基于颗粒床除尘器高温实验研究

2021-12-06

节能与环保 2021年2期

为更好地应对工业生产带来的粉尘问题，研究人员充分发挥颗粒层过滤器的诸多优势，研发出颗粒床除尘器并将其应用到工业生产中。通过在高温条件下对设备进行探究，能够进一步挖掘出设备的除尘作业规律。因此，围绕颗粒床除尘器高温实验进行探究有着重要意义。

1 颗粒床除尘器高温实验

现代工业生产对于粉尘的要求极为严格，现阶段工业企业主要依托湿法处理、降温处理控制粉尘在高温气体中的含量。但无论是湿法处理还是降温处理，都会对高温气体原有的物理潜热造成冲击，导致设备投入加大。在此背景下，颗粒层过滤器的优势逐渐凸显，被广泛应用于高温除尘活动中。在围绕颗粒除尘开展研究时，实验人员应重点考虑高温条件下，颗粒床设备的压力损失变化以及除尘效率规律。

在实验进程中，研究人员首先需要对一次高炉除尘后所产生气体的含尘质量浓度进行模拟，研究颗粒床设备的高温实验；围绕过滤层厚度、气体过滤速度对过滤层压力损失、设备除尘效率的影响进行深入探究。

实验装备主要包括风机、加热炉、控温柜、布料器、阀门、收尘器、除尘器、测量孔。

具体的实验步骤为：依托顺风机控制实验风量，将气体送入实验装置中的加热炉，对气体进行加热并将经过加热后的气体送入实验管道。同时，通过人工调节的方法，对布料速度进行调节，将特定含量的粉尘加入到实验装置中。整个实验过程具体包括正、反吹，在进行正吹活动时，实验人员应将阀门1、阀门4 打开，将阀门2、阀门3 关闭，高温气体内的粉尘会被除尘器过滤并从尾部将净化后的气体排出。在进行反吹活动时，实验人员应将阀门2、阀门3 打开，将阀门1、阀门4 关闭，调节风量，吹出颗粒床设备内的粉尘，进而实现连续除尘作业目标。

在实验进程中，研究人员应按层次把控粉尘、气流、温度，选用质量浓度在8～15g/m3区间内的气体粉尘，选用石英砂作为除尘介质，选取U 型压力计、毕托管测量实验中的实时压力，用镍铬热电偶对实验温度进行测量，使用自动烟尘测试仪对粉尘质量浓度进行检测，采用分布检测仪对粉尘粒径分布进行测量。

相比于传统除尘器，颗粒床除尘器的特点较为明显，具体包括以下几点：①颗粒层除尘器中的粒层过滤器主要选用具有非常稳定化学性质、物理性质的固体颗粒，用其过滤液体气体；同时，该种材质制成的过滤层在高压、高温条件下，能够展现出极好的持久性与较强的耐高温性能。②该装置能够自动连续清灰，可以对空气中的灰尘进行自动捕集、清除，确保过滤介质始终处于清新状态，稳定过滤压强，能够处理大流量气体，具有较宽的调节范围，可以实现过滤除尘的连续性。③该设备具有较高的除尘效率，在极端情况下，除尘效率能够达到99%，平均除尘效率为90%。④该种设备的主要工艺原理为干粉除尘，这种方式有助于防止气体出现二次污染，大幅节约水源；同时，经过过滤处理后的干净气体支持再度回收热量，有助于更好地节约能源。

2 颗粒床除尘器高温实验结果

2.1 时间与除尘压力差、除尘效率的关系

通过分析实验数据可以发现，当气流速度保持不变的条件下，随着时间的推移，压力差逐步增大。在实验开始后的5～20min（实验初期），压力差出现显著变化；在实验开始后的25～35min(实验后期)，压力差出现骤然减缓的变化态势。

其根本原因在于，实验初期的颗粒床除尘器过滤层相对较为洁净，具有极强的粉尘捕捉、收集能力，但随着时间的推移，过滤层上覆盖了大量的粉尘，使得颗粒床过滤层的颗粒间隙逐渐减小，持续提高粉尘的收集难度，导致气体越发不易通过颗粒层，持续增加压力差。在实验后期，颗粒床的过滤层积累了大量的粉尘，使得整个滤层空隙逐渐趋于饱和，不再具有较强的粉尘黏附力与粉尘捕集能力，导致过滤层与粉尘处于平衡状态，压力差不再出现显著变化。

通过分析时间与除尘效率之间的关系，可以发现除尘效率在实验开始后的5min 时处于最低；在实验进行到中期，设备可以获得最高的除尘效率并处于一定时间的稳定状态；在逐步进入实验后期时，设备的除尘效率逐渐下降。其根本原因在于，随着时间的推移，过滤层上覆盖了大量的粉尘，使得颗粒床过滤层的颗粒间隙逐渐减小，持续提高粉尘的收集难度，导致气体很难通过颗粒，而设备的滤层表面逐渐有粉尘颗粒聚集并形成了积灰层，在过滤层与积灰层的共同作用下，设备的除尘效率得到了显著增强。这也表明，为尽可能地提升设备的除尘效率，操作人员可将颗粒床除尘器工作时间选定为运行后的15～25min，在该时间段进行除尘，能够获得相对更强的除尘效果。

2.2 除尘效率与层厚的关系

通过分析实验数据可以发现，过滤层厚度值的逐渐增长会提升设备的除尘效率。在过滤层的厚度为6cm 时，设备的除尘作业效率仅为96%；当过滤层厚度达到12cm 时，设备具有较高的除尘效率，超过99.5%。随着过滤层厚度的逐渐增加，设备的除尘效率保持了相对稳定状态。但同样需要注意的是，过滤层厚度的增加也会在一定程度上加大除尘效率与除尘阻力，会给后续的除尘作业带来一定难度。基于此，实验人员应充分考虑粉尘的阻力效应与除尘效率，将过滤层厚度控制在最适宜的状态，以获取最佳的除尘作业效果。

在实验初始阶段，当过滤层厚度为6cm 时，由于设备具有相对较小的过滤层厚度，在气流冲击下，高温气体中的粉尘很可能穿过过滤层的颗粒空隙，这导致在过滤层内部出现部分粉尘黏附、碰撞的现象，在一定程度上影响过滤层的截留效应，导致设备具有较低的除尘效率。

当过滤层厚度逐渐增加并应达到12cm 左右时，由于过滤层具有较大厚度，可使设备的除尘效率保持在稳定状态。其根本原因在于，颗粒层除尘器中的粒层过滤器主要选用具有非常稳定化学性质、物理性质的固体颗粒，用其过滤液体气体；同时，该种材质制成的过滤层在高压、高温条件下，能够展现出极好的持久性与较强的耐高温性能；随着实验时间的增长，越来越多的粉尘沉积到过滤层的颗粒空隙中，部分被捕捉的细粉尘停止在过滤层中。此外，由于相比于过滤颗粒，粉尘的颗粒直径相对较小，从比表面积角度进行分析，过滤颗粒要小于粉尘；这也意味着，过滤层表面的细粉尘会捕捉高温气体中的粉尘，在一定程度上增加过滤层的截留效应，进而大大提升设备的除尘效率。

2.3 除尘效率与温度的关系

通过分析实验数据可以发现，温度升高会提升除尘效率。在常温条件下，设备只有相对较低的除尘效率，很难超过90%。当温度逐渐升高，设备的除尘效率也会显著提高并保持在95%左右。这表明，除尘效率与温度呈正相关；也充分说明传统的降温处理方式很难有效处理高温气体中的粉尘，还会浪费气体潜热，增加资源投入，无法切实提升除尘效率。其根本原因在于，温度主要依靠扩散碰撞来影响设备的除尘效率，即高温气体的扩散沉积效率与过滤层厚度、过滤介质、过滤层空隙率、粉尘直径显著相关；粉尘尺寸越小，则高温能够获得越强的扩散沉积幅度，即越高的过滤效率。

2.4 温度与压力损失

通过分析实验数据可以发现，烟气温度升高会提高过滤层的压力损失。在常温条件下，设备过滤层不会出现较高的压力损失；当温度逐渐升高，过滤层的压力损失会呈现增长状态；当温度达到200℃左右时，过滤层的压力损失依然持续增加，但增速逐渐减缓。通过比对各实验对照组可以发现，在高温、常温条件下，如果过滤层具有较大厚度与较小的滤料直径，则会出现更大的压力损失。其根本原因在于，在高温气体中，分子间距相对较大，很难产生较强的引力，这会逐渐扩大分子运动行程，导致在气体中出现相互混杂的分子；其中，若分子速度较快，则会进入低流速层；若分子运动速度较慢，则会进入高流速层；不同速度流层中的分子会出现动量交换，进而对流体的相对滑动产生一定的遏制作用，导致各流体间出现黏性。若气体温度较高，则会在一定程度上增加气体内能加剧分子的运动情况，产生更为激烈的动量交换，进而增加气体黏性，这也是过滤层出现压力损失的核心原因。