惰粉流化床協同分離消失模等黏性煙塵的除塵新方法研究

周先達 ，姜 濤 ，吳克杭，楊 鵬

（1.同濟大學，上海 201804；2.寧波天秦環保技術有限公司，浙江寧波 315100）

近年來，我國越來越重視廢氣治理事業，逐年改善霧霾現象，還社會一個藍天。鑄造無疑是一個重污染行業，鑄造廠面臨巨大的環境治理挑戰。脈沖噴吹清灰的干式除塵技術得到了廣泛應用，其凈化效率高，技術可靠，經濟性強，是一種理想的除塵方法，但對于黏性、油性或含濕的煙塵，濾芯容易發生“塌袋”和堵塞等現象，嚴重情況時除塵器根本不能有效使用。包括消失模和樹脂砂等鑄造工藝，產生的大量黏性煙塵，原有布袋除塵器短期內因黏附堵塞而失效。本課題“惰粉流化床協同濾芯預涂層的脈沖除塵新方法”正迎合上述難題，采用惰性粉劑（碳酸鈣）流化床對上述“難題”煙塵進行混合、吸附、團聚和包覆等調質，使其“惰化”，大幅度降低其黏性、油性、含濕甚至易燃易爆性，并對脈沖濾芯進行預涂層，產生有效惰性隔離，從而實現高效、穩定和安全的干式過濾凈化過程。本課題“惰化”過程采用流化床技術，惰性粉劑循環充分使用，飽和后更替；流化床保證了“難題”煙塵的調質“惰化”以及濾芯的預涂層效果，調質和預涂層更加充分，從而保證了惰粉的充分有效利用、除塵的凈化效率以及濾芯的脈沖噴吹清灰效率。本課題除塵技術在國內還未見報端。

除塵器新濾芯初次使用前，在進風口添加惰性粉劑進行表面覆蓋以延長使用壽命，這在國內外除塵行業里有一定范圍的應用。在熱電和鑄造等領域，濾袋除塵器在初次啟動或間斷重啟時采用消石灰預涂層來保護濾芯。寧波大學楊國華教授帶領團隊[1]采用布袋協同粉體助劑對黏性微細粒子的過濾及反吹清灰進行了實驗研究，探討了膨脹珍珠巖粉體助劑層厚度、過濾速度以及布袋材質等對柴油機尾氣顆粒物過濾效率及壓降的影響，同時考察了粉體助劑層對布袋再生效率的影響。德國Karlsruhe大學Eberhard Schmidt[2]等人1990年就以Badenwerk電廠為案研究過結合脈沖清灰、濾料選擇、預涂層和惰粉在線添加技術來實現對電抗性并極大粘聚性的微細煙塵的有效脈沖濾芯除塵問題。本課題針對消失模鑄造中泡塑氣化黏性煙塵進行了試驗和部分項目的應用研究。

1 惰粉流化床協同脈沖除塵結構模型和運作機理

一體式流化床置于除塵器灰斗下部灰槽內，代替普通除塵器的粉塵收集箱（桶）。流化床床面上方設有惰性粉劑輸入管口和壓縮氣脈沖吹激裝置。流化床灰槽底面為多孔的布風板，布風板下方為流化氣流均流腔，均流腔靠底面設有壓縮氣入口。流化床靠近布風板位置設有真空排灰管口。

模型上部為典型的豎裝濾芯脈沖除塵器結構。氣溶膠過濾腔側面設有目標氣溶膠進風口，頂面為濾芯安裝花板，牢固掛裝豎向濾芯。花板上方為整體式排風腔道（凈氣腔）,正對花板孔道處設有濾芯清灰脈沖噴吹口。

下部灰槽為鼓泡流化床設計，容納惰性粉劑和氣溶膠黏性顆粒及他們的顆粒聚團。根據脈沖除塵器特點，灰槽一般設置為矩形截面，略小于除塵器原氣腔體橫截面。上部為除塵器過濾腔體，也為流動氣溶膠空域（也為一種超稀相氣力輸送場），也作為下部鼓泡流化床的自由空域，該過濾腔體高度基本在下部鼓泡流化床的沉降高度MHT 范圍內[3]。

本課題采用一級惰粉流化床惰化調質，二級在線預涂層高效濾芯過濾的復合除塵方法。經濾芯過濾分離下來的顆粒物包括目標煙塵以及惰性粉劑最終均沉降至流化床，目標煙塵和惰性粉劑在流化床中繼續進行調質，流化床床面上方設有壓縮氣吹激裝置，周期性脈沖吹激使得流化床上層氣泡破裂揚起，順著除塵風機的負壓抽吸氣流對上部濾芯表面進行預涂層。脈沖噴吹濾芯除塵器的清灰脈沖和流化床床面吹激脈沖有機結合。

下部為向上的流化氣流，源于調壓后的壓縮空氣，流量較小，僅維持灰槽內顆粒物的鼓泡流態化。上部有垂向進入的氣溶膠（或謂超稀相氣力輸送），此為待過濾分離的目標氣流，流量（除塵術語為風量）遠大于下部進入的流化氣流。頂部為排出氣流，該氣流和垂向進入氣流的動力均源自除塵器下游的抽吸風機。一般狀態下，該排出氣流流量為流化氣流流量和垂向氣流流量之和。除上述狀態外，在除塵器脈沖噴吹清灰時段，鼓泡流化床床面的壓縮氣吹激脈沖（順除塵壓降）開啟，上部濾芯的反吹清灰脈沖（逆除塵壓降）開啟，均產生進入氣流，但其流量遠小于主體抽風流量。前述兩脈沖氣流發生時，垂向氣溶膠抽吸流量短時會略微減小，但不影響主體抽風除塵作用（氣溶膠捕集）。

圖1 惰粉流化床協同脈沖除塵流程圖

2 濾芯惰粉噴涂層和脈沖噴吹清灰

實際上，脈沖噴吹除塵器的有效使用是以確保在一定的過濾阻力下長期運行為前提的。行業應用上，高壓脈沖噴吹除塵器的工作阻力一般在1000Pa～1800Pa之間。而根據《HJT328-2006_脈沖噴吹類袋式除塵器標準》，脈沖噴吹除塵器的工作阻力要求小于1500Pa，這是考慮了除塵器能耗和濾芯強度等因素設置的一個標準。如按此標準，除塵器新濾芯開始使用時，阻力不斷上升，但必須借助周期脈沖噴吹措施，阻力在1500Pa前達到穩態運行，這樣才是一款合格有效的除塵器。

圖2 粉體層厚度對過濾效率和壓降的影響[1]

圖3 濾芯的工作狀態和脈沖清灰狀態比較

對于黏性氣溶膠煙塵的除塵，惰粉流化床對濾芯進行周期性預噴涂，和濾芯的脈沖噴吹清灰有機結合，實現過濾除塵的長期穩態運行，運行時過程可以描述為：在脈沖噴吹時，清灰氣流使濾袋內的壓力急速上升，濾袋迅速向外膨脹，當袋壁膨脹到極限位置時，很大的張力使其受到強烈的沖擊振動，并獲得最大反向加速度從而開始向內收縮；但附著在濾袋表面的煙塵層不受張力作用，由于慣性力的作用而從濾袋上脫落。

3 惰粉流化床設計和惰粉選型

氣固流化床中顆粒的粒徑及顆粒的表觀密度與氣體密度之差對流化特性有顯著影響。根據Geldart顆粒分類法，A類顆粒稱為細顆粒或可充氣顆粒，一般具有較小的粒徑（30～100μm）。A類顆粒的初始鼓泡速度明顯高于初始流化速度，并且床層在達到鼓泡點之前有明顯膨脹。形成鼓泡床后，乳化相中空隙率明顯大于初始流化空隙率，且密相中的氣固返混較嚴重，氣泡相和乳化相之間氣體交換速度較高。隨著顆粒粒徑分布變寬或平均粒徑降低，氣泡尺寸隨之減小[3]。

圖4 Geldart顆粒分類法

A類顆粒的上述鼓泡流化床屬性尤其適合于本案惰粉和目標煙塵的充分混合調質的要求。并且初始鼓泡速度明顯高于初始流化速度，如此流化氣速選擇范圍大，有利于鼓泡流化床氣速的實際控制。

平均粒徑在20μm以下的C類顆粒屬黏性顆粒或超細顆粒。此類顆粒由于粒徑很小，顆粒間的作用力相對較大，極易導致顆粒的團聚。王長青等對幾種粒徑的流化特性采用床層塌落技術進行了研究，發現顆粒直徑dp≈30μm的流化床有最大乳相空隙率，該均徑的顆粒可能是沒有表現出顯著團聚特性的最小顆粒。考慮惰粉盡量呈散式狀態，利于和黏性氣溶膠目標煙塵的調質混合吸附。這些都使得選用均徑在30～45μm的惰粉最為合適。另外，惰粉顆粒隨著對氣溶膠黏性顆粒的吸附將增大粒徑，成為雙質牢固聚團，且聚團平均密度比原惰粉顆粒小，如此以來其流態化屬性更趨向A類顆粒。另外，該聚團外表面呈現黏性，其流化床屬性可近似參照黏性顆粒鼓泡床進行計算[5]。惰性粉劑選用經濟易得、屬性穩定的石灰石（碳酸鈣）粉劑最為合適，其成份和屬性參見表1。

因為黏性顆粒聚團不斷發生合并也有少許破碎，不適于直接按一般顆粒的流化床計算。Zhou T.和羅傳寶[6]等對處于鼓泡流化床中聚團所受的曳力、碰撞力、黏性力、重力和浮力有比較綜合的分析，并依據受力平衡原理構建了可以確定聚團粒徑da的模型，且設計了大量試驗對所提模型的準確性進行了驗證。本研究采用該模型，其表達式為：

式中，Ha為Hamaker常數，單位為J；Ug為運行時的表觀氣速，單位為m/s；δ為兩顆粒聚團間的距離，單位為m；k為楊氏模量與泊松比的函數，對于黏性顆粒聚團流化床，其值可取3×10-6Pa-1；g 為重力加速度，單位為 m/s2；εg為局部平均孔隙率。經局部結構參數模型的迭代求解，借助于CFD軟件，由下圖結果得知，聚團粒徑的分布范圍為100～170μm，且隨床層高度增大聚團粒徑變小，顯示出惰粉飽和分層的特性，這有利于惰粉的充分調質使用。

表1 石灰石粉劑屬性表

圖5 顆粒聚團粒徑隨床層高度和乳相孔隙率的變化

4 惰性粉劑耗用量計算

目標氣溶膠風量為Qj（m3/s），煙塵質量濃度為Cj（kg/m3），平均粒徑為dp（m），煙塵黏性物動力黏度為μj（Pa·s），密度為ρj（kg/m3）；碳酸鈣惰粉顆粒均徑di（m），除塵器設計過濾后排放濃度為Cr（kg/m3）。考慮該除塵器為高效濾芯，因惰粉粒徑較大，濾芯穿透量極小，予以忽略；穿透濾芯的目標煙塵（排放濃度煙塵）一般未和惰粉黏附團聚，故在計算所需惰粉用量時不予計入。

惰粉添耗用量近似計算函數為：

式中，Mi為惰性粉劑使用量，單位為kg/s；kb為濾芯種類和脈沖噴吹清灰效率影響因子，取1.0～1.5；kf為流化床和自由空域調質效率影響因子，取1.0～1.6；C為常數，按煙塵分類實驗取得,如對于甘油類黏性煙塵其值可取為8.6×10-4s1.5/m；v為濾芯過濾速度，單位為m/s；da聚團顆粒均徑，單位為m。

上述近似函數適用于目標氣溶膠常溫常壓工況，氣溶膠溫度范圍為0～75℃，除塵器原氣腔（也即流化床自由空域）相對負壓為0～5000Pa。經多次實驗驗證，并和有關惰性粉劑預噴涂報導對比，該函數可做近似計算所用。

5 結束語

在惰性粉劑協同濾芯預噴涂的脈沖除塵新方法上，當前一項關鍵的研究是如何對不同的“難題”煙塵配置合適劑量的惰性粉劑保證脈沖清灰對濾芯的有效再生[7]。鼓泡流化床的分層和調質技術滿足了惰粉的循環利用要求，是目前難得的一種形式。惰性粉劑除采用石灰石粉末外，還可研究采用消石灰和粘土粉末等，來源廣泛，價格低廉。綜上所述，本除塵新方法在包括鑄造行業等黏性粉塵除塵應用上有很好的市場前景。

本文僅探討了惰粉流化床協同脈沖除塵的基本工藝配置、特性以及一些計算。針對不同種類的黏性、油性、含濕和易燃易爆氣溶膠的物化屬性分析，配置相應的惰性粉劑以及選擇相應的除塵器濾芯形式和濾材材質上，需要更多的進一步的研究和實驗認證。