移動(dòng)式顆粒床氣固分離性能冷態(tài)試驗(yàn)

樊英杰，劉今乾，馬 琛，郭 偉，楊伯倫，吳志強(qiáng)

(1. 西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院 陜西省能源化工過(guò)程強(qiáng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

“富煤、少油、缺氣”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了煤炭在我國(guó)將長(zhǎng)期處于能源消費(fèi)的主導(dǎo)地位，為此，煤炭資源的分級(jí)高效利用是確保我國(guó)能源安全的重要途徑之一[1]。采用熱解技術(shù)進(jìn)行煤炭分質(zhì)轉(zhuǎn)化可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效分質(zhì)利用，但熱解產(chǎn)物包括各種粉塵顆粒，因此需要進(jìn)行粉塵脫除。含塵含油高溫?zé)峤鈿鈨艋欠勖簾峤饧夹g(shù)工業(yè)化過(guò)程中需要迫切解決的問(wèn)題[2]。針對(duì)高溫?zé)峤鈿獾膬艋瑖?guó)內(nèi)外學(xué)者提出了旋風(fēng)分離[3]、電除塵[4]、顆粒床除塵[5]等處理方式，其中顆粒床技術(shù)具有過(guò)濾介質(zhì)對(duì)氣體和灰塵性質(zhì)不敏感、可選擇性較多等優(yōu)勢(shì)，引起廣泛關(guān)注。雖然相關(guān)企業(yè)已對(duì)顆粒床除塵技術(shù)進(jìn)行積極布局，但總體上該技術(shù)尚處于初期研究階段[6-7]。

王苗等[8]對(duì)影響旋風(fēng)-顆粒床過(guò)濾器兩級(jí)除塵性能的過(guò)濾介質(zhì)尺寸、厚度以及氮?dú)饬髁康纫蛩剡M(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)影響除塵性能的關(guān)鍵因素為表觀氣速，其次為過(guò)濾介質(zhì)粒徑，氮?dú)饬髁坑绊懹邢?，濾料粒徑0.38～0.83 mm 時(shí)，顆粒床過(guò)濾器平均除塵效率97.18%。付金壯等[9]比較了入口粉塵濃度和再生塵源濃度對(duì)旋流-顆粒床耦合分離器性能的影響，指出2者對(duì)床層的壓降影響顯著，而入口粉塵濃度對(duì)整體的除塵效率影響有限，入口濃度在5.95～59.13 g/m3時(shí)，試驗(yàn)穩(wěn)定后分離效率可達(dá)98%。呂涵等[10]使用冷模氣固順流式移動(dòng)床過(guò)濾器，通過(guò)改變表觀氣速、顆粒循環(huán)強(qiáng)度、粉塵的比沉積率等參數(shù)研究其對(duì)床層壓降和除塵效率的影響，表觀氣速為0.126 m/s、比沉積率σ為0.000 735時(shí)，過(guò)濾器的操作壓降可達(dá)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)除塵效果最優(yōu)，捕集效率達(dá)97%以上。王助良等[11]研究指出，影響顆粒床過(guò)濾器除塵效率的關(guān)鍵因素是沉積粉塵，通過(guò)分析孔隙率在顆粒層過(guò)濾過(guò)程中的變化可得到氣流含塵質(zhì)量濃度、灰塵沉積密度等在顆粒層內(nèi)的變化規(guī)律以及除塵效率的關(guān)聯(lián)式。Chen等[12-13]對(duì)移動(dòng)顆粒床過(guò)濾器進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試程序進(jìn)行研究，包括氣體流量、進(jìn)氣系統(tǒng)幾何形狀、流量校正插件在濾床上的位置等參數(shù)對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)性能的影響，并分析了進(jìn)氣系統(tǒng)和濾床中氣體的動(dòng)力學(xué)模型與流動(dòng)性。

通過(guò)數(shù)值模擬方式探究移動(dòng)床過(guò)濾性能，可在一定程度上降低試驗(yàn)成本，趙建濤等[14]采用二維錯(cuò)流數(shù)學(xué)模型研究了移動(dòng)顆粒床過(guò)濾器除塵過(guò)程的氣體流動(dòng)規(guī)律、粉塵沉積特點(diǎn)以及氣體含塵濃度變化過(guò)程，并通過(guò)高溫煤氣除塵試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，表明表觀過(guò)濾氣速0.1～0.3 m/s時(shí)，除塵過(guò)程的操作壓降和除塵效率的模型計(jì)算值和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，但更高氣速下，由于顆粒層內(nèi)出現(xiàn)空穴、貼壁等非正常流動(dòng)現(xiàn)象，模型計(jì)算誤差較大，超出模型適用范圍。劉鵬等[15]建立了除塵器的氣固兩相流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，研究了雙層濾料顆粒床高溫除塵器中擋板氣流通道寬度、擋板層數(shù)與高度變化對(duì)除塵效果的影響。陶初炯等[16]通過(guò)改變大型顆粒床除塵器過(guò)濾介質(zhì)與殼體溫度以及預(yù)熱時(shí)長(zhǎng)，對(duì)含塵熱解煤氣除粉前的預(yù)熱過(guò)程進(jìn)行模擬分析，研究結(jié)果為該技術(shù)的應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

為滿(mǎn)足粉煤熱解含塵氣體高效凈化技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的要求，需進(jìn)一步明晰粉煤熱解高溫?zé)煔鈨艋囊苿?dòng)式顆粒床操作壓降、除塵效率等工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)和操作參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，但目前該研究較少，需通過(guò)以下3個(gè)方面進(jìn)行深入研究：① 保證濾料的循環(huán)穩(wěn)定，設(shè)備的穩(wěn)定性及高溫的結(jié)焦問(wèn)題；② 進(jìn)氣過(guò)程造成局部二次夾帶，需優(yōu)化顆粒床內(nèi)部結(jié)構(gòu)；③ 移動(dòng)式顆粒層過(guò)濾因素的整合，得到濾料循環(huán)、過(guò)濾厚度及進(jìn)氣速度最優(yōu)解。本文針對(duì)粉煤熱解含塵氣特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和搭建了移動(dòng)床顆粒層過(guò)濾除塵冷態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，綜合研究了各因素對(duì)顆粒層過(guò)濾效率和系統(tǒng)壓力降的影響規(guī)律，分析除塵效率和床層壓降與顆粒床特性、操作條件之間的內(nèi)在關(guān)系，在試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上提出顆粒層過(guò)濾性能的改進(jìn)措施，獲得顆粒床除塵裝置高效穩(wěn)定的除塵工藝參數(shù)，為粉煤熱解含塵煤氣顆粒床熱態(tài)除塵裝置的設(shè)計(jì)以及工藝操作優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 工藝流程

顆粒床除塵系統(tǒng)由含塵氣體發(fā)生器、旋風(fēng)除塵器、顆粒床、布袋除塵器、濾料循環(huán)再生裝置和儀表控制等組成，如圖1所示。除塵操作步驟為：風(fēng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生動(dòng)力風(fēng)將含塵氣體引入旋風(fēng)除塵器，含塵氣體經(jīng)旋風(fēng)除塵器預(yù)除塵后流經(jīng)顆粒床層，大部分粉塵通過(guò)與顆粒層的碰撞、吸附、攔截作用而從氣體中去除[17]。稱(chēng)取適量粉塵加入料斗，根據(jù)下料量將粉塵螺旋給料機(jī)調(diào)至所需轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)選定的過(guò)濾顆粒下料速度，確定合適提升機(jī)濾料提升速度、旋轉(zhuǎn)下料機(jī)頻率，并對(duì)空濾袋進(jìn)行稱(chēng)重并記錄。將風(fēng)機(jī)1與風(fēng)機(jī)2頻率調(diào)至所需數(shù)值后運(yùn)行，同時(shí)打開(kāi)粉塵螺旋給料機(jī)與提升機(jī)，觀察風(fēng)壓并記錄。試驗(yàn)結(jié)束后依次關(guān)閉粉塵螺旋給料機(jī)、提升機(jī)，旋轉(zhuǎn)下料機(jī)，拆除濾袋稱(chēng)重取樣，并對(duì)灰塵料斗內(nèi)灰塵進(jìn)行稱(chēng)重。

圖1 顆粒床冷態(tài)試驗(yàn)裝置Fig.1 Cold experimental device of granular bed

1.2 濾料與塵樣

過(guò)濾介質(zhì)的特性對(duì)過(guò)濾式除塵過(guò)程非常重要，其成本通常占整個(gè)系統(tǒng)投資的10%～15%。過(guò)濾介質(zhì)的材質(zhì)、質(zhì)量和有效運(yùn)行時(shí)間會(huì)對(duì)除塵器效率、運(yùn)行阻力以及設(shè)備養(yǎng)護(hù)周期等有重要影響。優(yōu)質(zhì)過(guò)濾介質(zhì)應(yīng)具有耐磨、耐腐、價(jià)廉、易得等特點(diǎn)，且介質(zhì)對(duì)高溫氣體的耐熱性能也很重要。本文以冷態(tài)試驗(yàn)為主，經(jīng)綜合分析各類(lèi)過(guò)濾介質(zhì)顆粒尺寸、成本、是否易得等，選擇小麥作為顆粒床冷態(tài)試驗(yàn)濾料，其粒徑為3.5～6.0 mm，孔隙率為0.39，堆積密度為0.75 kg/m3，真密度為1.23 kg/m3。

模型粉塵物需與實(shí)際粉煤熱解粉塵具有盡可能相近的物理性質(zhì)，且需具有分布均一的尺寸和穩(wěn)定的材質(zhì)，保證顆?？砷L(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存在工作環(huán)境中?；诖耍x擇硅膠作為試驗(yàn)粉塵，其15 μm以下顆粒占3.76%，中位粒徑顆粒為66.10 μm。

1.3 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

過(guò)濾效率指過(guò)濾層過(guò)濾氣流粉塵的效果，是權(quán)衡除塵器成效的基礎(chǔ)指標(biāo)。具體定量表達(dá)指在試驗(yàn)氣流流經(jīng)過(guò)濾器的過(guò)程中，除塵器捕獲的粉塵量占進(jìn)入設(shè)備粉塵量的比例，可由設(shè)備的進(jìn)出口氣體濃度變化計(jì)算得出。

(1)

式中，η為過(guò)濾效率，%；C1、C2分別為進(jìn)、出口氣體含塵濃度，g/m3。

C1=60m/Q1，

(2)

式中，m為單位時(shí)間螺旋下料機(jī)的下料量，g/min；Q1為顆粒層截面的風(fēng)量，m3/h，可通過(guò)運(yùn)行風(fēng)機(jī)對(duì)螺旋下料機(jī)進(jìn)行標(biāo)定得到。

uf=Q1/S，

(3)

式中，uf為表觀過(guò)濾風(fēng)速，m/s；S為顆粒層截面面積，m2。

過(guò)濾器進(jìn)、出氣口氣流的全壓差即為過(guò)濾的總壓降。通過(guò)研究除塵器過(guò)濾過(guò)程中的壓降，可獲得改進(jìn)除塵器結(jié)構(gòu)、減少設(shè)備運(yùn)行阻力的指導(dǎo)性思路。鑒于本文的試驗(yàn)設(shè)備具有相同的進(jìn)、出氣口管道段面積，故只需測(cè)量顆粒層進(jìn)、出氣口側(cè)管道上測(cè)壓點(diǎn)間的靜壓降即可。

ΔP=P2-P1，

(4)

其中，ΔP為過(guò)濾層總壓力損失，Pa；P2為顆粒層出氣口側(cè)流體靜壓值；P1為顆粒層進(jìn)氣口側(cè)流體靜壓值。在顆粒床層進(jìn)氣連接管、出氣管以及顆粒床層內(nèi)部各安裝一個(gè)靜壓環(huán)，使變徑、彎頭等局部阻力可基本忽略。4個(gè)壓力測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)分別通過(guò)壓力傳感器傳送到儀表盤(pán)，通過(guò)計(jì)算得出壓差，即過(guò)濾壓力損失值。

1.4 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

在選定過(guò)濾粉塵及顆粒層填充料的基礎(chǔ)上，錯(cuò)流移動(dòng)式顆粒床的除塵效率主要受過(guò)濾層厚度h、表觀過(guò)濾風(fēng)速u(mài)f、濾料下落速度u1(單位時(shí)間濾料在過(guò)濾床層下落的長(zhǎng)度)控制。其中表觀過(guò)濾風(fēng)速主要受風(fēng)機(jī)1風(fēng)量Q1(風(fēng)量Q1由風(fēng)機(jī)1頻率f確定)的影響，故選取濾層厚度h、濾料下落速度u1、風(fēng)機(jī)1頻率f作為正交試驗(yàn)的三因素，通過(guò)L9(33)三水平正交法設(shè)計(jì)試驗(yàn)。過(guò)濾截面為0.50 m×0.15 m，假設(shè)截面風(fēng)速相等，通過(guò)計(jì)算可得表觀過(guò)濾風(fēng)速范圍為0.29～0.41 m/s。表1為過(guò)濾效率正交試驗(yàn)因素水平，表2為具體工況。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

表2 過(guò)濾效率正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 過(guò)濾效率

表3、4分別為不同工況顆粒床的過(guò)濾效率，可知對(duì)過(guò)濾效率影響最大的參數(shù)是表觀過(guò)濾風(fēng)速，同時(shí)風(fēng)量Q1變化也將導(dǎo)致過(guò)濾效率產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)，濾層厚度與濾料下落速度引起的過(guò)濾效率波動(dòng)程度相近。通過(guò)過(guò)濾效率方差分析可得出，表觀風(fēng)速為過(guò)濾效率的最主要影響因素，過(guò)濾層厚度其次，最后為濾料下落速度。最優(yōu)水平為A3B1C1，即濾層厚度為300 mm，風(fēng)機(jī)1頻率為35 Hz，濾料下落速度為0.002 m/s。

表3 過(guò)濾效率分析

表4 過(guò)濾效率正交試驗(yàn)方差分析

各因素、水平的過(guò)濾效率變化如圖2所示，可知隨著過(guò)濾層厚度增大，過(guò)濾效率逐漸增加，達(dá)到一定厚度后過(guò)濾效率變化不明顯；表觀過(guò)濾風(fēng)速和濾料下落速度變大時(shí)，過(guò)濾效率降低，原因在于隨表觀風(fēng)速加大，更多粉塵被氣流攜帶走，導(dǎo)致過(guò)濾效率降低。增大濾料下落速度后，濾料運(yùn)動(dòng)的不均勻性增加，導(dǎo)致濾料間的空隙加大，粉塵更易穿過(guò)床層，導(dǎo)致顆粒床過(guò)濾效率降低[8，10]。

圖2 各因素、水平的過(guò)濾效率變化Fig.2 Filtration efficiency of three factors and three levels

2.2 最優(yōu)條件下的過(guò)濾效率

正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)條件下的過(guò)濾效率可達(dá)98.1%，采用激光粒度儀測(cè)定試驗(yàn)前后氣體中的粉塵粒徑(表5、圖3)。過(guò)濾后的粉塵粒徑范圍比過(guò)濾前更寬，多1.4～3.3 μm及208.9～831.7 μm粒徑段，前者占比0.91%，大于208 μm粒徑段占比為0.049%。

圖3 過(guò)濾前后粉塵粒徑分布Fig.3 Particle size distributions of dust before and after filtration

表5 過(guò)濾前后粉塵粒徑情況

通過(guò)計(jì)算可以得到的分段過(guò)濾效率見(jiàn)表6，其中0～5 μm的過(guò)濾效率較低，為90.03%。分段過(guò)濾效率隨粒徑增大而提高，大于15 μm粒徑的過(guò)濾效率基本在98%以上。對(duì)不同粒徑范圍的過(guò)濾效率進(jìn)行計(jì)算可知，過(guò)濾分級(jí)效率在粉塵小粒徑段變化明顯，3.80 μm以下的過(guò)濾效率只有19%(圖4)，3.80～10.0 μm粒徑段的過(guò)濾效率升至96%，粒徑大于10 μm后，過(guò)濾效率基本在98%以上。過(guò)濾效率隨粒徑變化的原因可歸結(jié)為不同粒徑的過(guò)濾機(jī)理差異：粒徑較小時(shí)，主要是擴(kuò)散沉積、靜電吸附機(jī)理等起主導(dǎo)作用，故隨著粒徑減小，分級(jí)過(guò)濾效率逐漸增大；粒徑達(dá)到一定值后，過(guò)濾效率的主要影響因素是慣性碰撞和直接攔截，分級(jí)過(guò)濾效率隨粒徑的增加而增大[3，12]。

表6 最佳操作條件下冷態(tài)試驗(yàn)分段過(guò)濾效率

圖4 分級(jí)過(guò)濾效率曲線Fig.4 Graded filtration efficiency curve

2.3 粉塵濃度對(duì)過(guò)濾效率的影響

在最優(yōu)試驗(yàn)條件下(風(fēng)機(jī)1頻率為35 Hz，風(fēng)機(jī)2頻率為40 Hz，濾層厚度300 mm，濾料下落速率0.002 m/s)，過(guò)濾時(shí)間10 min，粉塵螺旋下料機(jī)轉(zhuǎn)速分別為600、800、1 039、1 200、1 400 r/min。粉塵濃度對(duì)過(guò)濾效率的影響見(jiàn)表7。粉塵濃度較小時(shí)，過(guò)濾效率隨粉塵濃度的增加而增大，達(dá)到一定值后，過(guò)濾效率隨粉塵濃度的增大而減小。主要是因?yàn)榉蹓m濃度增大時(shí)，主要影響因素有濾料碰撞攔截和二次揚(yáng)塵，前者起到主導(dǎo)作用時(shí)，過(guò)濾效率隨粉塵濃度的增加而增大；后者起主導(dǎo)作用時(shí)，過(guò)濾效率隨粉塵濃度的增大呈減小趨勢(shì)。粉塵下料轉(zhuǎn)速為1 039 r/min時(shí)，基本達(dá)到過(guò)濾效率最大值，為98.1%，這與文獻(xiàn)[2]的固定床、移動(dòng)床顆粒過(guò)濾技術(shù)的過(guò)濾效率相近，過(guò)濾效果較好。

表7 過(guò)濾效率與粉塵濃度的關(guān)系

2.4 過(guò)濾效率表達(dá)式回歸分析

在20 ℃、空氣黏度μ=1.789 4×10-5kg/(m·s)、空氣密度ρ=1.225 kg/m3、粉塵濃度C=4.4 kg/m3、濾料平均粒徑dp=4.5×10-3m條件下，過(guò)濾效率的計(jì)算公式為

η=1-exp(b0hb1ufb2u1b3)，

(5)

對(duì)各物理量的量綱無(wú)因次化簡(jiǎn)得

(6)

兩次取對(duì)數(shù)后得

(7)

代入數(shù)值，簡(jiǎn)化計(jì)算可得

(8)

多元回歸分析后可得出過(guò)濾效率的多元非線性回歸方程為

(9)

其中，0.1 m≤h≤0.3 m，0.29 m/s≤uf≤0.41 m/s，0.002 m/s≤u1≤0.008 m/s。

正交試驗(yàn)測(cè)量值與回歸公式計(jì)算值的對(duì)比如圖5所示，可以看出，過(guò)濾風(fēng)速最低、過(guò)濾層的濾料厚度為300 mm、濾料循環(huán)速度為0.002 m/s，過(guò)濾時(shí)間為10 min，初始粉塵濃度為4.4 g/m3時(shí)，試驗(yàn)過(guò)濾效率為98.1%，回歸公式計(jì)算值為98.07%，兩者基本相符。

圖5 過(guò)濾效率試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較Fig.5 Filtration efficiency comparison of test and predicted values

3 結(jié) 論

1)通過(guò)結(jié)合正交試驗(yàn)極差分析與方差分析，得到冷態(tài)試驗(yàn)中表觀風(fēng)速為過(guò)濾效率最主要的影響因素，其次是過(guò)濾層厚度和濾料下落速度。過(guò)濾效率隨表觀風(fēng)速和濾料下落速度的增大而減小，隨著過(guò)濾層厚度的增加而增大。過(guò)濾層厚度增至200 mm以上時(shí)，過(guò)濾效率變化較小。

2)最優(yōu)過(guò)濾條件為過(guò)濾風(fēng)速最低、濾料厚度為300 mm、濾料下落速度為0.002 m/s，過(guò)濾時(shí)間為10 min，此時(shí)過(guò)濾效率為98.1%。過(guò)濾分級(jí)效率在粉塵小粒徑段變化明顯，粒徑3.80 μm以下的過(guò)濾效率僅19%；粒徑大于10 μm后過(guò)濾效率基本在98%以上。移動(dòng)式顆粒床冷態(tài)過(guò)濾試驗(yàn)中床層壓力變化不大，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程近似穩(wěn)定。

3)利用回歸分析得到過(guò)濾效率與過(guò)濾層厚度、濾料移動(dòng)速度、表觀過(guò)濾速度的關(guān)聯(lián)方程，為顆粒床設(shè)計(jì)以及移動(dòng)顆粒層過(guò)濾性能的預(yù)測(cè)提供依據(jù)。