移動式顆粒床氣固分離性能冷態試驗

樊英杰，劉今乾，馬 琛，郭 偉，楊伯倫，吳志強

(1. 西安交通大學 化學工程與技術學院 陜西省能源化工過程強化重點實驗室，陜西 西安 710049；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

“富煤、少油、缺氣”的能源結構特點決定了煤炭在我國將長期處于能源消費的主導地位，為此，煤炭資源的分級高效利用是確保我國能源安全的重要途徑之一[1]。采用熱解技術進行煤炭分質轉化可在較低溫度下實現煤炭資源的高效分質利用，但熱解產物包括各種粉塵顆粒，因此需要進行粉塵脫除。含塵含油高溫熱解氣凈化是粉煤熱解技術工業化過程中需要迫切解決的問題[2]。針對高溫熱解氣的凈化，國內外學者提出了旋風分離[3]、電除塵[4]、顆粒床除塵[5]等處理方式，其中顆粒床技術具有過濾介質對氣體和灰塵性質不敏感、可選擇性較多等優勢，引起廣泛關注。雖然相關企業已對顆粒床除塵技術進行積極布局，但總體上該技術尚處于初期研究階段[6-7]。

王苗等[8]對影響旋風-顆粒床過濾器兩級除塵性能的過濾介質尺寸、厚度以及氮氣流量等因素進行了探索，發現影響除塵性能的關鍵因素為表觀氣速，其次為過濾介質粒徑，氮氣流量影響有限，濾料粒徑0.38～0.83 mm 時，顆粒床過濾器平均除塵效率97.18%。付金壯等[9]比較了入口粉塵濃度和再生塵源濃度對旋流-顆粒床耦合分離器性能的影響，指出2者對床層的壓降影響顯著，而入口粉塵濃度對整體的除塵效率影響有限，入口濃度在5.95～59.13 g/m3時，試驗穩定后分離效率可達98%。呂涵等[10]使用冷模氣固順流式移動床過濾器，通過改變表觀氣速、顆粒循環強度、粉塵的比沉積率等參數研究其對床層壓降和除塵效率的影響，表觀氣速為0.126 m/s、比沉積率σ為0.000 735時，過濾器的操作壓降可達相對穩定狀態，此時除塵效果最優，捕集效率達97%以上。王助良等[11]研究指出，影響顆粒床過濾器除塵效率的關鍵因素是沉積粉塵，通過分析孔隙率在顆粒層過濾過程中的變化可得到氣流含塵質量濃度、灰塵沉積密度等在顆粒層內的變化規律以及除塵效率的關聯式。Chen等[12-13]對移動顆粒床過濾器進氣系統的設計和測試程序進行研究，包括氣體流量、進氣系統幾何形狀、流量校正插件在濾床上的位置等參數對過濾系統性能的影響，并分析了進氣系統和濾床中氣體的動力學模型與流動性。

通過數值模擬方式探究移動床過濾性能，可在一定程度上降低試驗成本，趙建濤等[14]采用二維錯流數學模型研究了移動顆粒床過濾器除塵過程的氣體流動規律、粉塵沉積特點以及氣體含塵濃度變化過程，并通過高溫煤氣除塵試驗對模型進行驗證，表明表觀過濾氣速0.1～0.3 m/s時，除塵過程的操作壓降和除塵效率的模型計算值和試驗結果基本吻合，但更高氣速下，由于顆粒層內出現空穴、貼壁等非正常流動現象，模型計算誤差較大，超出模型適用范圍。劉鵬等[15]建立了除塵器的氣固兩相流場的數學模型，研究了雙層濾料顆粒床高溫除塵器中擋板氣流通道寬度、擋板層數與高度變化對除塵效果的影響。陶初炯等[16]通過改變大型顆粒床除塵器過濾介質與殼體溫度以及預熱時長，對含塵熱解煤氣除粉前的預熱過程進行模擬分析，研究結果為該技術的應用提供一定的數據基礎。

為滿足粉煤熱解含塵氣體高效凈化技術工業化應用的要求，需進一步明晰粉煤熱解高溫煙氣凈化的移動式顆粒床操作壓降、除塵效率等工藝設計指標和操作參數之間的關聯規律，但目前該研究較少，需通過以下3個方面進行深入研究：① 保證濾料的循環穩定，設備的穩定性及高溫的結焦問題；② 進氣過程造成局部二次夾帶，需優化顆粒床內部結構；③ 移動式顆粒層過濾因素的整合，得到濾料循環、過濾厚度及進氣速度最優解。本文針對粉煤熱解含塵氣特點，設計和搭建了移動床顆粒層過濾除塵冷態試驗平臺，通過正交試驗設計，綜合研究了各因素對顆粒層過濾效率和系統壓力降的影響規律，分析除塵效率和床層壓降與顆粒床特性、操作條件之間的內在關系，在試驗結果和理論計算的基礎上提出顆粒層過濾性能的改進措施，獲得顆粒床除塵裝置高效穩定的除塵工藝參數，為粉煤熱解含塵煤氣顆粒床熱態除塵裝置的設計以及工藝操作優化提供依據。

1 試 驗

1.1 工藝流程

顆粒床除塵系統由含塵氣體發生器、旋風除塵器、顆粒床、布袋除塵器、濾料循環再生裝置和儀表控制等組成，如圖1所示。除塵操作步驟為：風機運行產生動力風將含塵氣體引入旋風除塵器，含塵氣體經旋風除塵器預除塵后流經顆粒床層，大部分粉塵通過與顆粒層的碰撞、吸附、攔截作用而從氣體中去除[17]。稱取適量粉塵加入料斗，根據下料量將粉塵螺旋給料機調至所需轉數。根據選定的過濾顆粒下料速度，確定合適提升機濾料提升速度、旋轉下料機頻率，并對空濾袋進行稱重并記錄。將風機1與風機2頻率調至所需數值后運行，同時打開粉塵螺旋給料機與提升機，觀察風壓并記錄。試驗結束后依次關閉粉塵螺旋給料機、提升機，旋轉下料機，拆除濾袋稱重取樣，并對灰塵料斗內灰塵進行稱重。

圖1 顆粒床冷態試驗裝置Fig.1 Cold experimental device of granular bed

1.2 濾料與塵樣

過濾介質的特性對過濾式除塵過程非常重要，其成本通常占整個系統投資的10%～15%。過濾介質的材質、質量和有效運行時間會對除塵器效率、運行阻力以及設備養護周期等有重要影響。優質過濾介質應具有耐磨、耐腐、價廉、易得等特點，且介質對高溫氣體的耐熱性能也很重要。本文以冷態試驗為主，經綜合分析各類過濾介質顆粒尺寸、成本、是否易得等，選擇小麥作為顆粒床冷態試驗濾料，其粒徑為3.5～6.0 mm，孔隙率為0.39，堆積密度為0.75 kg/m3，真密度為1.23 kg/m3。

模型粉塵物需與實際粉煤熱解粉塵具有盡可能相近的物理性質，且需具有分布均一的尺寸和穩定的材質，保證顆粒可長時間儲存在工作環境中。基于此，選擇硅膠作為試驗粉塵，其15 μm以下顆粒占3.76%，中位粒徑顆粒為66.10 μm。

1.3 關鍵參數計算

過濾效率指過濾層過濾氣流粉塵的效果，是權衡除塵器成效的基礎指標。具體定量表達指在試驗氣流流經過濾器的過程中，除塵器捕獲的粉塵量占進入設備粉塵量的比例，可由設備的進出口氣體濃度變化計算得出。

(1)

式中，η為過濾效率，%；C1、C2分別為進、出口氣體含塵濃度，g/m3。

C1=60m/Q1，

(2)

式中，m為單位時間螺旋下料機的下料量，g/min；Q1為顆粒層截面的風量，m3/h，可通過運行風機對螺旋下料機進行標定得到。

uf=Q1/S，

(3)

式中，uf為表觀過濾風速，m/s；S為顆粒層截面面積，m2。

過濾器進、出氣口氣流的全壓差即為過濾的總壓降。通過研究除塵器過濾過程中的壓降，可獲得改進除塵器結構、減少設備運行阻力的指導性思路。鑒于本文的試驗設備具有相同的進、出氣口管道段面積，故只需測量顆粒層進、出氣口側管道上測壓點間的靜壓降即可。

ΔP=P2-P1，

(4)

其中，ΔP為過濾層總壓力損失，Pa；P2為顆粒層出氣口側流體靜壓值；P1為顆粒層進氣口側流體靜壓值。在顆粒床層進氣連接管、出氣管以及顆粒床層內部各安裝一個靜壓環，使變徑、彎頭等局部阻力可基本忽略。4個壓力測試點數據分別通過壓力傳感器傳送到儀表盤，通過計算得出壓差，即過濾壓力損失值。

1.4 試驗工況設計

在選定過濾粉塵及顆粒層填充料的基礎上，錯流移動式顆粒床的除塵效率主要受過濾層厚度h、表觀過濾風速uf、濾料下落速度u1(單位時間濾料在過濾床層下落的長度)控制。其中表觀過濾風速主要受風機1風量Q1(風量Q1由風機1頻率f確定)的影響，故選取濾層厚度h、濾料下落速度u1、風機1頻率f作為正交試驗的三因素，通過L9(33)三水平正交法設計試驗。過濾截面為0.50 m×0.15 m，假設截面風速相等，通過計算可得表觀過濾風速范圍為0.29～0.41 m/s。表1為過濾效率正交試驗因素水平，表2為具體工況。

表1 正交試驗因素水平

表2 過濾效率正交試驗設計方案

2 試驗結果與分析

2.1 過濾效率

表3、4分別為不同工況顆粒床的過濾效率，可知對過濾效率影響最大的參數是表觀過濾風速，同時風量Q1變化也將導致過濾效率產生相應的波動，濾層厚度與濾料下落速度引起的過濾效率波動程度相近。通過過濾效率方差分析可得出，表觀風速為過濾效率的最主要影響因素，過濾層厚度其次，最后為濾料下落速度。最優水平為A3B1C1，即濾層厚度為300 mm，風機1頻率為35 Hz，濾料下落速度為0.002 m/s。

表3 過濾效率分析

表4 過濾效率正交試驗方差分析

各因素、水平的過濾效率變化如圖2所示，可知隨著過濾層厚度增大，過濾效率逐漸增加，達到一定厚度后過濾效率變化不明顯；表觀過濾風速和濾料下落速度變大時，過濾效率降低，原因在于隨表觀風速加大，更多粉塵被氣流攜帶走，導致過濾效率降低。增大濾料下落速度后，濾料運動的不均勻性增加，導致濾料間的空隙加大，粉塵更易穿過床層，導致顆粒床過濾效率降低[8，10]。

圖2 各因素、水平的過濾效率變化Fig.2 Filtration efficiency of three factors and three levels

2.2 最優條件下的過濾效率

正交試驗得到的最優條件下的過濾效率可達98.1%，采用激光粒度儀測定試驗前后氣體中的粉塵粒徑(表5、圖3)。過濾后的粉塵粒徑范圍比過濾前更寬，多1.4～3.3 μm及208.9～831.7 μm粒徑段，前者占比0.91%，大于208 μm粒徑段占比為0.049%。

圖3 過濾前后粉塵粒徑分布Fig.3 Particle size distributions of dust before and after filtration

表5 過濾前后粉塵粒徑情況

通過計算可以得到的分段過濾效率見表6，其中0～5 μm的過濾效率較低，為90.03%。分段過濾效率隨粒徑增大而提高，大于15 μm粒徑的過濾效率基本在98%以上。對不同粒徑范圍的過濾效率進行計算可知，過濾分級效率在粉塵小粒徑段變化明顯，3.80 μm以下的過濾效率只有19%(圖4)，3.80～10.0 μm粒徑段的過濾效率升至96%，粒徑大于10 μm后，過濾效率基本在98%以上。過濾效率隨粒徑變化的原因可歸結為不同粒徑的過濾機理差異：粒徑較小時，主要是擴散沉積、靜電吸附機理等起主導作用，故隨著粒徑減小，分級過濾效率逐漸增大；粒徑達到一定值后，過濾效率的主要影響因素是慣性碰撞和直接攔截，分級過濾效率隨粒徑的增加而增大[3，12]。

表6 最佳操作條件下冷態試驗分段過濾效率

圖4 分級過濾效率曲線Fig.4 Graded filtration efficiency curve

2.3 粉塵濃度對過濾效率的影響

在最優試驗條件下(風機1頻率為35 Hz，風機2頻率為40 Hz，濾層厚度300 mm，濾料下落速率0.002 m/s)，過濾時間10 min，粉塵螺旋下料機轉速分別為600、800、1 039、1 200、1 400 r/min。粉塵濃度對過濾效率的影響見表7。粉塵濃度較小時，過濾效率隨粉塵濃度的增加而增大，達到一定值后，過濾效率隨粉塵濃度的增大而減小。主要是因為粉塵濃度增大時，主要影響因素有濾料碰撞攔截和二次揚塵，前者起到主導作用時，過濾效率隨粉塵濃度的增加而增大；后者起主導作用時，過濾效率隨粉塵濃度的增大呈減小趨勢。粉塵下料轉速為1 039 r/min時，基本達到過濾效率最大值，為98.1%，這與文獻[2]的固定床、移動床顆粒過濾技術的過濾效率相近，過濾效果較好。

表7 過濾效率與粉塵濃度的關系

2.4 過濾效率表達式回歸分析

在20 ℃、空氣黏度μ=1.789 4×10-5kg/(m·s)、空氣密度ρ=1.225 kg/m3、粉塵濃度C=4.4 kg/m3、濾料平均粒徑dp=4.5×10-3m條件下，過濾效率的計算公式為

η=1-exp(b0hb1ufb2u1b3)，

(5)

對各物理量的量綱無因次化簡得

(6)

兩次取對數后得

(7)

代入數值，簡化計算可得

(8)

多元回歸分析后可得出過濾效率的多元非線性回歸方程為

(9)

其中，0.1 m≤h≤0.3 m，0.29 m/s≤uf≤0.41 m/s，0.002 m/s≤u1≤0.008 m/s。

正交試驗測量值與回歸公式計算值的對比如圖5所示，可以看出，過濾風速最低、過濾層的濾料厚度為300 mm、濾料循環速度為0.002 m/s，過濾時間為10 min，初始粉塵濃度為4.4 g/m3時，試驗過濾效率為98.1%，回歸公式計算值為98.07%，兩者基本相符。

圖5 過濾效率試驗值與預測值比較Fig.5 Filtration efficiency comparison of test and predicted values

3 結 論

1)通過結合正交試驗極差分析與方差分析，得到冷態試驗中表觀風速為過濾效率最主要的影響因素，其次是過濾層厚度和濾料下落速度。過濾效率隨表觀風速和濾料下落速度的增大而減小，隨著過濾層厚度的增加而增大。過濾層厚度增至200 mm以上時，過濾效率變化較小。

2)最優過濾條件為過濾風速最低、濾料厚度為300 mm、濾料下落速度為0.002 m/s，過濾時間為10 min，此時過濾效率為98.1%。過濾分級效率在粉塵小粒徑段變化明顯，粒徑3.80 μm以下的過濾效率僅19%；粒徑大于10 μm后過濾效率基本在98%以上。移動式顆粒床冷態過濾試驗中床層壓力變化不大，整個試驗過程近似穩定。

3)利用回歸分析得到過濾效率與過濾層厚度、濾料移動速度、表觀過濾速度的關聯方程，為顆粒床設計以及移動顆粒層過濾性能的預測提供依據。