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湿式文丘里洗涤除尘器

作者:广州新瑞环保     来源:www.xinruiep.com     发布时间:2018-05-23 13:40:33

电视剧《生活大爆炸》的粉丝们都很熟悉角色之间的戏谑,称物理学家对工程师的优越性。物理学家Sheldon Cooper博士发表的一篇文章声称,他声称拥有物理学家对工程师的智力优势,比如“工程学仅仅是物理学的慢弟弟”,旨在提供幽默感。然而,物理定律严格地说明了工程师使用的公式来预测文丘里除尘器从气流中去除颗粒物(PM)的性能。

在文丘里除尘器中,收集对象是液滴。其直径是速度、液体流量和流体性质的复杂函数。通常,离心风机安装在文丘里除尘器的上游(强制通风)或下游(诱导通风)。风机为携带PM的气流提供动力。气体在会聚入口处被加速至喉部速度。气体然后通过咽喉,PM遇到液滴(障碍物)。

影响液滴的颗粒可通过将其收集在气旋(离心)或人字形(冲击)除雾器中而容易地从大部分气流中分离出来。不影响液滴的颗粒“穿透”除尘器并与气流一起排出。

湿式文丘里除尘器

一些文丘里除尘器是由善意的工程师设计的,旨在简化这些物理定律以努力生产出具有竞争力的产品。然而,物理定律要求设计合理的文丘里除尘器必须包括三个关键要素:一个会聚入口,一个确定的文丘里喉管和一个膨胀节。只要设计中的快捷方式排除了三个关键因素中的任何一个,文丘里除尘器的效率就会降低,并且会消耗多余的能量,而未达到预期的PM收集效率。本文重点介绍了湿式文丘里除尘器的重要设计因素,并解释了为什么设计中的快捷方式会造成文丘里除尘器在捕获PM时效果不佳。

进口

在如图1所示的湿法文氏管除尘器中,气体以径向方式引入,并且提供洗涤液以完全润湿入口部分。气体以这样的方式引入,一旦它离开入口气体喷嘴,它就不会接触到干燥的壁。气体可以接触的唯一表面已经被液膜润湿,所以不会发生固体沉积。

湿式文丘里管除尘器的示意图

图1:湿式文丘里管除尘器的示意图

喉管

文丘里除尘器可以作为固定流量或可变流量设备。在固定喉管文氏管中,气流必须保持恒定以保持稳定的压差和收集效率。在变流文氏管中,喉部可调节。当遇到减少的气流条件时,喉管阻尼器的位置可以改变以保持恒定的压差,并且可以保持收集效率。

设计合理的文丘里除尘器包括一个会聚入口,一个确定的文丘里喉管和一个膨胀器部分。 如果没有全部三个关键设计组件,除尘器效率不高,并且浪费了过多的能量而没有实现所需的PM收集。

文丘里管

图2:设计合理的文丘里除尘器包括一个会聚入口,一个确定的文丘里喉管和一个膨胀器部分。如果没有全部三个关键设计组件,除尘器效率不高,并且浪费了过多的能量而没有实现所需的PM收集。

影响文丘里除尘器中PM收集的物理机制包括惯性(惯性撞击)、扩散、静电、布朗运动、成核和生长以及凝结。虽然所有这些机制都影响收集,但主要现象是惯性冲击。

当在给定粘度的气流中捕获给定直径和密度的颗粒时,两个主要变量影响收集效率(如前所述,允许碰撞是主要机制):

  1.       气体和收集对象之间的相对速度

  2.       收集对象的特征维度

为了发生惯性碰撞,尘埃颗粒必须碰到液滴。这是怎么发生的?灰尘颗粒相对于液滴的相对速度(动量)越大,灰尘颗粒将与液滴碰撞并被捕获的可能性越大。举例说明:有人驾驶汽车沿路行驶,空气中充满了飞虫。汽车行驶越快,昆虫就越有可能撞击挡风玻璃。在这个比喻中,臭虫是尘埃颗粒,而汽车是液滴(除尘器)。

文氏管是一种众所周知的装置,用于将流体流加速至高速,并以最小的能量损失将其恢复至其初始速度。这就是为什么文丘里管是高速风洞中的一个组成部分。因此选择文氏管作为接触气体和液体以从气体中除去最大PM的最有效方法是自然的。

液滴可以在除尘器中以两种不同的方式产生。最常见的就是让高速气体雾化液体。这消耗一些能量作为风机马力。当这些液滴进入喉部并遇到高速气流时,它们会爆炸成数千个较小的液滴(雾化)。

第二种方法是用喷嘴雾化液体。在这种情况下,用于雾化液体的能量由泵马力提供。通过使用这两种技术都不能实现大量节能,但高压喷嘴技术仅限于将清洁的液体流送入文氏管,限制其在再循环洗涤液时的应用。

文丘里除尘器

扩展器部分

当气体离开洗涤喉管时,它携带了所有的液滴,现在已经达到了近似于气流的速度(见图2)。在膨胀机部分,气体随着横截面积的增加而减慢。一些来自液滴的动能转移回气流,导致回收部分加速气体至喉部速度所需的能量。这种能量重新获得了文丘里除尘器与任何其他类型的湿式除尘器的区别。一旦气体充分减速以减少额外的湍流损失,它将被引导至旋风分离器/除雾器,在那里与气流分离。

术语“压降”是指文氏管除尘器入口处的气体与文丘里除尘器排出的气体之间的静压差。图3是文丘里除尘器的典型压力曲线。随着气体加速,气流中的压力降低到喉部的最低点。随着气体在膨胀器部分开始减速,压力升高并达到仅略低于入口压力的水平。A和D之间的差值(进口和出口压力)或压降表示清洗过程中消耗的能量。如果省略了膨胀机部分,则消耗的能量更大并显示为A和C之间的差异。

Calvert方程可用于预测给定喉道速度的实际压降。Calvert方程表示:

压降计算公式

在饱和条件下,压降等于将液体加速到气体速度所需的功率。这不是100%准确的,因为它没有考虑到:

  1.       文丘里摩擦损失

  2.       液体不会加速到全速气体的可能性

  3.       当液体将动量转移回膨胀器部分的气体时

然而,除非液体与气体的比例非常高(L/G),这种计算方法预测的压降相当好。大多数文丘里除尘器设计的L/G在每千次acfm 7至10 gpm之间,实际上性能没有变化当在除尘器上的压降保持恒定时,在这个液体流量范围内发生。较低的L/G不能正确地将液体分布在喉部。较高的L/G浪费了加速多余液体的能量,没有收集效率的好处。

文丘里除尘器大小

在计算出所需的压降后,文丘里除尘器的尺寸必须确定。通常,除尘器的所有尺寸都来自洗涤喉的尺寸。因此,对于给定的除尘器,设计师可以使用Calvert方程或经验速度对微分压力曲线来确定给定饱和气体流量的喉部尺寸。请注意,使用饱和气体流量而不是热的入口气体流量对于确定喉咙的大小非常重要。

当热的烟道气流进入喉部时,它立即淬火至其饱和温度,并且流速大幅降低。如果喉部按不饱和热气流量计算,则对于大多数应用来说,这将是非常大的,并且不能实现所需的收集效率。还必须选择风机来处理所需的气体流量。风机的尺寸取决于风机的实际气体流量,而不一定是饱和气体流量,特别是在强制通风侧。最后,还必须设计泵、管道、风管和储罐以补充文丘里洗涤系统的设计参数。

对于给定的颗粒大小和给定的喉道速度,可以凭经验确定将由文丘里除尘器收集的颗粒部分。这表示给定粒径的分数效率。在给定的喉速下,如果所有经验分数效率点相对于粒径绘制,则产生给定压降或喉速度的收集效率曲线。通常情况下,收集效率曲线是针对变化的压降而非喉道速度绘制的,因为这提供了关于风机要求的信息。

文丘里除尘器的典型压力曲线

图3:文丘里除尘器的典型压力曲线

经验、测试和采样的重要性

为了针对特定应用正确设计文丘里除尘器,需要以前使用类似应用的经验,在源上测试文丘里除尘器或对源进行充分采样以确定PM的特性。在从气流中去除PM的颗粒尺寸分布和比重的情况下,如果收集效率曲线作为给定压降下的颗粒直径的函数是可用的,则将通过除尘器而未被收集的PM的分数可以被计算。

制造商已经为他们特定的文氏擦洗系统开发了他们自己的设计和上浆工艺。它们涉及预测各种直径和比重颗粒的分级去除效率。然后将分数去除效率相对于粒度分布作图,以确定达到该应用所需的总PM去除效率所需的压差。文丘里除尘器系统通常包括辅助部件,如再循环罐、再循环泵、液体处理系统、强制通风或引风机、以及预接线控制和仪表。

设计合理的文丘里除尘器包括一个会聚入口,一个确定的文丘里喉管和一个由物理学定义的膨胀节。没有所有三个关键设计组件的设计中的快捷方式创建了效率不高的文丘里除尘器,并且浪费了过多的能量而没有实现所需的PM收集。