張國(guó)林 王寶中

華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 河北唐山 063000

隨著我國(guó)化工業(yè)的高速發(fā)展，乙炔的需求量和生產(chǎn)量得到了大幅度提升，然而乙炔氣體的濕法制取過程卻離不開電石原料，該原料的主要成分是碳化鈣，遇水后會(huì)發(fā)生劇烈的反映，釋放出大量的熱量。為了解決化工業(yè)所面臨的這些難題，很多學(xué)者對(duì)電石粉塵的產(chǎn)生過程和運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了相關(guān)研究，并根據(jù)電石粉塵的一些特性提出了粉塵除塵器的想法。隨后，該行業(yè)便涌現(xiàn)出很多種類型的除塵器，其中包括機(jī)械除塵器、袋式除塵器、電除塵器和濕式除塵器，由于以上除塵器都各具優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并不是最佳的除塵方案，因此本文根據(jù)以上除塵器的設(shè)計(jì)原理和缺陷，提出了新的除塵器[1]。

1 除塵器的原理及類型

1.1 機(jī)械除塵器

機(jī)械除塵器是通過重力、慣性力或者離心力等機(jī)械力將粉塵顆粒從氣流中除去的設(shè)備。其中重力除塵器是通過改變氣流的方向使氣壓發(fā)生變化，從而使顆粒物受重力的影響而發(fā)生沉降。

該除塵器適用于粉塵顆粒較大的氣流，主要偏向于離心力除塵，其除塵特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗資較低、氣體流動(dòng)阻力小，但是除塵效率并不高。其除塵性能受表1所示因素影響：

該除塵器造價(jià)比較低、維護(hù)管理方便，適合高溫高濕煙氣，耐腐蝕性氣體除塵。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、阻力小、處理風(fēng)量大且除塵性能穩(wěn)定，然而對(duì)粉塵顆粒直徑在10mμ以下的顆粒物去除率較低，當(dāng)氣體含塵濃度較高時(shí)，這類除塵器可作為初級(jí)除塵，以減輕二級(jí)除塵的負(fù)荷[2]。

1.2 袋式除塵器

袋式除塵器也稱為干式空氣過濾裝置，該裝置是通過多孔過濾介質(zhì)（濾布或氈）分離氣體中的固體或液體，使含塵煙氣靠慣性碰撞、擴(kuò)散、篩分、滯留、擴(kuò)散和靜電等作用進(jìn)行過濾，適用于過濾細(xì)小、干燥和非纖維性粉塵。

袋式除塵器由入氣口、排氣口、吸氣閥、充氣閥、濾袋、風(fēng)機(jī)、直筒外壁、錐體外壁和儲(chǔ)灰斗組成，煙氣從入氣口被吸入后在擋風(fēng)板的作用下，氣流風(fēng)板向上流動(dòng)，流速降低，部分大顆粒粉塵由于慣性力的作用被分離出來掉落至儲(chǔ)灰斗中，而小顆粒物隨著氣體流入除塵布袋中進(jìn)行過濾。其中部分粉塵會(huì)被卡在濾袋的表面上，凈化后的氣體經(jīng)過濾袋口進(jìn)入上箱體，由出風(fēng)口排出。隨著上述流程的不斷持續(xù)，濾袋表面的粉塵會(huì)不斷增加，從而導(dǎo)致除塵器進(jìn)出口的壓力差也隨之上升。當(dāng)除塵器內(nèi)部的壓強(qiáng)達(dá)到工藝系統(tǒng)設(shè)定閾值時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制相應(yīng)的電磁閥進(jìn)行開關(guān)和閉合，使兩側(cè)濾袋的氣流反向流通，通過濾袋的膨脹和收縮性能完成濾袋的除塵。

1.3 電除塵器

電除塵器是將含有粉塵顆粒的煙氣通過接有高壓直流電的極板后，在陰極板和陽極板之間形成的高壓電場(chǎng)下電離極板內(nèi)部的空氣，產(chǎn)生沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的電離子。帶負(fù)電的氣體離子在電場(chǎng)力的作用下向陽板運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中與粉塵顆粒相碰使粉塵顆粒帶上負(fù)電荷，帶電粉塵在電場(chǎng)作用下向陽極板運(yùn)動(dòng)并沉積在陽極板上。當(dāng)帶電煙塵顆粒物在極板上達(dá)到一定厚度時(shí)，在自身重力和外界振動(dòng)的作用下跌落到除塵器下方的儲(chǔ)灰斗中，從而達(dá)到清除煙氣中的煙塵的目的。

電除塵器由入氣口、排氣口、設(shè)備支架、均風(fēng)板、清灰機(jī)、儲(chǔ)灰斗、陰極板、陽極板、高壓控制柜和電極振動(dòng)器等組成，其主體是鋼結(jié)構(gòu)，外表面覆蓋著保溫材料和薄鋼板。為了使電除塵器的制造和安裝更加方便，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用分層形式，每片電極板安裝在一塊大的鋼板上并做機(jī)械固定。該除塵器與其它除塵器除塵過程的根本區(qū)別在于電場(chǎng)力是直接作用在顆粒物上，而不是整個(gè)氣流，這就除塵原理就決定了除塵的效率、能耗和氣體阻力的大小。

1.4 濕式除塵器

濕式除塵器也稱為除霧器，它能使含塵氣體與霧化水密切接觸，利用霧化水滴和電石粉塵顆粒的混合作用捕集電石顆粒物，使粉塵顆粒增大后滯留于固定容器內(nèi)達(dá)到水和粉塵分離的效果。該除塵器可以有效地將直徑小于為mμ5的粉塵顆粒物從氣流中除去，同時(shí)也能脫除部分氣態(tài)污染物。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、占地面積小、操作及維修方便和凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠處理高溫、高濕的氣流，將著火、爆炸的可能減至最低，每秒可以處理5到 7 m3的電石含塵氣流，其占地面積約為4平方米，耗水約1噸/小時(shí)，使用壽命可達(dá)5到8 年[3]。

該除塵器由排氣口、高壓氣泵、加水口、入氣口、儲(chǔ)灰斗、金屬殼體、保溫層和噴霧器組成，將水浴和噴淋兩種形式合二為一。其工作過程是：首先利用高壓氣泵將除塵容器內(nèi)的空氣排出，使容器內(nèi)部產(chǎn)生較大的負(fù)壓；然后把電石粉塵氣體吸入到除塵器的容腔內(nèi)，通過高壓噴頭則由上向下噴灑霧化水，通過水浴方式把一部分灰塵吸附在水中；最后經(jīng)過氣固體分流后，凈化氣體從排氣口排出，過濾出的渣漿液流入到儲(chǔ)灰斗中。結(jié)果河北某化工公司的時(shí)間證明，該除塵器的過濾效率可達(dá)85%以上。但該除塵器的缺陷也很明顯，在使用過程中，需要特別注意設(shè)備和管道腐蝕及污水和污泥的處理問題，否則會(huì)造成二次污染；同時(shí)，該除塵器消耗水量較大，在天氣寒冷是需要采取防凍措施。

2 存在的問題

在設(shè)計(jì)電石除塵器的時(shí)候，不僅要根據(jù)電石除塵的特點(diǎn)和要求來設(shè)計(jì)，還要考慮除塵的方案是全面除塵還是局部除塵。如果采用全面除塵的設(shè)計(jì)方案，雖然簡(jiǎn)單易行，但是需要的占地面積較大，能源消耗較高，維修也不方便。如果采用局部除塵的設(shè)計(jì)方案，需要考慮電石粉塵的產(chǎn)生位置，在整個(gè)乙炔生產(chǎn)的工藝鏈條中，電石粉塵的產(chǎn)生主要在電石的生產(chǎn)、破碎和運(yùn)輸過程中，需要對(duì)這些電石粉塵產(chǎn)生的位置分別進(jìn)行處理和收集，該方案雖然設(shè)計(jì)難度大于全面通風(fēng)設(shè)計(jì)，但是能耗低，占地面積小，除塵效率高[4]。

圖1 改進(jìn)后濕式除塵器結(jié)構(gòu)圖

通過對(duì)上述四種常用除塵器的類型和原理的描述，可以發(fā)現(xiàn)目前現(xiàn)有除塵器在電石粉塵的處理上都存在一定的缺陷。機(jī)械除塵器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、處理風(fēng)量大、維護(hù)雖然方便，但是它對(duì)顆粒物直徑在10um以下的塵粒去除率較低，滿足不了電石除塵的要求，因此需要更換其他方案。袋式除塵器的除塵效率雖然高，處理粉塵的顆粒直徑范圍也大，但是不適用于溫度較高或者顆粒物濃度較高的煙塵，否則不僅會(huì)增加除塵器的阻力，甚至?xí)茐臑V袋的表面，導(dǎo)致除塵失敗。由于電石的生產(chǎn)和破碎過程聚均會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此各種類型的袋式除塵器均不滿足電石除塵的要求，需要更換其它除塵方案。而電除塵器的自動(dòng)化程度和除塵效率雖然高，但是該機(jī)器的制造和維護(hù)比較復(fù)雜，對(duì)工作人員的操作、運(yùn)行、維護(hù)管理都有較高的要求，如果除塵過程中電壓不足或者顆粒物濃度較高的話，會(huì)造成粉塵二次飛揚(yáng)。由于電石的破碎和運(yùn)輸過程中均會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，如果除塵過程中電壓不足或者機(jī)器故障導(dǎo)致了除塵失敗，會(huì)嚴(yán)重影響乙炔的生產(chǎn)效率和人員的身體健康。因此各種類型的電除塵器均不滿足電石除塵的要求，需要研究人員做進(jìn)一步的改進(jìn)。利用濕式除塵器除塵屬于局部除塵方法，其結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單緊湊、占地面積小、操作及維修方便和凈化效率高，能夠處理高溫、高濕的氣流。綜合以上實(shí)際情況的考慮，本文采用基于濕式除塵器的除塵方法。

3 濕式除塵器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)

通過上述除塵方案的介紹可知，電石粉塵具有流量大、顆粒物濃度高、溫度高等特點(diǎn)，使眾多類型的除塵器都不能直接應(yīng)用。本文在考慮除塵方案的設(shè)計(jì)上，不僅要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、除塵凈化效率高，而且降低了制作和維護(hù)成本，因此本文選擇了基于濕式除塵器的除塵方法。鑒于濕式除塵方式在設(shè)備和管道腐蝕、污水和污泥的處理及防凍問題存在的不足，本章對(duì)濕式除塵器結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1：

從圖1可以看出，改進(jìn)濕式除塵器由入氣口、排氣口、溫度調(diào)機(jī)器、供電單元、渣漿過濾器、水泵、儲(chǔ)灰斗、電機(jī)、鋼結(jié)構(gòu)主體、膠質(zhì)層、保溫層、入氣口冷卻槽、加水口和電磁閥門構(gòu)成，相對(duì)于濕式除塵器來說，改進(jìn)后的除塵器增加了以下幾個(gè)方面：入氣管道加長(zhǎng)，伸入到水面以下，防止灰塵粘貼在除塵器的管壁上；增加了渣漿過濾器，使粉塵凝聚物和水分開，循環(huán)利用過濾水；增加了入氣口冷卻槽，保證氣體在進(jìn)入水中后，直接進(jìn)行冷卻；增加了膠質(zhì)保護(hù)層，使水與鋼結(jié)構(gòu)分開，保證了鋼結(jié)構(gòu)不被腐蝕損壞；增加了水溫調(diào)節(jié)器，避免水溫太高產(chǎn)生水霧，也能夠防止水溫太低導(dǎo)致結(jié)冰；增加了水噴系統(tǒng)，當(dāng)吸氣口被灰塵堵塞時(shí)候，可以從排氣口充氣，使水沖洗入氣口管道，保證除塵的順利進(jìn)行。其工作流程為煙氣從入氣口被吸入后進(jìn)入水中，其粉塵顆粒物與水碰撞凝聚成大的顆粒物后沉降在水底。此時(shí)電磁閥門打開，將底層形成的渣漿流入到渣漿過濾器中。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，渣漿過濾器以100 min/r轉(zhuǎn)動(dòng)著，將水從管壁的漏孔中流出，并將過濾出的渣子沿著螺旋管壁輸送到儲(chǔ)灰斗中。水箱中的水量通過水泵用自來水和凈化水進(jìn)行補(bǔ)充，保持其總水量在水箱的50%左右。水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)則一直檢測(cè)水箱的溫度，并將該溫度保持在1-50度，防止水霧的產(chǎn)生和水的結(jié)冰。

該過濾器由過濾孔和螺旋擋板組成，其篩孔的大小由所在工藝決定。隨著過濾器的旋轉(zhuǎn)，渣漿在螺旋管壁內(nèi)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，由于水分子較小，可以從過濾孔中流出，而大分子凝聚物則被螺旋擋板輸送至儲(chǔ)灰斗中。改進(jìn)后的除塵器工作流程圖如圖2所示：

圖2 改進(jìn)濕式除塵器的工作流程圖

4 結(jié)語

本章為解決電石制乙炔生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵問題，首先分析了機(jī)械除塵器、袋式除塵器、電除塵器、濕式除塵器幾種典型除塵器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，其次結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求、能耗等客觀條件確定了基于濕式除塵器的除塵方案，最后鑒于濕式除塵器在設(shè)備和管道腐蝕、污水和污泥的處理及防凍問題存在的不足，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)[5]。