脱硫灰团聚超细颗粒物的实验系统设计与调试研究

1、脱硫灰团聚超细颗粒物的实验系统设计与调试研究能源科学与工程学院：庞凌艳 指导教师：高继慧摘 要：本文总结了国内外提出的各种团聚技术及研究现状、分析归纳了超细颗粒物团聚机理；设计并搭建了风量为13.5189m3/h，适用于PIV或PDA等可视化测量的脱硫灰团聚吸附细小颗粒物实验系统；并在此基础上，对试验系统进行了初步调试，研究了运行参数对旋风分离器分离效率的影响，并进一步分析了旋风除尘器对不同粒径颗粒的脱除特性；对空塔及不同类型布风板设置的实验系统阻力特性进行了实验研究。本文实验结果表明，对于粒径小于10um的颗粒，本文设计的旋风除尘器无法有效将其从烟气中分离。对于粒径大于65um的颗粒，其除尘

2、效率在95%以上。布风板是系统中的主要阻力损失段，在风量为100m3/h条件下，加入布风板后系统阻力增加3297pa。随着风量的增加，系统的阻力逐渐增大。关键词：超细颗粒物；团聚；脱硫灰 Abstract：In this artical, based on the summary of current agglomerant technologies at home and abroad 、a detailed overview of the mechanism of particle reunion, designed and built an experimental system whi

3、ch can be used to measure desulfurization ashs adsorption to submicrometer particles with PDA or PIV.Its wind capacity is 13.5 189m3 / h. On the basis of work above, cyclone separation efficiency have been studied ,the collector materials of different particle size separation performance. At the sam

4、e time, this article also took a study of resistance characteristics of empty tower and different types of air board. The results show that after the screening analysis of particles separated by cyclone comparing with particles before remove,it can be found that particles with its size less than 10

5、microns, can not effectively be separated from the flue gas by the designed cyclone. For particles with more than 65 micron size, the efficiency of dust removal reached more than 95%. Air board are the major resistance losses in the system ,in the wind of 100m3/h ,the addition of board made the resi

6、stance increase to 3297pa. As the wind capacity increased, the resistance is gradually increasing.Key words：submicrometer particles; Agglomeration; desulfurization ash0 引 言燃煤产生的颗粒物已成为我国城市大气环境的首要污染物，虽然现有除尘装置的除尘效率高达99%以上1，但这些除尘器对可吸入颗粒物（PM10）特别是超细颗粒物（PM2.5）的捕获效率较低，仍有大量的细小颗粒物随烟气排放入大气中,对人类健康造成了极大的危害。因此，脱

7、除超细颗粒物，对烟气进行深度除尘对于保护环境具有重要的意义。本课题提出在传统脱硫化学反应过程中，通过添加添加剂使超细颗粒与脱硫产物及大的飞灰颗粒发生桥接和化学凝并效应，从而使细小颗粒依附在脱硫产物及大颗粒表面被脱除。为进一步研究脱硫除尘一体化提供必要的理论依据。且对于发展联合脱除工艺具有十分重要的价值。本文在查阅大量文献资料的基础之上，对目前国内外研究的团聚技术进行归纳总结，详细综述了颗粒物团聚机理，为后续研究奠定了基础。在上述研究的基础上，设计并搭建了风量为13.5189m3/h，适用于PIV或PDA测量的脱硫灰团聚吸附细小颗粒物实验系统，并对其气固流动特性进行了初步调试研究。1 脱硫灰团聚

8、实验系统的设计2.1 实验系统整体布局由于团聚吸附过程要求颗粒物间有良好的接触、混合条件，因此，设计实验过程为脱硫灰颗粒在反应器内循环流动，超细颗粒物由微量给料机送入反应器，以空气携带进入反应器内与脱硫灰颗粒团聚。为便于直观观察颗粒的流动特性和团聚行为，采用可视化研究。将反应器前、左两个侧面改用钢化玻璃密封，以便于PIV和PDA的测量。实验系统如图2-1所示，系统主要由物料供给系统，流化床反应器，鼓引风系统及除尘系统等四部分组成。在试验过程中，超细颗粒物料（10um）由微量给粉机提供进入管道后，由气流携带进入反应器；脱硫灰颗粒（粒径范围为1001000um）在试验前由反应器侧板送入反应器内，开

9、启风机后在其中进行流化循环。设计时保证脱硫灰最大流化高度不超过反应器。入口进入的超细颗粒与流化后的脱硫灰间发生碰撞、团聚，然后流出反应器经由旋风分离器分离排出。图2-1 脱硫灰团聚吸附细小颗粒物试验系统示意图因此实验系统设计主要确定以下参数：保证脱硫灰颗粒在反应器内形成良好的循环，首先需要确定反应器内流速及其结构尺寸；保证超细颗粒物能够在连续稳定送入反应器内，需设计机械输送与气力输送相结合的微量微型给料机；确保团聚形成的一定粒径的颗粒可以被有效分离所需的旋风分离器结构尺寸以及使实验系统正常运行的辅助设备参数。2.2 团聚反应器主体尺寸的确定由于实验要求脱硫灰颗粒在反应器内形成稳定循环，故空塔气

10、速范围取决于脱硫灰颗粒的临界流化速度和终端速度。根据文献2中的计算方法，选取脱硫灰的颗粒粒径范围为100um到1000um；脱硫灰的密度为1935kg/m3；气相密度为1.29kg/m3；气体的动力粘度为17.910-6 Pa.s。计算得：表2-1 各粒径段脱硫灰颗粒的临界流化速度和终端速度计算表dp（um）1002004006008001000umf（m/s）0.0060.0260.1240.231.4921.374ut（m/s）0.651.2982.5933.8865.1786.47umf/ut101.650.725.3216.873.474.71考虑在之后计算中留有余量，故可取反应器内空

11、气流速v范围为0.57m/s。作为可移动实验台，尺寸小型为优，结合二维可视化PIV或PDV测量特点，截面尺寸选为150mm50mm。取反应器高度大于终端速度计算得到的脱硫灰颗粒的最高运动高度为1800mm。反应器由通过法兰连接的三段组成。便于二维可视化研究，故设计反应器相邻侧壁分别为钢板和玻璃。根据流量公式得本文设计实验台的风量范围：13.5189m3/h。2.3 微型给料机的确定根据PIV测量技术要求，每个单位域内有效的粒子对应该多余10对3，进行反应器内物料质量的估算，从而推出所需给料机的给料量，约在4g/min。选择给料机如图2-2。 1-载气管 2-平衡管 3-料位监测孔 4-引射器

12、5-搅拌电机 6-加料孔 7-上料仓 8-连接法兰9-下料仓 10-支撑架 11-输料管 12-输料电机 13-搅拌轴 14-搅拌翅片 15-搅拌铁丝16-翅片小孔 17-刷子 18-空心螺旋图2-2 螺旋给粉系统示意图2.4 旋风分离器的确定根据文献4中通用Lapple型计算公式设计得旋风分离器的直径为130mm，高为528mm，入口风速范围为18-25m/s，排气管插入深度为83mm。并根据以往经验设计了与除尘器尺寸相适的料仓，如图2-3所示。图2-3 除尘器装置图2.5 辅助设备的确定2.5.1 布风板设计根据文献5设计了两种多孔板型布风板，孔径分别为3mm和4mm，对应孔数为56和44

13、。2.5.2 鼓引风机设计已知计算得最大流量为189m3/h，实验系统的阻力损失主要为布风板及除尘器损失，故风压至少大于20Pa。根据平衡通风理论，参照实验所要求的风量和风压，并考虑在满足实验用量的基础上留有余量。经咨询对比分析，选择浙江森森实业有限公司的HG-3000-C漩涡气泵：吹吸两用，最大风量280m3/h，最大风压35KPa，真空度-25KPa。以一台气泵即可实现同时对空气的鼓引作用。2.5.3 流量计选择 考虑管道经济风速至少大于12m/s，故取风速v=14m/s进行估算，Q=189m3/h时，管道直径D=6.91cm。为保证流动稳定，连续，管道直径必须小于6.91cm，即流量计内

14、径必须小于6.91cm。考察各种类型流量计，对比并结合实验要求：测量对象为普通空气，常温，精度较高，压损尽可能小，设备简单，一体化易安装，无噪声，经济合理。因此认为选择涡街流量计最为恰当。经咨询，采购国内北京菲舍波特仪器仪表有限公司的VT4001A-50-D00A0涡街流量计：现场显示一体型，最高测量流量280m3/h，口径50mm。2 实验系统的气固流动特性调试3.1 流量计标定采用皮托管连微差压计的方法。在靠近流量计一侧的直管段（50mm）上取一稳流截面进行测量。测量点的选取采用等截面积的方法，如下图所示。12345图3-1 直管截面测点布置测量结果如图3-2。图3-2 流量计标定结果图由

15、上图可知，标定结果与流量计显示趋势相同，验值与流量计测量值的最大误差为11.8%。3.2 旋风除尘器分离特性研究3.2.1进口浓度对旋风分离器分离效率的影响考察在风量100m3/h和200m3/h，对应物料分别为粒径40-70um的玻璃微珠和粒径70-90um的粉煤灰的情况下，进口转速分别为20、40、60、80r/s对分离器分离效率的影响。结果如图所示：由图可知，随着进口浓度的增加，旋风除尘器的除尘效率几乎不发生变化。分析：颗粒的速度是影响除尘效率的主要因素。因此，颗粒的进口速度不变，除尘效率几乎不发生变化。图3-3 不同飞灰进口浓度对分离效率的影响3.2.2 进口烟气量对旋风分离器分离效率

16、的影响考察在进口转速为40r/s，物料为20-60um玻璃微珠的情况下，风量取为50、100、150、200 m3/h对分离器除尘效率的影响，结果表明：随着进口风量增加，除尘效率提高。分析：进口风量增加，进口烟气流速增大，颗粒在进入旋风除尘器之前具有的初动量增大，进入分离后在离心力的作用下容易进入壁面区域，被脱除。采用Retsch筛分仪，进一步分析不同风量下旋风分离器的除尘性能。分别取分离前及分离风量为50、100、150、200m3/h条件下被分离下的颗粒各100g做粒径分析。筛分结果如下：图3-4 各粒径段颗粒所占质量份额图 由图3-4可知，随着进口风量增大，粒径在4075um间的颗粒分离

17、效率降低，分析：可能是由于，气相动量增强，气流携带颗粒的能力增强，使得小颗粒被甩到壁面后反弹进主气流携带出分离器。75um的颗粒质量份额呈现先降低后增加的趋势，分析：认为在低风量时，气速低于大颗粒终端速度，颗粒无法流出反应器。当风速高于一定值时，气速超过大颗粒终端速度，大颗粒开始流出反应器，被除尘器分离下来。由于小颗粒无法有效分离，因此被分离的颗粒质量份额较原始物料粒径分布增大。而20um的颗粒份额也显著增加，这却是与事实相悖的。分析：原因有很大可能是因为实验所用湿筛方式所产生的实验误差。3.2.3 颗粒粒径对旋风分离器分离效率的影响考察风量50m3/h，同一转速情况下，采用60um细粉、70

18、-100um粉煤灰、40-70um玻璃微珠以及75um的颗粒分离效率都近乎100%。而对于10um的颗粒，其除尘效率很低。3.3 实验系统阻力特性研究考察在空塔、加入布风板1（孔径4um）和加入布风板2（孔径3um）的情况下改变风量：50、100、150、180m3/h，反应器损失、除尘器损失及系统总阻力损失的分布变化。图3-5 空塔条件下实验台各部分的阻力损失图3-6 配置布风板1条件下实验台各部分的阻力损失图3-7 配置布风板2条件下实验台各部分的阻力损失由以上三幅图可知：空塔条件下，随着风量增加，系统阻力、分离器阻力和反应器主体段阻力增加。除尘器阻力和系统总阻力增加的斜率增大。另外，除尘器的阻力占总阻力的60-75%，风速越高，占得比重越大。加入布风板，系统内各部分阻力特性分布与空塔条件下基本相同。区别主要在于加入布风板后，反应器阻力大大增加，而除尘器的阻力基本不发生变化。图3-8 不同条件下反应器内的压降损失情况图3-9 不同条件下除尘器的压降损失情况图3-10 不同条件下系统总压降损失情况由以上比较可知：布风板是系统中的主要阻力损失段，它的增加大大提高了系统压降，尤其是反应器压降，急剧增大并超过除尘器压降； 孔径小、孔数多的布风板阻力要大，而当风量达到一定值如130 m3/h左右时，这种形势则会发生转折。总 结本文设计并搭建了风量为13.5189m3/h，