超重力除尘装置的设计

荆恒铸

(河南心连心化肥有限公司 河南新乡 453731)

1 超重力除尘装置工作原理

超重力场的气-固分离过程是在气-液接触型的超重力装置中，将气体中的固体(微尘或尘粒)转入液相中。在气-液接触的超重力装置中，由于超重力的作用，通过填料对液体的高速剪切把液体分割成极薄的液膜和细小的液滴，并在旋转的填料层的空隙中快速凝并与分散，极利于对粉尘的浸润，对气体中的粉尘形成了极强的捕获能力。当含尘气体通过高速旋转、充满着极薄的液膜和细小液滴的填料层中的空隙时，粉尘的惯性沉降能力增强，粉尘与液体、填料都形成了快速的碰撞接触，使得气-固分离过程得以实现。因此，超重力场的气-固分离过程通过旋转惯性分离、碰撞、过滤、液膜及液滴凝并、捕集等多种机制交互作用，形成了超重力法高效的除尘机制。实际上，在超重力场中，液体对填料层内捕集到的粉尘还具有极强的“携带”和“清洗”作用，使得填料不会被堵塞，保持极高的除尘效率。

2 超重力装置的选型

本次试验主要是对河南心连心化肥有限公司某工段排放的烟气进行除尘处理，以达到达标排放的目的。该工段烟气排放量200～1 000 m3/h，烟气连接管为DN 125 mm。考虑到风机抽风量、连接管管径、安全等多方面因素，超重力除尘装置选型定为错流型旋转填料床。该超重力除尘装置由于气体沿轴向流动而液体沿径向流动，严格意义上不存在液泛问题，但气体流速过大时，会出现较为严重的气体带液现象，但此问题可通过在气体出口处增设除雾器的方法予以解决。因此，错流型旋转填料床的气液流量和流速有很大的操作范围。

3 结构设计与计算

3.1 气液进出口管径

液气比(L/G)由工艺确定，同时按照试验要求确定液体和气体的流量[1]。则气液进出口管内径分别按式(1)和式(2)计算：

(1)

(2)

式中：Dg——气体进出口管内径，m；

G——气体流量，m3/h；

Vg——气体流速，在工程设计中通常取10 m/s；

Dl——液体进出口管内径，m；

L——液体流量，m3/h；

Vl——液体流速，工程设计中通常取3 m/s。

根据现场实际情况、试验要求以及液气比对除尘效率的影响，由式(1)和式(2)计算得：Dg为DN 150 mm，G为635.85 m3/h，Dl为DN 25 mm，L为5.3 m3/h。

3.2 喷淋管的形式

喷淋管一般有开缝与开孔2种结构类型。由于开缝喷淋管液体喷出的方向并不垂直于喷淋管轴线，此种情况不利于液体在床层内的均匀分布，如果设备尺寸较大，将会极大降低设备的除尘效率，所以本方案选取开孔形式。

喷淋面积按式(3)和式(4)计算：

(3)

Vp=1.5V0

(4)

式中：Vp——喷口速度，m/s；

V0——液体在喷淋管内的流速，m/s；

S——喷淋管表面积，m2。

3.3 填料层尺寸

按试验要求，填料层轴向高度定为500 mm，厚度定为300 mm。

3.4 壳体形式及尺寸

超重力除尘装置壳体外形定为六角棱柱。按照转鼓内气体流量等同于填料与壳体之间的流量进行计算，则进风流道的截面积近似等于填料与壳体间的截面积。如图1所示，壳体主要几何尺寸及进风流道尺寸：外接圆半径R=445 mm，内接圆半径A=385 mm，填料层厚度B=300 mm，进液喷淋管半径C=12.5 mm，进风管道半径D=75 mm。

图1 壳体形式

4 液气比、超重力因子的选定

超重力场环境下影响除尘效率的因素主要有填料类型、液气比、超重力因子等。由于填料类型选定为丝网填料，故着重考虑液气比和超重力因子对除尘效率的影响。

4.1 液气比对除尘效率的影响

如图2所示，超重力环境下的液气比对除尘效率的影响显著，随着液气比的增大，不同粒径粉尘的去除率都会明显上升，其中c0为粉尘初始质量浓度。

图2 液气比对除尘效率的影响

4.2 超重力因子对除尘效率的影响

超重力因子为超重力场下任意处的离心加速度与重力加速度的比值，其表达式如式(5)和式(6)所示：

β=ω2r/g

(5)

β=N2r/900

(6)

式中：ω——转子旋转的角速度，rad/s；

g——重力加速度，m/s2；

r——转子半径，m；

N——转子旋转的转速，r/min。

在固定转速条件下，超重力因子沿径向基本呈线性关系，且线性增大。如图3所示，超重力场中除尘效率随着超重力因子的增大而提高。随着超重力强度的增加，填料中液体被分散或切割成更小的液滴或液丝，相间比表面积急剧增大，相同气体和液体流量条件下，粉尘被捕获的概率增加。

图3 超重力因子对除尘效率的影响

考虑到气体和液体流量、管径、设备制造等诸多因素，β选定为125。

5 功率计算及电机选型

超重力场的实现及过程的强化都是通过转子、填料及内部流体的高速旋转来实现的，在此过程中，所有能量都来源于驱动电机，电机所能提供的轴功率必须满足超重力装置强化传质的需要。

超重力装置所需功率主要包括：①液体通过旋转床填料层所消耗的功率；②液体自喷淋管喷出进入填料层克服自身惯性所消耗的功率；③机械摩擦消耗的功率；④转子与气体摩擦消耗的功率。①与②之和称为甩液功率。

5.1 甩液功率

液体在填料层内的实际运动是非常复杂的，这是因为填料层是由孔隙率极高的填料组成，液体在填料层内不断受到填料的撞击，同时被打碎成细小的液滴。在每次撞击过程中，液滴不仅运动方向发生变化，而且不断发生破碎与重新积聚，故采用数学方法描述液滴在床层中的微观运动是非常困难的。但针对旋转床的功率计算而言，只要从宏观上把握液体的运动状态即可，一般认为液体在填充床层内的运动是沿周向的旋转运动与沿径向的直线运动的合成。

借鉴离心泵叶轮中液体的运动计算，则液体通过旋转床填料层所消耗的功率和液体自喷淋管喷出进入填料层克服自身惯性所消耗的功率可分别按式(7)和式(8)计算：

(7)

(8)

式中：ρ——液体密度，kg/m3；

R1——床层内半径，m；

R2——床层外半径，m。

5.2 机械摩擦消耗的功率

在超重力旋转床中，机械损失主要包括密封的摩擦损失及轴承的摩擦损失。相对于总功耗来说，机械损失所占比例很小，一般取N3=(0.01～0.03)N总，可忽略不计。

5.3 转子与气体摩擦消耗的功率

参照离心机转子与气体摩擦功耗的关系式，超重力旋转床床层内的气体阻力损失可按式(9)计算：

(9)

式中：ρ0——气体密度，kg/m3；

b——填料层高度，m；

Δω—转子的旋转角速度与气体在床层外壁面处旋转角速度的差值，rad/s。

通过计算，与甩液功率相比，气体阻力损失很小，可忽略不计。

综上所述，甩液功率在总功率中占很大的比例，故总功率N总≈N0。取β=125、r=0.375 m，通过式(5)进行计算，则转子旋转的角速度为55.32 rad/s。取ρ=1 000 kg/m3、L=5.3 m3/h、R2=0.375 m，则N0=0.63 kW。

电机通常按(1.2～1.5)N0来选取，则电机功率为0.95 kW，频率50 Hz，转速550 r/min，同时电机的型号及防爆要求应根据介质的性质来确定。

6 结语

超重力除尘装置由于通过对传质过程的强化，使得除尘设备具有体积小、占地面积省、便于旧厂改造、能耗低、适应性强的特点，而且在除尘的同时还可以去除气体中部分可溶于水的有害成分，从而保证处理后的尾气能够达标排放。

烟气经超重力除尘装置处理后，排放烟气中的粉尘质量浓度由50 g/m3降至30 mg/m3，达到了预期效果，为超重力除尘装置的设计以及企业除尘优化改造提供了可供借鉴的参考。