轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)不粘絲網(wǎng)除霧特性研究

劉恩東 包向軍 張 璐 徐俊超 黃靜如 段 毅

(安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院)

為了推動(dòng)鋼鐵行業(yè)的超低排放改造，生態(tài)環(huán)境部明確要求鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐顆粒物排放濃度要低于10 mg/m3[1]。目前，我國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)量占總產(chǎn)量的90%以上，但現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐除塵技術(shù)只能達(dá)到15 mg/m3[2]。統(tǒng)計(jì)表明，濕法除塵是目前轉(zhuǎn)爐煙氣除塵的主要技術(shù)之一。然而，濕法除塵過(guò)程中煙氣濕度大，當(dāng)系統(tǒng)的除霧效率低時(shí)，大量的細(xì)顆粒隨液滴排放到大氣中，會(huì)導(dǎo)致煙氣顆粒排放不達(dá)標(biāo)，且高濕煙氣對(duì)管道設(shè)備造成腐蝕，縮短使用壽命。在除塵末端采用除霧器脫除液滴能有效提高除塵效率，常見(jiàn)的除霧器按氣液分離原理可分為機(jī)械式、過(guò)濾式和靜電式三種類(lèi)型[3-7]。目前常用的是板式除霧器，但是其只能分離粒徑在15 μm以上的顆粒，且運(yùn)行阻力較大。絲網(wǎng)除霧器可以分離粒徑大于3～5 μm的顆粒，且具有運(yùn)行阻力小、除霧效率高等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。因此，在轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)中采用絲網(wǎng)除霧器有利于液滴和細(xì)顆粒的脫除。

近年來(lái)，針對(duì)絲網(wǎng)除霧器的研究主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化 (除霧器、絲網(wǎng))和除霧效率的影響規(guī)律等方面[10-11]。龍靜華等[12]通過(guò)改變絲網(wǎng)除霧器的結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣管位置和絲網(wǎng)材質(zhì)，大大提高了除霧效率。王寶華[13]利用特殊編織方式改變了絲網(wǎng)目數(shù)，使1 μm以上霧滴的除霧效率達(dá)99%以上。李曉紅[14]設(shè)計(jì)了絲網(wǎng)支撐裝置并改變絲網(wǎng)層高度，大大提高了轉(zhuǎn)爐除塵效率。R.Kouhikamali[15]采用數(shù)值模擬進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)除霧效率隨著液滴直徑、氣流速度和填料厚度的增大而提高。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣流速度超過(guò)泛液氣速后，煙氣流過(guò)除霧器時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次夾帶，導(dǎo)致除霧效率降低[16]。因此，研究轉(zhuǎn)爐絲網(wǎng)除霧器中液滴的二次夾帶現(xiàn)象，從而尋得其泛液氣速對(duì)轉(zhuǎn)爐濕法煙氣除塵的研究具有重要意義。目前，針對(duì)除霧器中液滴二次夾帶，大部分研究對(duì)象為濕法脫硫系統(tǒng)中的板式除霧器[17-18]，結(jié)果表明，當(dāng)煙氣速度超過(guò)泛液氣速(泛液氣速為5～6 m/s)后，除霧效率會(huì)急劇降低。劉定平[19]發(fā)現(xiàn)增大葉片板間距和轉(zhuǎn)折角度均會(huì)加劇二次夾帶現(xiàn)象，使泛液氣速下降；江艷[20]發(fā)現(xiàn)10°傾斜布置水平板式除霧器且板間距為20 mm時(shí)，除霧效率最大，泛液氣速最小；張博[21]發(fā)現(xiàn)霧滴產(chǎn)生二次夾帶主要源于液膜的剝落和分離，隨著氣流速度的增大，轉(zhuǎn)角曲率半徑和轉(zhuǎn)角剪切力增大，而加裝雙鉤片可以抑制液膜的剝落與分離，從而改善液滴二次夾帶現(xiàn)象。目前在轉(zhuǎn)爐濕法煙氣除塵系統(tǒng)中，對(duì)于絲網(wǎng)除霧器的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化和液滴二次夾帶還有待進(jìn)一步研究。

為此，文章搭建了絲網(wǎng)除霧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究不同氣流速度下，含水量、絲網(wǎng)層數(shù)、絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)除霧效率的影響，探討氣流速度和絲網(wǎng)布置方式對(duì)除霧效率的影響，為絲網(wǎng)除霧器應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

文章搭建了絲網(wǎng)除霧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主體為除霧塔，除霧塔的尺寸以某鋼廠(chǎng)脫水塔參數(shù)為參考，按相似準(zhǔn)則1∶10比例設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)采用青島精誠(chéng)儀器儀表有限公司生產(chǎn)的JH-60E-D型自動(dòng)煙塵煙氣測(cè)試儀測(cè)量粉塵濃度，依據(jù)JJG680-2007《煙塵采樣器檢定規(guī)程》等五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，符合國(guó)家環(huán)保局頒布的煙塵采樣儀有關(guān)規(guī)定。該儀器由于內(nèi)置微處理器測(cè)控系統(tǒng)，可滿(mǎn)足靜壓、動(dòng)壓、溫度、速度和含濕量的跟蹤監(jiān)測(cè)，采樣原理為等速跟蹤采樣。霧滴檢測(cè)器在塔高1 100 mm處進(jìn)行測(cè)量，除霧塔的具體尺寸與材質(zhì)如表1所示。

表1 除霧塔具體尺寸和材質(zhì)

圖1 絲網(wǎng)除霧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

轉(zhuǎn)爐煙氣中存在的氧化鈣等與水分接觸后容易凝結(jié)成粉塵，在使用過(guò)程中會(huì)堵塞除霧裝置，因此試驗(yàn)中選用了不粘鋼絲網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)方案的具體參數(shù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)控制氣體流速為2.5～4.5 m/s，其他條件一定，以控制變量法研究含水量、絲網(wǎng)層數(shù)和絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)除霧效率的影響。

表2 除霧特性實(shí)驗(yàn)方案

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)測(cè)量含水量。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，采用五點(diǎn)取樣法各持續(xù)采樣5 min，對(duì)逃逸液滴進(jìn)行收集。根據(jù)霧滴捕集器采樣前后的質(zhì)量差以及采樣的氣體體積，計(jì)算單位煙氣體積內(nèi)的霧滴質(zhì)量。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，含水量測(cè)試取3次采樣的平均值。根據(jù)公式(1)計(jì)算不同工況下的含水量。

W=Δm/Q=(M1-M0)/Q

(1)

式中：W為含水量，即霧滴含量，mg/m3；Δm為霧滴質(zhì)量，mg；Q為煙氣體積，m3；M1為采樣后液滴捕集器質(zhì)量，mg；M0為液滴捕集器自重，mg。

(2)以空塔狀態(tài)下的煙氣含水量為基準(zhǔn)，結(jié)合不同工況下的含水量，利用公式(2)計(jì)算除霧效率。

η=ΔW/W0=(WX-W0)/W0

(2)

式中：η為除霧效率，%；ΔW為含水量差，mg/m3；W0為無(wú)絲網(wǎng)時(shí)除霧器出口霧滴含水量，mg/m3；WX為有絲網(wǎng)時(shí)除霧器出口霧滴含水量，mg/m3。

1.4 氣流速度影響

氣流速度決定了煙氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間，對(duì)除霧效率的影響很大。文章選取絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)2層20目、含水量為4 mL/m3研究不同氣流速度下除霧效率的變化曲線(xiàn)，如圖2所示?？梢钥闯觯S著氣流速度的增加，除霧效率先提高后降低。最佳除霧效率對(duì)應(yīng)的氣流速度在3.5 m/s，即泛液氣速在3.5 m/s左右。這是由于隨著氣流速度的增大，流體的曳力增大，作用于霧滴上的動(dòng)量增大，使得慣性捕集的作用增強(qiáng)，有利于氣液分離，從而提高除霧效率。但是，當(dāng)氣流速度增加至泛液氣速后，繼續(xù)增大氣流速度，被絲網(wǎng)捕集的液滴受到的重力和摩擦力增大。當(dāng)液滴所受的阻力大于其與絲網(wǎng)間的粘性力時(shí)，液滴就會(huì)被高速氣流重新夾帶出去，導(dǎo)致除霧效率降低。甚至高速氣流還會(huì)使液滴破碎成細(xì)小霧滴，從而減小液滴被除霧器捕集的概率。因此，為了保證一定的除霧效率，應(yīng)盡量避免二次夾帶效應(yīng)。

圖2 不同氣流速度下除霧效率的變化曲線(xiàn)

2 結(jié)果及分析

2.1 含水量對(duì)除霧效率的影響

煙氣含水量表征著氣液傳質(zhì)過(guò)程的速率和氣液兩相之間相互作用的大小，是影響除霧效率的重要參數(shù)之一。不同氣流速度下含水量對(duì)除霧效率的影響如圖3所示。當(dāng)氣流速度一定時(shí)，含水量越大，除霧效率越高；當(dāng)含水量一定時(shí)，隨著氣流速度的增加，除霧效率先提高后降低。含水量為3和4 mL/m3的除霧效率拐點(diǎn)出現(xiàn)在氣流速度為3.5 m/s時(shí)，即泛液氣速為3.5 m/s，而含水量增加至5 mL/m3時(shí)，泛液氣速減小為3 m/s。這是因?yàn)殡S著含水量的增加，除霧器內(nèi)霧滴總量增加，霧滴間相互碰撞團(tuán)聚使得霧滴的平均粒徑增大，從而增大了液滴被捕集的概率。因此，除霧效率隨含水量的增加而提高，且泛液氣速減小。

圖3 不同氣流速度下含水量對(duì)除霧效率的影響

2.2 絲網(wǎng)層數(shù)對(duì)除霧效率的影響

絲網(wǎng)層數(shù)會(huì)影響絲網(wǎng)對(duì)霧滴的直接攔截，從而影響除霧效率。不同氣流速度下絲網(wǎng)層數(shù)對(duì)除霧效率的影響如圖4所示。隨著絲網(wǎng)層數(shù)的增加，除霧效率提高，除霧效率范圍為79%～98%。當(dāng)絲網(wǎng)由2層增加至4層時(shí)，除霧效率從低于80%提高至95%左右；當(dāng)絲網(wǎng)從4層增加至6層時(shí)，除霧效率提高并不明顯。這是因?yàn)殡S著絲網(wǎng)層數(shù)的增加，絲網(wǎng)層之間相互疊加，使得夾帶霧滴的氣流經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)層的孔隙減小，從而增強(qiáng)了直接攔截的作用。同時(shí)，氣流經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)層的時(shí)間延長(zhǎng)，從而增大液滴被捕集的概率。由此可見(jiàn)，安裝絲網(wǎng)層數(shù)越多，除霧效率越高，但當(dāng)絲網(wǎng)層數(shù)和厚度達(dá)到一定值時(shí)，除霧效率趨近當(dāng)前工況下的最大值，繼續(xù)增加絲網(wǎng)層數(shù)和厚度，除霧效率提高不明顯。

圖4 不同氣流速度下絲網(wǎng)層數(shù)對(duì)除霧效率的影響

2.3 絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)除霧效率的影響

絲網(wǎng)目數(shù)決定了霧滴可通過(guò)絲網(wǎng)的粒徑大小，對(duì)除霧效率的影響至關(guān)重要。圖5為不同氣流速度下絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)除霧效率的影響曲線(xiàn)，可以看出，隨著氣流速度的增大，除霧效率先提高后降低。當(dāng)氣流速度一定時(shí)，隨著絲網(wǎng)目數(shù)增加，除霧效率均有所提高；20目和40目對(duì)應(yīng)的除霧效率隨氣流速度變化的拐點(diǎn)出現(xiàn)在4 m/s，而60目對(duì)應(yīng)的除霧效率隨氣流速度變化拐點(diǎn)為3.5 m/s；當(dāng)層數(shù)一定時(shí)，隨著目數(shù)的增加，除霧效率拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氣流速度減小。這主要是因?yàn)?，絲網(wǎng)目數(shù)越大，絲網(wǎng)孔隙就越小，霧滴被捕集的概率增加，使得除霧效率提高。另一方面，目數(shù)越大絲徑越小，當(dāng)霧滴尺寸和氣流速度一定時(shí)，絲徑越小，液滴粒徑相對(duì)于絲徑就越大。對(duì)于粒徑較大的霧滴，攔截作用就更強(qiáng)，除霧效率就越高。同時(shí)，在較低氣流速度下，絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)除霧效率影響更加明顯，即在除霧效率拐點(diǎn)前，除霧效率隨氣體速度的增加而提高較為明顯，尤其在2.5～3 m/s范圍內(nèi)除霧效率提高幅度大；而在除霧效率拐點(diǎn)之后，20目的除霧效率在4～4.5 m/s區(qū)間內(nèi)明顯降低，40目和60目在此區(qū)間降低較為緩慢。

圖5 不同氣流速度下絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)除霧效率的影響

3 結(jié)論

文章研究了氣流速度、含水量、絲網(wǎng)層數(shù)、絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)絲網(wǎng)除霧器除霧效率的影響和液滴的二次夾帶現(xiàn)象，得出以下結(jié)論：

(1)在一定氣流速度范圍內(nèi)，除霧效率隨氣流速度增加先提高后降低。因此，工業(yè)實(shí)際中應(yīng)避免二次夾帶的負(fù)面效果導(dǎo)致除霧效率降低，結(jié)合上述規(guī)律，轉(zhuǎn)爐濕法系統(tǒng)中除霧塔的氣流速度應(yīng)控制在3～4 m/s；

(2)不粘絲網(wǎng)的除霧效率隨著含水量、絲網(wǎng)層數(shù)、目數(shù)的增大而提高，且泛液氣速減小。