新型流化床顆粒層過濾器及其阻力的研究

引 言
　　先進的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC-CC)發(fā)電等高效、清潔的燃煤能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都需要一套運行可靠、維護簡單的高效煤氣凈化裝置,能夠從高溫、高壓的煤氣中有效地清除幾乎所有的固體顆粒和H2S等氣態(tài)污染物[1,2,4~6]。新型流化床顆粒層過濾器與陶瓷過濾器、金屬燒結(jié)網(wǎng)過濾器、移動床過濾器等一樣,是一種日益得到重視和發(fā)展的新型高溫煤氣凈化設(shè)備。新型流化床顆粒層過濾器起過濾作用的是浸沒在流化床中的燭狀過濾元件。過濾元件由耐高溫的合金材料制成的燭狀支撐骨架和附著在骨架上的金屬網(wǎng)屏組成。當氣流通過流化床料層時,較細顆粒被氣流攜帶,一部分相對較粗的顆粒會被過濾元件阻截,并在過濾元件表面上沉積下來,逐漸積累,形成對很細顆粒都能有效起過濾作用的過濾層。過濾灰層是由于氣流的攜帶而形成,不是象陶瓷過濾器那樣靠顆粒間的粘性力結(jié)合在一起,因而不易堵塞,不需要定時進行反吹,使系統(tǒng)大大簡化;過濾元件表面的灰層保護了過濾元件,避免了磨損,延長了過濾元件的使用壽命;流化床中氣固兩相流的湍動對過濾元件有清潔作用,避免了過濾灰層過厚。已進行的實驗研究表明,流化床顆粒層過濾器能有效地清除微細顆粒,除塵效率達99.9%。過濾后含量極少的微細塵粒的平均粒徑在1.5μm左右,總的過濾效果與陶瓷過濾器相當。同時,如果選用適當?shù)拿摿騽┳鞔擦?還可以脫除H2S。這樣,除塵過程和脫硫過程就結(jié)合在一起,使煤氣凈化系統(tǒng)大大簡化。

　1、三維流化床顆粒層過濾器冷態(tài)實驗臺
　　三維流化床顆粒層過濾器冷態(tài)實驗臺簡圖示于圖1。流化床橫截面長150 mm,寬140mm,高1000 mm。長度方向的兩側(cè)用1.5 mm厚的薄鋼板制成,寬度方向的兩側(cè)用5 mm厚的透明窗玻璃制成,以便觀察床料流化情況、過濾灰層的形成過程和進行床內(nèi)測量。實驗臺設(shè)置有管徑分別為Φ108 mm和Φ57 mm的兩路進風(fēng)系統(tǒng),由玻璃轉(zhuǎn)子流量計測量風(fēng)量,量程范圍為0 m³/h~600 m³/h。風(fēng)室高度為300mm。布風(fēng)板由12 mm厚的鋼板制成。布風(fēng)板上以等邊三角形布置有外徑為Φ26 mm的風(fēng)帽14個,每個風(fēng)帽上開有4個Φ4 mm、向下傾斜的小眼,以避免漏灰?！　?/p>

　　過濾元件的支撐骨架由Φ32 mm的銅竹制成，銅竹有效高度為800 mmo銅竹上開有Φ2 mm,Φ5 mm,Φ mm的小孔1586個，開孔率約400l0。開孔的原則是讓氣流沿不同的床高度通過過濾元件的阻力盡可能相等。沿銅竹下端,105 mm高的銅管上小孔尺寸為Φ2 mm,共有754個;中段270 mm高的銅管上小孔尺寸為Φ5 mm,共有520個;上部425 mm高的銅管上小孔尺寸為Φ8 mm,共有312個。小孔都呈等邊三角形布置。銅管表面敷設(shè)120目的金屬篩網(wǎng),如果過濾元件上沒有形成起過濾作用的灰層,粒徑小于125μm的顆粒都可以通過。與過濾元件相聯(lián)的是帶有外螺紋的Φ108 mm的鋼管,鋼管與帶有內(nèi)螺紋的流化床上蓋板相聯(lián),以支撐過濾元件,并能改變過濾元件與布風(fēng)板的距離。鋼管由用鋼絲加固的塑料軟管與引風(fēng)管相連。在引風(fēng)管道上,設(shè)置了一個用透明窗玻璃制成的、尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的測試段,以進行過濾效率的測定。
　　另外,在流化床上還設(shè)有加料裝置和卸料口。在風(fēng)室、流化床段和螺紋連接管的上部都設(shè)有多個壓力測點。該實驗臺的建立可以驗證流化床顆粒層過濾器過濾微細顆粒的可行性,并能進行過濾器的操作范圍、阻力特性、過濾性能、過濾元件結(jié)構(gòu)及尺寸的優(yōu)化等試驗研究。該實驗臺目前尚只能分批進行操作。
　2、過濾器阻力特性研究
　　2.1 物料特性
　　試驗采用的物料是黃砂,3次篩分試驗[3]的結(jié)果如表1所示,粒徑小于0.125 mm,能夠通過120目篩子的顆粒占5.335%。根據(jù)試驗測得黃砂的真實比重為1692.82 kg/m³,堆積比重為1098.3 kg/m³?！　?/p>

　　2.2 空載試驗
　　實驗臺安裝完成后,在過濾元件上敷設(shè)120目的金屬網(wǎng)屏之前和之后,分別做了過濾元件的空載阻力試驗,并在實驗臺運行了一段時間以后,清除床料和過濾元件上的過濾灰層,做了過濾元件有過濾網(wǎng)屏的空載阻力對比試驗。結(jié)果示于圖2。
　　試驗結(jié)果表明,在低風(fēng)速時,過濾元件上有無過濾網(wǎng)阻力差別不大。這是由于:銅管上有效開孔面積為S1=πdhη=π×0.032×0.8×40%=0.0322 mm²,銅管內(nèi)部流通面積S2=πr²=π×0.0282/4=6.2×10-4mm²;S1/S2=52.3。可見,過濾元件的阻力主要產(chǎn)生于氣體的管內(nèi)流動,特別是過濾元件上部接近出口處的區(qū)域氣流速度很高(是床內(nèi)氣速的30倍),阻力損失最大。但在操作氣速較高時,過濾網(wǎng)屏造成的阻力損失也很大,曲線b和曲線c的對比說明了這一點。試驗結(jié)束,停止送風(fēng)和引風(fēng)。過濾元件上沉積形成的灰層會自然地、崩塌式地脫落下來,但仍然有少量顆粒附著于過濾元件上,表現(xiàn)在曲線a總在曲線b的上方。
　　2.3 不同操作氣速下過濾器的阻力特性
　　試驗發(fā)現(xiàn),床內(nèi)的料層高度(Hb)、過濾元件與布風(fēng)板的距離(Hu-t),床料的級配、床料中微細顆粒的含量、過濾元件上過濾網(wǎng)的尺寸及流化床的操作方式等都對過濾器的阻力特性有重要的影響。操作氣速變化,過濾器各部分阻力也隨之發(fā)生變化,圖3說明了這種情況。在試驗中,保持過濾元件出口處的引風(fēng)壓力為-1009 Pa,操作氣速從大往小變化。試驗一開始,迅速節(jié)閥門,使床內(nèi)風(fēng)速超過床料的最小流化風(fēng)速,達到常規(guī)流化床的操作風(fēng)速,可以讓一部分細顆粒迅速從床中逸出,立即(零點幾秒到2 s~3 s)在過濾元件上形成能起到有效過濾作用的過濾灰層,避免了實驗臺啟動時氣速慢慢增加造成的微細顆粒在過濾灰層形成之前從過濾元件的逃逸。圖中系統(tǒng)壓降包括床層壓降和過濾元件壓降,系統(tǒng)壓降和過濾元件壓降都沒有包括過濾元件的出口擴容損失。97 mm高的床層壓降隨著操作氣速的降低而有所增加。這是由于氣速降低,使一部分懸浮于流化床上部空間或附積于過濾灰層表面的細粒子重新回落到床層中,增加了床層中的粒子密度。圖3與圖2相比,過濾元件的阻力明顯增大,說明了過濾元件表面過濾灰層的存在。從圖中3條曲線的對比還可以看出,過濾元件和系統(tǒng)阻力隨風(fēng)速的提高而迅速增大,一方面是由于氣體通過過濾元件表面灰層速度的提高;另一方面是由于更多的細顆粒從床中逸出,附積在過濾元件上,使過濾灰層的厚度增加所致。

　　2.4 過濾器阻力特性隨時間和氣流中微細粒子含量的變化 在試驗中仍然保持過濾元件出口的引風(fēng)壓力為-1009 Pa。試驗共進行了100 min。在40min過后,加入了粒徑小于0.125 mm的細顆粒190 g,使床料中能通過過濾網(wǎng)的細顆粒含量達到了9.8%。圖4給出了試驗結(jié)果。在試驗中發(fā)現(xiàn):
　　(1)過濾元件和系統(tǒng)壓降總在波動,變化的趨勢一致,但波動的幅度不大。當風(fēng)量稍有增加時,從床中攜帶并附積在過濾元件上的細粒子量就增加,使流動阻力明顯增加,導(dǎo)致風(fēng)量減小。風(fēng)量減小時,過濾灰層變薄,流動阻力降低,又使風(fēng)量增加,如此反復(fù)。在試驗開始時,調(diào)節(jié)風(fēng)量為60 m³/h。在試驗中,風(fēng)量在55 m³/h~60 m³/h之間變化。
　　(2) 97 mm高的料層壓降在整個試驗過程中只在941 Pa附近有微弱的變化。
　　(3)在加入了190 g的細灰后,過濾元件和系統(tǒng)阻力明顯增加,而料層阻力沒有變化。這表明所加入的細灰被過濾元件有效地分離下來。加入細灰后,在引風(fēng)管的測試段中用肉眼也觀察不到微細顆粒的通過。

　3、結(jié) 論通過初步的試驗研究,可以得到以下結(jié)論:
　　(1) 流化床顆粒層過濾器能有效地從含塵氣流中分離微細顆粒。
　　(2) 流化床顆粒層過濾器起過濾作用的是在運行中形成的、附積在過濾元件表面的灰層。
　　(3) 流化床顆粒層過濾器在運行時有自平衡式的壓力波動。
　　(4) 試驗結(jié)束后,附積在過濾元件表面的過濾灰層能自動地、崩塌式地脫落,表明過濾灰層是由于氣流的攜帶、而不是靠顆粒間的粘性力形成的。