1 旋风除尘与混合气流的运动
旋风除尘也就是离心除尘,利用气体和固体混合物在设备中作旋转运动所产生的离心力的不同,将两种介质分离,达到清除烟气流中灰尘的目的.
混合气流——烟气流,在除尘设备中一方面沿着轴线竖直向上运动,另一方面沿着设备内壁作圆周运动,整个气流的运动便由
这两个运动合成,亦即作螺旋线运动.因此,气流的运动有两个基本要素——作圆周运动的水平切向速度和作平移运动的竖直上升速度.
作圆周运动的水平切向速度,可根据混合气流中气体,固体分离的**佳效果,由试验确定,这一速度确定以后.由于混合气体的流量一定,则混合气流进入除尘设备的入口断面面积也一定.根据断面面积和流体的流动特性确定断面形状之后(断面的高,宽尺寸),混合气体的竖直上升速度就不能任意确定,因为它与断面尺寸之间有一定的关系,满足这一关系,才能保证螺旋线运动正常进行.否则,螺旋运动受到破坏,产生紊流,影响除尘效果.
这个所谓"一定的关系",就是混合气流在作圆周运动旋转一周的同时,竖直上升的**小距离等于入口断面的高度,或曰混合气
流作螺旋运动的螺距等于入口断面的高度.如果气流旋转一周后上升的距离小于这个距离,那么,就有部分气体又经过入口断面,与新进入断面的气流发生碰撞,互相干扰,于是气流便发生紊乱,不可能按螺旋线规律运动.
螺旋运动的分离设备应用分两个方面,一是作除尘设备,如干式旋风除尘器,离心水膜除尘器等;一是应用在气体输送系统中,例如发电厂的煤粉制备系统中的细粉分离器,将输送介质空气与煤粉分离开来,煤粉进入煤粉仓,空气则重复利用或送入炉膛助燃.
由于原理相同,所以上述不同用途的分离设备均具有相同的上述"关系".下面以离心水膜除尘为例说明这种关系.
1.1 水平切向速度
进入旋风或离心分离设备的混合气体切向速度是混合气体在分离设备内作圆周运动的基本动力,它的大小,直接决定气流离心力的大小,而离心力的大小直接决定气流中固体介质分离出来的效果,对除尘器来说,就是除尘效率,所以是除尘器的一个很重要的参数.
根据试验资料,离心水膜除尘器的水平切同速度一般认为在下列数值范围比较适合:u=17.5～23.5m/s
实际上,这一速度范围是在大,中型筒径的设备上试验获得的,因此,适合于大,中型筒径的设备,并非对所有不同直径的设备都适合.但是,在一般设汁手册以及某些制造厂家的推荐数据中,都不加区别,对筒径从ф1000到宙ф5000的设备,一概推荐这一数值范围,这显然不恰当.
我们知道,对于不同直径的分离设备,一定有一个分离固体的效果**好的离心力,对于离心水膜除尘器来说.就是分离出的灰尘**多,不破坏水膜,烟气带走的水分**少,这样的离心力就是"**佳离心力",相应的水平切向速度,就是"**佳水平切向速度".
现在,我们来求不同除尘器间,这种**佳水平切向速度的相互关系.我们假定具有某种灰粒浓度和某种灰粒特性的烟气,在半径为R1的筒体内以V1水平切向速度作圆周运动,获得了**佳的分离效果;假使要在半径为R1的筒体内获得同样的效果,那么,只有在两种筒体内烟气微粒具有相同的离心力,才能满足这一条件,达到这样的目的.取烟气流中某一微小体积的烟气进行分析,则显然有下式成立.
由于两种除尘器中是同一种烟气,故质量相同,上式中m1可以略去.
这就是不同直径的筒体内,水平切向速度之间的关系.由此可知,如果23.5 m/s对于直径为ф5000的除尘器是**佳水平切向
速度,那么,对于直径为ф1000的除尘器,其**佳水平切向速度应为10.51m/s,而不能按前述给定范围值选取17.5m/s.可见两者相差甚远,但在实用中,确有对直径ф4000筒体选用17.5 m/s的,说明我们对这一速度的特性认识仍有一定的盲目性.
1.2 竖直上升速度
气体混合物或烟气在分离设备筒体内的竖直上升速度,直接决定筒体的直径,决定气体在筒体停留的时间,同时,也决定了气体在筒体内的运动轨迹——螺旋线的螺距.
在设计和选用除尘分离设备前,一般情况下气体量是已知的,它和筒径及气流竖直上升速度之间存在着下列关系:
式中V——气体竖直上升速度,m/s;
Q——气体体积流量,m3/h;
R——分离设备筒体内半径.
在实用中.往往从直观感觉出发.误以为Vv越小,烟气带水越少,因而越**,这显然不恰当.
竖直上升速度V使烟气流带水的机制可分机械的和物理的两种情况.
就机械的原因来讲,其使烟气流带水的可能性很小,因为烟气上升与水膜下降之间的相对速度,比水平切向速度小得多,因此,烟气流冲破水膜而带水的能力很小.
物理原因,是指水分向烟气的蒸发.烟气与除尘用水之间有一定温差,即烟气有一定的热量传递给水,如果竖直上升速度口越小,则烟气在除尘器内停留的时闻就越长,烟气与水相接触的时间也越长.传给水的热量越多,因此,水的蒸发量也越大,烟气带水的量就越大.所以,V越小,烟气带水的可能性**大,而不是相反.
另一方面,V越小,R就越大,也就是增大了筒体半径和设备尺寸.也增加了投资.所以,V并不是越小越好,它应当有一个适宜的**小值.
2 混合气流二维速度间的关系
混合气体或烟气在旋风分离设备中作螺旋线运动,其运动轨迹上任一点的速度都具有二维特性,即水平切向圆周运动速度和竖
直向上的平移速度.现在,我们定量地求出这两个速度闻的关系,同时,也求出竖直向上的速度的**小值.
混合气体或烟气经入口断面进入分离设备的筒体时,气体本身在流动方向上断面也具有了一定的形状,即入口断面的形状,亦即气流具有了一定的高度(入口断面的高度).因此,气流在筒内作螺旋运动时,它在旋转一周的时间内,**同时上升一个**小高度,即气流自身的高度.如果低于这个高度,就会发生上,下两层(圈)气流之间的相互碰撞,产生紊流,破坏了螺旋上升的运动轨迹,降低除尘或分离效果.
以下求**小竖直上升速度.
如果气体入分离设备的筒体的水平切向速度为V,筒体半径为R,则烟气沿筒体旋转一周的时间t为:
3 应用实例
通过实例检验上述两公式的实用性和工程实践中除尘设备在应用中存在的问题.
在某工程中,对于蒸发量为130 t/h煤粉锅炉,采用并列的两台花岗岩水膜离心式除尘器,锅炉排烟量为270000 m3/h,除尘
器的直径ф4000 mm,烟气进入除尘器的断面尺寸为h高)×b宽)=21 00×1200.
在使用过程中,发生堵塞现象,即在烟气进入除尘器筒体部位,煤灰大量堆集,以至于堵塞入口烟道,煤灰并非均匀地被水膜洗下而冲走.
以上说明烟气在筒体内运动的速度,比达到**佳工况所需要的值都小,问题就出在这里.
当烟气进入筒体时,作水平圆周运动的切向速度既然远远小于所需的速度,这就表明筒体直径过大,筒体过大,烟气流进入简体后,发生突然的体积膨胀,烟气运动的速度便大大下降,它携带灰尘运动的能量也减小了,灰尘比烟气的质量大,惯性也大,在烟气体积膨胀过程中,它在重力作用下沉降.且由于气流上升速度也慢,烟气在入口处发生碰撞,造成了紊流,减小了烟尘分离的离心力,**加速了上述沉降过程,致使灰尘大量在入口处发生堆积,而不是在别的地方.其根本原因就在这里.
为了解决这个问题,可从解决两个速度的大小入手.
**,为了提高水平圆周运动的切向速度,减小入口断面的面积,将原断面的宽度由原来的1.2 m减到0.85m,高度不变.这样就保证了所需的水平圆周运动的切向速度.
**,在筒体内加了一个直径为ф2000 mm的内筒,减小筒体横断面,使其面积由原来的12.57 m2降至9.43 m2,于是,
烟气上升速度为4 m/s.
经过这样改造后,灰尘沉降堆积在入口处的现象没有了,排除的烟气也**干净了.事实说明,本文所得的两个公式及由此产生的基本观点,可供同行参考应用.