陶瓷芯過濾器過濾性能的研究

　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)氣的顯熱和潛熱來提高發(fā)電熱效率,降低成本,又能滿足環(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)以及脈沖反吹時因溫度差突變而引起的熱應(yīng)力變化。由于陶瓷過濾器具有耐高溫、壓降小、重量輕、有彈性、無需支撐等諸多優(yōu)點,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]對陶瓷過濾動力學(xué)、過濾灰餅特性、過濾元件的壽命等進行了總結(jié)和概括,但并未過多涉及陶瓷過濾微觀機理研究。Chikao等人[4]研究了陶瓷過濾器滲透率對于案件表面灰脫除的影響。Lippert利用概率方法,對陶瓷過濾器模型進行了理論分析,并進行了實驗驗證。Hiroshi[5]對飛灰在陶瓷過濾元件表面的沉積狀況進行了觀察,測試了不同氣流速度下再生灰餅的壓降特點,并給出了壓降預(yù)測公式。

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

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

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

　2、過濾性能分析
　　2. 1　截面形狀影響
　　陶瓷過濾器的通道比較細長,氣流沿徑向流入過濾元件的內(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]基于水動力學(xué)理論,依據(jù)多孔介質(zhì)內(nèi)的總壓降、動力學(xué)水頭損失、沿程摩擦損失之間的關(guān)系,推導(dǎo)了方形通道過濾元件寬度與長度應(yīng)遵循的設(shè)計準測?？紤]到目前陶瓷過濾器主要有矩形與錐形兩種,其模型,如圖2所示。在計算時可以將流經(jīng)陶瓷過濾元件的過濾流動簡化成一維定常流動。將過濾器沿軸向n等分,其控制方程為:

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

　　過濾器表面的速度分布及內(nèi)部的壓強分布,如圖3、圖4所示。從圖中可以看出,錐狀過濾元件表面速度較柱形而言分布更為均勻些。如果過濾元件表面速度和壓降的分布不均勻,將會造成不均勻清灰,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。從這個角度考慮,錐形陶瓷過濾器可以延長濾管的使用壽命;同時從加工工藝考慮,錐狀陶瓷過濾元件的加工工藝簡單,成型時容易脫模,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;另外一點就是錐狀過濾器元件的內(nèi)徑是變化的,可獲得較小的阻力損失,流動特性會得到改善。采用錐狀過濾器,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
　　陶瓷過濾器的核心部分是以多孔陶瓷制成陶瓷過濾元件,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1 000℃以上高溫?zé)Y(jié)而成。應(yīng)用空氣動力學(xué)捕集理論,過濾介質(zhì)中的無數(shù)個球形陶瓷顆?？闯墒?ldquo;球形靶”。過濾氣體流過陶瓷過濾介質(zhì)可以看成是流過無數(shù)個“球形靶”的流動。其過濾機理主要為慣性碰撞及攔截兩種形式?？紤]單個陶瓷顆粒,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,在陶瓷過濾介質(zhì)的過濾機制中,各種定義的過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。一般來說,對于含塵氣體中的小粒子(小于5μm)的過濾,在相同的陶瓷顆粒直徑下,攔截機制的作用要明顯大于慣性碰撞機制的作用。

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