（热能工程专业论文）新型颗粒层除尘器过滤性能的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 i g c c 和p f b c c c 等先进燃煤联合循环发电技术，能同时提高 煤电转换效率和减少污染排放，是未来燃煤发电发展的一个主要方 向。烟气( 或煤气) 的净化则是燃煤联合循环的关键技术之一，是进 一步提高效率、充分体现其优越性的潜力所在。作为一种高效的除尘 技术，颗粒层除尘器具有耐高温、耐腐蚀、不燃不爆、过滤能力不受 粉尘比电阻影响等优点，被认为是目前最有前途的高温燃气除尘技术 之一。本文在分析固定床和移动床颗粒层除尘器各自特点的基础上， 开发出了能够连续过滤、连续清灰的新型颗粒层除尘器。 从多孔介质流体力学出发，建立了固定床颗粒层过滤的宏观方程 和控制方程，揭示了固定床颗粒层床层内部气流含尘质量浓度、粉尘 沉积、除尘效率的变化规律。以固定床颗粒层过滤规律为基础，结合 新型颗粒层除尘器的特点，构建了新型颗粒层除尘器的床层内部粉尘 沉积规律、除尘效率和出口粉尘浓度的理论方程式。 针对新型颗粒层除尘器的特点，以固定床颗粒层除尘器为主要对 象，通过系统实验，研究了各种参数对固定床颗粒层除尘器性能的影 响，分析了床层内部粉尘沉积规律，并对过滤理论进行了验证；通过 流化清灰实验，研究了流化状态对于滤料清灰效果的影响，确定了新 型颗粒层除尘器流化清灰速度。在此基础上，通过改变滤料粒径、过 滤速度、床层厚度、粉尘浓度和清灰周期等，对新型颗粒层除尘器进 江苏大学硕士学位论文 行系统实验和性能测试，得到了多种参数对于除尘器性能的影响规 律。研究结果表明，新型颗粒层除尘器是一种高效的除尘装置。 关键词：过滤除尘，颗粒层过滤，固定床颗粒层，流化，清灰 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t a d v a n c e dc o a lf i r e dc o m b i n e dc y c l e s ，s u c ha si g c ca n dp f b c c c a r ep e r s p e c t i v e si nf u t u r e ，b e c a u s eo ft h e i rh i g he f f i c i e n c ya n dm i n i m u m e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n g a sc l e a n u pf a c i l i t i e sa r en e c e s s a r yt op r o t e c t t h eg a st u r b i n ea n de n v i r o n m e n t h o tg a sc l e a n u pi sa ni m p o r t a n ta s p e c t o ft e c h n o l o g y i m p r o v e m e n ta s p e c to ft e c h n o l o g yi m p r o v e m e n tf o r e f f i c i e n ti g c ca n dp f b c - c cs y s t e m s a sak i n do fh i g h - e f f i c i e n td u s t r e m o v a l t e c h n o l o g y ，g r a n u l a r f i l t r a t i o ni sa b l et ob e a rt h e h i g h t e m p e r a t u r e ，c o r r o s i o n - r e s i s t a n t ，d o e sn o tf i r ee x p l o d i n g ，f i l t e r i n ga b i l i t y a d v a n t a g eo fi n f l u e n c i n gm o r et h a nt h er e s i s t a n c eb yt h ed u s te t c ， c o n s i d e r e dt ob eo 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 lt e c h n o l o g y a tp r e s e n t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n ge a c hc h a r a c t e r i s t i co ff i 】；【e dg r a n u l a r b e da n dm o v i n gg r a n u l a rb e d ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dan e w 血e d g r a n u l a r b e dw h i c hr e a l i z e sf i l t e r i n ga n dd u s tc l e a n i n gi ns u c c e s s i o n a c c o r d i n gt om e d i u mh y d r o d y n a m i c s ，m a c r o s c o p i ce q u a t i o n sa n d g o v e r n i n ge q u a t i o n so ff i l t e r i n gi nt h ef i x e dg r a n u l a rb e dw e r ep r o p o s e d ， a n df o r m u l a so fd u s tc 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 t d e n s i t ya n dd u s tr e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ef 扳e dg r a n u l a rb e dw a s d e d u c e d b a s e do nt h el a wo ff i l t e r i n gi nt h ef i x e dg r a n u l a r b e d ， c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h en e wf i x e dg r a n u l a rb e d ，e q u a t i o n so f m 江苏大学硕士学位论文 v a r i a t i o no fd u s td e p o s i td e n s i t y ，d u s tr e m o v a le f f i c i e n c ya n dd u s t c o n c e n t r a t i o ni ne x i tw a sg i v e n i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h en e wf i x e dg r a n u l a rb e d ，b a s e do n t h et h e o r yo ft h ef i x e dg r a n u l a rb e d ，t h ei m p a c to fv a r i o u sk i n d so f p a r a m e t e r so np e r f o r m a n c eo ft h ef i x e dg r a n u l a rb e da n d v a r i a t i o no fd u s t d e p o s i t d e n s i t yw a ss t u d i e dt h r o u g ht h es y s t e m a t i ce x p e r i m e n t ，w h i c h v e r i f i e dt h et h e o r yo ft h ef i x e dg r a n u l a rb e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to f c o m b i n e df l u i d i z e db e dd u s tc l e a n i n g , t h ei n f l u e n c eo ft h es t a t eo f f l u i d i z e db e do nt h em a t e r i a ld u s tr e m o v a lw a ss t u d i e d ；t h ef l u i d i z e d s p e e do fd u s tr e m o v a lw a s f i x e d o nt h i sb a s i s ，i nd i f f e r e n tf i l t r a t i o no f t h ew i n ds p e e d 、m e d i u m 、t i m ea n dt h et h i c k n e s so ft h ef i x e db e da n dt h e c y c l eo fd u s tr e m o v a l ，t h es y s t e m a t i ce x p e r i m e n ta n df u n c t i o nt e s to ft h e n e wf i x e dg r a n u l a rb e dw a sc a r r i e do u t ，r e c e i v i n gt h ei n f l u e n c el a wo f m a n yk i n d so fp a r a m e t e r st ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ed u s tr e m o v e r t h e r e s u l td e m o n s t r a t e dt h a tt h en e wf i x e dg r a n u l a rb e di sah i g h e f f i c i e n t d u s tr e m o v a ld e v i c e k e yw o r d s ：d u s tr e m o v a lb yf i l t r a t i o n ，g r a n u l a rf i l t r a t i o n ， f i x e dg r a n u l a rb e d ， f l u i d i z a t i o n , d u s tr e m o v a l i v 江苏大学硕士学位论文 本文主要符号说明 英文字母： a床层横截面面积，m 2 a p颗粒相对表面积，m ? b调节系数 c 气流中粉尘的质量浓度，m g m 3 c o曳力系数 d 滤料颗粒的直径，r a 鲋p 某一粒径范围 勘 第f 粒径区间里粉尘中间粒径，m 喀 几何平均径，m 乜微粒轴向扩散系数，m 2 s b微粒径向扩散系数，m 2 s 厂 数量频率分布 f数量筛下累积分布 g 质量频率分布 g质量筛下累积分布 g o被捕集粉尘量，l 【g g进入除尘器的粉尘量，l 【g a g o 某一粒径范围内被捕集粉尘量，姆 a g j 某一粒径范围内进入除尘器的粉 尘量，蚝 日颗粒层厚度，m m k压力修正系数 流化床层高度，m m n i第f 粒径区间里观测到的粒子数目 过滤率，k g m 2 s p数量密度分布 凹 压力损失，p a 留 质量密度分布 q流经颗粒层粉尘总量，k g r c雷诺数 丁清灰周期，s “，沉降速度，m s m ， 径向速度，m s u ， 表观速度，m s 珥带出速度，m s 砧。轴向速度，m s 颗粒相对体积，m 3 气体空塔速度，m s z 颗粒层内任意点距表面的距离，m l l l 希腊字母： 口过滤过程中参数向量 万 向量参数 盯 沉积率，k g m 3 几何标准偏差 沉积灰尘后滤料的空隙率 句滤料( 洁净滤料或清灰后的滤 料) 的空隙率 句沉积空隙率( 与粉尘微粒的沉积 v 江苏大学硕士学位论文 形态有关) a过滤系数，1 m 如初始过滤系数，l m 所流体密度，k g m 3 肛颗粒密度，蚝m 3 气体粘度，蚝m s 纯 颗粒的球形度 p p 粒子真密度，k g m 3 佛 粒子堆积密度，k g m 3 刁除尘器总效率 v 除尘器分级效率 时间，s 入口 出口 临界流化 平均值 固相 气相 珊 秒砾瓮 够硝 p s g 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 学位论文作者签名：与】，怎辉 歹叼年l f l 歹。曰 指导教师签名：l 、嘭匕l 7 卯7 r 年，月矽日 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。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己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。 学位论文作者签名：身】，。色辉 日期：7 t 司年，月日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 能源是人类社会发展的重要物质基础。同时，能源作为一种资源，其开发与 利用必然会对环境产生影响。特别是由于能源的过度开发与消费累计的效应，产 生了制约经济发展和影响人类生存的环境污染问题。目前全球几大环境问题主要 有：空气质量明显下降、大气臭氧层的破坏、温室效应、酸雨、水质和水体污染 严重、生物多样性的破坏、地球沙漠化以及与日俱增的固体废弃物处理等【。这 几大全球性的环境问题都与能源的开采利用紧密相关。能源利用及其污染防治已 经成为人类社会可持续发展的重要议题。 1 1我国的能源与环境 我国总的能源特征是“富煤、少油、有气【2 】。截止2 0 0 4 年底，我国煤炭 的剩余可采储量为1 1 4 5 亿吨，储采比为5 9 ；石油剩余可采储量为2 3 亿吨，储 采比1 3 4 ；天然气剩余可采储量2 2 3 万亿立方米，储采比5 4 7 【3 】。可以看出： 我国能源结构中石油和天然气的储量有限，这也决定了煤炭在整个能源消费中的 重要地位。从我国能源的生产结构来看煤炭生产占7 6 ；一次能源消费总量来 看煤炭占6 7 ，以煤为主的能源结构在相当长的时间内难以改变【4 1 。 我国煤炭总产量的3 0 左右用于发电，按发电量计算，目前燃煤发电约占 全国总发电量的8 0 左右【5 】。在相当长的一段时间内，我国的电力工业仍然以 煤电为主，而且在今后较长时间内，发电用煤量占煤炭产量的比例将逐渐提高， 据预测，到2 0 1 5 年煤总产量的4 0 以上将用于发电。目前我国的燃煤机组效率 低且污染严重。随着装机容量的增加，煤炭的低效率消耗急剧增加，随之而来的 是液体、固体和气体废料的大量排放，严重污染了环境。我国的广西、广东、四 川和贵州已连成酸雨区，成为继欧洲、北美之后世界三大酸雨区之一。资源、环 境和经济协调可持续发展对电力工业提出了控制燃煤电站污染、提高发电效率的 要求。为此，二十一世纪上半叶广泛采用高效节能技术和洁净煤技术，将是经济 有效的减少环境污染和温室气体排放的途径。 江苏大学硕士学位论文 1 2 洁净煤技术在中国的应用前景 为实现可持续发展的战略目标，洁净煤发电技术是唯一可行的选择，它将是 我国煤电的未来。我国已经将发展洁净煤技术纳入2 1 世纪议程的重要内容，成 立了煤炭工业洁净煤工程技术中心。 我国的洁净煤技术进展如下【1 】： ( 1 ) 选煤2 0 0 0 年原煤入选率达到3 3 7 。 ( 2 ) 型煤民用型煤技术居世界先进水平。重点城市型煤普及率已达到8 0 以上。 ( 3 ) 煤浆( c o a lw a t e rs l u r r y ，c w s )制浆技术达到国际水平，已建成1 0 个 制浆厂，总年产能力2 8m t ，山东白杨河电厂( 2 5 0m w ) 正在进行商 业性示范。 ( 4 ) 循环流化床锅炉( c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e db o i l e r ，a 瑁b )已生产3 5t l l 、 7 5t h 、1 3 0t h 、2 2 0t h 的c f b b 共3 0 0 0 多台。1 3 5m w 大型c f b 锅炉 已有1 0 多台投运。正在引进法国a l s t o m 公司3 0 0m w 的c f b 锅炉机组 及相关技术。 ( 5 ) 增压流化床联合循环发电( p r e s s u r i z e df l u i d i z e db e d c o m b i n e dc y c l e ， p f b c c c )已在贾旺电厂建成1 5m w 中试装置，正筹建1 0 0m w 示范 机组。 ( 6 ) 煤气化联合循环发电( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ，i g c c ) 正 进行商业性示范的前期工作，拟建3 0 0m w 或4 0 0m w 示范厂。 ( 7 ) 电厂大气污染物控制烟尘排放己基本得到控制，有6 5 的机组安装电除 尘器，除尘效率9 8 以上。烟气脱硫到1 9 9 8 年末己投运的总容量为1 6 8 g w ，正在建设和设计的有5g w 。 ( 8 ) 煤炭气化大城市民用煤气已在兰州、哈尔滨采用鲁奇加压气化技术；中 小城市已推广应用水煤气两段炉气化技术；工业燃料气以常压固定床发生 炉煤气为主；化工原料气在大型化肥厂已引进德士古气化技术；中小化肥 厂以常压水煤气为主。 ( 9 ) 煤炭液化已对1 0 0 多种煤进行直接液化性能评价。对2 8 种煤做了0 1 们 小型连续装置实验，选出1 4 种液化性能较好煤种，候选煤种有云南先锋煤、 神华煤和黑龙江依兰煤。正与德国、美国、日本合作进行实验和建厂可行 2 江苏大学硕士学位论文 性研究。神华煤液化每桶1 8 美元可盈利，间接液化，已建成2 0 0 0 妇煤制 合成汽油中试装置，煤制甲醇已有成熟技术。 经过2 0 世纪7 0 年代以来的理论和实验研究以及工程实践，整体煤气化联合 循环( i g c c ) 和增压流化床联合循环( p h 妃c o ) ，已在世界范围内被认为是“煤 的清洁利用技术”【6 j 。 p f b c c c 在2 0 世纪6 0 年代末在英国开创，后经多个国家( 英国、瑞典、美 国、德国、日本等) 的研究开发，于2 0 世纪9 0 年代初进入商业运行阶段r 7 1 ，效 率可以达到4 2 - - - 4 3 ，比常规粉煤发电和常压循环流化床联合循环效率高出 3 左右，而发电能力增加2 0 【8 】。目前正在推广应用的p f b c 技术，由于受流 化床燃烧温度的限制，燃气轮机入口烟温很难超过9 0 0 ，因而限制p f b c c c 系统效率的提高，供电效率难于超过4 2 4 3 ，属于第一代p f b c 技术。为此， 一些先进工业国家正在研究试图在解决高温除尘技术和先进燃气轮机技术的基 础上开发所谓的第二代p f b c c c 技术防1 2 1 。 ， 我国对p f b c 技术的开发和研究起始于2 0 世纪8 0 年代初，1 9 8 1 年科委 立项在东南大学建立1m w 的p f b c 试验装置【1 3 ，1 4 1 。经过“六五，、“七五”攻 关，基本完成了实验室规模的研究和开发，初步掌握了p f b c 中的关键技术。 目前，徐州贾汪发电厂建造1 5 0m w 的p f b c 中试电站已经建成并连续运行 9 1 9 小时【”j 。 整体煤气化联合循环( i g c c ) 采用了燃气蒸汽联合循环，大大提高了能源的 综合利用率，实现了能量的梯级利用，从而提高了整个发电系统的效率，更为重 要的是它较好地解决了常规电站固有的污染问题【1 6 】。因此，它是新世纪燃煤电 站动力更新换代的最重要的洁净煤发电技术，也是当今能源动力界关注的热点之 j 1 7 2 1 1 。i g - c c 于2 0 世纪7 0 年代初西方国家爆发的石油危机时期开始研究， 1 9 7 2 年在德国i t l l l e n 的斯蒂克电站投运了世界上第一台功率为1 6 0m w 的 i g c c 示范装置。随后美国建成了1 0 0m w 的冷水示范电站和1 6 0m w 的i g c c 示范电站。两个示范电站的运行成功，从实践上验证了i g c c 技术的可行性和环 保性能的优越性，取得了i g c c 在“概念性验证阶段 的成功。当前，世界许多 国家都在开发i g c c 技术。美国能源部( d o e ) 把用于研究燃煤联合循环研究中 7 5 的资金用于资助i g c c 方案，是所有燃煤联合循环中最受重视的一个。经 3 江苏大学硕士学位论文 过近2 0 年的迅速发展，在目前技术条件下，i g c c 发电的净效率可达4 3 - 4 5 ，今后可望达到更高，而污染物的排放量仅为常规燃煤电站的1 1 0 瞄j 。 为了缩小与国际上在i g c c 技术上的差距，我国于1 9 9 4 年成立了i g c c 示 范项目领导小组，有计划地安排了i g c c 研究课题【2 3 瑙1 。国家计委已经批准在 山东烟台建立3 0 0m w , - 一4 0 0m w 等级的i g c c 示范电站，有望通过技术合作， 实现技术和设备的国产化。 然而，上述各种燃煤联合循环中，烟气在进入燃气轮机之前，必须进行除尘 净化以达到燃气轮机容许的含尘标准。高温煤气( 烟气) 净化是燃气轮机安全可靠 运行的前提和延长其经济寿命重要手段。同时，高温净化系统使得排放的污染物 大大减少，对环境保护起到了重要作用。i g c c 、p f b c 的一个共同特点就是高温 燃气必须进行高效净化。 在第一代p f b c c c 技术和第二代p f b c c c 技术中，高温烟气净化都是 保证燃气轮机安全稳定运行所必需的技术。第一代p f b c c c 技术，需要净化 的烟气温度已经达到8 6 0 左右，而二代p f b c c c 技术由于净化温度更高 ( 1 1 0 0 1 3 0 0 ) ，烟气净化难度也更大。所以，高温除尘不仅对第一代p f b c 技术有重要作用，对第二代p f b c 更是关键技术。 对i g c c 来说，热态烟气净化同冷态净化相比，由于煤气( 烟气) 的显热损 失减小，可以将系统效率提高2 3 ，经济效益巨大。 由此可见，高温净化技术，尤其是其主要内容的高温除尘技术，不仅是发展 i g c c 、p f e c 的关键，而且对于燃煤联合循环发电技术来讲更是如此i _ 2 6 j 。 1 3 高温除尘设备和技术发展 目前，最主要的高温干法除尘技术有 2 7 1 ：旋风除尘、高温静电捕集除尘、 陶瓷织状物过滤除尘、陶瓷纤维过滤除尘、金属烧结网过滤除尘、液态金属洗涤 除尘、刚性陶瓷过滤除尘和颗粒层过滤除尘。这几种除尘技术除尘机理和除尘效 果各有特点。 1 3 1 高温旋风除尘器 旋风除尘器的分离机理为离心分离，有单体组合式和多管式等基本型式。具 4 江苏大学硕士学位论文 有结构简单、操作方便、造价较低等特点【2 3 】，以及良好的耐高温性能，可以在 1 0 0 0 。c 下连续运行。旋风分离器能达到的最佳除尘效果为：对于1 0l a n ，- - - 2 0 岬 的灰尘，其除尘效率可以达到9 5 - - - , 9 8 ，但对于小于1 0 岫的灰尘，除尘效 率迅速降低，只能达到6 0 - - 8 0 。出口的粉尘浓度最低达到8 0m g n m 3 - - 一1 0 0 m g n m 3 。从燃气轮机的要求来看，旋风除尘器远不能达到要求，而且运行中的 不稳定性因素也对它的除尘效率有较大的影响，因此，它最多只可以作为i g c c 和p f b c - c c 的高温除尘预处理装置。国外就高温旋风除尘的研究已有许多年， 国内石油大学等单位也在进行这方面的研究。但有关高温高压对除尘性能的影响 及运行规律仍不十分清楚，还有待于研究。 1 3 2 高温静电除尘器 静电捕集除尘具有压降低( 一般压降小于2 0 0p a ) 、无堵塞、效率高、能耗 小( 流量为1 0 0 0m 3 h 时，电能消耗为o 1k w h - 一0 8k w h ) 等优点，但静 电除尘器一次性投资高，占地面积大。 大量的试验研究表明，开始电晕电压和火花放电电压都随温度和压力变化， 在高温状态下的电晕运行的电压范围缩小，使电晕现象难以维持，国外尚无在高 温状态下持久试验运行的记录。高温的氧化性气氛和还原性气氛都易发生电极的 腐蚀。一般静电除尘( e s p ) 应用于小于4 5 0 的温度。在更高的温度下运行 除了上述问题外，电能的消耗也很大。因此，用于高温、高压状态的静电捕集还 有待于进一步研究。 将电除尘用于高温除尘，美国、德国和日本都在进行研究。目前，已有达到 6 5 0 - 7 9 0 、5 7 0k p a 下运行1 0 0 小时的实验记录，除尘率可以达到9 5 - - - 9 9 5 。但存在着高温高压下电晕现象难以维持、电极寿命短、对烟气成分 敏感等难题，短时间内，仍不能进行工业示范。 国内的东南大学首创了无电晕高温静电除尘技术，并且十多年以来对该技术 进行了系统的探索实验和分析研究【2 9 】。另外还有一种新颖的高温高压静电除尘 技术一电子发射式，与传统的电晕式静电除尘技术不同，它是以某种特殊复合材 料制成的阴极在高温下发射电子的方法，使烟气中的粉尘荷电，然后依靠电场力 的作用将其捕集并除去。研究结果表明，该技术特别适用于高温烟气的除尘，有 5 江苏大学硕士学位论文 广泛的应用前景【3 0 1 。 1 3 3 陶瓷织状过滤器 陶瓷织状过滤器是由氧化铝、硼和硅按一定比例组成的纤维编织而成。美国 3 m 公司和西屋公司共同制造的织状物过滤器已经进行了1 0 0 0 小时的试验，试 验是在常压下进行的，温度为4 5 5 ，除尘效率大于9 9 ，运行时间为8 8 2 小 时。在高温下试验，易出现过滤面破裂，导致过滤过程失效。由于陶瓷织状物过 滤器刚性较差，所以需要进行内部支撑。该技术仍存在如何提高编织的均匀性； 如何保持更高温度和压力下除尘性能良好；运行可靠以及怎样设计脉冲清灰系统 等问题。 总之，陶瓷织状物过滤器的试验规模还很小，持久性试验还有待于进一步完 成，需要进行深入的实验室研究。 1 3 4 陶瓷纤维过滤器 陶瓷纤维过滤器是由氧化铝纤维和氧化硅纤维熔结在一起，或者是采用化学 气化、沉积方法而得。该技术已经在德国通过中试，试验是在温度8 0 0 - 9 0 0 、 常压条件下完成的，除尘效率为9 9 9 ，压降为2k p a - - 一4k p a 。陶瓷纤维过 滤器具有重量轻、有弹性、内部不需要支撑和阻力小等优点。另外有一种陶瓷纤 维一填充料过滤器通过陶瓷纤维与陶瓷填充料的气化和沉淀制成。由于纤维的加 强作用，使得过滤器克服了结构的易脆易碎，性能得到提高。但柔性陶瓷纤维的 机械性能会随时间和温度的增加而降低，还会受到酸性气体的腐蚀，如何保持在 更高温度和压力下性能良好、运行可靠，是今后需解决的问题【3 。 总之，陶瓷纤维过滤器仍然限于试验研究阶段，耐久性和抗冲击试验仍需要 进一步完成。 1 3 5刚性陶瓷过滤器 刚性陶瓷过滤器有多种形式，具有代表性的有两种：一种是交叉流式过滤器， 最早由美国西屋公司开发；另一种是多孔烛状过滤器，最早由德国的s c h u m a c h e r 公司开发。交叉流式陶瓷过滤器已在美国m e t c 的试验台上通过高温高压( 8 0 0 6 江苏大学硕士学位论文 、2 0m p a ) 的中试试验，除尘效率超过9 9 9 ，压降为8 8k p a ，连续试 验时间为5 0 小时。烛状陶瓷过滤器在8 6 0 、1 0 5m p a 下通过了中试，除 尘效率可达9 9 4 - - 9 9 7 。当入口含尘为3 0 0 0 皿几 - 一4 0 0 0 斗讥时，出口 含尘小于5 旺几是目前最有希望进入商业化的除尘技术之一，除尘效率可达 9 9 9 以上，净化烟气含尘浓度小于3 0p p m w ，完全可以满足烟气轮机要求和 环保排放标准。 近几年，德国s c h u m a c h e r 公司、日本中央电力研究院、英国工业过滤器和 泵公司等相继开发了双层碳化硅过滤管。过滤层采用微孔陶瓷形成一个过滤膜， 以实现表面过滤，管壁强度靠一层厚的粗孔陶瓷基体来保证。国内冶金建筑行业 已开始研究这种陶瓷过滤器，煤炭科学研究总院北京煤化学研究所对烛状s i c 陶瓷过滤器高温煤气净化工艺进行了研究，石油大学研究了烛状陶瓷过滤器的脉 冲反吹系统，西安交通大学研究了陶瓷管的制备及除尘技术。无论是研究规模还 是深入的程度，国内烛状陶瓷过滤器的研究都与国外有较大的差距。 目前多孔陶瓷材料的发展方向是：( 1 ) 通过优化工艺配方和工艺过程，制 备高孔隙率高强多孔陶瓷材料，提高材料气孔均匀性；( 2 ) 降低材料成本，制备 大尺寸多孔陶瓷制品；( 3 ) 采用陶瓷膜材料的表面修饰技术，制备大尺寸无缺陷 的陶瓷膜材料；( 4 ) 研究开发多功能性多孔陶瓷复合材料1 3 2 。 1 3 6 金属毡过滤器 金属毡过滤器是由铬镍铁合金纤维组成的，由脉冲反吹系统进行清灰。 德国的a c h e n r w t h 曾进行过一个大型的金属毡过滤系统实验。试验结果 为：在压力为1 0 0k p a - - - 3 6 0k p a 、温度为2 6 0 一- 3 5 0 时，除尘效率达到 9 9 9 0 6 ，最大颗粒直径为5i n n ，过滤器压降2 2 5k p a 。该过滤器的运行温度 和压力都较低。 近年来，西北有色金属研究院在金属纤维毡的研制及产业化开发方面取得了 突破性的进展，已实现了金属纤维及制品产业化的目标，成为世界上有影响的金 属纤维及纤维毡生产基地【3 3 1 。 江苏大学硕士学位论文 1 3 7 液态金属湿法洗涤 液态金属湿法洗涤的原理与常温下的水洗除尘相似，只是液体由水换成了低 熔点的金属。 在高温下，液态金属湿法洗涤对0 1l u n - - 一，1 0f u n 的尘粒具有极高的除尘效 率，在除尘的同时，还可以除去s 、n 等污染物，而且，可处理的气体流量较 大。但是，由于运行中压降较高，介质再生循环困难，能量消耗较大，低熔点金 属也非常昂贵。所以，运行成本高，控制复杂，而且存在着液固分离的问题3 4 1 。 该技术近年来研究较少，相关文献也较少。 1 3 8 颗粒层过滤器 颗粒层过滤器用耐高温的颗粒介质作为滤料，以达到净化气体的目的。具有耐 高温、耐磨损、耐腐蚀、除尘效率高等优点【3 5 】。因此，人们对于颗粒层除尘器的应 用给予了很大的注意，颗粒床过滤器作为一种除尘设备，应用于工业实践已有多年。 按床层形式，可分为固定床、流化床和移动床。固定床除尘效率较高，但必须 间歇运行，过滤的气量较小；流化床处理气体的流量较大，可连续运行，但除尘效 率较低；移动床兼顾了二者的优点，既可连续运行，又能保证较高的过滤效率。移 动床颗粒层过滤系统包括移动床颗粒层过滤器( 本体) 和气力清灰系统( 或其它形 式的清灰系统) ，这一系统可统称为移动床颗粒层过滤器或移动颗粒层过滤器。 近年，随着煤气化联合循环发电( i g c c ) 和增压流化床燃烧( p f b c ) 技术 的迅速发展，颗粒过滤器由于具有良好的耐高温性能的特点，引起了人们的重视。 在高温条件下采用颗粒层过滤技术是非常具有发展前途的除尘技术，已经被列入 国家重点基础研究项目。 国内清华大学、江苏大学、中科院山西煤化所也进行了这方面的研究。 上述几种过滤除尘系统只是在特定情况下才得以正常运行，都有各自的局限 性。除了旋风除尘器外，大部分可以达到9 9 以上的过滤效率。比较而言，旋 风除尘效率较低，且不稳定。对于高温和耐久性来说，电除尘器和金属毡稍差。 移动颗粒层过滤器主要是解决磨损及减小压降和提高微细粒子的捕集能力上。在 几种陶瓷过滤器中，陶瓷纤维、烛状过滤器较陶瓷织状过滤器为优。相比之下， 能兼顾效率和连续运行性能的移动床颗粒层过滤技术备受青睐。其存在的问题 r 江苏大学硕士学位论文 是：对细微尘粒的捕集效率有待提高；系统磨损问题需要进一步研究；运行的控 制因素较多。然而，与陶瓷过滤器面临的难题相比，颗粒层过滤器现存的问题显 得更容易突破。目前，国际上普遍认为颗粒层过滤器最有发展前途。 1 4 本文主要研究内容 固定床颗粒层除尘器作为颗粒层除尘器的最初型式，具有效率高的特点，但 是无法实现连续运行，必须进行间歇清灰；移动床和流化床颗粒层除尘器虽能实 现连续运行，但其滤料再生系统复杂，且效率较固定床低。本文提出的新型颗粒 层除尘器正是解决了连续运行和流化清灰这两个问题，采用单元格设计和组合流 化清灰，实现了连续过滤，连续清灰，简化了清灰系统。 本文在分析和总结国内外颗粒层过滤技术的经验和研究成果的基础上，结合 流化清灰的相关理论和实践，对颗粒层过滤方式和清灰方式进行了优化，提出了 新型颗粒层除尘器。 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 对颗粒层除尘器的类型、发展现状、研究方向以及存在的问题进行了总结 和评价，提出了新型颗粒层除尘器，并对其结构、工作原理进行了详细的 说明，总结它在过滤除尘方面的诸多优点； ( 2 ) 以多孔介质流体动力学为基础，结合颗粒层过滤的自身特点，建立固定床 颗粒层过滤的控制方程，通过对方程的求解，得到反映过滤规律的相关方 程式。在此基础上得到反映新型颗粒层除尘器过滤性能的相关方程式； ( 3 ) 运用流态化理论和二组分混合和分离理论，分析流化清灰过程，通过实验 测量各种滤料的临界流化速度以及不同表观速度对于清灰性能的影响程 度，为新型颗粒层除尘器的设计和运行提供实验依据； ( 4 ) 通过对固定床颗粒层进行系统的实验，寻求各种参数对过滤性能的影响程 度，通过床层内不同深度的采样，揭示床层内部的粉尘沉积规律，为改善 过滤性能提供依据； ( 5 ) 将固定床颗粒层和流化清灰的实验结果运用到新型颗粒层除尘器的实验 中，分析滤料粒径、床层厚度和过滤速度对新型颗粒层除尘器的过滤性能 的影响，重点是研究清灰周期对过滤性能的影响，为通过调整清灰周期来 调节过滤性能，提供实验依据。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章颗粒层除尘技术概述 颗粒层除尘器具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、不燃不爆、过滤能力不受粉尘 比电阻影响、除尘效率高等优点，被认为是一种理想的空气净化设备，越来越多 地应用于水泥、炼焦、化工和冶金等方面。目前被认为最有前途的高温燃气除尘 方法之一【3 6 】。 本章主要对颗粒层除尘器的基本概念、发展过程、当前的研究进展和存在的 问题进行总结和评价。 2 1 颗粒层除尘器简介 颗粒层除尘器是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过滤式除尘设备 3 7 1 。 2 1 1 颗粒层除尘器的构成 颗粒层除尘器大体由这几个部分组成：过滤介质、过滤器本体和清灰装置。 过滤介质：又称为滤料。理论上说，任何固体颗粒都可以作为颗粒层除尘器 的滤料。但要结合实际条件加以选择，滤料应具有相应的耐高温、耐腐蚀性能， 同时应具有一定的机械强度，避免在清灰过程中破碎而影响除尘效果。 滤料一般是一些物理和化学性质非常稳定的固体颗粒。可用作颗粒层除尘器 的滤料很多，如石英砂、卵石、炉渣、陶粒、玻璃屑等等，其中石英砂最常用。 滤料颗粒的大小以及形状对除尘性能有较大的影响。 过滤本体：支撑滤料，维持滤料处于某种过滤状态的一种容器。 清灰机构：清除滤料中沉积灰尘( 滤料再生) 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 颗粒层除尘器的运行参数 颗粒层除尘器的运行参数主要有：除尘效率、床层压降、过滤速度、过滤风 1 0 江苏大学硕士学位论文 量等。 1 、除尘效率 除尘效率主要包括总效率和分级效率两种。 总效率：被捕集的粉尘量占进入除尘器粉尘总量的百分比，即 俨( 1 一凳) 1 0 0 ( 2 1 ) 分级效率：对某一粒径d ，或某一粒径范围砸，( 粒级) 的除尘效率即 嘞十参2 ， 除尘总效率是评价除尘器性能的一项重要指标3 引。它直接反映了除尘器捕 集粉尘的能力。分级效率则反映的是除尘器对于不同粒径粉尘的捕集能力，是对 除尘总效率的一个细化，尤其是一些对于高效的除尘器，分级效率能够反应除尘 器对特定粒径范围粉尘的过滤能力。 影响除尘效率的因素很多眇，4 0 l ，如滤料的粒径、床层厚度、过滤速度、粉 尘的粒径分布及浓度等。同时，滤料和粉尘的性质、滤料表面的状态、气体温度、 压力等因素也对效率有影响。由于固定床除尘器的过滤过程是一个非稳态过程， 其除尘效率随着时间而变化，因此，过滤状态对效率也有重要影响。 2 、颗粒层压力损失 颗粒层压力损失：气流通过颗粒层时所消耗的能量。 压力损失是过滤式除尘器的重要性能之一1 4 1 1 ，和过滤效率一样是一个动态 过程，分析时按两部分考虑：洁净滤料压损和含尘滤料压损。压力损失也是衡量 除尘器的重要参数，因为衡量一种除尘器的好坏，不光要看的除尘效率，还要看 它的能耗。不能通过高能耗来维持高效率，要达到环境和经济的协调。 压力损失的影响因素有：滤料的种类、床层厚度、过滤风速、过滤过程中床 层内部的积灰情况等。滤料的种类不同，滤料堆积空隙率也不同。空隙率越小， 过滤压降越大。床层厚度的影响很显然，厚度越大，过滤阻力越大。过滤速度也 是如此。当然也不能一味的追求较低阻力，而使过滤速度很小，因为这样导致单 位时间内除尘器处理的气体量减小，影响了除尘器在工业上的实际应用。 3 、过滤风速 江苏大学硕士学位论文 过滤风速：稳定运行时，含尘气体通过颗粒层床滤料时的速度，反映除尘器 处理能力的大小。 颗粒层过滤机理与纤维过滤机理是一致的。一般来说，风速的提高，扩散与 拦截效应减弱，而惯性作用增强。但惯性效应仅对大粒子才有效，而在高过滤速 度情况下，二次扬尘增加，使效率降低，且阻力增大。为使流动不出现紊流，过 滤风速常取0 3 - 0 8i n s 【4 2 】。 4 、临界流化速度和反洗阻力 滤层的反洗清灰阶段是借助由下而上的气流使颗粒层浮动、疏松、膨胀，在 气流的吹拂下，灰尘被带出颗粒层。要反洗清灰正常工作，需要使最大的滤料能 够浮动，而最小的滤料颗粒不致被吹走，同时保证最大的尘粒能被吹出颗粒层。 反洗时，使颗粒层达到流化的最低反吹风速称为临界流化速度，反洗阻力接近于 每m 2 断面上颗粒层的重量。 2 1 3 颗粒层除尘器的特点 颗粒层过滤具有如下突出的优点： ( 1 ) 除尘效率较高，一般总除尘效率可达到9 8 - - 一9 9 9 。只要设计合理，不 难达到9 9 ，可与袋式过滤器媲美； ( 2 ) 对灰尘的适应性广，几乎可以捕集所有种类的灰尘，灰尘的性质( 如电阻、 粒度等) 对效率影响不大； ( 3 ) 气体的流量、温度和含尘浓度等因素的波动，对除尘效率的影响不像其它 除尘设备那样敏感； ( 4 ) 容易实现除尘性能的调节，可通过调节床层厚度、介质粒度、以及床层移 动速率，控制除尘性能； ( 5 ) 耐高温性能较好，选择合适的滤料，可适应4 0 0 - - 9 0 0 的高温除尘， 而且过滤介质颗粒在高温状态下的化学性质稳定，可承受任何温度冲击； ( 6 ) 对高压和压力冲击的承受能力强，不存在脆裂和破碎的问题，其耐高温和 耐高压的性能远优于正在发展的高温陶瓷过滤器； ( 7 ) 颗粒层介质极为耐磨，可使用数年而不更换； ( 8 ) 过滤介质来源广，价格低廉，设备阻力适中，而且不用水，所以运行费用 江苏大学硕士学位论文 低，可与袋式过滤器相当。 当然颗粒层过滤也存在一些不足： ( 1 ) 固定床清灰系统颗粒层除尘器清灰繁琐、困难，间歇工作。移动床颗粒层 除尘器的过滤过程还存在缺陷，清灰系统没有达到整体化，制约了颗粒层 除尘技术发挥其优越性； ( 2 ) 细微颗粒的捕集不够高，特别是粒径9 岬以下的微粒。提高细微颗粒的 捕集效率是急待解决的主要问题； ( 3 ) 过滤速度较低，一般0 4m s - - 一o 8m s ，因此，处理大流量气体时设备庞 大。 2 2 颗粒层除尘器的结构形式 颗粒层除尘器是2 0 世纪5 0 年代末才逐渐得以工业应用。随着颗粒层除尘器 除尘技术的发展，出现了许多结构形式。根据除尘器的不同特点，大体可分为以 下几类。 按颗粒层床层的位置可分为水平床和垂直床。 水平床颗粒层除尘器是将颗粒物料平铺在筛网或筛板上，筛板起到支撑和均 匀气体分布的作用，保证一定的颗粒层厚度，气流垂直通过滤料层。 垂直床颗粒层除尘器是将维持滤料两侧的滤网或者百叶片竖直放置，气体则 水平的通过滤料层。 按颗粒层床层的静动特点分固定床和移动床。 固定床是在过滤过程中，颗粒层固定不动。颗粒层除尘器大多采用固定床。 移动床是床层在过滤过滤过程中不断移动，将粘附粉尘的滤料不断排出代之以新 的滤料，排出的滤料或废弃、或它用、或再生重新作为颗粒滤料。垂直床层的颗 粒层除尘器，常采用移动床。 按清灰方式可分为振动反吹清灰、耙子反吹风清灰、沸腾反吹风清灰。 机械振动耙子梳动、气流鼓动的目的是为了使颗粒层松动，加以反吹风达到 更好的清灰效果。机械振动清灰方式目前已很少采用。 下面介绍几种典型的颗粒层除尘器： 1 3 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 耙式颗粒层除尘器【4 3 】 耙式颗粒层除尘器是目前应用最为广泛的一种颗粒层除尘器。它的