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细微尘粒的预团聚对旋风分离器高温除尘性能影响的实验研究

  在目前高温除尘设备没有过关的状况下,如何提高旋风分离器的高温除尘效率显得非常重要。
  旋风分离器的常温分离性能在理论和设计方面已趋于成熟,并已广泛应用于工业气固分离过程。但是在高温状态下旋风分离器的除尘性能却仅停留在常温的理论和经验上,尚没有研究如何提高旋风分离器高温除尘性能。我们通过理论分析和实验手段研究细微尘粒团聚对旋风分离器高温除尘性能的促进作用,旨在寻求提高旋风分离器高温除尘效率的途径。
1 气溶胶内颗粒的团聚
  由于流体对颗粒的作用和颗粒间相互作用,以及外力场的作用,使颗粒相互碰撞而粘结在一起,形成团聚。对于dp<1μm微粒的碰撞,以分子扩散及外力场为主;对于dp>1μm颗粒的碰撞,以湍流扩散及外力场为主。团聚现象有:热团聚、湍流团聚、梯度团聚、声团聚和重力团聚等。
  经过计算得知,一般小于1μm的微粒,热团降占主导地位;颗粒较大时,梯度团聚会突出;颗粒再大时,湍流团聚就占优。
  在高温状态下(500~800℃),细微颗粒的热团聚作用显然更突出,加之在旋风分离器内存在着明显的梯度团聚和湍流团聚,而细微颗粒的团聚,势必形成质量较大的颗粒微团,当微团质量大于临界分离颗粒质量时,就会被旋风分离器分离。显然,从理论上看,团聚有助于旋风分离除尘效率的提高。
  根据常温旋风分离器运行实践表明,对于大于20μm以上的粒子有很高效率(99.9%)。为了研究高温状态下旋风分离器对细微粒子的分离效率,本试验选用的飞灰样粒度范围约在0~100μm,足以代表细粒子在高温旋风分离过程中的主要性能。
  分离器入口温度用镍铬-镍硅热电偶测量。除尘器的入口和出口分别装有静压测点,以便测量分离器的压降。被分离器收集下来的粉尘落入封闭的收集筒中。离开分离器的气体经过一个水冷却器可将气温冷却到150℃左右。在出口管路中,有2个高密度的纤维过滤器与主回路旁通,用于收集分离器出口的细微粉尘。
  根据实验,旋风分离器出口的尘粒采用两级取样进行收集,第一级是用高效率的旋风子取得较粗的尘粒并降低含尘负荷;第二级用高密度的聚酯纤维布过滤筒收取细尘粒,该过滤筒足可以收集0.1μm以上的尘粒。取样过程如下:
  ①打开旁路阀门,关闭收集系统阀门,调整加热器的温度和系统的流量;
  ②当温度和流量稳定时,关闭旁路系统,打开收集系统阀门;
  ③打开给料机,给系统送粉;
  ④在一定时间里(约30min)测量系统温度、流量和分离器压降;
  ⑤关闭给料机,打开旁路系统,关闭收集系统阀门;
  ⑥将小旋风子和过滤筒中的细尘样混合,连同旋风分离器下收尘筒中的粗尘样一起称重,并分析它们的粒度分布和频率分布。
  由于给料速率事先进行了精确的标定,所以,只要计取取样时间和总的给料时间,就可以计算出入口的给粉量。根据上述的取样和粒度分析过程,即可得到旋风除尘器的总效率和分级分离效率。
  从前文的理论分析可知,温度、含尘浓度和径是影响颗粒团聚的几个主要因素,而尘粒的团聚使细微尘粒的除尘效率有很大的提高,下面通过几个高温细微尘粒的除尘试验,研究这一问题。
2 细微尘粒的高温旋风除尘效率实验
  实验选择的温度参数是:20℃、500℃、800℃、900℃,含尘浓度控制在50g/m3,旋风分离器的入口速度为20m/s。在一定的入口粒径分布条件下,着重测量0.1~10μm尘粒的分级分离效率,以便研究细微尘粒的团聚对旋风分离器性能的影响。
  首先进行细微尘粒在常温和高温状态下的分级分离效率试验。如图2所示,在1~10μm的粒径范围内,温度从20℃增加到500℃和800℃时,
分级分离效率减小。对于更细的尘粒,却发现了一个有趣的现象,即当尘粒粒径小于0.5~0.7μm时,细微尘粒的分级分离效率反而提高,曲线呈“鱼钩状”,而且高温下分级分离效率的提高更明显。究其原因,是在旋风分离过程中,由于细微尘粒的碰撞、摩擦以及静电力等作用,会发生细微尘粒团聚,形成较大的尘粒,使得分级分离效率提高。而且随着温度的升高热团聚增加,细微尘粒的效率提高更明显。
3 团聚对提高细尘粒除尘效率的促进作用由上面的实验,得到了一个新的启示:在800~1000℃的高温状态下,尘粒的团聚作用增强,能否通过尘粒的预团聚提高旋风分离器的高温除尘效率,尤其是提高细微尘粒的分级分离效率。若能如此,则给高温旋风分离效率的提高带来一种新
的概念。
  为此,进行了一个900℃下带预团聚的旋风分离试验。即在旋风除尘器之前,加入1个高温旋风筒,如图5所示。旋风筒中采用简单的导向叶片,使得高温含尘气流适当旋转以促进尘粒的团聚和粘结,然后再进入旋风分离器中分离。为了能准确反映团聚的作用,试验反复进行了4次。试验结果描绘在图4中。
  带预团聚的分级分离效率在高温状态下比不带预团聚的分级分离效率高,而且也接近或超过了常温下的分级分离效率。分级分离效率曲线仍然表现出细微尘粒效率升高的现象。上述试验结果证实了预团聚对于高温旋风分离效率的促进作用,与800℃下的分离效率相比,将切割粒径dc50由3.7μm减小到2.3μm,把5μm细尘粒的分级分离效率由60%提高到78%。这为高温状态下提高细尘粒的分级分离效率提供了一种新的方法。
  尽管,前人就颗粒碰撞及团聚做过一些理论研究,但尚不能完全描述高温下预团聚及团聚对旋风分离效率的影响。所以,有关高温预团聚对旋风分离的影响还有待于进一步的研究开发。
4 结论
  由于细微尘粒的团聚和粘附,使得0~1μm粒径范围的尘粒分级分离效率反而回升。当温度升高时,这一现象更明显。由此得到一个新的启示,即在高温下(800~1000℃)利用预团聚,可以提高旋风分离对细尘粒的除尘效率。本文通过实验验证了这一规律,并实践了预团聚高温旋风除尘过程。高温预团聚对旋风分离影响的理论尚需进一步研究。

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