（机械工程专业论文）焦油深度净化装置的研究.pdf

山尔大学l 稃硕十付论文 摘要 随着现代化工业的快速发展，钢铁企业对能源的利用率日益提高，已成为企 业降低成本，提高竞争力的重要手段。近年来，作为能源高校转换方式的焦炉煤 气燃烧发电得到广泛关注。但焦炉煤气中的焦油无法得到深度净化，含量超标， 造成输气管路和燃气烧嘴堵塞，大大降低发电效率。故焦油处理是急待解决的大 问题而国内现有的除焦油技术，或由于除焦效率较低，或因为造价颇高造成工业 成本的提高，往往不能够普及使用。高效、低成本除焦油技术在煤气发电中至关 重要，该技术的开发应用将为废弃资源合理运用，加速循环经济的发展奠定孥实 基础。 本课题拟研制一种新型的煤焦油处理装置，提高除焦油效率，降低运行成本， 保证煤气发电机组的稳定高效运行。 ， 课题通过对煤焦油成分和特性的分析，对国内外焦油净化装置调查研究，对 机械过滤和旋风分离理论进行了研究，最终采用离心和过滤相结合的方法对焦油 进行精过滤，并对除尘装置的结构进行了设计计算。主要创新点是把旋风除尘器 和不锈钢丝网过滤装置融为一体，选用高效的过滤介质，设计结构合理的净化装 置。从而实现对煤焦油的深度处理，满足煤气发电设备对煤气清洁度的要求。 该课题开发成功为焦炉煤气发电和生物质气化发电解决了重大瓶颈问题，将 有助于推动废弃资源发电的快速发展，具有良好的应用前景，并具有深远的社会 意义。 关键词：焦炉煤气；焦油；旋风过滤 山东大学丁群硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h ef a s td e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l e n e r g yu t i l i z a t i o nr a t ei n c r e a s e sd a ya n d d a yi ni r o na n ds t e e lw o r k s i tb e c o m e st 屺i m p o r t a n tw a y t od e c r e a s ec o s ta n di n c r e a s e c o m p e t i t i v e t h e s e sy e a r s ，e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o nb yb u r n i n g e o k i n gg a sg e t s w i d e c o n c e r n f o r t h e w a yo f e n e r g y c o n v e r s i o n 。b u t t h ec o k e t a r o f e o k i n gg a sc a n t b e p u r g e dd e e p l y , i tb l o c ku pt h eg a sw i p ea n dg a sn o z z l et od e c r a s ee l e c t r i ce f f i c i e n c y s o i ti sam a j o ri s s u et op u r gc o k et a r b u tt h ei n t e r n a l t e c h n o l o g yo fr e m o v i n gc o k e t a rc a n tl l s ew i d e l yf o ri n e f f i c i e n to fr e m o v i n gc o k et a ro rh i 曲c o s t e f f i c i e n ta n d l o w e rc o s tt e c l m o l o g yo f r e m o v i n gc o k et a ri si m p o r t a n ti ne l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o n b yb u m i n gc o k i n gg a s ，t h et c c h n o l o g y , sd e v e l o p i n ga n da p p l i c a t i o nw i l l1 a yt h e s o l i df o u n d a t i o nf o rr a t i o n a ln s e i n gd i s c a r d e dr e s o u r c e ，s p e e d i n gu pt h ed e v d o p m e m o f c y c l i n ge c o n o m y t h ei s s u ei n t e n d st od e v e l o pan e wt y p ed e v i c eo fr e m o v i n gc o k et a rt or a i s e e f f i c i e n c ya n dd e c r e a s i n gc o s t ，e n s b r ee f f i c i e n ta n ds t a b l ew o r k i n go f g e n e r a t o r t h ei s s u ea n a l y s e sc o m p o s i t i o na n ds p e c i f i c i t yo f c o k et a r , r e s e a r c h st h et h e o r yo f m e c h a n i c a lf i l t e ra n dw h i r ls e p a r a t i o n ，s t u d y st h ei n t e r n a la n de x t e r n a l t i l t i n g e q u i p m e n to rc o k et a r ，f i n a l l yr e m o v e sc o k et a rd e e p l yb yc e n t r i f u g a la n df i l t e r e d w a y , d e s i g n st h es t r u t t e ro fd u s tc o n t r 0 1 t h em a i ni n n o v a t ei st h a ti tm i x e sw h i dd u s t a n ds t a i n l e s ss t e e ln e tt o g e t h e r , w h a t w o r e ，i ta p p l y se f f i c i e n tf i l t e r m e d i u m , d e s i g n r a t i o n a ld e c o n t a m i n a t i o np l a n t i ta c h i e v e sd e e pr e m o v a lt oc o k et a ra n ds a t i s f y st h e r e q u i r ee l e c t r i cp o w e r t h ei s s u er e s o l v et h ed i f f i c u l t yf o rg e n e r a t a t i o no fb u r n i n gc o k i n g g a sa n d g e n e r a t a t i o no fb i o e n e r g yg a s i 黟i tw i l lp r o p e lq u i c kd e v e l o p m e n to fg e n e r a t a t i o n u s i n gw a s t er e s o n r c e i th a sag o o dp r o s p e c ta n df a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：c o k i n gg a s ；c o k et a r ：w h i r l w i n d - f i l t e r 原创性芦i 叫 本人郑瞩声明：所呈交的学位论文，怂小人“。 蛳帕捎。 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出再要贡献的个人和集体，均l m 之 ；i l 以明确山- 标i ! 。本声明的法伴贞f n 【 小人承担 论文作者签名：l 至雌 同期： b j 、 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垂墨趔导师签名：径：錾丛 日期：坦妄，亡 山东人中i 再硕十学何论文 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 随着社会的发展和科技的进步，资源的合理利用、高效转化越来越引起人们 的重视。尤其是如何利用废弃资源，发展高效、清洁工业是目前世界各国研究的 重要课题。在这种环境下，钢铁企业副产品煤气发电得到了快速发展。钢铁企业 在冶炼过程中，要产生大量的高炉煤气、焦炉煤气，这部分副产品除了自用部分 外，还有相当多一部分未能回收利用被燃烧排放( 有些企业甚至是直接排放) ， 造成能源的极大浪费和环境污染。当前，最有效的途径是把这部分废煤气用来燃 烧发电，一种方式是在锅炉中燃烧，产生蒸汽带动蒸汽轮机发电；另一种方式是 在燃气轮机中燃烧，带动燃气透平机发电。这两种方式对煤气的洁净度要求较高， 传统的煤气处理模式中高炉煤气经布袋除尘和湿式板式电除尘处理后，含尘量较 小，能够满足使用要求。但焦炉煤气中的焦油无法得到深度净化，含量超标，造 成输气管路、调节阀门和燃气烧嘴堵塞，致使设备故障率提高，大大降低发电效 率。故焦炉煤气焦油深度净化处理是制约钢铁企业煤气应用的瓶颈，是急待解决 的大问题。 国内现有的除焦油技术，或由于除焦效率较低，或因为造价颇高造成工业成 本的提高，往往不能够普及使用。高效、低成本除焦油技术在煤气发电中至关重 要，该技术的开发应用将为废弃资源合理运用，加速循环经济的发展奠定坚实基 础。 1 2 焦炉煤气焦油净化研究现状 1 2 1 焦油的性质 在焦炭的生产过程中，会产生大量的焦炉煤气。平均每生产1 吨焦炭约产生 1 6 0 - 1 2 0 标方煤气( 已扣除回炉煤气) 焦炉煤气中含有氨、苯类、萘、焦油、硫 化氢、有机硫、氰化物等物质，焦炉煤气经洗萘塔洗萘后，每标方含萘量降至约 4 0 m g ，硫化氢含量3 - 8 9 ，焦油含量为2 0 5 0 r a g ，焦油主要含芳香族化合物，如苯、 山东大学| r 稃硕士学住论文 甲苯、二甲苯、苯酚、甲苯酚菲等，焦油具有粘性，颗粒直径为卜3 0 u m 不等。 1 2 2 焦油；争化处理研究的理论基础 一般认为除尘是从流体中除去在粉体工程各单元操作中产生的微小固体粒 子或液体粒子，常用的除尘方式为重力除尘、惯性除尘、离心除尘、洗涤除尘、 过滤除尘、电除尘、声波除尘等。显然，这些方法都是根据粉尘的物理性质，通 过自然和强制的方式降低粒子的动能来达到除尘目的。焦炉煤气焦油的净化装置 研究的依据就是综合利用以上方式中的一种或几种，从而达到净化的目的。 1 2 3 国内外焦油处理技术的发展 ，自上世纪六七十年代，人们便开始对焦油的净化处理方法进行研究，也取得 了很大进展，但也存在很多问题。总结起来，目前国内外主要采用以下几种方式 净化处理焦油。i t , 2 “4 1 1 2 3 1 水洗法除焦油 水洗法是采用清水洗涤，使水与焦油之间发生碰撞、拦截和凝聚，焦油随液 滴降落下来。 优点：设备简单，投资小，可促进焦油冷凝，还能除去氟化氢和二氧化硫等 气体； 缺点：但从目前的水洗法除焦技术来看，待循环水到一定浓度后，将污水送 处理站处理。水洗除焦法会造成二次污染和能量浪费。，而且本法焦油净化效率仅 达到7 0 8 0 ，净化效率达不到生产要求。，并且工艺流程复杂，需用配套的水 处理设施，蹦值控制要求高，否则会引起设备腐蚀。如贵州铝厂的吸收塔和电除 尘器都出现过严重的腐蚀现象，电除尘器灰斗已更换多次。由于焦油为憎水性物 质，不被水润湿，空塔吸收净化效率低，而塔筛板、填料等焦油堵塞严重。如前 苏联一座瓷环填料塔由开始运行时的阻力5 0 0 p a 在不到一个月时j 日j 增加到 2 0 0 0 p a ，使系统无法正常运行，因此，近年来应用较少。 1 2 3 2 电捕焦油静电除尘器 电捕焦油静电除尘器是利用高压电场使煤气发t r e e 离，气体中的粉尘荷电在 2 山j 、人。 i + 柑硕十。7 仲论文 电场作用f 与气体分离。利用此性质使焦油粒r 荷电，然后进行电扑。电捕法丰 要分为以下几种方式： ( i ) 干电捕干式电捕即不带振打的干式电除尘器，常用的有同心圆式和卧 式两种。 同心圆电捕焦油器：从上世纪7 0 年代仞开始应用，它融合了板式和管式电 除尘器的主要特点，集尘极在干电捕器为多圈同心圆管，电晕线均却在各圈圆管 之间，极日j 距离约2 0 0 r a m ，供电电压：4 0 k v 左右，不设清灰振打，焦油汇集在集 尘圆筒内外两侧，在高于沥青软化点的电场温度下靠自重流入漏斗。这种电捕焦 油器的优点是：结构简单，钢材用量少，安装方便，占地面积小，l 大i 而受到_ j 户 的欢迎。缺点是：限于结构形式，只能为单电场，电晕线安装检修不方便，净化 效率不高且不稳定。 卧式电捕焦油器，极距增加到3 0 0 r a m ，供电电压6 0 k v ，净化效率大于9 0 ， 比同心圆电捕焦油器略有提高，运行稳定性和检修方面也有所改善。在标准逐步 严格的形势下，难以达到排放标准。另外，干电捕焦油器只能捕集冷凝焦油粒子， 不能处理气态沥青等污染物。 干电捕器的另一个问题是防燃、防爆。如果系统漏气导致空气流入与挥发物 混合，在电捕器闪络时点燃就会造成事故。上海、吉林炭素厂的电捕器都曾经发 生过燃烧。 ( 2 ) 电捕即普通湿式电除尘器干电捕捕集效率不高，而湿式的出口焦油含 量每标方可低到l o m g 以下，除焦油率可达9 7 以上，还能去除氟化氢和二氧化 硫等气态污染物( 干电捕器做不到的) ，可在较低能耗下取得很高的分离效率，这 是其它设备难以与之相比的优点。缺点与湿法一样也存在设备腐蚀和水的后期处 理问题并且电除尘器的价格昂贵造成成本的提高，且不适合在去除少量焦油时 使用。 在湿电捕中，粒子的比电阻已不再影响捕集效率，替代它的是介电常数，介 电常数越大捕集效率越高。焦油的介电常数一般在2 3 左右，较之水滴的7 8 仍 小得多，由此可见焦油捕集之难。 山尔人学l 拌硕十0 仲论文 进行精过滤，以满足焦炉煤气发电的需要。 本课题理论方面的主要研究内容如下： 在国内外焦油处理的基础上，借鉴吸附法除焦油的优点，对吸附法作进一步 研究，选用合适的滤材，对煤焦油进行精过滤；同时把旋风除尘器用于焦油过滤。 既保证过滤效果，又减缓过滤材料的堵塞，提高过滤材料使用寿命。主要内容包 括： ( 1 ) 把旋风除尘器应用于焦炉煤气净化过程中。 ( 2 ) 把离心除尘和过滤除尘原理充分结合 ( 3 ) 设计旋风一过滤除尘器对焦炉煤气中的焦油进行深度净化处理 本章小结 本章概述了课题的背景及研究意义，分析了国内外焦油净化处理方法的现状 及优缺点。由此引出了课题的来源和研究内容。 山自、人中f 羊￥硕十学付论文 第2 章研究内容及总体方案设计 2 1 除尘器设计知识的特征研究 除尘器与流体介质特征不是简单的对应的关系，而是一个复杂的关系。除尘 器设计的过程中涉及到多方面的知识和大量经验，如圆简体工艺参数选择、进气 口设计、圆锥体设计、过滤器系统设计、分离效率计算等等。对于这些大量、复 杂的知识，如何能够将其成功的应用于设计工作中，是非常关键的问题。 知识、规则的获取及精炼实现足基于知识的推理的关键，这就需要对设计的相关 知识和经验进行详尽的总结，对其特征进行分析。 2 1 1 除尘器设计知识的特征 除尘器设计知识的特征是往往具有不确定性。具体表现在： ( 1 ) 设计数掘的模糊性某些规范或经验中的参数是一个模糊变量，给出 的是参数取值区问。 ( 2 ) 设计计算模型的模糊性在除尘器设计的过程中，需要将一些 设计对象经过抽象、假设生成数学模型。不同的假设可能导出有差异的 计算模型。例如在设计过滤装置时，过滤器的效率就很难用理论公式计 算，通常根掘经验来推断。 ( 3 )设计决策的模糊性由于设计数据、计算模型均具有模糊性， 而设计决策是以数据和计算模型为依据的，所以设计数据的模糊性和计 算模型的模糊性决定了设计决策的模糊性更加复杂。在设计过程中，需 要对总体方案中的计算模型、材料选择、参数等做出选择。但设计数掘 模糊性的传递，导致设计数据模糊性的叠加。 2 1 2 除尘器设计知识的分类 通过归纳整理、比较总结除尘器设计知识的特征，按照不同的分类 依掘对除尘器设计知识做了以下分类： 6 山尔人中f 群顽十何论文 2 1 ，2i 按知识的层次分类 ( 1 ) 规范性知识，例如各种计算公式与表格等。这类知识是可靠的、 明确的，在专业人员中间广泛共有。这类知识来源于书本和文摘。 ( 2 ) 启发性知识，是工程技术人员在长期实践中积累的经验知识。 启发性知识是利用规范性知识的知识，是比规范性知识更高的一个层次 的知识。当一个设计人员承担一项设计任务时，应该拥有规范性知识， 包括各种数学、力学计算公式、有关设计准则等等多方面的知识，如何 在设计中应用这些知识，这就要靠设计者在长期的实践中总结和积累经 验，这种总结和积累的知识就是启发性知识。例如在选择迸气口时，有 一些设计依据的原则，但是比较抽象，依据这些原则针对一些典型结构 的塑料件，可以总结一些实际的例子，这些例子中就包含了经验，也就 是启发性知识。在进行进气口选择的知识总结时，实际就是对这些经验， 即启发性知识的总结，进行知识表示，录入知识库中。 2 1 2 2 按知识的属性分类 ( 1 ) 静态的、可靠的、确定性的知识就是确定、可靠、不会变化 的静态知识。 ( 2 ) 变化的、模糊的、不确定的知识例如“设计中，排气管的插 入深度要稍低于进气口底部，但不要靠近圆锥部分的上沿。一般取插入 深度s = h c + ( 0 i 一0 2 ) 口c ”就是一条模糊、不确定的知识，因为排气管的 插入深度随气流的速度、简体的直径等因素影响，最终取值会随之变化。 山尔人，学r 群硕十孚付论文 2 2 除尘器设计的理论知识 2 2 1 旋风除尘器的结构及原理 3 图2 - 1 旋风式除尘器的结构 1 简体；2 锥体；3 一进气管；4 - 排气管；5 排灰口；6 - 外旋流： 7 内旋流；s - 二次流；9 - 回流区。 一般旋风除尘器的结构是由进气口1 、简体2 、锥体3 、排气管4 、集尘斗5 等部分组成，有时排气管出口还装有蜗壳形出口。 当含尘气体由切向进气口进入旋风除尘器时，气流由直线运动变为圆周运 动，旋转气流的绝大部分沿除尘器内壁呈螺旋形向下、朝向锥体流动，通常称 此为外旋气流哺1 。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将相对密度大于气体的粉 尘粒子甩向除尘器壁面。粉尘粒子一旦与除尘器壁面接触，便失去径向惯性力 而靠向下的动量和重力沿壁面下落，进入排灰管。旋转下降的外旋气流到达锥 体时，因圆锥形的收缩而向除尘器中心靠拢。根据旋矩不变原理，其切向速度不 断提高，粉尘粒子所受离心力也不断加强。当气流到达锥体下端某一位置时， 即以同样的旋转方向从除尘器中部由下反转向上，继续做螺旋形运动，构成内 山糸大学i 科硕 ：宁何论文 旋气流。最后净化气体经排气管排出，小部分未彼抽集的粉，j ! 粕r 也随之f 出。 自进气管流入的另一小部分气体则向除尘器顶盖流动，然后沿排气管外侧向下 流动。当到达排气管下端时，即反转向上、随上升的内旋气流一同从排气管排出。 分散在这一部分气流中的粉尘粒子也随同被带走。实际上，旋风除尘器内部的气 流流动和尘粒运动状念十分复杂，为了较深入的了解旋风除尘器的分离机理，必 须进一步研究旋风除尘器气流流动和尘粒运动规律。 旋风除尘对直径l o u m 以上的颗粒的去除效果较好。 2 2 2 过滤除尘器机理 过滤除尘器也成过滤器，它是利用多孔过滤介质分离捕集固体或液体粒r 的 净化装置，属于高效除尘装置。这种过滤器多用于工业原料气的精制、固体粉尘 的回收、通风和空调系统的空气净化以及除去工业排放尾气或烟尘中的粉尘粒 子。过滤除尘器的滤尘过程比较复杂。一般来讲，粉尘粒子在捕集体上的沉降， 并非只有一种沉降机理在起作用，而是多种沉降机理联合作用的结果。根据不同 粒径粉尘在流体中运动的不同力学特性，过滤除尘机理涉及以下两大类：泞8 1 。类为饼层过滤，其特点是过滤材料的孔径与粉尘的粒径与粉尘的粒径相 当，粉尘不能穿过过滤材料而被截留，呈饼层状沉积于过滤介质的上游一侧。饼 层过滤适于处理含尘量较高的气体，另一类为深层过滤，其特点是过滤材料的孔 径小于粉尘的粒径，粉尘被粘附而沉积在过滤介质的孔道内部。这种过滤适用于 含尘量较低的气体。 ( 1 ) 饼层过滤 过滤介质是饼层的支撑物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻 力，过滤介质中微细孔道的直径，往往大于一部分粉尘的颗粒直径，所以，过滤 之初会有一些细小的尘粒穿过过滤介质。过滤开始后，颗粒会在孔道中迅速的发 生架桥现象，因而使得尺寸小于孔道直径的细小颗粒也能被拦住，滤饼开始生成， 过滤开始有效地进行，在滤饼过滤中，真正发挥过滤作用的主要是滤饼层，而不 是过滤介质。随着操作的进行，滤饼的厚度与流动阻力都逐渐增加。 ( 2 ) 深层过滤机理 大于的尘粒在气流中主要做惯性运动，气流遇滤料绕行，而其中的尘埃粒子 9 山尔人学r 群硕十学位论文 囚惯性力的作用偏离气流方向并撞到过滤材料上，小于0 1 u m 的粒：主要做无规 则的卸朗运动，在传质学上可以视为扩散运动，直至与过滤捌料发生碰撞。介于 0 卜0 3 u m 处于惯性运动和扩散运动过渡区，因此惯性运动和扩散运动都比较弱， 可通过某种场力的作用而是尘埃粒子产生定向运动，从而提r 每尘粒与过滤介质发 生碰撞的机率。当运动中的粒子碰到滤料时，粒子与滤料纤维表面间存在的范德 华力使它们粘在起，从而将气体中的尘粒捕捉。 被捕捉的粉尘与过滤介质和为一体，形成新的障碍物，气流产生附加阻力， 于是，使用中过滤器的阻力逐渐增加，过滤效率有所提高。 2 2 3 焦油深度；争化机理 旋风分离对直径稍大的颗粒具有明显的优势，适用于含尘浓度高的气体；机 械过滤适用于细微颗粒的分离，尤其对于l o u m 以下的颗粒有良好的分离效果， 但对处理气体的含尘浓度有一定要求，浓度高，过滤介质易堵塞。因此，将旋风 分离与机械过滤组合起来可发挥各自原有的优势，是解决不同直径粉尘颗粒分离 的有效途径。 旋风与过滤组合用于焦油净化时，可充分发挥离心分离对粒度大粉尘分离效 率高，阻力小的优势，首先对焦炉煤气进行预分离。在此过程中，几何尺寸较大 的焦油粒子在离心力的作用下得到分离。经预分离后剩下的细微焦油粒子进入过 滤完成最终的净化。 旋风分离与过滤净化组合应由两种方式，一是将旋风分离与过滤串联使用， 即分剐用旋风和过滤对含尘气体进行二级除尘；二是集旋风分离与过滤机理于一 体的旋风一过滤除尘器。前者的分离及除尘阻力由旋风分离器和过滤除尘器以及 中间连接气流管道构成，气流的压损增大。能耗增高，并且体积庞大，占用较多 的生产场地或空间，综合投资随之相应增大；而后者则是将旋风分离与机械过滤 融于体的组合式气固分离装置。显然，旋风一过滤除尘器具有结构紧凑，气流 压损小，占地面积小的优点。 1 0 山4 、人学i 。羊! l ! 颐干_ 。尹竹论文 2 3 除尘器设计的原则 2 3 1 选型原则 ( 1 ) 旋风式除尘器净化气体量应与实际需要处理的含尘气体量一致。选择旋 风式除尘器直径时应尽量小些，如果要求通过的风量较大，可采用几个小直径 的旋风除尘器并联为宜。 ( 2 ) 旋风式除尘器入口风速要保持1 2 2 0 m s ，过低时除尘效率下降：过高 时阻力损失及耗电量均要增加，且除尘效率提高不明显。 ( 3 ) 所选择的旋风式除尘器的阻力损失小，动力消耗少，且结构简单、维护 简便。 ( 4 ) 旋风式除尘器运行中能捕集到的最小粉尘粒子应稍小于被处理气体中的 粉尘粒度。 ( 5 ) 含尘气体温度很高时旋风式除尘器应设有保温设施，以避免水分在其内 凝结而影响除尘效果。 ( 6 ) 旋风式除尘器的密封要好，确保不漏风，以防效率降低。 ( 7 ) 气体中含有易燃易爆粉尘时旋风式除尘器应设有防爆装置。 ( 8 ) 根据处理气体和粉尘的性质确定制作旋风器的设备材料，如耐磨措施可 以采用耐磨材料加工或加耐磨内衬材料。 ( 9 ) 确定旋风器的排灰方式，选定卸灰阀、灰斗、输灰器。对粉尘负荷少于 一个班次工作量的可以采用人工清灰。 ( 1 0 ) 旋风器的类型有切流反转式、轴流反转式、直流式等。工业通风除尘使 用的主要是切流反转式旋风器。 2 3 2 选型步骤 山尔人，；争l 稃颐 学传论文 ( 1 ) 首先通过计算柬确定需要处理的气体量。当气体温度、密度、水蒸气 含量等变化较大时，要对气体量进行换算，以便确定除尘器直径。 ( 2 ) 根掘需要处理的气体量确定除尘器进口气流速度。进而确定旋风式除 尘器是否并联使用。 ( 3 ) 按给定条件计算旋风式除尘器的分离界面粉尘粒径和预期达到的除尘效 率。或直接按照“旋风式除尘器主要技术性能”表选择；或将性能数掘与计算 结果核对。 ( 4 ) 旋风式除尘器必须设置气密性好的卸尘阀，以防除尘器本体下部漏风、 保证除尘效果。 ( 5 ) 并联使用时旋风式除尘器必须是同型号、同规格，并需要合理地设计 连接风管，使每个除尘器处理的气体量相等，以免除尘器之日j 产生串流现象而降 低除尘效率。 2 3 3 滤材选用原则 利用天然纤维或人造纤维及其它形式的过滤材料的有机性能达到对系统污 染物进行有效控制。只有合理选择过滤材料，才能使过滤材料在实际使用过程中 达到最佳的过滤效果。过滤材料的孔隙率、冒泡点压力、最大孔径、过滤精度、 纳污量、厚度、起始压差、透气度等诸多性能参数。1 ，就某种过滤材料本身在实际 使用过程中而言，各性能参数之f b j 既是相互渐进的变量体，又是相互矛盾的对立 关系。如一般的过滤材料由于受制造工艺的限制，过滤精度高，其透气度也就差， 起始压差也相应的高，而过滤材料在实际应用中，确要求有高的过滤精度，还要有 较低的起始压差，这就是矛盾。而有些新型过滤材料厚度薄，过滤精度高，起始压 差低，纳污量高，这是最理想的过滤材料。所以，为了更好地选择过滤材料，必须掌 握过滤材料各性能参数之间的关系，确保过滤材料的使用效果。 ( 1 ) 过滤精度与纳污量的关系 过滤精度是指过滤材料( 器) 对不同尺寸颗粒污染物的滤除能力。纳污量是指 山尔人学i 稃颂七孕何论文 在试验过程中过滤材料的压力降达到规定的数董值时，单位面积的过滤材料所能 容纳的颗粒污染的重量。一般而言，过滤材料过滤精度越高，其纳污量越低，其细 微的通道易受颗粒污染物的淤积滞死，使其压差增大，当压差达到规定的最大极 限值时，使用寿命终止。而相对应于过滤精度低的过滤材料而言，小于其孔道尺寸 的颗粒污染物易于通过孔道不易被捕捉，孔道不易被污染物淤积堵塞，所形成的 污垢层也不是甚为紧密。因此，所容纳污染物数量要比高精度的过滤材料容纳的 多。，随着过滤材料的过滤精度降低，纳污量明显增大。 ( 2 ) 透气度与起始压差的关系 透气度是指在单位压差作用下，单位面积过滤材料所通过的平均空气流量， 它是过滤材料气体通过性能的度量。起始压差是指清洁的油液以额定流速通过新 的过滤材料时压力损失。利用透气度的大小可以间接估计过滤材料的油液通过性 能，起始压差越低，过滤材料的流体通过性能越好。二者的关系是一个渐进的相反 变量，透气度越高，其起始压差越低：透气度越低，其起始压差越高。 ( 3 ) 孔隙率与厚度的关系 孔隙率是指过滤材料开孔面积与总面积之比。厚度是指过滤材料横截面的高 度。孔隙牢越大，过滤材料对流体流动的阻力越小，孔隙率与过滤材料结构特性有 直接关系。在保证强度和微孔尺寸不变的f ； 提下，过滤材料厚度应尽量地小，这是 解决过滤材料过滤精度与流动阻力矛盾的有效途径。减小过滤材料厚度并不影响 过滤材料的过滤精度，组成过滤材料的纤维直径大小是决定过滤材料过滤精度的 关键因素。从对比试验结果比较可以看出，随着厚度的减小，孔隙率也相应减小。 ( 4 ) 最大孔径与冒泡点压力的关系 最大孔径是指过滤材料中尺寸最大的微孔通道的等效孔径。最大孔径可以作 为过滤材料均匀性的度量。冒泡点压力是指把被测过滤材料黄于试验液中，并使 之浸透过滤材料的多孔结构，对多孔壁一侧施加气压，使气体把浸湿孔的液体排 出，直至见到第一串连续的气泡从多孔面逸出，这个读值就是冒泡点压力。这个压 力亦是过滤材料的最大孔径压力点。过滤材料的过滤作用是通过其内部无数的微 孔通道来实现的，过滤材料的过滤精度在很大程度上取决于其微孔尺寸。通过对 山尔人学1 稗颐十学侍论文 微孔尺寸的测试，可以判断出过滤材料的精密程度及均匀程度。冒泡点压力值越 高，其最大孔径值越小，冒泡点力值越低，其最大孔径值越大。 结论综上所述，过滤材料过滤性能参数不仅有以上横向的关系，它们之问还 有纵向互相影响转换的关系和交叉互补的关系。某项过滤性能参数的量值的改变 势必影响其他过滤性能参数量值的相应改变。所以，选择过滤材料不仅要掌握某 几项的性能参数，还要掌握与其相关的性能参数对本身影响。同时还要考虑过滤 材料的使用环境等因素。只有选择好各性能参数之间的参照比，才能选择好使用 好过滤材料。 2 4 旋风一过滤除尘器总体结构 旋风过滤除尘器是在“旋风加过滤”的设想上，将结构简单、体积小、现场 应用广的旋风除尘器与过滤精度高的滤材结合到一起( 结构见图2 - 2 ) 。它利用惯 性力和过滤的作用提高了收尘效率。当含尘气体首先经旋风除尘器去除l o u m 以 上粗颗粒，并沿锥体落入废料仓，未被离心力捕获分离的细微尘粒碎气流均匀上 升之过虑室，在机械过滤，碰撞，扩散等作用下，粉尘微粒被精过滤装置捕集。 在滤层内外表面间的静压差作用下，煤气通过过滤层进入净气室排出，从而使净 化的煤气符合生产需要。为保持旋风一过滤除尘器的连续运行，增设在线蒸汽反 吹装置，吹掉过滤材料积聚的灰尘，减小滤材阻力。 山尔人学l 群硕十尹侮论文 8 化| 再煤气 入口煤气 i i i 幽2 - 2 旋风过滤除尘器机构图 1 过滤层2 排气管3 圆筒体4 圆锥体 5 排污口 6 摊气口 7 进气口8 蒸汽反吹 本章小结 本章在对旋风除尘器分离原理和过滤材料过滤理论进行了阐述，提出了把旋 风除尘器和机械过滤器合为一体的思路，随后对旋风分离器和过滤材料的选型孤 则及步骤作了表述，从而形成旋风过滤除尘器的总体设计构想。该除尘器充分发 挥离心和过滤两种除尘方式的优势，结构简单，过滤精度高，占地面积小，适合 用于焦炉煤气除焦油。 内作旋转运 图为一种旋 d 为0 3 4 m ， 进口流速 山尔人学i 拌硕 ：宁仲论文 3 1 1 1 旋风除尘器三维速度分布 ( 1 ) 切向速度分布 切向速度对于粉尘颗粒的捕集和分离起着主导作用。含尘气体在切向速度的 作用下，使尘粒有罩向外离心沉降。在排气管以下任一截面上的切向速度沿半径 的变化规律为： 在图( a ) 中旋风除尘器中心部分的旋转气流，其切向速度随着半径的增加而增 大，是类似于刚体旋转运动的强制涡，称为“内涡流”；除尘器外部的旋转气流 其切向速度随着半径的增加而减少，是准自由涡，称为“外涡流”。大约在排气 管直径的1 2 1 3 的圆环处，切向速度达最大值，以后又逐渐减小。此环作为分 界分为外旋流和内旋流，在外、内旋流的交界面上，切向速度达到最大值。各种 兮 不同结构的旋风除尘器，其切向速度分布规律基本相同1 2 】。 不同结构的旋风除尘器，其切向速度分布规律基本相同“。 旋风除尘器内切向速度是控制气流稳定的主要因素，他决定了气流圆周运动 的大小，从而也决定了除尘器的效率和阻力。切向速度所与圆筒半径月之日j 的 关系可用下式表示： 哪。= 常数 ( 2 1 ) 式中：指数n 的极限值为+ l 一l ，即它包括了自由涡( = + 1 ) 到强制涡( n = - i ) 的各种情况。显然在内涡流和外涡流n 值是不同的。通常认为在内旋流小为强制 涡，即： p 豫= 常数( 2 2 ) 山尔人学i 稃硕十导忙论文 而存! 外旋流中，并不完全是自由涡，事实上”值与外筒的半杼及温度有关 按下式有 式中：d 一外简直径( m ) 删一( 1 - 06 7 d a ) ( t , 2 8 3 广 ( 2 3 ) 卜气体绝对温度( k ) 若取内旋流，n _ 一1 ：若取外旋流n = 0 5 ，则速度分白如图3 - 2 所示。 一一- 图3 - 2 旋风除尘器内切向速度分布 ( 2 ) 径向速度 根据实验表明，在排气管入口以下的空日j 存在着向心的径向流动，如图中的 虚线所示。径向速度较切向速度要低得多，在整个断面上几乎是一个常数，f 值 表示速度方向朝向轴心，只是在中心部分方向朝外，在中央轴心附近接近为零， 在旋风除尘器中，径向速度沿着高度的分布并不是均匀的，尤其是在排气管入口 附近的径向速度值较大，对粉尘的捕集是不利的，由于径向速度值比切向速度小 一个数量级，而在除尘器内径向压力梯度又较大，所以极难测定，因此，至今对 径向速度分布规律至今还研究不足。 0 、 山尔人学i 千￥硕f 。宁付论文 ( 3 ) 轴向速度 靠近旋风除尘器外壁的一层旋转气流的轴向速度是下行的，中心部分是上 行的，这样的轴速度分伟，构成了旋风除尘器内气体的双层旋转流动结构。实验 证明，在这两层部分气流交界面上轴向速度为零，该交界面与器壁平行成倒圆锥 形。我们将气流交界面轴向速度为零面成为t 包络面”j i m 。 图3 - 3 包络面半径与距出风口距离关系图 我们根据图3 3 每一个横截面距排气管入口的断面距离与这一断面轴向速度 为零的半径绘制成图，用数据拟合的最小二乘法的包络面半径与这一横截面距排 气管入1 ：3 的断面距离函数关系为： r = f ( z ) = - 0 0 0 3 眩+ o 0 9 5 7 z z 一0 7 0 3 7 z + 1 1 9 7 1 9 ( 2 4 ) 式中：尺轴向速度为零的断面直径( c m ) 9 【i 尔人学i 稃硕十学仔论文 z 一断两距出风r | 入口断面的距离( c m ) 值得注意的是在包络面上，由于是向下下降流速和向上流速二者迭加而成的 轴向零速度，因此在包络面上必存在能量损失。 3 1 1 2 旋风除尘器的涡流 上精逸 图3 _ 4 旋风除尘器中的涡流 旋风除尘器内，除了主旋转气流外，还存在着由轴向速度与径向速度相互作 用而形成的涡流，( 称为次流、二次气流) ，如图3 - 4 所示。涡流对旋风除尘器的 分离效率和压力降影响较大，常见的涡流有以下几种川1 “7 ”1 ： ( 1 ) 短路流，即旋风除尘器顶盖、排气管外面和简体内壁之间，局部涡流( 上 涡流) ，它会央带着相当数量的尘粒向中心流动，并沿排气管外表面下降，最后 随中心上升气流逸出排气管，降低了除尘效率。 2 0 ( 2 ) 纵向旋涡流，纵向旋涡流是以旋风除尘器内、外旋流分界面为中心的除 山尔人学1 稃硕上学何论文 尘器内再循环而形成的纵向流动。由于排气管内有效通流截面小于打 气管管端以 - 下内旋流的有效流通截面，因而在排气管管端处产生节流效应，使排气管管端附 近的气体径向速度大大提高而造成短路，影响了分离性能。 ( 3 ) 外层涡流中的局部涡流。由于旋风除尘器壁面不光滑，可产生与主流方 向垂直的涡流，会使壁面附近、或者已被分离到壁面的粒子重新回到内层旋流， 降低了旋风除尘器的分离能力。 ( 4 ) 底部夹带。外层旋流在锥体项部向上返转时可产生局部涡流，将粉尘重 新卷起，假使旋流一直延伸到狄斗，也同样会把灰斗中的粉尘，特别是细粉尘搅 起，被上升气流带走。因此，合理设计结构，减少底部夹带是改善旋风除尘器捕 集效率的重要方面。 3 1 1 3 旋风除尘器内不同高度截面上的过流量 旋风除尘器内不同高度截面上的过流量，对于上行流来说为上升流量；对于 下行流来说为下降流量，上升流量和下降流量在忽略漏风因素时应该是相等的。 为简单起见，将断面上的过流量简称为下降流量。短路流量的减少可提高除尘效 率，增大断面的下降流量，又能使含尘气体在旋风除尘器内停留时间增长，为粉 尘创造了更多的分离机会。因此下降流量是旋风除尘器一个重要性能指标，研究 旋风除尘器内沿高度下降流量的分布规律及如何增加断面上的下降流量，是很有 实际意义的m 。 - 以图为试验模型，计算上下行流区过流量的平衡关系以断面为例，将实验所得轴 生鱼尘竺! ：登堡兰竺笪堡塞 向速度分和的测量曲线用最小二乘法进行拟合，计剪结果所得轴向速度表达式 圪= o 0 0 1 6 7 0 0 8 1 2 ，4 + 1 4 5 7 1 ，一1 1 1 9 7 7 ，2 + 2 9 ，8 7 9 9 r + 1 0 0 0 0 0 式中：匕为轴向速度( m s ) ( 2 。5 ) r 为测量点距轴心的距离( c m ) 上升流量： 如f 鬻挑 泣。， 下降流量： f 鬻肌 协， 将前式带入这两式得该断面上的上、下流流量为： 跌e j 等砘，舯s ( 2 。8 ) 岛= 丘，等- o 仫 池， 由于实验过程中存在的误差以及公式拟合时的误差，积分所得的上下行流量 并不相同，其差别的大小反映了整体误差的大小。此时上下行流区过流量的相对 误差为： 舻警圳 沼。， 山自、人学f 稃颇p 中忙沦丈 q x 作为该断面的下降流量，我们以q x 对咳断面的短路流量验算。从上述 上下流流经该断面过流量的计算已经知道，断面i i 处的下降流量为o 1 8 m s ，因此 时旋风除尘器的处理流量为o 2 m s ，所以，其差值0 0 2 m s 便是陔断向i i 以上从 下行流区向心流入上行流区的气体流量。这部分流量占除尘器处理风量的1 0 。 在除尘器排气芯管入口断面，就有占总处理风量的1 0 的气体进入上行流被排出 除尘器。这说明在除尘器入口和排气芯管入口附近存在很大的短路气流。尽管这 部分含尘气体并不像管流那样直接从除尘器入口流到排气芯管入口，要经过一定 角度的旋转运动，但含尘气体在除尘器内这样短的停留时间，不可能给粉尘提供 足够的分离能力。 3 1 1 4 旋风除尘器内的压力分布 一般旋风除尘器内的压力分布见图3 5 所示，根掘实测结果分析，旋风除尘 器内的压力损失在轴向，圆周切向及径向的变化情况可归纳为以下几点： ( 1 ) 轴向压力的变化 在捕集分离空日j ，沿轴上下方向的速度变化很小 几乎不产生压差，而气流从排气管沿轴向压力变化很大。 ( 2 ) 切向压力的变化 不论是捕集分离空间或排尘后排气空问，沿气流旋 转在圆周的切向压力变化很小，仅由于气流不均匀而稍有变化。 ( 3 ) 径向压力的变化 由于惯性离心力作用，压力沿径向变化非常显著， 尤其是在中心部分，其压力梯度更大，但动压变化不大，主要受静压支配。 图3 - 5 示为t e rl i n d e n 根据实测数据整理出来的旋风除尘器中各段压力损 山尔人涕j 拌硕卜。学付论文 火情况，图中截面j j 是进气入口断面，n r l 是排气管下的蹦札而，s s 足排气 管入口断面，m - m 是排气管出口断面。图中线( 1 ) 和线( 2 ) 分别表示了旋风除 卞 尘器内各段日j 的全压损失系数和静压损失系数，即反映出旋风除尘器内各部分的 压力损失状况，从图中可以看出：从断面j - j 到r l - r l ，即旋风除尘器内的粉尘分 离捕集空问，其能量损耗并不大，而仅在排气管内s s 到m m 所消耗的能量，占 了总能耗的大部分。 图3 - 5 压力损失分段情况 图3 - 5 排气管中气流情况 由于排气管内流体非常强的旋转运动，又迭加上一个轴向运动。它不仅造成 一 l lj 尔人学l 科硕1 7 何论文 排气管壁上的摩擦压力损失很大，而且在排气管轴心形成一个低压，造成了气 流的倒流。 3 1 2 旋风除尘器内尘粒的运动和分离 过去很多人认为，旋风除尘器内气流中的尘粒是在惯性离心力作用下，以离 心沉降速度由内向外穿过整个气流宽度，经过一定的旋转圈数，最后到达器壁而 被分离，即所谓旋转分离理论“1 。 很显然，转圈分离理论从平流沉降理论出发，对于旋风除尘器内的流场认识 是不够全面的，它只考虑了离心力的作用而忽视了向心流对颗粒的影响。事实上 旋风除尘器内的尘粒，在重力和流体阻力及流体动力浮力的共同作用下，均按类 似于螺旋线的轨迹运动，如图3 7 所示： 图3 - 7 旋风除尘器水平截面上大小微粒的轨迹 山尔人71 群硕十学侍论文 完成： 图3 - 8 一次分离和二次分离时尘粒运动轨迹示意图 合尘气流中粉尘的实际分离过程，是相当复杂的，一般通过以下三个阶段来 当含尘气体沿切线方向进入旋风除尘器后，在开始作旋转运动的同时，惯性 离心力就作用在尘粒上，促使它从气流中分离出来。虽然，流体阻力企图使尘粒 沿着气流轨迹运动，但由于尘粒的惯性离心力比流体阻力大，因此，即使在旋风 除尘器入口部分，所有的尘粒都会沿着近似直线的轨迹运动，并撞倒器壁上，从 气体中分离出来。这种分离称为初始分离。但是，尘粒与器壁碰撞后，常被弹回 到气流中，即产生尘粒反弹返回气流过程。图中仅尘粒1 没有被反弹回气流，这 是因为尘粒以很小的角度和壁面相碰撞，并沿器壁内表面向下滑动和被捕集。尘 粒2 和5 在与器壁相撞后，都被反弹回气流中。