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    技術交流  

    常用除塵濾料過濾性能檢測及應用的探討
    發布者:admin  發布時間:2010-9-18 22:07:18  點擊:3365

    杜柳柳  沈恒根 

    (東華大學環境科學與工程學院)

     

      為了明確袋式除塵器清灰時間,合理選用濾料,對常用除塵濾料的過濾性能進行測試,得到過濾效率在不同粉塵負荷條件下與過濾速度的關系,并采用回歸分析法對所得數據進行處理,得到濾料兩側過濾阻力隨過濾時間、粉塵層厚度變化的二次曲線關系,結合工程應用中清灰壓力設定值及相關影響因素即可明確清灰時間。

    關鍵詞  濾料  粉塵層  時間  過濾阻力  效率

     

    1  引言

    目前袋式除塵器常用濾料的檢測參數主要包括濾料的透氣性、清潔狀態下總效率及阻力,這些參數仍無法滿足對工程運行指導的要求。近年來,袋式除塵器較突出的矛盾是清灰,該技術決定了濾料性能的周期性變化。從過濾性能上來看,對一定濃度入口含塵氣量,粉塵厚度越大效率越高,其薄弱環節在于清灰之后,尤其對于分級效率存在最不利工況,濾料性能差異較大。本文利用測試濾料所得的壓力損失、過濾效率、粉塵層的形成時間及厚度等參數,找出其內在變化規律用于指導工程應用。

    2  研究對象及方法

    2.1  實驗儀器及方法

        濾料性能測試裝置[1]如圖1,可進行潔凈及發塵狀態下的濾料過濾性能測試。環境空氣由測試管道入口進入管道,經過被測濾料,流量計,由吸氣泵抽吸排除。

                                    

    1-發塵器;23Grimm便攜式塵粒監測儀[2]4—被測濾料;5—數字式微壓計;

    6-轉子流量計;7-無油真空泵

    1  濾料發塵阻力測試裝置

    2.2  測試參數

    2.2.1過濾速度

        過濾風速ν是指過濾材料面積上通過氣流的速度,m/s。但是常用的濾袋的過濾速度一般用m/min計算。

                                                                           (1)

    式中:Q—經過測試過濾器的風量,m3/hf —過濾器的有效過濾面積,m2

    2.2.2分級過濾效率ηi

        分級過濾效率ηi是指過濾器從空氣流中除去的某個粒徑的顆粒個數,除以進入此過濾器的該粒徑的顆粒總數,所得商即為捕集效率,通過聯立粒度分布,進而求出過濾材料分級效率。

                                                                    (2)

    式中: ηi—PM x的分級計數效率(%);N1i上風側某粒徑段計數濃度的平均值(/L)N2i下風側某粒徑段計數濃度的平均值(/L)

    2.2.3過濾阻力

    過濾阻力是指被測濾料前后的全壓差,假設測試管道氣流流速均勻,且無漏氣,由于過濾速度較低,動壓較小,可將過濾阻力近似看作濾料前后的靜壓差。

    2.2.4粉塵層厚度

    測試發塵采用1500目滑石粉,真密度為2.75g/ml。測量粉塵質量儀器為德國賽多利斯生產的BS224型電子天平,可直接讀出 0.0001220g以內的重量。

        使用濾紙稱取粉塵與試紙的總質量m1在燒杯中均勻緩慢倒入一定體積量的滑石粉V,使其處于自然堆積狀態,倒完后稱取試紙的質量為m2,根據公式(3,得出滑石粉的容積密度,多次測試得平均容積密度為0.60g/ml

                                                                         (3)

    式中:m1—粉塵與試紙的總質量,g m2—試紙質量, gV滑石粉體積,ml

        在穩態過濾條件下,粉塵沉積層厚度是時間的函數,在一段時間t內,濾料表面粉塵沉積質量表示為,

                                                           (4)

    式中:m —粉塵質量濃度,kgC-煙氣粉塵濃度,g/m3f—過濾器的過濾有效面積,m2ν—過濾速度,m/mint-時間,s;ρν粉塵的容積密度,kg /m3;δ-過濾介質厚度,m

    2.3  測試對象

    常用袋式除塵器濾料按過濾方式可分為:表面過濾、表層過濾和深層過濾三種。覆膜濾料屬于表面過濾,梯度纖維復合濾料屬于表層過濾[3],普通針刺氈濾料多為深層過濾材料。選取具有代表性的濾料進行測試:梯度纖維復合濾料(A)、普通針刺氈(B)、覆膜濾料(C)。

    2.4  數據處理方法

    回歸分析[4]是一種數學分析方法,根據已獲得的觀測值采用擬合方法得到相關曲線(采用最小二乘法),以獲得一些有意義的結論,并可以根據給定的自變量得出相應的預報值(擬合值或回歸值)。

    回歸分析得出的曲線的估計精度問題反應了擬合曲線滿意程度。通過相關數學分析,可以將反應估計精度問題的數學表達式表達為:

    校正平方和=回歸平方和+殘差平方和

    將實際觀測值關于其均值的方差(即校正平方和)分解為兩部分,前一部分是由回歸線引起的,后一部分是由于實際觀測值沒有落在回歸線上引起的(否則殘差平方和為零)。由此找到了一種判別回歸線擬合程度好壞的方法。如果R2=回歸SS/校正SS接近于1,則將感到滿意。

    3  測試結果及回歸分析

    3.1  清潔濾料回歸分析

        環境參數為:標準大氣壓,溫度為18,相對濕度為68%,空氣密度為1.21kg/m3。清潔狀態下改變氣流速度得到各濾料的氣流速度與壓力損失的關系,見圖2

                               

    2  清潔狀態下,過濾速度與壓力損失的關系

        線性回歸分析得出的擬合直線為:

                                      

        模型參數ab及反應回歸擬合程度好壞的 R2 見表1,表2

    1  不同濾料線型回歸的模型參數

    濾料名稱擬合系數

    A

    B

    C

    a

    -3.00

    -0.58

    -2.43

    b

    27.32

    12.8

    32.93

     

    2  擬合曲線的R2

    濾料

    殘差SS

    回歸SS

    校正SS

    A

    10.958

    2996.725

    3007.684

    0.996

    B

    1.978

    657.818

    660.000

    0.997

    C

    9.342

    4353.805

    4363.875

    0.998

     

    從表2中可以看出,回歸分析得到在清潔狀態下,各濾料的過濾速度與阻力呈線型關系,由擬合曲線的R2表明對直線擬合感到滿意。

    3.2  發塵狀態下濾料的回歸分析

    為簡化模型,作以下假設:

    1.管道徑向過濾速度沿軸向均勻分布;

    2.速度為1.5m/min下發塵是均勻的,兩分鐘一次,塵量為0.5g/min,時間與粉塵層厚度呈線型關系;

    3.穩態過濾條件下,氣流流速較低,粉塵層結構不發生變化,為完全自然堆積狀態;

    回歸分析得到擬合曲線形式為:Y = A + B1X + B2X2。改變過濾風速,壓力損失與時間及粉塵層厚度的關系分別見下圖。  

        濾料A          

       

            圖3  壓力損失與時間                                                                                    4  壓力損失與厚度

     

    3  濾料A,二次擬合曲線模型參數

    vm/min

    擬合系數 

    0.80

    1.00

    1.20

    1.50

    1.80

    2.00

    2.50

    3.00

    A

    4.74

    13.90

    20.19

    38.10

    36.83

    40.07

    50.88

    59.38

    B1

    40.30

    45.36

    52.89

    50.29

    73.77

    83.16

    98.63

    118.36

    B2

    -0.28

    0.49

    0.97

    2.65

    1.93

    2.28

    2.99

    3.51

     

        濾料B

                 

           圖5  壓力損失與時間                                                                                    6  壓力損失與厚度

    4  濾料B,二次擬合曲線模型參數

       vm/min

    擬合系數

    0.80

    1.00

    1.20

    1.50

    1.80

    2.00

    2.50

    3.00

    A

    16.70

    12.70

    7.40

    1.40

    -7.00

    4.90

    -5.50

    -15.40

    B1

    4.18

    9.73

    16.16

    23.44

    32.25

    30.45

    42.31

    55.72

    B2

    2.75

    3.09

    3.79

    4.60

    5.20

    6.22

    7.30

    8.37

        濾料C

      

           圖7  壓力損失與時間                                                                                    8  壓力損失與厚度

    5  濾料C,二次擬合曲線模型參數

      vm/min

    擬合系數

    0.80

    1.00

    1.20

    1.50

    1.80

    2.00

    2.50

    3.00

    A

    6.07

    6.79

    7.93

    5.18

    7.96

    7.64

    10.68

    14.50

    B1

    1.99

    2.71

    4.88

    12.38

    11.23

    13.70

    15.32

    16.77

    B2

    1.78

    2.26

    2.71

    2.62

    3.65

    3.99

    5.17

    6.51

     

    6  不同過濾速度下,不同濾料擬合曲線的R2

       vm/min

    濾料名稱

    0.80

    1.0

    1.2

    1.5

    1.8

    2.0

    2.5

    3.0

    A

    0.912

    0.941

    0.959

    0.985

    0.978

    0.976

    0.977

    0.975

    B

    0.997

    0.996

    0.997

    0.992

    0.996

    0.942

    0.995

    0.995

    C

    1.000

    0.999

    1.000

    1.000

    1.000

    1.000

    0.999

    0.999

     

    6得到在發塵狀態下,各濾料在不同過濾速度下,阻力損失與過濾時間及粉塵厚度的關系呈二次曲線。由擬合曲線的R2可知,對該回歸分析得到的擬合曲線感到滿意。

    4  綜合分析

    粉塵層越厚,布袋阻力越大,過濾速度越小,反之亦成立。實際運行中由于氣流組織不均勻、袋間距的影響、濾袋各處清灰性能差異等因素導致過濾速度的波動性,因此通常意義下的過濾速度1m/min是指整個除塵器箱體風速的平均值。本文主要為了說明各相關因素之間的內在聯系,因此以1m/min平均過濾風速為例來討論。

    4.1  濾料A

       

              9 清潔狀態下分級效率                                                     10 速度為1.0m/min條件下的分級效率

    濾料A的梯度結構具有良好的透氣性和高捕集效率,在清潔狀態下壓力損失介于覆膜濾料和普通濾料之間(圖2);實驗得到[5]梯度結構濾料具有接近覆膜濾料的效率和P84異形纖維濾料的阻力。隨著粉塵面積密度增加、粉塵層增厚,對于顆粒物的捕集效率上升明顯。該濾料在工程中得到了良好的應用,具有過濾效率高,運行阻力小,性能穩定,耐磨損,耐高溫磨損腐蝕,使用壽命長等優點。

    4.2  濾料B

     

              圖11 清潔狀態下分級效率                                           12 速度為1.0m/min條件下的分級效率

    濾料的捕集機理中,一般認為慣性作用、攔截作用和擴散作用起主要作用,一般來說對粒徑小于1微米粒子,擴散作用起主要作用;微粒大于1微米的粒子慣性和攔截作用占主導。圖11中,深層濾料B在微粒粒徑0.4μm0.8μm的分級過濾效率出現最低點,主要是由于這個粒徑段的粒子處在攔截作用的下限、擴散作用的上限,所以較難捕集,是該濾料的最不利工況點。在未形成粉塵層前,過濾效率很低僅為45%65%,要達到較高的效率必須形成完整的粉塵層后才能實現,而此時的過濾阻力是清潔態時的幾到幾十倍。

    4.3  濾料C

       

      圖13 清潔狀態下分級效率                                                     14 速度為1.0m/min條件下的分級效率

    清潔狀態下覆膜濾料的阻力較高,隨著粉塵層的加厚,阻力變化小而效率高,這主要因為覆膜濾料表面為微孔膜結構。對覆膜濾料及其基布的過濾效率測試表明[6]基布的效率很低,對粉塵過濾基本沒有作用,因此覆膜濾料一旦膜破裂,濾料的效率會迅速下降。因此對于覆膜濾料,覆膜技術是關鍵,覆膜質量和膜的壽命是濾料的關鍵問題。

    梯度濾料A和覆膜濾料C隨過濾時間的增加,粉塵層的增厚,阻力上升速率較慢,普通濾料B在阻力上升的同時過濾效率迅速上升,原因是粉塵層起到了過濾介質的作用,但阻力上升明顯,與覆膜、梯度濾料相當甚至超過覆膜、梯度濾料。

    5  應用分析

    一般濾料測試得到的是冷態性能參數,與工程應用是存在差異的,用于指導實際工程需要將冷態性能參數修正為熱態,即根據溫度不同轉換清灰壓力設定值。

    假設工況條件為標準大氣壓,溫度140℃,粉塵濃度為46.97g/m3,一般濾袋兩側設計阻力為9001200Pa;測試條件為標準大氣壓,溫度18℃。冷、熱態轉化后,壓力修正值為12771703Pa, 濃度值為 66.66g/m3

    目前工程中清灰周期多由經驗確定,即先根據花板兩側的壓力損失設置為定壓清灰,達到穩定運行后再設置為定時清灰。該經驗值的弊端在于一旦煤粉成分,粉塵濃度發生改變,清灰周期必須重新確定。本文通過對不同濾料的性能測試得到阻力與過濾時間的變化關系,在實際應用中結合清灰壓力設定值及清灰后的殘余阻力、影響因素的修正可確定布袋的清灰周期。

    測試得出的曲線以粉塵層形成的最不利工況即粉塵為完全自然堆積狀態為前提,在實際工程應用中,粉塵層形成的影響因素眾多,除了濾料結構決定的過濾方式不同,還有進口風量、粉塵濃度、氣流組織、袋間距、清灰技術等,可通過分析影響因素確定負荷系數來進一步修正清灰周期。

    6  結論

    綜上分析得到:根據已知入口粉塵濃度,結合回歸分析可對工程采用的濾袋進行測試,得到煙塵過濾時間與阻力關系,結合工程應用條件即可確定清灰周期。選擇濾袋時,應選擇壓力損失小、過濾效率高、粉塵剝落性好、清灰周期長的濾料,一般更趨于選擇表面過濾和表層過濾方式的濾料,綜合考慮濾料優劣、性價比及其使用壽命等問題,選用梯度濾料更優。

     

    參考文獻

    [1] 中華人民共和國國家標準GB1262590.袋式除塵器用濾料及濾袋技術條件.

    [2] 嚴長勇、沈恒根.袋式除塵器用過濾材料的性能測試與對比[J].工業安全與環保.2006321):3-5.

    [3] 王學仁.應用回歸分析[M].重慶:重慶大學出版社,1991.8-9.

    [4] 沈恒根.燃煤鍋爐袋式除塵器用新型濾料的研發及其應用[J].建筑熱能通風空調.200625):30-33.

    [5] 嚴長勇.燃煤電廠鍋爐煙氣凈化用除塵過濾材料的試驗研究[D].東華大學.2006.353-57.

    [6] 婁可賓.袋式除塵器脈沖清灰的數值模擬[D].東華大學.2007.3:66-67.

                                                                       選自2009全國袋式除塵技術研討會論文集

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