陶瓷芯過(guò)濾器過(guò)濾性能的研究

　前　言
　　潔凈煤技術(shù)的關(guān)鍵是要將煤(煙道)氣在高溫下直接實(shí)現(xiàn)氣固凈化分離,這樣既可以充分利用高溫煤(煙道)氣的顯熱和潛熱來(lái)提高發(fā)電熱效率,降低成本,又能滿(mǎn)足環(huán)保要求。要除去高溫煤(煙道)氣中的塵粒,必須要求所選過(guò)濾材料能承受高溫(500℃~900℃)、高壓(1. 0 MPa~3. 0 MPa)以及脈沖反吹時(shí)因溫度差突變而引起的熱應(yīng)力變化。由于陶瓷過(guò)濾器具有耐高溫、壓降小、重量輕、有彈性、無(wú)需支撐等諸多優(yōu)點(diǎn),因而在整體煤氣化及加壓流化床技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。
　　Cuenca[3]對(duì)陶瓷過(guò)濾動(dòng)力學(xué)、過(guò)濾灰餅特性、過(guò)濾元件的壽命等進(jìn)行了總結(jié)和概括,但并未過(guò)多涉及陶瓷過(guò)濾微觀機(jī)理研究。Chikao等人[4]研究了陶瓷過(guò)濾器滲透率對(duì)于案件表面灰脫除的影響。Lippert利用概率方法,對(duì)陶瓷過(guò)濾器模型進(jìn)行了理論分析,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Hiroshi[5]對(duì)飛灰在陶瓷過(guò)濾元件表面的沉積狀況進(jìn)行了觀察,測(cè)試了不同氣流速度下再生灰餅的壓降特點(diǎn),并給出了壓降預(yù)測(cè)公式。

　　本研究對(duì)陶瓷過(guò)濾元件的過(guò)濾特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析后,詳細(xì)分析過(guò)濾器截面形狀及陶瓷顆粒尺寸對(duì)陶瓷過(guò)濾元件過(guò)濾效率的影響。

　1、濾機(jī)理分析
　　陶瓷過(guò)濾元件在過(guò)濾細(xì)微粉塵顆粒時(shí),含塵氣體從陶瓷過(guò)濾元件的外表面徑向流向內(nèi)表面,固體顆粒經(jīng)過(guò)表面過(guò)濾,在過(guò)濾元件外表面形成灰餅,凈化后的潔凈氣體從過(guò)濾元件內(nèi)部流出。其過(guò)濾器結(jié)構(gòu),如圖1所示。氣體在過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)和灰餅內(nèi)的流動(dòng)屬于多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)。正向過(guò)濾時(shí),氣流在多孔介質(zhì)內(nèi)的流速較低,故流動(dòng)遵守經(jīng)典的達(dá)西定律,即:

　　從式(5)可以看出,當(dāng)過(guò)濾元件在工作時(shí),其表面會(huì)有部分的殘留粉塵進(jìn)入或者粘附在過(guò)濾介質(zhì)上,從而造成過(guò)濾元件滲透率的降低。而粉塵層產(chǎn)生的附加壓降會(huì)隨時(shí)間不斷增加,最終使得過(guò)濾介質(zhì)的基本壓降保持增加。 

　2、過(guò)濾性能分析
　　2. 1　截面形狀影響
　　陶瓷過(guò)濾器的通道比較細(xì)長(zhǎng),氣流沿徑向流入過(guò)濾元件的內(nèi)部通道,通常其流速為2 cm/s~10 cm/s,而軸向速度從零逐漸增大。Ahluwalia[6]基于水動(dòng)力學(xué)理論,依據(jù)多孔介質(zhì)內(nèi)的總壓降、動(dòng)力學(xué)水頭損失、沿程摩擦損失之間的關(guān)系,推導(dǎo)了方形通道過(guò)濾元件寬度與長(zhǎng)度應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)準(zhǔn)測(cè)?？紤]到目前陶瓷過(guò)濾器主要有矩形與錐形兩種,其模型,如圖2所示。在計(jì)算時(shí)可以將流經(jīng)陶瓷過(guò)濾元件的過(guò)濾流動(dòng)簡(jiǎn)化成一維定常流動(dòng)。將過(guò)濾器沿軸向n等分,其控制方程為:

　　為了比較柱形與錐形陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾性能,選擇如下參數(shù)對(duì)其進(jìn)行比較分析,過(guò)濾器壁厚為5 mm,空隙率為0. 5,滲透率為1e-11 m2,濾管長(zhǎng)度為1. 0 m,柱形陶瓷管直徑為20 mm,錐形陶瓷館封閉端為10mm,開(kāi)口端為20 mm。

　　過(guò)濾器表面的速度分布及內(nèi)部的壓強(qiáng)分布,如圖3、圖4所示。從圖中可以看出,錐狀過(guò)濾元件表面速度較柱形而言分布更為均勻些。如果過(guò)濾元件表面速度和壓降的分布不均勻,將會(huì)造成不均勻清灰,致使濾管外厚度分布不均勻,容易造成濾管之間的架橋,從而損壞濾管。從這個(gè)角度考慮,錐形陶瓷過(guò)濾器可以延長(zhǎng)濾管的使用壽命;同時(shí)從加工工藝考慮,錐狀陶瓷過(guò)濾元件的加工工藝簡(jiǎn)單,成型時(shí)容易脫模,可在高溫含塵氣體凈化領(lǐng)域及其它環(huán)保領(lǐng)域內(nèi)獲得應(yīng)用;另外一點(diǎn)就是錐狀過(guò)濾器元件的內(nèi)徑是變化的,可獲得較小的阻力損失,流動(dòng)特性會(huì)得到改善。采用錐狀過(guò)濾器,在各截面速度分布能夠明顯得到改善。

　　2. 2陶瓷顆粒尺寸影響
　　陶瓷過(guò)濾器的核心部分是以多孔陶瓷制成陶瓷過(guò)濾元件,它以剛玉砂、石英砂、礬土等高耐火性原料為骨料,配合以結(jié)合劑、改性劑等,經(jīng)過(guò)1 000℃以上高溫?zé)Y(jié)而成。應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)捕集理論,過(guò)濾介質(zhì)中的無(wú)數(shù)個(gè)球形陶瓷顆?？闯墒?ldquo;球形靶”。過(guò)濾氣體流過(guò)陶瓷過(guò)濾介質(zhì)可以看成是流過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)“球形靶”的流動(dòng)。其過(guò)濾機(jī)理主要為慣性碰撞及攔截兩種形式?？紤]單個(gè)陶瓷顆粒,其慣性碰撞效率及攔截效率分別可表示為:

　　效率與陶瓷顆粒直徑Dc之間的關(guān)系,如圖5所示。由圖5可以看出,在陶瓷過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾機(jī)制中,各種定義的過(guò)濾效率都隨陶瓷顆粒直徑Dc的增大而明顯減小,隨陶瓷顆粒直徑Dc的變化,攔截效率大于慣性碰撞效率的影響。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于含塵氣體中的小粒子(小于5μm)的過(guò)濾,在相同的陶瓷顆粒直徑下,攔截機(jī)制的作用要明顯大于慣性碰撞機(jī)制的作用。

　　3　結(jié)束語(yǔ)
　　本研究在對(duì)陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)理論及空氣動(dòng)力學(xué)捕獲理論,并采用離散化的方法對(duì)陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾性能進(jìn)行了數(shù)值研究。研究結(jié)果表明,采用錐形的陶瓷過(guò)濾器可以獲得更好的過(guò)濾效果,能夠有效地降低過(guò)濾器內(nèi)壓降及過(guò)濾器的成本,而對(duì)陶瓷顆粒的分析結(jié)果表明過(guò)濾中攔截效應(yīng)是主要的過(guò)濾形式。