雙層濾料顆粒床布風板及其壓降分析

文_閆雪松 楊國華 張立東 寧波大學海運學院

工業生產過程中產生的高溫含塵煙氣，是造成下游設備侵蝕、結垢、堵塞的主要原因，如在水泥和玻璃爐窯中，含塵煙氣會造成SCR脫硝技術中催化劑的中毒和磨損，傳統對氣體先降溫再除塵的除塵方式也會造成熱量的大量損失，降低了工藝過程中余熱利用系統的工作效率，所以，發展高溫除塵技術勢在必行。國際上廣泛認可采用低成本的耐高溫、耐腐蝕顆粒充當過濾介質的顆粒床是最有前景的高溫除塵技術之一，寧波大學開創了雙層濾料顆粒床高溫除塵新方法，采用了上粗下細、上輕下重的兩種濾料，解決了微細粉塵過濾效率不好的問題，實現了梯級過濾，獲得了高過濾效率、低壓降的優異性能。

雙層濾料顆粒床的工程應用中，只采用厚穩流層的布風方式經常會出現流化死床現象，厚穩流層對氣流均布的調控能力有限，反吹氣速過大時，穩流層容易穿孔，導致漏料和布風不均，布風板作為氣固流化床均布氣流的重要組成構件，在改善床內流化質量上發揮了關鍵作用。布風板的開孔率、開孔孔徑和開孔形狀往往是設計過程中需要考慮的重要參數，因此研究過程中圍繞這三個參數進行了討論，為新型布風裝置布風板的選擇提供參考依據。

1 試驗系統

圖1為布風板裝置的測試試驗系統，主要試驗裝置包括羅茨風機、玻璃轉子流量計、雙層濾料顆粒床床體、布袋除塵器以及相關數據采集器。整個系統由羅茨風機提供反吹氣流，使雙層濾料顆粒床達到流化狀態，由轉子流量計顯示反吹氣流的大小，通過DLK301壓差變送器連接Agilent34970A數據采集儀，獲取試驗過程中的壓力信號。

圖1 布風板裝置測試試驗系統

試驗過程中，參考以往的設計經驗，選取的布風板開孔率為低開孔率布風板，孔徑范圍為2～4.5mm。第一排布風板孔徑2mm，開孔率依次為0.76%、1.48%、2.44%和3.64%。第二排開孔率2.44%，孔徑依次為2、2.5、3.5和4.5mm。第三排為柵條形布風板，縫寬1mm，開孔率依次為1.48%、2.44%和3.64%。

2 試驗結果與分析

2.1 布風板開孔形狀對壓降的影響

試驗選取開孔率均為2.44%，而孔徑為2mm的圓孔形布風板和縫寬1mm的柵條形布風板。圖2所示，在反吹氣速的增加的過程中，布風板造成的壓降值逐漸增大，且開孔率越小，壓降上升趨勢越快。實際上，氣流穿過布風板的小孔時會形成多股射流，此時氣體主流同周圍氣流存在速度不等的間斷面，間斷面失穩后產生渦旋，并同周圍氣流發生碰撞摩擦，氣流產生阻力損失，還可以看出，各開孔率下柵條形布風板和圓孔形布風板的壓降值隨反吹氣速的增加趨勢相互接近，這表明相同開孔率下的布風板，開孔形狀對壓降特性的影響較小，考慮制造成本時，可用更廉價的柵條形布風板取代圓孔形布風板。

圖2 開孔形狀對布風板阻降特性的影響

2.2 布風板開孔率對壓降的影響

選取開孔孔徑均為2mm，開孔率依次為0.76%、1.48%、2.44%和3.64%的四塊圓孔形布風板，試驗結果如圖3，隨著開孔率的增加，布風板壓降出現下降現象。開孔率從0.76%到3.64%的變化過程中，布風板壓降先是急劇下降，當開孔率大于1.48%后，下降趨勢變緩。可能是因為在相同的反吹氣速下，氣流經過布風板上的小孔時，形成復雜的回流區。當布風板開孔率較小時，主流區和各個回流區中的流體質點發生碰撞摩擦的幾率更大且更劇烈，這導致更多的流體微團脫離并重新附著于主流，從而使得能量消耗更容易，氣流通過時布風板表現出更大的壓降值。而當開孔率增大到一定值時，這種碰撞導致的能量損失被削弱，布風板的壓降下降趨勢減緩。

圖3 開孔率對布風板阻降特性的影響

2.3 布風板孔徑對壓降的影響

選取開孔率均為2.44%，開孔孔徑依次為2、2.5、3.5、4.5mm的四塊圓孔形布風板進行試驗，結果如圖4，在孔徑增加的過程中，布風板壓降值隨之上升。當反吹氣速為0.55m/s時，布風板壓降由孔徑為2mm時的651.84Pa增加至孔徑為4.5mm時的999.15Pa，可見孔徑對壓降性能存在一定影響。孔徑從2mm增至2.5mm時，壓降上升迅速，從2.5mm增至3.5mm時，趨于緩慢，而從3.5mm增至4.5mm時，又開始迅速上升。這主要是因為氣流通過布風板的阻力損失值由單孔的阻力損失和孔數決定，孔徑大時，孔數越少，單孔阻力損失越大。

圖4 開孔孔徑對布風板阻降特性的影響

3 結語

本文對雙層濾料顆粒床流化時，布風板的壓降特性進行了試驗研究，結果表明相同開孔率下，柵條形布風板和圓孔形布風板具有相近的壓降特性。對于圓孔形布風板，相同孔徑下壓降隨著開孔率增加而減小，相同開孔率下壓降隨著孔徑的增加而增大。在布風板開孔率、孔徑和開孔形狀三個因素中，開孔率對壓降特性的影響最大，其次為孔徑，開孔形狀對壓降特性的影響較小。