重力沉降+旋风分离组合装置分离性能的研究①

2017-11-24许慧萍赵英杰

化工机械 2017年5期

关键词：气速旋风分离器

许慧萍金伟刘奇赵英杰

(上海化工研究院有限公司)

重力沉降+旋风分离组合装置分离性能的研究①

许慧萍金伟刘奇赵英杰

(上海化工研究院有限公司)

研究了重力沉降+旋风分离组合装置的初始压降及其分离性能。结果表明：组合装置的初始压降随进口气速的增加而明显增大；在过滤状态下，进口含尘浓度对压降的影响基本可以忽略不计，压降随进口气速的增加明显升高；当进口气速较低(v=5m/s)时，分离效率随进口含尘浓度的增大而增大；当进口气速较高(v≥10m/s)时，分离效率随进口含尘浓度的增大而下降。同时，建立了重力沉降+旋风分离组合装置压降和分离效率的计算模型。

旋风分离器重力沉降组合装置压降分离效率

有色金属行业是我国国民经济的重要组成部分，也是我国原材料的重要来源之一。然而，有色金属在冶炼过程中不可避免地会产生大量有毒、有害的高温烟气，同时也夹带着大量有色金属粉尘。这些粉尘如果直接排入大气，不仅会造成严重的环境污染，还会对人体健康造成极大的危害。另外，有些粉尘微粒可能含有贵重元素，回收利用这些粉尘将具有十分可观的经济效益[1,2]。

目前，国内外冶金行业采用较多的除尘技术包括电除尘和袋式除尘两种。电除尘器分离效率高、耐温性能好、压力损失小、运行费用低，但设备结构复杂、投资成本高、制造安装要求高，对净化粉尘的比电阻也有一定要求。袋式除尘器分离效率高、能耗少、运行稳定、处理风量范围大，但由于烟气温度波动，易出现烧袋和糊袋现象，糊袋后滤袋无法正常清灰，除尘器阻力升高，导致停产换袋，运行费用升高[3～5]。为此，笔者通过对重力沉降+旋风分离组合装置的分离性能进行试验研究，为寻找一种冶金行业除尘新技术提供依据。

1 试验研究

1.1试验装置

重力沉降+旋风分离组合装置结构示意图如图1所示，该装置主要由重力沉降室(筒体下方旋风分离器周围的有限空间)和E-II型旋风分离器(内置于重力沉降室)两部分组成，重力沉降室筒体规格为φ325mm×6mm，E-II型旋风分离器筒体规格为φ138mm×4mm。含尘气体首先进入重力沉降室，其中粒径在100μm以上的粉尘由于沉降效应被捕集。从重力沉降室出来的含尘气流随后进入旋风分离器，最终10μm以上的粉尘几乎被完全收集[6～8]。

图1 重力沉降+旋风分离组合

1.2试验物料

试验物料选用325目滑石粉，物料密度为2 700kg/m3，用激光粒度仪测得的粒径分布见表1，其中位粒径为17.68μm。

表1 试验物料粒径分布

1.3试验流程与方法

重力沉降+旋风分离组合装置试验流程如图2所示。试验采用负压操作，物料通过振动给料机进入管路，并均匀地分散到气流中，含尘气体通过进气管依次进入重力沉降室和旋风分离器，经两级净化后的气体通过引风机排空，收集的物料落入下部灰斗中。在组合装置出口远离上下游弯管处设置取样口，用以采集含尘气样。进口含尘浓度由振动给料机配套的控制器控制；进口气速由风机变频器控制，并通过数字流量计显示。

图2 重力沉降+旋风分离组合装置试验流程

试验中分离效率η的计算式为：

式中c1、c2——进、出口气体含尘浓度，g/m3；

M——加料量，g；

Q——风量，m3/h；

t——加料时间，h。

出口气体含尘浓度c2可通过等速取样法获得。调节取样装置流量计的流量为q1(确保取样管取样速度与管道内气流速度相同)，称量取样装置滤筒在取样前后的重量，分别记为m1、m2，读取取样时间t1，则出口气体含尘浓度c2的计算式为：

组合装置进出口压降Δp可直接由数字微压计读出。

2 结果与讨论

2.1初始压降特性分析

在纯气流条件下，测定组合装置压降Δp与进口气速v的关系曲线如图3所示。可以看出，组合装置的初始压降随着进口气速的增加而明显升高。

图3 组合装置初始压降-进口气速关系曲线

压降的理论推导目前还没有较为合适的方法，一般是根据试验数据来归纳总结经验公式，重力沉降装置和旋风分离器的压降经验公式为：

式中ρg——气体密度，kg/m3；

ξ——阻力系数。

考虑到组合装置的压降实际为重力沉降装置的进口压力与旋风分离器出口压力的差值，两者的前后组合以及相互作用也会对压降产生一定影响，故假设该组合装置的压降公式为：

根据上述试验数据进行回归分析，得到组合装置的压降计算公式为：

Δp=1.6ρgv2+76.36v

将试验结果与拟合结果进行对比，如图4所示。可以看出，试验值与拟合值较为吻合，拟合误差小于6%，在允许误差范围内。

图4 初始状态下压降试验值与拟合值的对比

2.2组合装置分离性能

在进口气速分别为5、10、15m/s时，进口浓度对压降和分离效率的影响结果如图5、6所示。

图5 不同进口气速下压降随进口浓度的变化情况

图6 不同进口气速下分离效率随进口浓度的变化情况

由图5可知，当进口含尘浓度一定时，随着进口气速的增大，压降显著升高，因此，进口气速是影响压降的主要因素。此外，在进口气速一定的条件下，随着进口含尘浓度的增加，压降略有降低。这是由于大量空气被径向运动的粉尘所拖曳，粉尘从速度较高的气流向外运动到速度较低的气流中时把能量传递给了涡旋气流的外层，本身所需压力减少，从而使得压降有所降低。

由图6可知，当进口气速较低(v=5m/s)时，分离效率随进口含尘浓度的增大而增大；但是，当进口气速较高(v≥10m/s)时，分离效率随进口含尘浓度的增大反而减小。当进口气速为10m/s、进口含尘浓度为5g/m3时，分离效率在85%左右。产生上述现象的原因是：当进口气速较低时，随着进口含尘浓度的增大，旋风分离器内固相颗粒之间的相互作用(如团聚、碰撞及夹带作用等)增强，使得细小颗粒一起被收集；粗颗粒在向旋风器壁移动时产生的空气曳力同样会把细颗粒夹带至器壁，从而提高细颗粒的捕集效率。但当进口气速较高时，旋风分离器内的颗粒反弹、返混等现象加强，同时径向气速增大，上行轴向气速也增大，颗粒停留时间变短，灰斗返气夹带增多，此时已超过了气体含尘浓度增加对分离效率的影响程度，因而分离效率降低。

此外，由图6还可以看出，对于筒体直径较小的旋风分离器，在进口气速较高的情况下，分离效率随进口气速的增大而减小。由文献[9]可知，一般筒体直径大于200mm的旋风分离器的分离效率都是随着进口气速的增大而增加。

通过二次多项式逐步回归分析，得到重力沉降+旋风分离组合装置的压降回归方程为：

Δp=-56+84.26v+1.86v2-0.16c1·v

分离效率回归方程为：

η=68.27+2.88v-0.12v2-0.0045c1·v

将试验值与拟合值进行对比，结果如图7、8所示。可以看出，试验值与拟合值较为吻合，拟合误差均小于3%，在允许误差范围内。