超重力除塵裝置的設(shè)計(jì)

荊恒鑄

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉(xiāng) 453731)

1 超重力除塵裝置工作原理

超重力場(chǎng)的氣-固分離過(guò)程是在氣-液接觸型的超重力裝置中，將氣體中的固體(微塵或塵粒)轉(zhuǎn)入液相中。在氣-液接觸的超重力裝置中，由于超重力的作用，通過(guò)填料對(duì)液體的高速剪切把液體分割成極薄的液膜和細(xì)小的液滴，并在旋轉(zhuǎn)的填料層的空隙中快速凝并與分散，極利于對(duì)粉塵的浸潤(rùn)，對(duì)氣體中的粉塵形成了極強(qiáng)的捕獲能力。當(dāng)含塵氣體通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)、充滿著極薄的液膜和細(xì)小液滴的填料層中的空隙時(shí)，粉塵的慣性沉降能力增強(qiáng)，粉塵與液體、填料都形成了快速的碰撞接觸，使得氣-固分離過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。因此，超重力場(chǎng)的氣-固分離過(guò)程通過(guò)旋轉(zhuǎn)慣性分離、碰撞、過(guò)濾、液膜及液滴凝并、捕集等多種機(jī)制交互作用，形成了超重力法高效的除塵機(jī)制。實(shí)際上，在超重力場(chǎng)中，液體對(duì)填料層內(nèi)捕集到的粉塵還具有極強(qiáng)的“攜帶”和“清洗”作用，使得填料不會(huì)被堵塞，保持極高的除塵效率。

2 超重力裝置的選型

本次試驗(yàn)主要是對(duì)河南心連心化肥有限公司某工段排放的煙氣進(jìn)行除塵處理，以達(dá)到達(dá)標(biāo)排放的目的。該工段煙氣排放量200～1 000 m3/h，煙氣連接管為DN 125 mm。考慮到風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量、連接管管徑、安全等多方面因素，超重力除塵裝置選型定為錯(cuò)流型旋轉(zhuǎn)填料床。該超重力除塵裝置由于氣體沿軸向流動(dòng)而液體沿徑向流動(dòng)，嚴(yán)格意義上不存在液泛?jiǎn)栴}，但氣體流速過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的氣體帶液現(xiàn)象，但此問(wèn)題可通過(guò)在氣體出口處增設(shè)除霧器的方法予以解決。因此，錯(cuò)流型旋轉(zhuǎn)填料床的氣液流量和流速有很大的操作范圍。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 氣液進(jìn)出口管徑

液氣比(L/G)由工藝確定，同時(shí)按照試驗(yàn)要求確定液體和氣體的流量[1]。則氣液進(jìn)出口管內(nèi)徑分別按式(1)和式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中：Dg——?dú)怏w進(jìn)出口管內(nèi)徑，m；

G——?dú)怏w流量，m3/h；

Vg——?dú)怏w流速，在工程設(shè)計(jì)中通常取10 m/s；

Dl——液體進(jìn)出口管內(nèi)徑，m；

L——液體流量，m3/h；

Vl——液體流速，工程設(shè)計(jì)中通常取3 m/s。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、試驗(yàn)要求以及液氣比對(duì)除塵效率的影響，由式(1)和式(2)計(jì)算得：Dg為DN 150 mm，G為635.85 m3/h，Dl為DN 25 mm，L為5.3 m3/h。

3.2 噴淋管的形式

噴淋管一般有開(kāi)縫與開(kāi)孔2種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。由于開(kāi)縫噴淋管液體噴出的方向并不垂直于噴淋管軸線，此種情況不利于液體在床層內(nèi)的均勻分布，如果設(shè)備尺寸較大，將會(huì)極大降低設(shè)備的除塵效率，所以本方案選取開(kāi)孔形式。

噴淋面積按式(3)和式(4)計(jì)算：

(3)

Vp=1.5V0

(4)

式中：Vp——噴口速度，m/s；

V0——液體在噴淋管內(nèi)的流速，m/s；

S——噴淋管表面積，m2。

3.3 填料層尺寸

按試驗(yàn)要求，填料層軸向高度定為500 mm，厚度定為300 mm。

3.4 殼體形式及尺寸

超重力除塵裝置殼體外形定為六角棱柱。按照轉(zhuǎn)鼓內(nèi)氣體流量等同于填料與殼體之間的流量進(jìn)行計(jì)算，則進(jìn)風(fēng)流道的截面積近似等于填料與殼體間的截面積。如圖1所示，殼體主要幾何尺寸及進(jìn)風(fēng)流道尺寸：外接圓半徑R=445 mm，內(nèi)接圓半徑A=385 mm，填料層厚度B=300 mm，進(jìn)液噴淋管半徑C=12.5 mm，進(jìn)風(fēng)管道半徑D=75 mm。

圖1 殼體形式

4 液氣比、超重力因子的選定

超重力場(chǎng)環(huán)境下影響除塵效率的因素主要有填料類(lèi)型、液氣比、超重力因子等。由于填料類(lèi)型選定為絲網(wǎng)填料，故著重考慮液氣比和超重力因子對(duì)除塵效率的影響。

4.1 液氣比對(duì)除塵效率的影響

如圖2所示，超重力環(huán)境下的液氣比對(duì)除塵效率的影響顯著，隨著液氣比的增大，不同粒徑粉塵的去除率都會(huì)明顯上升，其中c0為粉塵初始質(zhì)量濃度。

圖2 液氣比對(duì)除塵效率的影響

4.2 超重力因子對(duì)除塵效率的影響

超重力因子為超重力場(chǎng)下任意處的離心加速度與重力加速度的比值，其表達(dá)式如式(5)和式(6)所示：

β=ω2r/g

(5)

β=N2r/900

(6)

式中：ω——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s；

g——重力加速度，m/s2；

r——轉(zhuǎn)子半徑，m；

N——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，r/min。

在固定轉(zhuǎn)速條件下，超重力因子沿徑向基本呈線性關(guān)系，且線性增大。如圖3所示，超重力場(chǎng)中除塵效率隨著超重力因子的增大而提高。隨著超重力強(qiáng)度的增加，填料中液體被分散或切割成更小的液滴或液絲，相間比表面積急劇增大，相同氣體和液體流量條件下，粉塵被捕獲的概率增加。

圖3 超重力因子對(duì)除塵效率的影響

考慮到氣體和液體流量、管徑、設(shè)備制造等諸多因素，β選定為125。

5 功率計(jì)算及電機(jī)選型

超重力場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)及過(guò)程的強(qiáng)化都是通過(guò)轉(zhuǎn)子、填料及內(nèi)部流體的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在此過(guò)程中，所有能量都來(lái)源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)所能提供的軸功率必須滿足超重力裝置強(qiáng)化傳質(zhì)的需要。

超重力裝置所需功率主要包括：①液體通過(guò)旋轉(zhuǎn)床填料層所消耗的功率；②液體自噴淋管?chē)姵鲞M(jìn)入填料層克服自身慣性所消耗的功率；③機(jī)械摩擦消耗的功率；④轉(zhuǎn)子與氣體摩擦消耗的功率。①與②之和稱(chēng)為甩液功率。

5.1 甩液功率

液體在填料層內(nèi)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是非常復(fù)雜的，這是因?yàn)樘盍蠈邮怯煽紫堵蕵O高的填料組成，液體在填料層內(nèi)不斷受到填料的撞擊，同時(shí)被打碎成細(xì)小的液滴。在每次撞擊過(guò)程中，液滴不僅運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，而且不斷發(fā)生破碎與重新積聚，故采用數(shù)學(xué)方法描述液滴在床層中的微觀運(yùn)動(dòng)是非常困難的。但針對(duì)旋轉(zhuǎn)床的功率計(jì)算而言，只要從宏觀上把握液體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即可，一般認(rèn)為液體在填充床層內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是沿周向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與沿徑向的直線運(yùn)動(dòng)的合成。

借鑒離心泵葉輪中液體的運(yùn)動(dòng)計(jì)算，則液體通過(guò)旋轉(zhuǎn)床填料層所消耗的功率和液體自噴淋管?chē)姵鲞M(jìn)入填料層克服自身慣性所消耗的功率可分別按式(7)和式(8)計(jì)算：

(7)

(8)

式中：ρ——液體密度，kg/m3；

R1——床層內(nèi)半徑，m；

R2——床層外半徑，m。

5.2 機(jī)械摩擦消耗的功率

在超重力旋轉(zhuǎn)床中，機(jī)械損失主要包括密封的摩擦損失及軸承的摩擦損失。相對(duì)于總功耗來(lái)說(shuō)，機(jī)械損失所占比例很小，一般取N3=(0.01～0.03)N總，可忽略不計(jì)。

5.3 轉(zhuǎn)子與氣體摩擦消耗的功率

參照離心機(jī)轉(zhuǎn)子與氣體摩擦功耗的關(guān)系式，超重力旋轉(zhuǎn)床床層內(nèi)的氣體阻力損失可按式(9)計(jì)算：

(9)

式中：ρ0——?dú)怏w密度，kg/m3；

b——填料層高度，m；

Δω—轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度與氣體在床層外壁面處旋轉(zhuǎn)角速度的差值，rad/s。

通過(guò)計(jì)算，與甩液功率相比，氣體阻力損失很小，可忽略不計(jì)。

綜上所述，甩液功率在總功率中占很大的比例，故總功率N總≈N0。取β=125、r=0.375 m，通過(guò)式(5)進(jìn)行計(jì)算，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度為55.32 rad/s。取ρ=1 000 kg/m3、L=5.3 m3/h、R2=0.375 m，則N0=0.63 kW。

電機(jī)通常按(1.2～1.5)N0來(lái)選取，則電機(jī)功率為0.95 kW，頻率50 Hz，轉(zhuǎn)速550 r/min，同時(shí)電機(jī)的型號(hào)及防爆要求應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)來(lái)確定。

6 結(jié)語(yǔ)

超重力除塵裝置由于通過(guò)對(duì)傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化，使得除塵設(shè)備具有體積小、占地面積省、便于舊廠改造、能耗低、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且在除塵的同時(shí)還可以去除氣體中部分可溶于水的有害成分，從而保證處理后的尾氣能夠達(dá)標(biāo)排放。

煙氣經(jīng)超重力除塵裝置處理后，排放煙氣中的粉塵質(zhì)量濃度由50 g/m3降至30 mg/m3，達(dá)到了預(yù)期效果，為超重力除塵裝置的設(shè)計(jì)以及企業(yè)除塵優(yōu)化改造提供了可供借鑒的參考。