旋流式脱水器分离最小水滴理论计算.pdf

旋流式脱水器分离最小水滴理论计算 杨建勋 沈阳吉大重型机械有限公司，沈阳 110012 摘要 介绍了旋流式的构造和工作原理， 分析了影响性能的因素。通过对脱水器构造的剖析， 找出叶片形状影响脱水 效果的关键所在， 从理论分析入手， 推导出旋流式脱水器分离最小直径水滴的计算方法， 并根据工程实践进行了检验。 工程实践表明， 实际应用效果与理论计算相符合。 关键词 旋流式脱水器;最小水滴;理论计算;应用 THEORETICAL CALCULATION OF MINIMUM WATER DROPS SEPARATED BY CYCLONE DEHYDRATOR Yang Jianxun Shenyang Jida Heavy Machinery Co． ，Ltd，Shenyang 110012，China AbstractThe structure and working principle of the cyclone dehydrator are presented and the factors influencing its perance are analyzed． Starting from theoretical analysis，the for calculating the minimum diameter of water drops separated by a cyclone dehydrator is also deduced，which has been verified by project practice． The result shows that the actual use effect agrees well with the theoretical calculation，which provides a useful reference for study，design and application of cyclone dehydrators． Keywordscyclone dehydrator;minimum water drop;theoretical calculation;application 工矿企业有些生产工艺和环保设备需要去湿脱 水， 保证被抽走的烟气中不带水滴。如果不采取适当 的脱水防保护措施， 则将造成下游设备无法正常运 行， 例如袋式除尘器滤袋的潮湿后会造成糊袋， 进而 影响除尘器阻力耗能。所以除尘系统设计时要考虑 设置脱水器［1- 2］。脱水器应设置在除尘器的进口段。 另外从脱水器的构造上看还可以作为烟气预分离器， 用于烟气含尘浓度较高的除尘系统， 以捕集较大颗粒 的粉尘。 1构造特点 脱水器是为解决烟气中水滴可能被气流带入除 尘器而设计的。它包括四部分 见图 1 1 入口， 一 般为圆筒形; 2 筒体， 包含产生气体旋转运动的导流 叶片组成; 3 出口， 把净化后的气体和旋转的水滴分 开; 4 水滴排放装置。 2工作原理 含水滴气体经脱水器入口进入导流叶片。由于 图 1脱水器构造示意 叶片导流作用气体做快速旋转运动。含水滴旋转气 流在离心力作用下， 气流中的水滴被甩到脱水器外圈 直至器壁， 中心无水气体从排气管排出， 水滴集中到 排水卸灰装置排出。脱水器可以水平使用， 也可以垂 直设置， 脱水效果好， 阻力损失相对较低， 配置灵活方 便， 使用范围较广。 影响捕集性能的因素如下 1 负荷。脱水器和旋风分离器相比， 它的分离 效率受气体流量变化的影响较小， 对负荷的适应性比 121 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 后者好。当气体流量下降到效果最佳流量的 50 时， 分离效率下降 5 ; 上升到最佳流量的 125 时， 效率几何不变。压力损失和流量大致成平方关系。 2 叶片角度。脱水器导流叶片设计是关键环节 之一， 其最佳角度是和气流最初的方向成 45， 因为 把角度从 30增加到 45， 分离效率有显著的提高， 再 多倾斜 5， 对效率就无影响， 而阻力却有所增加。 3 排尘环形空间。分离效率随着环形空间的加 宽而提高。这是因为在脱水器截面上从轴心到周围 存在着水滴浓度梯度。也就是靠近轴心的气体比较 干净; 如果环形空间比较宽裕， 气体的径向运动更显 著， 这种惯性分离水滴颗粒就更有效。 3分离最小水滴理论计算 3. 1气体关系式 设气流经过入口部分的导流叶片时为绝热过程， 在分离室中 出口侧 气体的压力 P、 温度 T 和体积 Q 用角标 c 表示， 而在叶片前面 入口侧 的原始状况用 角标 i 表示， 则气体关系式可用式 1 和式 2 表达。 Qc Qi Pi P c 1 /k 1 Tc Ti Pi P c 1 /k 2 式中Qi 进口处气体流量， m3/h; Ti 进口处气体温度， K; Pi 进口处气体压力， Pa; Qc 分离室出口气体流量， m3/h; Tc 分离室出口处气体温度， K; Pc 分离室出口处气体压力， Pa; k 流体绝热系数， k Cp/Cv。 Cp 定压力比热容， J/ kg K ; Cv 定体积比热容， J/ kg K 。 单原子气体的 k 为 1. 67， 双原子气体 包括空 气 为 1. 40， 三原子气体 包括过热蒸气 为 1. 30， 湿 蒸气为 1. 135。 3. 2气体离开叶片平均速度 如果脱水器直径为 Dc， 毂的直径为 Db， 则气体在 离开叶片时的平均速度 υc按原始速度 υi计 算见 式 3 υc υ i D2 c D2 c － D2 b Qc Qi υ t D2 c D2 c － D2 b Pi P c 1 /k 3 式中υi 气体入口处速度， m/s; υc 气体离开叶片时平均速度; Dc 脱水器内径， m; Db 脱水器毂的外径， m。 3. 3叶片出口切向速度 平均速度 υc为可以分解为切向、 轴向和径向三 个分速度 见图 2 。假定气体离开叶片的角度和叶 片出口角 α 相同， 中央的毂延伸穿过分离室， 则在叶 片出口的切向平均速度 υcr见式 4 υcr υ ccosα υi D2 c D3 c － D2 b Pi P c 1 /k cosα 4 3. 4叶片轴向速度 叶片出口轴向平均速度 υca见式 5 υca υ csinα υi D2 c D2 c － D2 b Pi P c 1 /k sinα 5 图 2脱水器导流叶片的粒子路线和速度的分解 3. 5水滴颗粒在分离室的时间 设水滴和流体以同一速度通过分离室， 且已知分 离室的长度 ls和轴向速度 υca， 就可以求出水滴在分 离室内的逗留时间见式 6 tls ls υca ls υisinα 1 － Db D c [] 2 Pc P i 1 /k 6 式中tls 水滴在分离室的时间， s。 3. 6水滴从毂表面到外筒壁的时间 在斯托克斯区域内直径为 d 的水滴在离心力作 用下从毂表面 Db/2 到外筒壁 Dc/2 所需时间按 式 7 计算 tr 9 8 μf ρp－ ρ Dc υcrd 100 1 － Db D c [] 4 7 式中tr 水滴从毂到筒壁时间， s; μf 气体动力黏度， Pa s; d100 可以 100 分离的最小水滴粒径， m; ρ 气体密度， kg/m3; ρp 粒子密度， kg/m 3。 3. 7分离最小水滴粒径 脱水器中根据 tr tls可以推导出分离的最小水 滴颗粒粒径 d100， 用式 8 表示 221 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 d100 3 4 Dc cosα 1 － Db D c [] 2 2μsinα lsυi ρp－ ρ ρc ρ i 1 /k 1 Db D c []{} 21 /2 8 式中ls 分离的长度， m。 3. 8计算实例 1 已知条件。在其电炉炼钢工程使用一台脱水 器， 每台烟气流量 Q 270 000 m3/h， 颗粒密度 ρp 1 000 kg/m3， 烟气密度 ρ 1. 293 kg/m3， 烟 气 黏度 μ 23. 83 10 － 6Pa s， 入口速度 υ i 24 m/s， 风管直 径为2 m， 分离压降 ΔP 730 Pa。 脱水 器 尺 寸 为 入 口 直 径 Dc 2 m， 长 度 L 5. 8 m， 毂的外径 Db 0. 7 m， 出口直径 Do 2 m， 分 离室长度 Ls 1. 6 m， 出口管长度 l 1. 4 m， 叶片角 度 α 45。 2 求分离最小水滴直径。 3 气流在进入分离室时流量及流速。气体进入 分离室体积流量 Qc由式 1 得 Qc Qi Pi P c 1 /k 式中Pi 入口端的气体压力 Pi 10 133. 73 Pa; Pc 经过分离室叶片后的压力， Pa， Pc P0－ ΔP 9 417. 6 Pa; k 流体绝热系数， k Cp Cυ， 烟气温度为150 ℃ ， 按空气取值， k 1. 4。 则有 Qc 270 000 10 133. 73 9 417. 6 1/1. 4 286 200 m3/h 流速由 υQc Q F 计算 υQc 4Qc 3 600πD2 c 4 286 200 3 600 π 22 25. 32 m/s 4 气流离开导流叶片时的平均速度。旋流脱水 器的实际入口速度由式 3 得 υc υ i D2 c D2 c － D2 c Pi P c 1 /k 25. 32 22 22－ 0. 7 2 10 133. 73 9 417. 6 1 /1. 4 30. 59 m/s 5导 流 叶 片 出 口 处 气 体 的 轴 向 平 均 速 度 由 式 4 得 υca υ ccosα 30. 59 cos45 21. 62 m/s 6导 流 叶 片 出 口 处 气 流 的 切 向 平 均 速 度 由 式 5 得 υcr υ csinα 30. 59 sin45 21. 62 m/s 7 能被完全分离下来的最小水滴直径由式 8 得 d100 3 4 Dc cosα 1 － Db D c [] 2 2μ sinα Ls V0 ρs－ ρ P0 P c 1 /k { 1 Db D c []} 21 /2 3 4 2 cos45 1 － 0. 7 2 [] 2 2 1. 763 10 －5 sin45 1. 6 21. 63 1000 － 1. 293 { 10133. 73 9417. 6 1 /1. 4 1 2 2 []} 21 /2 58. 6 10 －6 m 58. 6 μm 4工程应用 某工厂火焰切割机除尘系统， 烟气参数如下 处理烟气量165 000 m3/h; 烟气温度低于 60℃ ; 烟气含尘浓度低于 3 g/m3; 粉尘成分氧化铁粉; 粉尘密度0. 8 ～ 1. 5 t/m3; 烟气含液态水量高于 60 g/m3; 气体密度1. 25 kg/m3。 除尘系统拟选用袋式除尘器作为净化设备， 但烟 气中含水量过高， 容易造成粉尘糊袋， 糊袋后轻者除尘 器阻力偏高， 重者可能导致除尘器无法正常运行。为 此， 在除尘器之前设置一台处理风量为165 000 m3/h的 旋流式脱水器， 要求脱水器材质耐磨和耐腐蚀且强度 好不变形， 脱水器内部不积灰， 易维修， 脱水效率大于 90 。根据理 论 计算 新设计脱水器可以脱出大于 50 μm微小水滴， 能满足袋式除尘器不糊袋的要求。 脱水器为立式， 直径为4 000 mm， 高9 000 mm外 形图如图 3 所示。 脱水器于 2008 年投产， 实测脱水器液态水脱除 效率大于 95 ， 除尘器效率大于 99. 6 ， 除尘设备运 行阻力小于1 000 Pa， 粉尘排放小于20 mg/m3， 几年 下转第 99 页 321 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 ［ 10］Thomas B，Maier．Expected benefits of a full-scale bioreactor landfill，leachate recirculation ＆ landfill bioreactors［M］． Swana， Maryland Silver Springs，1997． ［ 11］Thomas BMaier．Analysis procedures for designof leachate recirculation systems［J］． Water Quality International，1998 11 / 12 37- 47． ［ 12］Chun Man Lee，Xue Rui Lin，Chong Yu Lan，et al． uation of leachate recirculation on nitrous oxide production in the likang landfill，China［J］．Journal of Environment Quality，2002， 31 1502- 1508． ［ 13］Blakey N C，Bradshaw K，P Reynolds，et al． Bioreactor landfill-a field trial of accelerated waste stabilization［C］． Proceedings from Sardinia 97，Sixth International Landfill Symposium，S． Margherita di Pula，Italy，1997375- 386． ［ 14］Yolo County Division of Integrated Waste Management． Trash to cash-controlled landfill bioreactor project［M］． New YorkPublic Technology Inc． ，1998． ［ 15］Hudgins M，March J．In-situ municipal solid waste composting using an aerobic landfill system［M］． Aiken，SCAmerican Technologies Inc． ，1998． ［ 16］Turgut T Onay，Frederick G．In situ nitrogen management in controlled bioreactor landfills［J］． Water Research，1998， 32 5 1383- 1392． ［ 17］李国刚， 曹杰山， 汪志国． 我国城市生活垃圾处理处置的现状与 问题［J］ ，环境保护，2002 4 35- 38． ［ 18］于晓华，何品晶，邵立明，等． 填埋层空气状况对填埋初期渗 滤液水质的影响［J］． 同济大学学报，2004，32 5 640- 643． ［ 19］于晓华，何品晶，邵立明，等． 填埋层空气状况对渗滤液中氮 成分变化的影响［J］． 同济大学学报，2004，32 6 741- 744． ［ 20］郭辉东，何品晶，邵立明，等． 渗滤液回灌的氨氮和凯氏氮变 化规律［J］． 中国给水排水，2004，20 1 18- 21． ［ 21］何厚波，徐迪民． 垃 圾 堆 体 高 度 对 渗 滤 液回 灌处 理的影响 ［J］． 中国给水排水，2003，19 1 9- 12． 作者通信处张超平518000深圳市清水河下坪 下坪固体废物填 埋场 E- mail568622182 qq． com 2011 － 06 － 20 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 123 页 图 3旋流脱水器外形 来袋式除尘器排出去的灰比较干燥， 未发生过糊袋现 象， 也未发生过螺旋机输灰堵塞， 除尘系统运行良好。 5结语 1 水滴脱水器内气流的运动， 是气流经过特殊 的导流叶片而产生的旋转运动。它使绕轴向旋转的 气流具有朝前一个方向作轴向移动， 并使水滴在离心 力作用下分离， 而最小水滴的分离从理论上是可以计 算的。 2 计算表明旋流水滴脱水器气体流动路线短， 轴向与切向的速度相等， 能耗小; 并且气流旋转区域 与已分离水滴的区域可以相互分离， 互不影响， 避免 了旋风分离器结构上存在的内旋流和混流区卷走水 滴的问题。而且这种脱水器配置灵活方便， 可以直接 安装在水平管路或垂直管路系统中， 不改变管向， 不 用新增动力即可运行。 3 根 据 计 算， 脱 水 器 可 以 分 离 的 最 小 水 滴 为 58. 6 μm， 经工程应用证明这种脱水器捕集水滴颗粒 是可行的， 再加上袋式除尘器选用拒水滤料， 则不会 发生糊滤袋问题。同时它还用作含高浓度粉尘除尘 系统的预除尘器或环境工程中气固分离装置。 参考文献 ［1］张殿印， 王纯． 袋式除尘 技术［M］． 北 京 冶 金 工 业 出 版 社， 2008． ［2］陈鸿飞． 质点群动态分布律及其应用［J］． 环境工程， 1996， 14 5 19- 25． 作者通信处杨建勋110021辽宁沈阳市铁西区兴华南街 48 号都 城大厦 518 室 电话 024 85402815 2011 － 05 － 04 收稿 99 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期