四氧化三錳除塵裝置的分析和改進

廖明鋒

(湖南特種金屬材料廠,湖南長沙 410013)

0 前言

近幾年隨著電子行業的飛速發展,作為軟磁原料的四氧化三錳需求也急劇增加,其生產規模也不斷擴大,隨之暴露出來的問題也日益明顯。特別是在四氧化三錳生產過程中,由于其粒度較小,密度不大,在烘干后會產生大量粉塵,如果排入空氣中會產生很大的空氣污染,同時也會因為成品流失而造成一定的經濟損失[1]。目前廣泛應用在四氧化三錳中的除塵方式一般有3種：旋風除塵、布袋除塵和濕式除塵,分別作為除塵的第1、第2和第3級,但是現有的除塵設備難以收到理想的除塵效果,因此尾氣的除塵和回收一直是一個有待改進的問題,下面將深入地介紹各個設備的工作原理和設備及改良后的工作效果。

1 旋風除塵器

旋風除塵器,在四氧化三錳除塵中通常作為第1級。除沉機理是使含塵氣流作旋轉運動,借助于離心力使四氧化三錳塵粒從氣流中分離并捕集于器壁,再借助重力作用使塵粒落入灰斗(如圖1)。旋風除塵器于1885年開始使用,已發展成為多種型式。

普通旋風除塵器由簡體、錐體和進、排氣管等組成。旋風除塵器結構簡單,易于制造、安裝和維護管理,設備投資和操作費用都較低,已廣泛應用于四氧化三錳的除塵上。在普通操作條件下,作用于粒子上的離心力是重力的5～2 500倍,所以旋風除塵器的效率顯著高于重力沉降室。從技術、經濟等諸多方面考慮旋風除塵器壓力損失控制范圍一般為500～2 000 Pa。如何減少壓力損失并提高除塵效果,是四氧化三錳除塵的一個重要步驟。

圖1 旋風除塵器

1.1 造成旋風除塵器壓力損失的主要原因

1)進氣管的流動損失。

2)氣體進入旋風器內,由于流通截面的突變而膨脹或壓縮,旋轉造成的損失。

3)氣體在桶體內與桶體的摩擦而造成的損失。

4)流經排氣管的阻力。

除塵器阻力可以通過公式計算為：

式中 ΔP——流動阻力(壓力損失)(Pa)；

ρ——進口氣流密度(kg/m3)；

v——進口氣流速度(m/s)；

ξ——流動阻力系數,無量綱。

ξ經過實驗反復計算為：

式中A——進口截面積；

D1——除塵器桶體外徑；

D2——排氣管外徑；

H1——桶體直段高度；

H2——桶體椎段高度。

1.2 減少壓力損失的方法

一般來說,除塵器壓力損失應該控制在0.5～2.0 M Pa之間,通過分離器的改造可以,可以減少阻力損失。

1)入口阻力的減少,氣體進入旋風除塵器內因為膨脹和摩擦造成的損失,改進的方法是將排氣管偏置,如圖2所示,偏置后能帶來阻力的大幅度降低,究其原因,偏置后的排氣管改變了除塵器內的流場,不僅使得排氣管避開了入口氣體的膨脹影響,還使得原來單側進氣方式造成的沿排氣管外壁90(°)～180(°)的滯留層由于氣體的加速而消失,從而改善分離效果。

圖2 排氣管偏置

2)出口阻力的減少,分離過程的結尾,內漩渦從排氣管排出的過程中,排氣流和排氣管內壁的強烈摩擦造成的副壓強漩流,影響分離器的阻力,改進方法是增大排氣管的管徑,在排氣管的管中設減阻桿,設置出口導流葉片,加裝減漩渦殼等。

3)灰斗阻力,由于旋轉矩不變的原理,在分離器末端,旋轉運動達到最強,氣流的湍流速度也達到最強,高速旋轉的氣流擺脫壁面的束縛而沿桶體中線向上排出,形成內漩渦,四氧化三錳顆粒沿桶壁進入灰斗而被分離,次過程需要消耗大量能量,成為整個旋風分離器阻力的重要部分。如果對灰斗進行一定的改造(如圖3),則能使氣體在湍流強度很強之前就進入灰斗,隨著空間的增大,氣流的湍流程度重新降低,從而降低其灰斗阻力[2]。

圖3 改進后旋風除塵器

通過反復實驗表明：經過改進后的旋風除塵器除塵效果更好。表1是采用改進前后兩種旋風除塵效果的數據對比。

表1 改進前后兩種旋風除塵效果對比

由表1數據可知,改進前旋風4個樣品平均的除塵率為80.3％,改進后的除塵率為89.2％,有比較顯著的提高,在四氧化三錳實際生產中通常采用串聯的方法,除塵效果更好。

2 布袋除塵器

布袋除塵器,工作機理是含四氧化三錳粉塵通過過濾材料,塵粒被過濾下來,過濾材料捕集粗粒的粉塵主要靠慣性碰撞作用,捕集細粒的粉塵主要靠擴散和篩分作用,濾料的粉塵層也有一定的過濾作用。在四氧化三錳的除塵中,布袋除塵是最為重要的一個環節。理論上布袋除塵率可以達到99％,但實際中由于漏風和阻力的影響而達不到,科學合理地計算布袋的袋數,過濾面積,分布以及減少漏風和阻力尤其重要。

2.1 負荷選擇的原則

1)壓力損失應該適當,因為在四氧化三錳除塵中,布袋除塵是采用第2級除塵,壓力損失應該在490～784 Pa。

2)氣體含塵濃度高時,應該選取低負荷,氣體濃度低時,應該選取高負荷。

3)除塵器連續操作時間長的選取低負荷,連續操作時間短的選擇高負荷。

4)清灰周期長的選取低負荷,清灰時間短的選取高負荷。

根據上述原則,四氧化三錳應該選取較低負荷,壓力損失控制在784 Pa以內。

2.2 過濾面積

1)過濾面積的確定：F=Q/q

式中F——濾袋過濾面積(m2)；

Q——處理含塵氣體量(m3/h)；

Q——負荷(每小時每平方濾布處理的氣體量,m3/hm2)。

2)濾袋袋數的確定：n=F/πDL

式中n——濾袋袋數；

F——負荷(m3/hm2)；

D——耽擱濾袋直徑(m)；

L——單個濾袋長度(m)。

濾袋直徑一般為100～600 mm,長度為2～5 m,便于清灰而采用上口小,而下口大,并留下相對較長的長度,當除塵器停車時,濾袋容易自行收縮,以提高濾袋自行清灰的能力。布袋除塵器除塵效果的優劣與多種因素有關,但主要取決于濾料。根據四氧化三錳的一些特性,布袋除塵器的濾料一般采用合成纖維,根據需要縫成圓筒形濾袋。根據本身的生產規模以及其他實際情況選取合適的布袋袋數、尺寸、以及濾料,同時注意檢查漏風的可能性,以達到更好的除塵效果[3]。但因為布袋容易破損,堵塞,老化,所以此方法一般采用在旋風除塵之后。

3 濕式除塵器

濕式除塵器俗稱“水除塵器”,它是使含四氧化三錳氣體與液體(一半為水)密切接觸,利用水滴和顆粒的慣性碰撞及其他作用捕集顆粒或使顆粒增大的裝置,現時生產的水除塵器是把水浴和噴淋兩種形式合二為一。先是利用高壓離心風機的吸力,把含塵氣體壓到裝有一定高度水的水槽中,水浴會把一部分灰塵吸附在水中。經均布分流后,氣體從下往上流動,而高壓噴頭則由上向下噴灑水霧,捕集剩余部分的塵粒。其過濾效率可達85％以上。水除塵器可以有效地將直徑為0.1～20μm的四氧化三錳粉塵從氣流中除去。它具有結構簡單、占地面積小、操作及維修方便和凈化效率高等優點,能夠處理高溫、高濕的氣流,很符合四氧化三錳尾氣特征。但采用濕式除塵器時要特別注意設備和管道腐蝕及污水和污泥的處理等問題。水除塵過程也不利于副產品的回收。如果設備安裝在室內,還必須考慮設備在冬天可能凍結的問題。再則,要使去除微細顆粒的效率也較高,則需使液相更好地分散,但能耗增大,如何更好達到理想的除塵效果呢？現在提供一種新的水除塵方式(見圖4),能有效地解決尾氣粉塵問題,使尾氣能達到排放標準,減少環境污染,而且能很好的回收利用四氧化三錳粉塵。

圖4 改進后的水除塵器

其特征在于：所述旋流除塵器出口與湍流除塵器入口相貫連接,旋流除塵器內部設有水幕管,上方有環狀隔板,湍流除塵器內部設有水幕管,打開水幕可以使經過旋流除塵器的粉塵加濕后增加重量,并下降落在隔板上。所述湍流除塵器內部設有水幕管,使進入湍流除塵器的粉塵再次經水幕吸收后,經湍流除塵器除塵后排出。此裝置簡單,實用,操作方便,除塵效果好。表2為實際生產中分別在改進前后的取樣數據。

表2數據表明：改進后的平均除塵率達到82.1％,遠高于改進前的59.3％的平均除塵率。除塵后的粉塵平均濃度為15.3 mg/m3,遠遠超過國家排放標準空氣可直接排放。

表2 改進前后水除塵器的除塵效果對比

4 結語

環保節能作為當今社會的一個重要主題,已經越來越被關注,對于企業也是必須擔負的社會責任,四氧化三錳粉塵的回收利用,也是企業節約成本的一個重要手段。所以如何根據四氧化三錳自身生產的特性以及生產中的實際情況,深入了解其除塵原理并加以改進,采用更合理、更科學的除塵方式和設備,達到高效率的環保節能是非常有必要的。

[1]譚柱中,梅光貴,李維建,等.錳冶金學[M].長沙：中南大學出版社,2004.

[2]姜江,金晶,屈星星,等.傳統旋風除塵器的阻力影響分析與改進措施[J].上海電力,2008,21(3)：249-252.

[3]王作杰,李志軍,譚志洪,等,袋式除塵器傳統結構設計方法的改進[J].水泥技術,2010,(3)：95-97.