（热能工程专业论文）固定床颗粒层过滤特性实验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 颗粒层除尘技术以其耐高温，耐高压，除尘效率高等特点，广泛应用于高温 除尘领域，发展前景广阔。 本文介绍了一种新型式的固定床颗粒层除尘器，能够在满足高除尘效率的同 时连续运行。为了寻找新型固定床颗粒层除尘器最佳初始参数，优化系统运行， 本文从研究固定床过滤特性入手，进行了以下几个方面的研究工作： 分析了颗粒层过滤的特性和各影响参数，在此基础上根据固定床颗粒层内含 尘气流浓度的连续方程推导出固定床颗粒层过滤的除尘效率和压力损失的理论方 程式；利用相似理论，分析了影响颗粒层实验相似程度的各准则数，对颗粒层过 滤实验进行相似模化，对在常温常压下设计颗粒床除尘实验台提供依据。 针对固定床过滤特点，设计了固定床过滤实验台，在不同的过滤风速，过滤 介质，过滤时间，床层厚度条件下反复实验，总结出1 1 6 分钟里固定床颗粒层除 尘效率和压力损失的变化规律，给出7 种可供新型固定床颗粒层除尘器选用的初 始参数级配；设计模拟高温工况下的模型实验台，采用所选参数新型固定床颗粒 层除尘器进行运行实验，获得了较好的运行效果；通过实验数据计算出理论式中 未定的特性常数，完善先前的理论分析；本文的研究工作对包括新型固定床颗粒 层除尘器在内的各式固定床除尘器的设计和运行提供了一定的参考价值并提出了 一种利用相似实验研究高温除尘的新思路。 关键词：固定床颗粒层，除尘效率，压力损失，相似模化 江苏大学硕士学位论文 w i t he x c e s s i v em e r i t ss u c ha sr e s i s t a n c et oe l e v a t e dt e m p e r a t u r ea n de l e v a t e dp r e s s u r e h i g hd u s tc o l l e c t i o ne 丘i e i e n c y , e t c , g r a n u l a rl a y e rf i l t r a t i o ni se x t e n s i v e l yu s e di nd u s t m l a o v a l t e c h n o l o g y a l h i g h t e m p e r a t u r e i t i s m o s t p r o s p e c t i v e t o b ea p p l i e d w i d e l y i nt h i sp a p e r , an e w - t y p ef i x e db e dg r a n u l a rl a y e rf i l t e ri sp u tf o r w a r dt h a t 啪b e o p e r a t e ds t e a d i l yi ns u c c e s s i o nw i t hh i g i ld u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c y t h ec l a a r a c t e r i s t i e s o ft h ef i l t e ra i ea n a l y s e di no r d e rt of i n dt h eb e s to r i g i n a lp a r a m e t e r so ft h en e w - t y p e 丘x e db e dg r a n u l a rl a y e rf i l t e r t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h a ta n di th a sc a r r i e do n f o l l o w i n gs e v e r a la s p e c tr e s e a r c hw o r k ： t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n f e c t i v ep a r a m e t e r so ft h ef i l t e rf i r ea n a l y s e d a n d0 1 1 t h eb a s i so ft h a tac a l c u l a t i o ne q u a t i o no fc o n t i n u i t y 倍se s t a b l i s h e dd u et ot h e c o n s i s t e n c yo ft h ed u s t t h ec 1 1 u s e $ o fd e v i a t i o no ft h em e t e r i n gw e i ea n a l y z e du s i n gt h e s i m i l a r i t yt h e o r y , a n dt h ee x p e r i m e n to ft h eg r a n u l a rl a y e rf i l t e rw a sa n a l y z e au s i n g s i m i l a rs i m u l a t i o n t h ep a p e rp r o v i d e dt h eg i s to fd e s i g n i n gt h eg r a n u l a rf i l t e ru n d e rt h e n o r m a lt e m p e r a t u r ea t m o s p l a e r i ep r e s s u r e i nv i e wo ft h ef i x e db e df i l t r a t i o ne h a r a e t e r i s t i e , i td e s i g n e dt h el a b o r a t o r yb e n c h o ft l a e 丘x e db e da n dc a r r i e dt h ee x p e r i m e n t sr e p e a t e d l yi nd i f f e r e n tf i l t r a t i o no ft h ew i n d s 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 e 墩c d b e d s u m m a r i z e dt h ec h a n g er u l eo f t h ed u s tr e m o v a le f f i c i e n c ya n dt h ep r e s s u r el o s ei nt h ef i x e db e d d u r i n g1t o1 6m i n u t e s p r e s e n t e ds e v e ni n i t i a lp a r a m e t e r 舻a d a t i o n sw h i c h 啪b es u p p l i e di nt l a ed u s t 职田l o v e o ft h en e wf i x e db e dg r a n u l a rf i l t e r u n d e rt h es i m u l a t i o no ft h eh i g ht e m p e r a t u r e o p e r a t i n gm o d ei td e s i g n e dt h em o d e ll a b o r a t o r yb e n c h c h o o s i n gt i l ep a r a m e t e rt o c a r r y 咖t h em o v e m c l l te x p e r i m e n t , i tg a i n e dag o o de f f e c to ft h en e w 五x e db e d f i l t r a t i o nd u s tr e m o v a l c a l c u l a t e dt h eu n d e c i d e dc h a r a c t e r i s t i cc o n s t a n ti nf i l et h e o r y f o r m u l at h r o u g ht h ee m p i r i c a ld a t u m ，t h ef o r m e r l yt h e o r e t i c a la n a l y s i si sg e t t i n gm o l l e p e r f e c t t l a i s a r t i c l eh a sp r o v i d e dc l e r t a i nr e f e r e n c ev a l u eo ft h ed e s i g na n dt h e l l l o v e m e l l to fv a r i o u st y p e sf i x e db e dd u s tl 朗n o v e ri n c l u d e dt h ei i i e wf i x e db e df i l t r a t i o n d u s tl e m o v c r a n di th a sp r o p o s e dai i c w i d e at oi n v e s t i g a t et h ed u s tr e m o v a lu n d c l t h e h i g ht e m p e r a t u r eu s i n gs i m i l a re x p e r i m e n t a ls t u d y 1 k e y w o r d s ：f i x e db e dg r a n u l a rf i l t e r ，c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y ，p 脚r el o s e s ，s i m i l a r s i m u l a t i o n 江苏大学硕士学位论文 本文主要符号说明 英文字母： 口误差传递系数 b 沉积率， c 灰尘质量浓度，g m 4 c 。 阻力系数， d直径，m e u 欧拉数 f r 傅鲁德数 g重力加速度，m s 4 岛 粉尘尘粒质量频率 g p ) 压力损失比 q进口粉尘流量，g s _ 1 q收尘量，g s 1 目 颗粒床层高，t t t 王l均时性准则 工除尘器风量，m 3 s 。1 c o 临界流化速度，m s - 1 p e贝克列数 a p 压力损失，p a r拦截参数 r e雷诺数， ， 时间，s r 清厌周期，s r 温度，置 l流体应力张量n m - 2 v 速度，m 一 y粉尘浓度，g m 4 u 表观速度，m - s - 1 v i “ 真实速度，n l 一 口过滤风速，m s d 希腊字母： 艿绝对误差 占 颗粒层孔隙率， & 体积空隙率， z流体动力粘度，p a 一 玎颗粒层过滤器效率 扩散效率 研 碰撞效率 拦截效率 兄 过滤系数，1 m p密度，瞎m 。3 形状系数 盯 灰尘沉积密度，g m 。3 下标： 0初始状态 i入口 e ，0出口 ，流体，浮升组分 g 气相 ，沉积组分 ， 颗粒 j 固相 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。 不保密吖 学位论文作者签名：声1 口锄j ；l 指导教师签名：衫。咖夏 肋一7 年6 月侈日1 伸7 年6 月侈日 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。 学位论文作者签名：壹7 慨 日期：列瞻e 月侈日 江苏大学硕士学位论文 1 1 高温除尘背景 第一章绪论 1 1 1 l g c c 和p f b ( 3 - p a 3 技术 煤炭在世界能源结构中，分布广，比重大，是很多国家的主要一次能源，尤 其是在第三世界发展中国家。长期以来，一直面临两大急待解决的难题：一是利用 效率低，二是排放污染大。一方面全世界范围内工业及电力事业迅猛发展，另一 方面，一次性能源正在逐渐减少。据统计，全世界已探明的煤炭储量仅够人类使 用2 7 0 年左右。同时，煤炭的燃烧，又是造成大气烟尘，酸雨，大气污染等环境 问题的主要原因。 我国的煤炭资源约占一次能源总量的7 5 左右，其中煤炭总产量的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【1 1 。在相当 长的一段时间内，我国的电力工业仍然以煤电为主1 2 l 。与欧美相比，中国的电力工 业更依赖于煤电。 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，严重污染环 境。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。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【3 l 。 国家电力公司已把洁净煤发电技术列为中长期科技发展规划的重点，并列为电力 工业跨世纪先导工程之一整体煤气化联合循环( i g c c ) 和增压流化床联合循环 ( p f b c c c ) 是目前公认的能较好解决燃发电的节能与环保两大难题的清洁煤发电 技术。目前示范机组的净效率可达到4 0 4 5 4 h 5 3 ，并且具有进一步提高电站总效 率的巨大潜力。预计到2 0 1 0 年，i g - c c 和p f b c - c c 的效率可达到5 0 ( 6 1 。由于可 实现煤在转化过程中的净化，即在煤转化过程中进行脱硫、控制n o 生成和除尘 等，与常规燃煤电站相比具有优越的环保性能。 i g c c 和p f b c - c c 中都有燃气轮机，燃气的净化程度是燃气轮机安全可靠运 行及延长经济寿命的关键之一。而高温净化又是i g c c 和p f b c - c c 进一步提高效 江苏大学硕士学位论文 率的潜力所在。对于燃煤联合循环发电系统，发展既能满足燃气轮机要求同时又 能满足环境保护要求的高温燃气净化系统是非常重要的，欧、美发达国家都将其 视为燃煤联合循环发电技术真正商业化的关键技术之一。高温除尘是高温净化的 主要内容之一，是关系到i g c c 和p f b c c c 发展的一项关键技术。 1 1 2 i g c c 和p f b c , - - c c 的高温除尘问题 高温除尘问题，是p f b c - c c 技术最突出的问题之一川，p f b c c c 系统使用的 燃气透平，其烟气入口温度在8 3 0 8 6 0 。c 之间，压力为1 o - 1 2 m p a ，燃气中粉尘( 煤 灰和脱硫剂细颗粒) 含量为1 5 0 3 5 0 m g m 3 ( 标) 。为达到燃机进口所要求的烟气净化 指标，必须采用高温除尘。为了减少固体颗粒对透平机叶片的高速冲蚀与高速熔 蚀，要求进入燃气透平气体中，o , , 4 t t m 颗粒含量小于1 9 9 m g m 3 ( 标) ，4 5 t t m 颗 粒含量小于2 3 m g m 3 ( 标) ，颗粒大于5 1 m a 的小于0 3 m g m 3 ( 标) ，即总要求固体 颗粒含量小于2 2 5 m g m 3 ( 标) 。 目前第一代p f b c - c c 的高温( 8 6 0 ) 烟气净化尚未完全解决，燃气轮机寿命短： 第二代p f b c - c c 在更高温度下( 1 1 5 0 1 2 8 0 ( 2 ) 的烟气净化难度更大川，脱碱金属的 技术目前还在研究之中。i g c c 和p f b c - c c 的高温除尘除了工作温度、压力不同 以外，气体和灰尘的性质也有所不同。i g c c 系统中煤气为还原性气氛，所含硫化 物主要为h 2 s ：p f b c - c c 系统中烟气为氧化性气氛，所含硫化物主要为s 0 2 - ，还 原性气氛中气体的腐蚀性可能更严重。对流化床飞灰和煤粉炉飞灰的研究表明， 飞灰的颗粒形状与煤发生反应时的温度有关。煤气中飞灰颗粒可能为球形( 气流床 气化炉) ，也可能为不规则形状( 流化床气化炉) ；由于流化床操作温度小于灰熔点， p f b c 烟气中飞灰颗粒为不规则形状。就相同容量的电站比较，以第一代p f b c c 需净化烟气量为1 0 0 ，则i g c c 需净化煤气量为4 0 。总的来说，高温除尘对于 p f b c - c c 烟气要求的温度较高，处理的气量较大；对于i g c c 煤气要求的温度相 对较低，处理的气量较小。相对来说，p f b c c c 高温除尘的难度更大，对效率的 影响也更大。但在相同温度下，由于气体性质的影响，i g c c 高温除尘的难度要更 大一些。另外，高温除尘用于燃煤联合循环时，还要考虑脱硫、除碱金属等的影 响。 2 江苏大学硕士学位论文 1 1 3 其他领域的高温除尘问题 炼油厂大量的流态化催化裂化装置中要求在6 左右的高温烟气中回收催 化剂及能量。我国国内磷肥厂每年有千万吨废渣一磷石膏无法利用。美国和德 国已采用磷石膏为原料来生产水泥和硫酸，焙烧温度达9 0 0 。因此工艺上也要求 解决高温除尘问题。在冶金工业、核工业及建材工业中存在大量的高温烟气除尘 问题：如德国居时希( j u l i c h ) 原子能研究中心，采用干法过滤净化反应堆冷却系统废 气；挪威e u 【g m a s 伟j b c k i p o x 滤料对铁合金电弧炉的烟气进行处理：国内众多金 属冶炼中高炉、转炉、电炉及平炉，建材工业中水泥回转窑，橡胶工业中碳黑炉 等产生的高温烟气均采用落后的逐次降温湿法除尘或常、中温过滤除尘( 2 0 0 ) ， 其工艺流程长，设备多，同时高品位热能未得到充分利用。 我国化肥产品结构中，氮肥是主要的支柱，我国正在运行中采用煤气生产氮 肥的厂家有8 0 9 家。现有氮肥厂包括城市煤气厂，大多数造气炉除尘仍采用较落后 的盲肠式惯性除尘器或湿法除尘：前者除尘效率很低，造成严重的环境污染；后者 不仅高品位的热能不能回收，浪费了大量水资源，同时造成了二次污染。我国现 有国外引进的电石炉炉气除尘，常采用湿法降温除尘，热能浪费严重，所以研制 高温除尘器对解决装置的除尘问题已势在必行。 钢铁厂食品级c t h 变压吸附( p s a ) 系统中必须对炉窑气予以净化处理，含尘气 体温度为3 0 0 c ，基本要求除尽1 2 1 u n 的颗粒，使进a j ，s a 系统的变换气含尘浓度 小于5 r a g m 3 ( 标) 。国内技术市场上象这样要求对高温含尘气体高效除尘的例子是 不胜枚举的。 1 2 高温除尘设备 1 2 1 高温旋风除尘器阻儿” 旋风除尘器的分离机理为离心分离。它具有结构简单、操作方便、造价较低， 根据不同材质及耐磨措施可用于不同温度及高磨蚀场合下的特点。其机理决定了 不适用于分离小于5 1 0 1 u n 的颗粒。该除尘器一般达不到环保要求，只能作为高温 除尘的预处理。上海化工研究院从印年代就开始研究，其中包括硬件、软件的开 发，研制出多种新型高效旋风除尘器，并建立相应的计算机系统模拟设计计算程 3 江苏大学硕士学位论文 序，其中e t 、e 2i i 型旋风分离器及其系统优化软件获得国家专利，并被列入国家 科委“八五”、“九五”重点科研成果推广项目。石油大学开发的p v 型高效旋风 分离器已在石油、化工装置中广泛应用。 1 2 2 旋流式分离器 旋流式分离器系德国西门子公司年代开发的产品，简称d s e 型分离器，采用 二次气流，加速了气流旋转速度，增强了颗粒离心力，使得其分离效率大大提高。 上海炼油厂成功地将旋流式分离器用于f c c 能量回收装置中。由于其结构复杂，能 耗较大，故在环保行业中应用较少。 1 2 3 多管除尘器“帅” 多管除尘器由几个并联的小旋风分离器单元( 旋风管) 组合而成。旋风管有切 向进气型和轴向进气型两种，结构又有立置式和卧式之分，已广泛用于炼油催化 裂化装置中的能量回收及天然气除尘。如美国u o p 公司用于天然气除尘中对于8 t t m 微粒其除尘效率在9 9 以上。日本冰岛炼油厂用于年产9 6 万t f c c 能量回收装置中。 我国以石油大学为代表，近年来开发了多种形式的旋风管，如e p v c 型旋风管， 其关键技术在于排气管下端装了一个分流型芯管，大大减少了排气管下口短路流 的影响，从而提高了分离效率，这种新型多管除尘器已广泛应用于f c c 装置中，在 6 5 0 。c 高温下基本能将大于l o 岬微粒除净。 1 2 4 高温过滤器 高温过滤器的滤料主要采用：特殊金属及微孔陶瓷。 金属纤维过滤器一般用于6 5 0 以下，美国m e m t e c 公司用3 1 6 、3 1 6 l 、 l n c o n e l 6 0 1 等材料生产的f i b e r m e t 金属滤管可用到6 5 0 。比利时研制的f e c r a u o y 纤 维工作温度可达1 0 0 0 ，效率在9 9 9 9 9 以上，但价格在5 0 0 0 元m 2 ，一般厂家 无法接受。金属烧结网过滤器具有抗机械冲击、抗温度冲击性能较好，除尘效率 高，但高温下存在腐蚀的问题，滤材价格也较高。德国p l a n s e e 公司开发用铬粉和 铝粉烧结成多孔金属滤管可用于1 0 0 0 。c 以上。陶瓷管过滤器和陶瓷纤维过滤器可 y t 7 0 0 以上高温，能达到较高的除尘精度，出口浓度c o o 时： c - ，盯一q ( 3 3 ) 1 w a s a k i 通过沙子滤料缓慢的过滤发现，含尘气流通过颗粒层时，颗粒层内沿y 方向 的灰尘浓度分布服从指数规律例，即： 丝m-知(3-4) 妙 式中a 为过滤系数，1 m 。 将式( 3 - 4 ) 代入式( 3 1 ) 得： 篓砌，c ( 3 - 5 ) 石。饥c a 不是常数，引入校正系数f ( 力，来表示过滤过程中灰尘质量浓度分别偏离对 数定律的程度： 旯一五，(盯)(3-6) 其中如为初始过滤系数。月( 0 ) = l 。将式( 3 - 6 ) 代入式( 3 - 5 ) 得： 石0 0 一心舻( c ( 3 - 7 ) c h it i e n 和m e h t e r 经过大量的实验发现，低过滤速度下，随着仃的增加 而单调增加，并得出经验公式【3 1 l ： ，( = 1 + 6 盯 ( 3 8 ) 其中b 为不定常数，执，恒为正数，其值与颗粒层过滤介质的物性参数有关。 将式( 3 8 ) 代入式( 3 1 ) 得： 面o c 一一凡( 1 + 砧) c ( 3 - 9 ) h 船和h e r z i g f 3 2 】等人分别用不同方法导出灰尘沉积密度与气流含尘浓度存在 如下关系： 三：一or(3-10) q 对式( 3 - 1 0 ) 求y 偏导数，并带入式( 3 9 ) 得： 江苏大学硕士学位论文 _ 8 0 一厶( 1 + 6 盯) 盯 ( 3 i i ) o p 在y 钿处，a = c q ，由式( 3 7 ) 和( 3 - 8 ) 可得床层表面沉积率随时间的变化： 斋一心厶( 1 + 虹) ( 3 - 1 2 ) 3 3 颗粒层除尘效率的计算 在颗粒层表面，o i 只与时间p 有关，整理式( 3 1 2 ) ，积分并考虑初始条件； 口= 0 时，仉一0 得： 1 + 虹一e x p ( u , 凡气to ) 整理式( 3 1 1 ) ，积分并考虑边界条件，y = o 时，盯一q 得： 型e x p ( 一磊y ) a , 0 + b a ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 整理式( 3 1 0 ) ，( 3 1 3 ) ，( 3 1 4 ) ，得： 三：墅丛竺! 生刍塑! ( 3 1 5 ) e 砸凡y ) + e x p ( - u 彳以b o ) 一1 旦：! 亟二丝生血丝2 ( 3 1 6 ) qe x p ( & y ) + e 】甲( 一心_ o b 0 ) - i 式( 3 1 5 ) 和( 3 1 6 ) 就是颗粒层在经过了过滤时间0 后，沿气流运动方向y ， 气流含尘浓度和颗粒层内灰尘沉积密度盯的分布。 当y = 日时，气流经过颗粒层过滤后的排放浓度比为： 1 2 ：! 型二丝鱼垒塑! c he x p ( ) + c x p ( - - u s & c “b 0 ) - i 取口= o ，可以得到颗粒层初始状态下的排放浓度c e 0 为： 卫- e x p ( - 栌) 所以固定床颗粒层除尘效率为： 玎：l 一旦：l 一塑堑型亟丝i 。 e x p ( & u ) + e x p ( 一心凡6 印一1 取口= 0 ，可以得到颗粒层初始状态下除尘效率为： ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 江苏大学硕士学位论文 - - 1 - ：韭= 1 一e x p ( 一磊日) ( 3 - 2 0 ) 从式( 3 1 8 ) ，( 3 2 0 ) 可以看出，当滤料性质一定时，固定床颗粒层初始过 滤状态只与床层厚度有关。 从式( 3 1 9 ) 可以看出，颗粒层的过滤是一个非稳态过程，除尘效率除了与滤 料颗粒的性质，颗粒层的厚度有关外，还和入口含尘浓度与过滤时白j 有关。随着 入口含尘浓度和过滤时间的增加，除尘效率不断加大。整理式( 3 1 9 ) ： 玎：l 一! 里! 型! 盘鱼丝2 c x p ( 扭) + e x p ( - u , a e 鲴) 一l ( 3 - 2 1 ) ：1：!一e 砸彳) e x p ( 心九叻一一e 砸飞矗叻。+ 1 可以看出，过滤速度降低时，除尘效率增加。 3 4 颗粒层压力损失的计算 含尘气体通过颗粒层产生的压力损失可由整个床层厚度对压力梯度积分求 得： 卸= r 知= 毫) 。r g p ) d y ( 3 - 2 2 ) 式中( a p 砂) o 为初始压力损失梯度，p a i m ，g ( 叻2 揣为压力损失比，无因 次。 颗粒层过滤过程中，灰尘不断沉积，使颗粒间的间隙减小，导致压力损失增 加，所以颗粒层过滤过程中产生的压力损失也是灰尘沉积密度仃的函数。m e h t e r 等人通过研究认为g ( 盯) 与灰尘沉积密度盯呈线性关系： g ( = l + d 盯 ( 3 2 3 ) 式中：d 为不定常数，表示压力梯度比随灰尘沉积密度增加的快慢程度，n l 弧g 。 整理式( 3 1 3 ) ，( 3 1 4 ) ，( 3 2 2 ) ，( 3 2 3 ) 并积分得： 印2 觎+ 鲁矗h 鼍筹装嚣豁c s 以， a 为颗粒层初始状态下( 洁净滤料) 的压力损失，p 口。 前人归纳了许多计算固定床气体初始压降的方程式，其中最为常用的是 江苏大学硕士学位论文 e r g u n ，l e w i s ，k w a u k 方程： e r g u n 方程p 3 l ： 盟d l 划。等扎7 s 号萨协o 婶尊l亡由i d ， 【朋凼方程阴： 盟d l 州4 笺争 矿憾以) 2 k w a u k 方程【3 5 1 。 警嘲训g 净咿班c 净叫3 彩， e r g u n 方程适用雷诺数范围广，但计算较繁；而l 卿凼方程计算简单，但适用 雷诺数范围小( r e p 1 0 ) ；k w a u k 方程虽然简单，计算方便，物理意义明确， 但l 0 。以及m ( m = 1 之) 均需由实验测定或理论计算。埘值并非常数，文献p q 给 出了m 值的计算图。方程中九为形状因数，可由实验数据计算得到。 把式( 3 1 5 ) ，式( 3 1 8 ) ，式( 3 2 0 ) 式代入式( 3 - 2 4 ) ，当y = 日时： 匈2 峨+ 警苦h 詈 2 8 ， 或： 印= 峨+ 鲁彘h 鲁 凹， 从式( 3 2 8 ) 和( 3 2 9 ) 可以看出，过滤状态下固定床颗粒层床层压降由两部 分组成，一部分是颗粒层初始状态下( 洁净滤料) 的压力损失，另部分是颗粒 层积灰后增加的压力损失。当床层高度一定时，增加的那部分压力损失与初始压 力损失成正比。 床层压力损失与颗粒层的初始过滤特性参数且，反映颗粒层过滤的不定常数b 和d 有关，也与过滤参数，有关。随着过滤时间的增加，颗粒层内积灰增多， 排放浓度岛减小，除尘效率叩提高，即1 一，7 减小，床层压力损失不断增大。 整理式( 3 2 4 ) ： 江苏大学硕士学位论文 ：筮篮麟。， = 峨+ 鲁苦b 婴继塑蜓丝篙若茅血幽 3 5 新型固定床颗粒层除尘器运行参数选择 3 5 1 新型固定床颗粒层的过滤规律 假设吸风罩相对不动，颗粒层旋转，即单元格依次向清灰区移动进行清灰。 假设每个单元格的的颗粒层清灰周期为r ( j ) ，过滤区截面积为a ，把过滤 区分成厅个扇形单元，如图2 7 ( b ) 所示。尽管每个扇形单元来说，沉积的灰量 不同，过滤状态不一样，但每个单元在过滤区过滤过程一致，服从颗粒层过滤规 律，在口时间内，流经颗粒层y 处的灰尘总量为： q 弘s q a o + u , s ：e 2 a o + - - + u , s , c , a o = u , 鲁享c 口 ( 3 _ 3 1 ) 假设气流平均含尘质量浓度为；，则： q = 甜，a c a o = 址a 。窆，c , a o ( 3 - 3 2 ) 在过滤区，从单元1 到单元弗的灰尘质量浓度c 是一个连续的变化过程，每 个单元的过滤时间之和形成了清灰周期，即n a o = r 。 当秽斗0 寸哪，由式( 3 3 2 ) 得： ；= 手享q a 8 = j 1r c d o ( 3 - 3 3 ) 把式( 3 1 5 ) 代入上式，积分后得： 三： ! 。i n 一 婴! 鱼塑 ( 3 3 4 ) u a c b re x p ( & y ) + e x p ( 一以九b r ) 一1 。 式( 3 3 4 ) 为新型颗粒层除尘系统中颗粒层内气流平均含尘质量浓度三的分布 规律。将式( 3 3 4 ) 代入( 3 1 0 ) ： 三：土地婴些芝= 一 ( 3 3 5 ) q心九c n , b t e x p ( & y ) + e x p ( 一心凡气6 d 一1 。 江苏大学硕士学位论文 式( 3 3 5 ) 为颗粒层内灰尘平均沉积密度盯的分布。 当y = 日时，气流经过颗粒层过滤后的平均排放浓度乞为； 皇：! 。i n 型玉皇! ( 3 3 6 ) 虬4 , c h b re x p ( + e x p ( - u , a o c , b t ) 一1 因此，新型颗粒层除尘器除尘效率为： 玎：1 一 ! 。i n 婴终塑! ( 3 3 7 ) 蚝凡c t , b te x “凡- 4 - c x “一吒九6 d 一1 3 5 2 新型固定床颗粒层除尘器的参数选择 从式( 3 2 8 ) 和式( 3 - 3 7 ) 可以看出，影响新型颗粒层除尘系统的过滤状况 ( 除尘效率，压力损失) 主要的参数为：滤料的性质，即颗粒滤料的种类和粒径， 颗粒层的厚度日，入口含尘浓度，过滤风速，过滤时间丁。 上述各项参数同时对除尘效率和压力损失产生影响，总的来说，改变参数以 增加除尘效率( 如增加h ，减少颗粒粒径等) 一般都不利于减少压力损失。由于 旋转吸风罩组合流化床清灰装置的特点，清灰周期的选择直接决定到每个单元格 内过滤层的过滤时间m 一1 ) , o ，即单个单元格的工作周期。 固定床连续工作是一个非稳态过程鲫，图3 2 是除尘效率和压力损失随时问非 稳态变化的示意图。从图上可以看出，当过滤时间达到某个位置( r ) 时，除尘效 率增长得非常缓慢，而压力损失突然大幅度增加，前述计算压损的公式也不再适 用。此时的颗粒层已经无法正常工作，必须进行清灰。 爨 褥 荣 制 篮 过滤时间( s ) 图3 2 颗粒层过滤的非稳态过程 2 5 = 、一 水 瞩 r 出 江苏大学硕士学位论文 所以，清灰周期t 的选择至少要满足：r 毛t t 。然而z 也不宜取的过小， 厅一1 否则除尘器的过滤效率较低，并且转速过快不利于系统稳定工作。 f 的选择与其他参数( 颗粒粒径，层高等) 有关，图3 2 中除尘效率与压损的 变化也与这些参数有关。所以对于不同的工作状态，过滤环境，后文将通过对不 同参数反复实验，确定新型固定床颗粒层除尘系统的各项参数，以及在不同工作 状况下清灰旋转周期r 。 3 6 本章小结 通过理论分析可以发现，对颗粒层过滤性能起主要影响的参数为滤料的种类， 颗粒粒径( 或孔隙率) ，入口含尘浓度，过滤风速，床层高度和过滤时间。式( 3 1 9 ) 和( 3 - 2 4 ) 分别反映了过滤效率和压力损失的变化规律，但式中一些特性常数还需 要实验确定。 对于新型固定床除尘器来说，清灰旋转周期r 的选择对除尘器高效率低能耗 的运行十分重要，同时，r 的选择也和其他各运行参数有关，需要进一步实验测定。 江苏大学硕士学位论文 第四章颗粒层除尘器实验的相似模化 颗粒层过滤是非稳态过程，随着尘粒在颗粒层内的持续沉积，过滤层的分离 效率和压力损失在不断变化。由于对过滤过程机理的理论研究尚不完善，虽然有 很多经验公式及理论模型，对颗粒层过滤过程进行精确的数值模拟仍不现实，所 以对于颗粒层过滤效果的研究仍然以实验为主。 实际工况复杂多变，尤其是颗粒床除尘器，经常用于高温高压烟气的过滤， 由于实验室条件限制，完全模拟实际情况难度很大，而采用相似理论设计模型实 验是一种可行的方法。对分析颗粒层除尘过程中两相流动以及过滤机理分析后， 确定相似准则，以便设计模型实验。 4 1 气固两相流动基本方程 4 1 1 气相基本方程 对于含尘气体，尘粒的运动由气体所支配，故属于稀相，忽略固相对气相的 影响，用欧拉拉格朗日模型描述。对于气相，认为气流的运动是不可压缩的稳定 等温流动，采用欧拉方法描述。其运动连续性方程为【3 8 l ： 百# p l + v 奶i ) - o ( 4 - 1 ) 动量方程为： 乃导+ ( 万v ) 虿】= 乃；+ v 弓 ( 4 2 ) 4 1 2 颗粒相基本方程 对于尘粒即颗粒相采用拉格朗日方法描述，单个尘粒运动中所受的力有重力， 惯性力，流体与颗粒相对运动所产生的力等，具体计算可参阅文献例m 【4 1 1 。对于 稳定等速流动的两相流，尘粒主要受惯性力和流体对其阻力的影响，忽略其他力 的影响，理想球体颗粒的运动方程为 4 2 1 ： 丢石d ；岛鲁= 百1 石e o + v ，l + 一石伊石) ( 4 - 3 ) 江苏大学硕士学位论文 式中c b 为阻力系数，无量纲数，当颗粒粒径与气固相对速度不大时，由s t o k e s 阻 力定律： c d 2 i 2 4 其中如为( 粉尘) 颗粒的雷诺数。 4 2 影响颗粒层过滤的准则数 4 2 1颗粒层过滤过程中各因素的影响 颗粒层过滤主要通过拦截、惯性碰撞和扩散效应分离尘粒，其他还有静电力、 热泳力等作用，由于在实际工况下，这些作用的影响非常小，所以可以忽略不计。 在分离不同粒径的粉尘及不同的过滤速度下，拦截、惯性碰撞和扩散效应的 捕集效率是不同的，如图4 1 1 4 3 | ： 量 v 聋 子 2 0 1 0 0 5 0 2 0 1 流速( 锄，g ) 图4 1 三种机理在不同条件下的作用范围 对于颗粒层过滤来说，过滤速度一般不会超过l m s ，大部分情况都在0 5 m s 左右。而当被过滤粉尘粒径在2 0 p m 以上时，过滤过程只有拦截和惯性碰撞作用， 而对于2 t t m 以下粒径的粉尘，则需要考虑扩散因素的影响，对于0 5 t t m 以下粒径， 扩散效应起主要作用。 4 2 2 颗粒层过滤中的拦截效应 由孤立体模型，设捕集体为球体，直径为d 。，拦截效率由下式给出： 2 8 江苏大学硕士学位论文 = 0 + 砰一三( 1 + 互丽1 ( “) 式中：r 拦截参数，j 扛码巩 4 2 3 颗粒层过滤中的惯性碰撞效应 直接通过数值计算求得碰撞效率的分析解非常困难，但是通过理论和实验分 析，碰撞效率是绕流雷诺数r e d 和s t o k e s 总结出的无量纲数的函数洲。 仉f(red，&)(4-5) = 竽 ， & = 辔 c 4 2 4 颗粒层过滤中的扩散效应 在布朗扩散效应下，粒径小于0 5 1 m l 的细微颗粒会绕着流线作晃动，离捕集 体近时就会撞在捕集体上，经过对气体尘粒扩散方程相似转换，可得扩散效率是 r e d 和贝克列( p c c l e t ) 数p e 的函数： - f ( r e d ，哟( 4 - 8 ) pe：vodp(4-9) 式中：d 扩散系数，当粉尘粒径足够小时( 小于l p m ) 其值与绝对温度r 成正 比。 4 3 颗粒层除尘器近似模化条件的确定 4 3 1 相似准则数的导出 先考虑两相流流动的相似，利用量纲理论分析符合( 4 - 1 ) ，( 4 - 2 ) 式的相似准 则数。上述两式中，有量纲的量为g ，助巧，t ，嘭，砌，i 以及气体的压力p 和 管径f 。这些量中所包含的基本物理量是长度【l 】，质量【m 】，时间i t 。利用量纲分 析法【4 5 l ，可以导出如下相似准则： 江苏大学硕士学位论文 瓯= 堡垒堕i l l s 二丑 ( 4 1 0 ) 这里的s 匆是两相流流动时的数。其含义是尘粒在和颗粒层碰撞前运动的 相似程度。 吃= 竿 该准则为流体动力均时性准则， 停留时间的比值。 如：l p f u f p | ( 4 1 1 ) 反映的是速度场的改变速度与气流在系统内 该准则为气体流通的雷诺数，保证的是气相流动的相似程度。 坼2 考 ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) 该准则为尘粒的傅鲁德数，反映了尘粒流动中的重力相似程度。 d e u = 二( 4 - 1 4 ) 既； 该准则为欧拉准则，反映了气相压力场的相似程度。 为了保证运动的相似，还需要保证气固相运动方程的单值性条件相等。即保 证分离装置几何相似，气相的物性参数变化，进出口分布相似，进口粉尘粒径分 布及与气相的密度比相似。 颗粒层过滤中，保证过滤过程相似，由过滤机理还需要满足下述无量纲数相 同：r ，r e d ，& ，p e 。 4 3 2 固定床颗粒层除尘的相似准则的选择 固定床颗粒层除尘器工作过程中，作为过滤介质的固体颗粒是静止不动的， 所以满足上述准则数相同就可以保证运动的相似。但是完全保证所有的准则数相 同是不现实的，所以要采取近似模化的方法，对已有的准则数进行取舍。 要保证气体过滤前运动的相似性，需满足相关的准则数有s 0 ，& ，凰，鹏， ，b ，乜，以及运动方程的单值性条件，即保证几何相似，物理条件相似和边界条 江苏大学硕士学位论文 件相似。 o 是非定性准贝| j 数，在进出口条件相同的情况下，曰j 数可以不用考虑。对于 细微粉尘，其运动完全受迫于气流，可以忽略重力影响，故n j 也可以忽略，浓度 不高的情况下i 也可以忽略。 保证几何相似，只需使模型除尘器结构与原型除尘器结构相同即可，为保证 物理条件和边界条件相似，尽量选用原型系统相同的气体和尘粒，入口风速分布 和尘粒的粒径分布与原型系统保持一致。 所以，对于固定床颗粒层除尘器，要想实验模型系统能够真实反映原型系统 的工作状况，在保证入口含尘气体所含尘粒粒径分布相似的情况下，还至少需要 满足准则r e l ，e ，r ，r e d ，& ，p e 相等。 由于对于不同粒径的粉尘，颗粒层的过滤机理不同。当过滤粉尘粒径在2 0 i t m 以上时，可以不用考虑f k 数的影响，而过滤细微粉尘( 小于2 t t m ) 的时候，r ， r e d ，瓯都可以忽略，主要考虑n 数的影响。 4 3 3 移动床颖粒层除尘的相似准则的选择 移动颗粒床建立模型实验过程中，除了需要满足固定颗粒床的准则数，还需 要一个准则数来反映移动的颗粒层的相似。 移动床颗粒层除尘层器工作过程中，颗粒层颗粒在外力的作用下移动，所受 的外力主要是颗粒之间的碰撞力，相比之下含尘气流对颗粒层的影响可以忽略。 保证两种系统颗粒层运动的相似，需要保证下述准则数相等： 吃2 薏 式中：厅，移动床颗粒的速度m s ； n i 是颗粒层颗粒的傅鲁德数。 4 4 本章小结 由于实验室条件限制，利用相似模化的方法在常温常压下实验，模拟实际工 况下除尘器的运行情况是一种可行的方法，r o b e r tcb r o w n 曾使用该方法设计过 移动床颗粒层模型实验台鲫，但仅针对一种粒径的入口粉尘，有一定的局限性。 江苏大学硕士学位论文 本章分析了颗粒层除尘工作机理，推导出模化实验时需满足的准则数。对固 定床颗粒层除尘器进行相似模化设计实验时，为使模型实验台能真实反映实际设 备工作情况，要保证准则数砌，e ，r ，r e d ，& ，p e 相等，其中r ，r e d ，瓯， ，它的取舍视过滤粉尘粒径分布而定；对于移动床颗粒层除尘器相似模化时，除了 满足上述各准则数外，还需要满足准则数乃i 。 江苏大学硕士学位论文