移动床过滤器设计优化和热煤气除尘实验研究-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要:依据流态化理论,对用于高温气体净化的逆流式移动床颗粒层过滤器内的流动过程分析表明,过滤器和循环清灰系统的结构对过滤性能有较大的影响,过滤器内流动形态和气流之间的压力平衡主要受颗粒层内压力梯度的影响.设计理论的正确性在热煤气实验中得到了验证.热煤气考核实验表明,所设计的结构较容易达到气流之间的压力平衡,移动床颗粒层过滤器在高温高压下能够实现过滤与循环清灰的一体化稳定运行,且过滤效率达99·65%~99·80%,但细微尘粒的捕集效率有待于进一步提高.
关键词:过滤器;颗粒层;高温气体
中图分类号: TK284.5　文献标识码: A
移动床颗粒层过滤器和刚性陶瓷过滤器是最有希望、最有发展前途的,用于整体煤气化联合循环(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)和增压流化床燃烧联合循环(Pressurized Fluidized BedCombustion-Combined Cycle,PFBC-CC)的高温除尘技术[1].移动床颗粒层过滤器具有良好的耐高温和耐高压性能,过滤介质不存在腐蚀问题,对气体和灰尘性质不敏感,过滤效率较高,但其对细微尘粒的除尘效率还有待于进一步提高,系统的磨损问题还需要进一步研究,运行的控制因素也较多.然而,与陶瓷过滤器面临的难题相比,移动床颗粒层过滤器现存的问题更容易突破.
日本采煤研究中心和川崎重工在430~460℃下进行了移动颗粒层过滤煤气的实验.纽约大学曾进行过PFBC烟气的移动颗粒层除尘实验,其运行温度为870℃.美国的燃烧工程公司和西屋公司正在开发用于煤气除尘的移动床颗粒层过滤器.荷兰的Delft大学已进行了固定床和移动颗粒层过滤PFBC烟气的实验[2].中国科学院山西煤炭化学研究所对交叉流移动床颗粒层过滤器的除尘机理进行了研究.国电热工研究院开发出了无筛逆流移动床颗粒层过滤器[3].
总之,国内、外移动床颗粒层过滤器的研究均处于实验阶段,移动床颗粒层过滤的理论研究和运行实践还远远不够,仍然存在着许多未解决的问题.本文介绍了移动床结构设计优化和移动颗粒层过滤热煤气除尘考核实验的研究成果.
1　实验系统
在以往空气配尘实验的基础上,国电热工研究院设计并建造了用于热煤气除尘的考核实验系统(见图1).实验所用的煤气来源于中国科学院山西煤炭化学研究所的灰熔聚流化床气化炉.高温高压煤气经旋风分离器预除尘后,进入移动床颗粒层过滤器.在移动床颗粒层过滤器内,携尘热煤气的流动在入口管处改变方向并与颗粒层的移动形成逆流,经过颗粒层得到净化,从洁净气出口管流出.颗粒层将捕集到的尘粒携带向下移动,进入颗粒循环供料器,由氮气将含尘颗粒经输送管送入清灰器.在清灰器内,颗粒与灰尘分离,颗粒依靠重力下落,经滤料回落管重新进入移动床颗粒层过滤器进行循环收尘,而尘粒则在氮气的携带下经清灰器出口进入旋风分离器进行收尘,收尘后的氮气再经过一级金属滤网过滤器进行精细除尘,之后经减压阀减压后排空.从洁净气出口出来的洁净煤气首先通过换热器将其温度降低,然后经过精度1μm的金属滤网取样,进一步减压后进入水洗塔.

2　移动床结构设计优化
将颗粒层过滤和气力清灰组成循环回路时,涉及的物流有过滤气体、清灰气体和滤料介质.气流之间的压力平衡是影响颗粒循环系统连续稳定运行的关键因素.运行中必须严格控制过滤气体和输送气体的压力.
图1中颗粒层的流动可分为3段:上部A-B段为正压差移动床流动,中部B-C段和下部C-D段均为负压差移动床流动.在A-B段中,气体和固体颗粒都向下流动.减小该段的压力梯度,可以有效地减少清灰气沿滤料回落管窜入过滤器中的流量.在B-C段中,固体颗粒向下流动,过滤气体逆向流过颗粒层得到净化.气体与固体颗粒间的表观相对速度应小于临界流化速度.在C-D段中,固体颗粒向下运动,移动床流动状态处于理想料封和临界料封之间,清灰气向上窜入过滤器中.为了减少清灰气的窜气量和确保颗粒下落顺畅,运行时该段的流动应靠近理想料封状态.
移动床的压降损失由粘滞能量损失和动能损失两项组成,它的定量计算可由以下数值积分得到[4]


图1中倾斜管移动床流动的压降计算可参照文献[5],并用输送管与水平面的夹角对式(1)进行修正.
在负压差移动床流动的设计和运行中,压力梯度|Δp|/Lp的值是一个重要参数.随着|Δp|/Lp的增大,负压差移动床流动的形态从稳定流动的自由流落、向下窜气、理想料封、向上窜气逐渐过渡到不稳定流动的临界料封、极限料封.由文献[5]对移动床料封能力的分析,可以很容易地确定垂直管移动床流动的形态.对于图1所示的移动床颗粒层过滤器,Lp可以理解为一个抽象的结构参数.运行压差与移动床流动形态的关系由实验确定.
在气力输送系统中,喷射供料器和输送管的设计可参考文献[6].当滤料进入弯管时,由于运动方向的改变,会产生对管壁的冲击、摩擦.弯管进口滤料颗粒的速度过小会造成滤料在弯管内的堆积,故在输送系统的设计中要求输送管水平段有足够的颗粒加速长度.输送气流速度的选择可以根据悬浮速度乘上合适的修正系数来确定.
在移动床颗粒层过滤器的设计中,当过滤气与清灰气的进口压力确定后,则可根据以上对移动床流动的分析,来选择合适的结构尺寸,这样就可以使过滤气体、清灰气体和滤料介质按照设计的路线流动,并且过滤系统也能够稳定运行.在移动床颗粒层过滤器的运行中,不同的流体进口压力、流量,会导致颗粒层中不同的压力梯度和不同的移动床流动形态.气体的流动方向是否符合设计要求,可以根据床层的压差来判断.
根据上述理论分析,国电热工研究院设计了用于热煤气除尘的考核实验装置,该装置的改进之处体现在:①增大了过滤器中B-C段的长度,以减小压力波动对移动颗粒层过滤器除尘效率的影响;②增大了过滤器中A-B段和C-D段的长度,这样更有利于系统在高压下的压力平衡;③对清灰器进行改进,同时增大了物流平衡之前滤料料位短暂增高的容许空间以及清灰器上部的气流空间,使滤料回落更顺畅,并提高了清灰器的清灰效率.实验表明:过滤器和循环清灰系统的结构设计合理,过滤器运行的稳定性较好,在高温高压下实现了颗粒层过滤和气力循环清灰的一体化运行.
3　实验结果与讨论
移动颗粒层过滤热煤气除尘考核实验的运行条件及达到的性能指标如表1所示.文中涉及到的气体流量和含尘质量浓度等均为标准状态下的值.由于煤气中水蒸气的含量较高,对移动颗粒层过滤除尘系统的循环清灰极为不利.为了避免水蒸气的凝结,待煤气温度达到500℃以上时,再打开除尘系统进口阀门开始实验.实验中清灰器后旋风分离器的排出物为粉末状干灰.这表明:除尘系统压力平衡良好,煤气没有窜入清灰系统中;清灰系统运行良好,滤料颗粒与灰尘分离后全部回落入除尘器中进行循环收尘.
表1　移动颗粒层过滤热煤气除尘考核实验的运行条件及达到的性能指标

除尘器进、出口煤气中所收集灰尘样品的粒度分布用激光粒度分析仪Malvern Mastersizer 2000进行分析,结果如图2所示,图中w为含尘质量分数.由移动床颗粒层过滤器进、出口煤气中灰尘的质量浓度和粒度分布,计算出除尘器的分级捕集效率如图3所示.移动颗粒层过滤除尘实验的结果表明,细微尘粒的收集效率较低.联合循环中燃气透平对入口燃气净化的要求是完全除去大于10μm的尘粒,对含尘质量浓度和小尘粒的粒径分布也有比较严格的要求.所以,进一步提高细微尘粒的分级捕集效率ηδ对移动颗粒层过滤器的发展具有非常重要的意义.

4　结　论
(1)移动床颗粒层过滤器内流动形态和气流之间的压力平衡主要受颗粒层内压力梯度的影响.实验表明,本文所设计的结构较容易达到气流之间的压力平衡,且过滤器运行的稳定性较好.
(2)移动床颗粒层过滤器在热煤气状态下能够实现颗粒层过滤和气力循环清灰的一体化运行,且过滤效率较高,可达到99·65%~99·80%,但细微尘粒的捕集效率需要进一步提高.

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