料屉式颗粒床对高温含尘烟气的过滤特性

尹少武, 张文聪, 王旭, 刘传平, 童莉葛, 王立. 料屉式颗粒床对高温含尘烟气的过滤特性[J]. 环境工程学报, 2023, 17(1): 173-179. doi: 10.12030/j.cjee.202208032
引用本文: 尹少武, 张文聪, 王旭, 刘传平, 童莉葛, 王立. 料屉式颗粒床对高温含尘烟气的过滤特性[J]. 环境工程学报, 2023, 17(1): 173-179. doi: 10.12030/j.cjee.202208032
YIN Shaowu, ZHANG Wencong, WANG Xu, LIU Chuanping, TONG Lige, WANG Li. Filtration characteristics of drawer type granular bed for high-temperature dust-laden flue gas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(1): 173-179. doi: 10.12030/j.cjee.202208032
Citation: YIN Shaowu, ZHANG Wencong, WANG Xu, LIU Chuanping, TONG Lige, WANG Li. Filtration characteristics of drawer type granular bed for high-temperature dust-laden flue gas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(1): 173-179. doi: 10.12030/j.cjee.202208032

料屉式颗粒床对高温含尘烟气的过滤特性

    作者简介: 尹少武 (1979—) ,男,博士,副教授,yinsw@ustb.edu.cn
    通讯作者: 尹少武(1979—),男,博士,副教授,yinsw@ustb.edu.cn
  • 基金项目:
    国家重点研发计划项目 (2022YFC3800401)
  • 中图分类号: TU834.6+34; X701.2

Filtration characteristics of drawer type granular bed for high-temperature dust-laden flue gas

    Corresponding author: YIN Shaowu, yinsw@ustb.edu.cn
  • 摘要: 采用料屉式颗粒床过滤装置对工业生产过程中产生的高温烟气处理问题进行研究。装置包括粉尘输送装置和颗粒床过滤装置两部分,其中过滤装置采用分层料屉,可观察单层料屉粉尘捕集情况。考察了烟气温度、凝尘添加比例和滤料颗粒粒径等因素对颗粒床过滤特性的影响。结果表明:随烟气温度逐渐升高至凝尘熔点、滤料颗粒粒径的减小以及凝尘添加比例的增加,床层过滤效率及压降均会上升,颗粒床出口处粉尘浓度不断降低;其中凝尘添加比例对于过滤特性影响最显著。在实验范围内最佳过滤条件下,颗粒床过滤效率最高可达99.40%,出口处烟气质量浓度低至12.02 mg·m−3。通过考察首层料屉滤料表面粉尘粘结形貌,发现滤料层粘结面呈现“由中心向四周发散”的整体格局,颗粒表面有“锥形”粘结层出现。本研究结果可为提升料屉式颗粒床过滤除尘器的除尘功效提供参考。
  • 我国畜禽粪便污染物总量已达近40×108 t,有效处理量不足50%,其中猪粪占总量比最大,为36.71%[1-4]。清粪工作是解决规模化猪场环境污染的重要内容。在清粪工艺中,干清粪工艺具有机械化程度高、粪中营养成分损失小、耗水量少、可减少污水中大部分污染物(以COD与BOD类指标表征)等优势[5-6]。从清洁生产角度考虑,干清粪工艺是规模化猪场清理猪粪时的首选[7]。干清粪工艺得到的猪粪固含量高、水分含量少,后续输送特别是管道抽吸过程中难度较大。这是由于猪粪含固率变化导致其黏性变化,从而影响了管内流动阻力。因此,对流动黏性阻力这一物理特性进行专门研究是很有必要的,其对运输、搅拌、混合等传质传热过程[8-10]同样有重要影响,属于基础性工艺设计因素。

    国内外许多学者对畜禽粪污或类似物料的流变特性和输送性能已有过研究。石惠娴等[10]验证了猪粪为非牛顿流体中的假塑性流体,可使用幂律模型描述切应力与剪切速率之间的关系。LANDRY等[11]拟合了猪粪稠度系数与含固率的函数关系,建立特定剪切速率条件下表观黏度与含固率的函数表达式。刘刈等[12]考察了包括猪粪在内的6种畜禽养殖场废弃物悬浮分散系的流变特性,研究了物料浓度、温度和发酵时间等因素对粪污黏度的影响,以及猪粪表观黏度随温度的变化趋势,分析了颗粒溶解到液相使其浓度增大并产生表观黏度增大的现象。王少勇等[13]测试不同工况下膏体管道输送的黏度-剪切速率流动曲线,采用Herschel-Bulkey模型进行回归分析,获得了管道输送膏体的流变参数。刘晓辉等[14]对具有非牛顿流体特性的膏体尾矿进行管道输送关键工艺参数研究,实现了对膏体在管内流动时流动阻力的精确测算。

    然而,对畜禽粪污在管道抽吸过程的非牛顿流体流动阻力特性的研究还较少,还需考虑各种浓度、抽吸压力、抽吸管径及自然放置时间等关键影响因素,并进行系统地理论分析,以便为相关的环保工艺与设备研发提供设计参数。本研究以实验为基础,分析在猪粪管道抽吸过程中影响抽吸流量的主要因素,以及猪粪在管道内流动时非牛顿流体阻力特性的影响机理,以期为畜禽粪污环保处理等相关领域提供参考。

    新鲜猪粪,不同的猪粪含固率由未稀释新鲜干猪粪添加适当自来水调配获取。

    实验装置示意图见图1。黏度相关特性的测量仪器为LVDV-II+Pro旋转型黏度计(美国Brookfield公司)。

    图 1  实验装置示意图
    Figure 1.  Schematic diagram of experimental setup

    本实验模拟实际管道抽吸粪污的过程,在真空容器间连接不同管径的塑料波纹软管,改变可能影响抽吸流量及流动阻力特性的操作参数,如猪粪含固率、抽吸真空度、抽吸管径和自然放置时间(自然放置的实验环境为室内常温(20 ℃左右))等。

    根据能量守恒伯努利方程,建立各压头之间的平衡关系式[15](式(1)和式(2))。

    Pρ=gΔZ+u22+hf (1)
    hf=4fLDu22 (2)

    式中:P为抽吸真空度,kPa;ρ为猪粪密度,kg·m−3g为重力加速度,取9.81 m·s−2L为抽吸管道总长度,取1.5 m;D为抽吸管道内径,m;ΔZ为储粪桶1液面到真空容器3抽吸口的竖向高度,m;u为管道内流体平均流速,m·s−1hf为管内流动阻力,m2·s−2f为实验范宁(Fanning)摩擦因子。由于储粪桶截面积较管道截面积大很多,其液位变化可以忽略。

    图2QxDP分别表示抽吸流量、猪粪含固率、抽吸管径和抽吸真空度。图2(a)为抽吸管径为0.03 m时、不同抽吸真空度下,猪粪含固率对抽吸流量的影响。图2(a)内容显示,随着猪粪含固率增加,抽吸流量逐渐减少。且在高抽吸真空度条件下,由于负压压头动力大,其对应的抽吸流量也大。用小抽吸管径(0.015 m,图2(b))同样表现出类似的猪粪含固率和抽吸真空度之间的影响特点。图2(a)图2(b)不同处在于:较大管径条件下,猪粪含固率低于10%时,含固率对抽吸流量的影响并不明显;含固率超过10%后,抽吸流量值才快速下降,整体上抽吸流量与猪粪含固率更符合二次曲线关系;而较小管径条件下,猪粪含固率对抽吸流量的影响显现线性关系(二次项系数接近0),特别是在低抽吸真空度条件下,线性关系更加显著。

    图 2  不同条件下抽吸流量的变化
    Figure 2.  Changes of suction flow under different conditions

    抽吸流量随猪粪含固率增大而减少,说明猪粪固形物增大了管道阻力,这是由猪粪的流体本征特性决定的。从图3可知,随着猪粪含固率增加,流变指数不断下降,从含固率为2%时流变指数接近1,逐渐降至含固率为20%时接近0.3。n为流变指数,是代表流体流动规律的重要指标[16-17],其值在0<n<1时,代表猪粪的流动规律符合假塑性非牛顿流体流动规律,且n值越小代表非牛顿流体特性越强,对应于管道抽吸猪粪过程中管内黏性摩擦力及流动阻力表现越大,带来了表观上抽吸流量减少的效果。

    图 3  流变指数随含固率的变化
    Figure 3.  Change of rheological index n with TS

    猪粪含固率为2%时,此时流变指数为0.952 3,最接近牛顿流体。图4(a)为不同抽吸管径对抽吸流量的影响,可以看出抽吸流量随抽吸管径增大是快速增加的[18],即大管径有更小的相对抽吸阻力,且不同抽吸真空度条件下抽吸流量与抽吸管径之间均呈约1.3次方的幂指数学关系。对于牛顿流体,流体黏度是不受流动速度梯度(剪切速率)影响的,即管径变化带来的管道速度梯度不会对黏性产生影响,抽吸流量表现出了只随抽吸管径变化的特点,抽吸流量和抽吸管径之间存在了一定的幂指数学关系。对于猪粪含固率为20%(图4(b)),此时流变指数为0.300 4,非牛顿流体特性最强)时,抽吸流量随抽吸管径增大同样是快速增加的,但由于非牛顿流体的黏性受流体速度梯度(剪切速率)影响较大,抽吸管径变成了同时影响流体黏性特征的重要间接因素[18],抽吸流量和抽吸管径之间的幂指关系因此变得非常复杂且不再有统一指数数值。

    图 4  不同含固率条件下管径对抽吸流量的影响
    Figure 4.  The effect of diameter on suction flow at different TS

    由于在实际情况下,畜禽粪污通常不能被及时清运,所以应重点研究猪粪自然放置时间对抽吸流量的影响。当抽吸管径为0.03 m,抽吸真空度为−50 kPa时,图5表明在不同含固率条件下,抽吸流量随自然放置时间延长均有少量下降,说明自然放置时间会对管道阻力产生增大效应,而且这种增大效应并没有受到猪粪含固率的影响。图6分析了猪粪低含固率为4%和高含固率为16%时,在抽吸实验前(未自然放置)和抽吸实验后(自然放置末期)流变指数的变化,发现流变指数均有所下降。猪粪含固率为4%时其流变指数从0.916 6降至0.832 0,猪粪含固率为16%时其流变指数从0.451 1降至0.408 0,说明当猪粪的非牛顿流体特性增强时,间接增大了猪粪在管内流动时的流动阻力。

    图 5  自然放置时间对抽吸流量的影响
    Figure 5.  Effect of natural placement time on suction flow
    图 6  流变指数的变化
    Figure 6.  Changes of rheological index

    猪粪在管道内流动时,流动阻力的影响因素涉及猪粪在自然放置过程中(本实验在室内环境温度20 ℃左右条件下进行)可能发生的复杂物理变化和生化过程,其包括猪粪中的颗粒性物质发生部分降解、固相颗粒尺寸与分布变化[12]、部分大分子向小分子转变、流体内微气泡产生及与颗粒夹杂等。最终在微观上,增强了猪粪中各种微颗粒之间相互作用力,故宏观上表现出了黏性阻力增大的现象。根据图7显示的本研究工况下的平均情况,在管道抽吸不同含固率猪粪过程中,流量的平均降低率随自然放置时间不断增加。自然放置时间从5 d增加到25 d后,其抽吸流量的平均降低率从4.6%增加到26.2%;且15 d内,降低率不显著(8.3%以内);而15 d后明显扩大,25 d后达到26.2%。结果说明,在自然放置过程中,随着时间的推进,猪粪对管道的阻力逐渐增大。

    图 7  抽吸流量的平均降低率
    Figure 7.  Average reduction of suction flow

    范宁摩擦因子用于计算管道对流体流动时摩擦阻力的大小[19-21]。范宁摩擦因子数值越大表示管道阻力越强。由图8(a)可知,在抽吸管径为0.02 m,抽吸真空度为-70 kPa的条件下,实验测定的范宁摩擦因子随猪粪含固率增大而增大,与抽吸流量随猪粪含固率变化呈相反的对应关系。从曲线变化趋势来看,特别在高含固率(>16%)下,实验范宁摩擦因子的增大明显,说明从流动阻力特性角度来说,不宜在高含固率条件下进行粪污抽吸。虽然抽吸流量随抽吸管径增大而迅速增加(见图4),但当含固率为12%,抽吸真空度为-70 kPa时,实验范宁摩擦因子亦随抽吸管径增大而增大(图8(b))。这是由于抽吸管道内壁面积(与流体接触的摩擦面)是随抽吸管径增大而增加的[22]

    图 8  实验范宁摩擦因子的变化
    Figure 8.  Change of experimental Funning Friction Factor

    雷诺数同样是表征流体流动特性的重要物理量。雷诺数较小说明黏性阻力对流场的影响大于惯性力[21, 23]。从抽吸实验结果来看,由于猪粪黏性阻力较大,实验计算得到的非牛顿流体雷诺数均较小,与实验范宁摩擦因子之间表现出明显的层流特征[15]关系(见图8(c))。图8(c)显示部分代表性实验数据点,最大实验范宁摩擦因子达到3.020 0,而最小实验范宁摩擦因子为0.006 6,最大实验雷诺数达到2 435,而最小实验雷诺数仅有10左右,显示出管道抽吸猪粪过程中阻力特征变化范围较大。另外,由于存在层流关系,由图8(a)图8(b)可以看出,实验雷诺数与猪粪含固率及抽吸管径的对应关系,同实验范宁摩擦因子的情况相反。

    1)随着猪粪含固率从2%增加到20%,其流变指数从0.952 3降至0.300 4,导致管道阻力上升,抽吸流量减少,整体上抽吸流量与含固率符合二次曲线关系;抽吸流量随抽吸管径呈幂指增长关系,当猪粪的非牛顿流体特性增强时,管径间接成为影响管道内非牛顿流体黏性阻力的重要因素。

    2)在自然放置过程中,不同含固率下猪粪的抽吸流量随自然放置时间的延长有所下降,同时流变指数亦有所下降;抽吸流量的平均降低率随自然放置时间不断增加。15 d内降幅较小,15 d后降幅明显扩大,最大达到了26.2%(25 d),越到后期其影响越明显。

    3)本研究条件下的范宁摩擦因子范围为0.006 6~3.020 0,非牛顿流体雷诺数范围为10~2 435,二者符合管道层流流动特征关系。实验范宁摩擦因子随含固率增大而增大,特别在高含固率(>16%)下增速最为显著。从非牛顿流体流动阻力特性角度来说,不宜在高含固率条件下进行粪污抽吸。

  • 图 1  料屉式颗粒床过滤系统装置示意图

    Figure 1.  Schematic of the drawer type granular bed filtration system device

    图 2  烟气温度对过滤效率的影响

    Figure 2.  Influence of flue gas temperature on filtration efficiency

    图 3  烟气温度对床层压降的影响

    Figure 3.  Influence of flue gas temperature on bed pressure drop

    图 4  凝尘比例对过滤效率的影响

    Figure 4.  Influence of proportion of dust on filtration efficiency

    图 5  凝尘比例对床层压降的影响

    Figure 5.  Influence of proportion of dust on bed pressure drop

    图 6  滤料颗粒粒径对过滤效果的影响

    Figure 6.  Influence of filter material particle size on filtration efficiency

    图 7  滤料颗粒粒径对床层压降的影响

    Figure 7.  Influence of filter material particle size on bed pressure drop

    图 8  单层料屉粉尘捕集量

    Figure 8.  Dust collection capacity of single-layer drawer

    图 9  滤料实物图

    Figure 9.  Physical picture of filter material

    表 1  粉煤灰化学组分及熔点

    Table 1.  Chemical composition and meiting point of fly ash

    成分质量占比熔点 /℃
    SiO21.30%~65.7%1 600~1 700
    Al2O31.59%~40.1%2 050
    Fe2O31.59%~6.2%1 565
    CaO1.44%~16.8%2 570
    MgO1.2%~3.7%2 800
    成分质量占比熔点 /℃
    SiO21.30%~65.7%1 600~1 700
    Al2O31.59%~40.1%2 050
    Fe2O31.59%~6.2%1 565
    CaO1.44%~16.8%2 570
    MgO1.2%~3.7%2 800
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    表 2  刚玉球的物性参数

    Table 2.  Physical parameters of corundum ball

    滤料直径/mm堆积密度/(g·cm−3)孔隙率
    12.2844.6%
    22.4038.5%
    52.5235.2%
    滤料直径/mm堆积密度/(g·cm−3)孔隙率
    12.2844.6%
    22.4038.5%
    52.5235.2%
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-05
  • 录用日期:  2022-11-26
  • 刊出日期:  2023-01-31
尹少武, 张文聪, 王旭, 刘传平, 童莉葛, 王立. 料屉式颗粒床对高温含尘烟气的过滤特性[J]. 环境工程学报, 2023, 17(1): 173-179. doi: 10.12030/j.cjee.202208032
引用本文: 尹少武, 张文聪, 王旭, 刘传平, 童莉葛, 王立. 料屉式颗粒床对高温含尘烟气的过滤特性[J]. 环境工程学报, 2023, 17(1): 173-179. doi: 10.12030/j.cjee.202208032
YIN Shaowu, ZHANG Wencong, WANG Xu, LIU Chuanping, TONG Lige, WANG Li. Filtration characteristics of drawer type granular bed for high-temperature dust-laden flue gas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(1): 173-179. doi: 10.12030/j.cjee.202208032
Citation: YIN Shaowu, ZHANG Wencong, WANG Xu, LIU Chuanping, TONG Lige, WANG Li. Filtration characteristics of drawer type granular bed for high-temperature dust-laden flue gas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(1): 173-179. doi: 10.12030/j.cjee.202208032

料屉式颗粒床对高温含尘烟气的过滤特性

    通讯作者: 尹少武(1979—),男,博士,副教授,yinsw@ustb.edu.cn
    作者简介: 尹少武 (1979—) ,男,博士,副教授,yinsw@ustb.edu.cn
  • 1. 北京科技大学能源与环境工程学院,北京 100083
  • 2. 北京科技大学冶金工业节能减排北京市重点实验室,北京 100083
基金项目:
国家重点研发计划项目 (2022YFC3800401)

摘要: 采用料屉式颗粒床过滤装置对工业生产过程中产生的高温烟气处理问题进行研究。装置包括粉尘输送装置和颗粒床过滤装置两部分,其中过滤装置采用分层料屉,可观察单层料屉粉尘捕集情况。考察了烟气温度、凝尘添加比例和滤料颗粒粒径等因素对颗粒床过滤特性的影响。结果表明:随烟气温度逐渐升高至凝尘熔点、滤料颗粒粒径的减小以及凝尘添加比例的增加,床层过滤效率及压降均会上升,颗粒床出口处粉尘浓度不断降低;其中凝尘添加比例对于过滤特性影响最显著。在实验范围内最佳过滤条件下,颗粒床过滤效率最高可达99.40%,出口处烟气质量浓度低至12.02 mg·m−3。通过考察首层料屉滤料表面粉尘粘结形貌,发现滤料层粘结面呈现“由中心向四周发散”的整体格局,颗粒表面有“锥形”粘结层出现。本研究结果可为提升料屉式颗粒床过滤除尘器的除尘功效提供参考。

English Abstract

  • 高温含尘气体的净化技术可减少大气中污染物的排放,还能回收热能和相关资源[1]。粉尘中含有大量高熔点氧化物及部分在该温度下呈熔融状态的金属盐[2]。传统的除尘方法多采用将高温烟气降低到中温或常温再进行净化除尘的方式,该过程会浪费大量热量[3]。在高温条件下处理含有熔融状态及高温固体颗粒物的烟气,并有效利用高温烟气中的热量已成为研究热点。

    目前,能用于高温状态下烟气的气固分离技术主要有高温旋风除尘、高温陶瓷除尘、高温静电除尘及颗粒床过滤除尘等。各种除尘技术有各自的特点及适用范围[4]。国外研究者对高温含尘烟气的除尘技术研究较早。美国Acerux公司使用耐高温陶瓷纤维做成布袋结构进行除尘操作,该布毡可耐800 ℃高温,过滤效率可达99%以上,但是实际操作过程中存在压降过高的问题[5]。相对于其他各类除尘技术,颗粒床除尘器越发得到研究者青睐,其优势有:1) 滤料材料物化性质极为稳定,可耐腐蚀、耐高温,能长期稳定工作;2) 除尘效率可达到95%以上;3) 设备造价相对低廉,经济性较强;4) 使用干法除尘,能有效避免二次污染[6]。5) 能处理大流量多类型的粉尘,尤其适用于净化高温、含腐蚀性、含凝固型的含尘烟气,气体流量调节范围较宽,装置连续性好[7]。但在工业应用中也存在过滤过程中床层压降升高明显,对细微粉尘捕集效率不够高等问题。

    基于此,国内不少学者已针对颗粒床除尘器进行了研究。单向辉等[8]通过搭建一个立式移动颗粒床除尘器证明颗粒床除尘器的除尘效率与表观过滤风速和质量流率有关,并通过加百叶窗的方式消除了移动床中的流动静止区域,保证了尘饼的良好更新,进而保证移动颗粒床具有较高的除尘效率水平。但除尘器内部结构导致的高速气流区,以及级与级之间的灰尘汇聚问题,对除尘效果的提升造成了较大阻碍,颗粒床结构需要进一步优化。杨国华等[9]设计了一种双层滤料颗粒床梯级过滤技术,由上下两层不同粒径滤料组成,上层填装滤料大粒径颗粒,可起到提高床层容尘量、延长清灰周期、保护细滤料层的作用;下层滤料使用细粒径颗粒,实现了颗粒床过滤过程中高效率和低压降的统一。但该装置对于超细的粉尘捕集效率不够高,后续通过在两层滤料层中间添加1层150目~200目的粉体层滤膜,使过滤效率得到进一步提升[10]

    本研究利用多层料屉式颗粒床过滤器对含尘烟气高温状态下除尘净化过程进行单变量影响因素分析,以颗粒床过滤效率和床层压降作为评价指标[11],总结烟气温度、凝尘比例及滤料粒径等各因素对颗粒床高温除尘过程影响规律,并观察首层料屉粉尘堆积情况及单个滤料球形貌,以期通过对捕集规律的总结和粉尘捕集原理的探讨,为改进料屉式颗粒床过滤除尘器的除尘功效提供参考。

    • 通过模拟工业炉窑出口尾气进行实验设计,料屉式颗粒床过滤系统装置示意图如图1所示。该系统主要由粉尘输送装置、颗粒床过滤装置两部分组成。粉尘输送装置是使用螺旋给料器将实验所用粉尘送入流化床供料装置,并在装置内风机的配合下将粉尘混合流化,再经过布风板将粉尘均匀流化后再与热空气混合送入料屉式颗粒床除尘器。在颗粒床进出口分别使用实时粉尘检测仪 (CEL-712 Microdust Pro型,英国科赛乐公司) 对粉尘浓度进行测量。该设备测量范围为0.001~250 g·m−3,测量精度可达0.001 mg·m−3,保持颗粒床进口处粉尘质量浓度为2 000 mg·m−3。使用风压变送器 (ELM110-OAC型,中国伊莱科公司) 对颗粒床床层压降进行测量,其量程±1 000 Pa,测量精度为1 Pa。

      料屉式颗粒床过滤装置整体空间尺寸为200 mm×200 mm×600 mm,内有4层料屉支撑架,可放置单层高度为30 mm的料屉,各料屉内放置滤料颗粒层。由于流化粉尘风机引入常温空气量远小于经空气换热器加热所得热空气量且粉尘量也较少,可认为混合载气温度与热空气温度一致。

    • 本实验选用粉煤灰对实际烟气进行模拟实验,其主要化学组分及熔点如表1所示。经MS-3 000激光粒度分析仪分析测得其平均粒径为64 μm,堆积密度为0.896 g·cm−3。在实验温度下,粉煤灰中金属氧化物均为不熔状态,为更准确地模拟烟气中含凝结性气体的成分,选用MgCl2 (熔点712 ℃,粒径75 μm,堆积密度2.325 g·cm−3) 作为高温烟气中的凝尘颗粒。由于凝尘粒径与实验所用粉煤灰相近且用量较少,对粉煤灰的粒径分布影响可忽略不计。选用刚玉球作为颗粒床滤料颗粒,不同粒径刚玉球的物料参数如表2所示。

    • 采用粒径5 mm刚玉球作滤料颗粒,10%质量分数的MgCl2和90%质量分数的粉煤灰混合模拟烟气成分。由秦红霞等[12]和赵建涛等[13]实验和模型计算结果可知,颗粒床内最理想工况下风速为0.3 m·s−1,故将颗粒床内风速调为0.3 m·s−1,以探究烟气温度对颗粒床过滤效率和床层压降的影响规律。过滤效率η定义式见式 (1) 。

      式中:Cin为颗粒床进口处烟气质量浓度,mg·m−3Cout为颗粒床出口处烟气质量浓度,mg·m−3

      由室温至MgCl2的熔点温度 (712 ℃) 区间内,不同烟气温度下过滤效率随时间的变化如图2所示。前40 min为主要过滤过程,而40 min后颗粒床对粉尘的过滤趋于稳定。根据是否达到凝尘MgCl2的熔点,可将本实验分为两类,即熔点实验和非熔点实验。在过滤进行过程中,熔点实验颗粒床的过滤效率均高于非熔点实验,过滤效率最高可达99.25%,此时颗粒床出口处烟气中粉尘质量浓度为14.37 mg·m−3

      当烟气温度达到712 ℃时,MgCl2开始熔融,熔融态的凝尘会在载流气体流动的过程中与含尘气体粉尘在重力、静电力等综合作用下发生粘结、团聚,形成较大粉尘团。随过滤过程不断进行,新的粉尘团不断形成,并与颗粒床料屉内滤料颗粒不断进行接触,滤料颗粒表面形成的滤饼更为稳定和紧密,相较于非熔点实验,颗粒床过滤效率有较大提升。随过滤进程不断进行,颗粒床对于粉尘的捕集过程可能会出现以下两种情况:1)熔融态的粉尘未来得及形成粉尘团便直接在滤料颗粒表面粘结最终被颗粒床捕集;2)绝大多数已形成的粉尘团在惯性等各种机理相互作用下被颗粒床滤料层捕集[14]

      不同烟气温度下颗粒床床层压降随时间变化如图3所示。几组非熔点实验压降曲线随过滤时间变化趋势相似。在712 ℃以下、过滤过程的任一时间点,烟气温度越高,床层压降仅略有上升;在温度达到712 ℃时,相较同一时间的非熔点实验,床层压降升高明显,并最终稳定在360 Pa左右。这是由于在实验过程中首先是对常温空气进行加热,在空气升温阶段同时也会对滤料颗粒进行间接加热,滤料颗粒的温度变化会对载流气体在颗粒床内部的流速造成影响。在熔点实验进行到20 min左右时,床层压降开始有明显上升,这是由于在该温度下凝尘受热开始熔融,部分熔融态的粉末与滤料粘结,形成较常规滤饼更为稳定的一层半熔融半粘结积灰层[15],使得滤料颗粒间的空隙进一步减小,从而导致床层压降后续快速升高。

    • 保持烟气温度为712 ℃,其余实验条件不变,加入0~20%不同比例的MgCl2凝尘,探究不同凝尘比例对过滤效率和床层压降的影响规律。添加不同比例凝尘时过滤效率随时间的变化如图4所示。添加不同比例凝尘时过滤过程均在40 min左右开始达到稳定。与纯烟气过滤相比,添加一定量的凝尘可有效提高颗粒床的过滤效率,其中添加20%质量分数的凝尘可将过滤效率从97.50%提升至99.40%,对应此时颗粒床出口处烟气中粉尘质量浓度从49.51 mg·m−3降至12.02 mg·m−3。但添加质量分数为10%和20%凝尘的过滤效果区别不明显,这说明凝尘的添加比例并不是越大越好,而是应该存在一个最佳比例。在工业应用中,若烟气中凝尘比例过大,可考虑添加粗筛分步骤,去除颗粒较大粉尘颗粒。

      在一定范围内添加凝尘比例越高,单位体积粉尘在熔融状态下的凝尘越多,与滤料层相结合形成的半熔融半粘结的积灰层越严密且稳定,而粉尘通过滤料颗粒层时则更容易被捕集,使得颗粒床过滤效果更好。

      添加不同比例凝尘时过床层压降随时间的变化如图5所示。在高温条件下未添加凝尘时,床层压降会呈现出先快速上升后上升趋势减弱,且60 min后趋于稳定的规律;但当向粉煤灰中添加一定比例凝尘后,床层压降在60 min之前呈线性增长,而60 min后趋于稳定,稳定时床层压降为360~390 Pa,为未添加凝尘时180 Pa的约两倍。这是由于凝尘在熔点温度下发生熔融,与相对低温的滤料颗粒接触后会粘结在颗粒表面。在一定范围内,烟气中凝尘添加比例越大,粘结量也随之增大,形成的半熔融半粘结层对于粉尘的捕集效果更好。在实验进行至60 min左右时,压降增速降低,分析这是由于粉尘的不断粘结、堆积,这一积灰层形成了较为稳定的结构,对气流的通过形成了较大的阻碍作用,而过滤达到较稳定的状态,故此时床层的过滤效果最为理想。

    • 保持烟气温度为712 ℃、凝尘添加比例为10%,在其余实验条件不变的情况下,探究不同粒径的滤料颗粒对颗粒床过滤效果和床层压降的影响规律。改变滤料颗粒粒径时过滤效率随时间的变化如图6所示。当滤料粒径为5 mm时,过滤初期曲线变化幅度较大;而滤料粒径为1 mm和2 mm时曲线较为平缓。这是由于5 mm颗粒堆积形成的滤料颗粒层颗粒间的空隙较大,颗粒表面形成的凝尘加粉煤灰积灰层稳定性较差,容易被含尘烟气“穿孔”[16]。当滤料粒径较小时,滤料之间孔隙空间变小,使得滤料颗粒层对烟气中粉尘的拦截效应和惯性碰撞效应加强,而粉尘的布朗扩散效应减弱,颗粒层捕集效应相对增强,故过滤效率得到提升。在过滤进行到80 min左右时,颗粒床对混合载气的过滤趋于稳定。不同粒径的实心刚玉球作为滤料颗粒时,颗粒床的过滤效果相近,此时颗粒床出口处烟气中粉尘质量浓度均低于20 mg·m−3

      在改变滤料颗粒粒径时,床层压降随时间的变化如图7所示。在过滤进行前60 min时,床层压降随时间变化呈接近线性上升的趋势,且不同粒径的滤料颗粒造成的床层压降大致相同。当过滤超过60 min后,粒径为5 mm的粗颗粒滤料床层稳定压降较其他两组低约20 Pa。这是由于在前60 min时,大量粉尘被滤料颗粒层表面形成的滤饼拦截捕集,导致床层压降急剧上升。当过滤进行到60~80 min时,粒径为5 mm的滤饼层已趋于稳定,粒径1 mm和2 mm的仍在缓速上升,直至升高到399 Pa,造成这种现象的原因是过滤过程温度较高。在高温条件下,含尘烟气在整个床体温度变化较大引起局部热量不平衡,这种不平衡表现在床层压降变化上,使得床层两端压强持续变化。而对粒径为5 mm的过滤实验来说,由于其滤料颗粒间空隙较大,过滤过程中形成的滤饼层没有其余2组实验的致密,故其床层压降的持续变化不如其他2组实验来得明显。

    • 本研究设计使用的颗粒床除尘器添加了多层料屉,在可有效提升床层过滤效率的基础上,便于观察实验过程中各颗粒层对于粉尘的捕集情况。同时,在取出料屉后可观察单层滤料颗粒表面粉尘堆积情况。图8展示了添加10%MgCl2作为添加剂、过滤达到稳定时,温度降到室温后各滤料层对于粉尘的捕集情况。

      颗粒床对于粉尘的捕集主要集中在第1层。第1层捕集量占颗粒床总捕集量的约86%,第2、3、4层捕集量远少于第1层,分别约占8%、4%、2%,且层数越高,捕获得到的粉尘粒径越小。这表明高温料屉式颗粒床对于微细粉尘的捕集效率较低的问题已被有效解决。在高温条件下,由于凝尘呈熔融状态,其表面粘度、粘结性相对于常温有较大变化。熔融粉尘在含尘烟气中发生团聚后,粉尘团相较于初始状态的粉尘更难穿过滤料颗粒间的缝隙。同时,由于滤料颗粒温度比凝尘颗粒熔融温度低,熔融状态的粉尘会在滤料颗粒表面冷凝,因此,在高温下,首层滤料颗粒对于粉尘的捕集更多[17]

      图9为首层料屉颗粒表面的粉尘堆积形态 (图9 (a) ) 及单个滤料的球形貌 (图9 (b) ) 。混有凝尘的粉尘粘结在了滤料颗粒表面,这与前面对过滤机理的分析一致。在首层滤料层中,颗粒表面的粉尘粘结整体上呈现由中心向四周发散的形态。这可能是由于:1) 含尘烟气进入颗粒床与第1层表面接触较快,烟气对首层颗粒床中心处的冲刷效应较大;2) 受重力影响,在烟气带动下有所偏移的粘结粉尘 (未完全变为凝固状态) 向下运动。单个滤料颗粒球表面有“锥形”粘结结构出现,且随着实验时间的加长。这种“锥形”结构的锥高会越来越高,粘结的粉尘也越来越多。这是由于在高温状态下粘结在滤料颗粒表面的粘结层具有半熔融半凝固的积灰结构,在实验停止后,由于需要通风降温,半熔融结构在送风的带动下出现“流动”,以至于形成这种“锥形”结构。随着过滤时间的延长,滤料颗粒对烟气中粉尘的捕集增多,颗粒与粉尘间的粘结部分也会逐渐增多。

    • 1) 烟气温度对颗粒床过滤特性影响较为显著。这是由于高温烟气使烟气中某些固体颗粒熔融,有利于被颗粒床捕集。在工业应用中可考虑利用其他工业流程的余热对烟气进行二次加热,通过其中某些成分的熔融来提高过滤效率的可行性。

      2) 当烟气温度高于凝尘熔点时,凝尘添加比例对颗粒床过滤特性影响最为显著。随凝尘添加比例从0增至20%,过滤效率从97.5%升至99.4%,同时床层压降从180 Pa升至约390 Pa。

      3) 在高温且含有凝尘的情况下,当过滤达到稳态时,随滤料颗粒直径的增加,过滤效率和床层压降略有下降。

      4) 分层料屉颗粒床各层料屉捕集情况分析表明,首层料屉对于粉尘的捕集最多,过滤效果最为明显。在过滤结束后,单个滤料颗粒表面会形成“锥形”外貌。这是由于过滤过程中呈粘结状态的粉尘受到后续烟气带动及自身重力影响。

    参考文献 (17)

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