（环境工程专业论文）电容传感式布袋除尘器检漏技术研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 布袋除尘器因其具有较高的除尘效率而被广泛运用于各行各业的烟气除尘中。然而， 布袋除尘器在运行时往往容易出现布袋破损问题，导致其除尘效率下降，更会加重大气污 染。所以，准确地检测出破损滤袋并及时予以更换对保证布袋除尘器的高效稳定运行具有 重要意义。 为了消除传统布袋检漏方法存在的误报现象，提出了一种电容传感式布袋除尘器检漏 新方法，主要利用旋流子与布袋除尘器各个滤室相连接，通过电容传感器测量旋流子捕集 从布袋除尘器泄漏出来的粉尘量的多少来判断布袋是否破损。同时采用了p l c 和x b e e p r o 无线通信模块实现检漏设备的无线自动检漏。 针对电容传感式布袋检漏技术的检漏机理，主要进行了旋流子的分离效率和电容法粉 尘量测量的实验研究，并根据相应的管网设计搭建了实验平台进行了模拟检漏实验。实验 表明，旋流子在进气流速为1 5 i i l s 时对粒径在7 5 斗m 以下的烧结粉尘捕集效果可达最高 9 2 3 ，对5 p m 以上的颗粒捕集效率可达8 8 以上，采用电容法进行粉尘量测量时，其结 果较为准确，且平均误差不超过3 6 6 5 。并由模拟检漏实验得出电容传感布袋检漏技术能 实现及时且准确的报警，且检漏准确率可达1 0 0 。 关键词：旋流子；电容传感器；布袋破损；检漏；无线控制 a b s t r a c t b a gf d t e r w i t h1 1 i 曲f n t r a t i o ni sw i d e l yu s e di 1 1 s n d k ep u r 疵a 饰1 1 h 0 啪v e r ，t l 】eb a gf d t e r i so 舭np r o mt oo c c t b eb a gb 陀a l ( a 萨p h e n o m e i 】o i 】，a i 】d i ta l w a y sb a d st od e c l i n et 1 1 e c o l 】e c t i o ne m c i e m y ，e v e nc a u s e se r 的1 1 i m n t a lp o u t i o nm ) r es e r i o u s f i i l d i n ga i 】dc 1 】a n g i l l g m eb r o k e nb a gi i lt i i l l ei ss i g l l i 五c a m e 南rb a g 熊e r mo r d e rt 0s o l v et l 】ep r o b k mo f t h et m i a i t j o m ln l e t l l o d so f t b eb a 分l 】0 u s ek a ：k a g ed e t e c t i o l l ， s u c ha st b e 伍l s ea l a r l ，at e c h b g yo fb a 争h o u s ek 出r a g e d e t e c t i o nb yc a p a c l t es e i 】s m g m e t l l o di sp r o p o s e d ，t h i st e c h b g yo fl e a k a g ed e t e c t j o ni s t 1 1 a ti fa n yb f e a k a g e 印p e a f s ，t h e l a r g e rp a n i c l e si i lt 1 1 ef l u eg a u sc a n b es e p a m t e db yt h ec y c l 0 1 1 e s i i 如【u h a m o u s l y ，u s et h ep l ca n d w 酡l e s sc o m m ：u 1 1 i c a t i o ni i l o d u ko f x b e e - p r 0t 0a c b i e v et 1 1 ew 砘1 e s sc o r 心o la n da u t 0 1 m t 记l e a k d e t e c t i o i l a c c o r d i i l gt o t h e1 e 出d e t e c t j o nm e c h a 豳mo ft kb a 争h o u s e ，t 心p a p e rc o l l d u i 吣t b e s t l | d i e so ft l 】ec y c l o l l e ss 印a r a t i o ne 位c ta i 】d i i 】e a s u r ed u s tb yc a p a c i t i v es e 璐i i l ga c c o r d m gt o m ec o 珏e s p o n d i i l gd e s 咖o fp 币e1 1 e 啪r k ，t l 】el e a kd 慨t j o n i sb 硪mr e s e 砌s b o 粥t h a t 、拙n 恤h d e tv e b c i t yi s l5 i i l ，s ，慨c o l l e c t i o ne 伍c 记i 】c yf o rt h es i n 做i i l gp 砒i c l e ss 姐u e rt h a n 7 4 阻mc a n 印t 09 2 3 t l 】ec o l l e c t i o ne 盛c i e i 】c y 旬rt l 】es i 咖i i l gp a r t 记l e sh r g e rt h a n5 p m c a n g e t 坤t 08 8 i t i sa c c a t et 0u s ec 印a c i t i v es e n s i i l gt om e a s l l r ed 璐t ，a i 】d 怄a v e r a 咎e r r o r1 s n o t 坤t o3 6 6 5 t h ee 冲e r 硫i 吐a lr e s u l t ss h o w t 1 1 a tt b eb a g - h o u s el e 如寥c a nb ed e t e c 伽b y m ec a p a c i t i v es e 璐o rq u i c k l ya i 】da c c 谢c e l y ，a n dt l 】e k a l 【d e t e c t i o na c c u r a c y 蹦ec 觚r e a c h 协 1 0 0 y 啪r d s ：c y c b m ；c 印a c i t 慨s e l l s 吨；b a gb r e a k a g e ；k a kd 眦c t j o n ；w h 】e s sc o n 们l 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 人类生活和生产活动会产生大量气体污染物和颗粒污染物，当这些污染物进入大气中 时会造成大气污染【1 1 ，严重危害人类身体健康和生态环境。为防治颗粒污染物对大气环 境的污染，目前主要使用除尘设备来降低排入大气中的颗粒物浓度。除尘设备很多，根据 除尘机理的不同，可分为机械除尘器、湿式除尘器、电除尘器和过滤式除尘器等。其中， 对于净化工业过程中所产生的微细颗粒物的最可靠有效的方法之一是采用布袋除尘器。 布袋除尘器是历史比较悠久，发展也比较成熟的除尘设备之一，它主要是利用过滤材 料将空气中的粉尘分离下来的。早在1 8 世纪8 0 年代这种除尘技术就开始被应用了，当时 只是使用一些挂袋，工作效率较低，所使用的布袋主要是利用天然纤维织成的。1 8 8 1 年 德国b e t c h 工厂的机械振动清灰布袋除尘器开始商业化生产，从1 9 世纪中期开始，人们 渐渐开始将布袋除尘器运用在工业行业中的烟气治理，并使得布袋除尘器得到不断发展， 特别是2 0 世纪5 0 年代，脉冲喷吹清灰技术的出现，为布袋除尘器的进一步发展提供了有 利条件，这被认为是布袋除尘器发展史上的一次重要革命【2 1 ，它不但可连续操作和清灰， 布袋压力损失更趋于稳定，处理气量进一步增大。之后的2 0 年，我国布袋除尘器技术发 展比较缓慢，主要引进国外的布袋除尘器为主 3 1 。而在7 0 年代后期，我国研制出7 2 9 机 织滤料和涤纶针刺毡，为布袋除尘器的滤料打下了坚实的基础【4 1 。1 9 8 5 年涟钢小型高炉 布袋除尘器的顺利投产以及首钢通过引进日本技术并成功建成1 7 2 6 m 3 的高炉布袋除尘 器，使得我国布袋除尘器技术得到了快速发展。 随着我国对烟气排放标准的日益严格，粉尘排放指标逐渐提高，使得布袋除尘器因除 尘效率高【洲、适应性强、成本低( 相对静电除尘器而言) 等优点而得到更为广泛的使用。 1 2 课题研究意义 目前布袋除尘器己被广泛运用于各行各业中的烟尘除尘当中，若除尘器在使用过程中 出现运行问题，那么必将导致除尘器无法正常运行，或除尘效果达不到预期值，甚至可能 导致处理的烟气在达不到排放标准的情况下排入大气中，因此及时发现并处理除尘器出现 的运行问题就显得极其重要了。常见的布袋除尘器运行问题主要包括：布袋破损问题、运 行阻力过高、清灰系统故障、除尘器本体或管道系统有泄漏或堵塞、风机故障等。经过统 计发现，布袋除尘器的运行问题中有一半以上都是与布袋破损有关的【7 】。 由于布袋是布袋除尘器的核心部件，布袋一旦发生破损，那么必然会有大量较大颗粒 的粉尘从布袋除尘器中泄漏出来，进而降低除尘器的除尘效率，如果布袋破损现象严重， 就会加重大气污染。所以，准确地检测出破损布袋并及时予以更换对保证布袋除尘器的高 效稳定运行具有重要意义。 虽然布袋除尘器可采用定期换袋的方法来减少布袋破损现象的发生，但是这种方法却 大大的增加了除尘器的运行成本 引。为了解决因除尘器整体换袋导致的运行成本升高的问 第2 页武汉嗣妓大学硕士学位论文 题，人们最开始采用了人工检漏的方法来代替定期更换布袋，可是这种方法却在无形之中 增加了工人的劳动量，同时还影响了布袋除尘器的正常运行。为了减少工人的工作量，后 来人们渐渐地研究出了各种布袋检漏的方法，概括起来主要包括光传感法、电荷感应法、 压差法、示踪法等，但这些方法都存在着各自的不足之处。 因此研制一种能克服上述检漏技术所存在的缺点的新型布袋检漏仪已成为烟尘净化 领域的一个研究课题。 1 3 国内外布袋检漏研究进展 布袋除尘器的检漏原理一般可从两个方面着手：一是布袋除尘器的压降变化；二是布 袋除尘器净气中的粉尘浓度变化【9 1 。 目前基于这两种原理研制出来的检漏仪有很多，但运用在工业上的却屈指可数，原因 是：大多数布袋检漏仪都容易存在可靠性、稳定性、免维护性差，探头污染等缺点。因此 本文的研究目标就是研制一种既能实现自动在线检测又能克服上述缺点的布袋除尘器检 漏仪。 1 3 1 常用的检漏方法 目前较常使用的布袋检漏方法主要有：人工检漏法、光传感法、电荷感应法、p 射线 法和压差法等。由于人工检漏工作量大，耗时多，己逐渐被后几种方法所取代。下面主要 针对后四种方法的检漏原理做简要的介绍。 ( 1 ) 光传感法 光传感法主要是通过两种方式进行布袋检漏的，一种是光散射法，另一种则是浊度法。 这两种方式都是利用不同浓度的粉尘其光散射特性( 或光吸收特性) 也将不同来判断布袋 除尘器是否有布袋发生破袋的【1 0 ，1 1 1 。 光散射法是指利用光线照射在烟气中时，光会因为粉尘颗粒的阻碍作用而产生折射现 象，并形成折射光，其强度与粉尘颗粒粒径、数量成正比【1 2 ，1 3 1 ，利用这一关系可测得粉尘 浓度。 浊度法则主要是利用郎伯一比尔定律，即光线通过有悬浮粉尘颗粒的烟气时其光通量 会发生变化，可通过光通量的变化间接反应烟气中粉尘的变化。 不管是采用光散射法还是浊度法的方式作为布袋检漏的原理，都存在着不足，即： 传感探头要伸入管道内部，容易导致探头因黏灰而被污染，进而造成检漏误报； 在处理不同的粉尘时都须提前进行标定，工作繁琐并使得工作量在无形中增大； 不同的粉尘对光吸收作用也不同，同时也易受到外部杂散光的影响，从而影响测 量结果。 因此使用光传感法进行布袋检漏时其维护和标定的工作量较大，同时须将传感探头置 于烟气中，容易造成探头因黏灰而污染，导致误报。 ( 2 ) 电荷感应法 电荷感应法主要是通过测量电荷量的大小变化来反映布袋除尘器中净烟气中的含尘 武汉嗣妓大学硕士学位论文 第3 页 量【1 4 】。对于不同的粉尘其电荷性是有差异的，从理论上说粉尘浓度与电荷量是成正比的， 但是不同的粉尘其荷电的能力不一样，有的容易荷电，有的不荷电，有的易荷负电，有的 易荷正叫”】。因此使用电荷感应原理进行布袋检漏时其准确率可能不是很理想，同时这 种方法容易受外部条件影响，对粉尘浓度的测量只能做定性的判断，不能做定量分析1 1 6 】。 采用电荷感应法进行布袋检漏时一般需将传感探头内置于烟气管道中，久而久之容易造成 传感探头因黏灰而导致探头失灵或检漏误报的发生。 ( 3 ) b 射线法 d 射线法也是通过测量粉尘浓度是否超标来判断布袋除尘器布袋是否破损的。该方法 的检漏原理和光传感法比较类似，主要是利用d 射线穿过待测烟气后，其强度衰减的程 度仅与被穿透的烟气中的粉尘含量有关，而与粉尘的物理、化学性质无关。 采用d 射线法进行布袋检漏时，容易因为滤纸上收集的粉尘分布不均匀而造成测量 误差，进而影响布袋检漏结果。同时由于b 射线辐射源一般采用的是放射性同位素，因 此此方法不能测量含有放射性物质的粉尘 1 7 1 剐。 ( 4 ) 压差法 压差法主要是利用布袋在正常情况下透气性与破损时的透气性的差异来判断布袋是 否破损的。当布袋除尘器发生布袋破损时其内外压差将发生明显变化，通过在各个布袋上 安装压力传感器来测量布袋压力继而实现布袋查漏 1 9 】。这种方法虽能较准确检测出破袋 位置，一次性投资较大，而且维护起来也较困难。 1 3 2 己研究的布袋检漏仪 ( 1 ) 静电荷法布袋除尘器检漏仪 静电荷法布袋除尘器检漏仪主要是依据电荷感应的原理研制出来的。由于含尘气流中 的粉尘颗粒与颗粒、粉尘颗粒与布袋之间会因摩擦碰撞产生静电荷【1 4 】，而产生的电荷量 的大小可反映粉尘含量的变化，并根据含尘量是否超过预先设定值来判断布袋除尘器是否 有布袋发生破损的。 静电荷法布袋检漏仪主要由探头( 摩擦静电原理传感器) 和报警系统组成【2 0 1 。当布 袋除尘器有漏袋现象发生时，除尘器排放出来的净烟气中的含尘量必然会大增，从而使得 电荷量也会急剧增加，随着净烟气中粉尘浓度的不断增加，并增加至一定浓度时，检漏仪 便会发出声光报警信号，提示布袋除尘器有布袋破损，进而实现布袋检漏过程。 ( 2 ) 光电式布袋除尘器检漏仪 光电式布袋除尘器检漏仪主要是基于光传感法中的浊度法的原理研制出来的，即依据 郎伯一比尔定律，当光透过含尘气体时，悬浮在气体中的粉尘对光会有减弱作用皿1 ，2 2 1 。当 光束通过含尘气体时，必会使得光通量发生变化，而光通量的变化与粉尘颗粒的大小和单 位体积内颗粒数的乘积( 即粉尘浓度) 是成线性关系的。利用这一线性关系定标，当测量 出透过净气的光的光通量变化，即可以反映出粉尘量的变化。 光电式布袋检漏仪主要由光学原理探头、光发射器、接收元件和报警系统等组成。由 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 光发射器发出恒定的平行光，经净烟气管道后被接收元件( 光电池) 接收，当有气体通过 该烟道时，透过气体的光通量必将发生变化，其变化与光电池输出的电压值一一对应。将 该电压值送入放大指示单元，就能显示出含尘量的大小及变化。若布袋除尘器发生布袋破 漏现象，那么从除尘器排放出来的净气中的粉尘量必会增加，当增加到规定的上限值时， 检漏仪提示报警，并可通知操作人员进行换袋处理。 ( 3 ) 便携式移动点光源布袋漏点定位器 移动点光源布袋漏点定位器主要是通过将电源线一端与点光源相连接，并将点光源从 上至下放入需检测的布袋中，当电光源靠近或正对布袋破漏点时，从布袋破漏点泄漏出的 经小孔放大了的光斑可十分准确的检测出孔径o 4 c m 以上的漏点【2 3 1 。 该检漏装置虽可较准确的检测出破损布袋，但需要人工操作，工作效率低，不能及时 检测出破袋位置。 ( 4 ) 激光潜入法布袋除尘器检漏仪 激光潜入法布袋除尘器检漏类是潜望镜插入布袋除尘器内寻找泄漏斛2 4 1 ，主要利用 光遇到粉尘颗粒时会发生散射，形成散射光，其强度与粉尘数量、粒径、入射光强度成正 比。此检漏装置主要由光源、观察组件和检漏控制器组成。其中光源和观察组件均插入布 袋除尘器顶部的净化室内，同时该技术还结合了许多现代科技，如光学散射成像、计算机 图像处理、激光定位等。 与传统的人工检漏相比，此方法的检漏准确率高，但是由于将观察组件需置于布袋除 尘器内部，容易造成观察组件镜头积灰，继而影响检漏效果。 ( 5 ) 滤压式布袋除尘器检漏仪 滤压式布袋除尘器检漏仪主要是通过将采样系统与布袋除尘器的各个箱室相接，继而 确定破袋的位置。该装置主要包括微型过滤装置及与该过滤装置相连接的微型喷吹装置 瞵】。过滤装置由微型过滤元件组成，并与可检测微型过滤元件前后侧的过滤阻力压差计 相连，而微型喷吹装置可完成对过滤装置的自动清灰。 ( 6 ) 布袋除尘器的动压式检漏装置 动压式布袋检漏装置主要由箱体、喷吹管系统、滤尘布袋、全压连接管、箱体静压连 接管、全压管汇集器、微差压变送器和控制显示系统等组成【2 6 】。通过在线检测布袋除尘 器单排布袋出口喷吹管内的气体与箱体气体之间的压力差值，来判断该布袋除尘器的单排 布袋是否出现破损，若破损则指示破损布袋位置。 采用布袋除尘器的动压检漏装置实现了布袋在线检漏的同时，也大大降低了布袋检漏 成本，节约了检漏时间。 ( 7 ) 布袋穿漏检测装置 布袋穿漏检测装置主要利用测量布袋除尘器箱体内部压力来确定布袋是否破损的，其 主要由压缩空气包、压缩空气导入管、压盖、控制阀、压力传感器、压力显示器等构成【2 7 1 。 操作人员可直接打开除尘器箱体盖后对准每个布袋进行打压，通过测量布袋内的压力来确 定布袋是否破损。 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 此装置最大优点是结构简单，操作和携带都比较方便，但是也存在需要人工动手操 作，工作量相对较大等缺点。 ( 8 ) 国外学者己研制的检漏装置 h a v e sjr 和c a b o tc 【2 8 】使用气体示踪剂进行跟踪布袋检测，g e r i 】o tp 【2 9 1 基于光浊度的 原理研制了一种利用光通量的改变来检测布袋破损的布袋检漏装置，h o 妇uh 和 k a w a s a k isc 3 0 】共同研制出了一种光传感式的布袋检漏装置。 1 4 主要研究内容 针对上述国内外学者己研制出的布袋检漏仪所存在的不足，特别是探头内置导致的误 报问题，本课题志在研制一种采用探头外置的方法来实现检漏无误报、探头无污染、运行 费用低及维护工作量少的新型布袋检漏装置，即电容传感式布袋除尘器检漏仪。 1 4 1 技术思想 本文所研究的电容传感式布袋除尘器检漏技术是利用布袋除尘器若有布袋破损，必有 大量较大颗粒从除尘器中泄漏出来，只需测量泄漏出来的粉尘质量或浓度即可判断布袋是 否破损。 为了克服传感探头内置造成的探头污染引起的误报，本课题所研究的布袋检漏技术使 用了外置传感探头的方法来实现布袋除尘器的布袋检漏，采用旋流子作为布袋检漏仪的采 样装置，电容传感器作为微量粉尘的测量装置。主要利用旋流子将除尘器泄漏出来的粉尘 捕集下来，再通过外置的电容传感器测量捕集到的粉尘质量，通过测量被旋流子捕集到的 粉尘质量的多少来判断布袋除尘器是否有布袋破损的。同时对该布袋检漏技术采用p l c 及e e p r 0 无线通信模块可实现对布袋除尘器的无线自动检漏。 1 4 2 研究内容 本文主要对电容传感式布袋除尘器检漏技术进行了理论及实验研究，并初步对检漏仪 的管网进行了设计，且由设计尺寸搭建了一个检漏实验平台。通过实验得出，电容传感布 袋检漏技术具有可行性。针对上述电容传感式布袋检漏的技术思想，所要研究的内容具体 如下： ( 1 ) 旋流子分离作用研究。分析选择旋流子作为检漏仪采样装置的原因，并以粒径 为7 5 p m 以下的烧结粉尘作为研究对象，研究分析不同进气风速下旋流子的总分离效率， 并在最佳进气风速条件下，分析其分级效率，并得出旋流子对5 肛m 以上的颗粒的捕集效 率。 ( 2 ) 粉尘量在线检测研究。分析粉尘量与电容量之间的关系，并通过实验进行粉尘 的电容特性研究，得出不同粉尘的电容特性曲线及粉尘量与电容量之间的具体关系表达 式。将旋流子与电容传感器相连，进行粉尘量自动检测实验研究，确定采用电容法进行粉 尘量测量是否可行。 ( 3 ) 布袋检漏仪实验研究。布袋检漏装置采用p l c 控制检漏仪的各个阀门的开闭， 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 使用e e p r 0 无线通信模块实现对检漏设备的无线控制，安装相应的检漏程序并设定检 漏周期，实现布袋检漏仪的自动在线检测及计算机智能显示和声光报警。通过实验验证电 容传感式布袋检漏技术是否能够实现破损布袋的及时准确报警。 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 第二章电容传感式布袋除尘器检漏技术原理 布袋除尘器检漏仪是为了让布袋除尘器能够在正常运行情况下更换漏袋，被用来连 续在线检测布袋除尘器的布袋是否破损的仪器。目前多数布袋检漏仪都存在着探头易被污 染的问题，为克服这一问题，本文提出一种电容传感式布袋除尘器检漏新技术，即主要采 用外置电容传感探头的方法，并通过测量由布袋除尘器泄漏出来的粉尘质量的多少来确定 除尘器是否发生破袋的。 2 1 电容传感法布袋检漏基本原理 本文所研究的布袋除尘器检漏仪的具体结构如图2 1 所示，其检漏机理主要是根据布 袋除尘器排放的烟气中是否有较大颗粒的出现，来判断布袋除尘器的布袋是否破损的。 图z 1 检漏系统 n g 2 1 i h es y s t e mo fk a i 【d e 钯c t i o n 如图2 1 所示，布袋检漏系统主要由两个部分组成，即粉尘采样和粉尘量测量。其中 主要采用旋流子作为检漏仪的采样装置，并使用电容法对旋流子捕集到的粉尘进行质量测 量，即采用平板电容传感器及其相应的测量电路实现粉尘量的测量。其中旋流子通过管道 分别旁接布袋除尘器的各个滤室，并由抽气管电磁阀控制其连接状态，平板电容传感器与 旋流子下灰口密封连接。 2 1 1 电容传感式布袋检漏原理 世面上使用的布袋除尘器多数采用覆膜滤料作为过滤布袋，当烟气经过布袋除尘器的 净化后，净气中的粉尘颗粒往往都会小于1 “m 。由于旋流子的捕尘效果低于布袋除尘器， 若布袋没有破损，不能被布袋除尘器捕集的粉尘也一定不会被旋流子捕集到。而对不管使 用何种滤料的布袋除尘器，一旦有布袋破损，排出烟气中必有大量大于5 斗m 的粉尘，且 含尘量会迅速增加。 基于这种思想，本文所研究的布袋检漏技术主要利用抽气泵将待检滤室中的烟气抽入 旋流子中进行气固分离，利用旋流子是否捕集到较大颗粒来判断布袋除尘器是否有破损布 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 袋。若布袋除尘器有破损布袋，则必有大于5 “m 的粉尘被旋流子捕集下来，被捕集的粉 尘经排灰口进入平板电容传感器中，进行粉尘量的测量，当进入电容传感器中的粉尘增加 到一定值时( 所设置的报警上限值) ，计算机将发出声光报警，提示工作人员处理。 2 1 2 检漏仪粉尘质量检测系统 本文所研究的检漏技术主要利用p l c 控制检漏仪的各个电磁阀的开启，并采用 e e p m 无线通信模块实现对检漏设备的无线控制，当进入检漏仪中的粉尘质量达到报 警值时，检漏仪可自动提示声光报警。 图2 2 是布袋检漏仪所使用的粉尘量检测系统的框图。由图2 1 所示的电容传感布袋 检漏仪的结构可知，当有布袋破漏现象发生时，旋流子捕集到的粉尘会直接落入电容传感 装置( 平板电容传感器及测量电路) 中进行粉尘质量的测量。其检测系统主要是利用旋流 子捕集到的粉尘( 空气和粉尘的两相混合物) 的介电常数会随粉尘质量而改变，继而引起 电容的变化，可通过相应的测量电路转换后，将电容传感器的电容信号转换为电压信号， 并由d 转换器将电压信号转换成数字信号，并将数字信号转交给单片机( p l c ) ，单片机 将采集到的数字信号传送给终端的e e p r o ，并通过串口i 塔2 3 2 将接收的数据交给计算 机( p c 机) 进行处理，计算机根据相应的粉尘电容特性曲线定标，最后可显示各滤室的 工作状态及旋流子捕集到的粉尘质量值。 图z 2 检测系统 n 9 2 2 1 1 l es y s t e m0 fd e t e c t i i i g 2 2 旋流子的作用 本文所研究的布袋检漏仪主要采用旋流子作为检漏采尘装置，即用来捕集从布袋除 尘器泄漏出来的粉尘，也就是说旋流子在检漏仪中的作用是十分重要的，关乎于检漏仪能 否实现准确的布袋检漏。 2 2 1 选择旋流子作为检漏采样设备的依据 由于布袋除尘器处理的烟气是干性烟气，因此检漏仪的采尘装置也是捕集干性粉尘 的。而作为布袋检漏仪的采样装置必须具备以下两点要求，即：一是要有较高的分离效率， 其分离效率虽可低于布袋除尘器但是对5 p m 以上的粉尘的捕集效率要比较高；二是设备 成本比较低，运行管理方便。常用来捕集干性粉尘的除尘设备主要有重力沉降室、惯性除 尘器、旋风除尘器、静电除尘器和布袋除尘器等。 表2 1 和表2 2 分别是几种常用的除尘器的综合性能表和对不同粉尘粒径的分级效率 武汉剥技大学硕士学位论文 第9 页 表，其中表2 2 中的数据来源于各个除尘器对二氧化硅粉尘的捕集效率，二氧化硅的密度 为p p = 2 7 酢m 3 。 表z l 常用除尘器的性能 1 d l h2 1 p e m 珊a n o f m m o n l yu 鸵dd u s tc o c t o r 由表2 1 和表2 2 可以看出既能实现对5 “m 以上的粉尘的较高捕集，其设备成本和运 行成本又能足够低的除尘设备从理论上来说只有旋风除尘器。而旋流子是一种小型的旋风 除尘器，具有结构简单等特点，在某一尺寸范围内旋流子尺寸越小其捕集效果越理想。因 此选择旋流子作为检漏仪采尘装置是有可为的。 2 2 2 旋流子对颗粒物的分离作用分析 旋流子主要是利用旋转气流所产生的离心力而使粉尘从气流中分离出来的一种气固 分离装置，具体结构如图2 3 所示。 含尘气流 流 l 一圆柱体：2 一圆锥体；3 进气管；4 顶盖；5 排气管；6 _ 排灰口； 图z 3 旋流子结构 n g 2 3 1 h es t 阳c t u 陀o f d u s tc o c t o rc y d o m 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 目前旋流子的分离机理概括起来主要有5 种，即分别是转圈理论【3 1 1 、紊流扩散理论 【3 2 1 、筛分理论p 3 1 、传质理论瞰】和边界层分离理论【3 5 】。其中边界层分离理论是比较切合实 际的一种理论，其分离效率计算式与实际值比较接近。本文也采用边界层理论作为旋流子 的分离机理。 所谓的边界层理论，即是指在旋流子的任一横截面上，粉尘浓度都是均匀分布的，但 是在靠近旋流子外壁处的边界层内，则是层流流动，因此认为只有粉尘在离心效应下进入 边界层内，就可认为被旋流子捕集下来。 由相应的边界层理论推导公式，得出旋流子的分级效率计算公式为【3 6 】： ”一唧 - o 6 3 倒爿 ， 式中：7 7 ；一粉尘分级效率，； 万一粉尘平均粒径，m ； d ，一切割粒径，m ，可由下式求得 3 7 】： 咖l 等j 亿2 ， 式中：坼。一气流切向速度，i 砒： u ，一气流径向速度，眺； 一烟气黏度，p a s 万一速度分布指数，可由实验确定，若无实验数据，可由下式求彳导【3 8 】： 删一( 1 一掣4 怯 0 3 旺3 ， 式中：d 0 一旋流子直径，m ； 卜气体绝对温度，k 。 由于采用边界层理论推导出来的粉尘分级效率公式比较复杂，计算起来不是很方便， 因此本文研究旋流子分级效率时，主要是将烟气中所含颗粒的尺寸范围分成几个小段，通 过测定每个小段被分离出来的粉尘的质量分数，来确定该小段的粉尘分离效率，进而求得 粉尘的分级效率的。具体计算过程将在第三章进行描述。 2 3 电容法测量粉尘量的优势 本文所研究的布袋检漏技术主要是通过测量从布袋除尘器泄漏的粉尘量的多少来判 断除尘器是否有破袋现象的。如果泄漏出来的粉尘量较大，则说明布袋除尘器有破损布袋。 那么采用何种方法来实现粉尘量的精确测量就显得至关重要。 武汉科技大学硕士学位论文第儿页 目前测量粉尘量的方法有很多，如微波法、感应电势法、压差法、激光法、超声法 等。但这些测量方法，都各有其优缺点和适用条件。 为了实现粉尘量的连续、实时在线测量，通过分析发现电容法能很好的表征电容量 与粉尘量之间的关系。而且电容传感器本身具有结构简单、动态响应快、灵敏度高、分辨 率高、抗干扰能力强等优点，进行不同粉尘的质量测量时，可通过它们的电容特性曲线进 行定标，进而可实现不同粉尘的准确测量。对于同一个工厂所产生的粉尘，其粉尘电容特 性曲线相同，当采用电容法作为检漏仪的粉尘量测量方法时，只需进行一次标定，工作量 少。 基于上述电容法所具有的优点，本文主要采用电容传感器探头来实现粉尘量的测量。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章旋流子分离作用实验研究 旋流子是一种利用旋转含尘气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来的气固 分离装置。旋流子的分离效果的好坏将直接影响布袋检漏的成败，因此旋流子分离效果的 研究就显得十分必要了。 3 1 影响旋流子分离效率的因素 本章所研究的旋流子主要采用边界层理论作为其分离机理，而影响旋流子分离效率的 因素主要有：旋流子本体结构、旋流子进气风速、进口粉尘浓度、二次扬尘及卸灰阀漏风 问题等。 基于旋流子是作为检漏装置的捕尘设备，其本体结构可通过设计进行优化，故忽略旋 流子本体结构对其捕尘效率的影响。由于一般进入检漏装置的粉尘浓度都不会特别高，但 具体是多少也不能十分确定，因此本章主要讨论进气风速对旋流子分离效果的影响，其他 影响因素暂不作考虑。 3 2 旋流子分离作用实验研究 采用如图3 1 所示的实验装置，其中用来盛装旋流子捕集的粉尘的试管与旋流子密封 连接。 图3 1 实验装置 罚g 3 1 1 h ee x p e r 妇e n t a lf a c i l i t ) ， 实验时粉尘及其周围空气经抽气泵直接抽入到旋流子中进行气固分离，净气从旋流 子的排气口排出，被旋流子捕集到的粉尘落入试管中。实验时旋流子的进口风速主要由 e y 3 2 a 电子微风仪测得，此仪器的测量结果与真实结果对比如表3 1 所示： 表3 1 电子微风仪测量数据对照 h b 3 11 m em e 嬲u 聘d a 钯t a b l e0 fe k c t r o n i cb r 露 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 3 2 1 旋流子尺寸设计 旋流子通常由旋流筒、圆锥体、烟气进气口、净气出气口、卸灰口等构成。具体构成 如图3 2 所示。 含尘气流叶， i 簿灰 图3 2 旋流子结构 f i g 3 2 ，i h em a g r a m0 f 呵c i o 耻s e p a m t i n gd e v i c e 3 2 1 1 旋流子的设计要求 ( 1 ) 初步设定旋流子进气流量为1 0 m 3 h ，同时可利用调节阀根据需要随时调节进气 流量： ( 2 ) 旋流子的进气管进入旋流筒内的气流速度范围最好控制在1 5 2 5 n 以之间，具 体设定为进气流速u = 1 5 n 以； ( 3 ) 基于使用小旋流子具有较高的切流速度，而使得其分离效率较高，并能将大于 5 微米的粉尘从烟气中分离出来，因此，进行旋流子尺寸设计时尽可能选择较小； ( 4 ) 基于进入旋流子内部的烟气是经过布袋除尘器处理后的净烟气，因此设定烟气 密度为空气密度，具体为& = 1 2 9 k g m 3 ； ( 5 ) 因旋流子的进气口面积为么= 玫巨，通常h c = 2 么，& = 0 5 。 3 2 1 2 旋流子的设计步骤 ( 1 ) 确定旋流子进气管断面面积及入口处尺寸 取旋流子的进气风速为1 5 眺，因此，该旋流子进口断面面积么为： 么：坼耳：望二：j 旦一：1 8 5 m m ： 。 3 6 0 0 u ：3 6 0 0 1 5 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 由于凰= 函，= o 5 凰，故日c = 2 0 m m ，b c = 1 0 i m 当旋流子的进气流量为1 0 矗m 时，其实际进气风速为址= l 一= 1 3 8 9 1 1 1 s 1 3 6 0 0 0 0 2 0 0 1 ( 2 ) 筒体直径d 和其他几何尺寸的确定 取= 0 - 2 5 d ，z c = 1 8 7 5 d ，厶? = 1 5 d ，d d = 0 2 5 d ，d 。= 0 3 7 5 d ， s = 0 6 d 得： d = 4 0 m m ，k = 6 0 m m ，z c = 7 5 m m ，艮2 1 0 m m ，= 2 0 m m ，忱2 1 0 m m ，d 。= 1 5 m m ， s = 1 8 m m ，日2 k + z c 2 1 3 5 m m 。 ( 3 ) 旋流子的压损卸计算 旋流子的压力损失主要是指进、出旋流子的全压之差。在实际工程计算中常采用下式 计算旋流子的压力损失： 卸：善掣 ( 3 1 ) 式中：卸一旋流子的压力损失， p a ： f 一旋流子的压力损失( 阻力) 系数； u i 一旋流子的进气风速，i 砒； 以舍尘烟气的密度，k g m 3 。 阻力系数的计算方法有很多，较常使用s k p h e r d l a p p l e 计算式得出阻力系数孝。即： f ：k 堡当 ( 3 2 ) d ： 式中：k 二系数，标准切向进口炸1 6 ；有叶片切向进口胎7 5 ；螺旋面进口肛1 2 。 由于本章设计的旋流子为无叶片的标准切向进口，因此取胙1 6 ，由式得阻力系数f 为 1 4 2 2 。 因此，旋流子的阻力劬= 2 0 6 4 p a 。 3 2 2 实验步骤 ( 1 ) 检查各个管道的连接是否完好，各阀门关闭是否严实； ( 2 ) 对实验粉尘原料进行粒度分析，同时称量多个2 5 9 的粉尘备用； ( 3 ) 称量并记录与旋流子下灰口处相接的试管质量； ( 4 ) 打开抽气泵，调节旋流子进口风速，将称量好的实验粉尘由旋流子进气管处送 入，进行气固分离； 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 ( 5 ) 使用e y 3 2 a 电子微风仪测量进气流速，并将测得数值记录下来； ( 6 ) 实验结束，关闭风机，将试管取下，记录其总质量，计算分离效率； ( 7 ) 用m a s t e r s 妇r 2 0 0 0 台式激光粒度分析仪测试储灰盒中的粉尘的粒径分布，并计 算其分级分离效率； ( 8 ) 重复上述实验，可绘制出不同进口风速下旋流子的分离效率曲线。 3 2 3 粉尘的粒径分析 粉尘的粒径分布是指粉尘中不同粒径或粒径范围内的颗粒个数或质量( 或表面积) 所 占的比例【3 9 4 0 】，因此粉尘的粒径分布可以用个数累积分布、质量累积分布和比表面积累积 分布来表达，它们分别是用粉尘颗粒个数、粉尘质量和粉尘比表面积所占的比例表示的。 一般情况下，我们较常使用质量累积分布作为粉尘的粒径分布。其表示方法分分为两种即 图表法和分布函数法。 进行粉尘粒度分析的方法主要有筛分法、重力沉降法、显微镜法、激光法等。而激光 粒度分析仪是目前比较常用的测定粉尘粒度的仪器。 3 2 3 1 激光粒度分析仪的测量原理 激光是一种具有很好的单色性，同时也具有极强的方向性的光源。在没有阻碍的空间 中，激光是可以照射到无穷远处的，但是当激光遇到固体颗粒( 障碍物) 阻碍时则会发生 散射现象，激光粒度分析仪就是采用这一物理现象来进行颗粒粒度分布测定的。 由光学理论可知【4 1 1 ，当光束在前进过程中遇到颗粒物时，一部分光会因颗粒物的阻碍 发生散射现象，而散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角0 ，0 角的大小 与颗粒粒径大小有关，颗粒粒径越大时，产生的散射光的0 角就越小；而颗粒粒径越小时， 那么产生的散射光的0 角就会越大。进一步研究表明，散射光的强度从某种意义上也代表 着某一粒径颗粒的数量。这样，测量不同角度上的散射光的强度，就可以得到样品的粒度 分布了。 为了测量不同角度上的散射光的强度，就必需用到光学手段对散射光进行处理了。我 们在光束中的适当位置上放置一个富氏透镜，当该富氏透镜照射到多元光点探测器上时， 光信号将被转换成电信号并传输到计算机中，通过专用软件对这些信号进行处理，就可以 准确的得到样品的粒度分布了。 本实验主要采用m a s t e r s 泌r 2 0 0 0 型激光粒度分析仪来测量粉尘粒径分布的，该粒度 分析仪所采用的激光光源具有极高的稳定性和良好的抗震性同时其背景噪音也极低【4 2 1 ， 并能有效测量出o 0 2 2 0 0 0 m 范围内的粉尘粒径，具有测量范围广、分辨能力强、自动 化强度高、操作简便、测试速度快、测量结果准确可靠、重复性好等特点。 3 2 3 2 实验粉尘的粒径分析 本次实验主要选取的是粒径在7 5 p m 以下的烧结粉尘作为实验粉尘，同时实验前将烧 结粉尘在1 0 3 的条件下烘干2 小时并干燥后备用。并使用m a s t e r s 诬r2 0 0 0 型激光粒度 第1 6 页武汉纠妓大学硕士学位论文 分析仪测量其粒径分布，其粒径累积分布如表3 2 所示。 表3 2 粉尘粒径分布 1 h h 3 2t h em s t n b u t i o n0 f d u s t 由表3 2 可以看出，实验粉尘粒径在5 斗m 以下的占2 4 7 1 ，5 0 p m 以下的占9 1 3 7 ， 其体积平均粒度为2 0 3 2 7 u m 。 3 2 4 实验结果及分析 本实验主要进行了旋流子的分离效率与进口风速之间的关系的研究，得出了最高分离 效率时的旋流子的进口风速。同时对该进口风速下的旋流子进行了分级效率的研究，并通 过分级效率曲线分析了旋流子的分离性能。 3 2 4 1 旋流子总分离效果研究 本实验主要采用质量法来测定旋流子的总分离效率，其具体计算公式如下： 刀：丝 ( 3 3 ) l m a 式中：玎一总分离效率； 一灰斗中的粉尘量，堙； 心一进入旋流子的粉尘量，垤。 图3 3 进口风速与除尘效率的关系 f i g 3 3 i a t i o nb e t 耽e nt h ei n l e tg a sv e i o c i t y 锄dt h ed u s t 剐毗o v a le m c i e n c y 武汉科技大学硕士学位论文 第1 7 页 3 2 4 2 分级效率曲线研究 用m 饿r s 泌r 2 0 0 0 台式激光粒度分析仪分别测定原始粉尘和旋流子灰斗中的粉尘粒 度。进入旋流子的烧结粉尘质量为2 8 3 7 8 9 ，中位径为2 0 7 7 2 u m ，粒径分布如图3 4 所示。 摹 挺 求 褂 爨 娶 嘣 娶 故 图3 4 原始粉尘粒径分布 f i g 3 4 d i s t r i b u t i o no ft h ei n k td u s t 在入口风速为1 5 i i l s 时，旋流子灰斗中的粉尘质量为2 6 1 9 1 9 ，中位径为2 1 7 6 1 肛m ， 粒径分布如图3 5 所示。 摹 梧 求 碍 爨 娶 母j l ； 娶 蛙 图3 5 进口风速为1 5 m 居时灰斗中捕集粉尘粒径分布 n g 3 5 d b t r i b u t i o no f t h ec o c 钯dd u s ti nt h eh o p e ro f 呵c l o 鹏( i i i k tg 嬲v e l o c 蚵西1 铀，s ) 测得原始粉尘和收集粉尘的粒径分布后，就可采用式( 3 4 ) 进行分级效率的计算： 珊象 4 ， 式中：，7 ，一第f 个粒级的分级效率； 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 叩r 一总分离效率； 昵一灰斗中第f 个粒级的体积百分比； 峨，一原始粉尘第f 个粒级的体积百分比。 根据图3 4 和图3 5 的测定结果，按式( 3 4 ) 计算的旋流子分级效率如图3 6 所示。 由图3 6 可以看出，风速为1 5 1 1 1 ，s 时，旋流子对5 “m 以上颗粒的分离效率可达8 8 以上。 摹 料 袋 鬟 求 图3 6 进口风速为1 5 m ，s 时分级效率曲线 f i g 3 6 f m c t i o 肌le f n c i e n c y0 fc y c l o 肿( i n k tg a s 、，e l o c i t yi s1 5 m 尽) 3 3 小结 本章主要对旋流子在不同风速下对粒径为7 5 “m 以下的烧结粉尘的捕集情况进行了 分析研究，并主要从总分离效率和分级分离效率两方面着手。通过相应的实验，得出以下 结论： ( 1 ) 当旋流子的进气流速在8 2 1 1 1 1 s 时，其对粒径为7 5 “m 以下的烧结粉尘的去除 率可达8 5 以上；而进气流速在1 5 “s 时，其总捕集效率可达最高9 2 3 。 ( 2 ) 当进气流速保持在1 5 i i l s 时，旋流子对5 斗m 以上的粉尘的捕集效果可达8 8 以 上，换句话说将此旋流子用于布袋除尘器检漏仪中时当除尘器出现破损布袋时，当采用进 气流速为1 5 i i 以时，其对除尘器泄漏出来的粉尘捕集效果也可保持在8 8 以上。 武汉剥教大学硕士学位论文 第1 9 页 第四章电容法粉尘量自动测定实验研究 本文所研究的布袋检漏技术主要是通过测量从破袋中泄漏出来的粉尘量的多少来判 断布袋是否有破损的。若检测到的粉尘量超过预定值则可确定有布袋发生破损，因此粉尘 量测量是否准确直接关系着布袋检漏的结果是否准确。 由于本文所研究的布袋检漏技术主要采用电容传感的方法来测量粉尘量的，因此进行 电容法微尘在线检测技术研究