盧道銘，唐釗艇，范怡平，盧春喜

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

引 言

目前，化石能源的利用過(guò)程往往導(dǎo)致嚴(yán)重的粉塵污染。面對(duì)嚴(yán)峻的污染態(tài)勢(shì)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了旋流場(chǎng)-顆粒床協(xié)同強(qiáng)化氣固分離新技術(shù)[1]，在同一臺(tái)設(shè)備中耦合離心分離和移動(dòng)床過(guò)濾兩種分離機(jī)理，協(xié)同強(qiáng)化氣固分離的效果。其中，移動(dòng)床過(guò)濾使用固體顆粒物（即捕集顆粒）與含塵氣體錯(cuò)流接觸，攔截氣體中的雜質(zhì)。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，期望捕集顆粒能夠循環(huán)使用，因此實(shí)現(xiàn)捕集顆粒的再生是該技術(shù)連續(xù)操作的核心之一。但捕集顆粒（屬Gerdart D類(lèi)顆粒[2]）與粉塵（屬Gerdart C類(lèi)顆粒[2]）流化、輸送性質(zhì)差異較大，目前還未存在有效的分離方法。

空氣分級(jí)機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分級(jí)效率高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[3-5]。相比于除塵性能較好但操作參數(shù)較多的動(dòng)態(tài)分級(jí)機(jī)[6-7]，靜態(tài)分級(jí)機(jī)雖然因物料分散性差、內(nèi)部流場(chǎng)分布不均等使分級(jí)效率下降，但操作較為簡(jiǎn)單，通過(guò)控制合適的操作條件、優(yōu)化分級(jí)機(jī)核心部件就可顯著提高分級(jí)效率[8-9]。因此，考慮采用靜態(tài)分級(jí)技術(shù)滿(mǎn)足捕集顆粒再生的現(xiàn)實(shí)需求。

Mann等[10]將傳統(tǒng)靜態(tài)分級(jí)機(jī)內(nèi)垂直圓柱形的分級(jí)室，優(yōu)化為具有一定角度的鋸齒狀分級(jí)室，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)粉的多次錯(cuò)流揚(yáng)析，但由于顆粒分布不均導(dǎo)致夾帶量過(guò)大；楊玥[11]在分級(jí)室內(nèi)設(shè)置擋板，拓寬了操作范圍，減少了粗顆粒的夾帶，但其壓降較大；李言言等[12]將垂直氣固逆流分級(jí)與水平并流降塵室耦合，獲得了較高的分級(jí)效率，但雙流型間的互相影響使得操作困難。另有眾多優(yōu)化方式[13-16]，但大多無(wú)法兼顧使物料分散均勻、壓降小、操作簡(jiǎn)便、流場(chǎng)可控等要求；且都是以流化性能較好的Geldart A～B類(lèi)混合顆?；駻～D類(lèi)混合顆粒作為原料，還未見(jiàn)有研究以流化性質(zhì)差異較大的C～D類(lèi)混合顆粒為原料。其分離現(xiàn)象、影響因素可能與已有研究大為不同。

鑒于此，本文提出一種新型大差異顆?？諝夥旨?jí)設(shè)備，以滿(mǎn)足捕集顆粒再生的現(xiàn)實(shí)需求，同時(shí)考察大差異顆粒分級(jí)過(guò)程的影響因素。具體情況為：在分級(jí)腔內(nèi)布置開(kāi)孔率高、表面光滑的錐形約翰遜網(wǎng)內(nèi)構(gòu)件[17]，對(duì)物料進(jìn)行充分分散，同時(shí)先脫除一部分粉塵，減少后續(xù)過(guò)程的負(fù)荷；顆粒入口管向下延伸，以避免二次夾帶；在大顆粒出口設(shè)置錐臺(tái)狀的“收集約翰遜網(wǎng)”，對(duì)氣體進(jìn)行整流，強(qiáng)化氣流對(duì)顆粒的揚(yáng)析作用。研究以Geldart C～D類(lèi)混合顆粒作為分級(jí)物料，分析了操作條件對(duì)設(shè)備壓降和分級(jí)效率的影響，以期為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

大差異顆粒空氣分級(jí)所用的大型冷模實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。主要由分級(jí)器、加塵器、提升管和噴動(dòng)-再生器組成，設(shè)備總高6000 mm。除收集約翰遜網(wǎng)（2）以下部分筒體采用Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)外，其余結(jié)構(gòu)均由有機(jī)玻璃建造，以便觀(guān)察內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)。

圖1 大差異顆?？諝夥旨?jí)設(shè)備Fig.1 Large-difference-particle air classifier

1.1.1 加塵器 捕集顆粒經(jīng)由蝶閥（b）向下落入預(yù)混合器（10）中；同時(shí)，在加料管（11）中加入硅微粉顆粒，并由設(shè)置在其底部料腿處的松動(dòng)風(fēng)將粉塵（硅微粉）吹入預(yù)混合器（10）中，與捕集顆粒混合以模擬工業(yè)應(yīng)用中一定濃度的含塵顆粒。混合顆粒作為原料繼而向下落入分級(jí)器中。

1.1.2 分級(jí)器 常溫空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓后輸入環(huán)管分布器（1），自下而上貫穿分級(jí)器，與含塵顆粒逆流接觸；由于氣流速度遠(yuǎn)大于粉塵帶出速度而遠(yuǎn)小于捕集顆粒的帶出速度，兩種顆粒被氣流分離，攜帶著粉塵的氣流最終由氣體出口管（6）排出設(shè)備，其中的粉塵被旋風(fēng)分離器（7）和濾袋（9）收集。捕集顆粒則由顆粒出口管（20）離開(kāi)設(shè)備。

收集約翰遜網(wǎng)（2）、分散約翰遜網(wǎng)（4）均由約翰遜網(wǎng)卷制而成，間隙取0.75 mm，開(kāi)孔率33.3%,均起到了類(lèi)似于催化裂化中汽提器的作用[18]。分散約翰遜網(wǎng)（4）設(shè)置在顆粒入口管（5）下方，呈圓錐狀。原料在分散約翰遜網(wǎng)（4）表面上得到汽提并被均勻分散在分級(jí)室（3）中。收集約翰遜網(wǎng)（2）設(shè)置在顆粒出口管（20）上端，形成內(nèi)徑逐漸減小的錐臺(tái)狀，實(shí)現(xiàn)了大顆粒離開(kāi)分級(jí)器前的充分揚(yáng)析，以提高分級(jí)效率。

1.1.3 提升管和噴動(dòng)-再生器 經(jīng)過(guò)分級(jí)后的捕集顆粒采用提升管氣力輸送的方式，完成循環(huán)過(guò)程。同時(shí)為了讓參與循環(huán)的粉塵量達(dá)到最低，本文在提升管出口設(shè)置噴動(dòng)床（13），使最后少量的粉塵顆粒與捕集顆粒分開(kāi)。

捕集顆粒經(jīng)過(guò)閥門(mén)（a）后進(jìn)入預(yù)提升器（19）中，繼而進(jìn)入提升管路（18），在氣力輸送下進(jìn)入噴動(dòng)-再生器（13）中，完成粉塵和捕集顆粒的最后分離。新鮮的捕集顆粒在重力的作用下沉降至料倉(cāng)（17），通過(guò)蝶閥（b）進(jìn)入預(yù)混合設(shè)備（10），完成循環(huán)過(guò)程。顆粒出口管（20）中的捕集顆粒還未經(jīng)過(guò)噴動(dòng)-再生器徹底再生，因此顆粒出口管（20）也被稱(chēng)為待生斜管。與之對(duì)應(yīng)的斜管（12）稱(chēng)為再生斜管。

1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

采用硅微粉模擬混合顆粒中的粉塵。用LS-909激光粒度分析儀（珠海歐美克儀器有限公司）分析粉塵顆粒的粒徑及其分布，結(jié)果如圖2所示，得出其中位粒徑d50=13.2μm，顆粒密度ρp=444 kg/m3，屬于典型的Geldart C類(lèi)顆粒[2]。

圖2 硅微粉粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of the microsilica

實(shí)驗(yàn)中捕集顆粒采用UOP公司生產(chǎn)的空分專(zhuān)用分子篩吸附劑產(chǎn)品。顆粒物性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，屬于典型的Geldart D類(lèi)顆粒[2]。由此可見(jiàn)，粉塵和捕集顆粒物性差距較大，屬于“大差異二元顆?！?。

表1 捕集顆粒物性參數(shù)Table 1 Physical properties of large granules

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)改變分離器內(nèi)表觀(guān)氣速U、顆粒循環(huán)速率W、粉塵/捕集顆粒比R等操作參數(shù)，考察了分級(jí)器在設(shè)置分散約翰遜網(wǎng)（4）前后（即處于自由床、內(nèi)構(gòu)件床兩種床型下）重要的性能參數(shù)——設(shè)備壓降、分級(jí)效率和分級(jí)粒徑的變化。

1.3.1 捕集顆粒循環(huán)量和粉塵/捕集顆粒比 實(shí)驗(yàn)在圖1中再生斜管（12）設(shè)置蝶閥（b），通過(guò)改變閥門(mén)的開(kāi)度控制顆粒的循環(huán)速率，采用容積法[19]測(cè)定不同開(kāi)度下的循環(huán)速率W（kg/s）。在加料管（11）下端料腿處設(shè)置松動(dòng)風(fēng)，通過(guò)改變風(fēng)量控制加塵速率vi（g/s），同樣采用容積法測(cè)定vi。為了表征捕集顆粒原料中的粉塵濃度，定義粉塵/捕集顆粒比R（g/kg），可由加塵速率vi和捕集顆粒循環(huán)量W的比值表示：

1.3.2 分級(jí)效率 2個(gè)采樣孔分別設(shè)置在圖1蝶閥a上部100 mm處和蝶閥b上部100 mm處，同時(shí)對(duì)含塵顆粒進(jìn)行采樣。為避免斜管同一截面內(nèi)顆粒粒度分布的差別，在垂直于流動(dòng)方向的截面內(nèi)設(shè)置了兩側(cè)邊壁、斜管中心共三個(gè)測(cè)點(diǎn)，取三個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。由于硅微粉顆粒與捕集顆粒粒徑差異較大，故可認(rèn)為樣品中粒徑小于100μm的顆粒為粉塵，用標(biāo)準(zhǔn)分樣篩篩分，即可得到樣品中的粉塵含量。

設(shè)在蝶閥a上部樣品中粉塵與捕集顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為fd（g/kg），蝶閥b上部樣品中為fz（g/kg）。通過(guò)噴動(dòng)-再生器后的捕集顆粒仍無(wú)法保證不含粉塵，因此實(shí)際進(jìn)入分級(jí)器的粉塵濃度是新加入的粉塵濃度（R）與參與循環(huán)的粉塵濃度（fz）之和，離開(kāi)分級(jí)器的粉塵濃度為fd，則分級(jí)效率η可表示為:

1.3.3 壓降 實(shí)驗(yàn)在床體上每隔0.2 m布置一個(gè)軸向測(cè)點(diǎn)；同時(shí)還在氣體出口（6）和收集約翰遜網(wǎng)（2）下方設(shè)置壓力探針以獲得全床壓降。各部分壓降均由GM510型高精度數(shù)顯壓差計(jì)（深圳市聚茂源科技有限公司）記錄，量程10 kPa，分辨率1 Pa，記錄頻率1 Hz。

1.3.4 粒徑測(cè)量 分析分級(jí)后粒徑分布對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量有重要的指導(dǎo)意義。實(shí)驗(yàn)以圖1中旋風(fēng)分離器（7）收集的硅微粉作為能夠成功分離的粉塵；以蝶閥a上部100 mm處采樣點(diǎn)收集的硅微粉作為分離無(wú)效的粉塵，分別用LS-909激光粒度分析儀（珠海歐美克儀器有限公司）分析粉塵的粒徑及其分布。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 無(wú)塵負(fù)荷下的壓降

2.1.1 表觀(guān)氣速U對(duì)設(shè)備壓降的影響 保持捕集顆粒順暢流動(dòng)（W=0.19 kg/s），設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，每個(gè)表觀(guān)氣速下測(cè)4000個(gè)壓降數(shù)據(jù)（300～4300 s），自由床靜壓降隨時(shí)間的變化如圖3（a）所示。隨表觀(guān)氣速增大，壓降增大，壓降波動(dòng)也變大；但最高氣量下的全床壓降不超過(guò)200 Pa，證明設(shè)備具有低壓降的特性。

設(shè)置分散約翰遜網(wǎng)后，內(nèi)構(gòu)件床靜壓降隨時(shí)間的變化如圖3（b）所示。在可操作的氣速范圍內(nèi)，壓降均值與自由床時(shí)相比幾乎無(wú)變化。但當(dāng)氣速U>0.27 m/s后，內(nèi)構(gòu)件床出現(xiàn)顆粒下料不暢的現(xiàn)象，導(dǎo)致操作被迫停止。這應(yīng)是錐形的約翰遜網(wǎng)側(cè)邊具有導(dǎo)流作用所致，如圖4所示，氣流逐漸向錐形頂端匯集并從頂端附近開(kāi)口噴出，氣速較大時(shí)直接被導(dǎo)入下料口內(nèi)，造成顆粒在預(yù)混合器內(nèi)的堆積。一種解決方法是，下移分散約翰遜網(wǎng)，使之與入口管之間的距離增大，減小氣流被直接導(dǎo)入入口管的概率；或者上移預(yù)混合器，進(jìn)一步延長(zhǎng)顆粒入口管并形成一定高度的料封，阻止氣體在入口管內(nèi)的上升。

圖3 不同表觀(guān)氣速下設(shè)備靜壓差隨記錄時(shí)間的波動(dòng)狀況Fig.3 Fluctuation of static pressure drop with time under different superficial gas velocity

圖4 分散約翰遜網(wǎng)導(dǎo)流作用對(duì)下料的影響Fig.4 Influence of diversion effect of dispersed Johnson screen on feeding

2.1.2 捕集顆粒循環(huán)量對(duì)設(shè)備壓降的影響 在表觀(guān)氣速U=0.18～0.27 m/s范圍內(nèi)，對(duì)四個(gè)檔位捕集顆粒循環(huán)量（W=0.15、0.18、0.19、0.29 kg/s）下的設(shè)備靜壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同循環(huán)量下設(shè)備靜壓差的變化Fig.5 Variation of static pressure drop under different granular circulation rate

自由床時(shí)，壓降隨捕集顆粒循環(huán)速率的增加而略有增大。在本研究中，氣固相呈逆流接觸狀態(tài)，隨著顆粒循環(huán)量增大，一方面，氣流向上流動(dòng)需要克服更多的單顆粒繞流阻力[20]，因而壓降增大。另一方面，循環(huán)量越大，顆粒分散程度越小，可認(rèn)為床層空隙率變小[21]，由改進(jìn)的Ergum公式[22]可知，壓降會(huì)相應(yīng)增大。

設(shè)置分散約翰遜網(wǎng)后，壓降的變化更加不明顯，有利于設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行。低循環(huán)量下自由床的壓降更小，高循環(huán)量下內(nèi)構(gòu)件床的壓降更小。隨著氣速的降低，兩床之間的差別變小。

通過(guò)對(duì)分級(jí)機(jī)內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析，可將設(shè)備總壓降Δp分為約翰遜網(wǎng)摩擦壓降Fj、氣體出口處壓降Fo、顆粒摩擦壓降Fp三個(gè)部分，即：

其中Fj、Fo僅與表觀(guān)氣速U呈正相關(guān)關(guān)系；而Fp既和U呈正相關(guān)，也與捕集顆粒循環(huán)速率W呈正相關(guān)。由于分散約翰遜網(wǎng)起到了一定程度的顆粒分散作用，因此，相同條件下，內(nèi)構(gòu)件床的約翰遜網(wǎng)摩擦壓降Fj更大，但顆粒摩擦壓降Fp更小。同一表觀(guān)氣速下，隨著W的增加，內(nèi)構(gòu)件床的顆粒摩擦壓降增加得更慢，使兩種床型在某循環(huán)量W條件下可達(dá)到壓降相等的狀態(tài)。而在同一W下，隨著表觀(guān)氣速的降低，分散約翰遜網(wǎng)所引起的壓降也隨之變小，因此兩種床型之間的壓降差別變小。

2.2 有塵負(fù)荷下的壓降

以U=0.27 m/s，W=0.19 kg/s為例，不同R條件下設(shè)備的壓降隨時(shí)間變化如圖6所示。

自由床狀態(tài)下，當(dāng)R=20.6 g/kg時(shí)[圖6（a）]，壓降不隨時(shí)間變化，且?guī)缀跖c無(wú)負(fù)荷時(shí)的壓降相同。而高入口濃度下[圖6(b)、(c)]，隨著分級(jí)操作的進(jìn)行，設(shè)備壓降一直處于增大的狀態(tài)，直到設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。此時(shí)收集約翰遜網(wǎng)（2）上出現(xiàn)明顯的結(jié)灰現(xiàn)象，且厚度逐漸增大；待生斜管（20）內(nèi)粉塵過(guò)度沉積，使顆粒無(wú)法正常循環(huán)。這時(shí)只能停止加塵操作，通過(guò)噴動(dòng)-再生器（13）除去設(shè)備內(nèi)沉積的粉塵。當(dāng)單位質(zhì)量捕集顆粒攜帶的粉塵量過(guò)高時(shí)，粉塵團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，超過(guò)了收集約翰遜網(wǎng)阻塞限度后，氣流無(wú)法及時(shí)將沉積在收集約翰遜網(wǎng)上的灰塵帶出，導(dǎo)致床內(nèi)灰塵顆粒累積，不僅使分級(jí)效率大幅下降，而且最終阻礙捕集顆粒下行。R越大，設(shè)備能夠正常操作的時(shí)間越短。

增加分散約翰遜網(wǎng)后，內(nèi)構(gòu)件床壓降增長(zhǎng)更緩慢。當(dāng)R=20.6 g/kg時(shí)[圖6(a)]，內(nèi)構(gòu)件床壓降均值與自由床時(shí)相同。R=28.3 g/kg[圖6(b)]，內(nèi)構(gòu)件床壓降不再隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，可穩(wěn)定在80～85 Pa。而在最大加塵量時(shí)[圖6(c)]，設(shè)備能夠正常操作的時(shí)間從1500 s增至2500 s，延長(zhǎng)了1000 s。這些都與內(nèi)構(gòu)件床中分散約翰遜網(wǎng)的分散過(guò)程有關(guān)。氣流垂直穿過(guò)分散約翰遜網(wǎng)表面，較高的過(guò)孔氣速使得顆粒在下落過(guò)程中得到充分分散；同時(shí)減少粉塵夾帶量，分擔(dān)了部分分級(jí)任務(wù)，有效地減緩了粉塵在收集約翰遜網(wǎng)上結(jié)灰的速度，拓寬了可操作的加塵范圍；而當(dāng)R增大到39.4 g/kg時(shí)，分散約翰遜網(wǎng)外壁面也出現(xiàn)明顯的結(jié)灰，設(shè)備壓降再次增大。

圖6 不同操作條件下兩種床型靜壓差隨時(shí)間的變化(U=0.27 m/s,W=0.19 kg/s)Fig.6 Variation of two type bedspressure drop with time under different conditions

2.3 壓降分析

如前所述，本文將設(shè)備總壓降Δp分為約翰遜網(wǎng)壓降Fj、顆粒摩擦壓降Fp、氣體出口處壓降Fo三個(gè)部分，其中，約翰遜網(wǎng)壓降包括收集約翰遜網(wǎng)壓降Fj1、分散約翰遜網(wǎng)壓降Fj2。由布置在設(shè)備上的壓力測(cè)點(diǎn)可以得到收集約翰遜網(wǎng)壓降、分散約翰遜網(wǎng)壓降和出口壓降，顆粒摩擦壓降可由總壓降與上述壓降做差得到。無(wú)加塵負(fù)荷下，以W=0.19 kg/s時(shí)為例，自由床各部分的壓降列于表2中，內(nèi)構(gòu)件床各部分壓降列于表3中。

針對(duì)常規(guī)空氣分級(jí)機(jī)的壓降，已有研究得到了一些經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式[23-25]，但并不適用于本文中的新型空氣分級(jí)機(jī)。因此本研究根據(jù)表2、表3建立了計(jì)算設(shè)備各部分壓降的模型，壓降特性采用壓損系數(shù)ξ描述，計(jì)算方法如式（4）所示：

表2 自由床各部分壓降損失（W=0.19 kg/s）Table 2 Pressure drop of free bed（W=0.19 kg/s）

表3 內(nèi)構(gòu)件各部分壓降損失（W=0.19 kg/s）Table 3 Pressure drop of internals bed（W=0.19 kg/s）

2.3.1 約翰遜網(wǎng)壓降損失 本研究將約翰遜網(wǎng)等效為與氣流運(yùn)動(dòng)方向垂直的多孔擋板，再將壓降實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)中關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，找到最適合于計(jì)算約翰遜網(wǎng)壓降的方法。相關(guān)研究指出，孔板ξj與等效直徑比β（開(kāi)孔面積與總面積之比的1/2次方）、板厚/孔徑比t/d、開(kāi)孔率ψ、孔間距P有關(guān)，關(guān)聯(lián)式如表4所示。需要說(shuō)明的是，本研究采用60#約翰遜網(wǎng)，斜邊與水平面的夾角θ=30°。原開(kāi)孔面積投影到水平面上后，新的開(kāi)孔面積為投影后的原開(kāi)孔面積與環(huán)隙面積之和，假設(shè)投影前后孔數(shù)不變，則等效后的孔徑發(fā)生變化。根據(jù)各關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算，得到的收集約翰遜網(wǎng)壓損系數(shù)ξj1、分散約翰遜網(wǎng)壓損系數(shù)ξj2也列于表4中。

表4 孔板壓損系數(shù)關(guān)聯(lián)式匯總Table 4 Summary of correlation for pressure drop coefficient（ξ）in orifices plate

收集約翰遜網(wǎng)呈錐臺(tái)狀，投影到水平面上后，幾乎占據(jù)整個(gè)截面；而分散約翰遜網(wǎng)呈圓錐狀，圓錐底邊與器壁之間還留有很大的距離，投影之后占整個(gè)截面的比例較小。計(jì)算得到的分散約翰遜網(wǎng)壓損系數(shù)ξj2較收集約翰遜網(wǎng)小很多，說(shuō)明空氣流經(jīng)分散約翰遜網(wǎng)壓損幾乎可以忽略，這一點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上也可以得到驗(yàn)證。

收集約翰遜網(wǎng)壓降的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值如圖7所示。根據(jù)?zahi[26]、Holt等[28]、Miller[29]的方法，將約翰遜網(wǎng)折算為相同孔數(shù)的平面多孔板計(jì)算所得ξj1明顯低于本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不宜采用。相比之下，Perry[27]關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)結(jié)果與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符最好，全部實(shí)測(cè)壓降數(shù)據(jù)與擬合曲線(xiàn)誤差小于15%。因此本文推薦采用Perry[27]的方法計(jì)算約翰遜網(wǎng)壓降。

圖7 收集約翰遜網(wǎng)壓降預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.7 Comparison between predicted and experimental values of pressure drop in Johnson screen for collcetion

2.3.2 出口處壓降 流道截面突變處的壓降為局部型阻壓降和加速壓降之和。對(duì)于本文所研究的空氣分級(jí)設(shè)備，出口處的加速壓降即為進(jìn)出口測(cè)點(diǎn)處的氣體流動(dòng)速度頭增量，可由式（5）獲得：

式中，uo為氣體出口管內(nèi)流速，m/s；u為收集約翰遜網(wǎng)下方空氣流速，m/s。

局部形阻壓降采用壓損系數(shù)ξ0描述，根據(jù)李陽(yáng)初等[30]提供的相關(guān)計(jì)算方法得ξ0=0.82，再根據(jù)式（4）可得局部形阻壓降。圖8為計(jì)算得到的出口壓降和實(shí)際壓降的關(guān)系，實(shí)際測(cè)量值位于預(yù)測(cè)誤差-15%線(xiàn)附近，這說(shuō)明局部壓損系數(shù)ξ0并非定值。將局部阻力系數(shù)ξ0看作突縮前后Reynolds數(shù)之差的函數(shù)，采用三次多項(xiàng)式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得到如圖9所示的結(jié)果，擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.9868。關(guān)聯(lián)式為：

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ξ0的擬合結(jié)果的對(duì)比Fig.9 Comparison of experimental and fitting results ofξ0

2.3.3 自由床顆粒摩擦壓降 由圖5可知，同一表觀(guān)氣速，不同捕集顆粒循環(huán)量下的設(shè)備壓降變化幅度不大，證明捕集顆粒循環(huán)量W對(duì)顆粒摩擦損失Fp的影響較小。再由表3，內(nèi)構(gòu)件床的顆粒摩擦損失Fp變化無(wú)規(guī)律。此處僅研究自由床顆粒摩擦損失Fp與表觀(guān)氣速U之間的關(guān)系。顆粒摩擦損失Fp取四個(gè)檔位（W=0.15、0.18、0.19、0.29 kg/s）下的平均值。

對(duì)于顆粒床壓降與流體流速的關(guān)聯(lián)式方程，應(yīng)用最經(jīng)典的當(dāng)屬Ergun方程[22]：

式中，H為床層高度,m;ε為空隙率;α為顆粒的比表面積,m2/m3;μ為空氣的黏度,Pa·s;ρ0為空氣的密度,kg/m3;系數(shù)a=4.17,b=0.29。

本文實(shí)驗(yàn)值和經(jīng)典Ergun公式計(jì)算值有較大差距，需對(duì)Ergun公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a和b進(jìn)行修正，同時(shí)由于顆粒并非充滿(mǎn)整個(gè)床層，本研究提出等效孔隙率ε0來(lái)代替ε，近似認(rèn)為顆粒在與顆粒入口管直徑相等、與床層等高的圓柱體內(nèi)呈充滿(mǎn)的自然堆積狀態(tài)，以此計(jì)算等效孔隙率ε0。

圖10是根據(jù)式（7）擬合的結(jié)果，斜率和截距分別為系數(shù)a和b，相關(guān)系數(shù)R2=0.9869。得修正后的Ergun公式：

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Ergun公式擬合結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of experimental and Ergun fitting results

2.4 分級(jí)效率及粉塵粒徑分析

2.4.1 分級(jí)效率的分析 改變操作條件，設(shè)備分級(jí)效率的變化如圖11所示。

圖11（a）是粉塵/捕集顆粒比R的影響。自由床的分級(jí)效率隨R的升高顯著下降，從R=5.56 g/kg時(shí)的89.79%降至R=39.4 g/kg時(shí)的67.85%。R的升高意味著入口捕集顆粒中粉塵濃度的增大，不僅使大量粉塵隨顆粒流主體沉降，增大了分級(jí)的負(fù)擔(dān)；且R在增大到超過(guò)收集約翰遜網(wǎng)阻塞限度后，部分孔道阻塞，致使其失去了揚(yáng)析的作用，因此分級(jí)效率大幅下降。

圖11（b）是捕集循環(huán)量W的影響。提高顆粒循環(huán)量，意味著顆粒在分離器內(nèi)的停留時(shí)間縮短，無(wú)法與氣流充分接觸產(chǎn)生足夠的揚(yáng)析作用，因此自由床的分級(jí)效率隨W的升高而下降，從最高約96%降至72%。

而由圖11（c）表觀(guān)氣速U對(duì)分級(jí)效率的影響可知，表觀(guān)氣速增加，自由床的分級(jí)效率先迅速增加至最大值87%，后逐漸趨于穩(wěn)定；在表觀(guān)氣速高于0.27 m/s后，不僅無(wú)法繼續(xù)增大分級(jí)效率，反而消耗更多的能量。這可能是氣相在設(shè)備內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性導(dǎo)致的，仍需進(jìn)一步的研究。

圖11 不同操作條件下設(shè)備分級(jí)效率的變化Fig.11 Variation of classification efficiency under different operation conditions

在添加了分散約翰遜網(wǎng)后，由圖11可見(jiàn)，內(nèi)構(gòu)件床分級(jí)效率隨操作條件的變化相對(duì)較小。如R=10.1～28.3 g/kg范圍內(nèi)分級(jí)效率呈小幅波動(dòng)狀態(tài)，維持在81.87%左右；在W=0.15～0.29 kg/s范圍內(nèi)從最高86.7%降至79.3%。圖4已經(jīng)說(shuō)明，部分?jǐn)y帶粉塵的氣體會(huì)被直接導(dǎo)入顆粒入口管中，與捕集顆粒重新混合。因此分散約翰遜網(wǎng)的分散作用（對(duì)分級(jí)效率有利）和導(dǎo)流作用（對(duì)分級(jí)效率無(wú)益）存在矛盾。兩者相互制約，使得內(nèi)構(gòu)件床分級(jí)效率的變化幅度不大。低R、低W等較“溫和”的操作條件下，自由床無(wú)直接導(dǎo)流作用，因此分級(jí)效率更高；而高R、高W等“重負(fù)荷”操作條件下，有分散作用的內(nèi)構(gòu)件床分級(jí)效率更高。

在表觀(guān)氣速高于0.27 m/s后，內(nèi)構(gòu)件床出現(xiàn)顆粒下料不暢的現(xiàn)象，操作被迫停止；自由床內(nèi)則會(huì)造成不必要的能量損失。綜合考慮兩種床型的表現(xiàn)，推薦U=0.27 m/s為最佳操作氣速。

2.4.2 分級(jí)粒徑的分析 分級(jí)粒徑隨操作條件的變化如圖12所示。

圖12 不同操作條件下設(shè)備粉塵分級(jí)粒徑的變化Fig.12 Variation of dust diameter under different operation conditions

硅微粉顆粒屬于C類(lèi)顆粒，黏滯性大、顆粒易團(tuán)聚、流化特性差[31]。因此自由床內(nèi)，隨著R、W的增大，粉塵逐漸團(tuán)聚為更大的顆粒，對(duì)分離產(chǎn)生不利影響，不僅分級(jí)效率下降，且有效分級(jí)的粉塵粒徑持續(xù)升高。U增大，單位質(zhì)量空氣攜帶的粉塵量降低，因此有效分級(jí)粒徑持續(xù)下降。而分散約翰遜網(wǎng)的存在使得顆粒在進(jìn)料處和下落過(guò)程中得到充分分散及一次分級(jí)，有效減少了黏附在捕集顆粒表面的硅微粉數(shù)量，阻止了進(jìn)一步的團(tuán)聚。因此內(nèi)構(gòu)件床的有效分離粒徑明顯小于自由床。

但值得注意的是，對(duì)于無(wú)法有效分離的粉塵，其粒徑分布隨操作條件和床型變化不大，保持在4～6μm之間，說(shuō)明設(shè)備對(duì)超細(xì)粉塵的分離能力有限。如何進(jìn)一步優(yōu)化分散約翰遜網(wǎng)的結(jié)構(gòu)/數(shù)量或設(shè)置其他內(nèi)構(gòu)件提高其對(duì)細(xì)粉的分離能力是下一步研究的重點(diǎn)。

3 結(jié) 論

（1）在無(wú)塵負(fù)荷下，設(shè)備壓降隨表觀(guān)氣速的增大而增大；捕集顆粒循環(huán)量增大，設(shè)備壓降稍有增加。設(shè)置分散約翰遜網(wǎng)后，其本身引起的壓降損失幾乎可以忽略，但由于其側(cè)邊引流作用，導(dǎo)致可操作的表觀(guān)氣速范圍降低；同時(shí)由于其對(duì)顆粒的分散性，使捕集顆粒循環(huán)量對(duì)壓降的影響比自由床時(shí)小。

（2）在含塵負(fù)荷下，若顆粒含塵濃度低于收集約翰遜網(wǎng)的阻塞限度，設(shè)備壓降幾乎無(wú)異于無(wú)塵負(fù)荷下的；但過(guò)高的顆粒含塵濃度引起收集約翰遜網(wǎng)表面結(jié)灰，壓降驟增。設(shè)置分散約翰遜網(wǎng)后，由于其分擔(dān)了一部分分級(jí)負(fù)荷，因此兩個(gè)約翰遜網(wǎng)表面的結(jié)灰都被延緩，可操作的含塵濃度增大。

（3）無(wú)加塵負(fù)荷下，將所獲得的設(shè)備實(shí)際壓降劃分為約翰遜網(wǎng)摩擦損失、顆粒摩擦損失、出口管路壓降三個(gè)部分；通過(guò)將約翰遜網(wǎng)等效成圓形管路中垂直于流體流動(dòng)方向上的多孔板，采用Perry關(guān)聯(lián)式取得了良好的擬合效果；通過(guò)對(duì)Ergun方程的修正，給出顆粒摩擦損失的計(jì)算公式。

（4）實(shí)驗(yàn)表明，分散約翰遜網(wǎng)有效地阻止了硅微粉在下降過(guò)程中的團(tuán)聚，使得內(nèi)構(gòu)件床的有效分級(jí)粒徑較自由床時(shí)更?。坏珜?duì)于無(wú)效分級(jí)粒徑，兩床型之間的差別不大。分散約翰遜網(wǎng)的分散作用和導(dǎo)流作用存在矛盾，相互制約，使得分級(jí)效率隨操作條件的變化不像自由床時(shí)那樣敏感，在自由床表現(xiàn)較差時(shí)設(shè)置分散約翰遜網(wǎng)可以顯著增大分級(jí)效率。

符號(hào)說(shuō)明

C0——微孔系數(shù)

d50——中位粒徑，μm

Fj，F(xiàn)j1，F(xiàn)j2——分別為總約翰遜網(wǎng)摩擦壓降、收集約翰遜網(wǎng)壓降、分散約翰遜網(wǎng)壓降，Pa

Fo——?dú)怏w出口壓降，Pa

Fp——顆粒摩擦壓降，Pa

fd——蝶閥a上部樣品中粉塵與捕集顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比，g/kg

fz——蝶閥b上部樣品中粉塵與捕集顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比，g/kg

H——床高，m

n——開(kāi)孔數(shù)

P——孔間距，mm

Δp——壓降，Pa

R——粉塵/捕集顆粒比，g/kg

t/d——板厚/孔徑比

U——表觀(guān)氣速，m/s

vi——加塵速率，g/s

W——捕集顆粒循環(huán)速率，kg/s

α——顆粒比表面積，m2/m3

β——等效直徑比

ε，ε0——分別為床層空隙率、等效空隙率

η——分級(jí)效率，%

θ——分散約翰遜網(wǎng)傾角，(°)

μ——空氣的動(dòng)力黏度，Pa·s

ξj0——局部型阻壓損系數(shù)

ξj1,ξj2——分別為收集約翰遜網(wǎng)壓損系數(shù)、分散約翰遜網(wǎng)壓損系數(shù)

ρp——顆粒密度，kg/m3

ρ0——空氣密度，kg/m3

ψ——孔板開(kāi)孔率