（热能工程专业论文）湿颗粒层过滤性能的实验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 颗粒层除尘器作为一种高效的除尘技术，具有耐高温、耐高压、结构简单 等优点，被认为是目前最有前途的高温燃气之一。但是传统的颗粒层除尘器对 细微粉尘的除尘效率不高、处理风量不够大、压力损失较大。而且传统颗粒层 除尘器多为干法除尘，清灰较复杂。本文在分析总结了国内外干法和湿法除尘 技术的特点和现状的基础上，研究了一种高效的湿颗粒层除尘技术。 根据质量守恒定律，以传统干法固定床颗粒层除尘器为研究对象，对其过 滤特性进行了理论分析，建立了固定床颗粒层除尘器除尘效率模型，并导出了 固定床颗粒层内气流含尘质量浓度，灰尘沉积密度的变化规律以及除尘效率的 相关方程式。 从颗粒层过滤机理方面探讨了湿颗粒层除尘设备在提高细微粉尘除尘效率 的可行性。结合干法颗粒层除尘与湿法除尘的优点，设计并建立了湿颗粒层除 尘实验台，在不同过滤风速、床层高度、喷水量等条件下进行实验，得出了各 过滤参数对除尘效率和压力损失的影响，并由此得出该实验条件下最优喷水量、 最佳床层高度以及过滤风速。 进行传统干法颗粒层除尘的对比实验。实验结果表明：湿式颗粒层除尘器平 均除尘效率要高于干法颗粒层除尘器；在相同颗粒层层高和过滤风速情况下，平 均压力损失低于传统干法颗粒层除尘器的压力损失。 研究表明湿颗粒层除尘器是一种高效的除尘装置。可以在低阻的情况下， 提高整个系统的除尘效率。 关键词：过滤除尘，颗粒层过滤，湿颗粒层，烟气净化实验装置 江苏大学硕士学位论文 a sah i g h - e f f i c i e n tr e m o v a lt e c h n o l o g y , g r a n u l a rl a y e rf i l t e ri sa b l et ob e a rt h e h i 曲t e m p e r a t u r e ，t h eh i g hp r e s s u r ea n do w nt h es i m p l es t r u c t u r e ，c o n s i d e r e dt ob e o n eo ft h eg r e a t e s tp o t e n t i a lh o td u s tr e m o v a la tp r e s e n t w h i l et r a d i t i o n a lg r a n u l a r f d t r a t i o nw i t hg r e a t e rp r e s s u r el o s sh a dl o w e re f f i c i e n c yt or e m o v a lf i n ed u s ta n d u n a b l et od e a lw i t hb i ge n o u g ha i rv o l u m e o nt h eb a s i so fa n a l y z i n ge a c h c h a r a c t e r i s t i co fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld r ya n dw e tr e m o v a lt e c h n o l o g y ，t h i s p a p e rd e v e l o p e dah i 曲- e f f i c i e n tw e tg r a n u l a rl a y e rf i l t e r a c c o r d i n g t ot h el a wo fc o n s e r v a t i o no fm a s s ，b a s e do nt h et r a d i t i o n a ld r yf i x e d g r a n u l a rl a y e rf i l t e r , i t st h e o r yo ff i l t e r i n gp r o p o r t i o n sw e r es t u d i e da n daf i x e d p a r t i c l er e m o v a le f f i c i e n c ym o d e lw a se s t a b l i s h e d m e a n w h i l e ，f o r m u l a so fd u s t c o n c e n t r a t i o ni na i r f l o w s ，v a r i a t i o no fd u s td e p o s i td e n s i t ya n dd u s tr e m o v a l e f f i c i e n c yo ft h ef i x e dg r a n u l a rb e dw a sd e d u c e d t h ef e a s i b i l i t yo nan e w - t y p ew e tg r a n u l a rl a y e rf i l t e ri ni m p r o v i n gf i n ed u s t r e m o v a le f f i c i e n c yw a sa n a l y z e df r o mf i l t e r i n gm e c h a n i s mo fg r a n u l a r l a y e r c o m b i n i n gt h em e r i t so ft r a d i t i o n a lg r a n u l a rl a y e ra n dw e tr e m o v a l ，an e w - t y p ew e t g r a n u l a rl a y e rf i l t e re x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sd e s i g n e da n de s t a b l i s h e d t h e nt h e e x p e r i m e n tw a so p e r a t e di nd i f f e r e n tf i l t r a t i o nv e l o c i t y , b e dh e i g h ta n dt h ew a t e r v o l u m e t h er e s u l t ss h o w e dt h ee f f e c to f f i l t e r i n gp a r a m e t e r su p o n t h e d u s t - r e m o v i n ge f f i d e n c ya n dt h ep r e s s u r el o s s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， t h eo p t i m a lf o u n t a i n ，f i l t e rl a y e rh e i g h ta n df i l t e r i n gw i n ds p e e dw e r ec o n f i r m e d u n d e rt h ep r e s e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t r a d i t i o n a lg r a n u l a rl a y e rr e m o v a le x p e r i m e n tw a so p e r a t e dc o m p a r e dt ot h e n e w - t y p ew e tg r a n u l a rl a y e rf i l t e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g er e m o v a l e f f i c i e n c yo ft h ew e tg r a n u l a rl a y e rf i l t e rw a sh i g h e rt h a nt h a to fd r yg r a n u l a r ；w h i l e i nt h es a m el a y e rh e i g h t so ff i l t r a t i o na n dw i n ds p e e d s ，t h ep r e s s u r eo ft h ef o r m e r w a sl o w e rt h a nt h a to ft h el a g e r t h es t u d yi n d i c a t e dt h a tt h en e w t y p ew e tg r a n u l a rl a y e rf i l t e rw a sa h i 曲一e f f i c i e n td u s tr e m o v a ld 。e v i c ew i t hl o w e rp r e s s u r el o s s k e yw o r d s ：d u s tr e m o v a lb yf d t r a t i o n ，g r a n u l a rb e df i l t e r i n g ，w e tg r a n u l a rl a y e r , f l u eg a sp u r i f i c a t i o ne x p e r i m e n td e v i c e 江苏大学硕士学位论文 英文字母： 本文主要符号说明 g j进入除尘器的粉尘量，s g 2 从除尘器排出的粉尘量，s g 3除尘器所捕集的粉尘量，s 三 除尘器处理空气量，m 3 s c 气流中含尘浓度，g m 3 a p压力损失，p a r e 雷诺数 d滤料颗粒的直径，r n n 2 f 时间，s g肯宁汉修正系数 口 加速度，m s 2 日 颗粒层厚度，i n l n &斯托克斯数 彩粉尘直径，岬 彳 床层横截面面积，m 2 z 颗粒层内任意点距表面的距离， r n n l 希腊字母： 7 7除尘器总效率 沉积灰尘后滤料的空隙率 滤料( 洁净滤料或清灰后 的滤料) 的空隙率 气体粘度，k g m s 粒子真密度，k g m 3 初始过滤系数，1 m 张弛时间，s 扩散效率 碰撞效率 拦截效率 过滤系数，1 m 沉积率，k g m 3 入口 出口 平均值 初始状态 固相 气相 办如 r 仇 入 。 琳 伽 嘶 p d j g 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢寇叽 日期：易晰厂月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 指导教师签名：影、嘞艮 伊c 毫每c 其甲 一啊 寇 轹 垆 姑 者 ，月 储和 丈沧 年 位 芎 靴 啃 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 能源和环境与人们的生活息息相关，经济的发展在很大程度上取决于能源 供应的规模和可靠性。而环境又关系到人类社会的可持续发展，因而当今世界 面临的两大迫切需要解决的问题就是能源短缺与环境污染【1 1 。 据美国能源部能源情报署预测，全球能源消费总量将从2 0 0 1 年的1 0 2 4 亿 吨油当量增加到2 0 2 5 年1 6 2 亿吨油当量，世界能源消费在2 0 0 1 2 0 2 5 年将增加 5 4 。日本、欧盟等能源机构预计，全球能源消费峰值将出现在2 0 2 0 2 0 3 0 年。 全球化石能源的枯竭是不可避免的，将在本世纪内基本开采殆尽。( b p 世界能 源统计2 0 0 6 ) ) 的数据表明，全球石油探明储量可供生产4 0 多年，天然气和煤 炭则分别可以供应6 5 年和1 5 5 年【2 】。从长远看，煤炭在世界能源消费中的地位 将会越来越重要。 中国是世界上第三大能源生产国和第二大电力生产国，煤炭已占中国总能 量的3 4 ，燃煤电力提供了9 0 以上的热力和电力，煤电约占总电力生产的 8 0 1 3 1 ，因此目前煤仍然是中国的主要能源，每年用于直接燃烧的煤约8 亿吨【4 】。 中国长期以煤炭为主的能源结构是造成我国煤烟型环境污染的主要原因，其中 直接燃煤产生的s 0 2 和粉尘对环境和人体产生了严重威胁。据世界卫生组织资 料显示，居民长期接触年平均浓度超过1 0 0 m g m 3 的烟尘和s 0 2 ，短期接触日平 均浓度超过2 5 0m g m 3 的烟尘和s 0 2 ，能促进呼吸系统疾病加重，患者病情恶 化【5 l 。表1 是近年来燃煤排放大气污染情况。到2 0 0 7 年底，烟尘排放量约为 1 0 7 8 4 万吨，二氧化碳排放量为4 8 1 0 0 万吨，二氧化硫排放量高达2 5 8 8 8 万吨。 其中燃煤s 0 2 排放量占总s 0 2 排放量的9 0 以上，成为酸雨的主要来源【叫。粉 尘是影响中国城市空气质量的主要污染物，可吸入颗粒是其中的首要污染物， 煤炭燃烧、石油、天然气、生物质和废弃物等固定源以及燃用汽油、柴油的内 燃机等移动源是造成中国大气环境中可吸入颗粒物含量增加的主要原因，t s p ( 空气中的灰尘污染物，指总悬浮微粒) 的7 0 以上来自于燃烧过程【8 】。煤炭 燃烧是大气颗粒物污染的主要来源，约占t s p 的3 3 9 - 1 0 1 。 从8 0 年代开始，世界上许多国家从能源发展的长远利益考虑，开始了洁净 煤技术的研究，而且已经在洁净煤技术的一些主要领域取得了重大的进展。洁 江苏大学硕士学位论文 净煤技术是旨在减少污染和提高效率的煤炭开采、加工、燃烧、转换和污染控 制新技术的总称；是当前世界各国解决环境问题的主要技术之一；也是我国能 源可持续发展的未来。洁净煤技术被列为中国2 1 世纪议程中最优先发展的领域 【6 1 。1 9 8 6 年美国政府提出的“洁净煤技术示范计划”( c c 皿) ，以提高效率、减 少污染为宗旨。继美国之后，欧共体、日本也推出了“兆卡计划”以及“新阳 光计划 ，目的是开发推广能源利用的新技术，减少对石油的依赖和煤炭利用造 成的环境污染。为了缩小与国际上在i g c c 技术上的差距，近几年，我国在洁 净煤技术的研究开发方面也取得了较大进展。我国于1 9 9 4 年成立了i g c c 示范 项目领导小组，安排了一系列的i g c c 研究课题【1 1 _ 1 4 1 。 表1 1 燃煤排放大气污染物情况嘲 t a b l e1 1e m i s s i o n so fa i rp o l l u t a n t si nc o a l f i r e d 嘲 为了达到控制污染的目的，需要采取一定措施使燃后产生的粉尘等有害物 质在排放到大气中之前被除去。在化工、石油、冶金、电力等行业中，经常会 产生高温的含尘气体，高温条件下的粘滞力变化较大，细微粉尘的凝聚现象大 为降低，所以对细微粉尘的分离就有较大的难度。同时在高温条件下，设备材 料、结构以及热膨胀等问题都会影响设备的正常稳定工作。因此高温条件下的 气固分离技术是急需开发研究的课题，是国内外的一项跨世纪的高新技术。 不同类型的除尘设备对不同粒径的粉尘，除尘效率是不一样的。要获得高 的除尘效率就必须在不同场合选择不同的除尘设备，即除尘设备要是受到粉尘 粒径等性质的限制【1 5 l 。对于大于2 0 t t m 的粗尘粒，各种类型的除尘设备都有很 好的效果；对于小于5 岬的呼吸性粉尘，使用文丘罩除尘器、袋式过滤除尘器、 静电除尘器等高效除尘设备才能取得较好的效果。然而这些除尘器有的设备昂 贵且不防爆( 如静电除尘器) ；有的能量损失太大( 文丘里除尘器) ；有的体积 过大( 如自激式除尘器) 。因此，有必要丌发出一种结构简单、价格便宜、对细 2 江苏大学硕士学位论文 微粉尘除尘效率高的新型除尘设备。 本文就是在这样的背景下进行选题，以固定床颗粒层除尘器为对象，进行 除尘技术及设备的研究和开发，提出了湿颗粒层除尘器。 1 2 烟尘的来源和危害 1 2 1 烟尘的来源 大气颗粒物是指分散在空气中的固态或者液态物质。根据大气中悬浮颗粒 物的粒径，可以分为降尘和飘尘。其中飘尘是指空气动力学当量直径在1 0 p r o 以下的颗粒物，由于它可以通过鼻腔和咽喉进入人体呼吸道内，因此也称为可 吸入颗粒物【1 6 1 。粒径在1 0 1 j m 以下的粉尘是危害环境和人体健康的主要因素。 这些可吸入颗粒物的来源可以分为天然源、人为源和混合源。天然源主要 包括场地扬尘、火山爆发所释放的火山灰、大风或者是干旱引起的沙尘以及植 物的花粉等。人为源主要是燃料燃烧过程中形成的烟尘和飞灰；工业生产过程 中所散发的原料或产品微粒；汽车尾气中的含铅化合物等。混合源是指既受到 自然力作用又受到人力作用而排放的颗粒物。在不同国家和地区，可吸入颗粒 物的来源因各自的经济水平、能源结构、工艺方法的不同而差别很大，通常贡 献率比较大的几种排放源是燃煤烟尘、冶金工业、汽车尾气和地面扬尘。 1 2 2 烟尘的危害 中国环境监测总站对我国3 0 0 多个城市空气质量的监测数据做了统计，结 果表明当前我国约有6 6 7 的城市大气颗粒物浓度超标；约有3 0 城市s 0 2 超 标；近2 0 的城市n o x 超标。不同粒径大小的颗粒，其化学成分很不相同，且 对人体和环境的危害也有很大差异。粗颗粒主要由s i 、f e 、伽、n a 、c a 、m g 等3 0 余种元素组成，细颗粒主要是硫酸盐、硝酸盐、铵盐、衡量金属和碳黑等。 已经检测到的有机颗粒物主要有烷烃、烯烃、芳烃和多环芳烃类，还有少量的 亚硝胺、酚类和有机酸等。其中具有致癌作用的多环芳烃类等烃类和亚硝胺类 化合物对人体危害较大。大颗粒物虽然会遮天避日，损伤人体和机械设备与建 筑物，但是还是很容易从空气中分离沉降下来。而p m l o ，尤其是p m 2 5 的可吸 入颗粒物不仅不易从空气中分离出来，而且会在大气中长时问漂浮，被人体吸 入肺内，对呼吸系统产生严重危害。同时，可吸入颗粒物还很容易吸附空气中 的多环芳烃、多环苯类等致癌物质，使得癌症的发病率升高。 3 江苏大学硕士学位论文 由于细微颗粒物的散光效应以及碳黑、含碳黑颗粒等对光具有较强的吸收 作用，因此可吸入颗粒物可以使大气能见度降低，可吸入颗粒物叮直接阻挡太 阳光抵达地球表面，这样使可见光的光学厚度增大，抵达地面的太阳能量剧烈 下降，使地面温度降低，高空温度升高。有研究表明，当p m l o 浓度达到l o o r t g m 3 时，到达地面的紫外线会减少7 5 ；当p m l o 浓度达到6 0 0 i a g m 3 时，到达地面 的紫外线会减少4 2 7 t 1 7 1 。这些都会严重影响人类生存环境和人体健康。国外 大量的研究表明，可吸入颗粒物浓度的上升与疾病的发病率、死亡率等密切相 关，尤其是呼吸系统疾病及心肺疾病；另外，许多对人体具有潜在危害的物质， 如重金属、p a h s 等，主要集中于细颗粒范围，粗颗粒中的含量很少。因此，关 于细微粉尘的脱除技术已经成为国内外重要的研究课题。 1 3国内外除尘技术发展现状 目前国内外除尘技术发展很快，方法也很多。根据在除尘过程中是否用液 体进行除尘或者清灰，可以分为干法除尘和湿法除尘两部分；按捕集粉尘的原 理及作用力，可分为4 类【1 8 】：机械式除尘、电除尘、过滤除尘及湿式洗涤除尘 设备；按除尘效率可分为：高效除尘设备，包括电除尘、袋式除尘、高效文丘 罩除尘；中效除尘设备，包括旋风除尘及其他湿式除尘；低效除尘设备，有重 力沉降和惯性除尘等。下面从干法除尘和湿法除尘两方面着手，就几种处于研 究和发展阶段的除尘技术做综合评述。 1 3 1 干法除尘简要评述 目前，已经有许多高温干法除尘技术正在研究和发展，最主要的高温干法 除尘技术包括高温静电捕集除尘、旋风除尘、陶瓷织状物过滤除尘、陶瓷纤维 过滤除尘、刚性陶瓷过滤除尘、金属毡过滤除尘、液态金属洗涤除尘、颗粒层 过滤除尘等。 1 、高温静电除尘 自1 9 0 6 年f g c o t t r e l l 在工业上应用静电除尘器以来，该除尘器已经发展成 为一种公认的高效除尘装置，在冶金、水泥、电站以及化工、轻工业等行业中 得到广泛的应用。电除尘器性能不仅与除尘器本身结构有关，而且还取决于高 压供电装置的供电质量、控制性能和供电方式。它的主要优点是：除尘效率 高，如果设计合理，电除尘器可达到任何除尘效率的要求；电除尘器可以处 理大的烟气量。随着工业的发展，大型工艺设备应用与生产日益增多，所要求 4 江苏大学硕士学位论文 处理的烟气量也大为增加；收集的粉尘颗粒范围大，对小于0 1 i m a 的粉尘仍 有较高的除尘效率。 但是静电除尘器除尘性能受粉尘比电阻的影响，适宜的比电阻为 l x l 0 4q c m 5 x 1 0 1 0 q c m 。低于此范围则易导致沉降粒子的再次飞扬，而高于此 范围的则易于发生反电晕现象，使得除尘效率降低。再者高温的氧化气氛和还 原气氛都易发生电极的腐蚀。一般静电除尘应用于小于4 5 0 条件下。若在更 高温度下运行，除了会出现上述问题之外，电能的消耗量也会增加，因此对于 用于高温高压下的静电除尘设备还有待进一步改进【1 9 1 。 2 、旋风除尘 旋风除尘器因其结构简单、耐高温性、操作方便等优点成为高温除尘器中 值得研究的预除尘设备，广泛应用于冶金、化工、能源及其他行业的除尘领域。 由各种形式的单体旋风除尘器发展到串联或者并联的组合式旋风分离器组，都 在常温和高温的分离领域有成功的运行。旋风除尘器能达到的最佳除尘效果为： 对于1 0 9 m 一2 0 1 t m 的粉尘，其除尘效率可达到9 5 一9 8 。但是旋风除尘器对于 小于1 0 m 的粉尘，除尘效率比较低，只能达到6 0 一8 0 ，出口粉尘浓度最低 能达到8 0 m g m 3 1 0 0m g m 3 2 0 l 。随着环保排放标准的日益严格，尤其是在燃煤 联合循环中，燃气轮机的净化要求更高，旋风分离器出口的粉尘排放浓度和含 尘粒度已远不能满足环保和燃气轮机的要求。所以旋风除尘器一般作为高温净 化的预处理设备，与其它除尘效率较高的除尘器组成高温除尘系统。 3 、陶瓷织状物过滤除尘 陶瓷织状物过滤除尘是由氧化铝、硼和硅按一定比例组成的纤维编织而成。 由美国3 m 公司和西屋公司( w e s t i n g h o u s e e l e c t r i cc o 巾) 利用共同制造的织状 物过滤除尘器进行的试验结果显示【2 1 1 ，在温度为4 5 5 c 、常压下，除尘效率可 达9 9 以上。但是在试验中发现织状纤维容易发生移位造成局部孔隙放大影响 过滤效率，同时还存在飞灰与织状过滤器表面发生熔结，并形成折缝。在高温 下试验，易出现过滤面破裂，导致过滤过程失效。由于陶瓷织状过滤器刚性较 差，所以需要进行内部支撑。总之，陶瓷织状物过滤除尘试验规模还很小，高 压以及持久性试验还有待进一步完成。 4 、陶瓷纤维过滤除尘【2 2 】 陶瓷纤维过滤除尘器是由氧化铝和氧化短纤维部分熔结在一起，或者采用 化学汽化和沉积方法得到。该除尘器具有压降低、重量轻、有弹性、无需支撑、 5 江苏大学硕士学位论文 过滤性能好等优点，但是它还未经过压力试验，耐高温和耐压力冲击性能还有 待进一步研究，离商业化还很远。 5 、刚性陶瓷过滤除尘 刚性陶瓷过滤除尘器与前面两种陶瓷过滤器相比，强度较高，是目前最有 希望进入商业化的除尘技术之一1 2 3 l ，已经在煤气化联合循环发电系统中得到了 示范应用，但是距离商业化应用仍有距离。目前刚性陶瓷过滤器要解决的主要 问题是：进一步提高元件的抗温度、压力冲击强度；控制压降的增长速度；防 止过滤器表面的熔结和反应；解决元件易脆裂及密封失效等问题；开发优良的 清灰脉冲系统，保证过滤性能的稳定。 6 、金属毡过滤除尘 金属毡过滤除尘器是由铬镍铁合金纤维组成的，由脉冲反吹系统进行清灰。 该除尘器具有良好的抗机械冲击和抗温度冲击性能，但是所承受的温度不高， 在解决金属在高温下氧化或腐蚀的问题也比较难刚。 7 、液态金属洗涤除尘 在高温中，液态金属洗涤除尘对0 1 l , t m l o l t t m 的尘粒具有很高的除尘效率， 在除尘同时，还可以除去s 、n 等污染物，而且可处理气量比较大。但是由于 运行中压降比较大，介质的再生循环困难，能量消耗较大，低熔点的金属造价 也很昂贵。因此，液态金属洗涤除尘器运行成本高、控制复杂，还存在很多需 要进一步研究解决的问题【2 5 1 。 8 、颗粒层过滤除尘 颗粒层过滤是一种高效可行的除尘技术，从过滤机理上看与陶瓷过滤器有 相似之处，但又有较大的不同。这种技术过滤设备简单、使用方便、维修费用 低、投资少、过滤介质在高温高压下性能稳定，持久性好；同时耐高温性能好， 能承受高压和压力冲击，对气温、气量和灰浓度的波动不太敏感。目前颗粒层 除尘器被认为是最有i i 途的高温燃气除尘方法之一1 2 6 1 。有关颗粒层除尘器的具 体结构特点将在下一章做具体分析。 1 3 2 湿法除尘简要评述 湿法除尘工作原理是用液体洗涤含尘气流，利用形成的液膜、液滴或者气 泡通过惯性碰撞、细小尘粒的扩散作用、尘粒增湿后的凝聚作用及液滴、液膜 对尘粒的粘附作用捕集气体中的尘粒，尘粒随液体排出，达到除尘的目的。湿 式除尘器按照其结构形式可以分为储水式、加压水喷淋式和强制转水喷淋式三 6 江苏大学硕士学位论文 类。 1 、储水式 储水式除尘器内都有一定量的水，高速含尘气流进入后，冲击储槽的水， 形成水滴、水膜和气泡对含尘气体进行洗涤。这类除尘器主要有冲击式除尘器、 水浴式除尘器等。这类湿法除尘器耗水量少，一般都使用循环水，由于不使用 具有细小喷孔的喷嘴喷水，除尘器各部分没有很小的间隙，不易发生堵塞，可 以处理含尘浓度高，大流量的气体。 2 、加压水喷淋式 加压水喷淋式除尘器主要是向除尘器内供给加压水，利用喷淋或者喷雾产 生的水滴，对含尘气流进行洗涤。这类除尘器主要包括文丘里管除尘器、旋风 水膜除尘器、填料塔等。 3 、强制转水式 强制转水式除尘器也叫强制旋转喷淋式除尘器，主要借助机械力强制旋转 喷淋，或者转动叶片，使供水形成水滴、水膜、气泡，而对含尘气流进行洗涤。 这类除尘器主要包括旋转喷雾式除尘器和旋转式洗涤除尘器等。由于这类除尘 器有机械旋转雾化器，因此气量的变化对雾化效果影响不大，小型设备也能处 理较大气量，占地面积小。但是其结构复杂、动力消耗比较大，仍不能广泛用 于工业实际中。 以上分析可看到湿法除尘器的主要优点有： ( 1 ) 其除尘效率很高，在耗用相同能量的情况下，其除尘效率比干式除尘 器的除尘效率高； ( 2 ) 湿式除尘器对于净化高温，高湿，高比电阻的含尘气体具有比其他除 尘器较高的除尘效率； ( 3 ) 在去除含尘气体中粉尘粒子的同时，也可以去除水蒸气及某些有害的 气态污染物如二氧化硫，氮氧化物等。 因此，湿法除尘器既可以用于除尘，又可以对气体起到冷却、净化的作用， 近年来得到广泛的应用。 但是湿法除尘器也有其缺点： ( 1 ) 湿法除尘用水量比较大，废水、泥浆需要处理，若不进行回收利用， 容易造成二次污染，而且也浪费水资源； ( 2 ) 在净化含有腐蚀性的气态污染物时，洗涤水将具有一定的腐蚀性，因 此，除尘系统的设备应采取防腐措施； 7 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 不适用于净化含有憎水性和水硬性粉尘的气体； ( 4 ) 在寒冷地区应用湿法除尘，设备容易结冻。因此，需要采用伴热、保 温措施。 表1 2 各除尘器除尘性能及适用范围比较 t a b l e1 2p r e c i p i t a t o rd u s tp r o p e r t i e sa n dt h ea p p h c a t i o no ft h ec o m p a r i s o n 表1 2 是综合各种除尘器除尘效率，除尘适用范围以及经济性所列的表。 比较而言，旋风除尘器效率较低，无论从含尘浓度，还是粒度分布都达不到燃 气轮机的要求，故一般只作为预除尘设备；自激水浴式除尘器等耗水量过大， 除尘过程中产生的泥浆很难处理，会带来二次污染；过滤式除尘器普遍具有比 较高的除尘效率；而湿法除尘又因其设备简单、造价低，近年来被广泛应用与 于工业生产中。但这两种除尘器又都有其各自的缺点。过滤式除尘器对细微粉 8 江苏大学硕士学位论文 尘的除尘效率比较低；而湿式除尘器在污水处理问题方面还有待进一步提高。 因此综合过滤式除尘和湿法除尘的优点，克服各自缺点，建立一种新型的、高 效的、经济的湿式过滤除尘器就成为未来主要的研究重点。 1 4 本课题研究意义和主要研究内容 1 4 1 本课题研究的意义 目前世界各国已经研制出多种除尘器，除尘净化装置开发研究的目的，就 是在技术许可的条件下，提高除尘器对细微粉尘的捕集效率，并且能耗尽可能 小，实现除尘领域中高效低阻的设想。 已开发的除尘器中，湿法除尘器都对细微粉尘除尘效率的提高有一定突破， 但是也存在着某些缺点和不足，如能耗高、耗水量大、会产生二次污染等。尽 管国外开发研究了液态金属洗涤除尘器，改善了湿式除尘器的缺点，但是运行 费用过高，实际工业应用中并不提倡。而通过静电除尘与其他传统除尘设备结 合的混合除尘成为目前工业上提高细微粉尘除尘效率的重要发展方向，但是静 电作用下的除尘性能容易受粉尘比电阻的影响，而且造价较高，还不能普遍应 用。因此探索新型高效的混合式除尘器，提高对细微粉尘的脱除效率就成为本 文的主要研究方向。 颗粒层过滤除尘与其他过滤除尘技术从机理上看基本相同，但是颗粒层除 尘又有其他除尘技术所没有的优点，其过滤介质高温高压下性能稳定，与其他 除尘技术相比，颗粒层除尘技术存在的问题显然更容易解决，因此研究在颗粒 层除尘器基础上提高对细微粉尘的除尘效率，对国民经济有着非常重要的意义。 本文研究的湿颗粒层过滤除尘设备由于使用少量水进行喷淋，在过滤过程 中同时清除滤料中沉积的粉尘，省去原干法除尘的清灰过程，节省了清灰的机 械装置；在干法颗粒层除尘中，由于大粒径的滤料颗粒，其对细微粉尘的除尘 效率不高，但阻力相对于小粒径滤料而言比较小，本文同时研究采用较大粒径 的过滤介质( 2 m m 一3 r a m ) 进行过滤，在与干法颗粒层基本相同的过滤效率情 况下减小阻力，实现过滤过程的低阻高效。 1 4 2 本课题研究内容 本课题基于颗粒层除尘器过滤设备简单、使用方便、维修费用低、投资少、 滤料经久耐用，同时耐高温性能好，能承受高压和压力冲击，对气温、气量和 9 江苏大学硕士学位论文 灰浓度的波动不太敏感等优点，结合湿法除尘器除尘效率高，清灰简单，不需 要专门的清灰装置而设计了湿颗粒层除尘器。 本课题主要研究内容： 1 、介绍了除尘技术的发展现状以及各种除尘器的特点，分析了干法除尘和 湿法除尘技术各自的优缺点，提出了细微粉尘的脱除是国内外广泛研究的重要 课题和难题。 2 、对颗粒层除尘器的类型，发展现状做了详细说明和分析，总结了颗粒层 除尘器在过滤方面的诸多优点，并以固定床颗粒层除尘器为主要研究对象，对 颗粒层过滤特性进行理论研究，分析各过滤参数对颗粒层除尘器除尘效率和压 力损失的影响。根据质量守恒定律，建立固定床颗粒层除尘器除尘效率模型， 导出了固定床颗粒层内气流含尘质量浓度、灰尘沉积密度的变化规律和除尘效 率的相关方程式。 3 、在考虑了各种除尘器在脱除细微粉尘的利弊方面，将颗粒层除尘与湿法 除尘结合起来，深入研究颗粒层过滤除尘以及湿式除尘的除尘机理，对颗粒层 除尘装置进行了优化改造，提出了一种新型的湿颗粒层除尘设备。探讨开发研 究的新型湿颗粒层除尘器的过滤特性，分析各过滤参数在提高其除尘效率和降 低压力损失方面所起的作用。 4 、设计了湿颗粒层过滤实验台，进行了大量的实验验证，并和传统的干颗 粒层除尘做了对比实验，详细分析了实验数据，得出湿颗粒层过滤过程中各参 数变化对细微粉尘除尘效率的影响。 5 、在实验过程中发现该湿颗粒层除尘设备在投入实际应用中需要解决的问 题，并探索解决问题的方法，为以后颗粒层除尘器的进一步优化提供一定的依 据。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章颗粒层过滤除尘机理研究 颗粒层除尘器是一种利用物理和化学性质非常稳定的固定颗粒组成过滤 层，实现对含尘气体过滤的一种高效的深层过滤的除尘设备过滤式除尘设备【3 l l 。 主要依靠直接拦截，惯性碰撞，扩散效应，重力沉降和静电力作用等过滤机理 来发挥除尘作用。颗粒层除尘器应用于除尘实践已有八十多年，为了提高颗粒 层除尘器的工作性能，人们开发了多种类型的除尘器，本章就这些种类繁多的 颗粒层除尘器的工作特点、研究进展和存在问题进行总结和评价。并对颗粒层 过滤除尘的机理做详细研究，提出了新型湿颗粒层除尘器。 2 1 颗粒层除尘器简介 2 1 1 颗粒层除尘器的组成 颗粒层除尘器由滤料、除尘器本体和清灰机构等组成。 过滤介质：又称滤料，一定量的滤料颗粒堆积形成颗粒层，一般来说，任 何固体颗粒都可以作为颗粒层除尘器的滤料。但是在实际应用中，应选择具有 耐高温、耐腐蚀性能，有一定机械强度的固体颗粒，如石英砂、卵石、炉渣、 陶粒等。滤料粒度和颗粒层厚度会影响除尘器性能，例如，同一操作条件下， 滤料粒径越小或者颗粒层越厚，则除尘效率越高，料层阻力越大。 除尘器本体：支撑滤料。维持滤料处于某种过滤状态的容器。 清灰机构：清除滤料中沉积粉尘的一种机构，清灰方式的选择决定了除尘 器的结构和运行。 2 1 2 颗粒层除尘器的过滤形式 根据颗粒层除尘器的不同特点，分类如下： 1 、按照颗粒层的位置颗粒分为垂直床层和水平床层两种。 垂直床层颗粒层除尘器是将颗粒滤料垂直放置，两侧用滤网或百叶片夹持， 以防粒料飞出，而气流则水平通过。 水平床层颗粒层除尘器是将颗粒滤料置于水平的筛网或筛板上，铺设均匀， 保证一定的料层厚度。气流一般均由上而下，使床层处于固定状态，有利于提高 除尘效率。 2 、按照床层的性质可以分为固定床、移动床和流化床。 1 1 江苏大学硕士学位论文 固定床为过滤过程中床层固定不动的床层。通常的颗粒层除尘器均采用固定 床。 移动床为过滤过程中床层不断移动的床层，以黏附粉尘的滤料不断排出，代 之以新滤料。垂直床层的颗粒层除尘器，一般都采用移动床。移动床又可分为间 歇移动和连续移动床。流化床为在过滤过程中床层呈流化状态的床层，采用较少。 3 、按照清灰方式可以分为不可再生、振动反吹风清灰、耙子加反吹风清灰、 沸腾反吹风清灰等。 不可再生的滤料用于移动床，将己黏附粉尘的滤料从除尘器内排出后，用作 其他用途或废弃。在有些情况下滤料排出后在除尘器外进行清灰，然后再重新装 入到过滤器中使用。 振动反吹风清灰目前已少采用。 耙子加反吹风清灰是在反吹清灰过程中用耙子使颗粒层松动，以便得到更好 的清灰效果。 沸腾颗粒层除尘器是控制反吹风的风速，使颗粒处于悬浮沸腾状态，利用在 沸腾状态下的颗粒自相摩擦。而使黏附于其上的粉尘脱落下来。 此外也有用间断或连续淋水的方法进行清灰的。 2 1 3 颗粒层除尘器结构类型 1 、耙式颗粒床除尘器 图2 1 耙式颗粒层除尘器 f i g u r e2 1r a k ep a r t i c l e so fd u s tc o l l e c t o r 耙式颗粒层除尘器【2 7 】是通过换向阀来实现过滤一清灰过程的。当过滤高浓 度的含尘气体时，就需频繁切换换向阀，特别是在高温条件下，这对换向阀是 极其不利的。由于除尘器清灰时不能进行过滤，实际应用中需要多台除尘器并 联工作，轮流进行过滤和清灰，但组合形式复杂。 2 、旋风式颗粒层除尘器 江苏大学硕士学位论文 旋风式颗粒层除尘器实质上是一由旋风除尘器和颗粒层除尘器组成的二级 除尘系统。除尘器工作时，含尘气体中6 0 9 0 的粉尘在前置旋风除尘器中 被除掉，这样就大大减少了颗粒层的清灰频率。因此，旋风式颗粒层除尘器特 别适合高浓度含尘气体的除尘。 但是，当处理大流量的含尘气体时，除尘器直径较大导致旋风除尘效果较 差( 离心力与直径平方成反比) ，此时，该除尘器的结构就不合理，不如在颗粒 层除尘器前单独设置旋风除尘器进行预处理。 (a)过滤(b)清灰 1 含尘气体总管2 旋风筒3 卸灰筒4 插入管5 过滤室6 过滤床层 7 干净气体室8 换向阀门9 干净气体总管1 0 耙子1 1 电动机 图2 j 耙式一旋风颗粒层除尘器 研驴心2 2r a k e - t o r n a d op a r t i c l e so fd u s tc o l l e c t o r 3 、沸腾式颗粒层除尘器 江苏大学硕士学位论文 1 一进气口；2 - - 过滤室：3 一沉降室；4 一f 隔板；5 一过滤床层；6 一灰斗； 7 一排灰口；8 - - 反吹风u ；9 - - 净气口；1 0 - - 阀门：1 1 - - 隔板 图2 3 沸腾式颗粒层除尘器 f i g u r e2 3b o i l i n g - p a r t i c l e so f d u s tc o l l e c t o r 沸腾式颗粒层除尘器【2 8 】的过作过程较复杂。含尘气体由进气口进入，粗尘 在沉降室中沉降，细尘经过过滤室从上而下地穿过滤料层。气体净化后净气管 排出。清灰时，通过阀门开启反吹风口的侧孔，反吹气流由下向上经筛板进入 颗粒层，使颗粒层成流态化，颗粒上下剧烈翻腾，使过滤时沉积在颗粒层内的 灰尘被反吹气流带到沉降室。粗尘在此沉降进入灰斗，剩余的粉尘随气流则进 入其他过滤层净化。 沸腾式颗粒层除尘器的优点是： ( 1 ) 传动结构简单，使得设备费用降低和自控系统简化，结构紧凑； ( 2 ) 除尘器实现了颗粒层连续除尘和连续清灰； ( 3 ) 可以增加颗粒层层数增大除尘器的处理气量。 由于旋风式颗粒层除尘器反吹后细尘并不能在沉降室沉降，随着过滤过程 的进行，会增大清灰频率。除尘器控制系统复杂。 4 、交叉流式移动床颗粒层除尘器 交叉流式移动床颗粒层除尘器f 2 9 】的主要特征是过滤介质向下移动，气流横 向通过颗粒层，筛网或百叶窗等夹持滤料，防止滤料向两侧泄漏。 1 4 江苏大学硕士学位论文 气体 图2 4 交叉流式颗粒层除尘器 f i g u r e2 4c r o s s - f l o wo fp a r t i c l e sp r e c i p i t a t o r 颗粒层在过滤状态下靠重力向下移动，移动的整体性较差，出现了颗粒间 的间隙增大和颗粒错位现象，使其穿透率增加，并造成已沉积的灰尘从过滤介 质表面脱落，被过滤气流再次携带，降低了颗粒层的除尘效率。 5 、平行流式颗粒层除尘器 平行流式颗粒层除尘器是指在过滤阶段，含尘气流的运动方向和颗粒层的 移动方向一致向下。 舍生气体 清洁气体 图2 5 平行流式颗粒层除尘器 尉 g u r e2 5p a r a l l e ls t r e a m i n gp a r t i c l e so f d u s tc o l l e c t o r 江苏大学硕士学位论文 图2 5 是美国w e s t i n g h o u s e 公司正在开发研制的立管式移动床颗粒层除尘 器的概念示意图。过滤介质通过直管送入除尘器，在管下端，以介质颗粒的休 止角形成一个自由颗粒面；含尘气流通过方管切向进入自由颗粒面，与过滤介 质颗粒一道平行向下流过立管；清洁气体通过立管下的另一个过滤介质自由面 流出。平行流动有利于促进含尘气流与过滤介质的接触，提高过滤效率。平行 流可使气体通过立管的过滤速度提高到0 9 1 m s 一1 8 2 m s ，不会引起下端自由面 颗粒流化而导致沉积在颗粒层中的粉尘再携带；过滤介质与粉尘质量比降低到 1 0 时，除尘器过滤效率大于9 9 9 5 ( 入口含尘浓度为6 6 0 0 p p m ) 。这样，除尘 器可以设计得更紧凑，有利于除尘器的放大。 与交叉流颗粒层除尘器相比，平行流颗粒层除尘器在防止灰尘二次夹带方 面具有较大的改进，而且提高了颗粒层的处理能力。 6 、逆流式颗粒层除尘器 逆流式颗粒层除尘器是指在过滤阶段，含尘气流在颗粒层中的运动方向和 颗粒层的移动方向相反，如图2 6 所示。含尘气体通过插管进入颗粒层，在插 管的下端形成了过滤介质与气体接触面，通过接触面，含尘气体进入颗粒层， 在过滤机理的作用下，灰尘被颗粒层捕集，最后洁净气体从上端颗粒层自由面 排出。颗粒层移动可以是间隙式或连续式，间隙式的优点是过滤介质不存在颗 粒间隙增大和颗粒错位，能提高过滤效率，但存在除尘效率和除尘器阻力的波 动，具有固定床的过滤特征。 介质 气体 图2 6 逆流式颗粒层除尘器 f i g u r e2 6c o u n t e r - p a r t i c l e so f d u s tf i l t e r 7 、新型颗粒层除尘器 1 6 江苏大学硕士学位论文 颗粒层除尘器【删按照床层的形式，可以分为固定床、流化床和移动床。固 定床除尘效率高，但是必须间歇运行，过滤气体量较小；流化床处理气量较大， 可连续进行，但是除尘效率较低；移动床兼顾二者的优点，既可连续运行，又 能保证较高的过滤效率。但是在过滤过程中又存在颗粒间隙增大和颗粒错位等 问题。近年来江苏大学研究开发了一种兼顾固定床和移动床特点的新型固定床 颗粒层除尘器，实现了过滤清灰的连续进行，在保证固定床高过滤效率的同时 实现了连续运行，是一种非常有前途的除尘设备。 新型固定床颗粒层除尘器把圆桶形固定床颗粒层分成若干单元格，结构如 图2 7 所示。利用旋转机构使其连续或间歇旋转。其中一个单元格为清灰区， 通过流化反吹清灰系统对该单元格的颗粒层进行清灰，其他单元格的过滤工作 正常进行。从而实现了