惰粉流化床协同分离消失模等黏性烟尘的除尘新方法研究

周先达 ，姜 涛 ，吴克杭，杨 鹏

（1.同济大学，上海 201804；2.宁波天秦环保技术有限公司，浙江宁波 315100）

近年来，我国越来越重视废气治理事业，逐年改善雾霾现象，还社会一个蓝天。铸造无疑是一个重污染行业，铸造厂面临巨大的环境治理挑战。脉冲喷吹清灰的干式除尘技术得到了广泛应用，其净化效率高，技术可靠，经济性强，是一种理想的除尘方法，但对于黏性、油性或含湿的烟尘，滤芯容易发生“塌袋”和堵塞等现象，严重情况时除尘器根本不能有效使用。包括消失模和树脂砂等铸造工艺，产生的大量黏性烟尘，原有布袋除尘器短期内因黏附堵塞而失效。本课题“惰粉流化床协同滤芯预涂层的脉冲除尘新方法”正迎合上述难题，采用惰性粉剂（碳酸钙）流化床对上述“难题”烟尘进行混合、吸附、团聚和包覆等调质，使其“惰化”，大幅度降低其黏性、油性、含湿甚至易燃易爆性，并对脉冲滤芯进行预涂层，产生有效惰性隔离，从而实现高效、稳定和安全的干式过滤净化过程。本课题“惰化”过程采用流化床技术，惰性粉剂循环充分使用，饱和后更替；流化床保证了“难题”烟尘的调质“惰化”以及滤芯的预涂层效果，调质和预涂层更加充分，从而保证了惰粉的充分有效利用、除尘的净化效率以及滤芯的脉冲喷吹清灰效率。本课题除尘技术在国内还未见报端。

除尘器新滤芯初次使用前，在进风口添加惰性粉剂进行表面覆盖以延长使用寿命，这在国内外除尘行业里有一定范围的应用。在热电和铸造等领域，滤袋除尘器在初次启动或间断重启时采用消石灰预涂层来保护滤芯。宁波大学杨国华教授带领团队[1]采用布袋协同粉体助剂对黏性微细粒子的过滤及反吹清灰进行了实验研究，探讨了膨胀珍珠岩粉体助剂层厚度、过滤速度以及布袋材质等对柴油机尾气颗粒物过滤效率及压降的影响，同时考察了粉体助剂层对布袋再生效率的影响。德国Karlsruhe大学Eberhard Schmidt[2]等人1990年就以Badenwerk电厂为案研究过结合脉冲清灰、滤料选择、预涂层和惰粉在线添加技术来实现对电抗性并极大粘聚性的微细烟尘的有效脉冲滤芯除尘问题。本课题针对消失模铸造中泡塑气化黏性烟尘进行了试验和部分项目的应用研究。

1 惰粉流化床协同脉冲除尘结构模型和运作机理

一体式流化床置于除尘器灰斗下部灰槽内，代替普通除尘器的粉尘收集箱（桶）。流化床床面上方设有惰性粉剂输入管口和压缩气脉冲吹激装置。流化床灰槽底面为多孔的布风板，布风板下方为流化气流均流腔，均流腔靠底面设有压缩气入口。流化床靠近布风板位置设有真空排灰管口。

模型上部为典型的竖装滤芯脉冲除尘器结构。气溶胶过滤腔侧面设有目标气溶胶进风口，顶面为滤芯安装花板，牢固挂装竖向滤芯。花板上方为整体式排风腔道（净气腔）,正对花板孔道处设有滤芯清灰脉冲喷吹口。

下部灰槽为鼓泡流化床设计，容纳惰性粉剂和气溶胶黏性颗粒及他们的颗粒聚团。根据脉冲除尘器特点，灰槽一般设置为矩形截面，略小于除尘器原气腔体横截面。上部为除尘器过滤腔体，也为流动气溶胶空域（也为一种超稀相气力输送场），也作为下部鼓泡流化床的自由空域，该过滤腔体高度基本在下部鼓泡流化床的沉降高度MHT 范围内[3]。

本课题采用一级惰粉流化床惰化调质，二级在线预涂层高效滤芯过滤的复合除尘方法。经滤芯过滤分离下来的颗粒物包括目标烟尘以及惰性粉剂最终均沉降至流化床，目标烟尘和惰性粉剂在流化床中继续进行调质，流化床床面上方设有压缩气吹激装置，周期性脉冲吹激使得流化床上层气泡破裂扬起，顺着除尘风机的负压抽吸气流对上部滤芯表面进行预涂层。脉冲喷吹滤芯除尘器的清灰脉冲和流化床床面吹激脉冲有机结合。

下部为向上的流化气流，源于调压后的压缩空气，流量较小，仅维持灰槽内颗粒物的鼓泡流态化。上部有垂向进入的气溶胶（或谓超稀相气力输送），此为待过滤分离的目标气流，流量（除尘术语为风量）远大于下部进入的流化气流。顶部为排出气流，该气流和垂向进入气流的动力均源自除尘器下游的抽吸风机。一般状态下，该排出气流流量为流化气流流量和垂向气流流量之和。除上述状态外，在除尘器脉冲喷吹清灰时段，鼓泡流化床床面的压缩气吹激脉冲（顺除尘压降）开启，上部滤芯的反吹清灰脉冲（逆除尘压降）开启，均产生进入气流，但其流量远小于主体抽风流量。前述两脉冲气流发生时，垂向气溶胶抽吸流量短时会略微减小，但不影响主体抽风除尘作用（气溶胶捕集）。

图1 惰粉流化床协同脉冲除尘流程图

2 滤芯惰粉喷涂层和脉冲喷吹清灰

实际上，脉冲喷吹除尘器的有效使用是以确保在一定的过滤阻力下长期运行为前提的。行业应用上，高压脉冲喷吹除尘器的工作阻力一般在1000Pa～1800Pa之间。而根据《HJT328-2006_脉冲喷吹类袋式除尘器标准》，脉冲喷吹除尘器的工作阻力要求小于1500Pa，这是考虑了除尘器能耗和滤芯强度等因素设置的一个标准。如按此标准，除尘器新滤芯开始使用时，阻力不断上升，但必须借助周期脉冲喷吹措施，阻力在1500Pa前达到稳态运行，这样才是一款合格有效的除尘器。

图2 粉体层厚度对过滤效率和压降的影响[1]

图3 滤芯的工作状态和脉冲清灰状态比较

对于黏性气溶胶烟尘的除尘，惰粉流化床对滤芯进行周期性预喷涂，和滤芯的脉冲喷吹清灰有机结合，实现过滤除尘的长期稳态运行，运行时过程可以描述为：在脉冲喷吹时，清灰气流使滤袋内的压力急速上升，滤袋迅速向外膨胀，当袋壁膨胀到极限位置时，很大的张力使其受到强烈的冲击振动，并获得最大反向加速度从而开始向内收缩；但附着在滤袋表面的烟尘层不受张力作用，由于惯性力的作用而从滤袋上脱落。

3 惰粉流化床设计和惰粉选型

气固流化床中颗粒的粒径及颗粒的表观密度与气体密度之差对流化特性有显著影响。根据Geldart颗粒分类法，A类颗粒称为细颗粒或可充气颗粒，一般具有较小的粒径（30～100μm）。A类颗粒的初始鼓泡速度明显高于初始流化速度，并且床层在达到鼓泡点之前有明显膨胀。形成鼓泡床后，乳化相中空隙率明显大于初始流化空隙率，且密相中的气固返混较严重，气泡相和乳化相之间气体交换速度较高。随着颗粒粒径分布变宽或平均粒径降低，气泡尺寸随之减小[3]。

图4 Geldart颗粒分类法

A类颗粒的上述鼓泡流化床属性尤其适合于本案惰粉和目标烟尘的充分混合调质的要求。并且初始鼓泡速度明显高于初始流化速度，如此流化气速选择范围大，有利于鼓泡流化床气速的实际控制。

平均粒径在20μm以下的C类颗粒属黏性颗粒或超细颗粒。此类颗粒由于粒径很小，颗粒间的作用力相对较大，极易导致颗粒的团聚。王长青等对几种粒径的流化特性采用床层塌落技术进行了研究，发现颗粒直径dp≈30μm的流化床有最大乳相空隙率，该均径的颗粒可能是没有表现出显著团聚特性的最小颗粒。考虑惰粉尽量呈散式状态，利于和黏性气溶胶目标烟尘的调质混合吸附。这些都使得选用均径在30～45μm的惰粉最为合适。另外，惰粉颗粒随着对气溶胶黏性颗粒的吸附将增大粒径，成为双质牢固聚团，且聚团平均密度比原惰粉颗粒小，如此以来其流态化属性更趋向A类颗粒。另外，该聚团外表面呈现黏性，其流化床属性可近似参照黏性颗粒鼓泡床进行计算[5]。惰性粉剂选用经济易得、属性稳定的石灰石（碳酸钙）粉剂最为合适，其成份和属性参见表1。

因为黏性颗粒聚团不断发生合并也有少许破碎，不适于直接按一般颗粒的流化床计算。Zhou T.和罗传宝[6]等对处于鼓泡流化床中聚团所受的曳力、碰撞力、黏性力、重力和浮力有比较综合的分析，并依据受力平衡原理构建了可以确定聚团粒径da的模型，且设计了大量试验对所提模型的准确性进行了验证。本研究采用该模型，其表达式为：

式中，Ha为Hamaker常数，单位为J；Ug为运行时的表观气速，单位为m/s；δ为两颗粒聚团间的距离，单位为m；k为杨氏模量与泊松比的函数，对于黏性颗粒聚团流化床，其值可取3×10-6Pa-1；g 为重力加速度，单位为 m/s2；εg为局部平均孔隙率。经局部结构参数模型的迭代求解，借助于CFD软件，由下图结果得知，聚团粒径的分布范围为100～170μm，且随床层高度增大聚团粒径变小，显示出惰粉饱和分层的特性，这有利于惰粉的充分调质使用。

表1 石灰石粉剂属性表

图5 颗粒聚团粒径随床层高度和乳相孔隙率的变化

4 惰性粉剂耗用量计算

目标气溶胶风量为Qj（m3/s），烟尘质量浓度为Cj（kg/m3），平均粒径为dp（m），烟尘黏性物动力黏度为μj（Pa·s），密度为ρj（kg/m3）；碳酸钙惰粉颗粒均径di（m），除尘器设计过滤后排放浓度为Cr（kg/m3）。考虑该除尘器为高效滤芯，因惰粉粒径较大，滤芯穿透量极小，予以忽略；穿透滤芯的目标烟尘（排放浓度烟尘）一般未和惰粉黏附团聚，故在计算所需惰粉用量时不予计入。

惰粉添耗用量近似计算函数为：

式中，Mi为惰性粉剂使用量，单位为kg/s；kb为滤芯种类和脉冲喷吹清灰效率影响因子，取1.0～1.5；kf为流化床和自由空域调质效率影响因子，取1.0～1.6；C为常数，按烟尘分类实验取得,如对于甘油类黏性烟尘其值可取为8.6×10-4s1.5/m；v为滤芯过滤速度，单位为m/s；da聚团颗粒均径，单位为m。

上述近似函数适用于目标气溶胶常温常压工况，气溶胶温度范围为0～75℃，除尘器原气腔（也即流化床自由空域）相对负压为0～5000Pa。经多次实验验证，并和有关惰性粉剂预喷涂报导对比，该函数可做近似计算所用。

5 结束语

在惰性粉剂协同滤芯预喷涂的脉冲除尘新方法上，当前一项关键的研究是如何对不同的“难题”烟尘配置合适剂量的惰性粉剂保证脉冲清灰对滤芯的有效再生[7]。鼓泡流化床的分层和调质技术满足了惰粉的循环利用要求，是目前难得的一种形式。惰性粉剂除采用石灰石粉末外，还可研究采用消石灰和粘土粉末等，来源广泛，价格低廉。综上所述，本除尘新方法在包括铸造行业等黏性粉尘除尘应用上有很好的市场前景。

本文仅探讨了惰粉流化床协同脉冲除尘的基本工艺配置、特性以及一些计算。针对不同种类的黏性、油性、含湿和易燃易爆气溶胶的物化属性分析，配置相应的惰性粉剂以及选择相应的除尘器滤芯形式和滤材材质上，需要更多的进一步的研究和实验认证。