双过滤层移动颗粒床除尘器的实验室研究和工业装置设计

双过滤层移动颗粒床除尘器的双过滤层移动颗粒床除尘器的实验室研究和工业装置设计实验室研究和装置设计北京科技大学刘柏谦北京科技大学刘柏谦2015/1/161北京科技大学机械学院刘柏谦节能新产品——传热系数突破传统传热模型达到的95(75~125)W/m2K(150MW)2015/1/162北京科技大学机械学院刘柏谦除尘器技术市场除尘器技术市场中国境保护产业协会报道中国•中国环境保护产业协会(2014.11)报道，中国布袋除尘器2013年实现总产值140亿元，电除尘器实现总产值160亿元。据说，2013年的销售是历年中比较小的但总产值已经的销售是历年中比较小的，但总产值已经达到300亿元。2015/1/163北京科技大学机械学院刘柏谦布袋和电除尘的问题布袋和电除尘的问题•电除尘：受到原理限制，要想达标排放，必须加大能量投入。•布袋除尘：布袋寿命短(平均2年)、废袋不好处理好处理。•要求新技术：高效低阻哪种技术有这种技术潜力？哪种技术有这种技术潜力？颗粒床除尘器！颗粒床除尘器！2015/1/164北京科技大学机械学院刘柏谦谁曾研究过颗粒床？谁曾研究过颗粒床？山煤炭化学研究所山西煤炭化学研究所、化工冶金研究所(现过程工程研究所)、化工冶金研究所(现过程工程研究所)、西安交通大学、北京科技大学、清华大学清华大学、宁波大学、江苏理工大学……等单位2015/1/165北京科技大学机械学院刘柏谦研究分类研究分类固定床•固定床宁波大学、江苏理工大学、东华大学、北京宁波大学、江苏理工大学、东华大学、北京科技大学、江苏大学移动床•移动床西安交通大学、北京科技大学、清华大学、西安交通大学、北京科技大学、清华大学、山西煤炭化学研究所、化工冶金研究所(现过程工程研究所)过程工程研究所)2015/1/166北京科技大学机械学院刘柏谦移动颗粒床的研究状态(按文献出版日期统计)清华大学1985~2001主要文献出现在•清华大学:1985~2001，主要文献出现在1991~1994•山西煤化所1998~2007主要文献出现在•山西煤化所：1998~2007，主要文献出现在1998~2004•北京科技大学2001~2006主要文献出现在•北京科技大学：20012006，主要文献出现在2005~2006•化冶所只有1篇文献(1984)宁波大学等单位研•化冶所只有1篇文献(1984)，宁波大学等单位研究的是固定床不在统计之列。•北京科技大学能源高效利用团队：2013重新开北京科技大学能源高效利用团队：2013重新开始移动床除尘研究2015/1/167北京科技大学机械学院刘柏谦颗粒床除尘器的主要问题颗粒床除尘器的主要问题•所有颗粒床除尘器都是连续工作，缺少明确的设计宗旨•固定床：技术放大是关键，要求在固定床上下保持等压操作否则颗粒床变形上下保持等压操作，否则颗粒床变形•移动床：效率低于固定床，没有出现适合于精细除尘过程2015/1/168北京科技大学机械学院刘柏谦我们的研究我们的研究研究目标提高移动颗粒床除尘效率特别是细颗•研究目标：提高移动颗粒床除尘效率，特别是细颗粒的捕集作用。研究指向大气体流量的工业集中粉尘排放源(工业•研究指向：大气体流量的工业集中粉尘排放源(工业锅炉和电站锅炉)的达标排放•研究方法：1再现已有研究验证前人研究结果试图发现问题1.再现已有研究，验证前人研究结果，试图发现问题的结症2改进前人的移动颗粒床发明新的颗粒床工作过程2.改进前人的移动颗粒床，发明新的颗粒床工作过程。3.文献研究+理论研究+实验研究2015/1/169北京科技大学机械学院刘柏谦第一部分：第部分：文献研究及其主要结论文献研究及其要结论2015/1/1610北京科技大学机械学院刘柏谦重要文献重要文献已经发表的重要综述文献KDARCOVIC(1997)•已经发表的重要综述文献：K.DARCOVIC(1997)、M. Ahmaruzzaman(2010)、Maria Cambra‐Lopez (2010)、OlexandrMedvedyevandYuriyTsybul(2010)、OlexandrMedvedyevand YuriyTsybul(2010)、E.H. Tanabe(2011)、BinlinDou(2012)、Steffen Heidenreich(2013)。()•部分原始研究文献：Yi‐Shun Chen (2009)、Joo‐Hong Choi等(2004)、JOHN P. HURLEY and BRUCE A. DOCKTER(2003)、EberhardSchmidt(1996)、李彩亭等(2010)、V. Sibanda等(2001)、Ali Ergiidenler等(1997)VSibanda等(2010)Ergiidenler等(1997)、V. Sibanda等(2010)、Trevor D. Hadley等(2012)；2015/1/1611北京科技大学机械学院刘柏谦部分百叶窗移动床文献部分百叶窗移动床文献(1998)将百叶窗与颗粒床结合以后引起较•J. T. Kuo(1998)将百叶窗与颗粒床结合以后，引起较多关注。CSCHOU等(2005)JiChBi等(2007)Dil•C. S. CHOU等(2005)，Jing‐Cheng Bai等(2007)，Daniel Stanghelle等(2007)，Yi‐Shun Chen等(2009a)，Yi‐Shun Chen(2009b)，Chia‐JenHsu等(2010)，Chia‐JenHsu等Chen (2009b)，ChiaJen Hsu等(2010)，ChiaJen Hsu等(2011)，Yi‐Shun Chen等(2012)从各种角度研究带有百叶窗的移动床气固分离技术。•移动颗粒床技术的昀大好处是系统能够在工业环境下连续运行。一直被认为是昀有潜力的工业技术,但一直没有实现产品工业化。找到工业界冷落该技术的原因,就是该技术获得新生命的起点。2015/1/1612北京科技大学机械学院刘柏谦YiShunChen(2012)给出的实验系统Yi‐Shun Chen(2012)给出的实验系统2015/1/1613北京科技大学机械学院刘柏谦移动颗粒床的主要构件移动颗粒床的主要构件不对称结构结构圆弧对称结构不对称结构结构圆弧对称结构圆形截面带有流动调整元件结构2015/1/1614北京科技大学机械学院刘柏谦次级百叶窗结构次级百叶窗结构次级百叶窗结构不规则百叶窗结构次级百叶窗结构不规则百叶窗结构2015/1/1615北京科技大学机械学院刘柏谦除尘性能和研究参数除尘性能和研究参数除尘性能•除尘性能根据文献，移动颗粒床除尘器的除尘效率可以达到9999%，除尘阻力几乎不超过1000Pa，这与气体穿99.99%，除尘阻力几乎不超过1000Pa，这与气体穿过过滤介质的深度和粉尘沉积情况有关，多数实验台的过滤介质厚度在300mm上下。•研究参数从文献看主要研究内容包括百叶窗板的结构和排列从文献看，主要研究内容包括百叶窗板的结构和排列、过滤颗粒的性质和流率、气体流率和粉尘性质及浓度。这些参数主要基于下述研究目的：研究百叶窗度。这些参数主要基于下述研究目的：研究百叶窗结构、颗粒流型、过滤死区、压力分布、尘饼长大以及这些现象对除尘过程的影响。2015/1/1616北京科技大学机械学院刘柏谦文献中给出的性能文献中给出的性能由于研究者的表述方式不同，相同过程没有给出可以比较的过程数据。2015/1/1617北京科技大学机械学院刘柏谦工业化的困难工业化的困难第个困难是没有可以参照的工业参数•第一个困难是没有可以参照的工业参数——设计困难。•第二个困难是准确认识含尘气体工作过程——理论困难。理论困难。•第三个困难是除尘器体积的处理技术困难——技术困难。•上述三个困难都可以通过装置试验解决。装置逐步放大试验不同百叶窗模块尺寸等可以逐步放大、试验不同百叶窗模块尺寸等，可以一步步将移动颗粒床工业化。2015/1/1618北京科技大学机械学院刘柏谦文献研究的主要结论文献研究的主要结论目前唯能满足大气污染物排放标准的除尘器•目前唯一能满足大气污染物排放标准的除尘器是布袋除尘器。布袋除尘器有两个致命弱点，一是寿命短，平均寿命只有2年，昀短的仅有是寿命短，平均寿命只有2年，昀短的仅有10个月；二是布袋废弃后难于处理，焚烧将产生大量污染物，而填埋又几乎不降解，回收利大量污染物而填埋又几乎不降解回收利用成本太高——昀好不用。•移动颗粒床既有与布袋除尘器相同的工作性能，法也有布袋除尘器无法比拟的优点。第一，可以按照气体温度选择过滤介质，可以再高温下工作第二工作寿命不受限制第三可以连作。第二，工作寿命不受限制。第三，可以连续再生，工作压降稳定。2015/1/1619北京科技大学机械学院刘柏谦第二部分交叉流移动颗粒床第二部分：交叉流移动颗粒床实验的初步研究报告实验的初步研究报告双过滤层移动颗粒床除尘器双过滤层移动颗粒床除尘器的形成过程2015/1/1620北京科技大学机械学院刘柏谦研究主旨研究主旨研究目标寻求布袋除尘器的替代技术•研究目标：寻求布袋除尘器的替代技术。•研究路线：移动颗粒床气固分离装置在研究路线移动颗粒床气固分离装置在IGCC研究中昙花一现，如能改造成除尘器，将可能形成一种阻力可以人为控制的高效将可能形成种阻力可以人为控制的高效低阻除尘器。•技术区别：IGCC的百叶窗颗粒床正压运行，技术区别：IGCC的百叶窗颗粒床正压运行，而在很多工业过程中是负压过程。文献很少提到粉体力学概念即力链及其传导等少提到粉体力学概念，即力链及其传导等概念，这对于百叶窗颗粒床是十分重要的。2015/1/1621北京科技大学机械学院刘柏谦实验台及其系统实验台及其系统2015/1/1622北京科技大学机械学院刘柏谦以力链观念看过滤死区以力链观念看过滤死区粉体中的力链模拟得到的死区2015/1/1623北京科技大学机械学院刘柏谦死区范围死区范围2015/1/1624北京科技大学机械学院刘柏谦百叶窗倾角选择百叶窗倾角选择2015/1/1625北京科技大学机械学院刘柏谦消除死区的措施消除死区的措施2015/1/1626北京科技大学机械学院刘柏谦次级百叶窗设计次级百叶窗设计平行次级百叶窗有倾角次级百叶窗2015/1/1627北京科技大学机械学院刘柏谦添加次级百叶窗前后的死区表面添加次级百叶窗前后的死区表面2015/1/1628北京科技大学机械学院刘柏谦实验粉尘常规燃煤电厂飞灰特性实验粉尘120筛分粒径分布406080100粒径(um)代表性粒径分布020406080100020累积质量份额(%)2015/1/1629北京科技大学机械学院刘柏谦实验装置的阻力特性实验装置的阻力特性2015/1/1630北京科技大学机械学院刘柏谦实验装置的分离效率实验装置的分离效率2015/1/1631北京科技大学机械学院刘柏谦调整百叶窗间距的效率调整百叶窗间距的效率2015/1/1632北京科技大学机械学院刘柏谦带次级叶片的移动床带次级叶片的移动床连续运行的压降连续运行分离效率突然下降2015/1/16北京科技大学机械学院刘柏谦33设想的连续运行曲线设想的连续运行曲线2015/1/1634北京科技大学机械学院刘柏谦我们研究的新发现我们研究的新发现1前人的研究中百叶窗均为特定角度(60°)我们的实验证明这1. 前人的研究中，百叶窗均为特定角度(60)，我们的实验证明这个角度不是昀佳值，我们认为，从气体流动和过滤颗粒运动角度看，45°角优于60°角。2次级百叶窗与主百叶窗平行布置能促进过滤颗粒运动形成新2. 次级百叶窗与主百叶窗平行布置能促进过滤颗粒运动，形成新颗粒对粉尘的二次捕集，滤饼厚度可以人为控制。3. 移动床除尘器运行阻力可以限制在1000Pa以内，在相同的分离效率下移动颗粒床可以使用较低压头的引风机效率下，移动颗粒床可以使用较低压头的引风机。4. 负压工作的移动颗粒床更适合于烟气除尘，正压工作的移动床分离效率低是一个待解之谜。5. 对特定种类过滤颗粒有一个昀佳的百叶窗距离。6.