新型流化床颗粒层过滤器及其阻力特性的研究-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘 要
IGCC、PFBC等新型、高效的能源清洁转换系统都需要一套运行可靠、高效、维护简单的高温或常温煤气净化装置。新型流化床颗粒层过滤器与陶瓷过滤器、金属烧结网过滤器、移动床过滤器等一样,都是正在发展的高温煤气过滤器,但它有自己的独特优点。本文介绍、分析了新型流化床颗粒层过滤器的特点,三维流化床颗粒层过滤器冷态实验台的有关参数,以及在冷态实验台上进行的阻力试验的初步结果。这为进一步进行效率试验、结构优化试验奠定了基础。
关键词:过滤器,流化床,颗粒层
引 言
先进的整体煤气化联合循环(IGCC)发电、增压流化床联合循环(PFBC-CC)发电等高效、清洁的燃煤能源转换系统都需要一套运行可靠、维护简单的高效煤气净化装置,能够从高温、高压的煤气中有效地清除几乎所有的固体颗粒和H2S等气态污染物[1,2,4~6]。新型流化床颗粒层过滤器与陶瓷过滤器、金属烧结网过滤器、移动床过滤器等一样,是一种日益得到重视和发展的新型高温煤气净化设备。新型流化床颗粒层过滤器起过滤作用的是浸没在流化床中的烛状过滤元件。过滤元件由耐高温的合金材料制成的烛状支撑骨架和附着在骨架上的金属网屏组成。当气流通过流化床料层时,较细颗粒被气流携带,一部分相对较粗的颗粒会被过滤元件阻截,并在过滤元件表面上沉积下来,逐渐积累,形成对很细颗粒都能有效起过滤作用的过滤层。过滤灰层是由于气流的携带而形成,不是象陶瓷过滤器那样靠颗粒间的粘性力结合在一起,因而不易堵塞,不需要定时进行反吹,使系统大大简化;过滤元件表面的灰层保护了过滤元件,避免了磨损,延长了过滤元件的使用寿命;流化床中气固两相流的湍动对过滤元件有清洁作用,避免了过滤灰层过厚。已进行的实验研究表明,流化床颗粒层过滤器能有效地清除微细颗粒,除尘效率达99.9%。过滤后含量极少的微细尘粒的平均粒径在1.5μm左右,总的过滤效果与陶瓷过滤器相当。同时,如果选用适当的脱硫剂作床料,还可以脱除H2S。这样,除尘过程和脱硫过程就结合在一起,使煤气净化系统大大简化。
1 三维流化床颗粒层过滤器冷态实验台
三维流化床颗粒层过滤器冷态实验台简图示于图1。流化床横截面长150 mm,宽140mm,高1000 mm。长度方向的两侧用1.5 mm厚的薄钢板制成,宽度方向的两侧用5 mm厚的透明窗玻璃制成,以便观察床料流化情况、过滤灰层的形成过程和进行床内测量。实验台设置有管径分别为Φ108 mm和Φ57 mm的两路进风系统,由玻璃转子流量计测量风量,量程范围为0 m³/h~600 m³/h。风室高度为300mm。布风板由12 mm厚的钢板制成。布风板上以等边三角形布置有外径为Φ26 mm的风帽14个,每个风帽上开有4个Φ4 mm、向下倾斜的小眼,以避免漏灰。

过滤元件的支撑骨架由Φ32 mm的铜竹制成，铜竹有效高度为800 mmo铜竹上开有Φ2 mm,Φ5 mm,Φ mm的小孔1586个，开孔率约400l0。开孔的原则是让气流沿不同的床高度通过过滤元件的阻力尽可能相等。沿铜竹下端,105 mm高的铜管上小孔尺寸为Φ2 mm,共有754个;中段270 mm高的铜管上小孔尺寸为Φ5 mm,共有520个;上部425 mm高的铜管上小孔尺寸为Φ8 mm,共有312个。小孔都呈等边三角形布置。铜管表面敷设120目的金属筛网,如果过滤元件上没有形成起过滤作用的灰层,粒径小于125μm的颗粒都可以通过。与过滤元件相联的是带有外螺纹的Φ108 mm的钢管,钢管与带有内螺纹的流化床上盖板相联,以支撑过滤元件,并能改变过滤元件与布风板的距离。钢管由用钢丝加固的塑料软管与引风管相连。在引风管道上,设置了一个用透明窗玻璃制成的、尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的测试段,以进行过滤效率的测定。
另外,在流化床上还设有加料装置和卸料口。在风室、流化床段和螺纹连接管的上部都设有多个压力测点。该实验台的建立可以验证流化床颗粒层过滤器过滤微细颗粒的可行性,并能进行过滤器的操作范围、阻力特性、过滤性能、过滤元件结构及尺寸的优化等试验研究。该实验台目前尚只能分批进行操作。
2 过滤器阻力特性研究
2.1 物料特性
试验采用的物料是黄砂,3次筛分试验[3]的结果如表1所示,粒径小于0.125 mm,能够通过120目筛子的颗粒占5.335%。根据试验测得黄砂的真实比重为1692.82 kg/m³,堆积比重为1098.3 kg/m³。

2.2 空载试验
实验台安装完成后,在过滤元件上敷设120目的金属网屏之前和之后,分别做了过滤元件的空载阻力试验,并在实验台运行了一段时间以后,清除床料和过滤元件上的过滤灰层,做了过滤元件有过滤网屏的空载阻力对比试验。结果示于图2。
试验结果表明,在低风速时,过滤元件上有无过滤网阻力差别不大。这是由于:铜管上有效开孔面积为S1=πdhη=π×0.032×0.8×40%=0.0322 mm²,铜管内部流通面积S2=πr²=π×0.0282/4=6.2×10-4mm²;S1/S2=52.3。可见,过滤元件的阻力主要产生于气体的管内流动,特别是过滤元件上部接近出口处的区域气流速度很高(是床内气速的30倍),阻力损失最大。但在操作气速较高时,过滤网屏造成的阻力损失也很大,曲线b和曲线c的对比说明了这一点。试验结束,停止送风和引风。过滤元件上沉积形成的灰层会自然地、崩塌式地脱落下来,但仍然有少量颗粒附着于过滤元件上,表现在曲线a总在曲线b的上方。
2.3 不同操作气速下过滤器的阻力特性
试验发现,床内的料层高度(Hb)、过滤元件与布风板的距离(Hu-t),床料的级配、床料中微细颗粒的含量、过滤元件上过滤网的尺寸及流化床的操作方式等都对过滤器的阻力特性有重要的影响。操作气速变化,过滤器各部分阻力也随之发生变化,图3说明了这种情况。在试验中,保持过滤元件出口处的引风压力为-1009 Pa,操作气速从大往小变化。试验一开始,迅速节阀门,使床内风速超过床料的最小流化风速,达到常规流化床的操作风速,可以让一部分细颗粒迅速从床中逸出,立即(零点几秒到2 s~3 s)在过滤元件上形成能起到有效过滤作用的过滤灰层,避免了实验台启动时气速慢慢增加造成的微细颗粒在过滤灰层形成之前从过滤元件的逃逸。图中系统压降包括床层压降和过滤元件压降,系统压降和过滤元件压降都没有包括过滤元件的出口扩容损失。97 mm高的床层压降随着操作气速的降低而有所增加。这是由于气速降低,使一部分悬浮于流化床上部空间或附积于过滤灰层表面的细粒子重新回落到床层中,增加了床层中的粒子密度。图3与图2相比,过滤元件的阻力明显增大,说明了过滤元件表面过滤灰层的存在。从图中3条曲线的对比还可以看出,过滤元件和系统阻力随风速的提高而迅速增大,一方面是由于气体通过过滤元件表面灰层速度的提高;另一方面是由于更多的细颗粒从床中逸出,附积在过滤元件上,使过滤灰层的厚度增加所致。


2.4 过滤器阻力特性随时间和气流中微细粒子含量的变化 在试验中仍然保持过滤元件出口的引风压力为-1009 Pa。试验共进行了100 min。在40min过后,加入了粒径小于0.125 mm的细颗粒190 g,使床料中能通过过滤网的细颗粒含量达到了9.8%。图4给出了试验结果。在试验中发现:
(1)过滤元件和系统压降总在波动,变化的趋势一致,但波动的幅度不大。当风量稍有增加时,从床中携带并附积在过滤元件上的细粒子量就增加,使流动阻力明显增加,导致风量减小。风量减小时,过滤灰层变薄,流动阻力降低,又使风量增加,如此反复。在试验开始时,调节风量为60 m³/h。在试验中,风量在55 m³/h~60 m³/h之间变化。
(2) 97 mm高的料层压降在整个试验过程中只在941 Pa附近有微弱的变化。
(3)在加入了190 g的细灰后,过滤元件和系统阻力明显增加,而料层阻力没有变化。这表明所加入的细灰被过滤元件有效地分离下来。加入细灰后,在引风管的测试段中用肉眼也观察不到微细颗粒的通过。

3 结 论 通过初步的试验研究,可以得到以下结论:
(1) 流化床颗粒层过滤器能有效地从含尘气流中分离微细颗粒。
(2) 流化床颗粒层过滤器起过滤作用的是在运行中形成的、附积在过滤元件表面的灰层。
(3) 流化床颗粒层过滤器在运行时有自平衡式的压力波动。
(4) 试验结束后,附积在过滤元件表面的过滤灰层能自动地、崩塌式地脱落,表明过滤灰层是由于气流的携带、而不是靠颗粒间的粘性力形成的。

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