新型流化床气溶胶发生装置及其特性.pdf

第 ３ ５卷第 ５期 ２ ０ ０ ５年 ９月 东 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版 ） Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ ＦＳ Ｏ Ｕ Ｔ Ｈ Ｅ Ａ Ｓ Ｔ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅＥ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ） Ｖ ｏ ｌ  ３ ５ Ｎ ｏ  ５ Ｓ ｅ ｐ ｔ ．２ ０ ０ ５ 新型流化床气溶胶发生装置及其特性 李永旺 赵长遂 吴 新 韩 松 鲁端峰 沈湘林 （ 东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室，南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ） 摘要根据气固流态化原理， 设计了一种实用新颖的流化床气溶胶发生装置． 该气溶胶发生装置 可以稳定地输出高粒子数浓度、 空气动力学直径小于 １ ０μ ｍ的气溶胶颗粒物． 应用该装置对燃 煤电站锅炉电除尘器粉煤灰进行了气溶胶化实验． 实验表明， 通过改变流化气体（ 氮气） 流量、 待 气溶胶化的粉煤灰和青铜珠床料组成的混合物料的给料速率以及流化床床层物料中飞灰的掺混 质量比， 可以调节流化床气溶胶发生装置输出的飞灰粒子数浓度． 测试结果表明 飞灰粒子数浓 度呈双峰分布， ２个峰值分别位于空气动力学直径为 ０  ０ １～ ０  １μ ｍ和 ０  １～ １ ０μ ｍ的范围内； 飞 灰质量浓度随着颗粒粒径的增大而增加． 关键词气溶胶发生器；流化床；粒子数浓度 中图分类号Ｘ ５ １ ３ 文献标识码Ａ 文章编号 １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ （ ２ ０ ０ ５ ） ０ ５  ０ ７ ４ ２  ０ ４ Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃｏ ｆ ｎ ｏ ｖ ｅ ｌ ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄｂ ｅ ｄａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ Ｌ ｉ Ｙ ｏ ｎ ｇ ｗ ａ ｎ ｇ Ｚ ｈ ａ ｏＣ ｈ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ｉ ＷｕＸ ｉ ｎ Ｈ ａ ｎＳ ｏ ｎ ｇ Ｌ ｕＤ ｕ ａ ｎ ｆ ｅ ｎ ｇ Ｓ ｈ ｅ ｎＸ ｉ ａ ｎ ｇ ｌ ｉ ｎ （ Ｋ ｅ ｙＬ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙｏ ｆ Ｃ ｌ ｅ ａ ｎＣ ｏ ａ ｌ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄＣ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎＴ 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但发生装置结构复 杂， 而且对聚合粒子的分散效果不佳， 形成的气溶 胶中以多重态聚合大粒子居多［ ３ ］． 不同于以上３种 气溶胶发生方法， 流化床法［ ４ ， ５ ］不仅适用于各种粉 末物质， 而且可以有效地将粉末物质分散产生粒径 较小的气溶胶颗粒物． Ｂ ｏ ｕ ｃ ｈ ｅ ｒ 等［ ６ ］于 １ ９ ８ ２年提 出一种可以稳定地输出亚微米级颗粒物的流化床 气溶胶发生装置， 但是该气溶胶发生装置要求有复 杂的给料系统和振动再分散装置， 且气体流速较 大． 相比而言， Ｌ ｕ ａ ［ ７ ］于 １ ９ ９ ２年提出了一种简易的 流化床气溶胶发生装置， 但该装置只能产生空气动 力学直径大于 １μ ｍ的气溶胶颗粒物， 而且输出的 气溶胶颗粒数浓度波动较大． 目前， 美国 Ｔ Ｓ Ｉ 公司 推出一种气溶胶颗粒数浓度可调且输出稳定的流 化床气溶胶发生器［ ８ ， ９ ］， 但该发生器给料系统复 杂， 运行维护费用高， 输出的气溶胶颗粒物粒径较 大， 不能满足对人体有危害作用的空气动力学直径 小于 １ ０μ ｍ的可吸入颗粒物研究的需要． 为弥补 上述流化床气溶胶发生装置的不足， 本文提出一种 输出浓度可调的新型流化床气溶胶发生装置， 不仅 结构简单， 运行维护费用低， 气体流速低， 而且产生 的气溶胶颗粒物粒径小， 浓度分布和粒径分布稳 定． １ 流化床气溶胶发生装置与工作原理 １  １ 发生装置 流化床气溶胶发生装置如图 １所示． 整个装置 由风室、 布风板、 床体、 给料系统和溢料系统等组 成． 在气溶胶发生过程中， 流化床床层物料颗粒在 流化过程中不断地相互摩擦， 使气溶胶发生装置输 出的气溶胶粒子带电［ １ ０ ］． 所以， 为尽可能减少气溶 胶粒子在形成过程中的带电量， 本试验中的气溶胶 发生装置所有部件均采用黄铜材料加工． 若发生装 置装设有可使气溶胶粒子呈电中性的粒子中和器， 也可以改用其他材料． 根据气固流态化原理， 通过 计算， 选取流化床风室和床体内径为 ５  ５ｃ ｍ， 其高 度分别为６ ， ４ ０ ｃ ｍ． 为阻止床料和待气溶胶化的 １ 流化风入口管；２ 风室；３ 风室接头；４ 布风板； ５ 床 体接头； ６ 床体； ７ 床体盖板； ８ 落料管； ９ 料仓； １ ０ 气 溶胶出口管； １ １ 溢料管； １ ２ 溢料收集器 图 １ 流化床气溶胶发生装置示意图 粉末物质组成的混合物料在重力作用下进入风室、 均匀分布进入床层的流化气体、 产生适当的压力降 以稳定床层压力， 在风室与床体之间装设多孔陶瓷 布风板． 为保证布风板压力降为流化床总压力降的 三分之一［ １ １ ］， 选取多孔陶瓷布风板的微孔为直径 ２μ ｍ， 开孔率为 ２ ５ ％． 安装在流化床上方的料仓， 通过落料管与床体盖板联接， 组成给料系统． 在气 溶胶发生装置运行过程中， 给料系统连续不断地为 床层提供按一定质量配比的由床料和粉末物质组 成的混合物料， 配比比例与床层内初始混合物料的 掺混质量比相同． 此外， 在流化床床体外侧装设一 个溢料管， 保证在给料系统连续给料的情况下床层 高度相对稳定不变． １ ． ２ 工作原理 本试验选取燃煤电站锅炉电除尘器飞灰（ 以 下简称飞灰） 作为待气溶胶化的粉末物质， 选取经 过滤的压缩氮气作为流化气体． 为有效地分散飞 灰， 采用密度比飞灰大、 粒径范围为 ７ ４～ １ ０ ０μ ｍ 的青铜珠作为床料． 在流化床气溶胶发生装置运行 前， 向床内加入由青铜珠和飞灰按一定质量配比的 混合物料， 保持床层高度为 １ ０ｃ ｍ． 压缩氮气通过 风室进入床层， 床层开始膨胀． 不断增大氮气流速， 当气 流 速 度 超 过 床 层 的 起 始 流 态 化 速 度 （ ０  ０ ２ｍ／ ｓ ） 时， 一部分气体以气泡的形式穿过床 层， 形成聚式气固流态化［ １ ２ ］， 此时流化床中出现明 显的两相 ①气体夹带飞灰颗粒的稀相； ②床料颗 粒和床料颗粒间气体组成的密相． 密相区内混合物 料中的飞灰颗粒在青铜珠床料的摩擦作用下， 由大 颗粒聚合状态分散成小颗粒， 同时在氮气的流化作 用下均匀弥散于青铜珠床料中， 而后在氮气曳力的 作用下被夹带出床层， 进入床层上部自由空域． 由 于飞灰小颗粒（ 粒径小于 １ ０μ ｍ） 的终端速度是 ０  ０ ７ｍ／ ｓ ， 青铜珠的终端速度是 １  ６ ０ｍ／ ｓ ， 而气流 表观速度为 ０  １ ０～ ０  ２ ０ｍ／ ｓ ， 所以随同小颗粒飞灰 被氮气一起带出床层的小颗粒青铜珠和大颗粒飞灰 最终返回床层， 而进入床层上部自由空域的粉煤灰 粒子形成稳定的气溶胶后继续向上运动， 经气溶胶 出口管引出． 与气溶胶发生装置主体相对独立的给料系统， 在流化床运行的同时同步给料． 料仓内的混合物料 在其与床内混合物料料位差的作用下缓慢进入床 层， 给料速率可以通过改变落料管下端出口内径来 调整． 在流化床运行过程中， 料仓内混合物料与床 层内混合物料的料位差相对稳定不变， 所以落料管 给料速率基本恒定， 使得床层内混合物料中飞灰的 ３４７第 ５期李永旺， 等 新型流化床气溶胶发生装置及其特性 比例也保持不变， 从而可以保证发生器输出的气溶 胶浓度和粒径分布稳定不变． １ ． ３ 测试仪器 本试验中气溶胶颗粒物分析装置采用芬兰 Ｄ ｅ ｋ ａ ｔ ｉ 公司制造的电称低压冲击器（ Ｅ Ｌ Ｐ Ｉ ） ． 该仪 器可以实时测量气溶胶颗粒物分粒径的粒子数浓 度和质量浓度， 其测量的颗粒物粒径范围为 ０  ０ ３ ～ １ ０μ ｍ， 分为 １ ２级同步测量． Ｅ Ｌ Ｐ Ｉ 工作原理是颗 粒物在进入冲击器前首先通过电晕放电器使其荷 电， 然后在从上而下的每一级冲击器里， 通过测量 捕集到的颗粒物所带的电流值推算其浓度． 在本次 试验中， Ｅ Ｌ Ｐ Ｉ 采用一级稀释， 稀释倍率为 ８  １ ８ ． ２ 测试结果与分析 ２ ． １ 飞灰总粒子数浓度随时间的稳定性 图 ２所示曲线是在氮气流量 Ｑ＝ １  ０ ， ０  ８ ， ０  ６ ｍ ３／ ｈ 的情况下， 流化床气溶胶发生装置输出的飞 灰总粒子数浓度 Ｎ ｔ ｏ ｔ随时间的变化关系． 由图可 见， 在 ３种氮气流量下， 流化床输出的飞灰总粒子 数浓度基本稳定不变． 这是因为在给料量和氮气流 量恒定不变的情况下， 流化床床层高度和床层混合 物料中飞灰质量比均稳定不变， 床内物料流化状态 不发生改变， 因而形成的粒子数浓度基本稳定． 图 ２ 飞灰总粒子数浓度随时间变化曲线 图 ３ 飞灰掺混质量比对飞灰总粒子数浓度的影响 ２ ． ２ 飞灰总粒子数浓度的影响因素 ２  ２  １ 飞灰掺混质量比 图 ３表明， 随着床层物料中飞灰掺混质量比 Ｒ 的增加， 飞灰总粒子数浓度增加， 在氮气流量为 ０  ８ｍ ３／ ｈ时， 当混合物料中飞灰掺混质量比从 ０  ７ ％增加到 １  ０ ％时， 飞灰总粒子数浓度从 ９  ９ ７ １ ０ ４ｃ ｍ－ ３增加到 １  ８ ０ １ ０５ｃ ｍ－ ３． 这是由于增大 床层物料中飞灰掺混质量比， 床层中飞灰小颗粒增 加， 被氮气带出床层的飞灰颗粒粒子数增多， 形成 气溶胶的粒子数浓度也随之增高． ２  ２ ． ２ 氮气流量 随着氮气流量的增加， 其穿过流化床床层的流 速增大， 在青铜珠床料和飞灰颗粒终端速度不变的 情况下， 被氮气夹带的飞灰颗粒数增多， 使得流化 床产生的飞灰粒子数浓度升高， 如图 ４所示． 此外， 图 ４还表明飞灰掺混质量比越大， 粒子数浓度随氮 气流量增大而升高的速率越快， 图 ３也明显地表明 了流化床气溶胶发生装置的这一特性． 这主要是因 为飞灰掺混质量比越高， 床层中飞灰颗粒越多， 被 氮气夹带出床层的飞灰粒子数受氮气流速的影响 越大， 增大氮气流量其增长速率也就越快． 图 ４ 氮气流量对飞灰总粒子数浓度的影响 ２ ． ２ ． ３ 给料速率 虽然在溢料管的作用下， 增大给料速率， 床层高 度相对稳定不变， 但床层内混合物料中飞灰的质量 比例增大， 床层中飞灰颗粒增多， 被氮气带出床层形 成气溶胶的飞灰小粒子随之增多． 如图 ５所示， 当氮 气流量 Ｑ＝ ０  ８ ｍ ３／ ｈ 时， 落料管出口内径 Ｄ ｉ ｎ分别由 ２  ０ ， ２  ５ ｍ ｍ增加到 ３  ０ｍ ｍ时， 相应的飞灰粒子数 浓度由１  ７ ６ １ ０ ５ ， ２  ９ ９ １ ０ ５ｃ ｍ－ ３ 增加到３  ７ ５ １ ０ ５ ｃ ｍ－ ３． 这是由于增大落料管出口内径， 给料速率增 大， 使飞灰总粒子数浓度也随之增高． 图 ５ 给料速率对飞灰总粒子数浓度的影响 ４４７东南大学学报（ 自然科学版） 第 ３ ５卷 ２ ． ３ 飞灰分粒径粒子数浓度和质量浓度分布 ２ ． ３ ． １ 飞灰分粒径粒子数浓度分布 如图 ６所示， 在飞灰空气动力学直径 Ｄ ｐ＝ ０  ０ １～ １ ０μ ｍ的范围内， 随着粒径的增大， 飞灰粒 子数浓度从最大值快速降低， 在 ０  １ ０μ ｍ处达到 最小值后又逐渐增加， 粒径增大到 ０  ４ ８μ ｍ时飞 灰粒子数浓度达到一个峰值后再次递减． 所以飞灰 粒子数浓度呈双峰分布， ２个峰值分别位于空气动 力学直径为 ０  ０ １～ ０  １μ ｍ和 ０  １～ １ ０μ ｍ的范围 内． ３种氮气流量下飞灰分粒径粒子数浓度具有同 样的分布规律． 图 ６ 飞灰分粒径粒子数浓度分布 ２ ． ３ ． ２ 飞灰分粒径质量浓度分布 图 ７是氮气流量分别为 １  ０ ， ０  ８ ， ０  ６ｍ ３／ ｈ的 情况下气溶胶分粒径质量浓度分布曲线． 由图可 知， 空气动力学直径 Ｄ ｐ＜ １  ２ ２μ ｍ的飞灰颗粒质 量浓度较小， 基本接近于 ０ ， 而 Ｄ ｐ＞ １  ２ ２μ ｍ的飞 灰颗粒质量浓度随着粒径的增大而迅速上升． 尽管 空气动力学直径 Ｄ ｐ＜ １  ２ ２μ ｍ的飞灰粒子数浓度 较高， 但由于其粒径较小， 所以其质量浓度保持在 较低水平． 图 ７ 飞灰分粒径质量浓度分布 ３ 结 论 １ ） 本文开发的流化床气溶胶发生装置运行稳 定， 在运行条件不变的情况下， 其输出气溶胶粒子 数浓度基本恒定不变． ２ ） 流化床输出的气溶胶粒子数浓度可通过改 变飞灰掺混质量比、 氮气流量、 给料速率的方法来 调整． 增大飞灰掺混质量比或氮气流量， 流化床输 出的飞灰粒子数浓度升高； 飞灰掺混质量比越大， 粒子数浓度随氮气流量增大而升高的速率越快． ３ ）流化床输出的飞灰分粒径粒子数浓度呈双 峰分布， ２个峰值分别位于空气动力学直径为 ０  ０ １ ～ ０  １ μ ｍ和０  １～ １ ０ μ ｍ的范围内； 空气动力学直 径大于 １  ２ ２μ ｍ的飞灰分粒径质量浓度随着粒径 的增大而显著增高， 而粒径小于 １  ２ ２μ ｍ的飞灰 粒子的质量浓度较小， 基本接近于 ０ ． 参考文献 （ Ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ） ［ １ ］张国权．气溶胶力学［ Ｍ］ ．北京 中国环境科学出版 社， １ ９ ８ ７ ． １ ３ ． ［ ２ ］Ｄ ｉ ｅ ｈ ｌ Ｋ ， Ｍｉ ｔ ｒ ａ ＳＫ ． Ａｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙｓ ｔ ｕ ｄ ｙｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ａｋ ｅ ｒ ｏ ｓ ｅ ｎ ｅ  ｂ ｕ ｒ ｎ ｅ ｒｅ ｘ ｈ ａ ｕ ｓ ｔｏ ｎｉ ｃ ｅｎ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ ｅ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ａ ｔ ｅｏ ｆ ｉ ｃ ｅｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｓ ［ Ｊ ］ ．Ａ ｔ ｍ ｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃＥ ｎ ｖ ｉ  ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ， １ ９ ９ ８ ， ３ ２ （ １ ８ ） ３ １ ４ ５ ３ １ ５ １ ． ［ ３ ］理查特丹尼斯． 气溶胶手册［ Ｍ］ ．梁鸿富等译． 北 京 原子能出版社， １ ９ ８ ８  ３ ０ ８ ４ ． ［ ４ ］Ｐ ｒ ｅ ｎ ｎ ｉ ＡＪ ， Ｓ ｉ ｅ ｆ ｅ ｒ ｔ ＲＬ ， Ｏ ｎ ａ ｓ ｃ ｈＴＢ ， ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎａ ｎ ｄ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆａｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄｂ ｅ ｄａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ａ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅｆ ｏ ｒ ｄ ｒ ｙ ，ｓ ｕ ｂ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ ［ Ｊ ］ ．Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ Ｓ ｃ ｉ  ｅ ｎ ｃ ｅａ ｎ ｄＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， ２ ０ ０ ０ ， ３ ２ （ ３ ） ４ ６ ５ ４ ８ １ ． ［ ５ ］Ｍｉ ｋ ａ Ｐ ，Ｊ ｕ ｈ ａ Ｔ ．Ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｌ ｙｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄｂ ｅ ｄａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ａ ｓ ｐ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒｆ ｅ ｅ ｄ ｅ ｒｆ ｏ ｒｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ａ ｌ ｓ ｐ ｒ ａ ｙ ｉ ｎ ｇ ［ Ｊ ］ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， １ ９ ９ ５ ， ２ ６ （ １ ） ７ ８ ９ ７ ９ ０ ． ［ ６ ］Ｂ ｏ ｕ ｃ ｈ ｅ ｒ ＲＦ ，Ｌ ｕ ａＡＣ ．Ａｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ，ｈ ｉ ｇ ｈｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｄ ｒ ｙａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ［ Ｊ ］ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， １ ９ ８ ２ ， １ ３ （ ９ ） ４ ９ ９ ５ １ １ ． ［ ７ ］ Ｌ ｕ ａＡ Ｃ ．Ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓｏ ｆａｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄ ｂ ｅ ｄａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ［ Ｊ ］ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ Ｓ ｃ ｉ 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