折流移动床用于除尘的研究

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2001.06.006 第23卷第6期 北京科技大学学报 Vol.23 No.6 2001年12月 Journal of University of Sclence and Technology Beijing Dec.2001 折流移动床用于除尘的研究 金鑫”宋波”郭占成)于宪溥)唐惠庆) 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)中科院化1冶金研究所，北京100080 摘要在折流移动床的气固流动特性的研究基础上，以小米为除尘介质，对折流移动床在除 尘中的应用进了研究，并分析了各种操作条件对过滤效果的影响.结果表明，折流移动床用 于烟道气除尘效果很好，产物均匀且易于调控，可以实现连续操作，同时多层床的实现，提高了 除尘效率，并且此新型装置的压损显著低于固定床，降低了动力消耗.理论分析建立的数学模 型计算结果与试验结果基本相符. 关键词折流移动床；除尘；模型 分类号TF805.3 颗粒移动床是一种新型的反应器，不仅 W=x+0.484-4Y+2)Nd(B) d'd' 具有耐高温、抗腐蚀、不燃不爆等袋式、电除尘 其中，B=7-6expl-0.0065Rl,y=1.4315Sr-1wN 和洗涤式除尘不具有的优点"，且对小于10μm 为拦截参数；Sr为Stokes数；Re为Reynolds数；d 的粒子具有很高的脱除效率，可连续操作：同 为量纲为一收缩直径 时具有过滤性能稳定、对人口变化能力强、压降 随着尘粒的堆积，除尘效率发生改变，这种 稳定的优点；尤其重要的是它可以选择多种过 现象称为沉积效应，此时的效率为.它与初始 滤介质，同时除去气体中的其他有害气体，这使 效率的关系： 它在高温废气能量回收以及煤的燃烧废气净化 等领域具有广泛的发展前景.对于移动颗粒床 1=F(a,o) (4) 国内的研究不多，尚处于试验阶段 表示沉积效应的函数F,参考吴晋泸的关 联方法对Takahasi提出的关联式进行修整，得到 1理论分析 适合本试验的关联式如下： 由于固定床操作中的不稳定性，Tien等人 Fa,o)=1+ao lna1=14.473-1.868lnSt 将固定床分割成许多顺序相连的单元，每一个 (5) 单元中包括大量的单个捕集体，若每一捕集体 lna2=2.203-0.3463lnS 式中，σ为比沉积率，含义为单位体积床层内所 的捕集效率相同，则单元捕集效率与单个捕集 沉积的粉尘颗粒的体积.在固定床中定义如下： 效率一致，记为.当床层为净床除尘时，除尘效 1(C.-Ca)USsdt 率可记为.鉴于本试验粉尘粒子较大，截流 a=J。 (6) 效应比较显著，所以选用Tien等人的关联式刊， 而在移动床中，它是一个与时间无关的量，定 如下所示： 义： 当NR≤0.002，S

第 卷 第 期 一年 一 月 北 京 科 技 大 学 学 报 抢 犯。 记 加 匕 折流移动床用 于除尘的研究 金 鑫 ” 宋 波 ‘， 郭 占成 ， 于 宪博 ” 唐 惠庆 ” 北京科技大学冶金学院 北京 中科院化工冶金研究所 ， 北京 摘 要 在折流移动床的气 固流动特性 的研究基础上 ， 以小米为除尘介质 ， 对折流移动床在除 尘 中 的 应 用 进行 了研 究 并 分析 了各种 操作条件 对过 滤 效果 的 影 响 结 果 表 明 ， 折流移 动 床用 于烟道气 除尘效 果很好 ， 产物均匀且易于调控 ， 可 以 实现连续操作 ， 同时多层床的实 现 ， 提高 了 除尘效率 ， 并且 此新型装置 的压损 显著低于 固定床 ， 降低 了动力消耗 理论分析建立 的数学模 型计算结果与试验结果基本相符 关性词 折流移动 床 除尘 模型 分类 号 颗粒移 动床是一 种新 型 的反 应器 ‘ ’一 ， 不仅 具有耐高温 、 抗腐蚀 、 不 燃不 爆等袋式 、 电除尘 和洗 涤式除尘不 具有 的优点 ” ， 且 对 小 于 林 的粒子具有很高的脱除效率 ， 可 连 续操作 “ · ，同 时具有过滤性能稳定 、 对人 口 变化能 力强 、 压降 稳定 的优点 尤其重要 的是 它 可 以 选 择多种过 滤介质 ， 同时除去气体中的其他有害气体 ， 这使 它在高温废气能量 回收以 及煤的燃烧废气净化 等领域具有广 泛 的发 展前景 对 于 移 动 颗粒床 国内的研究不 多 ‘冈 ， 尚处 于 试验 阶段 。 、 · 。 · 。 一 普 十普 谧 、 加 孟 ‘ 其 中 ， 二 一 卜 卜 一 ’ ，八 为拦截参数 为 数 。 为 数 为量纲 为一 收缩直径 随着尘粒 的堆积 ， 除尘效率发生 改变 ， 这种 现象称 为沉积 效应 ， 此 时 的 效 率 为叮 它 与初 始 效率的关 系 土 二 刀 理论分析 由于 固定床操作 中的不稳定性 ， 等人 「，， 将 固定床分割成许多顺序相 连 的单元 ， 每一个 单元 中包括 大量 的单 个捕集体 ， 若每一 捕集体 的捕集效率相 同 ， 则单元捕集效 率 与单个捕集 效率一致 ， 记 为叮 当床层 为净床除尘时 ， 除尘效 率可 记 为树 司 鉴 于本试验粉尘粒子较大 ， 截流 效应 比较显 著 ， 所 以选用 等人 的关联式 ‘ ， 如下 所示 当从 ‘ ， 及 时 一 ，。 一 ， 八 八 一 左 。 ， ， ， 认 从 、 ，。 “超 一 ‘” 尸月 · ’ 一 从 凿 书幸 ’“ · 寺 ‘ 表示 沉积 效应 的 函数 ， 参考吴晋沪‘ 的关 联方法 对 门 几 提 出的关联式进行修整 ，得到 适 合本 试验 的 关联式 如 下 拭， 砂 ， 一 护 一 式 中 ， ， 为 比沉积率 ， 含义 为单位体积床层 内所 沉积 的粉尘颗粒的体积 在 固定床中定义 如下 七 丝 定 ‘ 旦应丛虽 而 在 移 动床 中 ， 它是一 个与时 间无 关 的量 ， 义 土 。 一 ， 认凡 以， 当从 ‘ 尸负 时 ， 一 。 ， 。 ， 月 ‘ 肌 招 、 ，。 刀 酬 超 女 一 共卜 书杀 ， ， 。 。 · · ’“ 竺今 一 、 了 了 ’ ’ 成 当从 ‘ ， 时 单元除尘 效率与床层总 效率 的关 系 。 一 普淤刁 ’“ ，·‘，一 ， 一 ‘， ‘ ， 试验 中除尘 总 效 率 可 采用 下 式进 行关联 ， 。 乙 一 气大一 七 收稿 日期 加 刁 一 金 鑫 女 岁 硕 七 国家 自然科学基金 资助项 目 通 过 以 上修正 ， 最后 得 到移 动 床 的真实 除 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．06．006

Vol.23 金鑫等：折流移动床用除尘的研沉 ·505· 尘效率为E;对于折流移动床，需要计算多层床 表1试验采用粉料及尘粒的物性参数 的效率，按以上修正式逐层进行计算 Table 1 The characteristic parameter of granular and dust 粉尘pl 自然堆磨擦形状 2试验装置 d./mm 种类kgm’kgm’ 角()角)因数 试验在折流移动床上进行，流程如图】所 小米1330826.9 1.530 280.92 示.床体材质为有机玻璃，横截面呈矩形，其内 生(1)1640 5820.112~0.335 0.89 腔尺寸为300mm×70mm,高1.2m;床内设置5 (2)1640613 0.08-0.112 0.89 (3)1640672

匕 一 余鑫等 折 流 移动床 」几除尘 的研 究 一 尘 效 率 为 对 于折流 移动 床 ， 需 要计算 多层 床 的效率 ， 按 以 上 修正 式逐 层 进 行计算 裹 试脸 采 用 粉料及 尘 粒的物 性 数 介 卜 卜 ， 试验装置 试验 在 折 流 移动 床 卜进 行 ， 流 程 如 图 所 示 床体材质 为有 机玻 璃 ， 横 截 面呈 矩 形 ， 其 内 腔 尺 寸 为 ， 高 床 内 设置 块 分 布板 ， 材 质 为普炭 钢 ， 相 对 于水平 面的倾 角 为 ， 孔 径 们。 ， 开 孔 率 过滤介质 粉尘 户 户 种类 · ’ · ’ 小米 月 尘 尘 尘 ‘ 自然堆 磨擦 形状 角 。 角 。 因数 一 一 一 一 一 一 《 一 一 表 除尘试验条件 一 试验条件 尘 尘 尘 粉尘粒度 一 一 卜料 · ’ · ’ 一 一 一 一 ， · ’ 一 ， 一 一 分布板倾角 粉尘浓度 吨 · ‘ ， ， 图 除 尘 试 验装 皿 流 程 图 一 储 存 在 塔 顶 料 牛内 和 多 孔 分 布 板 卜的 小 米 ， 通 过 导料板 ， 依靠其重 力和 气流作用 自然 流 入 其下 层 多孔 塔 板 卜 ， 同多 孔 板 低端相 联 接 的 卜料 板 卜端插人 流 动料 层 中 ， 以 防 止气体短 路 ， 料 层 厚 度 自然 形 成 宏 观 卜粉 料 自 卜而下 沿 多 孔倾斜板 呈 喇 流 动 轨 迹 ， 微 观 近 似 旱平 推 流 移 动 气源 为空 气 ， 由鼓 风机 送 人 ， 尘 粒在鼓 风 机 人 处 等时均 匀 加 入 ， 排 气处 装 有收尘袋 、 除 尘 中的下 料速度很 小 ， 所 以 采用 螺旋 卜料器控 制料速 试验 中 ， 含尘 气体从 底 部 加 人 ， 与各层 除尘 介 质呈 错 流 形 式 相 接触 ， 尘 粒 被 过 滤 介质 捕 集 ， 随气体 向 卜流 动 ， 含尘 浓度 逐 渐 减 少 ， 到 排 气 出 口 含尘 浓度 达 到最 低 过 滤介 质沿 床层 缓 慢 向下 移动 与气体接触 ， 同时收 集气体 中的 尘 粒 ， 随着过 滤 介质 的 向 卜移动 ， 含尘 浓度逐 渐 增 加 ， 到 出 口 处达 到最 大 试验 中过 滤 介 质 为小 米 ， 尘 粒为 不 同粒径 的锅 炉 煤 灰 ， 其物理特性 见 表 ， 试验条件 见表 试验结果与分析 气速对除尘效率的影响 当其 他 条 件 保 持 不 变 粉 尘 浓 度 · 一 ， ， 粒 径 为 一 ， 料 速 为 · 一 ’ · 一 ’ ， 过 滤 时 间 为 的情 况下 ， 除尘效 率要 受 到气 速 和 料 厚 的 影 响 结 果 见 表 从 表 的 结 果 可 以 看 出 ， 气 速 的增 加 显 著 降低 了除尘 效率 由此 可 见气速 加 大 的过 程 中 ， 拦 截作 用 与碰撞 反 弹作用 下 降的趋 势要 大 于料 层 厚度 的增加 所 引起 的效 率的增加 ， 惯 性 作用 的增 加 不 占优 势 所 以 除尘 效 率随气量 的增 加 而 显 著降低 模 型 计算结 果 与试验结 果基 本相 符 ， 从 而 证 明 了碰 撞 反 弹效应 的存在 裹 气速 对 除尘 效 率的影响 ， 一 一淤瘾 、 片 暴浦 认 · ’ 试验 计算 料速与除尘效率 本试验受 条件 限制仅对 小米 的过 滤情况进 行 了考察 ， 结 果 如 表 下料速度 的增加 使除尘 效 率下 降 从 除尘 的机理 来看 ， 本 试验气速 下 ， 除尘 效 率 主要 取 决 于 惯 性 冲 击和 直接 截 留效 应 固体物料 与气体接触情 况 与普通 移 动 床的 不 同在 于 ， 气体 与固体是 成错流 流 动 ， 当下 料 速 度 加 快 时 ， 固体物 料成滚 动 形 式 下 滑 ， 气速 不

·506· 北京科技大 学 报 2001年第6期 变，气体与固体的惯性冲击作用变化不大，但截 141 料速kg/(m·s) 留效应显著减小，并且在本次试验中所用尘粒 141 -0 偏大，截留效应更为显著 -◆-0.0095 表4下料速度对除尘效率的影响 135 Table 4 The effect of granular velocity on dust-removal ef- ficiencies 129 G/(kg.m".s) E(试验)% E(计算)% 0 96.6 99.8 123 ● 0.0306 92.3 92.5 12 15 18 0.0612 76.8 72.7 t/×10s 0.1980 61.4 70.1 图2压损随时间的变化 Fig.2 Presure drop vs.times 3.3粒径与除尘效率 对3种范围的尘粒进行了考察：0.08~0.112 H8=100-s AP o42u+1su好 (10) mm(I号)，0.112-0.355mm(Ⅱ号)和

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 变 ， 气体与固体的惯性冲击作用变化不 大 ， 但截 留效应显 著减小 ， 并且在本次试验 中所用尘粒 偏大 ， 截 留效应更为显 著 裹 下料速度 对 除尘效率的影晌 介 月 一传 抽 翻 · 一 ， · 一 今 试验 机 计算 从 一声一 一 一 、盯白劝 圈 压损 随时间的变化 址 附 代 ， ，二二几月几 ，呀︸，山‘月毛月尸气」了 月︵吕尸︸、 ，二产 … 月工 ‘，‘， 七己工、叮司 粒径与除尘效率 对 种 范 围的尘粒进行 了考察 一 号 ， 司 们。 以 号 和 号 的尘粒 结果 表 明在粗颗粒除尘 过程 中 ， 小 粒子 的除尘效率要 小于 大粒子 的除尘效率 但 对 于 小于 们。 的粒子 ， 由于 其除尘控制机 理发生改变 ， 二次脱落现象减少 ， 沉积效应显著 增加 ， 碰撞反 弹效应减少 ， 除尘效率显 著增加 试验对除尘前后 的尘粒用 粒度 仪进行 测试 ， 结果如表 所示 从表 中看到 ， 对于 同样 粒径 的尘粒 ， 料速 的增加使得最后遗 留的尘粒 范围变大 ， 再一次证明 ， 料速 的增加使得截流效 应下降 ， 导致一些大粒子跑掉 但表 也说 明 ， 在 除尘过程 中大粒子 相对较 易 于 除 去 ， 这是 因 为大粒子 的截流 和惯性 冲击作用 比较显 著 衰 尘粒对 除尘 效率的影 晌 介 油 比 山 皿口 尘粒范围 班 认 · 一 ’ 一 ‘ · 一 ‘ 出小 峨介 脚 刀 压损与时间的关系 在 除尘过程 中 ， 压损是一个重要 的参数一 般来讲压损越小对工 艺越有利 试验结果如 图 图 中可 见 当物料 不 动时 ， 压损 随时 间增大而 加 大 ， 当物料 中的尘粒达 到饱和时 ， 压损不再变 化 而移动床 中的压损虽 然有波动 ， 但大体保持 不 变 ， 折流 移动 床 的压损 远远低 于 固定床 在床 层 的稳态操作 区域 ， 由于 此 时料层 的压损与原 始干净介质 的压损有所不 同 ， 采用 砂 方程 重新关联 系数 ， 得 到如下 压损关联式 △尸 ， 。 。 一 ￡ ， ， 二 。 ， 〔 一￡ ， 。 一万落 一 ‘ ” 京剩 沼 “ 十 ‘ · 认尹 “ ‘ ‘ 由图 可 知 ， 在除尘过程 中 ， 低气速下 的试 验值与理论值符合很好 ， 但随气速 的升高 ， 试验 值偏离计算值 原 因是在高气速下 ， 在分布板高 端鼓泡 ， 导致气体部分短 路 ， 压损低 于计算值 此时的除尘效 率大大 降低 与干净介质 的压损 比较 ， 除尘过程 中的压 损要 稍高一些 试 －幽 计 干 绛摄 净介质 匕 · 一 ‘ 圈 压 报试脸位与计算的 比较 · 皿 抽 的 效率与时间关系 试验测 定除尘效率随 时 间 的变化如 图 ， 图 中显 示 下 料速度 为零时 ， 除尘效率随时间显著 下降 虽 然除尘 的初始效率很高 ， 但时间的增加 使除尘效率下 降 ， 频繁的换料虽 然可 以保证高 的除尘效率 ， 但生 产 的连续性 使得 固定床操作 极不 方便 在下料 为 创 · 时 ， 除尘效率在 减少 到一定程度后 ， 床层达 到稳定状态 ， 效率几 乎保持不 变 这对 于 工 业操作保证 连续性 的 同 时也保持了稳定的除尘效率 理论与试脸结果的比较 图 为计算结果 与试验结果 比较 ， 从 图中 看到试验 与计算值基本 吻合 在低料速粉尘粒

Vol.23 金鑫等：折流移动床用于除尘的研究 ·507· 径小的试验中，除尘效率高，试验值与计算值基 轴向和径向均存在速度场分布.在此模型上对 本吻合，在高料速下，误差增大；尤其对于超过 关联式进行修正，使模型更精确了， 0.1mm的尘粒，由于其自由沉降效应的影响，导 致理论中对初始除尘效率的关联产生偏差。并 4结论 且，在此模型中，假定气速为定值，而实际上在 折流移动床作为一种新型的除尘装置，不 仅具有颗粒移动床的优点，而且可以降低动力 0.99 G/kg·ms) 消耗，多床层的试现增加了除尘效率.冷模试验 ■ 0 0.96 ● 0 中初步除尘结果显示，当过滤介质为较大颗粒 .0095 0.93 时，较低的气速、较小的料速、适宜的床层结构 u0.90 是床层保持稳定操作、保证高效率的主要条件 计算模型与该装置的试验值相吻合，为装置的 0.87 C/(kg.m) 进一步向高温除尘脱硫的研究提供参考 0.84 ■ 0.04 ·0.08 0.814 参考文献 0.04 03 6 9 1215 18 【张玉鸿，王笑梅.移动式颗粒层除尘装置的研究.化 工冶金，1992,13(2151 t/×l0s 图4除尘效率与时间关系 2吴晋泸，汤忠.颗粒移动床高温除尘工艺与设备的 研究开发.煤炭转化，1998.21(1)63 Fig.4 Filter efficiencies vs.time 3吴晋泸，房天屠.颗粒移动床过滤过程的数学模型 燃烧化学学报，1999,27(4)：354 1.0 G/(kg.m-.s) 4王中礼.移动颗粒过滤除尘技术研究.化工冶金，1984 ●0.0306 0.8 (1):1 40.0612 0.1980 5 TakahashiT,Walata S A,Chi Tien.Transient Behavior of 其 0.6 Granular Filtration of Aerosols-Effect of Aerosol Deposi- 本 tionon Filter Performance.AIChEJ.1986,32(4):684 0.4 6 Ushiki K,Tien C.Analysis of Filter Candle Performance. Powder Technology,1989,58(4):243 0.2 7 Yoshida H,Chitien.A New Correlation of the Initial Col- 0.2 0.4 0.6 0.8 lection Efficiency of Granular Aerosol Filtration. 1.0 试验值 AIChEJ,1985,31(10:1752 图5试验值与计算值的比较 8郭占成，金蠢，于宪溥，等.倾斜式多孔分布板折流移 Fig.5 Comparing model value with experiments 动床的物理特性试验研究.北京科技大学学报， 2000,22(增刊)：83 Study on Dust Removal in Z-Path-Moving Bed JIN Xing"SONG Bo. GUO Zhancheng",YU Xiepu.TANG Huiqing? )Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute of Chemical Metallurgy,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080, ABSTRACT Investigation on dust removed and effects of the operationoperation parameters have been conducted in a z-path-moving bed using millet as the solid phase.The results show that the z-path-moving bed has a high dust removal efficiency and the characteristics of uniform and high quality product,as wellas continuous operation and low momentum energy consumption.The model calculation values are correspon- dent with the experimental ones. KEY WORDS z-path-moving bed;dust removal;model

一 金鑫等 折流 移动床用 于除尘 的研究 ， 径小 的试验 中 ， 除尘效率高 ， 试验值 与计算值基 本 吻合 ， 在 高料速 下 ， 误 差增 大 尤 其对于 超过 的尘粒 ， 由于其 自由沉 降效应 的影响 ， 导 致理论 中对初 始除尘 效率 的关联 产 生 偏 差 并 且 ， 在此模 型 中 ， 假定气速 为定值 ， 而 实际 上 在 轴 向和 径 向均 存在速度场分布 在 此模 型 上对 关联式进行 修正 ， 使模 型 更精确 了 闰 吨 · 一 ‘ · 一 ’ 几 · 一 ， ‘ · 火 圈 除尘效 率与时 间关 系 加 ， ” 滩加 · 一 ’ · 一 ， 划斡卞 试验值 圈 试脸值与计算值的 比较 · 结论 折流移 动床作 为一 种新型 的除尘 装置 ， 不 仅具有 颗粒移 动床 的优点 ， 而 且 可 以 降低动力 消耗 ， 多床层 的试现增加 了除尘效率 冷模试验 中初 步 除尘 结果显示 ， 当过 滤 介质 为较 大颗粒 时 ， 较低的气速 、 较小 的料速 、 适 宜 的床层结构 是床层保持稳 定操作 、 保证高效率的主要 条件 计算模 型 与该装置 的试验值相 吻合 ， 为装置 的 进一 步向高温除尘脱硫 的研究提供参考 考 文 献 张 玉 鸿 ， 王 笑梅 移 动式颗粒层 除尘装里 的研究 化 工 冶金 ， ， 吴晋沪 ， 汤 忠 颗粒移 动 床高温 除尘工 艺 与设备 的 研究开发 煤炭转化 ， ， 吴 晋沪 ， 房天 屠 颖粒移 动床过滤过程 的数学模型 燃烧化学学报 ， ， 王 中礼 移动颗粒过滤除尘技术研究 化工冶金 ， ’ ， 认值 ， 以 一 ， ， 次 ， 氏 ， ， ， ， ， 郭 占成 ， 金鑫 ， 于 宪溥 ， 等 倾斜式多孔 分 布板折流移 动 床 的物 理 特性试 验研 究 北 京科技 大 学 学报 ， ， 增 刊 ，‘匕刀︸ … ︵︸ 一 一 刀 馆 ，气 口刀 ，，， 耐气 印 ，， ， 犷 》 ， ， ， 哪 四盯 ， ， ， 一 一 一 一 ， 一 一