚(yáng)塵現(xiàn)象。因此，需要二級(jí)除塵裝置，這在除塵系統(tǒng)中也是必不可少的［1］。

1.2 旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分析

旋風(fēng)除塵器內(nèi)部氣流流動(dòng)狀態(tài)很復(fù)雜，它會(huì)直接影響到除塵器的性能。為了更好的理解旋風(fēng)除塵器的除塵機(jī)理和正確分析它的性能特征，需要對(duì)旋風(fēng)器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析。

如圖3 所示，旋風(fēng)除塵器內(nèi)的流場(chǎng)是一個(gè)三元流場(chǎng)。速度矢量可以分解為切向分速度vθ、徑向分速度vr和軸向分速度vz。其中，vθ和vr是對(duì)塵粒的捕捉分離起主導(dǎo)作用的兩個(gè)流速分量，稱為主流;vz和vr對(duì)除塵過(guò)程和除塵效率也有一定程度的影響，稱為次流。vθ產(chǎn)生離心加速度和vr使塵粒在徑向產(chǎn)生由內(nèi)向外的徑向沉降速度，把塵粒推到內(nèi)筒壁上，在外旋流軸向推力和重力作用下滑落到灰斗中;vz則把塵粒沿徑向推到中心渦核并隨上升氣流從排氣管排出。三個(gè)分速度在徑向方向的分布如圖3 所示，其中vz是排氣管低端附近的分布情況［2］。

圖3 旋風(fēng)除塵器內(nèi)的流場(chǎng)Figure 3 Inside flow field of dust collector cyclone

2 旋風(fēng)除塵器除塵效率的計(jì)算

在旋風(fēng)除塵器排氣管處采樣時(shí)，當(dāng)被測(cè)管道內(nèi)氣體流速發(fā)生變化時(shí)，注意隨時(shí)調(diào)節(jié)采樣流量，保持采樣管道外壓力平穩(wěn)。按此方法測(cè)出浮子流量計(jì)讀數(shù)、流量計(jì)前壓力、流量計(jì)前溫度，記錄采樣量，測(cè)出煙塵質(zhì)量。根據(jù)煙塵質(zhì)量計(jì)算排煙濃度為:

式中 C——排煙濃度，mg/m3;

G'——煙塵質(zhì)量，mg;

P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101.32 kPa;

T'——流量計(jì)前溫度，℃;

k——校正系數(shù)，k=浮子流量計(jì)讀數(shù)，相應(yīng)的累積流量計(jì)在1 min 的累積讀數(shù);

x——采樣量，m3;

P——流量計(jì)前壓力，kPa;

T0——熱力學(xué)溫度，273 K。

煙氣流量為:

式中 E'——煙氣流量，m3/h;

F——煙道斷面積，m2;

E0——浮子流量計(jì)讀數(shù)，L/min;

d——采樣嘴直徑，mm。

排放量為:

式中 Q——排放量，kg/h。

則旋風(fēng)除塵器除塵效率為:

式中 η——除塵效率;

Q1——除塵器前排放量，kg/h;

Q2——除塵器后排放量，kg/h。

3 影響除塵效率的因素分析

由以上計(jì)算公式分析可知，影響旋風(fēng)除塵效率的因素主要有以下幾個(gè):

(1)煙氣的進(jìn)口速度

煙氣的進(jìn)口速度直接影響到煙氣的流量。適當(dāng)提高煙氣進(jìn)口速度可以提高除塵效率，但是進(jìn)口速度過(guò)大，旋風(fēng)除塵器內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)于強(qiáng)烈，就會(huì)把有些已經(jīng)分離出的塵粒重新帶走，反而造成除塵效率下降。因此進(jìn)口速度一般控制在(12～25)m/s，而這個(gè)范圍也不是絕對(duì)的，它還與除塵器的結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸等因素有關(guān)。

(2)筒體直徑D

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已證明，在同樣的切向速度下，筒體直徑愈小，塵粒受到的慣性離心力愈大，除塵效率愈高。目前常用的旋風(fēng)除塵器的直徑一般不宜小于150 mm，但不超過(guò)800 mm。處理風(fēng)量較大時(shí)可以采用幾個(gè)旋風(fēng)子單管并聯(lián)的方式，或采用多管式旋風(fēng)除塵器。

(3)排出管直徑DP

排出管與筒體同心，排出管的直徑不能太小以免阻力太大，一般取DP=(0.4～0.6)D。排出管的插入深度與旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。一般切向進(jìn)入式除塵器，排出管插入筒體越短，壓力損失越小，但效率也越低。試驗(yàn)表明，排出管插入筒體的最佳長(zhǎng)度應(yīng)該大約等于排出管直徑，或者稍低于旋風(fēng)除塵進(jìn)氣口。

(4)內(nèi)外漩渦交界面直徑D0

一般認(rèn)為，內(nèi)外漩渦交界面的直徑D0=0.6 Dp，內(nèi)漩渦的范圍是隨Dp的減小而減小，減小內(nèi)漩渦有利于提高除塵效率。

(5)筒體和錐體高度

適當(dāng)增加錐體的長(zhǎng)度，有利于降低壓力損失和提高除塵效率。要綜合考慮筒體高度H 和錐體高度L，大部分取L+H=(3～4)D，最大不宜超過(guò)5D。

(6)灰斗的氣密性

從圖3 可以看出，除塵器內(nèi)部靜壓是從筒體壁向中心逐漸減小的，即使除塵器在正壓下工作，錐體底部也有可能處于負(fù)壓狀態(tài)。若除塵器下部密封不嚴(yán)而漏氣，將會(huì)重新卷起已經(jīng)落入灰斗的灰塵，使除塵效率顯著降低［3］。

4 結(jié)論

旋風(fēng)除塵器除塵效率的高低決定了瀝青拌和機(jī)的煙塵排放質(zhì)量。旋風(fēng)筒的內(nèi)部流場(chǎng)、煙氣流量、除塵器的外形尺寸以及下灰斗的氣密性是決定旋風(fēng)除塵器除塵效率的主要因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，我們要根據(jù)實(shí)際工況需求，通過(guò)選用結(jié)構(gòu)尺寸合適的旋風(fēng)筒，合理控制入口風(fēng)速，采用多管旋風(fēng)除塵器等方式來(lái)提高除塵效率，有效控制煙塵的排放，達(dá)到環(huán)保要求。

［1］沈恒根，趙兵濤，徐劍，張瑋.多管旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣流分布的計(jì)算模型［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，28(6):5－7.

［2］童志權(quán)，陳昭瓊.大氣污染控制工程［M］.中南工業(yè)大學(xué)出版社，1987.

［3］姚蘭新，姚勇鵬.影響旋風(fēng)除塵器除塵效率的因素及對(duì)策［J］.中國(guó)棉花加工，1999，20(3):10－20.