許慧萍*

（上?；ぱ芯吭河邢薰荆?/p>

0 前言

通常情況下，氣體除塵方法主要可分為常溫氣體除塵和高溫氣體除塵兩種。但在某些特殊工況下，氣體除塵只能在高溫條件下進(jìn)行，如果溫度降至常溫后再除塵會(huì)對(duì)后續(xù)工藝流程產(chǎn)生較大影響。高溫氣體除塵較多應(yīng)用于石油催化裂解過(guò)程中高溫氣體過(guò)濾和催化劑回收、汽車尾氣凈化、焚燒爐高溫廢氣凈化以及冶金工業(yè)高溫?zé)煔鈨艋阮I(lǐng)域[1]。

常用的高溫氣體除塵技術(shù)包括旋風(fēng)除塵、電除塵、金屬管過(guò)濾除塵和陶瓷膜管過(guò)濾除塵等[2-3]。旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低，但除塵效果不佳，常用作高溫預(yù)除塵設(shè)備，與其他除塵裝置配套使用[4]。電除塵器壓降低、無(wú)堵塞風(fēng)險(xiǎn)，但投資成本高、占地面積大，對(duì)需要分離粉塵的比電阻也有一定要求[5]。金屬基多孔材料的耐溫性能和機(jī)械性能較好，但在高溫條件下，隨著溫度升高金屬材料的強(qiáng)度反而下降，且其高溫耐腐蝕性能較差[6]。相對(duì)于金屬基多孔材料而言，陶瓷基多孔材料的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較好，在上千攝氏度的高溫下仍可正常工作，還能保持很好的耐腐蝕性，因此，陶瓷基多孔材料是一種優(yōu)選的高溫氣體除塵過(guò)濾材料[7-10]。

綜合以上分析，本試驗(yàn)選用陶瓷膜管作為過(guò)濾元件，考察脈沖噴吹參數(shù)對(duì)陶瓷膜管過(guò)濾器過(guò)濾性能的影響，為合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化陶瓷膜管過(guò)濾器的操作參數(shù)，從而解決實(shí)際工程問(wèn)題提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

陶瓷膜管過(guò)濾器主要由過(guò)濾器殼體、過(guò)濾元件以及在線脈沖噴吹自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。過(guò)濾器的核心部件是耐高溫、抗腐蝕、高效率的微孔陶瓷膜管過(guò)濾元件。試驗(yàn)所采用的陶瓷膜管外徑為60 mm，內(nèi)徑為40 mm，長(zhǎng)為1 500 mm，平均孔徑為137.4 nm，其底部封閉，頂部與集氣室連接，利用花板、彈簧、墊片等零配件將陶瓷膜管固定在過(guò)濾器內(nèi)。過(guò)濾器的殼體材質(zhì)為304 不銹鋼，筒體直徑尺寸為 325 mm×6 mm，過(guò)濾器內(nèi)安裝了3 根呈正三角形分布的陶瓷膜管。脈沖噴吹自動(dòng)控制系統(tǒng)由空壓機(jī)、氣包、壓力表、電磁閥、噴吹管、脈沖控制儀等部件組成，可在線實(shí)時(shí)控制陶瓷膜管的脈沖清灰和再生過(guò)程。

1.2 試驗(yàn)物料

采用金屬礦粉作為試驗(yàn)物料，密度為5 800 kg/m3。采用Microtrac 藍(lán)波I 型激光粒度儀測(cè)得其粒徑分布情況，如表1 所示。

由表1 可知，金屬礦粉中，粒徑小于5 μm 的物料占比為16.51 %，粒徑小于20μm 的物料占比為58.34 %，金屬礦粉的粒徑最大不超過(guò)125 μm，其中位粒徑D50為16.33 μm。

圖1 陶瓷膜管過(guò)濾器結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

表1 金屬礦粉粒徑分布情況

1.3 試驗(yàn)流程與方法

陶瓷膜管過(guò)濾器的試驗(yàn)系統(tǒng)由振動(dòng)加料器、陶瓷膜管過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)、脈沖噴吹系統(tǒng)以及測(cè)試儀器儀表等組成，其流程如圖2 所示。

圖2 陶瓷膜管過(guò)濾器試驗(yàn)流程圖

試驗(yàn)采用負(fù)壓操作，空氣與振動(dòng)加料器中的試驗(yàn)粉塵混合后形成含塵氣體進(jìn)入陶瓷膜過(guò)濾器，從陶瓷膜管外側(cè)向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，粉塵被陶瓷膜管外表面過(guò)濾并捕集，過(guò)濾后的潔凈氣體通過(guò)膜管內(nèi)側(cè)從上部排出。當(dāng)過(guò)濾達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間周期，或過(guò)濾器內(nèi)壓降達(dá)到設(shè)定值時(shí)，脈沖控制儀控制開(kāi)啟脈沖閥，氣包內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)由噴吹管上的小孔向陶瓷膜管內(nèi)噴射，使沉積在陶瓷膜管外側(cè)的粉塵脫落，達(dá)到清灰的目的。

進(jìn)口氣體含塵濃度由振動(dòng)加料器自帶的控制器調(diào)節(jié)；試驗(yàn)所需的風(fēng)量大小可由風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)節(jié)，并經(jīng)數(shù)字流量計(jì)直接讀出；脈沖噴吹所需的壓縮空氣由空壓機(jī)供給；氣包壓力通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)；脈沖寬度及循環(huán)脈沖間隔時(shí)間由脈沖控制儀控制；陶瓷膜管過(guò)濾器壓降可通過(guò)連接在含塵氣體側(cè)與潔凈氣體側(cè)的數(shù)字壓差計(jì)直接讀出；在過(guò)濾器出口遠(yuǎn)離上下游彎管處設(shè)置塵樣采樣口，用來(lái)進(jìn)行粒度分布及含塵濃度分析。

試驗(yàn)主要考察的過(guò)濾性能包括過(guò)濾效率和壓降。過(guò)濾效率的計(jì)算公式如下：

式中：c1——進(jìn)口氣體含塵濃度，g/m3；

c2——出口氣體含塵濃度，g/m3。

進(jìn)口氣體含塵濃度可采用下式計(jì)算：

式中：M——加料量，g；

Q——風(fēng)量，m3/h；

t——加料時(shí)間，h。

出口氣體含塵濃度c2可采用等速取樣法獲得[11]：將取樣裝置所接流量計(jì)的流量調(diào)至q1（根據(jù)等速取樣原則，即取樣管的取樣速度與管道內(nèi)的氣流速度相同，可得到q1），稱量取樣裝置內(nèi)濾筒在取樣前后的質(zhì)量，分別記為m1、m2，并計(jì)錄取樣時(shí)間t1，則出口氣體含塵濃度c2可通過(guò)下式計(jì)算：

陶瓷膜管過(guò)濾器的進(jìn)出口壓降Δp 可由連接在含塵氣體側(cè)與潔凈氣體側(cè)的數(shù)字壓差計(jì)直接讀出。

2 結(jié)果與討論

脈沖噴吹是考察陶瓷膜管在線清灰再生的有效手段之一?？梢酝ㄟ^(guò)后陶瓷膜管過(guò)濾器的過(guò)濾性能過(guò)濾速度、脈沖壓力、脈沖寬度等參數(shù)[12]。

保持進(jìn)口氣體含塵濃度約為10 g/m3，加料時(shí)間為90 min，循環(huán)脈沖間隔設(shè)定為10 min/次，考察脈沖壓力分別為0.4，0.5 MPa，脈沖寬度分別為20，30 ms，過(guò)濾速度分別為1.0，1.5，2.0 m/min 時(shí)，陶瓷膜管過(guò)濾器過(guò)濾效率和壓降的變化情況。

2.1 對(duì)過(guò)濾效率的影響

在上述操作條件下，考察不同脈沖壓力、脈沖寬度及過(guò)濾速度等脈沖噴吹參數(shù)對(duì)陶瓷膜管過(guò)濾器出口含塵濃度和過(guò)濾效率的影響，結(jié)果如表2 所示。

表2 脈沖噴吹參數(shù)對(duì)出口含塵濃度和過(guò)濾效率的影響

由表2 可以看出，過(guò)濾速度、脈沖壓力、脈沖寬度等參數(shù)對(duì)陶瓷膜管過(guò)濾器內(nèi)金屬礦粉的過(guò)濾效率影響不大，過(guò)濾效率基本維持在99.9%以上，最高可達(dá)99.995%。

2.2 對(duì)壓降的影響

圖3 所示為當(dāng)脈沖寬度為20 ms 時(shí)，在不同脈沖壓力和過(guò)濾速度條件下，陶瓷膜管過(guò)濾器壓降隨過(guò)濾時(shí)間的變化情況。當(dāng)脈沖寬度為30 ms 時(shí)，不同脈沖壓力和過(guò)濾速度條件下，陶瓷膜管過(guò)濾器壓降隨過(guò)濾時(shí)間的變化情況如圖4 所示。

圖3 脈沖寬度為20 ms時(shí)，壓降隨過(guò)濾時(shí)間的變化關(guān)系

圖4 脈沖寬度為30 ms時(shí)，壓降隨過(guò)濾時(shí)間的變化關(guān)系

由圖3 和圖4 可知，相比于脈沖壓力和脈沖寬度，過(guò)濾速度對(duì)陶瓷膜管過(guò)濾器壓降的影響要顯著得多。隨著過(guò)濾速度增加，膜管的壓降也大幅增加。且在相同脈沖寬度情況下，隨著過(guò)濾時(shí)間的推移，當(dāng)過(guò)濾速度為1 m/min 時(shí)，膜管的壓降在一個(gè)循環(huán)脈沖間隔內(nèi)變化不大，噴吹后陶瓷膜管過(guò)濾器的壓降基本恢復(fù)到初始值。隨著過(guò)濾速度增大，在一個(gè)循環(huán)脈沖間隔內(nèi)壓降變化開(kāi)始趨于明顯。尤其當(dāng)過(guò)濾速度為2 m/min時(shí)，這種現(xiàn)象越發(fā)明顯，這是由于隨著過(guò)濾速度增大，單位時(shí)間內(nèi)沉積在陶瓷膜管壁上的粉塵量增多，導(dǎo)致膜管壁清灰不完全，陶瓷膜管阻力增大。

從圖3 和圖4 還可以看出，當(dāng)過(guò)濾速度較小時(shí)，隨著過(guò)濾時(shí)間延長(zhǎng)，在多次循環(huán)脈沖噴吹后，脈沖寬度和脈沖壓力增加并未對(duì)壓降值產(chǎn)生明顯影響，這是因?yàn)檫^(guò)濾速度偏小，單位時(shí)間內(nèi)沉積在陶瓷膜管壁面的粉塵較少，因此較容易清除，這充分說(shuō)明了20 ms脈沖寬度和0.4 MPa脈沖壓力是可以滿足再生要求的。當(dāng)過(guò)濾速度較大時(shí)，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)脈沖噴吹后，脈沖壓力為0.4 MPa，脈沖寬度為20 ms不能滿足再生要求，殘余壓降值隨著時(shí)間延長(zhǎng)略有攀升，而0.5 MPa 的脈沖壓力基本可以滿足再生要求；當(dāng)脈沖寬度增加至30 ms，脈沖壓力為0.4 MPa 時(shí)，殘余壓降值隨時(shí)間延長(zhǎng)基本沒(méi)有增加，說(shuō)明該條件也可以滿足再生要求。

3 結(jié)論

（1）過(guò)濾速度、脈沖壓力、脈沖寬度等參數(shù)對(duì)陶瓷膜管過(guò)濾器內(nèi)金屬礦粉的過(guò)濾效率影響不大，過(guò)濾效率基本維持在99.9%以上，最高可達(dá)到99.995%。

（2）當(dāng)過(guò)濾速度低于1.5 m/min 時(shí)，20 ms 的脈沖寬度和0.4 MPa 的脈沖壓力可以滿足再生要求；當(dāng)過(guò)濾速度達(dá)到2 m/min 時(shí)，20 ms 脈沖寬度和0.5 MPa脈沖壓力或30 ms 脈沖寬度和0.4 MPa 脈沖壓力可以滿足再生要求。