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南京理工大学博士论文 局部流化清灰的新型颗粒层过滤装置设计和实验研究 摘要 根据燃煤联合循环发电对高温烟气净化技术的要求，分析了现有技术的性能特点 和发展动态，指出了存在的问题。从优化颗粒层的过滤方式和清狄方式着手，提出了 局部流化清灰的颗粒层过滤技术。 采用吸风罩和单元格颗粒层形成组合流化床的结构方式，设计了局部流化清灰的 颗粒层过滤装置。给出了过滤装置的部分部件、过滤装置的放大和流化清灰系统的设 计方案。实验表明，清灰周期一定，过滤装置的过滤效率和床层压降不随过滤时间变 化；调节颗粒层的清灰周期，能改善过滤装置的过滤性能。 以流态化理论为基础，提出了颗粒层流化清灰的原则，研究了流化数对颗粒层流 化清灰的影响。实验结果表明，当颗粒层的流化数达到2 5 时，颗粒层在4 s 内能完 成清灰，床层高度和颗粒层的含尘量对清灰过程没有影响。 进行了颗粒层过滤的实验研究，得出了过滤介质特性、气流特性、灰尘颗粒特性 和清灰周期对颗粒层过滤性能的影响。实验优化了过滤介质和清灰周期的组合方式， 使过滤装置具有明显的节能效果。如：粒径0 9 m m 一1 2 m m 的过滤介质，床层高度 7 0 r a m 、清灰周期8 m i n ，当含尘量2 0 0 0 m g m 3 ( 标) 的气流经过颗粒层过滤后，排放 浓度低于l o m g m 3 ( 标) ，床层压降1 4 4 0 p a ，而粒径0 4 5 m m , , , o 9 m m 的过滤介质到达 同样的过滤效果，床层压降高达3 5 3 0 p a 。 建立了颗粒层过滤的宏观数学模型。根据颗粒层过滤机理、灰尘颗粒粒径分布的 特点和实验结果，修正了过滤速度对颗粒层过滤性能的影响，得出了颗粒层过滤效率 和床层压降表达式。对比了模型计算结果和实验结果，证明了模型计算公式的适用性 以及预测结果的可靠性。 关键词：颗粒层过滤，颗粒层清灰，过滤效率，床层压降，清灰周期，流态化 南京理工大学博士论文局部流化清灰的新型颗粒层过滤装置设计和实验研究 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h o s er e q u i r e m e n t so fh i g h - t e m p e r a t u r ef l u eg a sp u r i f i c a t i o nt e c h n i q u e i nc o a l - f i r e dc o m b i n e d c y c l ep o w e rg e n e r a t i o n ，p e r f o r m a n c e ，c h a r a c t e r i s t i c s a n d d e v e l o p m e n tt r e n do fe x i s t i n gt e c h n i q u e sa r ea n a l y z e da n dp r o b l e m si n v o l v e da r ei n d i c a t e d a g r a n u l a r - l a y e rf i l t r a t i o nt e c h n i q u ef o rl o c a lf l u i d i z e dd u s t c l e a n i n gi sp r e s e n t e db a s i n go n o p t i m i z a t i o no fg r a n u l a r - l a y e rf l t r a t i o na n dd u s t - c l e a n i n gm a n n e r s e m p l o y i n gc o n f i g u r a t i o no fc o m b i n e df i u i d i z e db e di n c l u d i n gs u c t i o nh o o da n dc e l l s t r u c t u r e ，ag r a n u l a rl a y e rf i l t r a t i o nd e v i c ef o rl o c a lf l u i d i z e dd u s t c l e a n i n gi sd e s i g n e d o p t i m i z a t i o nd e s i g n s c h e m e so fc r u c i a lc o m p o n e n t s ，a m p l i f i c a t i o na n df l u i d i z e d d u s t c l e a n i n gs y s t e ma r ep r e s e n t e d e x p e r i m e n t a ld a t as h o ws t e a d yf i l t r a t i o ne f f i c i e n c ya n d b e dp r e s s u r ed r o pw h i c hd on o tv a r y 耐t h 扭t r a t i o np e r i o d a n dt h r o u g ha d j u s t i n gt h e d u s t - c l e a n i n gc y c l eo ft h eg r a n u l a rl a y e r , f i l t r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ef i l t r a t i o nd e v i c ec a n b ee n h a n c e d b a s i n go nf l u i d i z a t i o nt h e o r i e s ，g r a n u l a rl a y e rf l u i d i z e dd u s t - c l e a n i n gp r i n c i p l e i s p r o p o s e da n dt h ee f f e c to ff l u i d i z a t i o nn u m b e ro ng r a n u l a rl a y e rf i u i d i z e dd u s t - c l e a n i n gi s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nf l u i d i z a t i o nn u m b e ro ft h eg r a n u l a rl a y e rr e a c h e s 2 5 ，d u s t - c l e a n i n gc a l lb ec o m p l e t e db yt h eg r a n u l a rl a y e rw i t h i n4s e c o n d s ，a n db o t hb e d h e i g h ta n d d u s tc o n t e n th a v en oi n f l u e n c eo nd u s t - c l e a n i n gp r o c e s s g r a n u l a rl a y e rf i l t r a t i o ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do u t i n f l u e n c e so fp r o p e r t i e so ff i l t r a t i o n m e d i u m ，f l u eg a s ，d u s ta n dd u s t - c l e a n i n gc y c l eo ng r a n u l a rl a y e rf i l t r a t i o np e r f o r m a n c ea r e s u m m a r i z e d c o m b i n a t i o no ff i l t r a t i o nm e d i u ma n dd u s t c l e a n i n gc y c l ei s o p t i m i z e d t h r o u g he x p e r i m e n tt om a k ee n e r g ys a v i n ge f f e c to ft h ef d t r a t i o nd e v i c em o r es a l i e n t f o r e x a m p l e ，w i t hp a r a m e t e r so ff i l t r a t i o nm e d i u ms i z eo f0 9 - 1 2 m m ，b e dh e i g h to f7 0 m m ， d u s tc l e a n i n gc y c l eo f8 m i nb e i n ga p p l i e d ，a f t e rf l u eg a s 、7 l r i t hd u s tc o n t e n to f2 0 0 0 m g m 。 ( n o r m a l i t y ) p a s s e st h r o u g ht h eg r a n u l a rl a y e r , t h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o ni sl e s st h a n 1 0 m g 。m 。( n o r m a l i t y ) a n dt h eb e dp r e s s u r ed r o pi s1 4 4 0 p a h o w e v e r , 丽t hf i l t r a t i o n m e d i u ms i z eo f0 4 5 m m - o 9 m m ，t h es a m ef i l t r a t i o ns t a n d a r dn e e d st h eb e dp r e s s u r ed r o p o fa sh i g ha s3 5 3 0 p a am a c r o s c o p i cm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rg r a n u l a r - l a y e rf i l t r a t i o ni se s t a b l i s h e d i n t e r m so fg r a n u l a rl a y e rf i l t r a t i o nm e c h a n i s m ，s i z ed i s t r i b u t i o n so fd u s tp a r t i c l e sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i m p a c to ff i l t r a t i o ns p e e do nf i l t r a t i o np e r f o r m a n c ei sa m e n d e d f o r m u l a ei n v o l v i n gf i l t r a t i o ne f f i c i e n c ya n db e dp r e s s u r ed r o pa r ed e d u c e d c o m p a r i s o no f c o m p u t a t i o n a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t st e s t i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ef o r m u l a e ，a n di t s t t t a b s t ra c t 南京理工大学博士学位论文 r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yi np r e d i c t i n gr e l e v a n tc a s e s k e yw o r d s ：g r a n u l a rl a y e rf i l t r a t i o n ，g r a n u l a r - l a y e rd u s t - c l e a n i n g ，f i l t r a t i o ne f f i c i e n c y , b e d p r e s s u r ed r o p ，d u s tc l e a n i n gc y c l e ，f l u i d i z a t i o n 南京理工大学博士论文 局部流化清灰的新型颗粒层过滤装置设计和实验研究 a a ， 6 c e c i n c l c 2 c u 彩 如 d h i d d e y 、e r e i e o e r e o 五 g g i 9 1 i 9 2 i h k l n 慨 p 符号说明 过滤装置截面积，m 2 阿基米德准则数 沉积密度调节参数，m 3 k g 1 气流排放浓度，k g m o 气流入口浓度，k g m 弓 临界流化速度方程中的系数 c u n n i n g h a m 滑动修正系数 过滤介质粒径，m 灰尘颗粒粒径，m 灰尘颗粒间隔中间点粒径，m 压力梯度比调节参数，m 3 k g 。1 灰尘颗粒扩散系数，m 2 s 。1 轴向、径向扩散系数，m 2 s 。1 惯性捕尘比 扩散捕尘比 拦截捕尘比 重力沉积捕尘比 灰尘颗粒个数百分比 重力加速度，m s 。2 灰尘颗粒质量百分比 进口灰尘颗粒质量百分比 出口灰尘颗粒质量百分比 颗粒层厚度，m h a p p e l 流体动力学系数 流化数 拦截效应无量钢参数 颗粒层床层压降，p a i x 符号说明南京理工大学博士学位论文 洁净颗粒层床层压降，p a p e c l e t 数 雷诺数 s t o k e s 数 过滤时间，s 颗粒层移动速度， m s 4 颗粒沉降速度，m s 。1 临界流化速度，m s t 过滤速度，m s 4 沉积密度，k g m 。3 目标函数 孔隙率 气流密度，k g m 。3 过滤介质密度，k g m - 3 灰尘颗粒密度，k g m 。3 流体动力粘度，k g m - 1 s 。1 颗粒层紧密性 过滤系数，m 。1 初始过滤系数，m d 分级过滤效率 过滤效率 初始过滤效率 x 衄 心 胎 船 ， 嘶 晰 仃 占 b 成 成 p 名 凡 仇 叩 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除t , g l ：i 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：递 加坼籼8 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：w 8 年月孑日 南京理工大学博上论文 局部流化清灰的新型颗粒层过滤装置设计和实验研究 1 绪论 本章论述了燃煤联合循环发电在节能减排上的优势，指出了高温烟气净化过程中 存在的问题，提出了本文研究的主要内容。 1 1 课题研究的背景 1 1 1 燃煤发电的现状 由于石油和天然气的储存量有限，煤炭在世界能源消费中的地位越来越重要。在 中国，能源构成、能源生产和能源消费一直以煤为主，是目前世界上最大的煤炭生产 国和消费国1 1 1 。据预测，到2 0 2 0 年，煤炭占中国一次能源消费的比重仍在6 0 以上， 而且这一格局在较长的时问内不会改变【2 1 。 以煤炭为主的能源结构，决定了中国的燃煤火力发电占主导地位。电力用煤占煤 炭消费的比例【3 】已从1 9 9 0 年的2 5 ，上升到2 0 0 4 年的5 2 4 。经济的快速发展和人 民生活水平的提高，电力用煤量将大幅度增加，以2 0 0 4 年一次能源消费量为基数， 根据能源消费弹性系数推算，2 0 2 0 年的发电用煤量达1 9 亿吨【4 】。 以煤炭为主要的能源结构造成了严重的环境污染。目前，中国的s 0 2 和c 0 2 排 放量分别居世界第一位和第二位【5 1 。由于s 0 2 排放量大大超过环境自净能力，中国已 有超过1 3 的国土面积受到酸雨污染。中国是京都议定书的签约国，虽然目前没 有减排二氧化碳的义务，但期限只到2 0 1 2 年，很快新的一轮谈判即将开始，中国极 有可能成为一些国家重点“攻击”的对象，承担起减排的责任不过是迟早的事。 除s 0 2 、n o x 、c 0 2 和灰尘外，燃煤装置排放的大气有害物中，还有有机成分( 如 苯并芘) 、未燃尽可燃物以及重金属，尤其是以亚微米级颗粒形式存在的重金属排放 物危害最大，对包括大气、水以及土壤在内的生态环境产生污染，几乎是造成所有疾 病的原因1 6 - 坦 。由于大气中污染物具有越界迁移的特性，已引起有关国家的关注。 燃煤导致的严重环境污染带来了高昂的经济成本和环境成本，对公众健康、动植 物、建筑物、桥梁等产生明显的破坏。国内外研究机构的研究成果显剥9 1 ，大气污染 造成的经济损失占g d p 的3 一7 。 据估算【1 0 l ，要使生态系统在能承受的降解能力之内，全国每年最多能容纳s 0 2 排放量1 6 2 0 万吨，n o x 排放量1 8 8 0 万吨，数据表明，中国目前已存在着严重的环 境“透支”。按照目前用电发展趋势、火电厂污染物排放量、发电用煤量进行预测， 在未来的二十年内，如果不采取措施，环境污染和煤炭生产的压力将越来越大。 1 1 2 联合循环发电的优点、发展和共性 针对燃煤污染产生的严重后果，世界各国相继出台了一系列计划，如美国、欧盟、 日本，制定和实施了“洁净煤技术( c l e a nc o a lt e c h n o l o g y - - c c t ) 计划，旨在解决 日益增长的煤电需求与环保之间的矛盾。中国政府己把洁净煤技术列入“中国2 1 世 1 1 绪论南京理丁大学博上学位论文 纪议程 ，洁净煤技术推广领导小组编制了中国煤洁净技术“九五”计划和2 0 1 0 年发展纲要。 燃煤增压流化床联合循环发电系统( p f b c c c ) 和整体煤气化联合循环发电系统 ( i g c c ) 是目前公认的能解决好燃煤发电节能和环保两大难题的洁净煤发电技术， 其先进性在于：( 1 ) 发电系统由两个部分组成，一部分为蒸汽推动蒸汽轮机发电，另 一部分为高温燃气推动燃气轮机发电，从热力学循环分析来看，其发电效率明显高于 常规燃煤电站，能大幅度节省常规能源资源；( 2 ) 与常规燃煤电站相比，可以将烟气 中的s o ”n o x 和细微颗粒物排放减少9 0 以上，具有优越的环保性能【1 1 】。由于发电 效率的大幅度提高和污染物排放的大幅度减少，燃煤联合循环发电能大大缓解环境污 染的压力和能源需求增长的压力。 1 9 9 0 年，瑞典a b b 公司在瑞典的斯德哥尔摩投产了世界上第一座、第一代 p f b c c c 示范装置。在此基础上，英国提出了第二代p f b c c c 的概念【1 2 】，采用煤炭 部分气化和前置燃烧方法，把燃气轮机入口温度提高到1 1 0 0 。c 一1 3 0 0 ，可进一步提 高联合循环效率【1 3 1 。在i g c c 方面【1 和1 6 1 ，美国、英国、日本、荷兰、德国、印度等 国纷纷建起了i g c c 示范电站，其中最受关注的是美国t a m p a 电站( 采用t e x a c a 气 化炉和g e - 7 f a 燃气轮机) 、p i n o np i n e 电站( 采用k r w 气化炉和m s 6 0 0 1 f a 燃气轮 机) 和荷兰的b u g g e u m 电站( 采用s h e l l 气化炉和v 9 4 2 西门子燃气轮机) ，单机功 率已达2 5 0 m w ，大量的研究放在关键技术的突破、开拓系统设计优化新方法和降低 投资费用的方面【1 7 】。 国内，东南大学于2 0 世纪8 0 年代建立了1 5 m w 的p f b c 试验台，主要从事原 理性研究，“八五”、“九五”期间在徐州贾汪电厂建立了p f b c c c 中试机组，针对关 键部件开展研究、探讨，掌握了一些具有自主知识产权的核心技术【1 8 l ；1 9 9 7 年和1 9 9 8 年，国家计委批准在大连台山热电厂和徐州贾汪电厂建设1 0 0 m w 的p f b c c c 商业 示范电站。1 9 9 4 年，以国家科委和电力部为组长的全国i g c c 示范项目领导小组成 立，“八五”期间开展了“i g c c 示范项目前期可行性研究”，“九五”期间完成了“i g c c 关键技术”攻关。1 9 9 9 年，国家计委批准立项，在山东建设单机容量3 0 0 m w 4 0 0 m w 的i g c c 示范电站【1 9 1 ，通过引进技术、消化吸收的方式，缩短差距，实现技术和设备 的国产化。总的来说，到目前为止，燃煤联合发电进展缓慢。 目前，燃煤联合循环发电示范机组的净热效率可达4 0 4 50 6 0 1 2 0 l ，进行工艺改进 和关键技术的突破，具有进一步大幅度提高的潜力，预计发电效率超过5 0 t 2 1 】，远 高于常规电站的运行效率。 p f b c c c 和i g c c 的共同特点之一是：燃煤的高温燃气必须高效净化，以满足 燃气轮机安全、经济运行。目前，p f b c c c 中的烟气净化多采用两级旋风除尘，气 体含尘浓度较大，尽管燃气轮机采用了强化处理，由于磨损和腐蚀严重，运行寿命短， 2 南京理工大学博士论文局部流化清灰的新型颗粒层过滤装置设计和实验研究 不能满足电力生产的需要和排放标准【1 2 1 ；i g c c 中的煤气多采用低温湿法除尘和脱硫 工艺，虽然可以达到净化要求，但损失了大量的燃气显热( 约2 0 ) ，使机组的效率 降低，同时产生大量的含焦油污水1 2 2 1 。很明显，这些净化方法不是理想模式。 既能满足燃气轮机安全经济运行要求、又能满足环保要求的高温高效的燃气净化 方式才能体现p f b c c c 和i g c c 的节能优势、环保优势和经济优势，因此，高温燃 气净化是p f b c c c 和i g c c 的关键内容之一。燃气的净化程度涉及到燃气轮机安全 可靠运行和寿命，关系到提高p f b c c c 和i g c c 发电效率的潜力所在，因此，高温 烟气除尘是高温净化的主要内容之一。 虽然国内、外对高温除尘的研究取得了很大的进展，高温除尘技术仍滞后于联合 循环发电中的其它技术【2 3 1 ，严重制约了p f b c c c 和i g c c 的进一步发展。因此，加 强高温燃气过滤技术的研究，提高燃气净化程度，是开发燃煤联合循环发电的热点问 题之一。 1 1 3 燃煤联合循环发电高温净化要求 燃煤联合循环发电的高温净化应根据保护燃气轮机的目的和满足燃煤锅炉排放 标准来制定。虽然没有统一的国际标准，但燃气高温净化效果必须达到非常高的程度。 影响燃气轮机正常工作和使用寿命的因素包括燃气的含尘浓度和粒度分布。研究 表明，叶片冲蚀损失与灰尘浓度、灰尘颗粒质量成正比，与灰尘颗粒速度的2 2 5 次 幂成正比，与灰尘颗粒粒径的1 o 1 6 次幂成正比。直径大于5 m 的颗粒会撞击通道 表面，磨损燃气轮机的叶片；直径小于5 m 的颗粒则会在燃气轮机叶片上沉积，堵 塞通道和导致燃气轮机功率和效率下降，严重的是，沉积物破坏转子的平衡、引起材 料的腐蚀，危及燃气轮机的安全运行，影响燃气轮机的动平衡。 根据燃气轮机的设计、叶片材料、叶片清洗和叶片的更换周期，各制造商对燃气 的含尘要求不尽相同。表1 1 给出了三种燃气轮机容许含尘指标，第一种为美国 表1 1 燃气轮机的三种除尘要求 ! 垒垒! 呈! ：! 垒! 呈呈幽兰鎏坚l 旦! 垡g 箜坐垒垫曼1 2 1 璺坚塑塑坚坠堕 序号 灰尘粒径当“m允许浓度c m g i l l 。3 ( 标) 3 1 绪论南京理工大学博士学位论文 w e s t i n g h o u s e 公司对在线清洗间隔时间1 0 0 h 、非在线间隔时间2 5 0 0 h ，叶片更换周期 为2 0 0 0 0 h 的燃气轮机提出的燃气含尘要求【刎；第二种、第三种来自文献 2 5 】。j u d k i n s 、 s t i n t o n 、s m i t h 等提出燃气轮机能够承受的灰尘浓度【硐为：小于l l x m 的尘粒，浓度低 于1 3m g m 弓( 标) ，小于1 0 1 x m 的尘粒，浓度小于1 0m g m 。3 ( 标) 。 总之，燃煤联合循环发电的燃气处理量大，燃气轮机对燃气中的尘粒直径和尘粒 的浓度要求较高。到目前为止，还没有完全满足燃煤联合循环发电高效、长时间可靠 运行的高温燃气净化方法。 满足上述燃气轮机运行要求的燃气完全可满足各国燃煤电站粉尘排放标准，不需 要再对烟气进行处理。 1 2国内外研究现状 目前，正在研究和开发的高温燃气除尘方法很多，短期内有望应用于燃煤联合循 环发电的高温燃气净化方法有高温旋风除尘技术、高温陶瓷过滤技术和颗粒层过滤技 术等。 1 2 1 高温旋风分离器 旋风分离器是利用颗粒旋转运动产生离心力，从而达到颗粒从气体中分离出来的 目的。从旋风分离器问世以来，许多学者对其流场特性、结构、型式、尺寸比例等内 容一直在进行研究，其除尘机理和结构优化设计趋于完善。到目前为此，已开发出 c l p 、c l k 型、d 型、b 型、多管式等性能优良的旋风除尘器【2 7 1 ，其产品已广泛应用 于能源、化工、冶金等行业的除尘和分离领域的各种场合。 目前，旋风分离器在理想状态下能达到的最佳效果是：1 0 1 x m 2 0 i t m 的尘粒，除 尘效率可达到9 5 9 9 ；5 1 m a - 10 9 m 的尘粒，除尘效率可达到6 0 8 0 ；珍珍7 ( 图2 4 吸风罩与均风板密封结构 f i g2 4 s e a l e dc o n s t r u c t i o no fi n d u c t i o nc o v e ta n dw i n db o a r d 1 一吸风罩周边密封平板；2 一均风板通气孔；3 一均风板；4 一吸风罩内 ( 1 ) 高温下旋转轴的冷却结构 旋转轴在高温下存在变形的可能，并且影响过滤装置在该位置的密封，因此，采 用循环水冷却的方法。 由于旋转轴转速较慢，5 m i n 。2 0 m i n 转一圈，可把旋转轴设计成水夹套结构形式， 其冷却水量根据处理气体温度、旋转轴长度来计算，使其温度控制在1 0 0 以下。结 构见图2 5 。 厂 a 5 7 a a 6 图2 5 旋转轴冷却结构示意图 f i g2 5 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h er o t a t i o na x i sc o o l i n g 1 - 一出水；2 - - 进水；3 一进水或出水夹套；4 一旋转轴；5 一进水侧；6 一气流通道；7 一出水侧 ( 2 ) 高压、高温下旋转轴的密封结构 高压高温下，密封端盖采用密封件密封显然不合理。可设计成图2 6 所示的结构 形式：在过滤装置盖板下面设置高温密封盖板，采用槽型结构增加漏气的阻力，在盖 南京理工人学博士论文局部流化清灰的新型颗粒层过滤装置设计和实验研究 板上面设置水冷盖板，降低盖板温度；盖板的上端、下端环形缝隙采用密封件( 旋转 轴温度和盖板温度已降低) 。控制冷却水量就可以到达设计所需的冷却效果。 h ki 一 j 1 一 么么铧么么勉 7 _ ?7 _ 7 _ ，7 j 2 闷黼 j 图2 6 高温、高压下的旋转轴密封 f i g2 6 t h er o t a t i o na x i ss e a l e du n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e 1 进水；2 一过滤装置盖板；3 一低温密封盖板；4 出水；5 一高温密封盖板；6 一环形槽 2 4 清灰气体净化系统设计 2 4 1 清灰气体净化系统设计 清灰气体的外部净化设计需要考虑灰尘粒径分布和气体温度。含尘气体可采用袋 式除尘器，或静电除尘器，或湿法处理，实现达标排放或回收；考虑到气体处于高温 状态，可根据具体情况对高温烟气进行冷却处理，如掺混冷空气冷却，或掺混冷烟气 冷却，或冷空气换热冷却，使其满足除尘设备运行要求。 本文设计的清灰气体净化系统包括：管式换热器、袋式除尘器和引风，如图2 7 所示。单元格与吸风罩组成组合流化床装置，流化气体央带灰尘经中心管排出过滤装 置，经过管式换热器降温和袋式除尘器除尘后排空或回收。系统是否需要引风机与过 滤装置的运行压力有关。 由于局部清灰，含尘气体量较小，理想方式是设计管式空气自然对流换热器或管 壳式换热器来冷却含尘气体【1 0 7 , 1 0 羽，设计时要考虑防堵措施。当燃气温度降低到2 5 0 。c 以下，采用袋式除尘器进行除尘【1 0 9 , 1 1 0 。因为设计时清灰气体量较小，经过降温后， 清灰气体的体积进一步减小，因此，处理清灰系统的除尘器较小，这样降低了清灰系 统的设备投资和系统运行费用。 2 4 2 净化系统的压力平衡 气流从图2 2 中的3 处运动到图2 7 的引风机前，其阻力包括：单元格布风板阻 力、颗粒层流化状态下的阻力、气流通道阻力、换热设备阻力和除尘器阻力，当不考 虑密封面漏气时，总阻力为： p 墨2 a p , 风板+ 嘞粒层+ 流通道+ 热器+ a 尘器 ( 2 1 ) 2 1 2 新型颗粒层过滤装置的设计 南京理工大学博士学位论文 4 8 9 图2 7 新型颗粒层过滤装置的清灰系统 f i g2 7c l e a n i n gd u s ts y s t e mo fn e wg r a n u l a r - l a y e rf i l t e r 1 一含尘气体；2 一洁净气体；3 - - 额型颗粒层过滤装置；4 一清灰含尘气体；5 - - 管式换热器； 6 一冷空气水；7 一袋式除尘器；8 一气体排空；9 一引风机；1 0 - - 热空气水 其中： 蛾风板= 白等 ( 2 2 ) 式中：幺为阻力系数，与布风板设计有关，由实验确定；甜为气流表观速度，1 1 s ； 以为气体密度，k g m 。3 ；，7 为布风板的开孔率。 f 缸粒层= k 日( 1 一) ( b p g ) g ( 2 3 ) 式中：h 为颗粒层静止床层高度，m ；为颗粒层的孔隙率，无因次；岛为固体颗 粒密度，k g m 。，k 为颗粒层流化时产生的最大阻力系数，与气流含尘浓度和清灰周 期有关。 蛾流通道= 蛾道沿程阻力+ 峨部阻力，根据具体设计的气流通道大小、长短和形 状进行计算，同时考虑气流含尘情况下( 气流输送) ，最大含尘浓度和灰尘的粒径对 沿程阻力的影响。 峨热器、曝坐器，根据具体设计尺寸、要求，根据相关手册进行计算f 1 0 8 1 1 0 1 。 当过滤装置选择负压运行时，吸风罩必须负压吸气，系统设置引风机，风机压头 最机必须克服清灰系统总阻力峨和过滤装置本身运行的负压最滤装置，这样才能保证 布风板下端气体能进入颗粒层并流化颗粒层，即： f 鼠机p 一民滤装置 ( 2 4 ) 当过滤装置选择正压运行时，清狄系统压力关系为： 最机+ 最滤装置之魄 ( 2 5 ) 如果过滤装置微j 下压运行，过滤装置内的压力不能克服清灰系统阻力，清灰 系统仍需设置引风机。 当过滤装置内的压力较高，可以克服清狄系统的阻力p 髓时，则流化清灰气体能 南京理工大学博士论文 局部流化清灰的新型颗粒层过滤装置设计和实验研究 自动地从布风板下端进入清灰区，使颗粒层流化清灰，清灰系统则不需要引风机，这 时清灰气体流量由外部阀门控制。 2 5 颗粒层过滤装置的放大 过滤装置的放大对颗粒层过滤技术的应用和发展影响较大。放大的原则是在保证 颗粒层运行性能和操作性能的前提下，方便单元格的划分，有利清灰过程的实施，降 低清灰区和密封区的面积比例，控制清灰气流量。 2 5 1 单元格的划分 当过滤装置直径较大时，扇形单元格的均匀划分存在如下问题：远离中心轴的单 元格将变得非常大，靠近中心轴的单元格非常小；在清灰时，气流因壁面效应而分配 不均；由于一组扇形单元格面积较大，局部清灰时所需要的流化清灰气量大，处理清 灰气体的投入和运行费用较高；不便过滤装置的加工。 因此，当过滤装置的直径大于6 0 0 m m 时，每个单元格可以设计成正六边形( 或 其它等边形) ，边长3 0 m m 一6 0 r a m 左右( 如采用正六边形钢管来排列) ，如图2 8 所示， 这样设计的清灰区所需要的清灰气体量较少。 5 6 图2 8 大直径过滤装置单元格的设计 f i g2 8u n i t sd e s i g no ff i l t r a t i o nd e v i c eo fl a r g ed i a m e t e r 1 一旋转轴；2 - 单元格；3 - 过滤区；4 一密封区；5 一清灰区；6 一吸风罩 图2 8 表明，径向一组单元格形成清灰区，相对每个单元格来说，气流的壁面效 应相同，在一定的床层高度下，每个单元格的气流分布均匀。 2 5 2 清灰区域的划分和循环清灰周期的确定 由于每组单元格清灰需要一定的时间，过滤装置直径大，循环清灰时间延长，相 应过滤区的过滤时间也延长，这样，颗粒层内沉积的灰尘量增加。沉积灰量增加能提 高颗粒层的过滤效率，但是，也带来了床层压降的增大。处理含尘量较高的气流时， 会导致床层压降增加较快。 2 新型颗粒层过滤装置的设计南京理工大学博上学位论文 为了稳定颗粒层的过滤性能，实现颗粒层过滤性能可调，在保证每组单元格清灰 时间的前提下，可根据装置半径的大小，在单个清灰区的基础上，设计2 个或3 个清 灰区，相应的吸风罩也设计成2 个或3 个。 颗粒层的过滤性能( 过滤效率和颗粒层压降) 与循环清灰周期密切相关。循环清 灰周期根据颗粒层最外围的圆周上的单元格个数、所要求的颗粒层过滤性能来确定。 实际上，在含尘气体经过预处理的情况下，设计1 个清灰区，就可以通过调节清灰周 期来满足稳定过滤装雹的过滤性能。 2 5 3 过滤装置放大方案比较 设计过滤装置只有一个清灰区，单元格尺寸、清灰区面积比和清灰气量的计算条 件如下： ( 1 ) 单元格为正六边形，边长分别为5 0 m m 、4 0i i i l t i 、3 0m m ； ( 2 ) 清灰区和密封区按照图2 8 划分 ( 3 ) 清灰区流化速度为1 5m s d ( 与过滤介质粒径有关) 。 假设过滤装置的直径分别为2 0 0 0 r a m 、3 0 0 0i 砌、4 0 0 0m m ，方案比较结果见表 2 1 。 比较结果是： ( 1 ) 颗粒层过滤装置清灰区面积占整个颗粒层的面积很小，能有效提高过滤装 置的利用率； ( 2 ) 单元格尺寸选取越小，所需清灰气量越小。由于清灰气体处于高温状态， 经换热设备冷却后进入除尘器，体积减少较多【1 1 1 】，处理清灰气体的投入较小，处理 过程相对简单。 表2 1 过滤装置放大方案比较 ! ! 坠! 呈兰：! 垫巴p 璺堕莹2 翌2 11 1 1 1 垡i 婴盟呈i 呈呈呈翌! 垒坚呈 装置直径dm i l l2 0 0 03 0 0 04 0 0 0 2 6 过滤装置的过滤特征和清灰特征 2 6 1 本文设计的颗粒层过滤装置 综上所述，基于冷态实验研究，本文设计的局部流化清灰的颗粒层过滤装置尺寸 如下： 南京理工大学博十论文局部流化清灰的新型颗粒层过滤装置设计和实验研究 过滤装置直径q ) 3 0 0 m m ，高度1 2 0 0 m m ，其中1 0 0 0 m m 为有机玻璃。处理气量 1 5 0 m 3 h - 1 。 单元格形状为扇形单元格，1 2 组。其中，颗粒层过滤区为9 组，颗粒层清灰区 和密封区共3 组。连续清灰时，1 0 组单元格处于过滤状态，瞬间为9 组单元格处于 过滤状态。单元格高度8 0 0 m m 。 布风板为多孔板，小孔直径2 m m ，呈正三角形分布，开孔率1 5 。布风板上铺 一层1 0 0 目的不锈钢丝网，防止过滤介质漏下。 均风板多孔板板形式，孔径5 m m ，呈正三角形分布，开孔率7 0 。 吸风罩截面为扇形，与一组扇形单元格截面积相同。吸风罩两边的密封板均为1 个扇形单元格的面积。吸风罩高度l o o m m 。 清灰气体量3 0m 3 h 1 ，清灰气体净化系统采用布袋除尘器过滤。 2 6 2 颗粒层的过滤特征 根据上述设计结果，过滤装置有如下过滤特性： ( 1 ) 颗粒层过滤时，过滤介质颗粒不动，呈现固定床的过滤特征。 ( 2 ) 颗粒层按照一定的顺序局部清灰，过滤区内的颗粒层沉积了按照一定规律 分布的灰尘。由于每组单元格的过滤时间不同，颗粒层内沉积的灰尘量不均匀，颗粒 层的孔隙结构不均匀，过滤过程呈现出不均匀的过滤特征。 ( 3 ) 尽管过滤区内每组径向单元格的过滤时间不一致，工作状态不一样，但是， 每组单元格在过滤区所经历的过滤时间和过滤状态完全一样，连续过滤过程又是一个 均匀过滤过程。因此，在清灰周期不变的情况下，整个过滤区内的灰尘沉积量和沉积 规律不随时间变化，装置的过滤性能保持不变；清灰周期变化，沉积灰尘量变化，颗 粒层的过滤性能也发生变化。 2 6 3 颗粒层的清灰特征 吸风罩运行方式有两种：间隙运动和连续运动，对应的清灰方式为颗粒层间隙清 灰和连续清灰。 间隙清狄时，吸风罩每次正对颗粒层的某一组单元格，形成一个完整的颗粒层流 化床系统。吸风罩的吸气量完全用于正对的单元格颗粒层流化清灰。清完灰后，吸风 罩再转动，j 下对另一个单元格，如此循环。 连续清灰时，吸风罩不停转动，吸风罩在大部分时间面对两组单元格，如图2 1 所示。吸风罩与每一组单元格的流通截面积是变化的，即每一组单元格的流通截面积 由最d , n 最大，然后由最大变为最小；单元格内的颗粒层历经固定床到流化床，再由 流化床到固定床。 由于分配到单元格气体流量不断变化，在某一清灰周期内，颗粒层连续清灰的有 效时间减少，因此，在相同的清灰条件下，流化清灰效果不如间隙清狄。因此，要达 2 新型颗粒层过滤装置的设计南京理工大学博士学位论文 到颗粒层快速清灰，必须增加吸风罩的吸气量，使每个单元格较早进入流化状态，较 迟离开流化状态，有一个瞬间的快速流化清灰过程。 2 7 本章小结 ( 1 ) 提出了设计目标，介绍了设计思路，对过滤装置进行了结构设计，并且设 计出了本文实验的过滤装置。设计的过滤装置消除了目| j 颗粒层过滤装置中出现的问 题，实现了颗粒层过滤过程和清灰过程一体化。 ( 2 ) 对过滤装置的局部结构和清灰气体的净化系统进行了设计，讨论了过滤区 和清灰系统的压力平衡问题；提出了过滤装置的放大设计方案。 ( 3 3 描述了过滤装置的过滤特征和清灰特征。清灰周期一定，过滤装置的过滤 性能不变；通过调节清灰周期，能改变颗粒层的过滤性能。 南京理工大学博士论文局部流化清灰的新型颗粒层过滤装置设计和实验研究 3 颗粒层流化清灰的研究 本章根据颗粒层流化清灰的要求，确定颗粒层流化清灰前提条件，研究过滤介质 特性、流化数、颗粒层含尘量对颗粒层流化清灰的影响。根据颗粒层间隙清灰、连续 清灰进行的实验结果，设计颗粒层流化清灰的操作参数。 3 1 颗粒层的流化清灰原理 3 1 1 基本原理 在流态化技术的应用和研究过程中，通常把粒径均匀的固体颗粒置于带有布风板 的容器中进行的流体动力学特性研列1 0 3 , 1 1 2 1 1 3 1 。当气流自下而上进入颗粒层时，随着 气流表观速度( 单位空床截面积的气体流量) 的逐渐增加，颗粒层中的固体颗粒将呈 现三种状态：固定床、流化床和气流床( 夹带床) 。结果表明，颗粒层由固定床转化 为流化床、气流床，与所对应的固体颗粒粒径、形状、密度和气流特性有关。 依据流态化理论，对不同粒径和密度的固体颗粒组成的颗粒层来说，在同一气流 速度作用下，颗粒所呈现的运动状态不同。具体来说，在某一气流速度，较大粒径的 颗粒可能处于固定不动状态，粒径稍小的颗粒可能呈现流化状态( 在容器内的一定高 度上、下运动) ，再小粒径的颗粒处于剧烈流化状态，而更小的颗粒则呈现扬析状态 ( 被气流带走) 。因此，依靠固体颗粒在气流作用下的运动状态差异，可实现固体颗 粒的分离。 在颗粒层过滤过程中，过滤介质的粒径大、密度大，而沉积的灰尘颗粒粒径小、 密度小，两者之间存在明显的差别。设计某一气流速度，在颗粒层清灰时，使过滤介 质处于流化状态，灰尘颗粒处于夹带扬析状态，这样能实现颗粒层流化清灰的目的。 因此，流化速度的设计对颗粒层的清灰至关重要。 3 1 2 颗粒层流化清灰的前提条件 实际过程中，含尘气流可能夹带少量的粒径较大的灰尘颗粒，选择的清灰流化速 度又无法将其带走，导致颗粒层中的灰尘颗粒越来越多，影响颗粒层的过滤性能；如 果提高清灰速度，可能导致过滤介质的夹带，也影响颗粒层的过滤性能。 综合上述因素，在选择颗粒层实施流化清灰方法时，对过滤系统工艺设计和流化 速度设计提出如下要求： ( 1 ) 含尘气体必须经过预处理，除去大粒径的灰尘颗粒，使过滤介质的粒径与 灰尘颗粒的粒径有明显差别，便于流化清灰方案的实施。如采用旋风除尘器预处理， 气流中的灰尘颗粒粒径可降低到6 0 9 m 以下。 ( 2 ) 分析含尘气流中灰尘颗粒的粒径分布，设计的流化清灰速度应大于最大粒 径灰尘颗粒的夹带速度，小于最小过滤介质颗粒的央带速度。 2 7 3 颗粒层流