煉鋼用高真空布袋除塵器濾料阻力研究與應(yīng)用

朱浪濤，吳建龍，趙 騰，劉 蒙，曹海玲

( 中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

在高效率、快節(jié)奏的現(xiàn)代化煉鋼工藝中，轉(zhuǎn)爐、電爐等長(zhǎng)、短流程冶煉的鋼水僅為粗鋼或半成品鋼。要提高鋼的質(zhì)量，必須通過(guò)爐外精煉工藝進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高質(zhì)量、擴(kuò)大品種、降低消耗和成本、縮短冶煉時(shí)間、提高生產(chǎn)率、協(xié)調(diào)煉鋼與連鑄生產(chǎn)的配合等目的[1]。在鋼水進(jìn)行爐外真空精煉過(guò)程中，從鋼水中產(chǎn)生出的大量粉塵，會(huì)隨著工藝氣體進(jìn)入真空系統(tǒng)，為保護(hù)干式機(jī)械真空泵系統(tǒng)和蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)中的真空泵，需在真空泵前設(shè)置除塵器，對(duì)工藝氣體進(jìn)行凈化。布袋作為布袋除塵器的重要部件，其在使用工況下所表現(xiàn)出的性能優(yōu)劣將直接影響除塵器設(shè)備性能[2-10]，乃至整個(gè)爐外精煉工藝的順利進(jìn)行。布袋選擇不好，阻力過(guò)大，真空度無(wú)法保證，影響鋼水質(zhì)量；另一方面，阻力過(guò)大將導(dǎo)致真空泵抽氣時(shí)間長(zhǎng)，功率消耗大，且不能保證精煉工藝與轉(zhuǎn)爐及連鑄工藝的有效銜接，影響生產(chǎn)節(jié)奏。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼水精煉工藝中布袋除塵器在高真空度下使用時(shí)，其阻力的研究報(bào)道較少。為合理的設(shè)計(jì)布袋除塵器及整個(gè)精煉工藝設(shè)備的布局，對(duì)布袋除塵器濾料在高真空下的阻力進(jìn)行了研究，并于2016年7月公開(kāi)發(fā)表相關(guān)專利(專利公開(kāi)號(hào)：CN105784565B)，為高真空下布袋濾料的合理選型奠定了基礎(chǔ)。

1 布袋除塵器結(jié)構(gòu)

布袋除塵器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在壓差作用下，含粉塵煙氣從進(jìn)氣口進(jìn)入除塵器，通過(guò)濾袋過(guò)濾后，煙氣中的粉塵被截留在濾袋的外表面，而凈化后的煙氣自下而上由出氣口排出。待一個(gè)工序結(jié)束后，附著在濾袋外表面的粉塵顆粒，在脈沖反吹系統(tǒng)高壓反吹氣流的作用下，與濾袋分離并落入排灰下部系統(tǒng)[11-16]。在此過(guò)程中，布袋除塵器濾料的阻力顯得尤為重要，阻力過(guò)大則影響爐外真空精煉抽氣能力，阻力過(guò)小則布袋除塵器的除塵效果較差。

圖1 布袋除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

2 除塵器布袋阻力計(jì)算及分析

布袋除塵器的阻力是指含粉塵氣流通過(guò)除塵器時(shí)的壓力損失，通常用除塵器進(jìn)、出口的壓力差來(lái)衡量[17]。布袋除塵器的氣體阻力由干凈濾料的氣體阻力、濾袋表面工藝粉塵層的氣體阻力及除塵器結(jié)構(gòu)的氣體阻力組成，即

Δp=Δp1+Δp2+Δp3

(1)

式中,Δp1為濾料的氣體阻力，Pa;Δp2為濾袋表面粉塵層阻力，Pa;Δp3為除塵器結(jié)構(gòu)的氣體阻力，Pa。

2.1 濾料的氣體阻力

濾袋是布袋除塵器的關(guān)鍵部位，其材料阻力性能的優(yōu)劣直接影響布袋除塵器的除塵效果。根據(jù)爐外精煉處理的鋼水廢氣排放量，確定真空泵抽氣能力后，計(jì)算高真空下真空室和真空泵系統(tǒng)之間氣體通道內(nèi)的氣體平均體積流量Q，并核算布袋除塵器濾袋的有效過(guò)濾面積S，則高真空狀態(tài)下布袋除塵器氣流風(fēng)速v為

(2)

濾料透氣孔大小和稀薄氣體平均分子自由程相當(dāng),甚至更小，氣體的流動(dòng)已進(jìn)入非連續(xù)流區(qū)。因此，需要調(diào)整氣體粘度系數(shù)。根據(jù)以下氣體粘度修正公式計(jì)算μ實(shí)際廢氣動(dòng)力粘度系數(shù)

(3)

式中，μ0為常壓下廢氣粘度系數(shù)，kn為反應(yīng)氣體稀薄程度的物理量；kn可由式(4)確定

(4)

根據(jù)濾料阻力修正公式計(jì)算濾料氣體阻力系數(shù)

(5)

式中，ξ0為常壓下布袋阻力系數(shù)。常壓下布袋阻力系數(shù)ξ0可通過(guò)式(6)計(jì)算

(6)

式中，ΔP0為實(shí)驗(yàn)壓差，v0為在實(shí)驗(yàn)壓差下的濾料透氣量，μ0為常壓下廢氣粘度系數(shù)。

可得高真空下布袋過(guò)濾器濾料氣體阻力Δp1

Δp1=ξ·μ·v=3.14Pa

2.2 濾袋表面粉塵層阻力

含粉塵氣流經(jīng)過(guò)濾袋過(guò)濾后，部分粉塵在生產(chǎn)過(guò)程中或高壓脈沖反吹時(shí)脫落，但另一部分則可能進(jìn)入濾料并殘留在濾料中或繼續(xù)滯留在濾料表面[18-19]。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，再過(guò)濾表面粘附的粉塵逐漸堆積，形成粉塵層并對(duì)通過(guò)的氣流產(chǎn)生一定的阻力，該部分阻力稱為濾袋表面粉塵阻力。

在特定條件下，當(dāng)過(guò)濾速度相同時(shí)，Δp2隨著粉塵層厚度的增加而增大。而速度變化時(shí)，當(dāng)速度小于0.5 m/min時(shí)，Δp2基本不受粉塵層厚度的影響；當(dāng)速度大于0.5 m/min時(shí)，Δp2與粉塵層厚度呈正比[20]。粉塵層厚度L與εP數(shù)值有關(guān)，而εP不僅與氣流速度有關(guān)，還與粒子大小等有關(guān)。因此，濾袋表面粉塵層阻力Δp2與濾料、粉塵粒子大小及分布、含粉塵氣流的溫度及濕度等諸多因素有關(guān)。除塵濾筒上的粉塵層的阻力可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[21]

Δp2=2.3M1.2

(7)

式中，Δp2為粉塵層阻力，Pa；M為積塵后濾筒粉塵量，g/m2；

2.3 除塵器結(jié)構(gòu)的氣體阻力

除塵器設(shè)備結(jié)構(gòu)的氣體阻力，實(shí)質(zhì)上是氣體流通過(guò)設(shè)備各部分時(shí)所產(chǎn)生的阻力，主要包括除塵器筒體阻力和除塵器內(nèi)部孔板阻力。

2.3.1 除塵器筒體阻力

除塵器筒體阻力計(jì)算公式

(8)

式中，vh為氣體通過(guò)多孔板的速度，m/s；n為孔板中孔的數(shù)量；d為孔板中孔的直徑，m。

可得除塵器筒體阻力

式中，Δp3a為除塵器筒體阻力，Pa；ξa為材料的摩擦阻力系數(shù)；ρ為氣體密度，kg/m3；L為罐體有效高度，m；D為罐體有效直徑，m。

2.3.2 除塵器孔板阻力Δp3b

除塵器孔板阻力Δp3b計(jì)算公式

式中，Δp3b為除塵器孔板阻力，Pa；ξb為孔板阻力系數(shù)。

進(jìn)而可得除塵器結(jié)構(gòu)阻力

Δp3=Δp3a+Δp3b

3 討論與分析

如圖2所示為國(guó)內(nèi)某鋼廠真空精煉系統(tǒng)中使用的布袋除塵器，在生產(chǎn)過(guò)程中放氣量可折算成20 ℃，67 Pa狀態(tài)下的干空氣平均體積約1 050 000 m3/h，確定真空泵抽氣能力為1 100 000 m3/h。當(dāng)真空泵入口真空度達(dá)到67 Pa時(shí)，流經(jīng)布袋過(guò)濾器的氣體最大體積流量也取Q=1 100 000 m3/h，布袋直徑160 mm，長(zhǎng)度6 m，數(shù)量166條。

圖2 國(guó)內(nèi)某鋼廠布袋除塵器設(shè)備

3.1 濾料的氣體阻力

工藝中配置4臺(tái)布袋過(guò)濾器，且采取3用1備的操作方式。取3臺(tái)布袋過(guò)濾器總有效過(guò)濾面積S=1 350 m2，則67 Pa高真空下布袋的過(guò)濾風(fēng)速v

估算真空下的氣體分子平均自由程

式中，P為氣體絕對(duì)壓力，67 Pa。

估算布袋過(guò)濾氣體流通空間的幾何特征尺寸

式中，濾料綜合滲透率k=0.4～0.7 um2，取0.6 um2；濾料綜合孔隙率φ=0.8～0.9，取0.85。

估算反應(yīng)氣體稀薄程度的物理量

根據(jù)氣體粘度修正公式估算實(shí)際廢氣動(dòng)力粘度系數(shù)μ為

式中，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，20℃下廢氣粘度系數(shù)μ0=1.8×10-5Pa·s；

估算1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，20℃下濾料阻力系數(shù)ξ0

式中，在實(shí)驗(yàn)壓差ΔP0=200 Pa下，透氣量v0=30～120 L/dm2·min的濾料中，取v0=9 m/min的濾料；在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，20℃下，廢氣粘度系數(shù)μ0=1.8×10-54Pa·s；

根據(jù)布袋阻力修正公式計(jì)算濾料氣體阻力系數(shù)ξ為

計(jì)算高真空布袋過(guò)濾器濾料氣體阻力Δp1

Δp1=ξ·μ·v=3.14(Pa)

3.2 濾袋表面粉塵層阻力

根據(jù)現(xiàn)有布袋除塵器技術(shù)和氣體在大通徑設(shè)備仍然屬于連續(xù)狀態(tài)的特點(diǎn)，估算濾袋表面工藝粉塵層的氣體阻力Δp2為

Δp2=2.3M1.2=10.8 Pa

3.3 除塵器結(jié)構(gòu)的氣體阻力

由已知參數(shù)可得氣體通過(guò)多孔板的速度為

從而可得除塵器筒體阻力為

孔板的阻力為

進(jìn)而可得除塵器結(jié)構(gòu)阻力Δp3為

Δp3=0.08+5.7=5.78 Pa

高真空下通過(guò)布袋過(guò)濾器的氣體阻力Δp為

Δp=Δp1+Δp2+Δp3=19.9 Pa

在實(shí)際生產(chǎn)中，四臺(tái)布袋除塵器同時(shí)投入時(shí)，其工作狀況及前后壓差曲線如圖3所示，布袋除塵器入口真空度為66 Pa，出口真空度為58 Pa，高真空下通過(guò)布袋過(guò)濾器的氣體阻力Δp為

Δp=66-58=8 Pa<19.9 Pa

圖3 四臺(tái)布袋除塵器工作時(shí)工作狀況及前后壓差曲線

符合理論計(jì)算結(jié)果。

在實(shí)際生產(chǎn)中，三臺(tái)布袋除塵器同時(shí)投入時(shí)，其工作狀況及前后壓差曲線如圖4所示，布袋除塵器入口真空度為65 Pa，出口真空度為56 Pa，高真空下通過(guò)布袋過(guò)濾器的氣體阻力Δp為

圖4 三臺(tái)布袋除塵器入口及壓差曲線

Δp=65-56=9 Pa<19.9 Pa

符合理論計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)準(zhǔn)確估算高真空狀態(tài)下布袋除塵器濾料的氣體阻力，然后依據(jù)常壓下布袋綜合滲透率、綜合孔隙率、濾料透氣量等物性數(shù)據(jù)，判斷布袋有效過(guò)濾面和濾料種類的合理性，在保證粉塵過(guò)濾效果的同時(shí)，保證氣體阻力在鋼水精煉工藝要求條件內(nèi)，從而達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。