脫硫灰團聚超細顆粒物的實驗系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試研究

1、脫硫灰團聚超細顆粒物的實驗系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試研究能源科學(xué)與工程學(xué)院：龐凌艷 指導(dǎo)教師：高繼慧摘 要：本文總結(jié)了國內(nèi)外提出的各種團聚技術(shù)及研究現(xiàn)狀、分析歸納了超細顆粒物團聚機理；設(shè)計并搭建了風(fēng)量為13.5189m3/h，適用于PIV或PDA等可視化測量的脫硫灰團聚吸附細小顆粒物實驗系統(tǒng)；并在此基礎(chǔ)上，對試驗系統(tǒng)進行了初步調(diào)試，研究了運行參數(shù)對旋風(fēng)分離器分離效率的影響，并進一步分析了旋風(fēng)除塵器對不同粒徑顆粒的脫除特性；對空塔及不同類型布風(fēng)板設(shè)置的實驗系統(tǒng)阻力特性進行了實驗研究。本文實驗結(jié)果表明，對于粒徑小于10um的顆粒，本文設(shè)計的旋風(fēng)除塵器無法有效將其從煙氣中分離。對于粒徑大于65um的顆粒，其除塵

2、效率在95%以上。布風(fēng)板是系統(tǒng)中的主要阻力損失段，在風(fēng)量為100m3/h條件下，加入布風(fēng)板后系統(tǒng)阻力增加3297pa。隨著風(fēng)量的增加，系統(tǒng)的阻力逐漸增大。關(guān)鍵詞：超細顆粒物；團聚；脫硫灰 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 言燃煤產(chǎn)生的顆粒物已成為我國城市大氣環(huán)境的首要污染物，雖然現(xiàn)有除塵裝置的除塵效率高達99%以上1，但這些除塵器對可吸入顆粒物（PM10）特別是超細顆粒物（PM2.5）的捕獲效率較低，仍有大量的細小顆粒物隨煙氣排放入大氣中,對人類健康造成了極大的危害。因此，脫

7、除超細顆粒物，對煙氣進行深度除塵對于保護環(huán)境具有重要的意義。本課題提出在傳統(tǒng)脫硫化學(xué)反應(yīng)過程中，通過添加添加劑使超細顆粒與脫硫產(chǎn)物及大的飛灰顆粒發(fā)生橋接和化學(xué)凝并效應(yīng)，從而使細小顆粒依附在脫硫產(chǎn)物及大顆粒表面被脫除。為進一步研究脫硫除塵一體化提供必要的理論依據(jù)。且對于發(fā)展聯(lián)合脫除工藝具有十分重要的價值。本文在查閱大量文獻資料的基礎(chǔ)之上，對目前國內(nèi)外研究的團聚技術(shù)進行歸納總結(jié)，詳細綜述了顆粒物團聚機理，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。在上述研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計并搭建了風(fēng)量為13.5189m3/h，適用于PIV或PDA測量的脫硫灰團聚吸附細小顆粒物實驗系統(tǒng)，并對其氣固流動特性進行了初步調(diào)試研究。1 脫硫灰團聚

8、實驗系統(tǒng)的設(shè)計2.1 實驗系統(tǒng)整體布局由于團聚吸附過程要求顆粒物間有良好的接觸、混合條件，因此，設(shè)計實驗過程為脫硫灰顆粒在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動，超細顆粒物由微量給料機送入反應(yīng)器，以空氣攜帶進入反應(yīng)器內(nèi)與脫硫灰顆粒團聚。為便于直觀觀察顆粒的流動特性和團聚行為，采用可視化研究。將反應(yīng)器前、左兩個側(cè)面改用鋼化玻璃密封，以便于PIV和PDA的測量。實驗系統(tǒng)如圖2-1所示，系統(tǒng)主要由物料供給系統(tǒng)，流化床反應(yīng)器，鼓引風(fēng)系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)等四部分組成。在試驗過程中，超細顆粒物料（10um）由微量給粉機提供進入管道后，由氣流攜帶進入反應(yīng)器；脫硫灰顆粒（粒徑范圍為1001000um）在試驗前由反應(yīng)器側(cè)板送入反應(yīng)器內(nèi)，開

9、啟風(fēng)機后在其中進行流化循環(huán)。設(shè)計時保證脫硫灰最大流化高度不超過反應(yīng)器。入口進入的超細顆粒與流化后的脫硫灰間發(fā)生碰撞、團聚，然后流出反應(yīng)器經(jīng)由旋風(fēng)分離器分離排出。圖2-1 脫硫灰團聚吸附細小顆粒物試驗系統(tǒng)示意圖因此實驗系統(tǒng)設(shè)計主要確定以下參數(shù)：保證脫硫灰顆粒在反應(yīng)器內(nèi)形成良好的循環(huán)，首先需要確定反應(yīng)器內(nèi)流速及其結(jié)構(gòu)尺寸；保證超細顆粒物能夠在連續(xù)穩(wěn)定送入反應(yīng)器內(nèi)，需設(shè)計機械輸送與氣力輸送相結(jié)合的微量微型給料機；確保團聚形成的一定粒徑的顆?？梢员挥行Х蛛x所需的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸以及使實驗系統(tǒng)正常運行的輔助設(shè)備參數(shù)。2.2 團聚反應(yīng)器主體尺寸的確定由于實驗要求脫硫灰顆粒在反應(yīng)器內(nèi)形成穩(wěn)定循環(huán)，故空塔氣

10、速范圍取決于脫硫灰顆粒的臨界流化速度和終端速度。根據(jù)文獻2中的計算方法，選取脫硫灰的顆粒粒徑范圍為100um到1000um；脫硫灰的密度為1935kg/m3；氣相密度為1.29kg/m3；氣體的動力粘度為17.910-6 Pa.s。計算得：表2-1 各粒徑段脫硫灰顆粒的臨界流化速度和終端速度計算表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考慮在之后計算中留有余量，故可取反應(yīng)器內(nèi)空

11、氣流速v范圍為0.57m/s。作為可移動實驗臺，尺寸小型為優(yōu)，結(jié)合二維可視化PIV或PDV測量特點，截面尺寸選為150mm50mm。取反應(yīng)器高度大于終端速度計算得到的脫硫灰顆粒的最高運動高度為1800mm。反應(yīng)器由通過法蘭連接的三段組成。便于二維可視化研究，故設(shè)計反應(yīng)器相鄰側(cè)壁分別為鋼板和玻璃。根據(jù)流量公式得本文設(shè)計實驗臺的風(fēng)量范圍：13.5189m3/h。2.3 微型給料機的確定根據(jù)PIV測量技術(shù)要求，每個單位域內(nèi)有效的粒子對應(yīng)該多余10對3，進行反應(yīng)器內(nèi)物料質(zhì)量的估算，從而推出所需給料機的給料量，約在4g/min。選擇給料機如圖2-2。 1-載氣管 2-平衡管 3-料位監(jiān)測孔 4-引射器

12、5-攪拌電機 6-加料孔 7-上料倉 8-連接法蘭9-下料倉 10-支撐架 11-輸料管 12-輸料電機 13-攪拌軸 14-攪拌翅片 15-攪拌鐵絲16-翅片小孔 17-刷子 18-空心螺旋圖2-2 螺旋給粉系統(tǒng)示意圖2.4 旋風(fēng)分離器的確定根據(jù)文獻4中通用Lapple型計算公式設(shè)計得旋風(fēng)分離器的直徑為130mm，高為528mm，入口風(fēng)速范圍為18-25m/s，排氣管插入深度為83mm。并根據(jù)以往經(jīng)驗設(shè)計了與除塵器尺寸相適的料倉，如圖2-3所示。圖2-3 除塵器裝置圖2.5 輔助設(shè)備的確定2.5.1 布風(fēng)板設(shè)計根據(jù)文獻5設(shè)計了兩種多孔板型布風(fēng)板，孔徑分別為3mm和4mm，對應(yīng)孔數(shù)為56和44

13、。2.5.2 鼓引風(fēng)機設(shè)計已知計算得最大流量為189m3/h，實驗系統(tǒng)的阻力損失主要為布風(fēng)板及除塵器損失，故風(fēng)壓至少大于20Pa。根據(jù)平衡通風(fēng)理論，參照實驗所要求的風(fēng)量和風(fēng)壓，并考慮在滿足實驗用量的基礎(chǔ)上留有余量。經(jīng)咨詢對比分析，選擇浙江森森實業(yè)有限公司的HG-3000-C漩渦氣泵：吹吸兩用，最大風(fēng)量280m3/h，最大風(fēng)壓35KPa，真空度-25KPa。以一臺氣泵即可實現(xiàn)同時對空氣的鼓引作用。2.5.3 流量計選擇 考慮管道經(jīng)濟風(fēng)速至少大于12m/s，故取風(fēng)速v=14m/s進行估算，Q=189m3/h時，管道直徑D=6.91cm。為保證流動穩(wěn)定，連續(xù)，管道直徑必須小于6.91cm，即流量計內(nèi)

14、徑必須小于6.91cm?？疾旄鞣N類型流量計，對比并結(jié)合實驗要求：測量對象為普通空氣，常溫，精度較高，壓損盡可能小，設(shè)備簡單，一體化易安裝，無噪聲，經(jīng)濟合理。因此認為選擇渦街流量計最為恰當(dāng)。經(jīng)咨詢，采購國內(nèi)北京菲舍波特儀器儀表有限公司的VT4001A-50-D00A0渦街流量計：現(xiàn)場顯示一體型，最高測量流量280m3/h，口徑50mm。2 實驗系統(tǒng)的氣固流動特性調(diào)試3.1 流量計標(biāo)定采用皮托管連微差壓計的方法。在靠近流量計一側(cè)的直管段（50mm）上取一穩(wěn)流截面進行測量。測量點的選取采用等截面積的方法，如下圖所示。12345圖3-1 直管截面測點布置測量結(jié)果如圖3-2。圖3-2 流量計標(biāo)定結(jié)果圖由

15、上圖可知，標(biāo)定結(jié)果與流量計顯示趨勢相同，驗值與流量計測量值的最大誤差為11.8%。3.2 旋風(fēng)除塵器分離特性研究3.2.1進口濃度對旋風(fēng)分離器分離效率的影響考察在風(fēng)量100m3/h和200m3/h，對應(yīng)物料分別為粒徑40-70um的玻璃微珠和粒徑70-90um的粉煤灰的情況下，進口轉(zhuǎn)速分別為20、40、60、80r/s對分離器分離效率的影響。結(jié)果如圖所示：由圖可知，隨著進口濃度的增加，旋風(fēng)除塵器的除塵效率幾乎不發(fā)生變化。分析：顆粒的速度是影響除塵效率的主要因素。因此，顆粒的進口速度不變，除塵效率幾乎不發(fā)生變化。圖3-3 不同飛灰進口濃度對分離效率的影響3.2.2 進口煙氣量對旋風(fēng)分離器分離效率

16、的影響考察在進口轉(zhuǎn)速為40r/s，物料為20-60um玻璃微珠的情況下，風(fēng)量取為50、100、150、200 m3/h對分離器除塵效率的影響，結(jié)果表明：隨著進口風(fēng)量增加，除塵效率提高。分析：進口風(fēng)量增加，進口煙氣流速增大，顆粒在進入旋風(fēng)除塵器之前具有的初動量增大，進入分離后在離心力的作用下容易進入壁面區(qū)域，被脫除。采用Retsch篩分儀，進一步分析不同風(fēng)量下旋風(fēng)分離器的除塵性能。分別取分離前及分離風(fēng)量為50、100、150、200m3/h條件下被分離下的顆粒各100g做粒徑分析。篩分結(jié)果如下：圖3-4 各粒徑段顆粒所占質(zhì)量份額圖 由圖3-4可知，隨著進口風(fēng)量增大，粒徑在4075um間的顆粒分離

17、效率降低，分析：可能是由于，氣相動量增強，氣流攜帶顆粒的能力增強，使得小顆粒被甩到壁面后反彈進主氣流攜帶出分離器。75um的顆粒質(zhì)量份額呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，分析：認為在低風(fēng)量時，氣速低于大顆粒終端速度，顆粒無法流出反應(yīng)器。當(dāng)風(fēng)速高于一定值時，氣速超過大顆粒終端速度，大顆粒開始流出反應(yīng)器，被除塵器分離下來。由于小顆粒無法有效分離，因此被分離的顆粒質(zhì)量份額較原始物料粒徑分布增大。而20um的顆粒份額也顯著增加，這卻是與事實相悖的。分析：原因有很大可能是因為實驗所用濕篩方式所產(chǎn)生的實驗誤差。3.2.3 顆粒粒徑對旋風(fēng)分離器分離效率的影響考察風(fēng)量50m3/h，同一轉(zhuǎn)速情況下，采用60um細粉、70

18、-100um粉煤灰、40-70um玻璃微珠以及75um的顆粒分離效率都近乎100%。而對于10um的顆粒，其除塵效率很低。3.3 實驗系統(tǒng)阻力特性研究考察在空塔、加入布風(fēng)板1（孔徑4um）和加入布風(fēng)板2（孔徑3um）的情況下改變風(fēng)量：50、100、150、180m3/h，反應(yīng)器損失、除塵器損失及系統(tǒng)總阻力損失的分布變化。圖3-5 空塔條件下實驗臺各部分的阻力損失圖3-6 配置布風(fēng)板1條件下實驗臺各部分的阻力損失圖3-7 配置布風(fēng)板2條件下實驗臺各部分的阻力損失由以上三幅圖可知：空塔條件下，隨著風(fēng)量增加，系統(tǒng)阻力、分離器阻力和反應(yīng)器主體段阻力增加。除塵器阻力和系統(tǒng)總阻力增加的斜率增大。另外，除塵器的阻力占總阻力的60-75%，風(fēng)速越高，占得比重越大。加入布風(fēng)板，系統(tǒng)內(nèi)各部分阻力特性分布與空塔條件下基本相同。區(qū)別主要在于加入布風(fēng)板后，反應(yīng)器阻力大大增加，而除塵器的阻力基本不發(fā)生變化。圖3-8 不同條件下反應(yīng)器內(nèi)的壓降損失情況圖3-9 不同條件下除塵器的壓降損失情況圖3-10 不同條件下系統(tǒng)總壓降損失情況由以上比較可知：布風(fēng)板是系統(tǒng)中的主要阻力損失段，它的增加大大提高了系統(tǒng)壓降，尤其是反應(yīng)器壓降，急劇增大并超過除塵器壓降； 孔徑小、孔數(shù)多的布風(fēng)板阻力要大，而當(dāng)風(fēng)量達到一定值如130 m3/h左右時，這種形勢則會發(fā)生轉(zhuǎn)折。總 結(jié)本文設(shè)計并搭建了風(fēng)量為13.5189m3/h，