張婉婧,魏小林,2,3,李 騰,2,黃俊欽,2
(1.中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院,北京 100049; 3.中國(guó)科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院,遼寧 大連 116023)
工業(yè)爐窯產(chǎn)生大量高溫含塵氣體,含有大量物理顯熱、化學(xué)潛熱、動(dòng)力能等余能余熱,未得到有效利用,如轉(zhuǎn)爐爐氣溫度高達(dá)800~1 000 ℃,采用噴水/水霧降溫除塵,爐氣顯熱完全浪費(fèi)[1-2]。轉(zhuǎn)爐爐氣中夾帶的煙塵主要成分為FeO,占60%以上,可見(jiàn)轉(zhuǎn)爐煙塵是含鐵量很高的精礦粉。頂吹轉(zhuǎn)爐爐氣中的煙塵量占金屬裝入量的0.8%~1.3%,一般爐氣(標(biāo)態(tài))含塵量為80~120 g/m3,灰塵顆粒直徑大于10 μm的約占70%[1]。在轉(zhuǎn)爐全干法爐氣顯熱回收等工業(yè)應(yīng)用中,由于高濃度灰塵易引起換熱器堵塞,因此高溫氣體除塵是煤氣凈化與余熱利用的技術(shù)關(guān)鍵[3-6]。
高溫除塵技術(shù)包括旋風(fēng)除塵技術(shù)、顆粒層過(guò)濾除塵技術(shù)、陶瓷過(guò)濾技術(shù)和金屬多孔過(guò)濾技術(shù)等[3-8]。旋風(fēng)除塵技術(shù)利用含塵氣體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),在離心力的作用下將氣固分離。雖然旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,壓降適中和運(yùn)行成本低,對(duì)于粒徑較大的粉塵具有良好的捕捉效果,但對(duì)于粒徑小于5 μm的粉塵捕捉效果較差[3]。顆粒層過(guò)濾除塵技術(shù)利用一些耐高溫、耐腐蝕的材料形成顆粒過(guò)濾層,當(dāng)含塵氣流穿過(guò)顆粒層時(shí),在重力沉降、靜電吸附和慣性碰撞等作用下進(jìn)行顆粒分離。固定床顆粒層過(guò)濾除塵的清灰過(guò)程復(fù)雜,不適用連續(xù)生產(chǎn),因此發(fā)展出流化床和移動(dòng)床等方式,但除塵效率有一定下降[4]。陶瓷過(guò)濾技術(shù)利用自身多孔性進(jìn)行阻擋式除塵,陶瓷過(guò)濾器具有很好的耐溫和抗腐蝕性能,可抗700 ℃以上的高溫,除塵效率較高[5-6],煙氣出口含塵濃度可以控制在10 mg/Nm3以下,但陶瓷韌性差,過(guò)濾元件易損易裂,延展性、抗熱震性有待進(jìn)一步提高,除塵器的結(jié)構(gòu)連接困難、價(jià)格較高。煙氣處于高溫狀態(tài)時(shí),氣體黏性變大,細(xì)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象減小,微粒分離難度大大提高。金屬過(guò)濾器具有良好的耐溫性和優(yōu)良的機(jī)械性能,韌性和導(dǎo)熱性好,孔隙率高且分布均勻,具有良好的氣體滲透性,在高溫除塵過(guò)濾方面具有很好的適用性和優(yōu)越性[7-13]。但金屬材料在高溫下易受氧化、腐蝕影響,因此開(kāi)發(fā)新型的合金材料和提升燒結(jié)技術(shù)有利于增強(qiáng)金屬多孔過(guò)濾除塵器的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外大力開(kāi)展高性能金屬過(guò)濾材料的研究,尤其是耐高溫、耐腐蝕且性能優(yōu)良的金屬過(guò)濾材料的開(kāi)發(fā)[10-11]。比利時(shí)Bekaert公司研發(fā)了316L不銹鋼纖維微米過(guò)濾管,過(guò)濾精度達(dá)到亞微米級(jí)水平。日本Nichadia公司研發(fā)的高精度燒結(jié)金屬絲網(wǎng)濾材,過(guò)濾等級(jí)接近0.2 μm[10]。我國(guó)在燒結(jié)金屬多孔材料方面研究較多,特別是在鈦材、不銹鋼的粉末燒結(jié)微孔制備和緊密絲網(wǎng)微孔燒結(jié)技術(shù)方面,處于國(guó)際先進(jìn)行列[10-11]。安泰科技公司開(kāi)展310S燒結(jié)金屬絲網(wǎng)高溫煤氣除塵的中試研究,試驗(yàn)溫度580~620 ℃,凈化后煤氣的含塵量達(dá)到10 mg/Nm3以下,過(guò)濾效率達(dá)到99.9%[11]。
在袋式除塵器研究方面,Cagna等[14]采用CFD軟件模擬了濾袋內(nèi)氣體的二維流動(dòng)特性,得到了濾袋上的粉塵沉積對(duì)濾袋平均阻力損失的影響。高暉等[15]對(duì)袋式除塵器的整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行模擬,得到了不同處理風(fēng)量和不同過(guò)濾介質(zhì)表觀滲透率條件下濾袋過(guò)濾速度和顆粒沉積量的分布特性,并給出袋式除塵器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向,減少不合理渦流、回流的產(chǎn)生。
在高溫氣體凈化除塵技術(shù)中,金屬過(guò)濾凈化除塵技術(shù)通過(guò)高溫過(guò)濾介質(zhì)實(shí)現(xiàn)氣固分離,達(dá)到氣體凈化和資源回收的目的,可以最大程度地利用氣體的物理顯熱和化學(xué)潛熱,提高能源利用率[16-17]。除塵器壓降變化是其工作的重要特性[18],本文通過(guò)試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬,獲得了不同工況下燒結(jié)金屬絲網(wǎng)除塵器的壓降變化特性,明確了除塵器風(fēng)量、灰塵濃度和溫度因素對(duì)除塵系統(tǒng)壓降的影響規(guī)律,為金屬袋式除塵器的研發(fā)提供理論支撐。
燒結(jié)金屬絲網(wǎng)除塵器試驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖1所示。給粉器采用SiO2粉末作為塵源,粒徑約為1.3 μm,模擬煙氣中的微細(xì)灰塵。氮?dú)馔ㄟ^(guò)發(fā)塵容器入口處的金屬絲網(wǎng)進(jìn)入粉塵層,對(duì)粉塵進(jìn)行霧化。試驗(yàn)時(shí)控制氮?dú)饬髁?,將其與經(jīng)過(guò)加熱爐升溫后的空氣混合,進(jìn)入金屬絲網(wǎng)除塵器。含塵氣體進(jìn)入除塵器腔體后,經(jīng)由金屬絲網(wǎng)表面過(guò)濾,粉塵顆粒沉降在濾袋表面,凈化后的氣體由濾袋上方的出口流出。經(jīng)過(guò)除塵器的氣流再次通入盛水容器,吸收離開(kāi)除塵器的灰塵。
圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)流程Fig.1 Experimental system flowchart
除塵器殼體一側(cè)有圓形進(jìn)氣口,絲網(wǎng)套裝在支架上,支架固定在過(guò)濾器殼體頂部,除塵器絲網(wǎng)直徑為100 mm,高度為260 mm,孔隙為5 μm,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 金屬絲網(wǎng)除塵器Fig.2 Metal wiremesh dust collector
試驗(yàn)時(shí)分別調(diào)節(jié)進(jìn)口氣流流量、灰塵濃度、氣流溫度等,待工況穩(wěn)定后,壓力采集板每1 s采集一次除塵器進(jìn)出口的壓差信號(hào),獲得系統(tǒng)壓降。分別監(jiān)測(cè)金屬絲網(wǎng)除塵器在氣流清潔和含灰狀態(tài)下的壓降,研究系統(tǒng)壓降與進(jìn)氣流量、灰塵濃度、氣流溫度的關(guān)系。同時(shí),采用脈沖閥每隔5 min開(kāi)啟一次壓縮空氣控制閥,對(duì)金屬絲網(wǎng)濾袋進(jìn)行反吹清灰(5 s),監(jiān)測(cè)4~6個(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)壓降的變化規(guī)律,研究反吹過(guò)程中的除塵器壓降變化特性。
測(cè)量室溫下不同流量的潔凈空氣通過(guò)除塵器后,系統(tǒng)壓降的變化規(guī)律。試驗(yàn)時(shí),關(guān)閉氮?dú)馔ǖ琅c加熱器,只改變風(fēng)機(jī)的氣體流量,具體工況見(jiàn)表1。
表1 不同工況下的進(jìn)氣流量Table 1 Inlet air flow under different conditions
采集板每1 s采集一次壓差信號(hào),輸出電流信號(hào)。潔凈空氣通入除塵器后,系統(tǒng)壓降迅速升高,在平衡值附近波動(dòng),將采集到的壓降ΔP平均化后與進(jìn)氣流量Qin繪制成圖3。由圖3可知,壓降隨著進(jìn)口空氣流量的增大而升高,進(jìn)氣流量越大,系統(tǒng)壓降升高得越快。進(jìn)氣流量為0~25 Nm3/h和25~35 Nm3/h時(shí),系統(tǒng)壓降與進(jìn)氣流量近似呈線性相關(guān),但后者斜率更大,即在大流量范圍內(nèi),隨著進(jìn)氣流量的增加,系統(tǒng)壓降升高更快,這是由于壓降損失與速度平方存在正相關(guān)關(guān)系。
圖3 潔凈空氣下除塵器的系統(tǒng)壓降Fig.3 System pressure drop of dust collector for clean gas
壓降隨著進(jìn)口空氣流量的增大而升高,進(jìn)氣流量越大,系統(tǒng)壓降升高的越快。進(jìn)氣流量為0~34 Nm3/h時(shí),系統(tǒng)壓降與進(jìn)氣流量近似呈線性相關(guān),但后者斜率更大,即在大流量范圍內(nèi),隨著進(jìn)氣流量的增加,系統(tǒng)壓降升高更快,這是由于壓降損失與速度平方存在正相關(guān)關(guān)系。
保持進(jìn)口總氣體流量為10.6 Nm3/h,溫度不變的情況下,只調(diào)整氮?dú)馑鶖y帶的含塵量,具體工況見(jiàn)表2。試驗(yàn)中,每隔5 min用壓縮空氣進(jìn)行反吹清灰,并監(jiān)測(cè)4~6個(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)壓降的變化規(guī)律,得到不同進(jìn)氣含塵濃度對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)壓降隨時(shí)間變化情況。
表2 不同工況下的含塵濃度Table 2 Dust concentration under different conditions
工況1(表2)的系統(tǒng)壓降隨時(shí)間變化如圖4所示??芍獔D4有明顯的周期性,且每個(gè)周期內(nèi)曲線震蕩的幅度較大,這是由于脈沖清灰導(dǎo)致的系統(tǒng)壓降周期性震蕩。每個(gè)清灰周期內(nèi),系統(tǒng)壓降在震蕩中呈逐漸上升的趨勢(shì),為了更清晰分析系統(tǒng)壓降的變化趨勢(shì),在振蕩曲線的基礎(chǔ)上繪出曲線的最大和最小值的包絡(luò)線。取4個(gè)工況包絡(luò)線上對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值,繪制系統(tǒng)平均壓降隨時(shí)間的變化曲線。
圖4 工況1對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)壓降隨時(shí)間變化Fig.4 Change of system pressure drop with time under the first condition
含灰氣流下除塵器的系統(tǒng)壓降如圖5所示,可知通入含塵氣體后,系統(tǒng)壓降快速升高,經(jīng)歷時(shí)間間隔5 min后,壓縮空氣反吹清灰,持續(xù)時(shí)間為5 s,此階段內(nèi)系統(tǒng)壓降迅速下降,清灰結(jié)束后,系統(tǒng)壓降重新升高,如此往復(fù)。但由于清灰后濾袋不能完全恢復(fù)到清潔狀態(tài),因此清灰結(jié)束時(shí)系統(tǒng)內(nèi)存在殘余壓降,且殘余壓降不斷增加。系統(tǒng)最大壓降也呈上升趨勢(shì)。
圖5 含灰氣流下除塵器的系統(tǒng)壓降Fig.5 System pressure drop of dust collector for dusty gas
進(jìn)氣含塵濃度對(duì)系統(tǒng)壓降的影響也較大,由于顆粒吸附或沉降在濾袋表面,使濾袋孔隙率減小,易導(dǎo)致系統(tǒng)壓降升高,因此進(jìn)氣含塵濃度較小時(shí),系統(tǒng)平均壓降基本隨進(jìn)氣含塵濃度的增大而升高。而進(jìn)氣含塵濃度升高到53 g/m3附近時(shí),系統(tǒng)平均壓降反而有所下降,這可能是由于粉塵濃度增大,使濾袋表面已經(jīng)吸附的粉塵層厚度增加并產(chǎn)生脫落,從而使濾袋表面的孔隙率增大導(dǎo)致。
保持進(jìn)氣流量10.5 m3/h,含塵濃度為25.3 g/m3,只改變進(jìn)氣溫度,具體工況見(jiàn)表3。
表3 不同工況下的進(jìn)氣溫度Table 3 Inlet air temperature under different conditions
工況1(表3)的系統(tǒng)壓降隨時(shí)間變化如圖6所示??芍到y(tǒng)壓降隨時(shí)間變化的曲線呈周期性振蕩,脈沖閥每隔5 min進(jìn)行一次反吹清灰,使系統(tǒng)壓降迅速降低,清灰結(jié)束后,系統(tǒng)壓降重新升高,如此往復(fù),系統(tǒng)壓降振蕩上升,結(jié)果與圖4類似。在壓降振蕩曲線的基礎(chǔ)上繪出曲線的最大和最小值的包絡(luò)線。同樣取5個(gè)工況包絡(luò)線上對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值,繪制系統(tǒng)平均壓降隨時(shí)間的變化曲線,如圖7所示。
圖6 工況1系統(tǒng)壓降隨時(shí)間變化Fig.6 Change of system pressure drop with time under the first condition
圖7 不同進(jìn)氣溫度對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)平均壓降隨時(shí)間變化Fig.7 Change of system pressure drop with time under different inlet temperatures
由圖7可知,相同進(jìn)氣含塵濃度和進(jìn)氣速度的條件下,進(jìn)氣溫度越高,系統(tǒng)平均壓降越高,且進(jìn)氣溫度越高,壓降增大的趨勢(shì)越明顯。分析認(rèn)為,進(jìn)氣溫度升高導(dǎo)致氣體密度減小,動(dòng)力黏度增大,顆粒在濾袋表面的黏附性增強(qiáng),導(dǎo)致濾袋表面孔隙率減小,濾袋表面壓降升高。而除塵器系統(tǒng)壓降主要來(lái)自于濾袋表面壓降,因此系統(tǒng)壓降也隨著進(jìn)氣溫度的升高而增大。
統(tǒng)計(jì)3次脈沖清灰周期后系統(tǒng)壓降最大值和出口氣體平均溫度隨進(jìn)氣溫度的變化特性,將其繪制成圖8??芍M(jìn)氣溫度從13 ℃上升到202 ℃時(shí),壓降從520.5 Pa上升到941.5 Pa。系統(tǒng)壓降在進(jìn)氣溫度較低時(shí)上升比較緩慢,隨著進(jìn)氣溫度的升高,系統(tǒng)壓降的上升速度也加快。圖8還給出除塵器出口氣體溫度的變化情況,出口氣體的平均溫度與進(jìn)氣溫度呈明顯的線性關(guān)系。隨著進(jìn)氣溫度的升高,出氣溫度增大,但進(jìn)出口氣體的溫度差也明顯增大,說(shuō)明氣體的熱量損耗增大。
圖8 系統(tǒng)壓降最大值隨進(jìn)氣溫度的變化Fig.8 Change of maximum system pressure drop with time under different inlet temperatures
由于受試驗(yàn)條件限制,試驗(yàn)時(shí)氣流溫度只達(dá)到200 ℃左右,而實(shí)際工業(yè)爐窯的高溫氣體可以達(dá)到500 ℃以上,因此采用CFD軟件對(duì)于金屬絲網(wǎng)除塵器進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)圖2加工的金屬絲網(wǎng)除塵器試驗(yàn)裝置,對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖9所示。絲網(wǎng)及進(jìn)氣口、出氣口均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,過(guò)濾器殼體采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,模型網(wǎng)格總數(shù)為11 548,經(jīng)Fluent軟件檢測(cè),數(shù)量適中,滿足計(jì)算要求。
圖9 濾袋除塵器的三維模型Fig.9 3-D model of bag filter
金屬絲網(wǎng)簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型,采用多孔跳躍邊界條件(porous jump),該簡(jiǎn)化模型可以模擬速度和壓降特性均為已知的薄膜,比完整的多孔介質(zhì)模型更可靠、更容易收斂。將通過(guò)薄膜的壓力變化定義為Darcy定律和附加內(nèi)部損失項(xiàng)的結(jié)合。壁面(包括殼體及濾袋底部)為靜止壁面,絕熱、無(wú)滑移,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。顆粒在固體壁面取為彈性反射條件(reflect),在過(guò)濾介質(zhì)表面取為捕獲條件(trap),出口取為逃逸條件(escape)。燒結(jié)金屬絲網(wǎng)濾的材料型號(hào)為SSW-005,厚度為2 mm,濾孔直徑取5 μm,孔隙率為35%,面滲透率一般取為2.2×10-12m2,濾袋內(nèi)部底部封閉。濾袋表面壓降根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算。
除塵器運(yùn)行中煙氣通過(guò)濾料的速度是影響過(guò)濾效率和濾袋壽命的關(guān)鍵因素,通常稱為過(guò)濾速度,過(guò)濾速度反映除塵設(shè)備清潔含塵氣流的能力。
潔凈空氣入口溫度15 ℃,除塵器內(nèi)設(shè)計(jì)過(guò)濾速度在1.0~5.0 m/min,對(duì)應(yīng)進(jìn)氣流量在4.9~24.5 Nm3/h時(shí),模擬了除塵器系統(tǒng)壓降的變化特性。模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)照如圖10所示,可知數(shù)值模擬的系統(tǒng)壓降隨進(jìn)氣流量增大而增大,雖然數(shù)值模擬結(jié)果的曲線要高于試驗(yàn)曲線,但仍能較好地反映試驗(yàn)中系統(tǒng)壓降隨進(jìn)氣流量的變化規(guī)律。
圖10 潔凈空氣下除塵器的壓降結(jié)果Fig.10 Pressure drop of dust collector for clean air
對(duì)于含塵氣流,模擬時(shí)濾袋面滲透率取2.2×10-12m2,過(guò)濾速度為2.0 m/min,對(duì)應(yīng)氣體流量為9.8 Nm3/h,入口氣體溫度在100~600 ℃時(shí),獲得了系統(tǒng)壓降隨進(jìn)氣溫度的變化特性,并與試驗(yàn)得到的壓降曲線進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖11所示,可知兩者吻合較好。隨進(jìn)氣溫度的升高,出口氣體的平均溫度線性遞增。進(jìn)氣溫度越高,進(jìn)出口氣體的溫差越大。
圖11 除塵器出口溫度Fig.11 Outlet temperature of dust collector
除塵器系統(tǒng)壓降隨進(jìn)氣溫度的變化如圖12所示,可知數(shù)值模擬的系統(tǒng)壓降隨進(jìn)氣溫度的增大呈線性遞增,而試驗(yàn)中系統(tǒng)壓降隨進(jìn)氣溫度變化的曲線則有波動(dòng),這可能是由于試驗(yàn)中通入的是含塵氣體,氣體含塵濃度存在波動(dòng),而模擬中沒(méi)有考慮含塵濃度的影響。試驗(yàn)得到的壓降曲線可以擬合為線性曲線,但擬合后的壓降曲線比數(shù)值模擬的曲線斜率更大,說(shuō)明通入含塵氣體時(shí),系統(tǒng)壓降隨進(jìn)氣溫度的變化更快。
圖12 不同溫度下除塵器壓降Fig.12 Pressure drop of dust collector for different temperatures
濾袋面滲透率9.1×10-13m2,過(guò)濾速度1.0 m/min(對(duì)應(yīng)氣體流量為4.9 Nm3/h)時(shí),除塵器壓降隨入口溫度(100~600 ℃)的變化特性如圖13所示,其中濾袋表面壓降(虛線)根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算。隨著入口氣體溫度的升高,系統(tǒng)壓降與濾袋表面壓降的差距增大,說(shuō)明入口氣體溫度的升高導(dǎo)致除塵器結(jié)構(gòu)壓降的大幅升高。
圖13 除塵器壓降隨入口溫度的變化Fig.13 Change of pressure drop of dust collector with the inlet temperatures
由圖13可知,入口溫度較低(<300 ℃)時(shí),系統(tǒng)壓降主要由濾袋表面壓降組成,入口氣體溫度較高(>300 ℃)時(shí),系統(tǒng)壓降遠(yuǎn)高于濾袋表面壓降,可達(dá)3 000 Pa,此時(shí)需要考慮除塵器結(jié)構(gòu)壓降帶來(lái)的影響。此外,此系統(tǒng)壓降遠(yuǎn)小于金屬絲網(wǎng)的抗壓強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度,因此,工業(yè)爐窯高溫含塵氣體采用金屬絲網(wǎng)凈化氣體、回收余熱具有可行性。
1)針對(duì)金屬絲網(wǎng)除塵器,通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了除塵器進(jìn)口氣流流量、氣流含塵濃度、氣流入口溫度對(duì)于除塵系統(tǒng)壓降的影響。隨著進(jìn)氣流量的增加,系統(tǒng)壓降呈升高趨勢(shì),且流量越大,壓降升高的斜率也越大,壓降損失與速度平方存在正相關(guān)關(guān)系。
2)系統(tǒng)壓降隨著含塵濃度增加先升后降,含塵濃度升高至53 g/m3后,由于粉塵厚度增加并導(dǎo)致塵餅脫落,從而引起孔隙率增加,壓降下降。
3)系統(tǒng)壓降隨著進(jìn)氣溫度的增加而升高,且出口溫度與系統(tǒng)壓降的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。對(duì)于進(jìn)氣溫度較低(<300 ℃)的工況條件,除塵器的系統(tǒng)壓降主要來(lái)自金屬絲網(wǎng)濾袋的表面壓降。
4)從數(shù)值模擬結(jié)果可知,大流量、高溫(>300 ℃)含塵氣流通過(guò)金屬絲網(wǎng)時(shí),最大系統(tǒng)壓降在3 000 Pa左右,遠(yuǎn)高于濾袋表面壓降,這時(shí)需要考慮除塵器結(jié)構(gòu)壓降帶來(lái)的影響。