一種多級旋風(fēng)除塵器在生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用

江淳爍

摘 要 國內(nèi)現(xiàn)有的旋風(fēng)除塵器，大多數(shù)沿用以前的單一錐筒設(shè)計或采用多組錐筒簡單并聯(lián)過濾的方式，這種傳統(tǒng)型的旋風(fēng)除塵器除塵效果不理想以及過濾效率達不到目前的需求，故此需要進一步的改進。本文擬討論一種多級旋風(fēng)除塵器，可以在盡可能小的占地面積內(nèi)大幅度提高旋風(fēng)除塵器過濾的效率。根據(jù)目前市場上常見的旋風(fēng)除塵器的過濾效率以及造價，該設(shè)計的多級旋風(fēng)除塵器具有造價合理，過濾效果好的特點。本文將論述該多級旋風(fēng)除塵器的設(shè)計以及其經(jīng)濟性和市場前景。

關(guān)鍵詞 旋風(fēng)除塵器 多級 過濾效率

中圖分類號：TK28 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）10-0027-02

隨著能源危機與環(huán)境問題的日益突出，全球各國對新型可再生能源的開發(fā)和利用愈發(fā)積極。提高非化石能源利用的比重也是當(dāng)前有效緩解我國資源環(huán)境約束和應(yīng)對氣候變化的一種主要路徑。

生物質(zhì)是地球上最廣泛存在的能源物質(zhì)，包括所有的動物、植物和微生物，以及由這些有生命物質(zhì)派生、排泄和代謝的許多物質(zhì)。生物質(zhì)發(fā)電是利用生物質(zhì)所具有的生物質(zhì)能進行發(fā)電（含農(nóng)林生物質(zhì)、垃圾焚燒和沼氣發(fā)電）是可再生能源發(fā)電的重要組成部分。

為了更好的保護環(huán)境，強化大氣污染防治，促進環(huán)境空氣質(zhì)量改善，國家對于鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)控制水平日益提高。由于生物質(zhì)燃料灰分較大，通常在燃燒過程中更容易產(chǎn)生煙塵，又因為生物質(zhì)燃料的含水量一般在30%～55%之間，含水量較大，煙氣對布袋除塵器的使用壽命有著極為不利的影響，傳統(tǒng)的旋風(fēng)除塵器顯然不適用于目前的要求工況。

1 國內(nèi)旋風(fēng)除塵器的現(xiàn)狀及設(shè)計特點

旋風(fēng)除塵器于1885年開始使用，已發(fā)展成為多種形式，廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵，特別是應(yīng)用于小型鍋爐和多道除塵的預(yù)除塵中，它是利用旋轉(zhuǎn)氣流對灰塵產(chǎn)生離心力使其從氣流中分離出來的。在傳統(tǒng)的多道除塵系統(tǒng)中，旋風(fēng)除塵器多用于撲滅高溫?zé)煔庵械幕鹦?，降低煙氣溫度，起到保護后道布袋除塵器的效果，其過濾效果并不突出。

旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造、安裝和維護管理。由于旋風(fēng)除塵器不需要電力驅(qū)動，因此其設(shè)備投資和操作費用都較低，在機械式除塵器中，旋風(fēng)式除塵器是效率最高的一種。[1]

國內(nèi)現(xiàn)有的旋風(fēng)除塵器一般采用單一錐筒的形式，傳統(tǒng)的單筒旋風(fēng)除塵器主要由進氣管道、排氣管道、直筒體、錐筒體和集灰斗組成。含塵煙氣從除塵器進氣管道沿切線方向進入除塵器后，沿著外壁由上向下作旋轉(zhuǎn)運動，這股從上向下旋轉(zhuǎn)的氣流稱為外旋渦。外旋渦到達錐筒底部后轉(zhuǎn)而向上，沿軸心向上旋轉(zhuǎn)，最后從排出管排出，這股從下向上的氣流稱為內(nèi)旋渦。向下的外旋渦和向上的內(nèi)旋渦旋轉(zhuǎn)方向是相同的。氣流在旋轉(zhuǎn)運動時，煙塵在離心力的作用下甩向外壁， 到達外壁的煙塵在下旋氣流和重力的共同作用下沿壁面落入集灰斗。這種單筒旋風(fēng)除塵器存在除塵效果不佳以及過濾效率低下的問題。

為了提高旋風(fēng)除塵器的過濾效率和煙氣處理量，有一種改進的旋風(fēng)除塵器采用多級單筒并聯(lián)的形式。但這種只是簡單的將多個單筒旋風(fēng)除塵器并聯(lián)到一起，并沒有對單筒旋風(fēng)除塵器原有的構(gòu)造進行改進，無法很好地提升煙氣的過濾效果。而且多個單筒旋風(fēng)除塵器并聯(lián)以后，會占用較大的空間，不利于項目現(xiàn)場的布置和使用。

2 多級旋風(fēng)除塵器設(shè)計概述

經(jīng)過前期的調(diào)研，目前國內(nèi)大部分旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)為單筒式（大單筒）或多級單筒并聯(lián)式;按照氣流進入方式，分為切向進入式和軸向進入式。在相同壓力損失下，后者能處理的氣體約為前者的3倍。普通旋風(fēng)除塵器的除塵效率僅有70%，并聯(lián)的旋風(fēng)除塵器對3μm的粒子過濾效果也可達到80～85%。

根據(jù)現(xiàn)有理論，結(jié)合已有的旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)（旁路式旋風(fēng)除塵器，擴散式旋風(fēng)除塵器，異形入口式旋風(fēng)除塵器，旋流式旋風(fēng)除塵器，多管式旋風(fēng)除塵器），結(jié)合旋流式旋風(fēng)除塵器和直通導(dǎo)葉式旋流管的特點，本文將探究一種采用側(cè)進風(fēng)的多級旋風(fēng)除塵器在生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用。[2]

3 以某生物質(zhì)熱電項目參數(shù)為例的多級旋風(fēng)除塵器設(shè)計

3.1 項目煙氣參數(shù)

（1）煙氣量：50880Nm?/h。

（2）工作溫度：200℃。

設(shè)備參數(shù)：

（1）工作狀態(tài)下的氣體流量

Q'=QT'/T=50880×（200+273）/273≈88155，取88500Bm?/h。

（2）煙氣流速

V=Q'/3600=88500/3600=24.58m?/s

未考慮允許的壓力損失，煙氣流速可在12～25m/s，根據(jù)經(jīng)驗，選擇v=20m/s。

（3）除塵器入口截面積

A=Q/1800v=88500/1800*20≈2.45㎡，取3㎡。

3.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

3.2.1 設(shè)備主要結(jié)構(gòu)

多級旋風(fēng)除塵器采用多級多筒式設(shè)計，包括除塵器本體以及由多組旋風(fēng)錐筒、上升管組成的旋風(fēng)除塵機構(gòu)，除塵器本體包括除塵腔室，除塵腔室內(nèi)設(shè)置上基座和下基座，上基座以及下基座之間與除塵器主體側(cè)板形成進風(fēng)室，在位于進風(fēng)室的一側(cè)設(shè)置有進風(fēng)口，在由上基座與除塵器主體頂板及側(cè)板之間形成排風(fēng)室，在位于排風(fēng)室的一側(cè)設(shè)置有排風(fēng)口。

旋風(fēng)錐筒的頂部設(shè)置有旋風(fēng)葉輪，上升管的下端穿過旋風(fēng)葉輪中間延伸進入錐筒中上部，上升管的上端與上基座連接。多級旋風(fēng)除塵器的下基座均勻分布有與旋風(fēng)錐筒相匹配的安裝孔;當(dāng)旋風(fēng)除塵機構(gòu)安裝完畢后，進入多級旋風(fēng)除塵器的煙氣需要先經(jīng)過旋風(fēng)葉輪，在旋風(fēng)錐筒內(nèi)部形成氣流旋轉(zhuǎn)，通過離心力將灰塵甩出，過濾后的潔凈空氣經(jīng)上升管進入排風(fēng)室。

在下基座與上基座部形成的進風(fēng)間隔部，為了保證煙氣在除塵器內(nèi)前后的壓差，使得各個旋風(fēng)錐筒之間風(fēng)量分配均勻，避免出現(xiàn)串流現(xiàn)象;該間隔部采用階梯式設(shè)計，位于高側(cè)的進風(fēng)間隔部的上升管高度為相鄰進風(fēng)間隔部的上升管高度的1.2-1.6倍，這種結(jié)構(gòu)保證了各個旋風(fēng)子的阻力相同，詳見下圖1。

3.2.2 主要部件材質(zhì)說明

總體框架：型鋼（Q235）。

旋風(fēng)錐筒：耐磨鋼（NM450）。

升氣管：無縫鋼管（Q235）。

旋風(fēng)葉輪：鑄鋼（ZG200-400）。

外板：鋼板（Q235）。

保溫層：巖棉（Rockwool 100kg/m3）。

3.2.3 旋風(fēng)葉輪

該設(shè)計含塵煙氣不靠切向進入除塵器本體形成氣流旋轉(zhuǎn)，而是從中部進入除塵器內(nèi)部后，通過升氣筒外部的旋風(fēng)葉輪，在旋風(fēng)錐筒內(nèi)部形成氣流旋轉(zhuǎn)，通過離心力把灰塵甩出，潔凈空氣再由除塵器下部進入升氣管，從除塵器上部出去。

旋風(fēng)葉輪選用鑄鋼件，材質(zhì)為ZG200-400，采用失蠟鑄造工藝，葉片對稱分布，切向角為35°。

3.2.4 集灰和排灰裝置

該多級旋風(fēng)除塵器在除塵器主體底部設(shè)置有集灰槽，用于收集分離出來的灰塵，集灰槽底部設(shè)置螺旋輸灰器，通過螺旋輸灰器將積灰排出;螺旋輸灰器的出灰口設(shè)置有雙擺卸灰閥。

螺旋輸灰器與集灰槽底部采用螺栓連接，連接面涂密封膠，保證密封性。雙擺卸灰閥采用單電機驅(qū)動曲軸雙擺板卸灰;雙擺板及擺板支架采用耐磨鋼，接觸面經(jīng)過CNC加工，保證密封性。[3]

3.3 模擬分析

本次模擬分析主要針對于多級旋風(fēng)筒其中的一個筒做局部CFD分析，分析表明，當(dāng)升氣筒頂部的密封性不好時，會對旋風(fēng)分離的效果產(chǎn)生較大的影響。所以保證進風(fēng)間隔部的密封對于過濾效率十分關(guān)鍵。

3.4 設(shè)計依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)

《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 13271-2014。

《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 13223-2011。

《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3095-2012。

《工業(yè)鍋爐旋風(fēng)除塵器技術(shù)條件》JB/T 8129-2002。

4 結(jié)語

不同于現(xiàn)有傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)，本文所述的多級旋風(fēng)除塵器采用多級多筒布置，大大提高了煙氣的過濾質(zhì)量。采用階梯式的設(shè)計，在有利于煙氣在除塵器內(nèi)的均勻分布的同時，也可以降低除塵器的體積，盡量減小占地面積。根據(jù)目前市場上常見的旋風(fēng)除塵器的過濾效率以及造價，該多級旋風(fēng)除塵器具有造價合理、過濾效果好的特點，尤其適用于生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)。根據(jù)技術(shù)性跟經(jīng)濟性的可行性分析來看，具有較為良好的市場前景。[4]

參考文獻：

[1] 張殿印，劉瑾.除塵設(shè)備手冊（第二版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019.

[2] 王韶斌，張孝山，陳興橋，高海強.旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)探討[J].加工技術(shù)與應(yīng)用，2012（06）：7.

[3] 化學(xué)設(shè)備全書編輯委員會.除塵設(shè)備設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[4] A·C·霍夫曼.旋風(fēng)分離器：原理設(shè)計和工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.