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颗粒床除尘器热态试验研究 郝景章 1 何 鹏 2 1.中冶京诚工程技术有限公司, 北京 100053; 2.中冶集团建筑研究总院, 北京 100088 摘要 通过对颗粒床除尘器高温条件下的实验研究, 探讨不同工况时除尘效率和压力损失的变化规律。 推导了除尘 效率和压力损失与温度的关系, 并与试验结果作了比较。 结果表明, 随着烟气温度的升高, 除尘效率和压力损失均逐 渐增大。 关键词 除尘 颗粒床 高温 钢铁生产工业中 ,对粉尘的排放控制越来越严 格。目前 ,钢铁厂生产过程中对高温气体中粉尘的控 制,主要采用降温和湿法处理。无论是采用兑风降 温,还是利用水处理高温含尘气体, 都浪费了气体的 物理热,而且设备投入很大。国际能源公署的经济报 告认为 [ 1] ,颗粒层过滤器是最有发展前途的高温除尘 设备 。我国清华大学和中科院山西煤炭化学研究所 对颗粒床除尘作了一些研究 [ 2] 。本研究在等温实验 的基础上 [ 3] ,实验研究热态条件下该设备的除尘效率 和压力损失变化规律 。 1 实验方法 通过模拟高炉一次除尘后的含尘气体浓度,进行 了颗粒床除尘器的等温实验研究, 探索了气体过滤速 度、 过滤床层厚度对除尘器除尘效率和床层压力损失 的影响。实验装置如图 1。 图 1 实验装置流程 通过控制风机一定的风量 ,吹入加热炉中进行加 热。加热后的气体吹入管道中 。人工调节布料器的 布料速度 ,加入一定量的粉尘 。实验过程包括正吹和 反吹 。正吹时, 打开阀门 1 和阀门 4,同时关闭阀门 2 和阀门3 ,含有粉尘的高温气体在颗粒床除尘器内被 过滤 ,净化后的气体从尾部排出 ; 反吹时, 关闭阀门 1 和阀门4 ,打开阀门 2 和阀门 3, 选择适合的的风量, 把颗粒床内的粉尘吹出, 从而达到连续除尘的目的 。 除尘器本体高600 mm , 直径300 mm 。管道直径 65 mm 。实验中粉尘烟气的温度分别为 20、50、100、 150、 200、 250 ℃。气体粉尘浓度为 8～ 15 g m 3 。除尘 介质选用石英沙 ,其理化特性分析见表 1。实验 1 和 实验 2 的除尘系统条件见表 2。 表 1 石英沙颗粒的理化特性 项目分析数据项目分析数据 含泥量 0 . 05烟酸可溶性 0 . 02 密度 gcm- 32 . 66耐酸度 98 磨损率 0 . 03空隙率 43 破碎率 0 . 35松装密度 gcm- 31 . 75 氧化率 99 . 3莫氏硬度 度7 . 5 表 2 实验条件对应表 项目 床层厚 度 mm 过滤时 间 min 烟气速 度 ms- 1 滤层介质 粒径 目 实验180101. 1312～ 14 实验2100101. 018～ 16 该颗粒床除尘器与传统的除尘器相比有以下 特点 1颗粒层过滤器是利用物理和化学性质非常 稳定的固体颗粒组成过滤层, 实现对气体或液体的过 滤。在高温、高压过滤状态下 , 过滤介质 , 具有耐高 温、 持久性好的优点 。 2 具有连续的自清灰功能, 容易清除被捕集下 来的灰尘, 过滤介质永远保持清新状态。过滤压降稳 定,处理气体流量大 ,调节范围较宽 ,能实现连续过滤 除尘 。 3除尘效率比较高, 一般在 90以上, 最高甚 至可以达到 99。 28 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 4 由于采用的是干法除尘 ,不但节约了水源 ,避 免了二次污染, 而且 , 过滤后的干净气体可以回收热 量,节约了能源 。 2 实验结果 2. 1 除尘效率和压力差与除尘时间的关系 图2 中, 在烟气速度一定的情况下, 压力差随着 时间逐渐增大 。实验前期 5 ～ 20 min , 压力差变化 显著; 实验后期 20 ～ 35 min , 压力差变化趋缓。这 是因为 ,实验开始时滤层比较干净, 捕集粉尘能力比 较强 。随着滤层颗粒捕集的粉尘逐渐增加,颗粒间隙 越来越小, 使气体通过颗粒层难度不断增大 ,因而压 力降不断增大; 但是在实验后期阶段, 颗粒层间隙中 被捕捉的粉尘越来越多, 颗粒床的滤层空隙趋于饱 和,捕集粉尘能力下降,粉尘的黏附力小 ,不会再继续 堆集 ,烟气中的粉尘与颗粒床内的滤层处于一种相对 平衡状态 ,因此压力降变化不明显 。 图 2 除尘效率、压力差和时间关系 从图 2 中的除尘效率和时间的变化关系, 可以看 出5 min时 ,除尘效率相对较低,10 ～ 20 min时, 除尘效 率可以达到 99. 5, 并且保持稳定 。25 min以后, 除 尘效率略有降低 。除尘效率随时间增加的原因是 ,被 颗粒床滤层捕集下来的粉尘, 在滤层表面形成了一层 很薄的积灰层, 积灰层与过滤层的共同作用 ,使得除 尘效率增大了。 综合考虑除尘效率和压力差与时间的关系,可以 认为除尘时间范围选择在 10～ 20 min较合适。 2. 2 床层厚度和除尘效率的关系 图3 中的曲线表示了床层厚度和除尘效率的关 系。从图 3可以看出, 随着过滤层厚度的增大, 颗粒 除尘器的除尘效率不断增大 。床层厚度60 mm时, 除 尘效率相对较低 ; 床层厚度 80 ～ 120 mm时, 除尘效率 达到 99. 5以上 , 并且保持相对稳定 。增大床层厚 度,除尘效率随之增加,但是阻力相应的增大很多 ,不 利于有效的除尘 。因此, 综合考虑除尘效率和阻力效 应,作为过滤床层的最佳过滤层厚度为 80～ 100 mm。 当床层厚度是60 mm的时候, 滤层厚度相对较 小,粉尘在烟气的带动冲击下, 容易从颗粒床的颗粒 之间的空隙中流走 。尽管在床层内部发生激烈的碰 撞和黏附 , 但是截留效应并不显著, 除尘效率相对 较低 。 图 3 除尘效率和床层厚度关系 当床层厚度是 80 ～ 120 mm的时候 , 滤层厚度相 对较大 ,除尘效率基本稳定在 99. 5左右 。这是因 为,当粉尘在过滤过程中不断沉积于颗粒空隙间, 被 捕捉留在过滤层中的细粉尘由于其粒径比原过滤颗 粒粒径小得多, 即粉尘的比表面积比过滤颗粒的比表 面积大得多 ,因此, 细粉尘将对不断过滤过程中含尘 气体的粉尘起到进一步的捕捉作用 ,截留效应不断增 强,故其除尘效率大大提高。 2. 3 除尘效率和温度的关系 图4 是除尘效率和温度间的关系, 可以看出, 随 着烟气温度的升高, 除尘效率在增大 。无论实验 1 还 是实验 2, 常温情况下除尘效率比较低 , 都没有超过 85; 当温度升高到250 ℃ 时 ,2 组实验的除尘效率相 对差别不大 , 均在 95左右 , 说明升高烟气温度, 有 利于提高除尘效率。因此, 采用兑风、降温的方式处 理高温含尘气体 ,不但额外增加了投入 , 浪费了气体 中的潜热, 而且还降低了除尘效率。温度对除尘效率 的影响,其中主要表现在对扩散碰撞的影响。 图 4 除尘效率和温度的关系 无论烟气温度如何变化, 实验 2 总是比实验 1 除 尘效率高, 这是由于实验中的床层厚度和滤层介质粒 29 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 径不同造成的。 温度对扩散的作用。对于单一捕集体 [ 4] , 它的扩 散沉积捕集比可以表示成下式 EDf ε P - 2 3 e 1 其中 Peclet 数可以表示为 Pe 3πμ υddpdg CukT 2 式中 k 为 Boltzman 常数; Cu为滑动修正系数。 对于颗粒层的总捕集效率公式 ,可以表示为 η1 -exp -3 1 -ε 2ε L dg Ex 3 如果考虑扩散沉积 , 可以令 ExED, 那么由式 1 和式 3 可知,过滤效率与温度的关系为 ln 1 1 -η ln 1 1 -η0 CuTμ0 CuT0μ 2 3 4 所以, 对于扩散沉积, 温度升高 , 过滤效率增加。 而且 ,扩散沉积效率还与尘粒的直径、 床层空隙率 、 过 滤介质颗粒尺寸、床层厚度等因素有关。另外 ,尘粒 尺寸越小 ,温度增加时,扩散沉积机理的幅度加大 。 2. 4 压力损失和温度的关系 从图 5 中可以看出 , 随着烟气温度的升高, 床层 压力损失逐渐增大 。在常温下 , 床层的压力损失较 低; 温度从室温逐渐升高到100 ℃时 , 压力损失迅速 增加 ,基本上呈线性关系。当温度为 100～ 250 ℃,压 力损失虽然还是继续增大, 但是速率比较缓慢。同 样,实验 2中 ,无论是常温还是高温条件, 其压力损失 都比实验 1 要大, 这是由于实验 2 的滤料粒径较小, 床层厚度较大造成的 。 图 5 压力损失和温度的关系 由 Ergun 公式得出的流体通过均一非球形颗粒 固定床的压降公式可以表示为 [ 5] Δ P L μ A 1 -ε 2 sdp 2 ε 3udρ B 1 -ε sdp ε 3u 2 d 5 式中 ΔP 为床层压降 ; ud为截面平均流速; μ为气体 黏性系数; ε 为空隙率 ; s为形状系数; dp为球体直 径; L 为床层高度 。当温度升高时, 实验操作条件不 变, ud, ε , s, dp, L 保持近似不变。而气体黏性系数 μ与温度的关系 ,可由式 6 确定 μ μ0 1 C 273 1 C T T 273 6 式中 μ0为气体0 ℃的动力黏性系数 ; C 为气体常 数值 。 在气体中, 由于分子间距比较大 ,引力很弱,分子 运动的自由行程大 ,分子间相互掺混, 速度快的分子 可以进入低速流层中 ,速度慢的分子可以进入高速流 层中, 两相邻流体层间进行分子动量交换 ,从而阻止 了流体层间相对滑动 ,呈现出黏性。当气体的温度升 高时 ,内能增加 ,分子运动更加剧烈 ,动量交换更加激 烈,所以黏性增大。 由式 5 和式 6 可以得知 , 随着烟气温度的升 高,床层压降 Δ P 逐渐增大 。 3 结论 1 颗粒床除尘器除尘效率高,运行稳定, 由于在 常温和高温下的除尘效率都可以达到 90以上, 因 此可以达到收尘和热回收的目的。 2 在热态实验中 ,随着烟气温度的升高, 颗粒床 的除尘效率增大。说明热态情况下颗粒床更加有利 于回收粉尘 。 3 随着烟气温度的升高, 颗粒床的压力损失呈 线性关系增大。 参考文献 [ 1] 吴晋沪,汤忠, 张建民,等. 颗粒移动床高温除尘工艺与设备的研究 开发 Ⅰ 冷试结果及其理论分析. 煤炭转化, 1998,21 1 63 [ 2] 李慧仁. 高温除尘设备发展现状. 化工装备技术, 1996, 17 1 45-50 [ 3] 李翔, 白皓, 苍大强, 等. 固体颗粒床高温除尘器的等温实验研 究. 北京科技大学学报,2004, 26 1 18 [ 4] Tardos G, Gutfinger C J AIChE. 1976, 22 1147 [ 5] 向晓东. 现代除尘理论与技术. 北京 冶金工业出版社, 2002 作者通信处 何 鹏 100088 北京海淀区西土城路 33 号 中冶集 团建筑研究总院 2008- 05-20 收稿 30 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 tion safety. Keywords tipper mechanisms of dust production numerical simulation collecting and cleaning dust dust cleaning effect EXPERIMENTAL RESEARCH ON HIGH TEMPERATURE GRANULAR BED FILTER HaoJingzhang He Peng 28 Abstract The goal of this study was to uate the perance of granular filter designed for hot gas cleaning. The effect of temperature on the characteristic of granular bed filter for high temperature dust removalwas studied, and a ula of temperature versus dust removal efficiency and pressure drop was obtained. Moreover, the experimental resultswere similarwith those of the ula. With the increase of temperature, the dust -removing efficiency and pressure dropwould become higher during the process of dust -cleaning. Keywords dust-removing granular bed high temperature INVESTIGATION ON ENVIRONMENTAL PROTECTION OF BUILDING CONSTRUCTION Tian Jing 31 Abstract It is done an investigationon the attitude of managing personnel of construction enterprise andthat of residents aroundworksitesto environmental protection. The results show thatin treatment of pollution, building refuses are mainly incinerated or transportedto a landfill site; for construction noises, there are no constructions at night, anti noise walls are set up. Insufficient supervision of environment. less in environ - mental protection and lack of scientific management are the main factors to pollute environment by building constructions. The relevant solutions are proposed based on perfection of specifications and laws, enhancement of construction management, and improvement on construction techniques etc. Keywords building construction attitude to environmental protection questionnaire THE SIMULATION OF MASS BALANCE AND AIDED DESIGN IN SCR FUME DENITRATION SYSTEMDu Yungui Wu Qirong Yu Yu 35 Abstract SCR selective catalyst reductiondenitration technology is one of the main fume denitration technology in thermal power plants, whose mass balance calculation is an important means of guiding practice and technological design.Based on technical principle of SCR fume denitration and the experience of engineering practice, itwas explored the program for mass balance of SCR and simulated the main technological parameters of SCR system, as well as developed the auxiliary design function of each device. Keywords flue gas denitration SCR mass balance program design aided design SMOKE PURIFICATION AND ENERGY-SAVING TECHNOLOGICAL TRANSATION FOR CHARGING CAR OF COKE -OVENChen Yingying Wang Haitao 38 Abstract Smoke purification of charging car of coke -oven isone of the key points in coking plant smoke purification. This paper introduces how to trans smoke wet purification of the charging car of coke -oven to dry purification, including the effects of saving energy , water and re - ducing noise. Keywords charging car smoke purification energy -saving technology COUNTERMEASURES FOR CONTROLLING NOXPOLLUTION OF CENTRAL HEATING BOIL - ERSLi Wei Ding Xiaowen Ma Wenjing et al 41 Abstract The boilers with low excessair coefficient were chosen in the environmentalimpact assessment of a centralheating project, mean - while the scheme of enhancing managementof boiler operation was usedto control NOXemission. The low excessair coefficient of the selectedboil - erswas lower than 1 . 43, by which NOXemission concentration in fume could be reduced to 143 mg m3. The index of NOxcanmeet the emission standard. Keywords central heating environmental impact assessment control of NOXpollution THE DEVELOPMENT OF POWER SUPPLY FOR ELECTROSTATIC PRECIPITATOR Liu Jun Shi Jianjiang 44 Abstract The power supply for anelectrostatic precipitator is the key part in the electrostatic precipitator system, and its perance is the key factor to improve the efficiency of the dust removal. The developmentof power supply for electrostatic precipitatorsisreviewed based on energy- saving and improvement of dust removal efficiency. It has three development trends, which is from single -phase power supply to three -phase power supply, from voltage regulation under line frequency to high frequency inverting and from one power mode to hybrid power mode. The high frequen - cy power supply for electrostatic precipitators is the developing trends andhas the advantages of flexible control, controlledwave of output high voltage and fast reaction under flashover and restart. Keywords electrostatic precipitation dedust efficiency three phase high frequency high voltage pulse MERCURY CONTROL TECHNOLOGIES FOR COAL -FIRED FLUE GAS Tian Lihui Li Caiting Zeng Guangming et al 48 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 5,October, 2008