電磁浮動(dòng)床除塵過程機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)研究*

孫雪姣，呂舒駿，鄭杰，李紅喜

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著工業(yè)化的發(fā)展，化石能源消耗加劇，各類廢棄物大量排放，其中工業(yè)煙塵的排放成為影響空氣質(zhì)量的主要原因之一，如何降低工業(yè)煙塵中污染物的排放濃度是目前研究的重點(diǎn).除塵技術(shù)能有效降低工業(yè)廢氣排放濃度，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用.目前主要的除塵技術(shù)包括旋風(fēng)除塵，濕式除塵，袋式除塵，靜電除塵[1-7].濕式除塵，用水量大，容易造成二次污染，袋式除塵器的濾袋易破損，難以應(yīng)用到高溫領(lǐng)域[8]；靜電除塵容易出現(xiàn)電暈現(xiàn)象，對粉塵的比電阻要求較為嚴(yán)格，設(shè)備一次性投資高，而顆粒層除塵器因具有環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、效率高、濾料選擇廣的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有前途的除塵技術(shù)[9-12].國內(nèi)學(xué)者對影響顆粒層除塵效率的因素進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，早在1989年，TIEN C[13]建立了固定床除塵模型，預(yù)測除塵過程中的效率與床層壓降.在此基礎(chǔ)上，2002年吳晉滬等[14]建立了顆粒移動(dòng)床過濾數(shù)學(xué)模型，深入分析了移動(dòng)床的除塵過程，為移動(dòng)床除塵機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ).2009年，付海明等[15]對非穩(wěn)態(tài)顆粒層過濾進(jìn)行理論計(jì)算，通過多元回歸法得出與除塵效率相關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合.2013年，黃三等[16]首次提出將石英砂粉體與海沙顆粒結(jié)合，形成新型粉體顆粒床，引入雙層濾料共同流化的思想，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對煙塵粒子的過濾效率顯著提升.

近年來，排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，單一除塵技術(shù)無法滿足高精度的要求，因此多種除塵技術(shù)相復(fù)合，結(jié)合不同除塵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)可以獲得更高的除塵效率和更廣的適用范圍.本文將固定床顆粒除塵技術(shù)與電磁除塵相結(jié)合，提出一種新型電磁浮動(dòng)床除塵器.電磁浮動(dòng)床除塵器與固定床除塵器同屬于顆粒層除塵器，具有耐腐蝕、耐高壓、濾料選擇范圍廣的優(yōu)點(diǎn).電磁浮動(dòng)床除塵技術(shù)利用磁場加強(qiáng)氣固兩相傳質(zhì)作用，使過濾顆粒呈鏈狀排布，減少床層壓降，提高除塵效率，在過濾實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)固定床顆粒層宏觀模型，對復(fù)合除塵器建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行理論計(jì)算，分析磁場對除塵過程中除塵效率和床層壓降的影響，探討慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散、重力沉降等機(jī)理對除塵效率的影響.

1 電磁浮動(dòng)床除塵機(jī)理分析

電磁浮動(dòng)床除塵機(jī)理與固定床除塵機(jī)理是基本相同的，電磁浮動(dòng)床除塵也是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程，相當(dāng)于在固定床的外加磁場，磁場的吸附作用增強(qiáng)了氣固兩相流的傳質(zhì)作用，因此綜合考慮，可以將固定床除塵機(jī)理與磁場吸附作用機(jī)理相結(jié)合，可以獲得電磁浮動(dòng)床除塵過程的過濾模型，其濾機(jī)理如圖1所示.

圖1 電磁浮動(dòng)床除塵過濾機(jī)理

在粉塵顆粒通過顆粒過濾介質(zhì)，在過程中受到慣性碰撞，攔截篩分等作用，使得粉塵被過濾，固定床的總過濾效率E為：

(1)

式中：c進(jìn)為進(jìn)口粉塵濃度，kg/m3；c出為出口粉塵濃度，kg/m3.

在除塵過程中床層空隙率、粉餅層沉積量等物理量均在不斷變化，因此固定床除塵是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程，除塵效率隨著時(shí)間不斷變化，在過濾過程中，每個(gè)顆粒都可以看做是一個(gè)捕集體，如果認(rèn)為理想情況下每個(gè)捕集體的形狀大小完全一樣，其除塵效率記為η，則單個(gè)普集體的除塵效率η與總除塵效率E滿足TIEN C提出的經(jīng)典除塵效率關(guān)系如式(2)：

(2)

式中：dg為磁性濾料的直徑，m；H為床層高度，m；ε為床層內(nèi)的空隙率.

隨著粉塵的不斷堆積，過濾顆粒的粉餅層形成沉積率σ，可以描述粉塵在顆粒層中的堆積過程[17]，沉積率σ隨時(shí)間的變化關(guān)系可用下式表示：

(3)

式中：S為浮動(dòng)床的截面積，m2；u為通過床層的氣體流速，m/s.

在初始過濾進(jìn)行時(shí)，除塵不受粉餅層影響，主要考慮擴(kuò)散(η0)D、重力沉降(η0)G、攔截(η0)DI、慣性(η0)I的作用[18]，電磁顆粒層除塵過程還受到外加磁場(η0)P的影響，因此初始除塵效率應(yīng)是幾種除塵機(jī)理效率的總和，關(guān)系式如下：

η0=(η0)D+(η0)G+(η0)DI+(η0)I+(η0)P.

(4)

粉塵在磁性顆粒表面堆積，可看做是單個(gè)顆粒在捕集半徑Ras范圍內(nèi)對粉塵顆粒的有效捕集，粉塵被捕集的臨界角度為θ0，因此磁性顆粒對粉塵的捕集效率為[19]：

(5)

粉塵不斷沉積，除塵效率隨之提高，粉塵沉積過程對除塵效率的影響可以描述為式(6)，通過初始除塵效率η0與沉積率σ可以得到不同時(shí)刻的除塵效率.向量α反映操作條件變化對過濾過程的影響.

(6)

2 電磁浮動(dòng)床除塵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備選型

電磁浮動(dòng)床實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，空氣經(jīng)流量計(jì)與來自螺旋發(fā)塵器內(nèi)的粉塵進(jìn)行混合，形成含塵氣體，經(jīng)磁性顆粒過濾層后進(jìn)入粉塵采樣器.除塵器主體總高800 mm，直徑Φ300 mm，在筒體的下部設(shè)有三角形開口的布風(fēng)結(jié)構(gòu)，能夠有效均勻氣流.磁場發(fā)生器選用霍姆茲線圈，安裝至筒體外側(cè)，在筒體內(nèi)形成均勻穩(wěn)定的磁場，磁性顆粒受到磁場的作用均勻排布.引風(fēng)機(jī)額定功率1.2 kW，風(fēng)壓20 kPa，粉塵采樣選用濾膜稱重法計(jì)算除塵效率.

圖2 電磁浮動(dòng)床除塵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

測試實(shí)驗(yàn)中，分別選擇球形與非球形磁性顆粒為濾料進(jìn)行除塵試驗(yàn)，顆粒平均直徑(當(dāng)量直徑)為0.25 mm.選用煤灰模擬含塵氣體，粉塵的粒徑分布情況如圖3所示.

圖3 粉塵粒徑分布圖

3 結(jié)果與討論

3.1 除塵效率隨時(shí)間的變化關(guān)系

在未安裝霍姆茲線圈前，磁性顆粒自由排布形成固定床，研究除塵效率隨時(shí)間的變化關(guān)系，此時(shí)磁場強(qiáng)度H=0，床層高度h=50 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

由圖4(a)可知，隨著除塵過程的不斷進(jìn)行，除塵效率呈現(xiàn)出遞增趨勢，當(dāng)時(shí)間等于26 min時(shí)，除塵效率趨于穩(wěn)定，基本不再改變.這是因?yàn)殡S著除塵過程的不斷進(jìn)行，粉塵被截留在床層內(nèi)，逐漸形成粉餅層，床層空隙率減小，除塵效率也隨之提升.當(dāng)粉塵沉積至最大量時(shí)，除塵效率也達(dá)到最大值，不會繼續(xù)升高，此時(shí)除塵器需進(jìn)行清灰處理，避免除塵器超負(fù)荷運(yùn)行.

圖4 除塵效率隨時(shí)間的變化關(guān)系(a)磁場強(qiáng)度H=0；(b)磁場強(qiáng)度H=2.7×10-2 T

在除塵器筒體外加磁場，磁場強(qiáng)度H=2.7×10-2T，磁性顆粒均勻分布，床層高度h=50 mm，此時(shí)除塵效率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示.由圖4(b)可知，當(dāng)時(shí)間t=30 min時(shí)，除塵效率基本不變，此時(shí)除塵效率最高，與圖4(a)相比，外加磁場后的除塵效率略有提升，特別是粉餅層形成前期除塵效率提高較為明顯.這是因?yàn)榇判灶w粒均勻排布，床層間空隙率均勻穩(wěn)定，能夠吸附粉塵的量增大，因此形成粉餅層的過程中需要更長的時(shí)間，同時(shí)在磁場的作用下，粉塵受到吸附、篩分、攔截等作用均增強(qiáng)，這說明磁場的加入能夠使除塵器運(yùn)行時(shí)間增長，縮短清灰周期，減少設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，提升除塵效率.

3.2 除塵效率隨風(fēng)速的變化關(guān)系

磁場強(qiáng)度在2.7×10-2T的條件下，床層高度50 mm，分別以球形顆粒和非球形顆粒為濾料研究除塵效率隨風(fēng)速的變化關(guān)系，如圖5所示.

圖5 除塵效率隨風(fēng)速的變化關(guān)系

由圖5可知，在風(fēng)速相同的條件下，略高于非球形顆粒濾料，除塵效率隨風(fēng)速的變化關(guān)系呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢.隨著風(fēng)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)過濾層的含塵氣體量增大，粉塵受到磁場力的作用，磁性顆粒表面吸附的粉塵量增加，除塵效率呈現(xiàn)出上升的趨勢.隨著風(fēng)速的不斷提升，氣固兩相的接觸時(shí)間減少，磁性顆粒截留粉塵的能力減弱，一部分粉塵被氣流帶走，造成除塵效率急劇降低.當(dāng)風(fēng)速大于11 m/s時(shí)，球形濾料的除塵效率下降更為明顯，因?yàn)榇艌鲎饔孟碌那蛐螢V料均勻排布，與非球形濾料相比，含塵氣體經(jīng)過過濾層通道時(shí)折流較少，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，粉塵受到吸附作用減弱，更容易被氣流帶走.

3.3 床層壓降隨風(fēng)速的變化關(guān)系

在磁場強(qiáng)度2.7×10-2T的條件下，床層高度50 mm，分別以球形顆粒和非球形顆粒為濾料研究床層壓降隨風(fēng)速的變化關(guān)系，如圖6所示.

圖6 床層壓降隨風(fēng)速的變化關(guān)系

由圖6可知，床層壓降隨著風(fēng)速逐漸增大.通過比較看出，以球形顆粒為濾料的床層壓降較低.這是因?yàn)殡S著風(fēng)速增大，通過床層的風(fēng)量增加，氣固兩相之間的摩擦增多，床層阻力增大，床層壓降逐漸升高.非球形顆粒堆積床層空隙率不均勻，含塵氣體通過的路徑路程較長，受到的阻力更大，因此以非球形顆粒為濾料的床層壓降高于球形濾料.

4 結(jié)論

通過分析電磁浮動(dòng)床過濾除塵機(jī)理，并進(jìn)行除塵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試，探究了除塵效率隨時(shí)間的變化關(guān)系，以及風(fēng)速對除塵效率和床層壓降的影響，得到以下結(jié)論：

(1)電磁浮動(dòng)床除塵效率應(yīng)是幾種除塵機(jī)理效率的總和，并可以根據(jù)粉塵沉積率得到不同時(shí)刻的除塵效率.

(2)復(fù)合電磁除塵技術(shù)能夠使除塵器運(yùn)行時(shí)間增長，縮短清灰周期，減少設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，提升除塵效率.

(3)除塵效率隨風(fēng)速的變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，選擇適宜的風(fēng)速能獲得理想的除塵效果，最適宜的運(yùn)行風(fēng)速11 m/s.

(4)通過比較可知，以非球形顆粒為濾料能夠增加含塵氣體通過的路程，獲得較好的除塵效果，當(dāng)風(fēng)速為11 m/s，床層壓降適中.

(5)電磁浮動(dòng)床除塵技術(shù)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)靈活、清灰簡單、能夠連續(xù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，在未來是實(shí)現(xiàn)高效除塵技術(shù)的重要發(fā)展方向.