颗粒沉积量对细颗粒层清灰力和清灰效率的影响

第9卷第5期过程工程学报Vol.9No.52009年10月TheChineseJournalofProcessEngineeringOct.2009收稿日期：2009−04−29，修回日期：2009−07−09基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)基金资助项目(编号：2002CB211600)作者简介：徐海卫(1982−)，男，江苏省如东县人，博士研究生，热能工程专业；姚强，通讯联系人，E-mail:[e-mail].颗粒沉积量对细颗粒层清灰力和清灰效率的影响徐海卫，李水清，宋蔷，姚强(清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084)摘要：采用中径3.31µm的细颗粒在PPS普通滤料和涤纶覆膜滤料表面形成不同沉积量的颗粒层，用缓慢增加反吹气流和低压脉冲清灰的方法进行清灰测试.随着颗粒层沉积量增加，颗粒层低压脉冲清灰的效率均提高，缓慢反吹的清灰力也呈减小趋势.涤纶覆膜滤料表面颗粒层沉积量从200g/m2增长到401g/m2时，平均清灰应力从350N/m2降到100N/m2，比PPS滤料低90N/m2以上.PPS滤料上低压脉冲清灰效率随颗粒层沉积量的增加线性增加，涤纶覆膜滤料上颗粒层沉积量超过200g/m2时非线性快速增加，缓慢反吹产生的颗粒层碎片均随着颗粒层沉积量增加而增大.关键词：可吸入颗粒物；布袋除尘器；清灰；清灰力；沉积量中图分类号：X701.2文献标识码：A文章编号：1009−606X(2009)05−0848−061前言目前我国大气细颗粒物(PM2.5)浓度比发达国家高数倍，已对人体健康和经济社会发展造成了很大威胁[1].为了更有效地提高颗粒物的分级粒径脱除效率，目前电厂、水泥窑炉等逐渐采用袋式除尘器，用纤维滤料通过拦截碰撞等机理实现细颗粒的捕集.黄斌等[2,3]对滤料过滤过程中的捕集效率及颗粒层的结构进行了研究.在过滤过程中，颗粒堆积成一层附着在滤料表面，对流经的气流产生阻力，随着过滤进行，过滤器的压降损失影响系统的正常运行并产生很大的能量消耗，需要对颗粒层进行周期性的清除(清灰).目前实际的大型布袋除尘器多采用脉冲反吹的方法进行清灰，其系统包括压缩空气储气包、电磁脉冲阀、喷吹管及喷嘴，压缩空气通过喷嘴射入布袋内，通过气流向布袋外的流动及布袋的运动使颗粒层从布袋表面脱落.其余的清除颗粒层的方法还包括反吹气流及抖动布袋的方法.无论采用哪种方法，如果清灰作用太弱，颗粒层不能被有效清除，过滤器的压降损失仍较大，甚至会使整个系统不能正常运行.如果清灰作用太强，则多消耗了能量同时加快布袋的损坏.因此，为了给清灰过程提供合理的基础依据，需要结合我国煤种产生的飞灰特征，系统地开展飞灰颗粒层在滤料表面的清灰作用力测试.清灰力测量工作由Sievert等[4]开始，通过缓慢增加清灰作用，对清除下来的颗粒层进行称量，得到累积清灰效率，其中对应清灰效率50%的清灰应力称作平均清灰应力(Mediancakedetachmentstress).由于实际布袋除尘器在清灰时，袋内各处受到的清灰作用存在很大差异，专门进行清灰力测试时，通常采用一小片滤料，在滤料上先通过过滤沉积上颗粒层，然后进行清灰力测试，滤料上各处颗粒层受到的清灰作用力比实际的袋式除尘器内均匀很多.Sievert等[4]采用了缓慢增加反吹气流及撞击的方法给颗粒层施加清灰力，如图1所示[4].Morris等[5]用弹簧振动产生加速度对颗粒层施加清灰力.Koch等[6]对1995年前不同学者的清灰力测试结果(a)Byacceleration(b)Byreverseflow图1清灰力的测试系统[4]Fig.1Benchesforcakedetachmentforcemeasurement[4]∆hvAccelerometerStopperPhoto-electricswitchDustcollectorFilterMovableframeValveCompressedairDuctFlowmeterPressuregaugeFilterDustcollector第5期徐海卫等：颗粒沉积量对细颗粒层清灰力和清灰效率的影响849进行了总结，主要结论有：(1)加速度清灰的方法得到的平均清灰应力随颗粒层沉积量变化很小，反吹方法测得的清灰力随着颗粒层沉积量增加而明显减少；(2)随着颗粒粒径增大，颗粒层的平均清灰应力减小；(3)滤料的弹性会显著降低颗粒层的清灰力，即使在滤料表面完全相同的情况下；(4)缓慢增加反吹气流的清灰方法与加速度清灰的差异在于反吹气流无法对挂着(Hinged)碎片进行有效的清除，这是两种测试方法所测结果差异的主要来源.此后，关于清灰力测试的研究相对较少，Silva等[7]对气流速度对清灰力的影响进行了测试，结论是随着过滤气流速度的提高，颗粒层的平均清灰应力线性增加.Morris等[8]对不同特性颗粒的颗粒层在滤袋表面清灰的难易进行了实验研究.随着排放标准的提高，布袋除尘器比电除尘器在脱除微米粒径颗粒方面更具优势，因而其应用日益增多，布袋与电除尘器相结合的技术也受到很大的关注.在电袋结合除尘中，到达布袋表面的颗粒都是粒径较细微的颗粒，以往的实验结果采用的颗粒粒径都相对较大，没有进行过柔性滤料表面较细颗粒层清灰力的测试.本工作针对这一情况采用普通或覆膜滤料，选择电厂飞灰中细颗粒筛分，通过颗粒发生器模拟烟气过滤实验，在滤料上沉积不同量的颗粒层，然后采用缓慢反吹及低压脉冲清灰的方法对颗粒层从滤料表面清除需要的清灰力及清灰效率进行测试.实际脉冲清灰过程是一个复杂的过程，清灰作用主要来自于滤袋振动产生的惯性力还是反吹气流的曳力目前尚无定论，Löffler等[9]认为沿着布袋远离喷吹管各处受的主要作用是不一样的.文献中采用缓慢反吹得到的清灰力结果能否与真实的脉冲清灰结果直接对应，目前尚没有实验验证.因此，本工作还进行了低压脉冲清灰的实验，以比实际应用中脉冲清灰小很多的强度进行脉冲清灰，将不同颗粒层的脉冲清灰效率的差异放大，并与缓慢反吹的清灰力测试结果进行对照.为使实验测量结果能更好地指导实际工程应用，过滤的参数都与实际工业用值较接近.2实验系统及数据处理方法2.1过滤系统实验系统包括连续过滤系统及清灰系统.连续过滤系统用于准备清灰力测试所需的颗粒层，根据德国技术协会滤料性能测试标准DIN/VDIGuideline3926进行搭建，如图2所示.采用空压机作为气源，通过PalasRBG2000气溶胶发生器均匀地向气流中加入细颗粒形成气溶胶，模拟实际烟气.滤料下游采用水环式真空泵进行抽气，用质量流量控制器控制滤料过滤的风速.为了模拟实际的袋式过滤，滤料采用错流过滤方式，模拟烟气一部分垂直穿透滤料，剩余部分平行滤料流动进入旁路.旁路气体经调节阀和布袋也由真空泵抽出，其流量通过调节阀控制，使滤料前的气压维持在大气压附近.滤料上下游管道上留有测压孔接至Rosemount3051差压传感器(0∼5000Pa)，由计算机采集并记录压力值.滤料形状为圆片状，过滤区域直径为150mm，固定在专门的夹持装置上放入过滤管段，并可取下用于清灰测试.在准备颗粒层的连续过滤实验中，采用脉冲反吹方法进行在线清灰，当颗粒层压力达1000Pa时触发清灰，脉冲气体压力为0.5MPa，用电磁阀(ASCO)控制脉冲持续时间80ms.实验中准备颗粒层时，洁净的空白滤料需经过20次以上的在线清灰，使脉冲清灰后的残余压降较稳定，滤料的表面也趋于稳定，减少多次清灰测试中滤料表面的差异，提高实验的稳定性.P-6312345678910111.Aircompressor2.Valveanddust/humidityremovaldevice3.Aerosolgenerator,PalasRBG20004.Testfilter5.Electromagneticpulsevalve6.Absolutefilter7.Massflowcontroller8.Passwayadjustingvalve9.Bagfilter10.Pump11.Hopper图2连续过滤实验系统图Fig.2Continuousfiltrationsystem实验采用2种滤料，一种是表面轻微烧结处理的PPS滤料(PPSfilter)，另一种是表面覆膜的涤纶滤料(PETfilter)，2种滤料表面的电子扫描显微镜照片如图3所示，其基本参数如表1所示.(a)PETfilter(b)PPSfilter图3滤料表面的扫描电镜图片Fig.3SEMimagesofthefiltersurface850过程工程学报第9卷表1滤料的参数Table1CharacteristicsofthefilterFiltertypeDensity(g/m2)Thickness(mm)Permeability(dm−2⋅min−1,200Pa)SurfacetreatmentPPSfilter5802.060ThermallybondedPETfilter5401.818PTFEmembrane实验采用的细颗粒是经过筛分的电厂飞灰，用激光粒度分析仪(MalvernMastersizer2000)测得的Stokes粒径分布如图4所示，体积中径为3.31m.通过扫描电镜可以看出颗粒大多为球形.实验时用气溶胶发生器产生的气溶胶浓度约为6g/m3，过滤风速为1.02m/min，脉冲清灰的触发压降为1000Pa(仅颗粒层的压降).形成不同沉积量的灰饼时，使颗粒层的压降达不同值，如1000,1500Pa等，但形成灰饼时在线清灰触发差压值始终为1000Pa(灰饼压降，实际设定值加滤料压降).此外在一次清灰测试结束后，在同一片滤料上形成新的灰饼时经过2次以上在线清灰循环，保证灰饼在尽量一致的表面上形成.图4实验用飞灰的粒径分布Fig.4Sizedistributionoftheflyash2.2清灰系统清灰系统包括一根内径为150mm的管段，竖直放置，气流从顶部吹入，底部通过法兰与滤料夹持装置固定.滤料上带有颗粒层的一面向下安装，距滤料12cm处放置一张白纸，接收清除下来的颗粒层，用于称重及对颗粒层碎片进行观察.缓慢增加气流反吹时，用电脑控制质量流量控制器(七星华创，0-100SLM)，使反吹气流流量缓慢增加，同时用压力传感器测量反吹气流流经颗粒层及滤料的总压降，每隔一段时间待吹落的颗粒层增加一定量时，对吹落的颗粒层进行称重.采用低压脉冲清灰时，反吹管段经过脉冲电磁阀与一个容积为6L的缓冲气罐相连，脉冲喷嘴与滤料相距600mm，位于管段中央，直径为3mm，脉冲气体压力取电磁阀能工作的最小压力0.03MPa，脉冲持续时间为80ms，清灰前后对滤料进行称重，计算低压脉冲清灰除掉的颗粒层的质量.为得到颗粒层的总重，在清灰测试结束后，用0.5MPa的压缩空气对滤料进行脉冲清灰，将颗粒层完全清除，由清灰前后质量的变化得到颗粒层的总重.2.3数据处理方法2.3.1作用在颗粒层上的清灰力计算反吹过程中气流垂直穿过滤料及颗粒层[6]，气流流经滤料及颗粒层的压降分布如图5所示.由于用差压传感器只能测得滤料及其表面残存的颗粒层的总压降，所以采用Cheung等[10]的计算方法获得颗粒层受到的清灰力：CCTCF,µµµ∆=∆+PP(1)其中，∆PC为反吹气流作用在颗粒层上的曳力，µC为颗粒层的阻力系数，µF为滤料的阻力系数，∆PT为差压传感器测得的颗粒层及滤料的总曳力.图5反吹时颗粒层及滤料产生的阻力分布Fig.5Pressuredropofthefiltermediumandcake2.3.2清灰效率的计算低压脉冲清灰前，先对颗粒层及滤料进行称重，记为W1，进行低压脉冲清灰后，再对滤料及残余颗粒层称量，记为W2，再进行一次强脉冲(取制取颗粒层连续过滤时的清灰参数)清灰，并对清灰后的滤料和颗粒层进行称重，记为W3，则低压脉冲的清灰效率按下式计算：1213.η−=−(2)缓慢反吹清灰效率的计算与式(2)类似.0.111010001234567Volumepercentage(%)P