許慧萍 金 偉 劉 奇 趙英杰

(上?；ぱ芯吭河邢薰?

重力沉降+旋風(fēng)分離組合裝置分離性能的研究①

許慧萍 金 偉 劉 奇 趙英杰

(上海化工研究院有限公司)

研究了重力沉降+旋風(fēng)分離組合裝置的初始?jí)航导捌浞蛛x性能。結(jié)果表明：組合裝置的初始?jí)航惦S進(jìn)口氣速的增加而明顯增大；在過(guò)濾狀態(tài)下，進(jìn)口含塵濃度對(duì)壓降的影響基本可以忽略不計(jì)，壓降隨進(jìn)口氣速的增加明顯升高；當(dāng)進(jìn)口氣速較低(v=5m/s)時(shí)，分離效率隨進(jìn)口含塵濃度的增大而增大；當(dāng)進(jìn)口氣速較高(v≥10m/s)時(shí)，分離效率隨進(jìn)口含塵濃度的增大而下降。同時(shí)，建立了重力沉降+旋風(fēng)分離組合裝置壓降和分離效率的計(jì)算模型。

旋風(fēng)分離器 重力沉降 組合裝置 壓降 分離效率

有色金屬行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，也是我國(guó)原材料的重要來(lái)源之一。然而，有色金屬在冶煉過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量有毒、有害的高溫?zé)煔猓瑫r(shí)也夾帶著大量有色金屬粉塵。這些粉塵如果直接排入大氣，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，還會(huì)對(duì)人體健康造成極大的危害。另外，有些粉塵微?？赡芎匈F重元素，回收利用這些粉塵將具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1,2]。

目前，國(guó)內(nèi)外冶金行業(yè)采用較多的除塵技術(shù)包括電除塵和袋式除塵兩種。電除塵器分離效率高、耐溫性能好、壓力損失小、運(yùn)行費(fèi)用低，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資成本高、制造安裝要求高，對(duì)凈化粉塵的比電阻也有一定要求。袋式除塵器分離效率高、能耗少、運(yùn)行穩(wěn)定、處理風(fēng)量范圍大，但由于煙氣溫度波動(dòng)，易出現(xiàn)燒袋和糊袋現(xiàn)象，糊袋后濾袋無(wú)法正常清灰，除塵器阻力升高，導(dǎo)致停產(chǎn)換袋，運(yùn)行費(fèi)用升高[3～5]。為此，筆者通過(guò)對(duì)重力沉降+旋風(fēng)分離組合裝置的分離性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，為尋找一種冶金行業(yè)除塵新技術(shù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1試驗(yàn)裝置

重力沉降+旋風(fēng)分離組合裝置結(jié)構(gòu)示意圖如 圖1所示，該裝置主要由重力沉降室(筒體下方旋風(fēng)分離器周?chē)挠邢蘅臻g)和E-II型旋風(fēng)分離器(內(nèi)置于重力沉降室)兩部分組成，重力沉降室筒體規(guī)格為φ325mm×6mm，E-II型旋風(fēng)分離器筒體規(guī)格為φ138mm×4mm。含塵氣體首先進(jìn)入重力沉降室，其中粒徑在100μm以上的粉塵由于沉降效應(yīng)被捕集。從重力沉降室出來(lái)的含塵氣流隨后進(jìn)入旋風(fēng)分離器，最終10μm以上的粉塵幾乎被完全收集[6～8]。

圖1 重力沉降+旋風(fēng)分離組合

1.2試驗(yàn)物料

試驗(yàn)物料選用325目滑石粉，物料密度為2 700kg/m3，用激光粒度儀測(cè)得的粒徑分布見(jiàn)表1，其中位粒徑為17.68μm。

表1 試驗(yàn)物料粒徑分布

1.3試驗(yàn)流程與方法

重力沉降+旋風(fēng)分離組合裝置試驗(yàn)流程如圖2所示。試驗(yàn)采用負(fù)壓操作，物料通過(guò)振動(dòng)給料機(jī)進(jìn)入管路，并均勻地分散到氣流中，含塵氣體通過(guò)進(jìn)氣管依次進(jìn)入重力沉降室和旋風(fēng)分離器，經(jīng)兩級(jí)凈化后的氣體通過(guò)引風(fēng)機(jī)排空，收集的物料落入下部灰斗中。在組合裝置出口遠(yuǎn)離上下游彎管處設(shè)置取樣口，用以采集含塵氣樣。進(jìn)口含塵濃度由振動(dòng)給料機(jī)配套的控制器控制；進(jìn)口氣速由風(fēng)機(jī)變頻器控制，并通過(guò)數(shù)字流量計(jì)顯示。

圖2 重力沉降+旋風(fēng)分離組合裝置試驗(yàn)流程

試驗(yàn)中分離效率η的計(jì)算式為：

式中c1、c2——進(jìn)、出口氣體含塵濃度，g/m3；

M——加料量，g；

Q——風(fēng)量，m3/h；

t——加料時(shí)間，h。

出口氣體含塵濃度c2可通過(guò)等速取樣法獲得。調(diào)節(jié)取樣裝置流量計(jì)的流量為q1(確保取樣管取樣速度與管道內(nèi)氣流速度相同)，稱(chēng)量取樣裝置濾筒在取樣前后的重量，分別記為m1、m2，讀取取樣時(shí)間t1，則出口氣體含塵濃度c2的計(jì)算式為：

組合裝置進(jìn)出口壓降Δp可直接由數(shù)字微壓計(jì)讀出。

2 結(jié)果與討論

2.1初始?jí)航堤匦苑治?/p>

在純氣流條件下，測(cè)定組合裝置壓降Δp與進(jìn)口氣速v的關(guān)系曲線如圖3所示?？梢钥闯?，組合裝置的初始?jí)航惦S著進(jìn)口氣速的增加而明顯升高。

圖3 組合裝置初始?jí)航?進(jìn)口氣速關(guān)系曲線

壓降的理論推導(dǎo)目前還沒(méi)有較為合適的方法，一般是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)歸納總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式，重力沉降裝置和旋風(fēng)分離器的壓降經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中ρg——?dú)怏w密度，kg/m3；

ξ——阻力系數(shù)。

考慮到組合裝置的壓降實(shí)際為重力沉降裝置的進(jìn)口壓力與旋風(fēng)分離器出口壓力的差值，兩者的前后組合以及相互作用也會(huì)對(duì)壓降產(chǎn)生一定影響，故假設(shè)該組合裝置的壓降公式為：

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到組合裝置的壓降計(jì)算公式為：

Δp=1.6ρgv2+76.36v

將試驗(yàn)結(jié)果與擬合結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示?？梢钥闯觯囼?yàn)值與擬合值較為吻合，擬合誤差小于6%，在允許誤差范圍內(nèi)。

圖4 初始狀態(tài)下壓降試驗(yàn)值與擬合值的對(duì)比

2.2組合裝置分離性能

在進(jìn)口氣速分別為5、10、15m/s時(shí)，進(jìn)口濃度對(duì)壓降和分離效率的影響結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 不同進(jìn)口氣速下壓降隨進(jìn)口濃度的變化情況

圖6 不同進(jìn)口氣速下分離效率隨進(jìn)口濃度的變化情況

由圖5可知，當(dāng)進(jìn)口含塵濃度一定時(shí)，隨著進(jìn)口氣速的增大，壓降顯著升高，因此，進(jìn)口氣速是影響壓降的主要因素。此外，在進(jìn)口氣速一定的條件下，隨著進(jìn)口含塵濃度的增加，壓降略有降低。這是由于大量空氣被徑向運(yùn)動(dòng)的粉塵所拖曳，粉塵從速度較高的氣流向外運(yùn)動(dòng)到速度較低的氣流中時(shí)把能量傳遞給了渦旋氣流的外層，本身所需壓力減少，從而使得壓降有所降低。

由圖6可知，當(dāng)進(jìn)口氣速較低(v=5m/s)時(shí)，分離效率隨進(jìn)口含塵濃度的增大而增大；但是，當(dāng)進(jìn)口氣速較高(v≥10m/s)時(shí)，分離效率隨進(jìn)口含塵濃度的增大反而減小。當(dāng)進(jìn)口氣速為10m/s、進(jìn)口含塵濃度為5g/m3時(shí)，分離效率在85%左右。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：當(dāng)進(jìn)口氣速較低時(shí)，隨著進(jìn)口含塵濃度的增大，旋風(fēng)分離器內(nèi)固相顆粒之間的相互作用(如團(tuán)聚、碰撞及夾帶作用等)增強(qiáng)，使得細(xì)小顆粒一起被收集；粗顆粒在向旋風(fēng)器壁移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的空氣曳力同樣會(huì)把細(xì)顆粒夾帶至器壁，從而提高細(xì)顆粒的捕集效率。但當(dāng)進(jìn)口氣速較高時(shí)，旋風(fēng)分離器內(nèi)的顆粒反彈、返混等現(xiàn)象加強(qiáng)，同時(shí)徑向氣速增大，上行軸向氣速也增大，顆粒停留時(shí)間變短，灰斗返氣夾帶增多，此時(shí)已超過(guò)了氣體含塵濃度增加對(duì)分離效率的影響程度，因而分離效率降低。

此外，由圖6還可以看出，對(duì)于筒體直徑較小的旋風(fēng)分離器，在進(jìn)口氣速較高的情況下，分離效率隨進(jìn)口氣速的增大而減小。由文獻(xiàn)[9]可知，一般筒體直徑大于200mm的旋風(fēng)分離器的分離效率都是隨著進(jìn)口氣速的增大而增加。

通過(guò)二次多項(xiàng)式逐步回歸分析，得到重力沉降+旋風(fēng)分離組合裝置的壓降回歸方程為：

Δp=-56+84.26v+1.86v2-0.16c1·v

分離效率回歸方程為：

η=68.27+2.88v-0.12v2-0.0045c1·v

將試驗(yàn)值與擬合值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7、8所示?？梢钥闯觯囼?yàn)值與擬合值較為吻合，擬合誤差均小于3%，在允許誤差范圍內(nèi)。

圖7 壓降試驗(yàn)值與擬合值對(duì)比

圖8 分離效率試驗(yàn)值與擬合值對(duì)比

3 結(jié)論

3.1在初始狀態(tài)下，重力沉降+旋風(fēng)分離組合裝置的壓降隨進(jìn)口氣速的增加而明顯增大。同時(shí)，通過(guò)回歸分析獲得了該裝置的初始?jí)航涤?jì)算公式。

3.2在過(guò)濾狀態(tài)下，進(jìn)口含塵濃度對(duì)壓降的影響基本可以忽略不計(jì)。進(jìn)口氣速是影響壓降的主要因素，壓降隨進(jìn)口氣速的增加而明顯升高。

3.3當(dāng)進(jìn)口氣速較低(v=5m/s)時(shí)，分離效率隨進(jìn)口含塵濃度的增大而增大；當(dāng)進(jìn)口氣速較高(v≥10m/s)時(shí)，分離效率隨進(jìn)口含塵濃度的增大反而減小。對(duì)于筒體直徑小于200mm的旋風(fēng)分離器，在進(jìn)口氣速較高的情況下，其分離效率隨進(jìn)口氣速的增加而降低。

3.4通過(guò)二次多項(xiàng)式逐步回歸分析，得到重力沉降+旋風(fēng)分離組合裝置壓降和分離效率的回歸方程，且試驗(yàn)值與擬合值的擬合誤差均在允許誤差范圍內(nèi)。

[1] 權(quán)嵐,鮑武煜.冶金行業(yè)除塵技術(shù)及除塵設(shè)備[J].現(xiàn)代礦業(yè),2005,21(9):59～60.

[2] 余剛.冶金煙塵治理設(shè)備的分類(lèi)與技術(shù)綜述[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào),2009,(1):127～128.

[3] 黃斌香,茅惠東.冶金行業(yè)超細(xì)粉塵的污染控制與回收[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2003,22(3):26～28.

[4] 傅如心.淺談冶金行業(yè)的粉塵治理與回收[J].現(xiàn)代礦業(yè),2004,20(11):37～38.

[5] 姜鳳有.工業(yè)除塵設(shè)備——設(shè)計(jì)、制作、安裝與管理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007:10～45.

[6] 鄭銘.環(huán)保設(shè)備——原理、設(shè)計(jì)、應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:197～207.

[7] 夏興祥,勞家仁.新型高溫旋風(fēng)分離器的研究——用于高溫下造氣爐除塵系統(tǒng)[C].潔凈煤技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集.北京:煤炭工業(yè)出版社,1997:333～339.

[8] Biffin M,Syred N,Sage P.Enhanced Collection Efficiency for Cyclone Dust Separators[J].Chemical Engineering Research and Design,1994,62(7):15～30.

[9] 王純,張殿印.除塵設(shè)備手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:68～88.

2017-03-13，

2017-04-12)

(Continued on Page 501)

StudyofSeparationPropertyoftheUnitCombinedGravitySettlingwithCycloneSeparator

XU Hui-ping, JIN Wei, LIU Qi, ZHAO Ying-jie

(ShanghaiResearchInstituteofChemicalIndustryCo.,Ltd.)

上海市科委國(guó)內(nèi)合作項(xiàng)目(15195800500)。

許慧萍(1987-)，工程師，從事氣固分離、氣體凈化等的研究，465075414@qq.com。

TQ051.8

A

0254-6094(2017)05-0488-05