四氧化三锰除尘装置的分析和改进

廖明锋

(湖南特种金属材料厂,湖南长沙 410013)

0 前言

近几年随着电子行业的飞速发展,作为软磁原料的四氧化三锰需求也急剧增加,其生产规模也不断扩大,随之暴露出来的问题也日益明显。特别是在四氧化三锰生产过程中,由于其粒度较小,密度不大,在烘干后会产生大量粉尘,如果排入空气中会产生很大的空气污染,同时也会因为成品流失而造成一定的经济损失[1]。目前广泛应用在四氧化三锰中的除尘方式一般有3种：旋风除尘、布袋除尘和湿式除尘,分别作为除尘的第1、第2和第3级,但是现有的除尘设备难以收到理想的除尘效果,因此尾气的除尘和回收一直是一个有待改进的问题,下面将深入地介绍各个设备的工作原理和设备及改良后的工作效果。

1 旋风除尘器

旋风除尘器,在四氧化三锰除尘中通常作为第1级。除沉机理是使含尘气流作旋转运动,借助于离心力使四氧化三锰尘粒从气流中分离并捕集于器壁,再借助重力作用使尘粒落入灰斗(如图1)。旋风除尘器于1885年开始使用,已发展成为多种型式。

普通旋风除尘器由简体、锥体和进、排气管等组成。旋风除尘器结构简单,易于制造、安装和维护管理,设备投资和操作费用都较低,已广泛应用于四氧化三锰的除尘上。在普通操作条件下,作用于粒子上的离心力是重力的5～2 500倍,所以旋风除尘器的效率显著高于重力沉降室。从技术、经济等诸多方面考虑旋风除尘器压力损失控制范围一般为500～2 000 Pa。如何减少压力损失并提高除尘效果,是四氧化三锰除尘的一个重要步骤。

图1 旋风除尘器

1.1 造成旋风除尘器压力损失的主要原因

1)进气管的流动损失。

2)气体进入旋风器内,由于流通截面的突变而膨胀或压缩,旋转造成的损失。

3)气体在桶体内与桶体的摩擦而造成的损失。

4)流经排气管的阻力。

除尘器阻力可以通过公式计算为：

式中 ΔP——流动阻力(压力损失)(Pa)；

ρ——进口气流密度(kg/m3)；

v——进口气流速度(m/s)；

ξ——流动阻力系数,无量纲。

ξ经过实验反复计算为：

式中A——进口截面积；

D1——除尘器桶体外径；

D2——排气管外径；

H1——桶体直段高度；

H2——桶体椎段高度。

1.2 减少压力损失的方法

一般来说,除尘器压力损失应该控制在0.5～2.0 M Pa之间,通过分离器的改造可以,可以减少阻力损失。

1)入口阻力的减少,气体进入旋风除尘器内因为膨胀和摩擦造成的损失,改进的方法是将排气管偏置,如图2所示,偏置后能带来阻力的大幅度降低,究其原因,偏置后的排气管改变了除尘器内的流场,不仅使得排气管避开了入口气体的膨胀影响,还使得原来单侧进气方式造成的沿排气管外壁90(°)～180(°)的滞留层由于气体的加速而消失,从而改善分离效果。

图2 排气管偏置

2)出口阻力的减少,分离过程的结尾,内漩涡从排气管排出的过程中,排气流和排气管内壁的强烈摩擦造成的副压强漩流,影响分离器的阻力,改进方法是增大排气管的管径,在排气管的管中设减阻杆,设置出口导流叶片,加装减漩涡壳等。

3)灰斗阻力,由于旋转矩不变的原理,在分离器末端,旋转运动达到最强,气流的湍流速度也达到最强,高速旋转的气流摆脱壁面的束缚而沿桶体中线向上排出,形成内漩涡,四氧化三锰颗粒沿桶壁进入灰斗而被分离,次过程需要消耗大量能量,成为整个旋风分离器阻力的重要部分。如果对灰斗进行一定的改造(如图3),则能使气体在湍流强度很强之前就进入灰斗,随着空间的增大,气流的湍流程度重新降低,从而降低其灰斗阻力[2]。

图3 改进后旋风除尘器

通过反复实验表明：经过改进后的旋风除尘器除尘效果更好。表1是采用改进前后两种旋风除尘效果的数据对比。

表1 改进前后两种旋风除尘效果对比

由表1数据可知,改进前旋风4个样品平均的除尘率为80.3％,改进后的除尘率为89.2％,有比较显著的提高,在四氧化三锰实际生产中通常采用串联的方法,除尘效果更好。

2 布袋除尘器

布袋除尘器,工作机理是含四氧化三锰粉尘通过过滤材料,尘粒被过滤下来,过滤材料捕集粗粒的粉尘主要靠惯性碰撞作用,捕集细粒的粉尘主要靠扩散和筛分作用,滤料的粉尘层也有一定的过滤作用。在四氧化三锰的除尘中,布袋除尘是最为重要的一个环节。理论上布袋除尘率可以达到99％,但实际中由于漏风和阻力的影响而达不到,科学合理地计算布袋的袋数,过滤面积,分布以及减少漏风和阻力尤其重要。

2.1 负荷选择的原则

1)压力损失应该适当,因为在四氧化三锰除尘中,布袋除尘是采用第2级除尘,压力损失应该在490～784 Pa。

2)气体含尘浓度高时,应该选取低负荷,气体浓度低时,应该选取高负荷。

3)除尘器连续操作时间长的选取低负荷,连续操作时间短的选择高负荷。

4)清灰周期长的选取低负荷,清灰时间短的选取高负荷。

根据上述原则,四氧化三锰应该选取较低负荷,压力损失控制在784 Pa以内。

2.2 过滤面积

1)过滤面积的确定：F=Q/q

式中F——滤袋过滤面积(m2)；

Q——处理含尘气体量(m3/h)；

Q——负荷(每小时每平方滤布处理的气体量,m3/hm2)。

2)滤袋袋数的确定：n=F/πDL

式中n——滤袋袋数；

F——负荷(m3/hm2)；

D——耽搁滤袋直径(m)；

L——单个滤袋长度(m)。

滤袋直径一般为100～600 mm,长度为2～5 m,便于清灰而采用上口小,而下口大,并留下相对较长的长度,当除尘器停车时,滤袋容易自行收缩,以提高滤袋自行清灰的能力。布袋除尘器除尘效果的优劣与多种因素有关,但主要取决于滤料。根据四氧化三锰的一些特性,布袋除尘器的滤料一般采用合成纤维,根据需要缝成圆筒形滤袋。根据本身的生产规模以及其他实际情况选取合适的布袋袋数、尺寸、以及滤料,同时注意检查漏风的可能性,以达到更好的除尘效果[3]。但因为布袋容易破损,堵塞,老化,所以此方法一般采用在旋风除尘之后。

3 湿式除尘器

湿式除尘器俗称“水除尘器”,它是使含四氧化三锰气体与液体(一半为水)密切接触,利用水滴和颗粒的惯性碰撞及其他作用捕集颗粒或使颗粒增大的装置,现时生产的水除尘器是把水浴和喷淋两种形式合二为一。先是利用高压离心风机的吸力,把含尘气体压到装有一定高度水的水槽中,水浴会把一部分灰尘吸附在水中。经均布分流后,气体从下往上流动,而高压喷头则由上向下喷洒水雾,捕集剩余部分的尘粒。其过滤效率可达85％以上。水除尘器可以有效地将直径为0.1～20μm的四氧化三锰粉尘从气流中除去。它具有结构简单、占地面积小、操作及维修方便和净化效率高等优点,能够处理高温、高湿的气流,很符合四氧化三锰尾气特征。但采用湿式除尘器时要特别注意设备和管道腐蚀及污水和污泥的处理等问题。水除尘过程也不利于副产品的回收。如果设备安装在室内,还必须考虑设备在冬天可能冻结的问题。再则,要使去除微细颗粒的效率也较高,则需使液相更好地分散,但能耗增大,如何更好达到理想的除尘效果呢？现在提供一种新的水除尘方式(见图4),能有效地解决尾气粉尘问题,使尾气能达到排放标准,减少环境污染,而且能很好的回收利用四氧化三锰粉尘。

图4 改进后的水除尘器

其特征在于：所述旋流除尘器出口与湍流除尘器入口相贯连接,旋流除尘器内部设有水幕管,上方有环状隔板,湍流除尘器内部设有水幕管,打开水幕可以使经过旋流除尘器的粉尘加湿后增加重量,并下降落在隔板上。所述湍流除尘器内部设有水幕管,使进入湍流除尘器的粉尘再次经水幕吸收后,经湍流除尘器除尘后排出。此装置简单,实用,操作方便,除尘效果好。表2为实际生产中分别在改进前后的取样数据。

表2数据表明：改进后的平均除尘率达到82.1％,远高于改进前的59.3％的平均除尘率。除尘后的粉尘平均浓度为15.3 mg/m3,远远超过国家排放标准空气可直接排放。

表2 改进前后水除尘器的除尘效果对比

4 结语

环保节能作为当今社会的一个重要主题,已经越来越被关注,对于企业也是必须担负的社会责任,四氧化三锰粉尘的回收利用,也是企业节约成本的一个重要手段。所以如何根据四氧化三锰自身生产的特性以及生产中的实际情况,深入了解其除尘原理并加以改进,采用更合理、更科学的除尘方式和设备,达到高效率的环保节能是非常有必要的。

[1]谭柱中,梅光贵,李维建,等.锰冶金学[M].长沙：中南大学出版社,2004.

[2]姜江,金晶,屈星星,等.传统旋风除尘器的阻力影响分析与改进措施[J].上海电力,2008,21(3)：249-252.

[3]王作杰,李志军,谭志洪,等,袋式除尘器传统结构设计方法的改进[J].水泥技术,2010,(3)：95-97.