高梯度磁分离技术用于工业烟气除尘的研究

热点问。在我国城市，尤其是重工业城市，工业排放物的粒子，这些物质如果直接排入大气中，不仅会造成大气的直接污染，而且还会作为催化剂催化大气中些反应，造成大气的次污染，并且直接排放还造成资源的浪费。这种含金属粒子的特点是具有强的磁性，这使得高梯度磁分离技术收稿日期2003蓝惠霞1974，博士研宄生；510640广东省高梯度磁分离技术是20世纪70年代初发展起来的，其最基本的原理跟般磁分离技术相似，是利用外加磁场的作用使磁性物质得到分离。高梯度磁分离技术最初用于高岭土除钛，以提高白度3.随着对高梯度磁分离技术理论的不断研究和深入理解。其应用范也在+断中广大。不仅庄选矿方面以到广泛的应用4.而1已经成功的应用于燃煤脱硫5生物1医学2废水处理6等方面。在烟气除尘方面也展开广泛的研究。高梯度磁分离除尘技术。其处理烟气量大。速率高的特点。决定了它所需空间要比静电除尘器或布袋除尘器小的多，由于磁除尘器内部没有阻碍烟气流动的零部件使其结构简单，次性投资小，易维护，易管理，且自动化程度高26.采用高梯度磁分离技术对粒径从零点几微米到百微米范围的微粒均有较高的去除率，其压力除远低于高效湿式洗涤器，且避免了湿式除尘器中的污泥处和废液处理问，这技术于脱除丁业烟气中的磁性粒子具有屯要意义。1基本原理高梯度磁分离除尘的工作原理1.通过激磁线产生磁力线。使中叫的铁芯以及前面的楔形磁极磁化。产生磁场。山十两极之的距离不大，产生的磁场近似是均匀的。在磁场中加入聚磁介质，般为铁磁性物质，扰乱磁场，产卞磁场梯度。以使磁性粒子受到强大的磁场力，从气流中分离。粒子受到的磁力可以用下式队真中磁导率A粒子的比磁化系数I粒子的体积场梯投。这比提外加磁场强度的方；去更有效，粒子被聚磁介质捕集的过程可以用2说明。在外加磁场的作用下，聚磁介1贡被磁化。出现时和3两个磁极，当磁性粒子随气流靠近聚磁介质时，也会出现两个感应磁极，其3极与聚磁介质的N极相对，两异性磁极之间存在着强烈的吸引力，这个吸引力如果足以克服流体的阻九粒子就会被吸着在聚磁介质上。从气流中分离。气体得到净化。Ilo外加磁场强度实验研究gr磁场梯度粒，磁场中受到的磁力的火小与粒的比磁化系数粒的体积外加磁场强度以及磁场梯度存关。为获得尚的磁场力。使磁性粒子从气流中效分离出来。最经济的办法就是提高磁高梯度磁分离是种新型的除尘技术，目前还没有真正应用到工业烟气除尘领域。但是研究者在不断地进行试验研宄，使这新技术更加完。从而能够成为普遍应的除尘技术。给工冶金能源早在1976年，美国环保局投19万美元来研制开发用于工业烟气除尘的高梯度磁分离器。当时0，出估计这种除尘技术比起传统的过滤技术湿式除尘器以及静电除尘器要灵活经济7.1979年0邺等发了高梯度磁分离技术除尘的小规模实验室结果8，所用的实验样品取自钢铁厂氧气顶吹转炉8和电弧炼钢炉人产生的尘粒，粒径约在3，15强度为041心，面气流速度为5.2.1阳山于1粉尘的比磁化系数要商尸，从粉尘的比磁化系数，8粉尘的去除效率要比尸粉尘的岛。对尸粉尘，在气流速度为8.41时，压力降只有1.7砂3.接下来又进行了半工业性的实验，对两巾粉尘的去除效率都可以达到99以上，每秒钟处理的气体量高达0.81但不论足实验室实验还是半1业性实验，都没有考虑介质负荷钢毛尺寸和气体温度对除尘效率的影响，Υā疤荻却，分离对叫粉尘进汀实验实验中研允了钢毛负荷量并考虑了钢毛的物理参数对除尘效率率为0.5，磁感应强度为21心，气体流速高达13.6m钢毛所捕集的粉尘的体积是其体积的9.66倍。达到饱和负荷时，磁分离器的阻力仅是初始值的2.6倍。钢毛截面是正方形和圆形，比起其他形状，具有较高的除尘效率。直径较小率也尚。1.札1设计了用于核。业排放的烟气处理的，梯度磁分离器。这种工业废气含有大量放射性粒子，如，必2，但是大多粒产几有较强的磁性，粒径在554范，这种粒还有易碎的特点，这就要求聚磁介质具有高柔软性和高可延伸性，从而具有高的强迫力和剩磁。为使高梯投磁分离器进步节省能和提高效率，可以用高温超导体代替铁芯。34在相同的激磁电流下。产生的磁场强度要大得多。在产生同样的磁场强度下，所需要的电能要能污染问。许多研究者对高温超导体应用于梯度磁分离器的研允纳汜邡及明6，使用高温超导体会使赀用进少降低，商温超导体还可以作为聚磁介质，同样也可以达到节省能耗提高效率的目的。乃。等用外层镀有665衫231.2201+8的高温超导体细丝作为聚磁介质，可以产生更高的磁场梯度，使磁性粒子的分离效率人大增加173主要影响因素影响高梯度磁分离除尘效率的因素除了粒子自身的性质和钢毛的尺寸外，最主要的是磁场强度钢毛填充中1和气流速度个外部因素，要提高除尘效率，关键还是要分析这个外部因素产生的影响。3.1磁感应强度对除尘效韦的影响般来说，磁场强度越大，粒尸受到的磁场力越大。在烟气除尘实验。0，1等对磁感应强度为，6；的范旧进疔广丈验，作这范围，磁感应强度，加，磁性粒子的去除效率，加。但是，加的幅度是逐渐减小的。颜幼平等181实验中采用的磁感应，役为，20在这沿围，除尘效率不妃随磁感应强役的增加而直，加下去，而是在1818达最大值，以后又降低的趋势。这可能；6因为，开始时随着磁感应强度的，加，钢毛产生的磁吸引力增大，7寸磁性粒子的捕集能力增强。当磁感应强度增加到1818后，钢毛己经达到磁化饱和状态，因而对粒子的捕集，加不多。继续，加磁感应强度，所，要的激磁电流达到较大值时，会使聚磁钢毛出现振动。导至呜粒子脱离聚磁钢毛而进入气流中。仙人1研宄了80粒子铁磁性粒子在夕加磁场下的磁化情况，发现磁感应强度为0.91左右时。其比磁化系数会最高，磁感应强度继续，加，比磁化系数减小，而在2以；8，粒子达到磁化饱和，实际上，采用磁感应，度为28，付磁性粒，的去除效，般都可以达到97以上。3.2钢。填充率对除尘效率的影向0.51的范1钢毛的填充韦，加，少得多不仪口良扣消耗殓且止，践，此碰毛，集，率的影响非七。人1畲成悟增加冶金能源由于聚磁介质，加，磁捕集点增多，因而除卞效率增加。但是填充率过高，方面会使钢毛附近流体振动，加，引起流体波动，将粒子带入捕集在磁力作用下被捕集。另方面，填充率过高，钢毛与钢毛之间的距离太近，会干扰局部磁场，致磁场力和磁场梯度降低，因而不利厂粒子的捕集。人。1指出，当钢毛填充率高子75时，钢毛之间干扰导致粒子捕集效率著。3.3气体流速对除个效率的影响国外研究者实验了气流速度为5187.5mWUlK，Mif气流速变的增加。对粒子的捕集效中1是降低的。飞流速度为7.5，8和18时的除尘效率相差不是很大。颜幼平等的实验研究也得到同样的结果。但是1.人。，玫降慕峁，肷厦嬗兴，煌，5备置，畛渎饰，5时，几乎所有粒子都能处于惯性区，惯性力对粒子去除效率有着很重要的影响，随着气流速度的，加，粒子受到的惯忭力增加，粒子被气流带入捕集区而被钢毛捕捉，因此粒子的去除效率，加。当钢毛填充率较高，例如为1时，流违度为5.24，7.32，粒基木上处于非惯性，惯性力的影响不大，此，气流速度增加，粒子的捕集效率降低。在气流速度超过7.3213后。惯性力的影响变以重要起来，牛且流体振动也，加但钢毛钢毛之间的干扰也，加，粒子的捕集效率受这两方面的影响，如果由于流体波动而导致粒子被捕集这正效应大于钢毛钢毛之间干扰带来的负效应，贝1粒子的捕集效率会增加，反之会降低。1说在这种双重作用的影响下，粒子的捕集效率应该变化不人。这也可以解释；〃等的实验结果。当气流违度高1.5213时，出现了粒子的反弹现象，导致粒子捕集效率下降。但是气流速度高达13.6，仍然1以得到很的除尘效率。4理论模型研究，梯度磁分离除尘模型妁建立可以为设汁改进高梯度磁分离器提供理论依据。叮以对磁分离器的性能进行评价，具有重要的指导意义。很多应于气体中的粒子。于是研究者针对气流中的粒子，模型进行改进，建立起高梯度磁分离器捕集气流中粒子的模型。高抑度磁分离除尘的理论松喂1要由4个无维参数组成钢毛磁化参数4人征由于外加磁场的存在使得钢七磁化的程度磁场力参数站磁场力与惯性力之比斯托斯准数尺，是惯性力与流体粘滞阻力之比，重力参数，是重力与惯性力之比。目前的模型都是在单条钢毛对粒子的作用的基础上建立起来的，j般用无维向量办征单条钢毛的捕集效率，是上面个无维参数的函数。现有的模型都是基十单条钢毛对磁性粒子的捕集建立起来的。0，8指出单丝模型对较大粒子去除效率估计偏高，原因之是因为较大粒子由于受到反弹力和流体的拖曳力较大而有可能不会被钢毛捕捉，并且被捕捉的粒子也有可能被重新带回气流中。被带入气流的粒子也有可能重新被捕捉，但心忙粒广的反弹，论和力的1衡是解释不这种现象的。对理论的不断深入研究，使得高梯度磁分禹除尘模型也不断完善。13，训。贾在研究粒子在磁场的轨迹，指出。流体为液体时，粒子所受到的惯性力可以忽略，但是流体为气体时，并且粒子的直径大于钢毛直径时，以斯托克斯准数等厂1为标准将粒子在磁场中的行为划分为惯性和非惯性行为。当斯托克斯准数大于或等于1时，惯性效应对粒子的轨迹有很大这使得单丝模型进步完善。1指出10，单丝梭型是山顺磁性粒产得到的。实验中所用80粉尘是铁磁性的，因此不能很好的解释粒子在磁场中的行为。因为铁磁性粒子与顺磁性粒子在某些性质上存在着较大的差别，例如顺磁性粒子的比磁化系数可以看作常数，而铁磁性粒子粒子被吸附在钢毛上后，会感应出磁极，又会产生自己的梯度区域，成为新的捕集点，而顺磁性粒子却不行。这解释了0，出的实验中钢毛对80粉尘的捕集负荷以及除尘效率要高尸参数用铁磁件粒子的代替，从而得到适应尸铁磁单丝模型存在着个重要的缺陷就是没有考虑钢毛与钢毛之间的作用以及吸附在钢毛上的粒子之间的作用，这样就+能解释粒子在磁场中的些行为以及实验中出现的些现象。因此在理论上还有待进步深入研究。5经济分析在保证除尘效率的条件下高梯度磁分离器气流违度达13.6而静电除尘器般为1袋式除尘器般只有。入1此，在气体处理量方面，高梯度磁分离器就有很好的应用前以。而且处即大使得高梯度磁分离器占地面积要比静电除尘器和袋式除尘器小得多。高梯度磁分离器内部没有复杂的部件，空隙率达9095，阻力小，因此产生的压力降较小。在气流违度为8.4，压力降为1.71与布袋除尘器在气流速度为0.01.06范旧时的扣近约1.23，比电除尘器在气流速度为128范围时的大0.20.3421.似屯除尘器内部装价格昂贵磁分离器内部装的是廉价的不锈钢毛，寿命长得多。在能耗面，高梯设磁分离器的屯能消耗为3.214，与袋式除个器相差不大，比电除尘器但沿常的，式除尘器文丘里洗涤器戏小。名22，6存在的问在对高梯度磁分离器去除磁性粒子的实验都没有虑气体温度的货化付去除效率的出响。气体温度的变化导致气体粘度变化，影响粒子在磁场中的运动轨迹，从而影响粒子的捕集。冶金能源项目运行参数实测值5号锅炉6号锅炉锅炉负荷flr燃煤量fh1燃煤硫分烟气量m3，hl⑶入口烟尘浓度化名爪31；1出口烟尘浓度化813除尘效率脱硫效率浓灰乳液浓度W消石灰稀液讲消石灰稀液⑴叫纩厂1消石灰水稀液体积流量！1液气比Lm3塔内反应韦丐硫比以，1比说明100出入口烟尘302质量浓度来源于广州市环境监测中心站和烟气在线监测，实测结果统计值。屺制的浓灰乳液浓度随锅炉运台数而变，即由消化池投灰量决定，每次班配制和使的浓灰乳液总体枳过不变，均为14.41班槽，故易于操作，易于控制。每个高位浓灰乳液槽，纵向装有刻度尺。分成格。每小时耗灰乳试1格。即从便厂检查和监队消化池未被诮化的灰粒较机械连续消化法多，劳动强度也稍大，但将池消石灰乳配制成槽浓灰乳液仅需1小时。粗灰粒经筛网分离后与锅炉冲灰排水混合，调节讲，并无石灰损失。3结语1灰湿法烟气脱硫1艺，石灰乳制备给液系统设计适宜简单易操作易控制易管理和易监督。工程实践明。吸收传质反应设济和给液系统是烟气脱硫的两大重要部分。缺+可。高效传质设备是基础，而完善的供给液制备系统是获得高效脱硫的保证。1郝吉明，马广大。大气污染控制工程。北京高等教2孙文涛，吴忠标，谭天恩，石灰湿