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$ \text{η} $定义式见式 (1) 。

式中：$ {C}_{\mathrm{i}\mathrm{n}} $为颗粒床进口处烟气质量浓度，mg·m⁻³；$ {C}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}} $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。