隔板式沉降室在冶金爐窯收塵系統的應用

鄧沙寧

(湖南有色冶金勞動保護研究院,湖南長沙 410014)

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隔板式沉降室在冶金爐窯收塵系統的應用

鄧沙寧

(湖南有色冶金勞動保護研究院,湖南長沙 410014)

從有色冶金爐窯煙氣收塵系統配置的實用要求出發,結合新型沉降收塵裝置的理論分析,探討了新型沉降裝置在有色冶金爐窯煙氣收塵系統的必要性,并通過工程實際應用,表明新型沉降收塵裝置具有收塵效率適中,阻力低、運行可靠等優點,為有色冶金爐窯收塵系統配置提供設計參考。

冶金爐窯;收塵系統;沉降裝置

有色冶金爐窯設計原則一般是粗收塵和布袋收塵(或電收塵)共同作用的工藝收塵流程,粗收塵是收集煙氣中的粗顆粒,減少后面收塵器入口粉塵濃度負荷,粗收塵有重力沉降收塵、慣性收塵、旋風收塵等。旋風收塵在收塵系統中用得比較普遍,它的最大特點是對粗顆粒除塵效率比較高,達到80%以上,且占用的空間也較小,它的缺點是阻力較大,一般在800 Pa水柱以上,對于煙氣量比較大的冶金爐窯煙氣,阻力到達1 200 Pa水柱以上。重力沉降收塵、慣性收塵作為粗收塵器相對起來卻用得比較少,它們的除塵效率不高,且占地大,但是結構簡單,造價低廉,阻力損失小,一般在50～100 Pa[1,2]。

粗收塵器在冶金爐窯收塵工藝中只起到一定的輔助收塵作用,在國內冶金行業中,用得最多的旋風除塵器作為初級收塵,在實際運行過程中,也存在著不少問題,主要表現在阻力損失大,在系統漏風的情況下,后面的主風機,不能把煙氣全部拉過來,爐口冒煙嚴重,同時,由于旋轉速度往往達不到分離塵粒的極限值(旋轉速度一般在15～20 m/s),效率降低,另外,由于阻力損失大,能耗相對就大,相反,如果采用重力沉降除塵,再加一些垂直或水平隔板,作為前級預除塵器,則能達到比較滿意的效果,特別是在已經形成的冶金爐窯收塵系統的改造中,在主風機不變的情況下,采用這種隔板式沉降室能達到改造的目的[3,4]。

值得注意的是:沉降室空間大,氣流速度低,對于冶金爐窯系統中的某些防爆,采取增加防爆門等辦法,爆炸現象能得以解決。

1 除塵機理

重力沉降室實際上是擴大輸送氣體管道的一種除塵室。在沉降室里,氣流速度得到顯著降低,從而使粉塵在重力作用下沉降下來。重力是自然力,因此不需要額外的能耗,但是,要使粉塵能沉降下來,一方面需要氣流速度很低(一般在0.2～0.6 m/s之間),在有限的沉降室長度范圍內粉塵才能沉降下來,另一方面需要重力比較大,即要求塵粒的粒徑dp和塵粒密度Pp大,使得塵粒在沉降速度W作用下,在有限的沉降時間內粉塵沉降到灰斗里,這就要求沉降室有足夠的長度和斷面積,同時,又要求沉降室高度小,以減少沉降時間。總之,沉降室的除塵效率取決于沉降室的幾何尺寸,在考慮經濟和場地時,合理地設計沉降室的長、寬、高,其收效率才能得到充分發揮。

在沉降室里加水平隔板,可降低粉塵的沉降高度,從而提高沉降室的除塵效率;在沉降室里加垂直擋板,氣流在沉降室里折轉流動,這就相當于增加了沉降室的長度,同時,氣流方向的突然改變,粉塵粒子由于慣性,碰到前面的擋板而被捕集下來,有資料表明,在沉降室里加幾塊這樣的擋板,效率可提高10%左右。

結合工程改造中的兩個實例,說明沉降室的理論計算。

1.1 水平隔板沉降室理論計算

某廠對轉爐工藝收塵系統進行了改造,設計了一個帶兩層水平隔板的翻板式沉降室,沉降室的尺寸為:長×寬×高=6 m×3 m×3 m。進入沉降室的煙氣量按兩次實測的平均值Q=39 000 m3/h,煙塵的密度Pp=4 038 kg/m3,煙氣在300℃的動力粘度近似按空氣動力粘度來考慮,取μ=3.03×10-5Pa·s,煙氣的密度取Pg=0.74 kg/m3,假如氣流為層流狀態,且氣流分布較均勻,沉降室內的斷面風速[5]:

式中B為沉降室寬度/m;H為沉降室高度/m;Q為進入沉降室的平均煙氣量/m3·s-1。

煙氣在沉降室內的通過時間:

式中L為沉降室長度/m。

在t=300℃、P=1 kg/m2的條件下,粒徑為=300μm和=50μm的沉降速度分別為:

式中g為重力加速度9.81/m·s-2;Pg為煙氣的密度/kg·m-3;Pp為塵粒密度/kg·m-3;μ為空氣在300℃時,在1個大氣壓下的動力粘度/Pa·s;dp為煙塵粒徑/m。

直徑為30μm和500μm的塵粒在沉降室內的下降高度分別為:

直徑為30μm塵粒的收塵效率(分級效率):

式中ηd1為分級效率;N為水平隔板層數。

直徑為50μm塵粒的收塵效率(分級效率):

重力沉降室100%捕集的最小粒徑。

沉降室對該煙塵的分級效率表示為ηd-dp曲線,如圖1、圖2所示。

圖1 Pp=4 038 kg/m3粒子的ηd-dp曲線圖

圖2 Pp=4 860 kg/m3粒子的ηd-dp曲線圖

沉降室阻力:

式中ki為進口阻力系數;k0為出口阻力系數;f為沉降室磨擦系數(0.004 59);Rh為沉降室水力半徑/m。

通過計算得:ΔP=57.52(Pa)

沉降室的最大阻力ΔPmax

通過以上計算可以看出,該沉降室對于大于50 μm的煙塵有很高的收塵效率,對于大于40μm的煙塵有比較好的收塵效率,小于30μm的煙塵效率比較低,小于20μm的煙塵效率極低。同時,該沉降率阻力很低,一般情況下在70 Pa左右。

1.2 垂直隔板沉降室理論計算

某廠煙化爐氧化鋅工藝收藝系統進行了改造,在空氣冷卻器后加了一個沉降室,沉降室內設三塊垂直擋板,沉降室的尺寸為:長×寬×高=6.4 m×3 m×3 m。進入沉降室的煙氣量按實測的平均值Q=37 000 m3/h,煙塵的密度Pp=4 860 kg/m3,煙氣在100℃的動力粘度近似按空氣動力粘度來考慮,取μ=2.32×10-5Pa·s,煙氣的密度取Pg=0.80 kg/m3,垂直擋板的高為1.5 m,寬為1.3 m,同樣假定氣流為層流狀態,且氣流分布較均勻。

氣流進入沉降室后,遇到檔板,折轉180°,氣流經過三個轉折180°,然后排出,氣流在沉降室里流動,由于折轉,無形就增加了氣流在沉降室里的運行距離,這就相當于增加了沉降室的長度L=9.01 (m)。

沉降室的分級效率為:

沉降室對dp=30μm和dp=50μm的分級效率分別為:

沉降室能夠100%捕集的最小直徑dmin為:

該沉降室對煙氣的分級效率ηd-dp曲線如圖2所示。

式中kj為沉降室垂直擋板阻力系數(1.71)。

沉降室雷諾爾數Re的確定:

通過計算,沉降室氣流為紊流狀態。

通過計算,ΔP=58.25(Pa)

沉降室的最大阻力ΔPmax

通過以上計算可以看出,該沉降室對于大于50 μm的煙塵有較好的收塵效率,對于小于30μm的煙塵效率較低。同時,該沉降室阻力很低,一般在70 Pa左右,另外,由于設置了垂直擋板,應用到了慣性收塵的原理,收塵效率實際上要比理論計算結果還要高,本次計算考慮到沉降室里氣流速度不大(1.14 m/s),而慣性收塵氣流速度要達到10 m/s以上效果才明顯,因此,理論計算仍采用沉降室的計算方法。

2 工程上的應用情況

2.1 水平隔板沉降室的應用

某廠轉爐車間原來的工藝流程為:爐口煙氣→沉降室→旋風收塵器→鐘罩閥→電收塵器→制酸設備→主風機→煙囪。

改造前,轉爐爐口附近為微正壓,爐口冒煙嚴重,有20%左右的煙氣從爐口跑掉,對粗收塵系統進行測定發現,沉降室入口處的含塵濃度平均為24.47 g/m3,旋風口收塵器出口的含塵濃度為12.87 g/m3,對粗收塵(旋風收塵器和沉降室)收集下來的粉塵進行分散度分析,情況列于表1,對電收塵器的粒塵進行分散度分析,情況列于表2。

表1 粗收塵粉塵分散度分析

表2 電收塵器粒塵分散度分析

根據改造的現狀和測定數據可知:(1)粗收塵收塵效率偏低,按濃度法求得粗收塵的效率為47.41%,從分散來看,電收塵灰斗粉塵大于30μm的占56.9%,這部分粉塵沒有被粗收塵收集到。原有沉降室的尺寸為長×寬×高=3.4 m×3.4 m×4 m,這樣的沉降室對粉塵的收塵效率極低,旋風收塵器的入口風速為11 m/s,而旋風除塵器的入口速度要達15～20 m/s之間,收塵效果才會較高;(2)爐口冒煙嚴重,說明系統阻力太大,作為粗收塵同時設置沉降室和旋內收塵器是得不償失。

針對上面原因分析,對系統進行了改造,去掉前面的沉降室和旋風收塵器,在電收塵器的旁邊設計了帶兩層水平隔板的翻板式沉降室,沉降室的尺寸為:長×寬×高=6 m×3 m×3 m,水平隔板可以翻轉到800 m左右,具體結構如圖3所示。

從幾年的實踐運行來看,爐口冒煙現象已消除,系統阻力明顯降低,爐口出現了微負壓。通過對電收塵灰斗粉塵重量分散度分析發現,大于30μm的僅占5.67%,電收塵的出含塵濃度低于200 mg/m3,這說明進入收塵的粗顆粒不多,粗顆粒絕大部分已在水平隔板式沉室中得到捕集,這說明翻板式水平隔板沉降室的收塵效率還是很高。

圖3 水平翻板式隔板沉降室

2.2 垂直隔板沉降室的應用。

某廠煙化爐氧化鋅收塵工藝改造前的流程為:煙化爐—余熱鍋爐—水冷卻器—空氣冷卻器—風機—布袋收塵器—風機—煙囟,煙化爐粉塵分散度列于表3、煙化爐煙塵分析列于表4。

表3 煙化爐粉塵分散度

表4 煙塵成分含量 %

從煙化爐粉塵粒徑分析,發現大于30μm的粒子占25.4%,從煙化爐煙塵成分來看,雖然混合煙塵的含碳量只有1.16%,但對混合煙塵進行分級處理后,發現200目篩上物含碳量達26.7%,這表明:混合塵中大顆粒物為煙化爐燃煤中未完全燃燒的碳粒子。對布袋除塵器入口含塵濃度測定,發現入口煙塵濃度達16.6 g/m3。由此可見,整個流程由于沒有粗收塵裝置,使得布袋收塵器負擔太大,布袋磨損嚴重,同時,由于碳粒子大量進入到布袋,極易在布袋引起自燃,而發生爆炸,嚴重影響到生產的正常進行。

因此,在考慮到風機不變的情況下,去掉空氣冷卻器后面的幾個集塵斗,增加了一個長×寬×高= 6.4 m×3 m×3 m的垂直檔板沉降室,使得煙氣中的粗顆粒(尤其是碳粒子)在沉降室得到捕集,以減少布袋負擔過重和防爆炸,垂直檔板沉降室的結構如圖4。

圖4 垂直隔板沉降室

從投產后的實際運行情況來看,該沉室起到了控制袋式收塵器入口含塵濃度的作用,對運行工況下的沉降室收集塵和袋式收塵器粉塵進行了化學成分分析和物性參數測定,檢查結果列于表5、表6。

表5 粉塵的化學成分分析結果 %

表6 粉塵的物性參數

從表5、表6的分析檢測結果可知,煙化爐收塵系統增設垂直多隔板沉降收塵裝置后,布袋收集塵的品質得到有效的改善,且沉降室起到有效分離粗粒子可燃物的效用。

3 結 論

1.水平隔板的設置降低了沉降高度,有效地提高了粉塵的收塵效率。

2.水平隔板由電動葫蘆、鋼絲繩、連桿帶動旋轉,可以自如翻轉到80左右,粉塵可自如落入灰斗,清灰方便、可靠。

3.垂直檔板使氣流折轉,相應地提高了沉降長度,實際上提高了沉降室的收塵效率。

4.垂直隔板沉降裝置也起到一定的慣性除塵作用。

5.沉降裝置阻力小,結構簡單,維護方便,在收塵系統中的應用是成功的。但是,它只能作為粗級收塵,并且,只能在塵粒粒徑較粗的情況下,才能體現到它的優越性。

[1] 唐運雪,周顯榮.銀轉爐收塵系統技術改造[J].湖南有色金屬,1999,15(5):41-44.

[2] 陳洪霞.利用鋼渣、煉鐵除塵灰生產氧化鋅[J].包鋼科技, 2010,36(6):82-83.

[3] 王立穎.袋式除塵器在高溫高壓煙氣收塵中的運用[J].世界有色金屬,2010,3:51-53.

[4] 張殿義,張學義.除塵技術手冊[M].北京:冶金工業出版社, 2002.

[5] 裴瑩瑩,羅宏,呂連宏.電除塵器強制收集系統設計計算[J].工業安全與環保,2009,35(10):18-20.

Application of Clapboard-type Settling Chamber on the Dust Collecting System of Metallurgical Furnace

DENG Sha-ning
(Hunan L abour Protection Institute of Nonferrous Metals,Changsha410014,China)

From the practical requirements of the configuration of dust collector to the smoke clean system of nonferrous metallurgical furnaces,this paper discusses the necessity of dust collecting system of non-ferrous metallurgical furnaces based on theoretical analysis of the new settlement dust collective device.By engineering applications,the results show that the new settlement dust collective device has the advantages of suitable dust collecting efficiency,low resistance and steady and reliable operation.And the design could be referred to the configuration of dust collector to the smoke clean system of non-ferrous metallurgical furnaces.

metallurgical furnace;dust collecting system;settlement dust collective

X701.2

A

1003-5540(2011)06-0040-05

鄧沙寧(1983-),男,助理工程師,主要從事環境保護研究工作。

2011-08-20