電磁浮動床除塵過程機理分析與實驗研究*

孫雪姣，呂舒駿，鄭杰，李紅喜

(內蒙古科技大學 化學與化工學院，內蒙古 包頭 014010)

隨著工業化的發展，化石能源消耗加劇，各類廢棄物大量排放，其中工業煙塵的排放成為影響空氣質量的主要原因之一，如何降低工業煙塵中污染物的排放濃度是目前研究的重點.除塵技術能有效降低工業廢氣排放濃度，在工業生產中得到廣泛應用.目前主要的除塵技術包括旋風除塵，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，難以應用到高溫領域[8]；靜電除塵容易出現電暈現象，對粉塵的比電阻要求較為嚴格，設備一次性投資高，而顆粒層除塵器因具有環境適應強、效率高、濾料選擇廣的優點，被認為是最具有前途的除塵技術[9-12].國內學者對影響顆粒層除塵效率的因素進行了廣泛的實驗研究和理論分析，早在1989年，TIEN C[13]建立了固定床除塵模型，預測除塵過程中的效率與床層壓降.在此基礎上，2002年吳晉滬等[14]建立了顆粒移動床過濾數學模型，深入分析了移動床的除塵過程，為移動床除塵機理研究奠定了基礎.2009年，付海明等[15]對非穩態顆粒層過濾進行理論計算，通過多元回歸法得出與除塵效率相關參數的計算公式與實驗結果相吻合.2013年，黃三等[16]首次提出將石英砂粉體與海沙顆粒結合，形成新型粉體顆粒床，引入雙層濾料共同流化的思想，經實驗驗證對煙塵粒子的過濾效率顯著提升.

近年來，排放標準日趨嚴格，單一除塵技術無法滿足高精度的要求，因此多種除塵技術相復合，結合不同除塵技術的優點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與電磁除塵相結合，提出一種新型電磁浮動床除塵器.電磁浮動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點.電磁浮動床除塵技術利用磁場加強氣固兩相傳質作用，使過濾顆粒呈鏈狀排布，減少床層壓降，提高除塵效率，在過濾實驗的基礎上，依據固定床顆粒層宏觀模型，對復合除塵器建立數學模型，進行理論計算，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、擴散、重力沉降等機理對除塵效率的影響.

1 電磁浮動床除塵機理分析

電磁浮動床除塵機理與固定床除塵機理是基本相同的，電磁浮動床除塵也是一個非穩態過程，相當于在固定床的外加磁場，磁場的吸附作用增強了氣固兩相流的傳質作用，因此綜合考慮，可以將固定床除塵機理與磁場吸附作用機理相結合，可以獲得電磁浮動床除塵過程的過濾模型，其濾機理如圖1所示.

圖1 電磁浮動床除塵過濾機理

在粉塵顆粒通過顆粒過濾介質，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進為進口粉塵濃度，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非穩態過程，除塵效率隨著時間不斷變化，在過濾過程中，每個顆粒都可以看做是一個捕集體，如果認為理想情況下每個捕集體的形狀大小完全一樣，其除塵效率記為η，則單個普集體的除塵效率η與總除塵效率E滿足TIEN C提出的經典除塵效率關系如式(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隨時間的變化關系可用下式表示：

(3)

式中：S為浮動床的截面積，m2；u為通過床層的氣體流速，m/s.

在初始過濾進行時，除塵不受粉餅層影響，主要考慮擴散(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是幾種除塵機理效率的總和，關系式如下：

η0=(η0)D+(η0)G+(η0)DI+(η0)I+(η0)P.

(4)

粉塵在磁性顆粒表面堆積，可看做是單個顆粒在捕集半徑Ras范圍內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 電磁浮動床除塵系統實驗研究

2.1 實驗系統與設備選型

電磁浮動床實驗裝置如圖2所示，空氣經流量計與來自螺旋發塵器內的粉塵進行混合，形成含塵氣體，經磁性顆粒過濾層后進入粉塵采樣器.除塵器主體總高800 mm，直徑Φ300 mm，在筒體的下部設有三角形開口的布風結構，能夠有效均勻氣流.磁場發生器選用霍姆茲線圈，安裝至筒體外側，在筒體內形成均勻穩定的磁場，磁性顆粒受到磁場的作用均勻排布.引風機額定功率1.2 kW，風壓20 kPa，粉塵采樣選用濾膜稱重法計算除塵效率.

圖2 電磁浮動床除塵實驗系統

2.2 實驗材料

測試實驗中，分別選擇球形與非球形磁性顆粒為濾料進行除塵試驗，顆粒平均直徑(當量直徑)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 結果與討論

3.1 除塵效率隨時間的變化關系

在未安裝霍姆茲線圈前，磁性顆粒自由排布形成固定床，研究除塵效率隨時間的變化關系，此時磁場強度H=0，床層高度h=50 mm，實驗結果如圖4所示.

由圖4(a)可知，隨著除塵過程的不斷進行，除塵效率呈現出遞增趨勢，當時間等于26 min時，除塵效率趨于穩定，基本不再改變.這是因為隨著除塵過程的不斷進行，粉塵被截留在床層內，逐漸形成粉餅層，床層空隙率減小，除塵效率也隨之提升.當粉塵沉積至最大量時，除塵效率也達到最大值，不會繼續升高，此時除塵器需進行清灰處理，避免除塵器超負荷運行.

圖4 除塵效率隨時間的變化關系(a)磁場強度H=0；(b)磁場強度H=2.7×10-2 T

在除塵器筒體外加磁場，磁場強度H=2.7×10-2T，磁性顆粒均勻分布，床層高度h=50 mm，此時除塵效率隨時間的變化關系如圖5所示.由圖4(b)可知，當時間t=30 min時，除塵效率基本不變，此時除塵效率最高，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.這是因為磁性顆粒均勻排布，床層間空隙率均勻穩定，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間，同時在磁場的作用下，粉塵受到吸附、篩分、攔截等作用均增強，這說明磁場的加入能夠使除塵器運行時間增長，縮短清灰周期，減少設備運行費用，提升除塵效率.

3.2 除塵效率隨風速的變化關系

磁場強度在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速的變化關系，如圖5所示.

圖5 除塵效率隨風速的變化關系

由圖5可知，在風速相同的條件下，略高于非球形顆粒濾料，除塵效率隨風速的變化關系呈現出先上升后下降的趨勢.隨著風速的增加，單位時間內流經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，除塵效率呈現出上升的趨勢.隨著風速的不斷提升，氣固兩相的接觸時間減少，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.當風速大于11 m/s時，球形濾料的除塵效率下降更為明顯，因為磁場作用下的球形濾料均勻排布，與非球形濾料相比，含塵氣體經過過濾層通道時折流較少，當風速增大時，粉塵受到吸附作用減弱，更容易被氣流帶走.

3.3 床層壓降隨風速的變化關系

在磁場強度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速的變化關系，如圖6所示.

圖6 床層壓降隨風速的變化關系

由圖6可知，床層壓降隨著風速逐漸增大.通過比較看出，以球形顆粒為濾料的床層壓降較低.這是因為隨著風速增大，通過床層的風量增加，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 結論

通過分析電磁浮動床過濾除塵機理，并進行除塵系統實驗測試，探究了除塵效率隨時間的變化關系，以及風速對除塵效率和床層壓降的影響，得到以下結論：

(1)電磁浮動床除塵效率應是幾種除塵機理效率的總和，并可以根據粉塵沉積率得到不同時刻的除塵效率.

(2)復合電磁除塵技術能夠使除塵器運行時間增長，縮短清灰周期，減少設備運行費用，提升除塵效率.

(3)除塵效率隨風速的變化呈現出先上升后下降的趨勢，選擇適宜的風速能獲得理想的除塵效果，最適宜的運行風速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，當風速為11 m/s，床層壓降適中.

(5)電磁浮動床除塵技術具有設備結構靈活、清灰簡單、能夠連續運行等優點，在未來是實現高效除塵技術的重要發展方向.