（动力机械及工程专业论文）陶瓷过滤器除尘机理研究.pdf

东南大学硕二b 学位论文 摘要 在化工、石油、电力等行业中，常产生高温含尘气体。由于不同工艺需要或回收能量抑 或达到环保排放标准，都需对这些高温含尘气体进行除尘。因此，高温条件下气固分离技术 在下程中属于有较高难度且亟需开发的课题，是国内外一项高新技术。在高温高压条件下清 除含尘气体中的微细尘粒，有效的方法是使用陶瓷过滤器，陶瓷过滤器是最具发展潜力的气 圆分离装置，除尘效率高达9 9 9 ，在高温气体净化领域有着广阔的应用前景。 本文建立一维过滤流动数学模型，分析了一维流动下过滤元件结构对过滤速度分布的影 响。当过滤通道较短时，过滤元件表面速度沿过滤元件轴向逐渐增大；当过滤通道较长时， 过滤元件两端的过滤速度比过滤元件中部的大；同圆柱形过滤元件相比，锥形过滤元件过滤 速度的分布更为均匀。通过对长7 0 0 m m 滤管的试验和模型进行对比分析，说明模型计算具 有一定的可信度，这对分析过滤元件表面速度的分布具有一定的指导作用。 在常温条件下对一根试管式陶瓷过滤元件构成的陶瓷过滤器进行了试验研究，通过试 验，分析了进气流量、进气位置、粉尘入口浓度对过滤器运行的影响。试验结果表明：三种 进气方式比较，中部进气时过滤元件轴向过滤速度分布均匀，过滤阻力分布也均匀。在相同 的进气流量和含尘浓度下，中部进气时粉尘层的渗透率和空隙率沿过滤元件轴向分布均匀， 且平均空隙率和渗透率大于上部进气和下部进气时的值。 主题词：陶瓷过滤器，过滤元件，过滤阻力，粉尘层 东南大学硕士学位论文 a b st r a c t h o td u s t yg a s e sa r eo f t e np r o d u c e di np o w e ri n d u s t r y , p e t r o l e u mi n d u s t r y , c h e m i c a li n d u s t r i e sa n ds oo n d u s t yg a s e sn e e dc l e a n i n gi no r d e rt o p r o t e c t e n v i r o n m e n ta n ds a t i s f yv a r i o u sr e q u i r e m e n t s h i g h t e m p e r a t u r eg a sc l e a n i n gi so n e o ft h ek e yt e c h n o l o g i e st os u c hs y s t e m s c e r a m i cc a n d l ef i l t e ri st h em o s tp r o m i s i n g g a s s o l i ds e p a r a t i o ne q u i p m e n t i tc a nr e m o v em o r et h a n9 9 9 o ft h es o l i dd u s t p a r t i c l e sf r o mf l u eg a s i ti se x p e c t e dt h a tt h ec e r a m i cc a n d l ef i l t e rh a sa ue x t e n s i v e l y a p p l i c a t i o n ao n e - d i m e n s i o n a lc o n s t a n tf i l t r a t i o nf l o wm o d e li se s t a b l i s h e d b a s e do nt h i s m o d e l ，t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nf o rt h ec a n d l ef i l t e rw h o s es e c t i o ni sc y l i n d r i c a la n d c o n i c a li sc a r r i e do u t t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c ev e l o c i t ya l o n g f i l t e ra x i sh a sr e l a t i o nw i t ht h el e n g t bo ff i l t e rp a s s a g ea n df i l t e rs t r u c t u r e f r o m d e a d - e n dt oo p e n - e n d ，s u r f a c ev e l o c i t yi n c r e a s e sg r a d u a l l yi ft h ef i l t e rp a s s a g ei s s h o r t e ra n ds u r f a c ev e l o c i t yo fb o t he n d si sl a r g et h a nt h a to fm i d d l es e c t i o ni ft h e f i l t e rp a s s a g ei sl o n g e r c o m p a r e dw i t hc y l i n d r i c a lf i l t e r , t h ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c e v e l o c i t yo fc o n i c a l f i l t e ri sm o r eu n i f o r m 。f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t sw i t haf i l t e r7 0 0 m m i nl e n g t hh a v eb e e nc o m p a r e dt op r o v er e l i a b i l i t yo f f i l t r a t i o nm o d e l t h ef i l t r a t i o n p e r f o r m a n c e o fc e r a m i cc a n d l ef i l t e ri st e s t e da ta m b i e n t t e m p e r a t u r e t h ei n f l u e n c e s o fg a se n t r a n c ep o s i t i o n ，v o l u m e t r i cf l o wr a t e ，d u s t c o n c e n t r a t i o no nf i l t r a t i o np e r f o r m a n c ea r ei n v e s t i g a t e d i ts h o w st h a tt h ep o s i t i o no f g a se n t r a n c ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nf i l t r a t i o np e r f o r m a n c e w i t ht h es a m ei n p u t f l o wr a t ea n dd u s tc o n c e n t r a t i o n ，p e n e t r a b i l i t ya n dp o r o u so fd u s tl a y e rf o r m i n gi n f i l t r a t i o no fm i d d l eg a se n t r a n c ep o s i t i o ni st h el a r g e s ta n di t sd i s t r i b u t i o na l o n ga x i s i sm o r er e a s o n a b l e k e y w o r d s ：c a n d l ec e r a m i cf i l t e r ；f i l t e re l e m e n t ； f i l t r a t i o np r e s s u r ed r o p ；f i l t e rc a k e 东南人学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密沧文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 签名：导师签名日期 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 在化工、石油、冶金、电力及其他行业中，常产生高温含尘气体。由于不同工艺需要或回 收能量抑或达到环保排放标准，都需对这些高温含尘气体进行除尘。在高温条件下，由于粘滞 力有较大变化，湿度大幅下降，细颗粒凝聚现象大为降低，所以对微粒的分离有较高难度。另 外，高温时采用的设备材质、结构形式以及热膨胀等问豚往往影响设备的正常运行。因此，高 温条件下气固分离技术在丁= 程中属于有较高难度且亟需开发的课题，是国内外一项高新技术 1 4 ，8 j 表1 1 中国煤炭消费结构 占总消费的百分比占总消费的百分比 用途用途 ( 1 9 9 5 年数据) ( 1 9 9 5 年数据) 发电 2 l 工业窑炉3 工业和商用锅炉 3 0 民用 2 0 冶金 8 出口或其它 8 在高温除尘领域中，有很大一部分是解决高温烟气的净化，因此高温除尘技术与洁净煤技 术有着密切的关系。我国大约7 2 的工业用蒸汽燃料、5 2 的化工原料和9 2 的民用燃料来 自煤炭，其中最大的用煤行业是电力，其他为化工、冶金、建材及采矿等行业，还包括民用， 共占消耗总量的8 3 1 。表1 1 为我国的煤炭消费结构“1 。为此，我国大气污染以烟煤型污染 为特征，1 9 9 4 年全国排入大气的粉尘为2 8 mt a ，1 9 9 5 年烟尘排放量为1 7 4 4 mt a 。由 于受到能源需求增长和人们对环保的双重压力，以煤炭为主的能源结构给环境带来严重的威 胁。因此，洁净煤技术的发展将节约资源、技术进步和环境保护作为一个整体，是实旖我国国 民经济可持续发展的重要战略举措，而高温除尘技术的开发研究是实施洁净煤技术的有力保 证。高温高效除尘技术的特点是：所要求净化的含尘气体温度高( 6 0 0 1 4 0 06 c ) ；颗粒细( 通 常d 。 i 0 5 l o o 1 0 3 0 4 0 0i o o 2 0 09 9 惯性扩散筛分 袋式除尘器 ) 1 0 3 1 0 9 8 9 81 1 0 08 石英1 3 0 03 0 一5 01 0 4 0 9 9 9 53 0 04 硅藻土0 2 1 05 5 7 08 1 2 9 09 52 0 00 4 多孔陶瓷材料的发展始于1 9 世纪5 0 年代，最初只是局限于细菌的过滤和工业水处理领 域，随后在石油、化工、制药、水处理、环保等领域的应用愈来愈广泛，如用作各种过滤材 料、消音材料、电解材料、曝气材料等。尤其是多孔陶瓷用作过滤材料，同其它一些过滤材 料相比，如多：- f l 塑料，多孔金属，各种织物编制网等，多孔陶瓷材料具有以下优点： t 、可控孔径和高的气孔率。通过控制多孔陶瓷制备工艺条件，可以很好的获得特定要 求的孔径和气孔率，”满足不同的物料以及不同过滤精度的要求。 2 、极好的耐热性能。多孔陶瓷材料是经过高温烧结而成，既有高温结构稳定，其最高 t 作温度可达1 0 0 0 。f ，口j 适_ l _ 于各种高温条件下的过滤，如高温气体净化，高温烟气除尘 等。 东南大学硕二e 学位论文 3 、良好的化学稳定性，多孔陶瓷材料耐酸碱和各种有机溶剂的侵蚀，其产品可以在p h 值为0 5 1 4 范围内使异 。 4 、刚性好，机械强度大。多孔陶瓷材料具有较高的抗压缩和抗弯曲强度，其微观孔结 构具有不压缩性，因此适用于高压过滤。 2 2 陶瓷过滤器过滤再生原理 陶瓷过滤器的除尘机理，实际上就是捕集物 ( 陶瓷颗粒) 对粉尘的捕集分离机理。可以表述为： 当气流携带粉尘接近这些捕集物体时，一些短程效 应如惯性碰撞、拦截、扩散对粉尘起作用，其结果 就是将粉尘从气流中分离出来，达到捕集分离的目 的】。这些短程效应与粉尘同捕集物之间的相对大 小和相对速度有很大的关系。每一项机理的数学模 型都可以通过流体动力学的基本方程建立起来，但 对某些方程要求出精确解是比较困难的，目前只能 在简化的基础上作近似求解。求解两种或两种以上 机理组合作用的数学方程精确解更为困难。幸而在 令鼙- 搬鲁嚣喾 图2 - - 2 多孔陶瓷的捕集枫理 大多数的情况下，仅有一种机理占主导优势，因丽便于求出若干简化假设。例如，粒径在 i 胛或者1 , u m 以上的颗粒，惯性碰撞占主导地位，而小于1 埘以下的颗粒，则扩散成为 主要的捕集机理。图2 2 为多孔陶瓷的捕集原理。 2 2 i 惯性碰撞 当流动的气体流过圆柱状( 或圆球状) 捕集物时，气流中的粉尘颗粒将随气流流线绕 流捕集物。当粉尘的质量比气流微团大得多，当气流转折时，它们将有足够的动量继续对 着捕集物前进而偏离流线。偏离的结果就是一些粉尘颗粒碰撞到捕集物上面而被捕集分离， 如图2 3 所示i l ”。这种捕集效应称为惯性碰撞。 惯性碰撞用参数占表征，称为极限轨迹间的距离，极限轨迹的物理意义为! 在流场中 无限远处( 相对捕集物大小而言) 找两根特定的流线，使得处在其上的粒子刚好能与捕集 物作惯性碰撞，丽处在其外的流线上的粒子则不能与捕集物作惯性碰撞，这两根流线称为 流线轨迹，j 就是表征这阴根流线间的距离 阕此，若球彤捕集物蛊径为d 。，则捕集效率 。 第二章陶瓷过滤器除尘原理 为： 这个效率也是雷诺数的函数， 图2 3 惯性碰撞示意图 2 2 2 拦截效应 图2 4 拦截分离示意图 ( 2 1 ) 作为惯性碰撞的模型是假设粉尘颗粒只有质量，没有体积，而考虑拦截机理时则认为 粉尘颗粒有大小而没有质量，因此，不同大小的粉尘颗粒都跟着气体的流线绕流捕集物。 如果流线与捕集物i b - j 垂直距离小于或等于粉尘粒径的一半，则粉尘颗粒将接触捕集物而被 拦截，如图2 - - 4 。拦截以参数d 。表征，它是粉尘颗粒直径d 和捕集物直径d 。的比值。即 q 2 瓦d ( 22 ) 如果流场假定为势流，拦截物为圆球，则拦截的捕集分级效率为： 珞- ( 1 + d p ) 2 矗 妲- 3 ) 在实际捕集过程中，惯性碰撞与拦截一般是相互影响的。此外，还要考虑边界层的影 响，故上述只是简化了的物理模型。 2 2 3 扩散效应 当含尘气流中的粉尘颗粒直径小于l 衄时，这些小颗粒在随气流运动时就不在沿着气 体流线绕流捕集物，不在遵循惯性碰撞或拦截的机理被捕集物捕集分离，而是另种捕集 机理扩散在起作用。由于气体分子作无规则的热运动，粉尘颗粒在气体分子的随机撞 击下脱离流线，象气体分子一样做布朗运动。立果一捕集物量于气体中间，其中一些粉尘 颗粒就通过布朗扩散沉降在这物体的表面上，从而捕集分离掉这些粉尘颗粒。在运动的气 流中，这种捕集时间非常短，这就限制了扩散捕集仅发生在紧贴十捕集物周闸的流线附近。 东南大学硕i 学位论文 对于管尘气体绕流捕集仞时，j r 敢明捕果效厩口j 以这样估算：先v r 算在一定的时1 日内 颗粒布朗扩散的平均距离，找出由扩散净化的气体体积，将这些净化体积与流经捕集物的 气体总体积进行比较，得到捕集分离效率。兰格米尔仿效拦截参数d 。，定义扩散参数 焉= 表 汜。， 式中j ，o 为捕集物表面的有效扩散宽度，兰格米尔求得 r = 2 2 4 ( 2 0 0 2 - i n r e ) ；7 e 必 ( 2 5 ) 式中p e 为贝克莱数： n ：擎 ( 2 舯 d 6 其中，晚为扩散系数 对比拦截捕集效率公式， ( 2 7 ) 虽然温度的高低对号姨性碰撞、拦截、扩散的影响在效率中并未反应出来。但是惯性 碰撞参数中有受温度影响的因素，拦截、扩散捕集分离效率中都有受温度影响的因素。增 加温度，对惯性碰撞和拦截的捕集分离效率会降低，而相反扩散捕集的分离效率将会提高。 2 2 4 陶瓷过滤器的反吹清灰机理 过滤过程可分为三个阶段：第一阶段，过滤滤料是清洁的，随着粉尘颗粒在滤料表面 的堆积，滤料的结构发生变化；紧接着是第二阶段，随着粉尘堆积量的增加，滤料阻力、 过滤效率也逐渐增大，这是过滤的主要阶段。堆积的粉尘应有定的限量，超过限量将会 导致滤料发生变形、损坏、风量下降、过滤效率降低等不良后果，所以，必须采取滤料的 清灰处理，以恢复其过滤能力，这就是过滤的第三阶段滤料的清灰再生，如图2 5 所 示。 滤料的清灰再生，是对在过滤阶段堆积于滤料表面上的粉尘层进行破坏并将其中一部 分粉尘从过滤元件内或表面清除，从而恢复滤料正常过滤功能的过程。清灰可以甩期性的 进行，也可以连续不断的进行。清灰作用的好坏与滤料和粉尘的性质、过滤条件、反吹条 件等许多因素有关。 在过滤过程中，阻力上升的速率与粉尘的堆积速度、形成粉尘层的密实程度( 即孔隙 第二章陶瓷过滤器除尘原理 率) 以及粉尘自身的粒径大小有一定的关系。有资料表明：厚1 m m 的粉尘层在过滤速度 为1 m m i n 时的阻力随粒径的变化而急剧变化，粉尘粒径大于6 “饼时，阻力很小，在这样 的过滤速度下阻力约为2 0 0 p a 以f 。当粒径小于1 m 时，滤料阻力迅速上升，因此，过 滤元件反吹清洗时重要的是清除堆积在滤料上的细微粉尘。 图2 5 过滤元件的过滤再生原理 堆积在滤料上的粉尘颗粒主要受到两种力的作用而粘附在滤料上，其一是粉尘颗粒与 滤料表面之间的附着力：其二是粉尘颗粒之间的内聚力。一般情况下，附着力比颗粒之间 的内聚力大，反吹清洗时附着力很难破坏。有人曾经做过试验f 5 ”，粒径为1 0 , u m 的粉尘脱 离纤维滤料表面，其反吹速度至少要达到1 5 m s 以上。对没有压密实的粉尘层，其脱落阻 力不大。然而，反吹清洗气流的压力并不是均匀的作用在粉尘层的整个表面上，而只是作 用在有开孔的地方。因此，为使粉尘脱离，就需要在滤料上施加高的反吹风速。滤料的空 隙率越高，使粉尘脱离所需的反吹风速越低，清灰后阻力下降程度越高。不同滤料对应的 晟大反吹风速也不同，再超越该数值并不能很明显的增加粉尘的脱落，而只能引起多余的 能耗。 如果在反吹清洗中出现粉尘层脱离不均匀，则过滤元件上积存粉尘粒径大的局部地方 粉尘会先行脱落，反吹风的主体质量也就会乘虚集中于此处，而在其它的地方粉尘堆积依 旧，此时滤料阻力虽有下降，但不能算作有效清灰，只有全部滤料上的粉尘能均匀清除的 才是有效清灰。 2 3 粉尘层的形成及破坏机理 在过滤的初始阶段，粉尘被捕获，然后随着粉尘层压力的上升而形成致密的滤饼；接 着，在较大的粉尘负荷下，粉尘颗粒又逐渐变得疏散和不均匀。当粉尘层的厚度逐渐增大 时，由于高的压力降粉尘层又变得致密，于是形成了不同空隙率交织的多层滤饼。k a r l s r u h e 大学观察了脉冲反吹后在下一个过滤过程中过滤元件表面粉半层形成的情口i “】，发现脉冲 1 3 东南犬学顿士学位论文 反吹后仍残留有粉尘的区域在下一个过滤过程中并没有发生粉尘层厚度的显著增加。 德国a a c h e n 工业大学对脉冲反吹时滤饼从过滤元件表面分离的过程进行了图像观察， 经分析发现，过滤元件表面的粉尘层是沿轴向以片状分离的，随着脉冲反吹的压力升高， 碎片越来越细【l ”。日本k a n a z a w a 大学用高速视频相机观察了脉冲反吹时不同结构过滤元 件表面粉尘层的脱落情况，结果表明粉尘层的脱落形式与过滤元件的结构密切相关，不同 结构的过滤元件之间存在着很大的差别。同时发现，过滤元件表面粗糙度越低，滤饼脱落 的碰撞越大，这有效的降低了飞灰的回流难题，获得了更高的分离效率“。 由英国b r i m i r i g h a n a 大学和s u r r e y 大学共同进行了一项试验也对过滤元件表面粉尘层 的分离进行了图像观察，试验结果表明，在刚性过滤器中可以通过反吹气流来实现粉尘层 的分离，其分离性能与过滤介质的结构有着密切的联系。 2 4 影响多孔陶瓷过滤器过滤效率的主要因素 影响陶瓷过滤器过滤效率的因素较复杂，总结为如下两点： ( i ) 、过滤精度i l s 】：是指能够滤除过滤介质中最小固体颗粒的粒径大小，其单位为m 。 对于陶瓷过滤元件，其过滤精度可达到0 1 口。 影响陶瓷过滤器过滤精度的主要因素是陶瓷多孔介质的最大微孔直径。对于同一过滤 工质而言，孔径越小，则过滤精度越高，反之越低。其次，工作压力对过滤精度也有微弱 的影响。另外，过滤工质不同时，过滤精度也不同。一般来说，对于液体工质，其能过滤 掉的固体颗粒大小约为陶瓷过滤元件孔径的1 5 1 1 0 ；对气体工质，由于布朗运动在气体 中比液体中活泼，捕捉作用增大，其截留杂质颗粒大小约为过滤介质孔径的1 1 5 1 1 2 5 。 ( 2 ) 、过n n g q ：即单位时间内通过陶瓷过滤器的过滤工质的流量。由于多孔陶瓷是集 吸附、深层过滤和表面过滤相结合的一种过滤方式，因此过滤工质的粘度、介质的工作压 力、过滤元件本身的微孔性能等对其过滤速率都有较大的影响。理论上有： q 一p ，k d l6 l q 1 5 ( 2 8 ) 式中，a 一过滤器的过滤面积； p 一过滤器进出口工作压差： s 一过滤元件空隙率： 一指数，z = 2 4 ： 一透气系数： d 一过滤元件微孔直径； 4 第二：章陶瓷过滤器除尘原理 ，一过滤元件厚度； 玎流体的粘性系数。 由上式可以看出，多孔陶瓷孔径越大，空隙率越高，工作压差越大，则流量越大；而 随着多i l 陶瓷壁厚、粘度的增大，过滤流量减小。 东南大学面i - 学位论文 第三章过滤元件内的流动模型与试验研究 陶瓷过滤元件多孔介质内流体的流动主要与过滤元件的工作条件、粉尘堆积、过滤元 件布置以及气体的特性等因素有关。ma c u e n c a 在其专著中m 】，对陶瓷过滤动力学、粉 尘层特性、过滤元件寿命进行了总结和概括，认为过滤元件和粉尘层两者均属于多孔介质， 气体在其内部的流动遵守的雷诺数流动特性，即经典的达西定律；过滤特性包括粉尘层的 表观密度、渗透率、粘着力和内聚力、表观流动特性和过滤元件的压降特性等，并与脉冲 清洗特性、过滤元件间的布置、以及清除灰饼方式等因素有关：试管式陶瓷过滤元件的寿 命，与过滤元件的材料特性以及过滤元件的设计有关。 本章通过过滤流动分析，建立了一维流动模型，从压力降方面提出了满足流动特性的 倒柱状和锥状过滤元件的设计准则，并通过模型分析了不同结构过滤元件对过滤速度和压 力分布的影响。通过试验改变进气位置，研究了不同进气位鬓气流沿过滤元件轴向分布的 影响，并与模型进行定性分析。 3 1 陶瓷过滤介质内流动分析 试管式陶瓷过滤元件用于过滤细微粉尘颗粒时，含尘气体从陶瓷过滤元件的外表面径 向流向内表面，固体颗粒经过表面过滤，在过滤元件外表面形成灰饼，净化后的洁净气体 从过滤元件内部流出。 气体在过滤介质内和灰饼内的流动，属于多孔介质内的流动。正向过滤时，气流在多 孔介质内的流速较低，固流动遵守经典的达西定律【2 6 1 ，即 蛾= 警 ， 式中巴多孔介质内的达西压降； 毛多孔介质的厚度； 过滤工质的粘性系数； 圪多孔介质内的平均过滤速度 墨。多孔介质的渗透率。 第二章过滤元件内的流动模型与试验研究 当含尘气体中的尘粒浓度分别用c 二( p p m w ) 和q ( m # m 3 ) 表示刚，灰饼厚度巧 分别i ，以表示为： 上两式中，户气体密度( 衄) 以粉尘层的堆积密度( 姆，m 3 ) r 尘粒累计时间( s ) 。 ( 3 2 ) ( 33 ) 按照达西定律，气流流经陶瓷多孔介质和粉尘层产生的基本压降弓和附加粉尘层压 降只分别为 蟑j ；堕坠 j k ， 纰：坐监 k ， 式( 3 4 ) 、( 3 s ) 中j o 多孔过滤介质的渗透率，m 2 孔陶瓷过滤介质的有效厚度，m 砖粉尘层的渗透率，m 2 。 将式( 3 2 ) 和( 3 3 ) 带入式( 3 5 ) 中，分别可得 则总压降为 世。= 心i + 醵： 将式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 分别带入( 3 8 ) 中，得到 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 36 ) ( 3 7 ) ( 38 ) f r g q k i pn一n 1 f i 疋 疋 警警 一 啤 啦 东南大学碗【+ 学位论文 ( 39 ) ( 3 1 0 ) 式( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 表明了粉尘堆积过程中压降的特性。 过滤元件正常运行时，其表面会有部分的残留粉尘进入或者粘附在过滤介质上，造成 过滤元件渗透率的降低，当其他参数保持恒定时，根据式( 3 1 0 ) ，粉尘层产生的附加压降 会随时间不断增加，过滤介质产生的基本压降只呈单调增加趋势。根据文献对西德 s c h u m a c h e r 多孔试管式陶瓷过滤器的n 次循环测试试验结果，渗透率n 为”1 ： 一k ：里- a ( 1 - e - 8 ) 一。 ( 3 1 1 ) ”6 fp 6r k o = 0 0 4 4 1 5 ( m r a i n ) ( m b a r ) ( 3 1 2 ) 式( 3 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 中，a = o 0 1 8 3 5 ，b = 0 0 1 5 8 6 ，c = o 0 0 0 0 0 3 8 7 。实际上，陶瓷过滤介 质内的流动与过滤元件的结构参数、布置状况、表面速度、气体中的含尘量以及反吹气体 特性等因素都有关。 3 2 洁净气体在元件通道内的一维流动模型 3 2 1 洁净气体在元件通道内的流动状态 假设过滤元件表面速度圪沿其轴向均匀分布，气体为不可压缩情况，根据连续性方程 2 4 ，得到元件通道内平均流速w 、表面速度k 、长度h 、动力粘性系数之间的关系为 则 p w 三d 2 = p _ 厅d h 4 z h w = _ = 一 d r e ：4 p v h “ 8 ( 3 1 2 ) ( 3 】3 ) ( 31 4 ) 箬娑尝 蚋一髟 盟巧等等 廿 第三章过滤元件内的流动模型与试验研究 当r e 2 3 2 0 时，通道内流动从层流 ：发态过渡到湍流状态。通常在陶瓷过滤元件的迸气端( 即封闭端) ，流速w 为零，雷诺数r e 为零。在陶瓷过滤元件的出气端( 开1 ：3 端) ，流速w 最大，其值由式( 3 】3 ) 计算得到，出【j 的 雷诺数r e 也增加到最大值。 3 2 2 洁净气体在元件通道内的一维流动模型 假设过滤器元件通道内的气体流动为一维定常流动考虑可压缩、有渗流流入的摩擦 流动情况i 2 2 】。结构示意图如图3 1 ( a ) 、( b ) 所示，则 连续性方程 其微分方程为 动量方程 。 ( a ) 纵向剖面图 ( b ) 截面图 图3 1 过滤元件结构示意图 f d m = ：r d p v 。d z 晰：p w 三。2 d 坐+ w 塑：丝 出d zd t d ( m w ) 一一d 出px 4 d 2 - r t d 如出4 f = 勺t p w 2 式( 3 1 6 ) 中，c f 一为摩擦阻力系数，r 一矢压，聊一质量流量。 将( 3 15 ) 带入动量方程中，得到 一堂=wclw+苦(k+拿w)dzp 2 h + l y + o ) u ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 因为气体在过滤元件通道中的压降不大町以忽略压缩性。将式( 3 13 ) 中的h 变为z 带入( 31 7 ) 式中，得到通道内压降特性的微分方程式为： 东南人学坝士学位论义 一护：丝箜彪+ 丝簦c f z 2 比 ( 3l8 ) dd 。 令 d ( 6 0 = 等2 娩 ( 3 1 9 ) d ( 屿) 一3 2 d j p 圪2 c ，z z 出 ( 3 2 。) 式中：只是轴向过滤速度v 变成径向流速w 而产生的动力学压头损失：一是沿过 滤器通道壁面产生的沿程摩擦损失。故沿多孔介质壁面及通道内表面的总压降z l p 为： p = 帔+ + 够 ( 3 2 1 ) 3 2 3 设计准则 多孔陶瓷过滤元件的设计必须满足特性、寿命、价格的要求和限制，根据其应用场合， 要求过滤元件必须承受气流化学特性变化的影响、组分变化的影响、喷入极细粉尘颗粒时 的振动影响，并保持较高的除尘效率、保持高的过滤流量和低的压降特性等。根据对陶