周先達(dá) ，姜 濤 ，吳克杭，楊 鵬

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.寧波天秦環(huán)保技術(shù)有限公司，浙江寧波 315100）

近年來(lái)，我國(guó)越來(lái)越重視廢氣治理事業(yè)，逐年改善霧霾現(xiàn)象，還社會(huì)一個(gè)藍(lán)天。鑄造無(wú)疑是一個(gè)重污染行業(yè)，鑄造廠面臨巨大的環(huán)境治理挑戰(zhàn)。脈沖噴吹清灰的干式除塵技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，其凈化效率高，技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，是一種理想的除塵方法，但對(duì)于黏性、油性或含濕的煙塵，濾芯容易發(fā)生“塌袋”和堵塞等現(xiàn)象，嚴(yán)重情況時(shí)除塵器根本不能有效使用。包括消失模和樹脂砂等鑄造工藝，產(chǎn)生的大量黏性煙塵，原有布袋除塵器短期內(nèi)因黏附堵塞而失效。本課題“惰粉流化床協(xié)同濾芯預(yù)涂層的脈沖除塵新方法”正迎合上述難題，采用惰性粉劑（碳酸鈣）流化床對(duì)上述“難題”煙塵進(jìn)行混合、吸附、團(tuán)聚和包覆等調(diào)質(zhì)，使其“惰化”，大幅度降低其黏性、油性、含濕甚至易燃易爆性，并對(duì)脈沖濾芯進(jìn)行預(yù)涂層，產(chǎn)生有效惰性隔離，從而實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定和安全的干式過濾凈化過程。本課題“惰化”過程采用流化床技術(shù)，惰性粉劑循環(huán)充分使用，飽和后更替；流化床保證了“難題”煙塵的調(diào)質(zhì)“惰化”以及濾芯的預(yù)涂層效果，調(diào)質(zhì)和預(yù)涂層更加充分，從而保證了惰粉的充分有效利用、除塵的凈化效率以及濾芯的脈沖噴吹清灰效率。本課題除塵技術(shù)在國(guó)內(nèi)還未見報(bào)端。

除塵器新濾芯初次使用前，在進(jìn)風(fēng)口添加惰性粉劑進(jìn)行表面覆蓋以延長(zhǎng)使用壽命，這在國(guó)內(nèi)外除塵行業(yè)里有一定范圍的應(yīng)用。在熱電和鑄造等領(lǐng)域，濾袋除塵器在初次啟動(dòng)或間斷重啟時(shí)采用消石灰預(yù)涂層來(lái)保護(hù)濾芯。寧波大學(xué)楊國(guó)華教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)[1]采用布袋協(xié)同粉體助劑對(duì)黏性微細(xì)粒子的過濾及反吹清灰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討了膨脹珍珠巖粉體助劑層厚度、過濾速度以及布袋材質(zhì)等對(duì)柴油機(jī)尾氣顆粒物過濾效率及壓降的影響，同時(shí)考察了粉體助劑層對(duì)布袋再生效率的影響。德國(guó)Karlsruhe大學(xué)Eberhard Schmidt[2]等人1990年就以Badenwerk電廠為案研究過結(jié)合脈沖清灰、濾料選擇、預(yù)涂層和惰粉在線添加技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電抗性并極大粘聚性的微細(xì)煙塵的有效脈沖濾芯除塵問題。本課題針對(duì)消失模鑄造中泡塑氣化黏性煙塵進(jìn)行了試驗(yàn)和部分項(xiàng)目的應(yīng)用研究。

1 惰粉流化床協(xié)同脈沖除塵結(jié)構(gòu)模型和運(yùn)作機(jī)理

一體式流化床置于除塵器灰斗下部灰槽內(nèi)，代替普通除塵器的粉塵收集箱（桶）。流化床床面上方設(shè)有惰性粉劑輸入管口和壓縮氣脈沖吹激裝置。流化床灰槽底面為多孔的布風(fēng)板，布風(fēng)板下方為流化氣流均流腔，均流腔靠底面設(shè)有壓縮氣入口。流化床靠近布風(fēng)板位置設(shè)有真空排灰管口。

模型上部為典型的豎裝濾芯脈沖除塵器結(jié)構(gòu)。氣溶膠過濾腔側(cè)面設(shè)有目標(biāo)氣溶膠進(jìn)風(fēng)口，頂面為濾芯安裝花板，牢固掛裝豎向?yàn)V芯?；ò迳戏綖檎w式排風(fēng)腔道（凈氣腔）,正對(duì)花板孔道處設(shè)有濾芯清灰脈沖噴吹口。

下部灰槽為鼓泡流化床設(shè)計(jì)，容納惰性粉劑和氣溶膠黏性顆粒及他們的顆粒聚團(tuán)。根據(jù)脈沖除塵器特點(diǎn)，灰槽一般設(shè)置為矩形截面，略小于除塵器原氣腔體橫截面。上部為除塵器過濾腔體，也為流動(dòng)氣溶膠空域（也為一種超稀相氣力輸送場(chǎng)），也作為下部鼓泡流化床的自由空域，該過濾腔體高度基本在下部鼓泡流化床的沉降高度MHT 范圍內(nèi)[3]。

本課題采用一級(jí)惰粉流化床惰化調(diào)質(zhì)，二級(jí)在線預(yù)涂層高效濾芯過濾的復(fù)合除塵方法。經(jīng)濾芯過濾分離下來(lái)的顆粒物包括目標(biāo)煙塵以及惰性粉劑最終均沉降至流化床，目標(biāo)煙塵和惰性粉劑在流化床中繼續(xù)進(jìn)行調(diào)質(zhì)，流化床床面上方設(shè)有壓縮氣吹激裝置，周期性脈沖吹激使得流化床上層氣泡破裂揚(yáng)起，順著除塵風(fēng)機(jī)的負(fù)壓抽吸氣流對(duì)上部濾芯表面進(jìn)行預(yù)涂層。脈沖噴吹濾芯除塵器的清灰脈沖和流化床床面吹激脈沖有機(jī)結(jié)合。

下部為向上的流化氣流，源于調(diào)壓后的壓縮空氣，流量較小，僅維持灰槽內(nèi)顆粒物的鼓泡流態(tài)化。上部有垂向進(jìn)入的氣溶膠（或謂超稀相氣力輸送），此為待過濾分離的目標(biāo)氣流，流量（除塵術(shù)語(yǔ)為風(fēng)量）遠(yuǎn)大于下部進(jìn)入的流化氣流。頂部為排出氣流，該氣流和垂向進(jìn)入氣流的動(dòng)力均源自除塵器下游的抽吸風(fēng)機(jī)。一般狀態(tài)下，該排出氣流流量為流化氣流流量和垂向氣流流量之和。除上述狀態(tài)外，在除塵器脈沖噴吹清灰時(shí)段，鼓泡流化床床面的壓縮氣吹激脈沖（順除塵壓降）開啟，上部濾芯的反吹清灰脈沖（逆除塵壓降）開啟，均產(chǎn)生進(jìn)入氣流，但其流量遠(yuǎn)小于主體抽風(fēng)流量。前述兩脈沖氣流發(fā)生時(shí)，垂向氣溶膠抽吸流量短時(shí)會(huì)略微減小，但不影響主體抽風(fēng)除塵作用（氣溶膠捕集）。

圖1 惰粉流化床協(xié)同脈沖除塵流程圖

2 濾芯惰粉噴涂層和脈沖噴吹清灰

實(shí)際上，脈沖噴吹除塵器的有效使用是以確保在一定的過濾阻力下長(zhǎng)期運(yùn)行為前提的。行業(yè)應(yīng)用上，高壓脈沖噴吹除塵器的工作阻力一般在1000Pa～1800Pa之間。而根據(jù)《HJT328-2006_脈沖噴吹類袋式除塵器標(biāo)準(zhǔn)》，脈沖噴吹除塵器的工作阻力要求小于1500Pa，這是考慮了除塵器能耗和濾芯強(qiáng)度等因素設(shè)置的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。如按此標(biāo)準(zhǔn)，除塵器新濾芯開始使用時(shí)，阻力不斷上升，但必須借助周期脈沖噴吹措施，阻力在1500Pa前達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，這樣才是一款合格有效的除塵器。

圖2 粉體層厚度對(duì)過濾效率和壓降的影響[1]

圖3 濾芯的工作狀態(tài)和脈沖清灰狀態(tài)比較

對(duì)于黏性氣溶膠煙塵的除塵，惰粉流化床對(duì)濾芯進(jìn)行周期性預(yù)噴涂，和濾芯的脈沖噴吹清灰有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)過濾除塵的長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)過程可以描述為：在脈沖噴吹時(shí)，清灰氣流使濾袋內(nèi)的壓力急速上升，濾袋迅速向外膨脹，當(dāng)袋壁膨脹到極限位置時(shí)，很大的張力使其受到強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)，并獲得最大反向加速度從而開始向內(nèi)收縮；但附著在濾袋表面的煙塵層不受張力作用，由于慣性力的作用而從濾袋上脫落。

3 惰粉流化床設(shè)計(jì)和惰粉選型

氣固流化床中顆粒的粒徑及顆粒的表觀密度與氣體密度之差對(duì)流化特性有顯著影響。根據(jù)Geldart顆粒分類法，A類顆粒稱為細(xì)顆粒或可充氣顆粒，一般具有較小的粒徑（30～100μm）。A類顆粒的初始鼓泡速度明顯高于初始流化速度，并且床層在達(dá)到鼓泡點(diǎn)之前有明顯膨脹。形成鼓泡床后，乳化相中空隙率明顯大于初始流化空隙率，且密相中的氣固返混較嚴(yán)重，氣泡相和乳化相之間氣體交換速度較高。隨著顆粒粒徑分布變寬或平均粒徑降低，氣泡尺寸隨之減小[3]。

圖4 Geldart顆粒分類法

A類顆粒的上述鼓泡流化床屬性尤其適合于本案惰粉和目標(biāo)煙塵的充分混合調(diào)質(zhì)的要求。并且初始鼓泡速度明顯高于初始流化速度，如此流化氣速選擇范圍大，有利于鼓泡流化床氣速的實(shí)際控制。

平均粒徑在20μm以下的C類顆粒屬黏性顆粒或超細(xì)顆粒。此類顆粒由于粒徑很小，顆粒間的作用力相對(duì)較大，極易導(dǎo)致顆粒的團(tuán)聚。王長(zhǎng)青等對(duì)幾種粒徑的流化特性采用床層塌落技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)顆粒直徑dp≈30μm的流化床有最大乳相空隙率，該均徑的顆?？赡苁菦]有表現(xiàn)出顯著團(tuán)聚特性的最小顆粒。考慮惰粉盡量呈散式狀態(tài)，利于和黏性氣溶膠目標(biāo)煙塵的調(diào)質(zhì)混合吸附。這些都使得選用均徑在30～45μm的惰粉最為合適。另外，惰粉顆粒隨著對(duì)氣溶膠黏性顆粒的吸附將增大粒徑，成為雙質(zhì)牢固聚團(tuán)，且聚團(tuán)平均密度比原惰粉顆粒小，如此以來(lái)其流態(tài)化屬性更趨向A類顆粒。另外，該聚團(tuán)外表面呈現(xiàn)黏性，其流化床屬性可近似參照黏性顆粒鼓泡床進(jìn)行計(jì)算[5]。惰性粉劑選用經(jīng)濟(jì)易得、屬性穩(wěn)定的石灰石（碳酸鈣）粉劑最為合適，其成份和屬性參見表1。

因?yàn)轲ば灶w粒聚團(tuán)不斷發(fā)生合并也有少許破碎，不適于直接按一般顆粒的流化床計(jì)算。Zhou T.和羅傳寶[6]等對(duì)處于鼓泡流化床中聚團(tuán)所受的曳力、碰撞力、黏性力、重力和浮力有比較綜合的分析，并依據(jù)受力平衡原理構(gòu)建了可以確定聚團(tuán)粒徑da的模型，且設(shè)計(jì)了大量試驗(yàn)對(duì)所提模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究采用該模型，其表達(dá)式為：

式中，Ha為Hamaker常數(shù)，單位為J；Ug為運(yùn)行時(shí)的表觀氣速，單位為m/s；δ為兩顆粒聚團(tuán)間的距離，單位為m；k為楊氏模量與泊松比的函數(shù)，對(duì)于黏性顆粒聚團(tuán)流化床，其值可取3×10-6Pa-1；g 為重力加速度，單位為 m/s2；εg為局部平均孔隙率。經(jīng)局部結(jié)構(gòu)參數(shù)模型的迭代求解，借助于CFD軟件，由下圖結(jié)果得知，聚團(tuán)粒徑的分布范圍為100～170μm，且隨床層高度增大聚團(tuán)粒徑變小，顯示出惰粉飽和分層的特性，這有利于惰粉的充分調(diào)質(zhì)使用。

表1 石灰石粉劑屬性表

圖5 顆粒聚團(tuán)粒徑隨床層高度和乳相孔隙率的變化

4 惰性粉劑耗用量計(jì)算

目標(biāo)氣溶膠風(fēng)量為Qj（m3/s），煙塵質(zhì)量濃度為Cj（kg/m3），平均粒徑為dp（m），煙塵黏性物動(dòng)力黏度為μj（Pa·s），密度為ρj（kg/m3）；碳酸鈣惰粉顆粒均徑di（m），除塵器設(shè)計(jì)過濾后排放濃度為Cr（kg/m3）?？紤]該除塵器為高效濾芯，因惰粉粒徑較大，濾芯穿透量極小，予以忽略；穿透濾芯的目標(biāo)煙塵（排放濃度煙塵）一般未和惰粉黏附團(tuán)聚，故在計(jì)算所需惰粉用量時(shí)不予計(jì)入。

惰粉添耗用量近似計(jì)算函數(shù)為：

式中，Mi為惰性粉劑使用量，單位為kg/s；kb為濾芯種類和脈沖噴吹清灰效率影響因子，取1.0～1.5；kf為流化床和自由空域調(diào)質(zhì)效率影響因子，取1.0～1.6；C為常數(shù)，按煙塵分類實(shí)驗(yàn)取得,如對(duì)于甘油類黏性煙塵其值可取為8.6×10-4s1.5/m；v為濾芯過濾速度，單位為m/s；da聚團(tuán)顆粒均徑，單位為m。

上述近似函數(shù)適用于目標(biāo)氣溶膠常溫常壓工況，氣溶膠溫度范圍為0～75℃，除塵器原氣腔（也即流化床自由空域）相對(duì)負(fù)壓為0～5000Pa。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并和有關(guān)惰性粉劑預(yù)噴涂報(bào)導(dǎo)對(duì)比，該函數(shù)可做近似計(jì)算所用。

5 結(jié)束語(yǔ)

在惰性粉劑協(xié)同濾芯預(yù)噴涂的脈沖除塵新方法上，當(dāng)前一項(xiàng)關(guān)鍵的研究是如何對(duì)不同的“難題”煙塵配置合適劑量的惰性粉劑保證脈沖清灰對(duì)濾芯的有效再生[7]。鼓泡流化床的分層和調(diào)質(zhì)技術(shù)滿足了惰粉的循環(huán)利用要求，是目前難得的一種形式。惰性粉劑除采用石灰石粉末外，還可研究采用消石灰和粘土粉末等，來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉。綜上所述，本除塵新方法在包括鑄造行業(yè)等黏性粉塵除塵應(yīng)用上有很好的市場(chǎng)前景。

本文僅探討了惰粉流化床協(xié)同脈沖除塵的基本工藝配置、特性以及一些計(jì)算。針對(duì)不同種類的黏性、油性、含濕和易燃易爆氣溶膠的物化屬性分析，配置相應(yīng)的惰性粉劑以及選擇相應(yīng)的除塵器濾芯形式和濾材材質(zhì)上，需要更多的進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)認(rèn)證。