文丘里湿式除尘器的设计与应用

王武强

随着现代工业化的发展,粉尘伤害在绝大多数工业领域都或多或少的存在。铸造车间经常会产生附带高温的烟气粉尘;抛丸清理车间经常会产生高浓度的金属粉尘。粉尘不仅对生产环境有所影响,更对人体健康造成重大伤害。高浓度的粉尘,不仅会导致尘肺病的发生,更可怕的是,某些金属粉尘达到一定浓度后,遇火发生爆炸事件。所以,工厂一般使用除尘器来消除工业粉尘的危害。工厂中经常使用的除尘器为干式除尘器,比如布袋式除尘器、滤筒式除尘器。此类除尘器除尘效率高,但是遇到高温、腐蚀、易燃爆之类的粉尘,普通布袋或者滤筒就不好处理。相对来说,湿式除尘器的优势就一目了然。

1文丘里湿式除尘器的介绍

湿式除尘器主要分为水浴除尘器、喷淋塔类除尘器、文丘里除尘器等。水浴除尘器与喷淋塔可以处理高温、易燃爆的粉尘,但是除尘效率较低。文丘里湿式除尘器占地较少,结构简单、造价低廉、后期维护成本低。因此,对文丘里湿式除尘器的研究与开发,推广文丘里除尘器的使用势在必行。

文丘里效应,也称文氏效应。这种现象以其发现者意大利物理学家文丘里(G.B.Venturi.1746~ 1822)命名。该效应表现在流体在通过缩小的过流截面时,出现流速增大的现象,其流速与过流断面成反比。通俗地讲,这种效应指在高速流动的流体附近会产生低压,从而产生吸附作用。

文丘里湿式除尘器就是利用了文丘里效应, 它是一种高效除尘器,常用于高温烟气降温和除尘,也可用于高浓度金属粉尘的去除与有价值金属材料的回收。如图 1 所示,它主要由文丘里段、离心脱水筒、底部水箱、刮板输送机和风机组成。文丘里段作为整个文丘里湿式除尘器的关键部分,承担了绝大部分的含尘气体与雾化水滴混合的任务。文丘里段的结构如图 2 所示,分为收缩段、供水管、喉管段、扩张段和调整抽板。

图 1 文丘里湿式除尘器

1—文丘里段 2—离心脱水筒 3—底部水箱 4—刮板输送机 5—风机

图 2 文丘里段结构

1—收缩段 2—供水管 3—喉管段 4—扩张段 5—调整抽板

水由水泵输送至文丘里供水管入口,再由供水管内圆孔分配至各处,保证各喷水处喷水量均匀。此时水泵的水量可根据液气比来计算,选取合适的水泵来保证文丘里段有充足的水量进行除尘过程。含尘气体以(15~20)m/s 的速度进入文丘里收缩段,在喉管段通过最小面积的截面,风速可达到(40~120)m/s,就在此处,粉尘与已经雾化的水滴相互碰撞,完成捕捉粉尘过程。处理过的气体, 经过扩张段,再以(15~20)m/s 的风速进入离心脱水筒。通过文丘里段的含尘气体形成混合物(干净气体、含尘液滴、含尘污水),一起通过弯脖管,进入离心脱水筒。离心脱水筒采用下部进风、上部出风的形式,含尘污水直接从离心脱水筒锥段流入底部水箱。离心脱水筒的进口风管采用渐开线进口形式,内部安装有切向导流板,绝大部分含尘液滴在筒内做离心运动时接触到筒壁后会黏在筒内,干净气体由风机排出除尘器外部,这样的设计可以使干净气体和含尘液滴在离心脱水筒内分离地更加完整。含尘污水进入底部水箱沉淀形成淤泥,由连续刮板输送机缓慢地将淤泥排出,排出后的淤泥和少量污水由转运小车承载,收集后统一处理。在离心脱水筒出风口处安装有稳流筒,稳流筒焊接有六片弯曲叶片,保证进入风机的气体稳定且干燥。文丘里湿式除尘器的底部水箱内的水位控制由自动补水装置和水位检测机构组成。自动补水装置含有先导二通阀和手动补水阀,平时工作时使用先导二通阀,检修时使用手动补水阀。水位检测机构含有浮球和高位、低位检测开关,以保证除尘器的水位恒定,从而保证除尘器的稳定使用。若在较寒冷的区域使用,文丘里湿式除尘器可选配加热装置,以保证在此区域内的正常使用。对于 0.5~5μm 的尘粒,文丘里湿式除尘器的除尘效率可达到 99%以上。

2文丘里湿式除尘器的设计

我们可以根据实际生产过程中制作的一台文丘里湿式除尘器来说明文丘里段的设计过程。用户抛丸设备处理工件为淬油后的锻造齿轮,原有除尘器为滤筒式除尘器,曾经发生过数次除尘器滤筒着火现象,现要求将现有滤筒式除尘器更换为一台处理风量 Q=8000m3/h 的湿式除尘器,选定所配套的除尘器为文丘里湿式除尘器。

根据 Q=8000m3/h 的风量,可以根据离心脱水筒的入口尺寸来确定文丘里段入口与出口的尺寸。我们设定离心脱水筒的入口高宽比 h/b 为1.8,根据离心脱水筒入口风速为 v=18m/s,可以得出此文丘里段出口长与宽分别为 450mm 和250mm。文丘里段的收缩段和扩张段在入口风速与出口风速要求相近,取 v=18m/s,其入口与出口的尺寸相同。根据相关除尘资料,收缩段和扩张段的夹角分别取 28°和 7°,由此确定收缩段和扩张段的高度分别为 230mm 和 700mm。

喉管段作为文丘里段的关键部分,通过风速取 60m/s,可计算出喉管段的面积。根据实际经验,喉管部分设计成通过面积大小可调节的抽拉结构。这样,通过调节喉管面积,安调人员可直观观察到湿式除尘器除尘效果的好坏,并方便调节。调试至合适状态后,将固定螺钉顶紧抽拉调节板。离心脱水筒可参考旋风除尘器形式,取进入

离心脱水筒入口的风速 v=18m/s,得到脱水筒矩形入口的宽与高,可得到脱水筒的直径 d 约为1000mm。参考旋风除尘器的参数,可得到离心脱水筒的其他尺寸。

此时,可选配一台合适的风机,风机工作点风量约为 8000m3/h,根据计算风压约为 4500Pa,用变频器来控制风机,调节风机的风压、流量。通过测试文丘里段的压力损失判断其除尘效果,如表1 所示。可得出文丘里段的压力损失越高,除尘效率越高,除尘器使用效果越好。

表 1 变频器参数对除尘效果的影响

序号

赫兹数 /Hz

文氏段压损 /Pa

排放颗粒物浓度(/ mg/m3)

1

45

3120

126

2

50

3850

74

3

55

4600

68

4

60

5100

52

此台湿式除尘器使用至今,除尘效果良好,后期维护成本较低,无着火等安全隐患,在用户工厂得到了推广。

3结语

在“安全生产大于天”的生产环境下,湿式除尘器因结构简单、维护成本较低、操作简单方便、占地较小等优势,使得湿式除尘器得到了大力的推广。

参考文献:

[1]张殿印,王纯.除尘器手册[M].北京:化工工业出版社,2004: 483.

[2]张家荣,赵廷元.工程常用物质的热物理性质手册[M].北京: 新时代出版社,1987:7.

[3]张殿印,张学义.除尘技术手册[M].北京:冶金工业出版社, 2002:236.

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