（热能工程专业论文）新型颗粒层除尘器清灰过程研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着i g c c 、p f b c c c 等先进燃煤联合循环的出现，提出了对燃气( 煤气或 烟气) 进行高温净化的要求，常规除尘技术已难以满足其要求。在高温除尘技术 中，颗粒层除尘技术以其耐高温、耐高压、除尘效率高等独特优点成为最有希望 获得突破的高温除尘技术。目前颗粒层除尘器存在的问题是高效率除尘和连续运 行不能兼得，这限制了颗粒层除尘器的推广和应用。本文就从此点出发，展开研 究工作。 本文在总结、分析已应用多种形式颗粒层除尘器的基础上，开发了能够同时 满足高除尘效率和连续运行要求的新型颗粒层除尘器。分析了新型颗粒层除尘器 的结构特点、工作特点，论证了提高除尘效率和拓展脱硫功能的可行性。分析了 新型颗粒层除尘器的核心一组合流化床的机构组成、运行方式，确定了组合流化 床的清灰频率。 清灰过程是保证连续稳定运行的关键。新型颗粒层除尘器气力清灰是流态化 在气固分离中的应用。对由过滤介质颗粒和粉尘构成的二组分混合物，利用流态 化理论结合二组分混合分离理论分析了清灰过程。通过实验研究确定清灰速度， 为颗粒层除尘器的设计和运行奠定基础。 采用数值模拟的方法，利用双欧拉模型结合颗粒动力学理论对过滤介质颗粒 的流化特性进行研究。采用逼近法确定过滤介质颗粒的临界流化速度。定性研究 床层压力损失和床层膨胀高度，为今后深入研究清灰过程奠定基础。 关键词：颗粒层，清灰，除尘器，分离，高温净化，数值模拟，流态化， 二组分混合物 江苏大学硕士学位论文 a b s 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 ss u c ha si g c ca n dp f b c c ch a v ea p u r i f i c a t i o nd e m a n df o rc o a lg a so rf l u eg a sa te l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，w h i c hr o u t i n e d u s t r e m o v a lt e c h n o l o g yi sd i f f i c u l tt om e e ta l r e a d y w i t hu n i q u em e r i t ss u c ha s r 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 d p r e s s u r e ，h i g h d u s tc o l l e c t i o n e f f i c 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 n 。i sm o s tp r o s p e c t i v et ob ed e v e l o p e da m o n g d u s tr e m o v a lt e c h n o l o g ya th i g ht e m p e r a t u r e a tp r e s e n tg r a n u l a rl a y e rf i l t e r sc a l ln o t b eo 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 hd u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c y s ot h em a i n w o r ko f t h i sp a p e rb e g i n sw i t l lt h i sq u e s t i o n i nt h i sp a p e r , a f t e rs u m m a r i z i n ga n da n a l y z i n gv a r i o u st y p e sg r a n u l a rl a y e rf i l t e r s d e v e l o p e d ，an e w t y p eg 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 tc a nb eo p e r a t e ds t e a d i l y i ns u c c e s s i o nw i t hl l i 曲d u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c y i t sc h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r ea n d o p e r a t i o na r ea n a l y z e d t h ef e a s i b i l i t y t oi n c r e a s ed u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c ya n d f u n c t i o no fd e s u l f u r i z a t i o ni ss t u d i e d a s s e m b l e df l u i d i z e db e di st h ec o r eo f n e w - t y p e g r a n u l a rl a y e rf i l t e r i t ss t r u c t u r ea n dr i mi sa n a l y z e d i t sf r e q u e n c yf o rd e a s h i n gi s d e c i d e d t h ec o u r s eo fd e a s h i n gi st h ek e yt ok e e pg r a n u l a rl a y e rf i l t e rr u ns t e a d i l yi n s u c c e s s i o n d e a s h i u gb yg a si st h ea p p l i c a t i o no ff i u i d i z a t i o nt h e o r yi ng a s - s o l i d s e p a r a t i o n t h ec o u r s eo fd e a s h i n go fb i n a r yp a r t i c l em i x t u r ei ss t u d i e dw i t ht h e f l u i d i z a t i o nt h e o r ya n db i n a r yp a r t i c l em i x t u r em i x i n g s e p a r a t i o nt h e o r y t h ev e l o c i t y o fd e a s h i n gi sd e c i d e db yt e s t ，w h i c he s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g na n d o p e r a t i o no f g r a n u l a rl a y e rf i l t e r t h ef i u i d i z i n gf e a t u r e so ff i l t e rm e d i u mp a r t i c l e si ss t u d i e dw i t he u l e r e u l e r m o d e la n dk i n e t i ct h e o r yo fg r a n u l a rf l o wb yn u t n e r i c a ls i m u l a t i o n t h em i n i m u m f i u i d i z e dv e l o c i t yi sd e c i d e db ya p p r o x i m a t i o s s q u a l i t a t i v ea n a l y s i so np r e s s u r el o s s a n de x p a n s i o no fg r a n u l a rb e di sg i v e n ，w h i c hi sa v a i l a b l ef o rf u r t h e rs t u d yo f d e a s h i n g k e yw o r d s ：g r a n u l a rl a y e r , d e a s h i n g ，f i l t e r , s e p a r a t i o n ，h o tg a sc l e a n i n g ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , f l u i d i z a t i o n ，b i n a r yp a r t i c l em i x t u r e i i 江苏大学硕士学位论文 主要符号说明 英文字母： 彳r阿基米德数， b沉积率， c l ，c 由实验确定的比例常数， c i入口含尘浓度，g - m 。3 c 。 曳力系数， d颗粒直径，m e弹性恢复系数， g重力加速度，m s 。2 g 。径向分布函数， 瓯平均流产生项，培m - 2 s 。 颗粒床厚度，肌 ，单位张量， 足+洁净颗粒床渗透率， 含尘颗粒床渗透率， 丘压力损失修正系数， 临界流化速度，m s 。1 砜。 临界鼓泡速度，m - s “ 尸 压力损失，户口 r e 雷诺数， s速度变形张量，s 。 &应变率张量，j 。1 f时间，j “ 真实速度，m s 。 u表观速度，m s “ v 速度，m s 。1 x 。床层顶部沉积组分浓度， x 。床层底部沉积组分浓度， k整个床层沉积组分浓度， 希腊字母： 相间阻力系数，堙m 3 s “ y碰撞能量耗散率，堙m s 。3 颗粒层孔隙率， 以体积空隙率， 湍流动能耗散率，m 2 s 。3 t流体动力粘度，p a s 。1 叩 颗粒层过滤器效率， zf o r c h h e i m e r 系数，m “ 户密度，堙m 。 痧形状系数， 芷 湍动能，坛。1 k o ，扩散系数，w m 。2 k “ r黏性应力张量，n m 2 。颗粒温度，世 体积黏度，p a j 巩湍流动能普朗特数， 盯。湍流动能耗散率普朗特数， 九 两相问的能量传递，七g m s 。3 下标： ，流体，浮升组分 g 气相 j沉积组分 p 颗粒 s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 学位论文作者签名： 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d 。 霞嶙 “年i 月5 日 指剥币签名u 嘭k ，乙肿6 年月日 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：霍阱 矽6 年易月6 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 我国能源与环境形势分析 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，因而这两个问题成 为人们最为关心的问题。 近年来，随着中国经济的迅猛发展和人民生活质量的提升，能源与环境问题 已经成为国民经济健康稳定发展所面临的巨大挑战。我国的能源结构与世界上工 业发达国家以石油、天然气、核能为主要一次能源不同，我国的能源构成和能源 消费均以煤为主，是世界最大的煤炭生产国和消费国，如2 0 0 4 年原煤产量和消 费量分别占到了中国能源生产总量的7 5 6 和能源消费总量的6 7 7 1 1 。在完全 开发水电、充分利用核能和非水力可再生能源、充分考虑油、气进口潜力的前提 下，煤炭在一次能源消费构成中将长期占据主导地位。但是，煤炭是一种低品位 的、较脏的能源，在开采、运输、转化和利用的各个环节都会对环境造成很大的 危害，是生态环境最大的污染源之一。煤的大量使用使我国大气呈“煤烟型”污染， 据历年的资料估算，燃煤过程所排放的主要大气污染物，如粉尘、二氧化硫、氮 氧化物、一氧化碳等，总量占整个燃料燃烧污染物排放量的9 0 。 目前在我国煤炭的消费形式中，用于发电的煤炭芯量占到了煤炭消费总量的 三成以上。今后随着国民经济的迅速发展，我国用于各种动力、取暖锅炉和居民 生活的煤炭比例会逐渐减小，发电用煤的比例会逐渐提高，预计到2 0 1 5 年发电 用煤的比例将达到4 0 1 2 1 。但是我国发电机组的高能耗、低效率运行使得我国煤 电平均转化率只有3 0 ，比发达工业国家低1 0 个以上百分点。这样就会形成： 一方面是火电机组容量越来越大，排放的污染物给环境带来的压力也越来越大； 另方面是由于人们环保意识的增强，环保标准也越来越严格。因此，清洁、高 效的利用煤炭，尤其是先进的煤电转化技术，严格控制燃煤污染物的排放，已经 成为影响我国国民经济持续发展、维系国计民生的重要问题。 江苏大学硕士学位论文 1 2 燃煤联合循环及其燃( 煤) 气除尘系统 洁净煤技术是由美国政府于1 9 8 5 年提出的，旨在从煤炭开采到利用的全过 程中，减少污染物排放和提高利用效率的加工、转化、燃烧及污染控制等新技术。 整体煤气化联合循环( i n t e r 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 ) 和增压流 化床燃烧联合循环( p r e s s u r i e df l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n - c o m b i n e dc y c l e ， p f b c c c ) 发电技术以其煤电转化率高、污染排放少等优点被认为是最有发展前 景的发电技术。从热力学分析，i g c c 和p f b c - - c c 的热效率将远高于常规煤粉 电站，目前示范机组的净热效率可达4 0 4 5 ，且具有进一步提高电站总效 率的巨大潜力。由于可实现煤在转化过程中的净化，即煤在转化过程中进行脱硫、 控制n o x 生成和除尘等，所以，与常规煤粉电站相比具有优越的环保性能。 i g c c 和p f b c c c 二者均有燃气循环，煤致气中的粉尘、硫化物、卤化物 及碱金属等杂质危害燃气轮机的安全运行，缩短燃气轮机的寿命，所以必须对煤 致气进行净化【i l 】。高温除尘是高温净化的主要内容之一。目前 g c c 和p f b c - - c c 中多采用一级干式除尘( 旋风分离器或陶瓷过滤器) 加一级湿式洗涤除尘器， 显然这样会损失燃气的显热，降低动力系统的热效率。为了提高整个机组的热效 率，要求在高温下进行燃气的净化，但高温除尘技术目前并未取得突破，这就限 制了i g c c 和p f b c c c 的发展。 此外，在化工、石油、冶金等行业中，也需要对高温含尘气体进行除尘，因 此迫切需要对高温除尘技术进行研究。 1 3 高温除尘技术 目前，已有许多高温除尘技术正在研究和发展，美国、德国、荷兰、日本等 国家也都在此领域投入了大量的资金进行研究，目的是将来能用于i g c c 和 p f b c - - c c ，或其它燃煤联合循环发电，解狭高温燃气( 煤气或烟气) 净化问题。 根据气固分离的原理不同，目前可应用于燃煤联合循环的高温除尘装置主要 有旋风分离器和过滤器两大类。旋风分离器是利用旋转运动使粉尘颗粒产生比重 力大得多的离心力而致粉尘颗粒从气流中分离。过滤器依靠惯性碰撞、拦截、扩 散以及静电力、重力等作用，使气流中的颗粒沉积于滤料表面或容纳于滤料内部 的孔隙中而实现除尘。 2 江苏大学硕士学位论文 1 3 1 高温旋风除尘 旋风除尘技术己广泛用于冶金、化工、能源及其它行业的分离和除尘领域。 旋风除尘器的机理研究和结构优化设计已趋于成熟。由各种形式的单体旋风除尘 器到串联或并联的组合式旋风分离器组，都在常温和高温的除尘和分离领域有成 功的运行。旋风除尘技术具有非常良好的耐高温性能，可在1 0 0 09 c 下持续运行， 且具有结构简单及运行费用低等优点。、备受重视。 然而，随着环保标准的日益严格，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不能满足环保和燃气 轮机的要求。旋风分离器能达到的最佳除尘效果一般为：对于l o 卢m 2 0 m 的 尘粒，其除尘效率可达到9 5 9 8 ，对于小于1 0 m 的尘粒，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能达到8 0 m g m 3 1 0 0 m g m 3 ( 标) ，这与燃气轮机对入口燃气的要求相差甚远。而且在高温状态下( 6 0 0 0 1 0 0 0 ( 3 ) ，舍尘气体的粘度和颗粒的特性与常温状态下有显著不同，燃气和尘粒 粘度的变化对除尘效果影响很大，使除尘效率降低。且除尘效率随着燃气含尘负 荷的变化而变化。所以，尽管旋风分离器能够在高温和高压下运行，但其除尘效 果远不能达到燃气轮机的要求，不能作为最终的精细除尘工艺。所以旋风分离器 一般用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，旋风分离器己成为高温除尘中不可缺少的一部分。其除尘性能直接影响着 精细除尘的效果。 1 3 2 高温过滤除尘 过滤是利用多孔性滤料从气体中除去分散的固体颗粒的净化过程。陶瓷过滤 器和颗粒层过滤器是两类目前被认为能满足燃煤联合循环要求的高温、高效除尘 装置。二者的优点体现在：( a ) 提高了煤电转化率；( b ) 几乎完全除去煤致气中 的颗粒物；( c ) 更有效保护燃气轮机，避免磨损和磨蚀。 1 、高温陶瓷过滤器【3 】【4 】 5 l 高温陶瓷过滤器是采用多孔陶瓷过滤材料作为过滤层除尘的。陶瓷过滤器按 结构形式可分为纤维陶瓷过滤器、织状物陶瓷过滤器、烛状( 管状) 陶瓷过滤器 等。 江苏大学硕士学位论文 纤维陶瓷过滤器具有压降低、重量轻、有弹性、无需支撑、过滤性能好等优 点。但它还未经过压力试验，耐高温和耐压力冲击性能还有待进行持久性试验验 证。其主要问题仍然是提高承受温度和压力冲击的强度。 织状物陶瓷过滤器的过滤效率也比较高，但同样未经过高压下的试验，而且 试验的规模较小，时间短，仍然需要突破支撑和强度问题。 烛状( 管状) 陶瓷过滤器与前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，已取得了大量的中试试验结果。要解决的最主 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问题；开发优良的清灰 脉冲系统，保证过滤的性能稳定。要突破这些问题，则必须从制造选材方面入手， 建立烧结过程和时间温度的关系，并进行过滤过程的研究，以优良的设备配合最 佳的运行方式，则可以使烛状陶瓷过滤器更上一个新台阶。 2 、颗粒层过滤器 颗粒层过滤器是利用物理和化学性质非常稳定的固体颗粒组成过滤层实现 过滤除尘的。按过滤时床层的流态可分为：固定床、移动床和流化床。固定床除 尘效率较高，但必须间歇进行，过滤的气体量较小；移动床可连续运行，但是过 滤效率低于固定床。目前已投入应用的颗粒层过滤技术多采用固定床过滤，但是 应用范围有限，一般都是通过间歇运行来实现过滤过程的连续。 固定床颗粒层与移动床颗粒层、流化床颗粒层相比，除尘效率要高，需解决 的主要问题是连续运行的问题；而移动床颗粒层、流化床颗粒层能连续运行，但 是移动床颗粒层和流化床颗粒层的工作特点决定了其孔隙率大于固定床，对超细 微粒的除尘效率不高，所以其对细微尘粒过滤效率很难取得突破性进展。 颗粒层过滤除尘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。它具有良好的耐高温和耐高压性能；过滤介质高温高压下性能稳定，持久性 好；对气体和颗粒性质不敏感，过滤效率较高。其缺点是：运行的控制因素较多， 如何达到最佳的运行状态及如何保证除尘系统连续稳定高效运行是摆在颗粒层 过滤技术面前的最主要问题。然而，与陶瓷过滤器面临的困难相比，颗粒层存在 的问题显得更容易突破。高温除尘最主要的矛盾在于：高温、高压及高含尘负荷 与高效率连续稳定运行之间的矛盾，因此，从主要矛盾出发，考虑已发展的现状 和成熟程度，可以认为颗粒层过滤更有发展前途。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文研究背景与主要内容 1 4 1 研究背景 鉴于颗粒层除尘技术在高温除尘中的独特优点，许多国家在颗粒层过滤技术 方面进行了研究与开发。1 9 5 7 年德国开始采用振动清灰的m b 型颗粒层除尘器， 以后经不断改造，又发明了c f g 耙子颗粒层除尘器。该型除尘器针对m b 型的缺 、 点，进行大量改进工作，使得颗粒层除尘器的应用日益广泛。日本川崎公司从1 9 7 6 年开始，成功地进行了一系列不同内容、不同规模的实验，曾开发垂直移动床颗 粒层除尘器f 2 0 】，其采用滤料床层连续移动，滤料体外循环，用振动筛分离滤料和 粉尘，再用提升机构将滤料送回除尘器的方式来替代水平颗粒层的反吹风清灰方 式。该型除尘器在煤气化炉、高炉煤气干法净化、沸腾炉除尘方面进行了试用。 美国能源部m o r t a n t o w n l 自g 源技术研究中心于2 0 世纪9 0 年代开发了内置过滤元件 流化床除尘器及其滤料再生系统，但其滤料再生系统设备较多，细灰分离率低。 在国内，有关研究单位研制了塔式旋风颗粒层除尘器，使得单体颗粒层结构 发展到多层结构。目前国内研究较多的是移动床和流化床颗粒层过滤技术。西安 国电熟工研究院开发的无筛移动逆流式颗粒层过滤器【1 7 1 1 】，进行了常压、高温 除尘过程结构和参数优化实验研究：开发了颗粒层气体循环清灰系统；研究了尘 粒在带电颗粒层中的振荡运动，提出了采用尘粒荷电和对颗粒层施加外电场的方 法来提高细微尘粒除尘效率的方法，并从理论上证明了一定条件下是可行的。华 中科技大学口6 】口7 1 开发了内置过滤元件流化床除尘器，并通过实验研究了除尘器 流化特性和过滤特性。东南大学【9 开发了磁稳流化床除尘器，并采用实验方法和 数值模拟方法对磁稳流化床的流化特性和除尘特性进行研究。 现在研究者对颗粒层除尘器的研究又有一个热点，就是通过设计上的改进， 使颗粒层除尘器与烟气脱硫相结合，从而拓展除尘器性能【1 2 】。 1 4 2 本文主要研究内容 颗粒层除尘器应用于除尘实践已有八十多年，研究者开发了多种结构形式的 颗粒层除尘器，但是，已开发的除尘器并不能将固定床的高效率除尘和移动床、 流化床的连续运行的优点结合起来，而且能够连续除尘的移动床、流化床除尘器 江苏大学硕士学位论文 的滤料再生系统复杂。所以有必要开发一种能够集高效率除尘和连续运行、清灰 系统简单的颗粒层除尘器。本文研究的主要内容如下： 1 、对已开发颗粒层除尘器的现状、研究进展和存在问题进行总结和评价。 开发一种新型的旋转式颗粒层除尘器，该除尘器将固定床分为多个单元，采用局 部清灰而不影响过滤过程，即实现了高效率除尘和连续运行的结合。 2 、利用流态化理论和二组分混合物混合分离理论分析固定床清灰过程，并 通过实验研究清灰过程，为旋转式颗粒层除尘器的运行和设计提供依据。 清灰是保证颗粒层除尘器连续运行必不可少的环节。新型颗粒层除尘器的过 滤形式采用固定床，所以采用气力反吹清灰，即将过滤介质颗粒保留在床体中， 将粉尘利用气力带出床体。气力清灰的实质是二组分流态化分离。 3 、利用双欧拉模型结合颗粒动力学理论对过滤介质颗粒的临界流化速度、 床层压力损失和床层膨胀高度进行数值模拟研究，从而为进一步深入研究气力清 灰提供参考。 气力清灰是一复杂的多相流问题。由于气体和颗粒间的复杂作用关系，传统 的实验研究获得的信息十分有限。随着计算机技术的高速发展，计算流体力学和 计算方法理论的日益完善，使得运用数值模拟的方法深入研究气体一颗粒系统的 动力学特性成为可能。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章颗粒层除尘器概述 颗粒层除尘器随高温气体除尘需要而出现，广泛应用于化工、冶金和建材等 行业的高温除尘；因燃煤联合循环发电高温气体净化需求而备受重视，目前颗粒 层除尘器被认为是最有前途的高温燃气除尘方法之一。 本章主要对颗粒层除尘器的现状、研究进展和存在问题进行总结和评价。 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。滤料粒度和颗粒 层厚度影响除尘器性能，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。 滤料材质根据含尘气体的状态来确定，如燃煤联合循环发电高温燃气的除 尘，要求滤料耐磨、耐腐蚀、耐高温，根据实验和应用来看，表面粗糙、形状不 规则的滤料有利于提高颗粒层的效率。 除尘器本体：支撑滤料，维持滤料处于某种过滤状态的_ 十容器。 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 颗粒层除尘技术的特点 颗粒层过滤技术具有如下突出的优点： 1 、除尘效率高。一般总除尘效率可达到9 8 9 9 9 ； 2 、除尘性能容易调节。可通过调节床层厚度、颗粒介质粒径及过滤风速来 控制除尘性能： 3 、耐高温性能好。选择合适的滤料，可适应4 0 0 1 2 9 0 0 。c 的高温除尘，除 尘器的操作温度仅受钢材本身的限制； 4 、能承受高压和压力冲击，不存在脆裂和破碎等问题： 江苏大学硕士学位论文 5 、颗粒层介质一般选用石英砂等，过滤介质来源广，价格低廉，耐磨性能 好，且设备阻力适中，运行时不需用水，热损失小，所以运行费用低： 6 、可拓展性强。可以在过滤介质中加入脱硫剂，使除尘和脱硫过程同时进 行。 当然，颗粒层除尘器也存在以下不足： i 、对细微颗粒的捕集不够高，特别是9 , u r n 以下的微粒： 2 、过滤速度较低，一般0 4m s 0 0 8 n 4 s ，因此，处理大流量气体时设备庞 ，。 2 1 3 颗粒层除尘机理 当含尘气流流经颗粒层过滤器时，流线就要发生偏析，此时，较大的尘粒( 大 于1 , u m ) 由于惯性作用偏离流线撞到过滤介质颗粒上，称为“惯性碰撞”效应； 同时，有些细微尘粒仍然随流线运动，若此时尘粒的半径大于尘粒中心至0 颗粒边 缘的距离时，尘粒即因与颗粒接触而被拦截，称为“拦截效应”；更细微的尘粒如 小于1 棚的尘粒，特别是小于o 2 b m 的亚微米粒子虽远离过滤介质颗粒，但在 “布朗扩散”作用下，也可能撞到过滤介质颗粒；外加电场或尘粒与过滤介质颗粒 的摩擦产生的“静电作用”也会促使尘粒与过滤介质颗粒接触；“重力作用”也会使 颗粒发生沉积；此外，还有“热迁移”、“伦敦一范德华力”等作用，但这两种作用 力较小，可忽略。 颗粒层捕集粉尘时，在初始时刻，惯性碰撞、直接拦截和扩散沉积时最重要 的捕集机制，随着粉尘在颗粒层表面的沉积，粉尘层形成，介质颗粒层的除尘效 率有所提高，此时筛分作用就成了主要捎集机制。这也是由颗粒层过滤除尘的非 稳态性决定的。 2 1 4 颗粒层除尘器的性能 颗粒层除尘器的性能包括除尘效率和颗粒层压力损失。 除尘效率：含尘气流通过颗粒层过滤后，颗粒层中截留灰尘的能力，是除尘 器的一项重要指标。影响除尘效率因素较多，如滤料的粒径、颗粒层厚度、过滤 速度及粉尘的粒径分布，同时，滤料和粉尘的性质、表面状态，气体温度、压力 江苏大学硕士学位论文 等也影响除尘效率。另外，颗粒层的过滤状态对除尘效率产生重要的影响，例如， 如何避免沉积的灰尘产生二次夹带，如何利用沉积灰尘进一步提高颗粒层除尘效 率等。 颗粒层压力损失：气流通过颗粒层时所消耗的能量。压力损失与颗粒层厚度、 过滤风速和颗粒层内灰尘沉积状态有关。减少压力损失能减少颗粒层除尘器的动 力消耗，但颗粒层压力损失过低，表明颗粒层过滤速度低，除尘器处于气体的能 力下降，或灰尘沉积量少，除尘效率较低。 另外，过滤速度也是颗粒层除尘器的一个重要参数，反映除尘器处理能力的 大小。过滤速度对颗粒层的各种除尘机理的影响不完全一致，例如，过滤速度高， 扩散、重力、拦截等效应下降，而惯性效应提高，惯性碰撞效应仅对大颗粒有效， 而在高流速情况下，二次携带加剧，导致除尘效率下降。 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。按过滤时床层的流态可分为：固定床、移 动床和流化床。下文将对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。 2 2 固定床颗粒层除尘器 2 2 1 固定床颗粒层除尘器工作流程 所谓固定床就是指在过滤过程中颗粒层相对静止。固定床过滤过程是一个非 稳态过程。固定床颗粒层从洁净滤料( 清灰后) 开始，随着过滤时间的增加，由 于粉尘沉积在颗粒层表面及内部使得颗粒层空隙率变小，压降增大，同时除尘效 率也增大。这个特点也是固定床颗粒层的优点所在。 当压力损失增大到一定值时，为了保证动力系统安全稳定运行，就要停止过 滤过程。固定床的滤料再生过程不需要将过滤介质颗粒从床体中移出，一般是通 入气体将颗粒层中的粉尘吹出。 2 2 2 固定床颗粒层除尘器类型【7 l 【8 】 1 、耙式颗粒床除尘器 9 江苏大学项士学位论文 图2 1 耙式颗粒层除尘器 耙式颗粒层除尘器是通过换向闽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 、旋风式颗粒床除尘器 ( 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 抉向阀门9 干净气体总管1 0 耙子1 1 电动机 图2 2 耙式一旋风颗粒层除尘器 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 1 0 江苏大学硕士学位论文 ( 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。 3 、沸腾式颗粒层除尘器 i 一进气口；2 一过滤室；3 一沉降室；4 一下隔板；5 一过滤床层；6 一灰斗 7 一排灰口；s 一反吹风口；9 一净气口i1 0 一阑门；1 卜一疆板 图2 3 沸腾式颗粒层除尘器 沸腾式颗粒层除尘器的过作过程较复杂。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面下地穿过滤料层。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。 综上所述，固定床颗粒层除尘器的主要优点是除尘效率高，清灰简单；缺点 是除尘器不能连续运行，必须间歇运行，实际应用中需要多个除尘器并联运行， 控制系统复杂，这一点也限制了固定床颗粒层除尘器的应用。 江苏大学硕士学位论文 2 3 移动床颗粒层除尘器 2 3 1 移动床颗粒层除尘器工作流程 移动床颗粒层除尘器是依靠滤料的重力，使得颗粒层向下连续或间歇，下端 含尘较多的颗粒层移出除尘区，在除尘器外部进行清灰，同时将清灰后的过滤介 质颗粒通过气力输送到除尘器上端，维持过滤过程的连续运行。 、 移动床颗粒层除尘器是固定床颗粒层清灰系统改进的一个必然结果，实现了 颗粒层的连续过滤。由于移动床颗粒层内部沉积了按一定规律分布的灰尘，有利 于提高颗粒层的除尘效率，在操作参数不变的情况下，其除尘效率和压力损失也 不发生变化，因此，颗粒层过滤过程是一个稳态状态。 2 , 3 2 移动床颗粒层除尘器类型 移动床颗粒层除尘器是近年来研究者的研究热点，所以，结构形式也很多。 根据气流方向与过滤介质颗粒移动方向的相对关系，移动床颗粒层除尘器可分为 交叉流式、平行流式、逆流式辜种形式。 l 、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。 2 4 交叉流式颗粒层除尘器 1 2 气体 江苏大学硕士学位论文 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。 2 、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。 合尘气体 清洁气体 图2 5 平行流式颗粒层除尘器 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 i r a s - 1 8 2 n g 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。 3 、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 江苏大学硕士学位论文 粒层的移动方向相反，如图2 6 所示【1 7 】。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。 4 r 质 图2 6 逆流式颗粒层除尘器 气体 图2 7c p c 公司逆流式颗粒层除尘器 江苏大学硕士学位论文 图2 7 【6 】是美国w e s t i n g h o u s e 公司为燃烧动力公司( c o m b u s t i o np o w e r ，简称 c p c ) 设计的一台配1 0 0 m w k r w 空气气化炉的颗粒层除尘器，内径4 2 7 m ，正 常颗粒层深度1 5 2 m 。由于除尘器直径较大，除尘器还专门设置了过滤介质分配 装置，保证滤料在除尘器内均匀分布，同时介质分离表面颗粒不断更新，减少了 灰尘的二次夹带。 综上所述，平行流式除尘器处理气体量最大，而逆流式引起的灰尘二次夹带 量最少，评价最高。但颗粒层移动过程中颗粒间隙增大、颗粒错位的现象不可避 免，导致细微灰尘的除尘效率下降，已沉积的细微灰尘也可能因为过滤介质错位 从其表面脱落，再次被过滤气流夹带，因此，移动床颗粒层除尘器对细微灰尘颗 粒的除尘效率不高。 2 4 流化床颗粒层除尘器 由于固定床除尘器不能连续运行，给实际应用带来诸多不便，许多研究者尝 试用流化床用作除尘器，即：在过滤过程中，流化床颗粒层除尘器的过滤介质处 于流化状态，但是气固聚式流态化中的气泡为粉尘提供了通道，降低了除尘效率。 因此就需对流化床除尘器加以改进。 2 4 1 内置过滤元件流化床颗粒层除尘器 华中科技大学开发了内置过滤元件流化床除尘器【2 6 】，该除尘器的核心是 浸没在流化床中的烛状过滤元件，过滤元件由耐高温的合金材料制成的多孔支撑 管和包覆在表面的金属筛网组成。当气流通过流化床料层时，较细颗粒被气流携 带，一部分相对较粗的颗粒会被过滤元件阻截，并在过滤元件表面沉积下来，逐 渐积累，形成对很细颗粒都能有效起过滤作用的过滤层。 过滤灰层是由于气流的携带而形成，不是靠颗粒间的粘性力结合在一起，因 而不易堵塞，不需要定时进行反吹。过滤元件表面的灰层保护了过滤元件，延长 了过滤元件的使用寿命。流化床中的气固两相流的湍动对过滤元件有清洁作用， 避免了过滤灰层过厚。 要维持除尘器的连续稳定运行，必须将过滤下来的细灰及时排出床外，以维 持床内有稳定的细灰浓度。在流化床浓、稀相交界稀相侧将床料于细灰的混合物 引出进行滤料再生，但除尘器滤料再生系统较为复杂。 江苏大学硕士学位论文 1 一流化床进凤管：2 - - 风室：3 - - 布风板：4 - - 流化床：5 - - 过滤元件# 6 一l 阀 7 一料仓；8 - - 螺纹连接管；9 一连接引风管；l o 一卸料口 图2 。8 内置过滤元件颗粒层除尘器 2 4 2 磁稳流化床颗粒层除尘器 东南大学开发了一种磁稳流化床除尘器，采用h e l m h o l t z 线圈获得外加磁场。 磁稳流化床用外加磁场抑制了流化床内的气泡生成、长大，实现了颗粒的散式流 化，具有气固两相接触好、无颗粒返混、床层压降小、无气体短路等优点，因此， 把磁稳流化床用作过滤除尘装置能够符合净化要求。 磁稳流化床除尘器的最大缺点是滤料的选择性。磁性颗粒介质一般可以分为 磁性载体和磁性胶体。就目前常用的磁性颗粒介质而言，铁磁性颗粒介质所占的 比例较高，滤料相对于固定床滤料而言来源范围窄、价格较高。此外，运行能耗 也较大。 l 、 管道 2 一线圈 3 一流化床 2 9 磁稳流化床颗粒层除尘器 1 6 江苏大学硕士学位论文 图2 7 【6 】是美国w e s t i n g h o u s e 公司为燃烧动力公司( c o m b u s t i o np o w e r ，简称 c p c ) 设计的一台配1 0 0 m w k r w 空气气化炉的颗粒层除尘器，内径4 2 7 m ，正 常颗粒层深度1 5 2 m 。由于除尘器直径较大，除尘器还专门设置了过滤介质分配 装置，保证滤料在除尘器内均匀分布，同时介质分离表面颗粒不断更新，减少了 灰尘的二次夹带。 综上所述，平行流式除尘器处理气体量最大，而逆流式引起的灰尘二次夹带 量最少，评价最高。但颗粒层移动过程中颗粒间隙增大、颗粒错位的现象不可避 免，导致细微灰尘的除尘效率下降，已沉积的细微灰尘也可能因为过滤介质错位 从其表面脱落，再次被过滤气流夹带，因此，移动床颗粒层除尘器对细微灰尘颗 粒的除尘效率不高。 2 4 流化床颗粒层除尘器 由于固定床除尘器不能连续运行，给实际应用带来诸多不便，许多研究者尝 试用流化床用作除尘器，即：在过滤过程中，流化床颗粒层除尘器的过滤介质处 于流化状态，但是气固聚式流态化中的气泡为粉尘提供了通道，降低了除尘效率。 因此就需对流化床除尘器加以改进。 2 4 1 内置过滤元件流化床颗粒层除尘器 华中科技大学开发了内置过滤元件流化床除尘器【2 6 】，该除尘器的核心是 浸没在流化床中的烛状过滤元件，过滤元件由耐高温的合金材料制成的多孔支撑 管和包覆在表面的金属筛网组成。当气流通过流化床料层时，较细颗粒被气流携 带，一部分相对较粗的颗粒会被过滤元件阻截，并在过滤元件表面沉积下来，逐 渐积累，形成对很细颗粒都能有效起过滤作用的过滤层。 过滤灰层是由于气流的携带而形成，不是靠颗粒间的粘性力结合在一起，因 而不易堵塞，不需要定时进行反吹。过滤元件表面的灰层保护了过滤元件，延长 了过滤元件的使用寿命。流化床中的气固两相流的湍动对过滤元件有清洁作用， 避免了过滤灰层过厚。 要维持除尘器的连续稳定运行，必须将过滤下来的细灰及时排出床外，以维 持床内有稳定的细灰浓度。在流化床浓、稀相交界稀相侧将床料于细灰的混合物 引出进行滤料再生，但除尘器滤料再生系统较为复杂。 江苏大学硕士学位论文 2 5 颗粒层除尘器滤料再生系统 为了除尘器的安全稳定运行，就需对其过滤介质颗粒进行再生。颗粒层滤料 再生过程对于不同形式的颗粒层除尘器的意义是不同的。对固定床而言，滤料再 生是通过将粉尘从过滤介质颗粒中反吹出来并将其收集来实现的，因为不需要将 滤料移出到除尘器外部，所以滤料再生系统较简单。对于移动床和流化床而言， 滤料要在除尘器外部进行清灰然后还要输送到床体中，相对来说很复杂。 移动床和流化床滤料再生系统的工作形式主要有以下几种：( 1 ) 振动筛分清 灰【1 9 】+ 机械提升机输送、( 2 ) 振动筛分清灰+ 气力输送、( 3 ) 气力输送+ 气力清灰 1 3 0 o 筛分机械的筛孔不能过大，否则会增大滤料的损失；但是，筛分机械的筛孔 也不能太小，否则就使其分离效率减小。从实际应用来看，振动筛分清灰总是伴 有滤料的损失，且由于振动筛的振动，粉尘会飘扬，并不能完全沉降到筛下，且 有可能随滤料再次进