含塵煙氣換熱除塵一體化性能試驗研究

張艷紅，劉安林，馬 良，王依謀，何夢雅

含塵煙氣換熱除塵一體化性能試驗研究

張艷紅，劉安林，馬 良，王依謀，何夢雅

（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實驗室，上海 200237）

為了去除工業(yè)外排煙氣中的微細(xì)粉塵，同時回收余熱。首次提出單獨(dú)利用微型旋風(fēng)分離器對含塵煙氣進(jìn)行換熱除塵一體化的試驗研究。通過研究旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣速度、排氣管插入深度、壓降、粉塵濃度、進(jìn)氣溫度、冷卻介質(zhì)流量等關(guān)鍵因素，確定符合實際工況的最佳工藝參數(shù)。研究結(jié)果表明，隨著進(jìn)氣速度的增加，除塵效率先增加后減少，在速度為32m3/h時達(dá)到最大。當(dāng)排氣管插入深度與入口高度之比在1.1左右時，除塵效率達(dá)到最大。換熱效率均隨著進(jìn)氣速度、進(jìn)氣溫度、冷卻介質(zhì)流量的增加而逐漸降低。

旋風(fēng)分離器；除塵；換熱；一體化；節(jié)能環(huán)保

1 前言

工業(yè)中大量攜帶余熱的含塵煙氣直接排空，造成了嚴(yán)重的能量浪費(fèi)和環(huán)境污染［1］。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國在鋼鐵、石化、化工等行業(yè)的余熱利用率僅為4%～5%，對外排煙氣余熱的綜合利用，將顯著提升能源利用效率［2］。對煙氣粉塵的去除，也將顯著緩解日益嚴(yán)重的大氣霧霾［3］。因此對外排煙氣換熱除塵的試驗研究具有十分重要的意義。

近年來，行業(yè)內(nèi)通過試驗和模擬的方法對旋風(fēng)分離器的換熱除塵性能進(jìn)行了一系列研究［4～6］。張曉華發(fā)現(xiàn)入口顆粒粒徑相差較小時，密度對分離器分離性能的影響則更顯著［7］。曹晴云等發(fā)現(xiàn)減小入口面積比KA、排氣管直徑比dt和排塵口直徑比 dc，均可使旋風(fēng)分離器內(nèi)的切向速度增［8，9］。趙之軍等分析了電站鍋爐排煙余熱回收的可行性，并在工程中解決了煙氣低溫腐蝕和傳熱管積灰堵灰的技術(shù)問題［10］。許世森等研究了溫度和壓力對旋風(fēng)分離器高溫除塵性能的影響［11］。RParke等研究了高溫高壓條件下旋風(fēng)分離器的分離性能，這對高溫高壓條件下旋風(fēng)分離器的開發(fā)設(shè)計具有重要意義［12，13］。TMothilal等研究了進(jìn)氣速度對旋風(fēng)分離器換熱效率的影響［14，15］。大部分學(xué)者對煙氣換熱除塵的研究均是將換熱和除塵分開進(jìn)行的，其工藝較為復(fù)雜，且設(shè)備投資較大［16～18］。雖然楊恒提出利用肋片管換熱器對低溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱除塵一體化研究，但只適合煙氣的初步除塵，對于微細(xì)粉塵的去除還需另加除塵設(shè)備［19］。

上述研究為旋風(fēng)分離器及其應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)，但目前還未見將旋風(fēng)分離器單獨(dú)用于煙氣換熱除塵一體化的研究。旋風(fēng)分離器作為現(xiàn)代化工行業(yè)中常用的分離設(shè)備，具備結(jié)構(gòu)簡單，分離效率高，技術(shù)成熟等特點(diǎn)，特別適用于高溫等惡劣環(huán)境下使用。本文利用自行設(shè)計的微旋風(fēng)分離器對模擬煙氣進(jìn)行換熱除塵一體化試驗研究，熱的含塵煙氣在旋風(fēng)分離器中進(jìn)行氣固分離，同時與管壁外的冷卻介質(zhì)換熱。通過試驗確定各種因素對壓降、分離效率和換熱效率的影響，從而確定換熱除塵一體化的最佳工藝參數(shù)。

2 試驗部分

2.1 旋風(fēng)分離器設(shè)計

試驗采用的旋風(fēng)分離器是矩形切向入口的微型旋風(fēng)分離器，由于旋風(fēng)分離器內(nèi)氣體流場是由外部向下的外旋流和內(nèi)部向上的內(nèi)旋流組成，因此排氣管管徑變小意味著內(nèi)旋流區(qū)變小，隨著切向速度增大，離心力場增強(qiáng)，因此分離效率會有所上升，然而隨著排氣管內(nèi)的氣速增大，壓力降也會上升。如果繼續(xù)減小排氣管管徑，內(nèi)旋流的軸向速度也隨之加大，此時對分離效率的提升就不再明顯了，而壓力降卻一直上升，因此排氣管管徑有一個適宜范圍（通常 dx/D=0.25～0.5）。本文確定排氣管管徑為0.4D。圖1所示結(jié)構(gòu)是在Stairm and高效旋風(fēng)分離器基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，減小旋風(fēng)分離器圓柱段直徑，增強(qiáng)離心作用，適當(dāng)?shù)脑黾渝F體的長度，為了使氣流平穩(wěn)，在入口處增加平行的導(dǎo)流板。旋風(fēng)分離器的尺寸參數(shù)見表1。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

表1 旋風(fēng)分離器尺寸參數(shù) mm

2.2 試驗流程

本試驗系統(tǒng)包括：帶夾套的旋風(fēng)分離器、模擬煙氣、調(diào)壓器、溫度計、轉(zhuǎn)子流量計、閥門及各種連接管路。試驗研究中，旋風(fēng)分離器材質(zhì)為304不銹鋼，具有良好的傳熱性能。排氣管的插入深度從0～150mm可調(diào)，底流口處連接料斗，用于收集被分離的粉塵，旋風(fēng)分離器通過夾套固定在不銹鋼支架上。試驗中需測量不同溫度下?lián)Q熱效率和除塵效率，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器改變電壓來控制預(yù)熱器的功率，從而將氣體預(yù)熱到所需的不同溫度，氣體流動的動力由風(fēng)機(jī)提供。裝置中的溫度計用于測量氣體、冷卻介質(zhì)換熱前后的溫度。調(diào)節(jié)閥門的大小，可控制進(jìn)氣速度的大小。轉(zhuǎn)子流量計用于讀取進(jìn)氣速度的數(shù)值。U型管壓差計用于測量旋風(fēng)分離器進(jìn)口和溢流口之間的壓差。在進(jìn)氣口前段設(shè)置有加料口，通過單位時間內(nèi)加入不同量的粉塵，可模擬不同濃度的含塵煙氣。

如圖2所示，常溫空氣在風(fēng)機(jī)的作用下被吸入到空氣預(yù)熱器中，被快速預(yù)熱到一定溫度的空氣，與進(jìn)氣口前段加料口中加入的催化劑粉塵混合后進(jìn)入旋風(fēng)分離器。同時，冷卻介質(zhì)從圓筒夾套的下方切向流入，與旋風(fēng)分離器內(nèi)煙氣換熱后從圓筒夾套的上方切向流出。煙氣在旋風(fēng)分離器中的旋轉(zhuǎn)方向和冷卻介質(zhì)在夾套中的旋轉(zhuǎn)方向相反，以提高換熱效率。粉塵被分離后流入旋風(fēng)分離器底部的料斗，換熱除塵后的煙氣經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計排入大氣。

圖2 試驗流程示意

2.3 試驗物料

通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器，可將空氣分別預(yù)熱到40，50，60，70℃，調(diào)節(jié)閥門控制氣體的流量分別為15，20，25，30，35，40m3/h。在單位時間內(nèi)加入不同質(zhì)量的催化劑粉塵，使煙氣的含塵濃度分別為：28，56，84g/m3?？刂茒A套中冷卻介質(zhì)（自來水）的流量分別為2，10，18m L/s。試驗中催化劑粉塵的粒徑如圖3所示。

圖3 催化劑粒徑分布

3 試驗結(jié)果與討論

對于煙氣換熱除塵一體化的試驗研究，主要研究其壓降、除塵效率和換熱效率；較小的壓降不僅可以減少能耗，而且加裝旋流裝置的同時無需對系統(tǒng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。在試驗過程中，由于流量較小，煙氣脈動影響會導(dǎo)致試驗誤差較大，而流量較大，產(chǎn)生壓降較高，對于工業(yè)應(yīng)用的研究意義不大，故選擇流量15～40m3/h作為試驗范圍；旋風(fēng)分離器以及管道經(jīng)過保溫處理后進(jìn)出口溫度差最大為2.2℃，因此可以忽略外界溫度對試驗的影響；由于本試驗中旋流管外壁的換熱面積較小，傳熱面積有限。冷卻介質(zhì)的流量過大，在殼程停留時間較短，溫升、換熱效率均較小，研究意義也不大，故冷卻介質(zhì)的流量選擇為 2，10，18m L/s。為保證試驗的準(zhǔn)確性，本試驗在同一個生產(chǎn)時間段內(nèi)完成。

3.1 進(jìn)口壓降分析

當(dāng)排氣管插入深度為50mm，煙氣含塵濃度為56g/m3，冷卻介質(zhì)流量為2m L/s時，煙氣進(jìn)氣口溫度分別為 40，50，60，70℃時，試驗測量旋風(fēng)分離器的進(jìn)口和溢流口之間的壓降。測試結(jié)果如圖4所示，旋風(fēng)分離器進(jìn)口和溢流口之間的壓降隨著進(jìn)氣速度的增加而增加，且增加的速度在不斷加快，但在同一進(jìn)氣速度下，隨著進(jìn)氣溫度增加，壓降略微增加。通常情況下，旋風(fēng)分離器的壓力損失主要由排氣管、進(jìn)氣口、漩渦流造成的損失組成，在本試驗溫度下，可近似看作壓降與煙氣溫度無關(guān)。

圖4 壓降與進(jìn)氣速度關(guān)系

在實際生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)會根據(jù)工況變化進(jìn)行變頻調(diào)速以適應(yīng)工藝需求，這就要求旋風(fēng)分離器具有一定的工作彈性，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)流量會使煙氣中含塵濃度發(fā)生變化，因此需要研究不同進(jìn)口流量下含塵濃度對壓降的影響。

如圖5所示，壓降隨濃度的增大而略有增加，在進(jìn)口流量為35m3/h時，壓降的增幅最大且僅為1.5%，增加的壓降最主要是由旋風(fēng)分離器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)損失升高造成，因為煙氣中含塵濃度的增大使旋風(fēng)分離器進(jìn)口氣固兩相流的黏度和密度增加。由此可見含塵濃度在25～115g/m3范圍內(nèi)對旋風(fēng)分離器壓降的影響很小。

圖5 含塵濃度與壓降的關(guān)系

3.2 分離效率

在旋風(fēng)分離器運(yùn)行的整個過程中，可將顆粒粉塵分成3部分：進(jìn)入、捕集和排放（逃逸），則旋風(fēng)分離器的除塵效率η 可以表示為：

式中Mf——進(jìn)入的粉塵質(zhì)量

Mc——捕集的粉塵質(zhì)量

Me——逃逸的粉塵質(zhì)量

根據(jù)粉塵顆粒質(zhì)量平衡關(guān)系有：Mf=Mc+Me。分離的催化劑粉塵收集于旋風(fēng)分離器底流口處的料斗中，而其內(nèi)部的靜壓是沿半徑向軸心逐漸降低的，若因密封不嚴(yán)而漏入空氣，已收集的粉塵會在壓力的作用下重新卷走，使除塵效率急劇下降。本實驗裝置采用快接接頭將料斗與旋風(fēng)分離器底流口連接，采用完全密封，保證了分離效率的準(zhǔn)確性。

從圖6可以看出，當(dāng)排氣管插入深度為50mm，進(jìn)氣溫度為40℃，冷卻介質(zhì)流量為2m L/s時，在不同的粉塵濃度下，隨著進(jìn)氣速度增加，除塵效率均先增加后快速減少，且進(jìn)氣速度在32m3/h附近時，除塵效率達(dá)到最大。因為適當(dāng)增加進(jìn)氣速度能提高粉塵在旋轉(zhuǎn)中的離心力，但若入口氣速過高，容易致使旋風(fēng)分離器阻力急劇增大并且內(nèi)部發(fā)生粉塵的反彈、返混等現(xiàn)象，使除塵效率降低，但均維持在較高的分離水平。在粉塵的濃度分別為28，56，84g/m3，進(jìn)氣速度為15～40m3/h時，除塵效率最大分別為87.62%，89.23%，86.95%。且在同一進(jìn)氣速度下，除塵效率變化均不超過4.21%。

圖6進(jìn)氣速度與除塵效率

圖7 為不同的排氣管插入深度（S）/入口高度（a）之比對含塵煙氣的除塵效率的影響。隨著排氣管插入深度增加，除塵效率先增加，當(dāng)排氣管的插入深度為進(jìn)氣口高度的1.1倍時均達(dá)到最大值。當(dāng)插入深度進(jìn)一步增加，除塵效率快速降低。這是因為剛開始插入深度較小，短路流的存在使旋風(fēng)分離器的除塵效率降低，隨著排氣管的插入深度進(jìn)一步增加，短路流的作用較強(qiáng)，而排氣管對旋風(fēng)分離器內(nèi)漩渦的引導(dǎo)作用逐漸增強(qiáng)從而增加了內(nèi)漩渦的旋轉(zhuǎn)，使旋風(fēng)分離器的除塵效率增加。但若排氣管的插入深度過長，排氣管插入深度/入口高度之比大于1.1時，旋轉(zhuǎn)氣體與旋風(fēng)分離器管壁的摩擦作用增強(qiáng)，阻力變大，“旋轉(zhuǎn)渦核”的能量耗散增加，而且隨著排氣管的插入深度增加，導(dǎo)致旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場混亂，使除塵效率降低。

圖7 插入深度與分離效率

3.3 換熱效率

在換熱除塵一體化裝置中，換熱效率方程可以表示為：

式中ηh——換熱效率

Tc1——冷卻介質(zhì)的進(jìn)口溫度

Tc2——冷卻介質(zhì)的出口溫度

Th1——熱流體進(jìn)口溫度Th2——熱流體出口溫度研究不同的進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣速度、冷卻介質(zhì)流量對換熱效率的影響。

圖8所示為進(jìn)氣口溫度為40℃，粉塵濃度為56g/m3，冷卻介質(zhì)的流量分別為2，10，18m L/s時，換熱效率隨著進(jìn)氣流量的變化。從圖可見，隨著進(jìn)氣速度的增加，換熱效率略有減少，總體比較平穩(wěn)。在同一進(jìn)氣速度下，換熱效率隨著冷卻介質(zhì)流量的增加而減少。當(dāng)流量為2m L/s時，換熱效率最大為40%左右。當(dāng)流量為18m L/s時，換熱效率最小為30%左右。這是因為液體流動速度越大，湍動程度越強(qiáng)，液體在夾套內(nèi)停留的時間就越短，吸收的熱量也就越少。減少液體流動速度可提高吸收的熱量，但當(dāng)冷卻介質(zhì)小到幾乎為零時，換熱效率反而下降。所以冷卻介質(zhì)的流量也需要根據(jù)換熱系數(shù)、換熱面積等因素來決定。

圖8 進(jìn)氣速度與換熱效率

同樣，進(jìn)氣溫度不同，煙氣的換熱效率也不同。當(dāng)進(jìn)氣速度為35m3/h、粉塵濃度為56g/m3，測得冷卻介質(zhì)的流量分別為2，10，18m L/s時，測得進(jìn)氣溫度分別為40，50，60，70℃時的換熱效率。從圖9可以看出，隨著進(jìn)氣溫度的增加，換熱效率均逐漸減少，且減小的速率幾乎相同。這是由于試驗裝置的換熱面積有限，隨著冷卻介質(zhì)流量增加，在夾套中的停留時間變短，換熱效率降低。在同一進(jìn)氣速度下，當(dāng)進(jìn)氣溫度較高時，煙氣中大部分的熱還沒來得及被冷卻介質(zhì)吸收，就被排空帶出，換熱效率降低。

圖9 進(jìn)氣溫度與換熱效率的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）旋風(fēng)分離器進(jìn)氣口和排氣管之間的壓降隨著進(jìn)氣速度的增加而增加，且增加速率逐漸加快。在試驗條件下，同一進(jìn)氣速度下，壓降隨著溫度的增加而略微增加，可近似看作溫度對于壓降沒有影響，壓降隨粉塵濃度的增大而略有增加。

（2）在不同的粉塵濃度下，隨著進(jìn)氣速度的增加，除塵的效率均先增加后減少，且進(jìn)氣速度在32m3/h附近時，除塵效率達(dá)到最大。除塵效率隨排氣管插入深度的增加也先增加后減少，當(dāng)排氣管的插入深度為進(jìn)氣口高度的1.1倍附近時達(dá)到最大值，且在濃度為84g/m3，進(jìn)氣速度為32m3/h時，除塵效率最高為90.05%。

（3）隨著進(jìn)氣速度的增加，換熱效率略有減少。在同一進(jìn)氣速度下，換熱效率隨著冷卻介質(zhì)流量、進(jìn)氣溫度的增加而減少。且進(jìn)氣溫度為40℃，進(jìn)氣流量為15m3/h，冷卻介質(zhì)流量為2m L/s時，換熱效率最高為41.17%。

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Experimental Study on the Integrated Performance of Heat Exchange and Dust Removal of Industrial Flue Gas

ZHANG Yan-hong，LIU An-lin，MA Liang，WANG Yi-mou，HE Meng-ya
（ State Key Laboratory of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

In order to remove the fine dust of industrial flue gas，and recover the waste heat at the same time. we put forward an experimental study on the integrated performance of heat exchange and dust removal of industrial flue gas by cyclone for the first time. The key factors such as the inlet velocity，the insertion depth of the exhaust pipe，the pressure drop，the dust concentration，the inlet temperature and the flow rate of the cooling medium were studied to determine the optimum parameters. The results show that，with the increase of air inlet velocity，the dust removal efficiency increases at first and then decreases，reaching the maximum at 32 m3/h. When the ratio of the depth of the exhaust pipe to the inlet height is about 1.1，the dust removal efficiency reaches the maximum. With the increase of air inlet velocity，inlet temperature and the flow rate of the cooling medium，the heat transfer efficiency decreases gradually.

cyclone；dust removal；heat exchange；integration；energy saving and environmental protection

TH12；X701

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.002

1005-0329（2017）11-0005-05

2016-11-25

2017-02-20

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2016YEC0204500）

張艷紅（1975-），女，副教授，博士，主要從事環(huán)境污染物強(qiáng)化分離和旋轉(zhuǎn)流場傳遞機(jī)制研究。

馬良（1982-），男，副教授，博士，主要從事煙氣治理，包括煙氣換熱、除塵一體化脫硫脫硝，VOCs的治理等方面的研究，通訊地址：200237上海市徐匯區(qū)梅隴路130號華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實驗室，E-m ail：m aliang@ecust.edu.cn。