雙層濾料顆粒床布風(fēng)板及其壓降分析

文_閆雪松 楊國華 張立東 寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院

工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫含塵煙氣，是造成下游設(shè)備侵蝕、結(jié)垢、堵塞的主要原因，如在水泥和玻璃爐窯中，含塵煙氣會造成SCR脫硝技術(shù)中催化劑的中毒和磨損，傳統(tǒng)對氣體先降溫再除塵的除塵方式也會造成熱量的大量損失，降低了工藝過程中余熱利用系統(tǒng)的工作效率，所以，發(fā)展高溫除塵技術(shù)勢在必行。國際上廣泛認(rèn)可采用低成本的耐高溫、耐腐蝕顆粒充當(dāng)過濾介質(zhì)的顆粒床是最有前景的高溫除塵技術(shù)之一，寧波大學(xué)開創(chuàng)了雙層濾料顆粒床高溫除塵新方法，采用了上粗下細(xì)、上輕下重的兩種濾料，解決了微細(xì)粉塵過濾效率不好的問題，實(shí)現(xiàn)了梯級過濾，獲得了高過濾效率、低壓降的優(yōu)異性能。

雙層濾料顆粒床的工程應(yīng)用中，只采用厚穩(wěn)流層的布風(fēng)方式經(jīng)常會出現(xiàn)流化死床現(xiàn)象，厚穩(wěn)流層對氣流均布的調(diào)控能力有限，反吹氣速過大時，穩(wěn)流層容易穿孔，導(dǎo)致漏料和布風(fēng)不均，布風(fēng)板作為氣固流化床均布?xì)饬鞯闹匾M成構(gòu)件，在改善床內(nèi)流化質(zhì)量上發(fā)揮了關(guān)鍵作用。布風(fēng)板的開孔率、開孔孔徑和開孔形狀往往是設(shè)計(jì)過程中需要考慮的重要參數(shù)，因此研究過程中圍繞這三個參數(shù)進(jìn)行了討論，為新型布風(fēng)裝置布風(fēng)板的選擇提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為布風(fēng)板裝置的測試試驗(yàn)系統(tǒng)，主要試驗(yàn)裝置包括羅茨風(fēng)機(jī)、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、雙層濾料顆粒床床體、布袋除塵器以及相關(guān)數(shù)據(jù)采集器。整個系統(tǒng)由羅茨風(fēng)機(jī)提供反吹氣流，使雙層濾料顆粒床達(dá)到流化狀態(tài)，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)顯示反吹氣流的大小，通過DLK301壓差變送器連接Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀，獲取試驗(yàn)過程中的壓力信號。

圖1 布風(fēng)板裝置測試試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)過程中，參考以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取的布風(fēng)板開孔率為低開孔率布風(fēng)板，孔徑范圍為2～4.5mm。第一排布風(fēng)板孔徑2mm，開孔率依次為0.76%、1.48%、2.44%和3.64%。第二排開孔率2.44%，孔徑依次為2、2.5、3.5和4.5mm。第三排為柵條形布風(fēng)板，縫寬1mm，開孔率依次為1.48%、2.44%和3.64%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 布風(fēng)板開孔形狀對壓降的影響

試驗(yàn)選取開孔率均為2.44%，而孔徑為2mm的圓孔形布風(fēng)板和縫寬1mm的柵條形布風(fēng)板。圖2所示，在反吹氣速的增加的過程中，布風(fēng)板造成的壓降值逐漸增大，且開孔率越小，壓降上升趨勢越快。實(shí)際上，氣流穿過布風(fēng)板的小孔時會形成多股射流，此時氣體主流同周圍氣流存在速度不等的間斷面，間斷面失穩(wěn)后產(chǎn)生渦旋，并同周圍氣流發(fā)生碰撞摩擦，氣流產(chǎn)生阻力損失，還可以看出，各開孔率下柵條形布風(fēng)板和圓孔形布風(fēng)板的壓降值隨反吹氣速的增加趨勢相互接近，這表明相同開孔率下的布風(fēng)板，開孔形狀對壓降特性的影響較小，考慮制造成本時，可用更廉價(jià)的柵條形布風(fēng)板取代圓孔形布風(fēng)板。

圖2 開孔形狀對布風(fēng)板阻降特性的影響

2.2 布風(fēng)板開孔率對壓降的影響

選取開孔孔徑均為2mm，開孔率依次為0.76%、1.48%、2.44%和3.64%的四塊圓孔形布風(fēng)板，試驗(yàn)結(jié)果如圖3，隨著開孔率的增加，布風(fēng)板壓降出現(xiàn)下降現(xiàn)象。開孔率從0.76%到3.64%的變化過程中，布風(fēng)板壓降先是急劇下降，當(dāng)開孔率大于1.48%后，下降趨勢變緩。可能是因?yàn)樵谙嗤姆创禋馑傧拢瑲饬鹘?jīng)過布風(fēng)板上的小孔時，形成復(fù)雜的回流區(qū)。當(dāng)布風(fēng)板開孔率較小時，主流區(qū)和各個回流區(qū)中的流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞摩擦的幾率更大且更劇烈，這導(dǎo)致更多的流體微團(tuán)脫離并重新附著于主流，從而使得能量消耗更容易，氣流通過時布風(fēng)板表現(xiàn)出更大的壓降值。而當(dāng)開孔率增大到一定值時，這種碰撞導(dǎo)致的能量損失被削弱，布風(fēng)板的壓降下降趨勢減緩。

圖3 開孔率對布風(fēng)板阻降特性的影響

2.3 布風(fēng)板孔徑對壓降的影響

選取開孔率均為2.44%，開孔孔徑依次為2、2.5、3.5、4.5mm的四塊圓孔形布風(fēng)板進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4，在孔徑增加的過程中，布風(fēng)板壓降值隨之上升。當(dāng)反吹氣速為0.55m/s時，布風(fēng)板壓降由孔徑為2mm時的651.84Pa增加至孔徑為4.5mm時的999.15Pa，可見孔徑對壓降性能存在一定影響。孔徑從2mm增至2.5mm時，壓降上升迅速，從2.5mm增至3.5mm時，趨于緩慢，而從3.5mm增至4.5mm時，又開始迅速上升。這主要是因?yàn)闅饬魍ㄟ^布風(fēng)板的阻力損失值由單孔的阻力損失和孔數(shù)決定，孔徑大時，孔數(shù)越少，單孔阻力損失越大。

圖4 開孔孔徑對布風(fēng)板阻降特性的影響

3 結(jié)語

本文對雙層濾料顆粒床流化時，布風(fēng)板的壓降特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明相同開孔率下，柵條形布風(fēng)板和圓孔形布風(fēng)板具有相近的壓降特性。對于圓孔形布風(fēng)板，相同孔徑下壓降隨著開孔率增加而減小，相同開孔率下壓降隨著孔徑的增加而增大。在布風(fēng)板開孔率、孔徑和開孔形狀三個因素中，開孔率對壓降特性的影響最大，其次為孔徑，開孔形狀對壓降特性的影響較小。