（热能工程专业论文）湍球塔除尘器除尘性能的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社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， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 | 本学位论文属于不保密囱。 学位论文作者虢严舭 沙l7 年占月心日 指导教师签名：、，以江 加，f 年多月厶。日 湍球塔除尘器除尘性能的研究 s t u d yo nd e d u s t i n gp r o p e r t i e so f t u r b u l e n tc o n t a c t a b s o r b e r 姓 2 0 1 1 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 湍球塔作为一种具有高效传热、传质性能的设备，塔内填料的剧烈湍动为相 间的接触提供大的表面积，同时填料本身具有“自洁”作用，因而特别适合含尘 气流的净化及有害气体的吸收，在中小型锅炉的烟气处理方面有一定的应用。本 文依据流态化原理，自行设计了一套湍球塔实验装置，并利用此装置进行流体力 学特性和除尘性能的实验研究。 实验研究了气体流速、液体喷淋密度、静止床高对湍球塔的塔内气速分布、 持液量、床层压降及膨胀高度的影响。结果表明：塔内添加填料球具有缓冲及稳 流作用；影响湍球塔稳定流态化的最主要因素是气体流速。采用回归分析法对实 验数据进行分析处理，分别得出了持液量、床层压降及膨胀高度与各影响因素之 间的数学关联式，实验结果与数学模型的相关性很好，为湍球塔的优化设计提供 了基础。 实验研究了在清水条件下气体流速、静止床高、喷淋密度和入口粉尘浓度对 粉煤灰和煤尘去除效率的影响，结果表明：粉煤灰和煤尘的去除效率都随着气体 流速、静止床高、喷淋密度的增大而增加；随着入口粉尘浓度的增大，粉煤灰和 煤尘的去除效率都是先增大后减小，存在一个最大去除率。由于清水对粉煤灰湿 润效果好于煤尘，故清水对粉煤灰的去除效率高于煤尘。由于清水的表面张力大， 实验用粉尘具有疏水性，故清水的除尘效果并不理想。 湿润剂降尘实验中，首先对湿润剂的降尘机理进行分析，选择适合本实验的 湿润剂，并对湿润剂溶液的表面张力进行测定，通过实验确定湿润剂由0 0 5 的十 二烷基苯磺酸钠( s d b s ) 和0 7 的n a 2 s 0 4 组成。实验结果表明：水中添加湿润剂 后，粉煤灰的去除效率达至1 j 9 9 6 ，煤尘的去除效率达至1 j 9 8 3 ，与清水相比有了 较大提高，证明添加湿润剂能够显著增大除尘效率。 关键词：湍球塔，流体力学特性，除尘效率，湿润剂 湍球塔除尘器除尘性能的研究 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t u r b u l e n tc o n t a c ta b s o r b e r ( t c a ) i sak i n do fe q u i p m e n tw i t he f f i c i e n th e a ta n d m a s st r a n s f e r ，a n ds e v e r et u r b u l e n c ef o rt h ep a c k i n gi nt h et o w e rt o p r o v i d el a r g e s u r f a c ea r e ao fc o n t a c t ，w h i l et h ep a c k i n gi t s e l fh a sa ”s e l f - c l e a n i n g ”e f f e c t ，t h u s p a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rt h ed u s t ya i rp u r i f i c a t i o na n dh a r m f u lg a sa b s o r p t i o n ，s oi th a s c e r t a i na p p l i c a t i o ni ns m a l la n dm e d i u m - s i z e db o i l e r sf o rf l u eg a st r e a t m e n t t h i s a r t i c l eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo ff l u i d i z a t i o n ，as e to ft c a e x p e r i m e n t a ld e v i c ew a s d e s i g n e da n das e r i a lo fe x p e r i m e n ta b o u t h y d r o m e c h a n i c s a n d d e d u s t i n g c h a r a c t e r i s t i c sw a sc a r r i e do u ti nt h i sd e v i c e i nt h er e s e a r c ho fh y d r o d y n a m i c s ，t h ei n f l u e n c eo fg a sv e l o c i t y 1 i q u i ds p r a y i n g d e n s i t y ，b e ds t a t i ch e i g h to ng a sv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，l i q u i dh o l d u p ，b e dp r e s s u r ed r o p a n de x p a n s i o nh e i g h to ft c aw e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a ta d d i n gp a c k i n gb a l lh a st h ef u n c t i o no fi m p r o v et h eg a s v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n ，t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rw h i c ha f f e c t e ds t a b i l i t yf l u i d i z a t i o nw a sg a s v e l o c i t y a n a l y s i s o fe x p e r i m e n t a ld a t a b yr e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o d ，t h e m a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no fl i q u i dh o l d u p ，b e dp r e s s u r ed r o pa n de x p a n s i o nh e i g h t w e r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o r r e l a t e dw e l lw i t hm a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n ，w h i c hp r o v i d e sw i t hb a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft c a i nd e d u s t i n ge x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c eo fg a sv e l o c i t y ，b e ds t a t i ch e i g h t ，l i q u i d s p r a y i n gd e n s i t ya n di n l e td u s tc o n c e n t r a t i o no nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ff l ya s ha n d c o a ld u s tu n d e rt h ec o n d i t i o no fc l e a nw a t e rw a s i n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r e s e n t e dt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ff l ya s ha n dc o a ld u s ti n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n go fg a sv e l o c i t y ，b e ds t a t i ch e i g h t ，l i q u i ds p r a y i n gd e n s i t ya n dd e c r e a s e da f t e r i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fi n l e td u s tc o n c e n t r a t i o n a sw a t e ro nt h e w e t t i n ge f f e c t o ff l ya s hi sb e t t e rt h a nc o a ld u s t s ot h er e m o v a le f f i c i e n c yo ff l ya s hw a sm u c hh i g h e r t h a nt h a to fc o a ld u s t d u et ot h es u r f a c et e n s i o no fw a t e ra n dt h et e s td u s th a s h y d r o p h o b i c ，s ot h ed e d u s t i n ge f f e c tw a sn o ti d e a l ! i i 湍球塔除尘器除尘性能的研究 i n d e d u s t i n ge x p e r i m e n tw i t hh u m e c t a n t s ，f i r s t l ya n a l y z e d t h e d e d u s t i n g m e c h a n i s mo fh u m e c t a n t s ，a n dt h e ns e l e c tt h ea p p r o p r i a t eh u m e c t a n t si nt h i s e x p e r i m e n ta n dd e t e r m i n e dt h es u r f a c et e n s i o no fh u m e c t a n t ss o l u t i o n t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h eh u m e c t a n t sw e r ec o m p o s e do f0 0 5 s o d i u md o d e c y lb e n z e n e s u l f o n a t e ( s d b s ) a n d0 7 n a 2 s 0 4 a f t e ra d d i n gh u m e c t a n t s ，t h er e m o v a le f f i c i e n c y o ff l ya s ha n dc o a ld u s tr e a c h e d9 9 6 a n d9 8 3 r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a ta d d i n gh u m e c t a n t si m p r o v e dt h ed u s tr e m o v a le f f i c i e n c y s i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dw i t hp u r ew a t e r k e yw o r d s ：t u r b u l e n tc o n t a c ta b s o r b e r , h y d r o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s ，d u s tr e m o v a l i v e f f i c i e n c y ，h u m e c t a n t 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1弓i 言1 1 2 粉尘及其危害。2 1 2 1 粉尘的产生2 1 2 2 粉尘的危害2 1 3 湿式除尘技术一3 1 3 1 湿式净化机制3 1 3 2 湿式除尘器的分类及特性4 1 4 湍球塔概述5 1 4 1 湍球塔简介5 1 4 2 湍球塔流体力学特性7 1 4 3 湍球塔的国内外研究现状9 1 5 课题研究的主要内容1 1 第二章湿式除尘的理论基础1 3 2 1 尘粒在介质中的运动1 3 2 1 1 尘粒在流体中的运动阻力一1 3 2 1 2 尘粒沉降速度计算1 4 2 2 典型的湿法除尘机理1 5 2 2 1 惯性碰撞1 5 2 2 2 拦截作用1 6 2 2 3 扩散沉降1 7 2 2 4 各种机理共同作用1 7 2 3 湍球塔内传质过程1 9 2 3 1 湍流扩散过程1 9 2 3 2 吸收过程机理一2 0 2 3 3 传质速率方程式2 1 2 4 表面活性剂湿润机理2 2 2 5 本章小结2 3 第三章湍球塔实验装置设计。2 4 3 1 湍球塔主体设计2 4 v 湍球塔除尘器除尘性能的研究 3 1 1 填料球的选择。2 4 3 1 2 床层高度、板间距及孔隙率2 4 3 1 3 最小流化速度2 5 3 2 其它部件设计2 6 3 2 1 支撑分布板2 6 3 2 2 限位栅板2 7 3 2 3 除雾器2 7 3 2 4 喷淋装置2 8 3 2 5 风机的选择。2 9 3 3 本章小结2 9 第四章湍球塔流体力学特性的研究3 0 4 1 实验装置与流程。3 0 4 1 1 实验装置。3 0 4 1 2 实验流程3 1 4 2 参数测量与数据处理。：3 1 4 2 1 气体流速的测定3 1 4 2 2 持液量的测定3 3 4 2 3 压降的测量3 3 4 2 4 床层膨胀高度的测量3 4 4 3 实验结果及分析3 4 4 3 1 塔内气流分布实验3 4 4 3 2 持液量实验3 6 4 3 3 床层压降实验3 8 4 3 4 床层膨胀高度实验4 1 4 4 本章小结4 3 第五章湍球塔除尘性能的实验研究4 4 5 1 实验装置及流程4 4 5 1 1 实验装置4 4 5 1 2 实验流程4 5 5 2 实验方法4 6 5 2 1 实验用粉尘4 6 v i 江苏大学硕士学位论文 5 2 2 实验仪器4 6 5 2 3 粉尘采样。4 7 5 2 4 除尘效率的计算4 9 5 2 5 实验过程4 9 5 3 实验结果及分析5 0 5 3 1 气体流速对除尘效率的影响5 0 5 3 2 静床高度对除尘效率的影响51 5 3 3 喷淋密度对除尘效率的影响。5 2 5 3 4 入口粉尘浓度对除尘效率的影响5 3 5 4 湿润剂降尘实验5 4 5 4 1 表面活性剂的选择5 4 5 4 2 实验方法一5 5 5 4 3实验结果与分析5 8 5 5 实验中出现的问题6 0 5 6 本章小结6 1 第六章结论与展望。6 2 参考文献6 4 致谢醯 攻读学位期间发表的论文。6 9 v u 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着人类社会的发展与进步，人们对生存环境和自身健康的要求越来越高。 然而在人类的生产和生活中，尤其是在以煤为主要能源的大工业生产中产生了大 量烟尘，排向大气，造成严重的粉尘污染，破坏了人类的生存环境，直接威胁着 人体健康。所以治理和防治粉尘污染，保护大气环境成为刻不容缓的历史任务。 1 1 引言 根据国际标准化组织( i s o ) 的定义【1 】，“大气污染是指由于人类活动或者自 然过程使得某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因 此而危害了人体的舒适、健康和人们的福利，甚至危害了生态环境”。所谓人类活 动不仅包括生产活动，也包括诸如做饭、取暖、交通等生活活动。自然活动包括 火山爆发、山林大火、海啸、泥石流、岩石风化及地震等。一般来说，由于自然 环境具有自净作用，会使自然过程造成的大气污染，经过一段时间后自动消除， 恢复生态平衡。因而可以说，大气污染主要是由人类活动造成的。 由人类活动引发的温室效应、臭氧层破坏和酸雨问题已经上升为全球性环境 问题，严重威胁着人类的生存和健康。我国自改革开放以来，随着经济的高速发 展和人民生活水平的不断提高，污染物排放量迅速增加，环境污染已成为制约我 国经济社会发展及人民生活质量提高的重大因素。由于我国属于典型的煤烟型的 大气污染特征，我困的主要大气污染物为s 0 2 和颗粒状大气污染物。近年来，伴 随着经济的高速发展，我国的粉尘排放量一直居高不下。根据最新的统计数据， 2 0 0 9 年，我国s 0 2 排放量为2 2 1 4 4 万吨，烟尘排放量为8 4 7 2 万吨，工业粉尘排 放量为5 2 3 6 力吨。图1 1 为近年来我国粉尘的排放状况【2 1 。 由图中的统计资料可以看出，虽然近年来我国采取了有效措施严格控制粉尘 排放，并且粉尘排放量已经有所降低，但大气中粉尘排放总量仍然十分巨大，污 染状况依然十分严重。粉尘污染对人体健康、生态环境、自然景观及生物生长造 成不可估量的损害，对企业的经济效益产生负面影响，因而如何更好的掌握粉尘 的物理化学性质及其在空间中的运动规律，控制粉尘的产生，消除粉尘产生的危 湍球塔除尘器除尘性能的研究 害，积极预防由粉尘污染引发的各种疾病成为目前环境保护工作亟带解决的问题。 时间年 图1 1 全国烟尘和t 业粉尘排放量年际变化 f i g 1 1i n t e r a n n u a lc h a n g eo fn a t i o n a ls o o ta n di n d u s t r i a ld u s te m i s s i o n s 1 2 粉尘及其危害 1 2 1 粉尘的产生 粉尘是指能较长时间悬浮于空气中的固体颗粒的总称，通常是由于固体物质 的破碎、研磨、分级、输送等机械过程，或土壤、岩石的风化等自然过程形成的。 颗粒的形状往往不规则。属于粉尘类的大气污染物的种类很多，如粘土粉尘、石 英粉尘、煤粉、水泥粉尘、各种金属粉尘等【3 】o 粉尘的来源主要由人类活动引起 的，主要包括三个方面1 4 1 ，即工业生产污染源、生活活动污染源及交通运输污染 源。人类自身活动产生的粉尘是造成大气污染的根源。 1 2 2 粉尘的危害 通常所说的颗粒状大气污染物( 即气溶胶) 包括烟尘、粉尘、总悬浮颗粒物、 可吸入颗粒物等。粉尘颗粒对人体健康的危害，不仅取决于颗粒物的浓度和在其 中的暴露时间，还取决于它的组成成分、理化性质、粒径和生物活性等。 有毒金属粉尘和非金属粉尘，如铬、锰、镉、铅、砷、汞等进入人体后，会 引起中毒以至死亡1 1 】。吸入铬尘能引起鼻中溃疡和穿孔，肺癌发病率上升；长期 大量吸入含结晶型游离二氧化硅的粉尘后会在肺部沉积，引发纤维性病变，诱发 2 江苏大学硕士学位论文 “矽肺 1 5 1 。矽肺是一种职业病，一旦患病很难彻底治愈，又因其发病缓慢，得 病后容易引起结核，促使病情恶化，严重时造成患者死亡。 颗粒的粒径大小是危害人体健康的重要因素。主要表现在两个方面：粒径 越小，越不易沉积，长时间飘浮在大气中容易被吸入体内，且容易深入肺部。一 般，粒径在1 0 0 肛m 以上的尘粒很快在大气中沉降，1 0 1 x m 以上的尘粒可滞留在呼吸 道中；5 l o l 上m 的尘粒大部分会在呼吸道沉积，被分泌的粘液吸附，随痰排出； 小于5 l t m 的微粒能深入肺部，0 0 1 0 1 l t m 的尘粒，5 0 5 以上将沉积在肺腔中，引 起各种尘肺病。粒径越小，粉尘比表面积越大，物理、化学活性越高，加剧了 生理效应的发生与发展。此外，尘粒的表面可以吸附空气中的各种有害气体及其 他污染物，并成为它们的载体，如可以承受致癌物质苯并 a 芘及细菌等【1 , 6 - 8 】。 近年来，可呼吸性( p m 2 5 粒径小于2 5 1 t i n ) 和可吸入颗粒物( p m l o 粒径小 于1 0 p m ) 对人体健康的影响越来越引起人们的高度重视。据报道【9 1 们，仅p m l o 就 导致美国每年6 万人和英国每年l 力人的死亡。井立滨【1 1 j 认为，总悬浮颗粒物( t s p ： 粒径d , 于1 0 0 1 t i n ) 每增) ) 1 1 1 0 0 i t g m 3 ，急慢性呼吸道疾病增力h 3 0 。在美国进行的p m l o 流行病学研究发现 9 1 ，日均浓度增加5 0 咖3 ，死亡率平均增力h 4 - - - 5 。在超过 1 0 0 l t g m 3 时，死亡率比小- ：5 0 肛g m 3 时平均高出1 l 。据o s t r ob 等在泰国曼谷的研 究，当p m l o 日平均增加1 0 雌r m 3 时，总死亡率增2 h 1 - - - 2 ，其中呼吸道疾病死亡率 增力h 3 - - - - 6 ，心血管疾病死亡率增加1 2 【1 2 1 。而p m 2 5 的比表面积较大，易于富集 空气中的重金属( f l i a s 、s e 、p b 、c r 等) 、酸性氧化物、有机污染物( 如p a h s 、 p c d d f s 、v o c s 等) 、细菌和病毒等，这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质，危 害更大。s c h w a r t zj 等研究发现，p m 2 5 平均每同增) b h l 0 1 a g m 3 ，总死亡率增) ) 1 1 1 5 。 其中顽固性肺病死亡率增加3 3 ，局部缺血性心脏病死亡率增) j h 2 1 【1 3 】。研究表 明1 1 4 1 ，城市空气颗粒物污染的水平不仅与心脏、呼吸疾病和死亡率的短期增加有 关，而且也与长期增加相关。 1 3 湿式除尘技术 1 3 1 湿式净化机制 湿式除尘器工作过程中直接捕集或促进捕集的主要作用有：通过惯性碰撞、 3 湍球塔除尘器除尘性能的研究 截留，尘粒与液滴、液膜发生接触，使粉尘加湿、增重、凝聚；微小尘粒( 0 3 9 m 以下粉尘) 通过扩散与液滴、液膜发生接触；由于烟气被加湿，使粉尘相互凝 并；高温烟气中的水蒸气冷却凝结时，以粉尘为凝结核，形成一层液膜包围在 粉尘表面，增加了粉尘的凝并。粒径在1 , - 5 p m 的尘粒，第一种机理起主要作用； 粒径在l l t t m 以下的粉尘，后三种机理起主要作用。 1 3 2 湿式除尘器的分类及特性 湿式除尘器可以有效地将直径为0 1 2 0 p m 的液态或固态粒子从气流中除 去，同时也能脱除部分气态污染物。具有设备投资少、结构简单、除尘效率高、 设备本身一般无活动部件、操作维修方便、占地面积小等优点。能够同时进行有 害气体的净化、烟气的降温冷却和增湿，特别适用于处理高温、高湿和有爆炸危 险的气体。此外，在操作时能有效地防止粉尘的二次扬尘【1 5 - 1 9 1 。 根据湿式除尘器的净化机制，可将其分为七种不同的结构形式：重力喷雾式 洗涤除尘器，旋风式洗涤除尘器，冲击水浴除尘器，塔板式洗涤除尘器，填料式 洗涤除尘器，文丘里洗涤除尘器，机械诱导喷雾洗涤器。表1 1 列出了几种常见 的湿式除尘装置的性能，操作范卧2 0 - 矧。 表1 1 几种典型的湿式除尘器性能比较 t a b l e1 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fs o m et y p i c a lw e td u s tc o l l e c t o r s 比较而言，喷淋式除尘器效率较低，一般对1 0 1 x m 以上的粉尘粒子，其净化 效率在7 0 以上，而对于净化小于5 1 a m 的粉尘粒子效率很低。因此，喷淋塔很难 满足日益严格的大气排放标准，常用于降低烟气温度和预除尘。文丘里除尘器是 湿式除尘器中除尘效率最高的一种，对于小于l l , t m 的尘粒也有较高的捕集效率。 但从节能的观点看，文丘罩除尘器却存在着压力损失过高，能耗过大等显著缺点， 4 江苏大学硕士学位论文 使其应用范围受到限制。相对而言，填料塔除尘器和湍球塔除尘器具有净化效果 好，造价低，结构简单，可广泛应用于工业生产中的烟气脱硫除尘过程。但所有 的湿式除尘器都容易造成二次污染，在污水处理方面还有待进一步提高。 1 4 湍球塔概述 1 4 1 湍球塔简介 湍球塔，即三相流化床，又称湍动接触吸收器( t u r b u l e n tc o n t a c ta b s o r b e r ， 简称t c a ) 。西方文献【冽中称为“流动床接触器”、“流化填充接触器”，在苏联文 献【2 6 i 中采用“流化填料吸收塔 的名称。它将流化床的概念发展到气液传质设备 中去，在气体和液体的共同作用下，使填料处于流化状态，形成无规则的高速湍 动，从而形成三相流化床。作为一种高效的传热、传质和除尘设备，广泛的应用 于石油化工、能源环保和生物制药等领域。 湍球塔的特点是：气速高，处理能力大，分离效率高，塔的重量轻，流体阻 力小，气液分布比较均匀，不容易被固体及黏性物料堵塞，被推荐用于处理含尘 气体或含颗粒物的液体以及可能发生结晶的过程。它的突出优点在于填料球本身 具有“自洁”作用，特别适合含尘气流的净化及有害气体的吸收。湍球塔的缺点 是：由于球的湍动，在每段填料之内有一定程度的返混，故适应于传质单元数不 是很多的过程，如不可逆化学吸收、脱水、除尘、温差较恒定的气液直接接触传 质等。当塔内段数过多时，压降急剧增大。由于球一般使用塑料制作，不能承受 较高的温度，使用一段时间后容易变形或开裂，因而需定期更换湍球。 湍球塔的结构如图1 2 所示，主要由分布板、填料球、限位栅板、喷淋器、 除雾器等部分构成。湍球塔的填料为空心或实心小球，小球的材料取决于介质的 性质和操作条件。小球由塔内一定丌孔率的筛板支承和限位，分布板的开孔率一 般在0 4 0 6 之间网。限位栅板的开孔率尽可能大些，在0 8 - 0 9 之间，至少不 小于分布板的开孔率。当气流通过分布板时，小球在塔内湍动旋转，相互碰撞， 吸收液自上向下喷淋，润湿小球表面，进行吸收。由于气、液、固三相接触，小 球表面的液膜不断更新，增强了气液之间的接触和传质，提高了吸收效率。 5 湍球塔除尘器除尘性能的研究 1 除雾器 2 喷嘴 3 限位栅板 4 填料球 5 分布板 6 液面 7 溢流槽 8 泵 9 水箱 1 0 流量计 1 1 进液管 1 2 流量调节阀 图1 2 湍球塔结构不意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft c a 在垂直的湍球塔中装入湍球，气体自下而上通过湍球层，随着气体流速逐渐 增大，湍球塔中的湍球将出现以下三种流体力学状态：( 1 ) 固定床阶段( 如图1 3 a 所示) ：当流速较低时，在流速小于最小流化速度时，床层高度基本不变，气体对 湍球的作用力较小，湍球间保持紧密接触静止不动，这时床层称为固定床。床层 压降基本随气速增大而单调增加。( 2 ) 流化床阶段( 如图1 3 b 所示) ：当气流速 度增加到临界流态化速度( u 曲时，床层几乎瞬间达到充分膨胀，床层高度明显增 加，湍球出现杂乱无章的剧烈运动，这就是流化床阶段。实验结果表明，当气流 速度超过u m f 后，床层高度继续增加，空隙率增大，床层压降基本保持在临界值。 气体蔽体 气体i 瘦体 气体蔽体 固定床藐化床 c 液泛床 图1 3 湍球塔三相流态化 f i g 1 3t h r e e p h a s ef l u i d i z a t i o no ft c a ( 3 ) 液泛床阶段( 如图1 3 c 所示) ：进入全床层流态化以后，气速继续增大，液 流因向上气流的作用而被托起，此时基本无液流下降，出现液泛状态，此时的气 6 l 2 3 4 5 6 7 江苏大学硕士学位论文 速成为流化床的带出速度。在这种状态下，压降随气速增加而急剧上升，且相当 数量的流体被排出的气流带走，雾沫夹带严重。因此，在湍球塔运行过程中，应 当控制合适的操作气速，尽量避免出现液泛床。 1 4 2 湍球塔流体力学特性 湍球塔净化效率主要取决于塔内进行的流体力学过程，湍球塔流体力学特性 的研究是湍球塔设计计算的基础。湍球塔的流体力学行为主要包括最小流化速度、 气液相含率、床层膨胀高度及床层压降等，多数是经验或半经验公式。 1 4 2 1 最小流化速度 最小流化速度是湍球塔保持稳定操作的一个基本参数。在湍球塔中，床层由 静止状态进入流态化的转变是逐渐的完成的，没有一个很明显的分界点。c h e n 与 d o u g l a s 冽将最小流化速度定义为床层开始膨胀时的气体速度；k i t o 2 9 】等根据床层 压降对气速的曲线来确定：压降在固定床区域急剧上升后转为平坦，曲线转折点 对应的速度定义为最小流化速度；李绍箕【删认为：在湍球塔中，由固定床阶段到 流化床之间，存在着一种特殊的床层状态“准流化阶段”，最小流化气速应该是“准 流化阶段”和流化阶段结合点所对应的空塔气速。v u n j a k n o v a k o v i c l 3 1 】经过大量 的实验研究，给出的最小流化速度的关联式为： “g i n i n = 1 1 3 d p l - 2 【( 1 - c o 地一依) + 4 9 0 3 1 0 一, o t d p - 。 - 5 6 s g ，0 7 ”1 0 加惝g ，】d 5 ( 1 1 ) 式中：彩一湍球直径，m ； 静止床空隙率，- - - 0 4 - 0 5 1 ； 凡、n 、岛填料球密度、气体密度、液体密度， k g m 3 ； g 厂一单位截面的流体质量流量，k g m 2 s 。 1 4 2 2 相含率 相含率主要是指液相含率和气相含率。液相含率随液速及静床高度的增加而 增加，但与气速无关。v u n j a k n o v a k o v i c 3 2 】对低密度湍球塔液相含率进行了关联： q = 2 4 8 1 0 3 。i o o ) m 5 6 7 d p 0 5 6 8 g f 啪+ o 0 2 ( 1 2 ) 7 湍球塔除尘器除尘性能的研究 式中：- o 静止床层高度，m ； d d 塔径，m ； g f 单位面积液体质量流量，k g m 2 s 。 有关气相含率报道较少，文酬2 5 】推荐在湍球塔中气含率约在0 2 , - 一0 8 ，主要 取决于气速，而与颗粒密度、液体粘度、挡板开孔率及小球直径无关。 占。= 0 6 2 8 u 。o 2 3 3 ( 1 3 ) 66 式中： “厂操作气速，m s 。 1 4 2 3 床层膨胀高度 床层膨胀高度是填料在充分流态化后，所能达到的最大高度。床层膨胀高度 难以精确地测定，因为小球处于自由湍动状态之中。v u n j a k - n o v a k o v i c 提出了床 层膨胀高度与气、液、固相含率有关的关联式： h ：! 型兰鲤 ( 1 4 ) h o 1 一占g 式中：s 删以静床体积为基准的固相含率。 以静床体积为基准的液相含率。 1 4 2 4 床层压降 床层压降是湍球塔操作中最重要的参数，它决定了操作过程中所需消耗的能 量，并表征着体系的流体力学行为。湍球塔的流体力学情况比较复杂，影响湍球 塔压力损失的因素很多，如操作条件、气液物性、小球的直径和密度、填充高度、 空塔速度、喷淋密度、支撑板开孔率等。由稳态下湍球塔床内的宏观力平衡可得 湍球塔压降表达式【3 3 】： ) = b q + p t 占t + & 妇+ 沁，) ( 1 5 ) 式中：( 卸) 穿过床层的总压降，p a ； 日床层膨胀高度，m ； 沁，) 除各相静压头以外的所有压降总和，p a 。 8 江苏大学硕士学位论文 其中，沁，) 包括气体流过分布板的干板压降和由壁面效应造成的压降， 对于大开孔率及大直径的床，可以忽略不计。一般来讲，气体的静压头也可以忽 略。于是，式( 1 5 ) t g - - i 以简化为： ) = ( 以s ，+ 岛占，) ( 1 6 ) 在静床高度恒定不变时，床内由填料重量造成的压降永远是定值，而液相含 率造成的压降与操作条件和体系几何特性关系很大。因此，湍球塔中的压降主要 取决于液相含率，可以在液相含率关联式的基础上，预测体系的压降。 1 4 3 湍球塔的国内外研究现状 湍球塔作为一种三相流态化系统自上世纪5 0 年代后期首次有文献报道以来， 由于无堵塞，除尘效率高，在7 0 年代中期被用于除去燃烧烟道气中的s 0 2 及粉 尘，并已发展到了工业规模。在我国小化肥发展历程中，由于其结构简单，易于 防腐而被用于半水煤气的脱硫系统。近年来随着亚硫酸钠需求量的增加，又将其 应用于碱液吸收s 0 2 制得亚硫酸钠的系统中【州。 1 4 3 1 国外研究现状 早期有关湍球塔基础特性的研究主要是在国外，大多是通过实验观察研究床 层的流体力学行为。ls f a n t 2 5 】在专著中将三相流态化分为1 5 种不同类型，认为 湍球塔是一种低密度颗粒被向下液流和向上气流流化的逆流气、液、固流化床。 d o u g l a s ，m e y e r 冽分别观察到真正的“液泛”床状态；o n e i l l 等观察到在不同的 颗粒密度条件下，湍球塔中出现两种不同的起始流态化行为：低密度的颗粒床层 在气速低于等效逆流固定床中的液泛速度时出现流态化现象；而相对高密度的颗 粒床层中，流态化现象总是在液泛点出现。u c h i d a l 3 5 】等指出，i 类湍球塔中真正 液泛起始点可由逆流固定床液泛图中求得；g e l p e r i n 等认为湍球塔中的液泛条件 还取决于限制流动的下层支撑板的开孔面积和几何面积；湍球塔床径与填料直径 比值较小的装置中，壁效应比较显著。r a m a l 3 6 1 等观察到了湍球塔中沿器壁有静态 单层填料球形成，这一现象降低了填料球的流动性。p i l a r 、p a l a t y 和h a n d l l 3 7 1 等研 究了湿式流化填料塔的流体动力学参数；b r i e n s l a ，b r i e n s c l 【3 8 】等人研究了 9 湍球塔除尘器除尘性能的研究 低密度颗粒三相流化床的最小流化速度；韩国科学家y k a n g ，k w a n gj a ew o o 3 9 】 等人对湍球塔中颗粒的分散和压力波动进行了研究，用针形探头确定了三相流化 床中的颗粒分散特性，并建立了颗粒分散和压力波动之间的关联式。 1 4 3 2 国内研究现状 在湍球塔的研究中，我国最早是在上世纪7 0 年代以空气水系统进行试验， 其计算公式仍是以无液相存在，对气固条件下得出的结论加以修正。之后，国内 外对三相流态化的研究进入了一个新的领域，许多研究者作过大量关于利用湍球 塔进行烟气脱硫除尘的试验，取得了很多成果。 在试验研究方面：李绍箕【删等对处理烟气1 0 0 m 3 1 1 的三相流化床进行了初步 的实验研究，得出了床层阻力、床层膨胀高度及脱硫效率分别随气体速度、静止 床高的增加而增加的结论；王祖武【4 1 】等对处理烟气量1 万m 3 h 的三相流化床进行 实验研究，并进行了除尘效率试验；王淑勤【4 2 】等测量了湍球塔内气体速度，气流 分布均匀性与整流板位置的关系，给出了气流分布均匀性曲线及确定整流板位置 的经验公式。结果表明通过改变整流板位置可以使湍球塔内气流分布达到均匀， 试验验证了采用均方根值评价湍球塔内气流分布均匀程度是合理的：李黔东【4 3 】等 利用空气、水和聚乙烯颗粒为工作介质，研究了湍球塔中加入振动能量后气体速 度、喷淋密度、床层静止高度、振动强度与床层压降的关系。结果表明，与无振 动情况相比，引入振动可以扩大气速的操作范围，增加操作的稳定性；汤金花【删 等提出了在三相流化床内用钡渣进行烟气脱硫的方法。实验表明，运用钡渣脱硫 效率可以达到8 5 以上，该方法可大大降低脱硫成本，实现以废治废；吉仁塔布 1 3 4 】等以天然碱液吸收s 0 2 制得亚硫酸钠为实例，对部分设计结果的进行观察和测 试，验证了v u n j a k n o v a k o v i c 公式的正确性。 在理论推导和数值计算方面：胡满银h 钉等对湍球塔内复杂结构( 整流板、湍 球层等) 的流场计算进行了合理的处理，给出了数学模拟公式，通过实例的三维 流场计算，得到了与实测值相吻合的计算结果；胡满银m 3 等又对湍球塔内温度场 进行数值计算，得出了塔内温度