奚 望，吳曉冬

江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南京卷煙廠，南京市建鄴區(qū)夢都路30 號 210019

卷煙制絲生產(chǎn)線工藝流程復(fù)雜、工序繁多，每道工序均會產(chǎn)生大量粉塵，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、凈化車間環(huán)境，卷煙企業(yè)大多采用集中式除塵系統(tǒng)進(jìn)行粉塵回收處理。由于粉塵濃度較高，除塵管道內(nèi)的粉塵容易積聚在內(nèi)壁上，導(dǎo)致除塵效果差、能耗增大、除塵管道風(fēng)壓不穩(wěn)等問題，甚至?xí)氯艿溃斐稍O(shè)備停機(jī)，影響生產(chǎn)正常運行。針對上述問題，張原等［1］應(yīng)用FLUENT 軟件對除塵管道內(nèi)粉塵沉降規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)除塵系統(tǒng)中水平管道部分粉塵沉降較為嚴(yán)重；王偉［2］分析了氣力輸送系統(tǒng)管道堵塞原因，通過改進(jìn)彎頭結(jié)構(gòu)，在彎頭進(jìn)口處增加開口管路，減少了物料在經(jīng)過彎頭處時的動能損失；馮進(jìn)利等［3］將磨煤機(jī)出口折向擋板的開度由70°減小至40°，降低了煤粉細(xì)度，解決了磨煤機(jī)風(fēng)管堵塞等問題；徐德勇［4］通過調(diào)整風(fēng)粉比例、加強(qiáng)設(shè)備維保，避免了風(fēng)管堵塞。但上述改進(jìn)措施并不適用于制絲線集中除塵系統(tǒng)。為此，基于氣-固兩相流理論和風(fēng)速計算方法，結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)，對制絲線除塵系統(tǒng)的管道連接方式和管道彎頭進(jìn)行改進(jìn)，以期提高除塵管道風(fēng)速，提升集中除塵系統(tǒng)的運行效率。

1 問題分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

常見的集中除塵系統(tǒng)主要由離心風(fēng)機(jī)、總除塵器、管道和分支除塵器等部分組成，總除塵器連接除塵主管，除塵主管通過各除塵支管連接各分支除塵器［5］，見圖1。

圖1 改進(jìn)前集中除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of centralized dust removal system before modification

工作時，制絲線上的粉塵被吸入與該道工序?qū)?yīng)的除塵器內(nèi)，進(jìn)入除塵支管后與管道內(nèi)的空氣混合；含塵氣體在風(fēng)力作用下通過除塵主管進(jìn)入總除塵器，由過濾分離設(shè)備將空氣與粉塵分離，粉塵進(jìn)入料倉，空氣由排氣管道排出。改進(jìn)前集中除塵系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 改進(jìn)前集中除塵系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of centralized dust removal system before modification

1.2 存在問題

改進(jìn)前集中除塵系統(tǒng)的除塵主管分為兩條或多條除塵支管后，管道內(nèi)風(fēng)速顯著降低。雖然除塵主管內(nèi)風(fēng)速可以滿足粉塵輸送要求，但除塵支管內(nèi)風(fēng)速偏小，導(dǎo)致粉塵沉積于管道內(nèi)壁，甚至完全堵塞管道，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

1.2.1 粉塵顆粒懸浮速度

在靜止空氣中，粉塵顆粒會受到自身重力、空氣浮力和空氣阻力3 種作用力，當(dāng)合力為0 時，粉塵顆粒在空氣中以速度vx勻速下降，此時的vx為粉塵顆粒的沉降速度［6］，計算公式為：

由于煙草粉塵顆粒多為直徑不超過0.1 mm 的微細(xì)粒子，粉塵與氣流的相對運動狀態(tài)一般處于雷諾系數(shù)Re≤1 范圍內(nèi)，則在斯托克斯區(qū)域的空氣阻力系數(shù)［7］為：

將式（2）代入式（1），可得到粉塵顆粒的沉降速度［8］：

式（1）～（3）中：vx為粉塵顆粒沉降速度，m/s；ρs為粉塵顆粒密度，kg/m3；ρ為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；d為粉塵顆粒直徑，m；C為空氣阻力系數(shù)，是雷諾系數(shù)Re的函數(shù)；μ為空氣動力黏性系數(shù)，常溫下μ取18.2×10-6N·s/m2。

如果粉塵顆粒處于速度為vx的上升氣流中，且粉塵顆粒沒有等速下降而處于懸浮狀態(tài)，則此時的vx被稱為粉塵顆粒的懸浮速度，煙草粉塵顆粒的懸浮速度在1.8～2.0 m/s 范圍內(nèi)。

1.2.2 粉塵輸送最小風(fēng)速

根據(jù)氣-固兩相流理論，管道內(nèi)粉塵輸送狀態(tài)隨著粉塵輸送量、粉塵顆粒密度、風(fēng)速以及管徑的不同而存在差異［9］。在集中除塵系統(tǒng)中，當(dāng)粉塵輸送量、粉塵顆粒密度、管徑不變時，隨著風(fēng)速增大，粉塵輸送狀態(tài)分別呈現(xiàn)為均勻流、管底流、疏密流和集團(tuán)流形式，其中均勻流是粉塵輸送的理想狀態(tài)。研究表明，均勻流所需的最小風(fēng)速與粉塵顆粒的懸浮速度有關(guān)，其最小風(fēng)速通常比粉塵顆粒的懸浮速度大10 倍［10］。利用風(fēng)速儀檢測除塵管道內(nèi)的實際風(fēng)速，若實際風(fēng)速小于粉塵輸送的最小風(fēng)速，則管道內(nèi)的粉塵輸送狀態(tài)會以疏密流或集團(tuán)流形式存在，此時粉塵容易沉積在管道中。為確保管道內(nèi)粉塵輸送以均勻流形式存在，粉塵顆粒的最小風(fēng)速應(yīng)大于18 m/s。現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，除塵主管內(nèi)實際風(fēng)速大于18 m/s，但兩條除塵支管內(nèi)的實際風(fēng)速均小于18 m/s，由此判斷除塵支管內(nèi)粉塵輸送以疏密流或集團(tuán)流形式存在，這是導(dǎo)致管道出現(xiàn)堵塞的主要原因。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為解決除塵支管內(nèi)風(fēng)速偏低等問題，在不更換風(fēng)機(jī)的前提下對制絲線除塵系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。由圖2 可見，改進(jìn)后斷開除塵主管與除塵支管2 的連接法蘭，用密封蓋封住法蘭口；斷開除塵支管2與分支除塵器n的連接法蘭，用通風(fēng)網(wǎng)蓋封住法蘭口，并將此處改造為進(jìn)風(fēng)口；在分支除塵器1 與分支除塵器2 之間，用相應(yīng)尺寸的管道和彎頭將兩者的風(fēng)管連接，管道與彎頭的連接處確保密封良好、不漏風(fēng)；采用耐磨彎頭，并將彎頭的曲率半徑設(shè)定為管道直徑的2 倍。改進(jìn)后集中除塵系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖2 改進(jìn)后集中除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of centralized dust removal system after modification

表2 改進(jìn)后集中除塵系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of centralized dust removal system after modification

2.1 除塵管道

改進(jìn)后將兩條并聯(lián)的除塵支管改為串聯(lián)連接，離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量不再均分到兩條支管中，管道中風(fēng)速明顯提高。在不考慮阻力損失情況下，離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速計算公式為［11］：

式中：va為離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速，m/s；Q為風(fēng)量，m3/h；ε為漏風(fēng)系數(shù)（取值1.1～1.2，系統(tǒng)密封性越好，ε取值越?。?；R為管道半徑，m。

我笑了笑，繼續(xù)關(guān)注場上的情況。威爾和艾爾對峙了幾秒鐘，比起之前的出手他們現(xiàn)在更猶豫了。威爾輕輕拂去擋住眼睛的頭發(fā)。他們看了看老四，好像在等著他叫停，可老四仍然雙手抱在胸前，沒有做出任何反應(yīng)。離他一兩米遠(yuǎn)的地方，艾瑞克看了看表。

在實際工況下，煙草粉塵在除塵管道內(nèi)流動時，因受阻力影響會產(chǎn)生加速阻力損失ΔPa、摩擦阻力損失ΔPmf、懸移阻力損失ΔPst、局部阻力損失ΔPj以及恢復(fù)阻力損失ΔPmah等［12］，各項阻力損失的計算公式分別為：

式中：ΔPa為加速阻力損失，Pa；ρa為空氣密度，kg/m3；m為空氣與粉塵的質(zhì)量流量比；va為離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速，m/s；vx為粉塵顆粒懸浮速度，m/s。

式（6）～式（9）中：ΔPmf為摩擦阻力損失，Pa；m為空氣與粉塵的質(zhì)量流量比；k為摩擦阻力損失附加系數(shù)；λa為空氣摩擦阻力系數(shù)；L為管道長度，m；D為管道內(nèi)徑，m；ρa為空氣密度，kg/m3；va為離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速，m/s。

式中：ΔPst為懸移阻力損失，Pa；ρa為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；m為空氣與粉塵的質(zhì)量流量比；va為離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速，m/s；vx為粉塵顆粒懸浮速度，m/s。

式（11）和式（12）中：ΔPj為局部阻力損失，Pa；εb為氣-固兩相流在彎頭內(nèi)的摩擦阻力系數(shù)；ρa為空氣密度，kg/m3；va為離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速，m/s；kb為彎頭局部阻力附加系數(shù)（表3）；m為空氣與粉塵的質(zhì)量流量比；α為彎頭角度，（°）；R為彎頭曲率半徑，m；D為管道內(nèi)徑，m。

表3 不同彎頭局部阻力附加系數(shù)kbTab.3 Local resistance additional coefficient kb of different elbows

式中：ΔPmah為恢復(fù)阻力損失，Pa；ρa為空氣密度，kg/m3；m為空氣與粉塵的質(zhì)量流量比；vx1為彎頭進(jìn)口處物料速度，m/s；vx2為彎頭出口處物料速度，m/s。

受各類阻力損失的影響，離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速會降低，降低后的風(fēng)速稱為實際風(fēng)速，實際風(fēng)速vb與風(fēng)機(jī)全壓wp的關(guān)系為：

式中：wp為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；ΔPa為加速阻力損失，Pa；ΔPmf為摩擦阻力損失，Pa；ΔPst為懸移阻力損失，Pa；ΔPj為局部阻力損失，Pa；ΔPmah恢復(fù)阻力損失，Pa；ρa為空氣密度，kg/m3；vb為實際風(fēng)速，m/s。

根據(jù)式（4）～式（14）計算可得，改進(jìn)后除塵管道內(nèi)實際風(fēng)速為28.1～31.5 m/s，遠(yuǎn)大于改進(jìn)前除塵支管內(nèi)的風(fēng)速，也遠(yuǎn)大于粉塵輸送所需的最小風(fēng)速18 m/s，可有效避免除塵管道內(nèi)的粉塵顆粒因風(fēng)速偏小而出現(xiàn)沉積或堵塞管道現(xiàn)象。

2.2 除塵管道彎頭

2.2.1 彎頭曲率半徑

氣流在通過管道彎頭時，因受管道走向轉(zhuǎn)變、管壁摩擦等因素的影響會遇到較大阻力。當(dāng)管道彎頭內(nèi)側(cè)氣流轉(zhuǎn)向半徑較小，氣流被迫轉(zhuǎn)彎時，受管道內(nèi)壁逆向流動特性的影響，容易形成渦流；當(dāng)管道外側(cè)曲率半徑較大時，外側(cè)氣流受內(nèi)側(cè)氣流沖擊，容易導(dǎo)致外側(cè)氣流的局部壓力增大，壓力不平衡會改變粉塵顆粒的運動軌跡，粉塵顆粒間相互作用，造成彎頭處氣流動能的阻力損失較大［13］。實際經(jīng)驗表明，當(dāng)彎頭曲率半徑小于管道直徑2 倍時，除塵管道內(nèi)容易出現(xiàn)粉塵沉積或堵塞管道現(xiàn)象。為了將彎頭對氣流動能造成的阻力損失減至最小，彎頭曲率半徑取值應(yīng)為管道直徑的2～2.5 倍［14］。為此，改進(jìn)后將彎頭曲率半徑由管道直徑的1.5 倍增加至2 倍，具體尺寸見圖3。

圖3 改進(jìn)后彎頭尺寸示意圖Fig.3 Schematic diagram of elbow size after modification

2.2.2 耐磨彎頭

煙草粉塵顆粒通過彎頭時對管道內(nèi)壁的沖擊和摩擦?xí)?dǎo)致內(nèi)壁磨損，造成彎頭內(nèi)壁摩擦系數(shù)升高，進(jìn)而使粉塵出現(xiàn)沉積。磨損后的彎頭容易開裂，造成管道漏風(fēng)，影響粉塵輸送。為避免彎頭內(nèi)壁磨損，改進(jìn)后選用了耐磨彎頭，由彎頭和耐磨管件組成，耐磨管件包括外殼、阻流板及耐磨填料等［15］。耐磨彎頭結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，可顯著提高彎頭的使用壽命。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

設(shè)備：4 條制絲生產(chǎn)線分別為8 000 kg/h 葉絲線、3 000 kg/h 葉絲線、2 000 kg/h 梗絲線和 570 kg/h干冰膨脹煙絲線（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南京卷煙廠）。

測試方法：①8 000 kg/h 葉絲線和3 000 kg/h葉絲線同時生產(chǎn)；②8 000 kg/h 葉絲線、3 000 kg/h葉絲線和2 000 kg/h 梗絲線同時生產(chǎn)；③8 000 kg/h葉絲線、3 000 kg/h 葉絲線和570 kg/h 干冰膨脹煙絲線同時生產(chǎn)；④4 條生產(chǎn)線同時生產(chǎn)。4 種方案測試周期均為7 d，每天運行8 h，分別統(tǒng)計改進(jìn)前后集中除塵系統(tǒng)管道風(fēng)速，取平均值；對集中除塵系統(tǒng)的運行情況進(jìn)行測試，測試周期為6 個月，分別統(tǒng)計改進(jìn)前后管道堵塞次數(shù)和停機(jī)維修時間，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表4 可見，改進(jìn)前集中除塵系統(tǒng)兩條除塵支管風(fēng)速分別為15.7 m/s 和15.4 m/s，低于最小風(fēng)速18 m/s；改進(jìn)后管道風(fēng)速提高至29.4 m/s，系統(tǒng)運行良好，較好地滿足了生產(chǎn)需求。

表4 改進(jìn)前后集中除塵系統(tǒng)管道風(fēng)速對比Tab.4 Air velocities of centralized dust removal system before and after modification （m·s-1）

由表5 可見，集中除塵系統(tǒng)管道堵塞故障由改進(jìn)前的4.5 次/月減少到0.17 次/月，因管道堵塞造成的停機(jī)時間由約355 min/月降低到10.8 min/月，減少了維修工作量，提高了設(shè)備運行穩(wěn)定性。

表5 改進(jìn)前后管道堵塞次數(shù)與停機(jī)維修時間對比Tab.5 System blockage and down time for maintenance of centralized dust removal system before and after modification

4 結(jié)論

基于氣-固兩相流理論和風(fēng)速計算方法，在不更換風(fēng)機(jī)的前提下對制絲線集中除塵系統(tǒng)的管道結(jié)構(gòu)及彎頭進(jìn)行了改進(jìn)。將兩條并聯(lián)連接的除塵支管改為串聯(lián)連接，使管路結(jié)構(gòu)更簡潔；采用耐磨彎頭，并將彎頭的曲率半徑設(shè)定為管道直徑的2倍，提高除塵管道內(nèi)風(fēng)速。以南京卷煙廠的4 條制絲生產(chǎn)線為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：改進(jìn)后集中除塵系統(tǒng)運行良好，管道內(nèi)風(fēng)速提高14 m/s，達(dá)到29.4 m/s，遠(yuǎn)大于粉塵輸送所需的最小風(fēng)速18 m/s；管道堵塞次數(shù)減少4.33 次/月，停機(jī)時間減少344.2 min/月，較好地解決了粉塵輸送過程中管道堵塞問題，提高了設(shè)備運行效率。