乙炔发生器除尘系统的设计与改进

张国林 王宝中

华北理工大学 机械工程学院 河北唐山 063000

随着我国化工业的高速发展，乙炔的需求量和生产量得到了大幅度提升，然而乙炔气体的湿法制取过程却离不开电石原料，该原料的主要成分是碳化钙，遇水后会发生剧烈的反映，释放出大量的热量。为了解决化工业所面临的这些难题，很多学者对电石粉尘的产生过程和运动过程进行了相关研究，并根据电石粉尘的一些特性提出了粉尘除尘器的想法。随后，该行业便涌现出很多种类型的除尘器，其中包括机械除尘器、袋式除尘器、电除尘器和湿式除尘器，由于以上除尘器都各具优点和缺点，并不是最佳的除尘方案，因此本文根据以上除尘器的设计原理和缺陷，提出了新的除尘器[1]。

1 除尘器的原理及类型

1.1 机械除尘器

机械除尘器是通过重力、惯性力或者离心力等机械力将粉尘颗粒从气流中除去的设备。其中重力除尘器是通过改变气流的方向使气压发生变化，从而使颗粒物受重力的影响而发生沉降。

该除尘器适用于粉尘颗粒较大的气流，主要偏向于离心力除尘，其除尘特点是结构简单、耗资较低、气体流动阻力小，但是除尘效率并不高。其除尘性能受表1所示因素影响：

该除尘器造价比较低、维护管理方便，适合高温高湿烟气，耐腐蚀性气体除尘。其优点是价格低、阻力小、处理风量大且除尘性能稳定，然而对粉尘颗粒直径在10mµ以下的颗粒物去除率较低，当气体含尘浓度较高时，这类除尘器可作为初级除尘，以减轻二级除尘的负荷[2]。

1.2 袋式除尘器

袋式除尘器也称为干式空气过滤装置，该装置是通过多孔过滤介质（滤布或毡）分离气体中的固体或液体，使含尘烟气靠惯性碰撞、扩散、筛分、滞留、扩散和静电等作用进行过滤，适用于过滤细小、干燥和非纤维性粉尘。

袋式除尘器由入气口、排气口、吸气阀、充气阀、滤袋、风机、直筒外壁、锥体外壁和储灰斗组成，烟气从入气口被吸入后在挡风板的作用下，气流风板向上流动，流速降低，部分大颗粒粉尘由于惯性力的作用被分离出来掉落至储灰斗中，而小颗粒物随着气体流入除尘布袋中进行过滤。其中部分粉尘会被卡在滤袋的表面上，净化后的气体经过滤袋口进入上箱体，由出风口排出。随着上述流程的不断持续，滤袋表面的粉尘会不断增加，从而导致除尘器进出口的压力差也随之上升。当除尘器内部的压强达到工艺系统设定阈值时，控制系统发出指令控制相应的电磁阀进行开关和闭合，使两侧滤袋的气流反向流通，通过滤袋的膨胀和收缩性能完成滤袋的除尘。

1.3 电除尘器

电除尘器是将含有粉尘颗粒的烟气通过接有高压直流电的极板后，在阴极板和阳极板之间形成的高压电场下电离极板内部的空气，产生沿电场方向运动的电离子。带负电的气体离子在电场力的作用下向阳板运动，在运动过程中与粉尘颗粒相碰使粉尘颗粒带上负电荷，带电粉尘在电场作用下向阳极板运动并沉积在阳极板上。当带电烟尘颗粒物在极板上达到一定厚度时，在自身重力和外界振动的作用下跌落到除尘器下方的储灰斗中，从而达到清除烟气中的烟尘的目的。

电除尘器由入气口、排气口、设备支架、均风板、清灰机、储灰斗、阴极板、阳极板、高压控制柜和电极振动器等组成，其主体是钢结构，外表面覆盖着保温材料和薄钢板。为了使电除尘器的制造和安装更加方便，其内部结构采用分层形式，每片电极板安装在一块大的钢板上并做机械固定。该除尘器与其它除尘器除尘过程的根本区别在于电场力是直接作用在颗粒物上，而不是整个气流，这就除尘原理就决定了除尘的效率、能耗和气体阻力的大小。

1.4 湿式除尘器

湿式除尘器也称为除雾器，它能使含尘气体与雾化水密切接触，利用雾化水滴和电石粉尘颗粒的混合作用捕集电石颗粒物，使粉尘颗粒增大后滞留于固定容器内达到水和粉尘分离的效果。该除尘器可以有效地将直径小于为mµ5的粉尘颗粒物从气流中除去，同时也能脱除部分气态污染物。它具有结构简单紧凑、占地面积小、操作及维修方便和净化效率高等优点，能够处理高温、高湿的气流，将着火、爆炸的可能减至最低，每秒可以处理5到 7 m3的电石含尘气流，其占地面积约为4平方米，耗水约1吨/小时，使用寿命可达5到8 年[3]。

该除尘器由排气口、高压气泵、加水口、入气口、储灰斗、金属壳体、保温层和喷雾器组成，将水浴和喷淋两种形式合二为一。其工作过程是：首先利用高压气泵将除尘容器内的空气排出，使容器内部产生较大的负压；然后把电石粉尘气体吸入到除尘器的容腔内，通过高压喷头则由上向下喷洒雾化水，通过水浴方式把一部分灰尘吸附在水中；最后经过气固体分流后，净化气体从排气口排出，过滤出的渣浆液流入到储灰斗中。结果河北某化工公司的时间证明，该除尘器的过滤效率可达85%以上。但该除尘器的缺陷也很明显，在使用过程中，需要特别注意设备和管道腐蚀及污水和污泥的处理问题，否则会造成二次污染；同时，该除尘器消耗水量较大，在天气寒冷是需要采取防冻措施。

2 存在的问题

在设计电石除尘器的时候，不仅要根据电石除尘的特点和要求来设计，还要考虑除尘的方案是全面除尘还是局部除尘。如果采用全面除尘的设计方案，虽然简单易行，但是需要的占地面积较大，能源消耗较高，维修也不方便。如果采用局部除尘的设计方案，需要考虑电石粉尘的产生位置，在整个乙炔生产的工艺链条中，电石粉尘的产生主要在电石的生产、破碎和运输过程中，需要对这些电石粉尘产生的位置分别进行处理和收集，该方案虽然设计难度大于全面通风设计，但是能耗低，占地面积小，除尘效率高[4]。

图1 改进后湿式除尘器结构图

通过对上述四种常用除尘器的类型和原理的描述，可以发现目前现有除尘器在电石粉尘的处理上都存在一定的缺陷。机械除尘器的结构简单、造价低、处理风量大、维护虽然方便，但是它对颗粒物直径在10um以下的尘粒去除率较低，满足不了电石除尘的要求，因此需要更换其他方案。袋式除尘器的除尘效率虽然高，处理粉尘的颗粒直径范围也大，但是不适用于温度较高或者颗粒物浓度较高的烟尘，否则不仅会增加除尘器的阻力，甚至会破坏滤袋的表面，导致除尘失败。由于电石的生产和破碎过程聚均会产生大量的热量，因此各种类型的袋式除尘器均不满足电石除尘的要求，需要更换其它除尘方案。而电除尘器的自动化程度和除尘效率虽然高，但是该机器的制造和维护比较复杂，对工作人员的操作、运行、维护管理都有较高的要求，如果除尘过程中电压不足或者颗粒物浓度较高的话，会造成粉尘二次飞扬。由于电石的破碎和运输过程中均会产生大量的粉尘，如果除尘过程中电压不足或者机器故障导致了除尘失败，会严重影响乙炔的生产效率和人员的身体健康。因此各种类型的电除尘器均不满足电石除尘的要求，需要研究人员做进一步的改进。利用湿式除尘器除尘属于局部除尘方法，其结构一般比较简单紧凑、占地面积小、操作及维修方便和净化效率高，能够处理高温、高湿的气流。综合以上实际情况的考虑，本文采用基于湿式除尘器的除尘方法。

3 湿式除尘器的设计和改进

通过上述除尘方案的介绍可知，电石粉尘具有流量大、颗粒物浓度高、温度高等特点，使众多类型的除尘器都不能直接应用。本文在考虑除尘方案的设计上，不仅要结构简单、占用空间小、除尘净化效率高，而且降低了制作和维护成本，因此本文选择了基于湿式除尘器的除尘方法。鉴于湿式除尘方式在设备和管道腐蚀、污水和污泥的处理及防冻问题存在的不足，本章对湿式除尘器结构进行相应优化改进，其结构图如图1：

从图1可以看出，改进湿式除尘器由入气口、排气口、温度调机器、供电单元、渣浆过滤器、水泵、储灰斗、电机、钢结构主体、胶质层、保温层、入气口冷却槽、加水口和电磁阀门构成，相对于湿式除尘器来说，改进后的除尘器增加了以下几个方面：入气管道加长，伸入到水面以下，防止灰尘粘贴在除尘器的管壁上；增加了渣浆过滤器，使粉尘凝聚物和水分开，循环利用过滤水；增加了入气口冷却槽，保证气体在进入水中后，直接进行冷却；增加了胶质保护层，使水与钢结构分开，保证了钢结构不被腐蚀损坏；增加了水温调节器，避免水温太高产生水雾，也能够防止水温太低导致结冰；增加了水喷系统，当吸气口被灰尘堵塞时候，可以从排气口充气，使水冲洗入气口管道，保证除尘的顺利进行。其工作流程为烟气从入气口被吸入后进入水中，其粉尘颗粒物与水碰撞凝聚成大的颗粒物后沉降在水底。此时电磁阀门打开，将底层形成的渣浆流入到渣浆过滤器中。在电机的驱动下，渣浆过滤器以100 min/r转动着，将水从管壁的漏孔中流出，并将过滤出的渣子沿着螺旋管壁输送到储灰斗中。水箱中的水量通过水泵用自来水和净化水进行补充，保持其总水量在水箱的50%左右。水温调节系统则一直检测水箱的温度，并将该温度保持在1-50度，防止水雾的产生和水的结冰。

该过滤器由过滤孔和螺旋挡板组成，其筛孔的大小由所在工艺决定。随着过滤器的旋转，渣浆在螺旋管壁内不断转动，由于水分子较小，可以从过滤孔中流出，而大分子凝聚物则被螺旋挡板输送至储灰斗中。改进后的除尘器工作流程图如图2所示：

图2 改进湿式除尘器的工作流程图

4 结语

本章为解决电石制乙炔生产过程中产生的粉尘问题，首先分析了机械除尘器、袋式除尘器、电除尘器、湿式除尘器几种典型除尘器的基本结构、工作原理和优缺点，其次结合实际生产需求、能耗等客观条件确定了基于湿式除尘器的除尘方案，最后鉴于湿式除尘器在设备和管道腐蚀、污水和污泥的处理及防冻问题存在的不足，对其结构进行了相应的设计与改进[5]。