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防爆型多管旋风除尘器内流分析及结构设计
发布时间:2019-04-17 16:23

【摘要】针对硫磺粉尘的特性,给出了新型多管旋风除尘器的结构设计,即采用设有导向叶片的轴向进气旋风管结构,增设封板结构和积灰反吹装置,并进行了防爆设计。该除尘器经运行后,旋风管下灰通畅无堵塞现象,车间内硫磺粉尘浓度明显降低,在硫磺包装除尘系统中有着一定的推广价值。

【关键词】硫磺粉尘;旋风管;除尘;防爆设计;结构设计

1前言

硫磺包装车间里,片状硫磺经皮带输送至包装口的包装过程中因摩擦和碰撞会产生大量硫磺粉尘,这些粉尘长期漂浮在空气中,致使车间粉尘浓度维持在200~300mg/m³(国家标准为10mg/m³)。如此高浓度的硫磺粉尘不仅会危害工作人员的身体健康,而且也容易造成静电的积累,导致整个除尘系统爆炸,危及员工生命及公共财产的安全。

鉴于硫磺粉尘的特殊性和危险性,目前国内还没有生产厂家采取合理的除尘措施,也鲜有关于硫磺粉尘除尘系统及其防爆措施的文献。本文针对硫磺粉尘的物理特性及除尘要求,分析了旋风管内部含尘气流场及除尘效率的影响因素,设计了防爆型多管旋风除尘器。

2旋风管内含尘气体流动分析

多管旋风除尘器是多个小直径旋风分离器并联组合而成的,其分离性能主要取决于每个小旋风分离器(简称旋风管)的性能,因此了解旋风管内部含尘气体的流动特性对多管除尘器的设计有着重要意义。

在旋风管内,切向速度占主导地位,它带动颗粒高速旋转,在离心作用下将其甩向管壁,从而使颗粒被分离出来;径向分速度使得粉尘颗粒在半径方向由外向内推到中心部涡核而随上升气流排离旋风除尘器,它们构成旋风分离器内三维湍流的主旋流。如图1所示,外侧向下旋转,中心向上旋转,两者的旋转方向相同。在主流上常常还伴有许多局部二次流,如由轴向分速度形成环向空间的纵向环流,它会把一部分已浓集在旋风管壁上的颗粒向上带到顶板处而形成一层“上灰环”,并不时的被带入排气管内,影响除尘效率;排气管下口附近存在着较大的径向分速度,导致此处的流量变化很快,造成短路流,使大量的颗粒被带入排气管内,大大降低了分离效率。

3影响除尘效率的主要因素

多管旋风除尘器的除尘效率不仅受旋风管结构及分布的影响,而且与含尘气体中的粉尘颗粒的物理特性相关。该多管旋风除尘器主要是处理含硫磺粉尘的气体,根据硫磺包装车间现场实测的硫磺粉尘浓度为200~300mg/m³,其颗粒密度大,易吸取空气中的水分。硫磺颗粒的粘度值受温度影响较大,随温度升高时,粉尘颗粒易粘结团聚在一起,一旦粘结到旋风管和灰斗壁面上形成粘结底层,在之后的除尘过程中,硫磺粉尘颗粒会不断粘结到壁面上,导致旋风管排灰口堵塞。为避免排灰口堵塞,获得理想的除尘效果,在设计中应考虑硫磺粉尘特性对除尘器结构设计的影响。

3.1旋风管结构参数的影响

旋风管的直径越小,气流旋转半径越小,硫磺粉尘所受的离心力越大,旋风除尘器的除尘效率也就越高。但过小的筒体直径容易引起堵塞,而且还会造成较大直径的硫磺颗粒反弹到中心气流中而被带走,降低除尘效率;旋风管进口结构对硫磺颗粒运动轨迹有较大的影响,对进口结构的改进目的是为了尽量降低上灰环的不利影响,减小进气与内部旋流的相互干扰,使硫磺颗粒尽快的沿管壁回旋而下;另外,排气管下端的直径决定了内外旋流分界点的位置及大切相速度值,它与旋风管直径的比值越小,外旋流区越大,离心力场越强,除尘效率越高,但压降也随之增大。

3.2旋风管分布的影响

多管旋风除尘器的分离效率有时常常会低于单个旋风管的分离效率,这是因为每个旋风管的气流通道阻力不同,造成每个旋风管的流量分配不均,往往是前多后少;各个旋风管的压降不同,使灰斗中的含尘气体大量倒流进入压降高的的管内,从而产生窜流返混,使旋风除尘器的整体效率大大降低。

3.3进口气速对除尘性能的影响

石油大学应用相似理论对旋风管内气固相运动进行分析,得到粒级效率不能只表示要关联众多的固相、气相、结构准数等,并且实验说明硫磺颗粒的粒径分布和进口浓度对粒级效率有一定的影响,硫磺粒径大小不同的颗粒分离机理稍有差异,各相似准数对粒级效率的影响程度也稍有不同,因而引入判别函数ψ来区分粒径粗细,其粒级效率η1(dp)计算公式为:

式(4)表明,对于尺寸一定的旋风管,除尘效率随着进口气体速度的升高而增加。但实际生产中,当进口气体速度达到某一值后,除尘效率增大的趋势平缓。这是由于进口气体速度过高,使旋风管内的尘粒反弹、返混增强及硫磺粉尘颗粒的碰撞加剧而使沉积在管壁上的颗粒重新被卷扬起来,致使除尘效率不会继续随着进口气体速度的增大而增大。

旋风分离器的压降由试验推出的经验公式得出:

式中ξ———阻力系数

Lapple归纳出ξ=12.56/(KA/De);压降计算公式反映出随着进口气体速度的升高,旋风管压降增加的比较快。

图2所示为进口气体速度与除尘效率和压降的关系曲线。从图2中可以看出,当下口直径De与旋风管直径之比一定时,除尘效率随着进口气体速度增大到一定程度后,其增大的幅度逐渐减低,而压降随着进口气体速度的增大而增大,为了获得较好的除尘效果和降低压降,进口气体速度可取15~20m/s。

4多管旋风除尘器设计

针对以上影响因素,以及硫磺包装工段存在的问题,设计了新的多管旋风除尘器。

4.1旋风管进气形式

旋风管结构如图3所示,采用轴向进气方式,并在轴向进风入口处增加导向叶片,使轴向进风沿导向叶片做旋转运动,硫磺粉尘颗粒在离心力的作用下被甩到管壁上,经小旋风管灰斗排出。轴向进气不仅增大了进风口的面积,降低了进风速度,而且轴向进气的进风口位于旋风管的顶端,比切向进气式旋风管更容易做到各个旋风管的进气量分配均匀,从而保证了每个管的压降基本相同,避免了窜流返混现象;另外,堆积在旋风管进风口周围的粉尘在进口气流的带动下,均匀的分散到各个旋风管内,避免了周围沉积的粉尘颗粒瞬间进入旋风分管内,将旋风管圆锥段出灰口出现堵塞。

4.2导向叶片的设计

叶片出口角β对旋风管的分离效率和压降有着很大影响。当β值变大,旋转气流的切相速度增大,除尘效率提高,但压力降也会增大;反之,当β值过小,除尘效率会下降,但压力降仍然会增大,这对除尘效果不利。高效旋风管的β1一般选用20°~25°。在本设计中取导向叶片的内缘出口角β1值为20°,外缘出口角β2=β1+(5°~10°)。

4.3排气管结构的设计

排气管的插入深度hr以及下口直径De是排气管结构设计中的两个重要参数。若排气管的插入深度过短,气流出导叶后旋转不到一周便快速进入下部的圆锥段,大部分的颗粒没有足够的时间被甩向管壁,而被排气管下口的短路流卷入排气管中;若过长,旋风管内的分离空间变小,压降升高。推荐采用:


 

在其它参数不变的条件下,当hr/D=1.25时,旋风管的除尘效率高。

排气管下口直径De与旋风管直径D之比减

小时,切向速度升高,除尘效率提高,但是压降也会增大,由图2中所示,当进口气速相同时,De/D的比值越大,除尘效率越低。因此,在设计中取De=0.5D。

4.4排列方式

多管旋风除尘器内,旋风管采用顺排并联的方式排列,有利于使各个旋风管的气流通道阻力一致,使进口处气量分配均匀,减小窜流返混的影响。为了进一步克服窜流返混不利的影响,该除尘器增大了进气室的容积,采用如图4所示的渐进式进气室。由于每个旋风管的排气管长度一致,故每个旋风管分配到的气量更加均匀。

4.5封板设置

图4在旋风除尘器中部设有中封板和下封板。中封板的设置提高了多管旋风除尘器的进风口位置,使进风口位于旋风管顶部进口位置上方,这样不但减小了进风阻力,也避免了除尘器中段扬灰进入旋风管内部;下封板使除尘器内所有的旋风分管排布于同一水平面上,降低了灰斗返气夹带的影响,消除了除尘器中段的积灰现象。

4.6积灰反吹装置

硫磺粉尘易吸取空气中的水分变潮,当温度升高时,其粘度也随之大幅度升高,在经旋风管旋转下落过程中,易粘接到管壁上,长时间运行后,导致旋风管圆锥段出灰口堵塞,影响除尘器正常工作。为了防止湿硫磺粉尘粘壁以及旋风管堵塞,该多管旋风除尘器设置积灰反吹装置,如图4所示。在除尘器内每排旋风管上方设有一根压缩空气反吹风管,反吹风管与除尘器外设置的压缩空气气包相连接,并设有反吹控制阀,管上布置与旋风管数目一致的喷嘴。清灰时,通过控制阀门和调节进气压力,先采用低压大气量对旋风除尘器内进行干燥,再用高压气流进行吹灰,有效的消除了旋风管出灰口堵塞现象。

4.7防爆设计

硫磺包装车间的爆炸危险主要在于硫磺粉尘在空气中的氧化剂混合形成的爆炸性混合物。在一般情况下,硫磺粉尘比可燃性气体更容易发生爆炸,其自燃点为190℃(比70号汽油的着火点300℃还低),当静电电位30kW的绝缘体在空气中放电时,放电量可达到数百微焦耳,易点燃硫磺粉尘而发生爆炸。为了避免上述情况的发生,该硫磺多管旋风除尘器采取了一系列,多层次的防爆抑爆设计:

(1)多管旋风除尘器及相关设备与管道与电网接地系统相连,抑制、消除静电的产生;在法兰、阀门等连接处采用导线短接。

(2)与除尘器相连的管道光滑,平缓过渡,无急转弯结构。

(3)在爆炸危险区域,设置安装防爆型轴流风机,加强车间内的通风。

(4)在除尘器周围设置防爆墙。

5结语

通过分析影响旋风管分离效率的因素及其结构存在的问题,设计了新型多管旋风除尘器,即采用了设有导向叶片的轴向进气旋风管结构,增大了管内气流的旋转;设置封板结构和积灰反吹装置,减小了灰斗返气夹带的影响和旋风管出灰口堵塞现象;进行了多层保护的防爆设计,提高了设备运行时的安全性。该除尘器经运行后,车间内硫磺粉尘浓度明显降低,在硫磺粉尘包装系统中有着一定的推广价值。

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