許慧萍*

（上海化工研究院有限公司）

0 前言

通常情況下，氣體除塵方法主要可分為常溫氣體除塵和高溫氣體除塵兩種。但在某些特殊工況下，氣體除塵只能在高溫條件下進行，如果溫度降至常溫后再除塵會對后續(xù)工藝流程產(chǎn)生較大影響。高溫氣體除塵較多應(yīng)用于石油催化裂解過程中高溫氣體過濾和催化劑回收、汽車尾氣凈化、焚燒爐高溫廢氣凈化以及冶金工業(yè)高溫煙氣凈化等領(lǐng)域[1]。

常用的高溫氣體除塵技術(shù)包括旋風除塵、電除塵、金屬管過濾除塵和陶瓷膜管過濾除塵等[2-3]。旋風除塵器結(jié)構(gòu)簡單、能耗低，但除塵效果不佳，常用作高溫預(yù)除塵設(shè)備，與其他除塵裝置配套使用[4]。電除塵器壓降低、無堵塞風險，但投資成本高、占地面積大，對需要分離粉塵的比電阻也有一定要求[5]。金屬基多孔材料的耐溫性能和機械性能較好，但在高溫條件下，隨著溫度升高金屬材料的強度反而下降，且其高溫耐腐蝕性能較差[6]。相對于金屬基多孔材料而言，陶瓷基多孔材料的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性較好，在上千攝氏度的高溫下仍可正常工作，還能保持很好的耐腐蝕性，因此，陶瓷基多孔材料是一種優(yōu)選的高溫氣體除塵過濾材料[7-10]。

綜合以上分析，本試驗選用陶瓷膜管作為過濾元件，考察脈沖噴吹參數(shù)對陶瓷膜管過濾器過濾性能的影響，為合理設(shè)計和優(yōu)化陶瓷膜管過濾器的操作參數(shù)，從而解決實際工程問題提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

陶瓷膜管過濾器主要由過濾器殼體、過濾元件以及在線脈沖噴吹自動控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。過濾器的核心部件是耐高溫、抗腐蝕、高效率的微孔陶瓷膜管過濾元件。試驗所采用的陶瓷膜管外徑為60 mm，內(nèi)徑為40 mm，長為1 500 mm，平均孔徑為137.4 nm，其底部封閉，頂部與集氣室連接，利用花板、彈簧、墊片等零配件將陶瓷膜管固定在過濾器內(nèi)。過濾器的殼體材質(zhì)為304 不銹鋼，筒體直徑尺寸為 325 mm×6 mm，過濾器內(nèi)安裝了3 根呈正三角形分布的陶瓷膜管。脈沖噴吹自動控制系統(tǒng)由空壓機、氣包、壓力表、電磁閥、噴吹管、脈沖控制儀等部件組成，可在線實時控制陶瓷膜管的脈沖清灰和再生過程。

1.2 試驗物料

采用金屬礦粉作為試驗物料，密度為5 800 kg/m3。采用Microtrac 藍波I 型激光粒度儀測得其粒徑分布情況，如表1 所示。

由表1 可知，金屬礦粉中，粒徑小于5 μm 的物料占比為16.51 %，粒徑小于20μm 的物料占比為58.34 %，金屬礦粉的粒徑最大不超過125 μm，其中位粒徑D50為16.33 μm。

圖1 陶瓷膜管過濾器結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

表1 金屬礦粉粒徑分布情況

1.3 試驗流程與方法

陶瓷膜管過濾器的試驗系統(tǒng)由振動加料器、陶瓷膜管過濾器、風機、脈沖噴吹系統(tǒng)以及測試儀器儀表等組成，其流程如圖2 所示。

圖2 陶瓷膜管過濾器試驗流程圖

試驗采用負壓操作，空氣與振動加料器中的試驗粉塵混合后形成含塵氣體進入陶瓷膜過濾器，從陶瓷膜管外側(cè)向內(nèi)側(cè)流動，粉塵被陶瓷膜管外表面過濾并捕集，過濾后的潔凈氣體通過膜管內(nèi)側(cè)從上部排出。當過濾達到預(yù)設(shè)的時間周期，或過濾器內(nèi)壓降達到設(shè)定值時，脈沖控制儀控制開啟脈沖閥，氣包內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)由噴吹管上的小孔向陶瓷膜管內(nèi)噴射，使沉積在陶瓷膜管外側(cè)的粉塵脫落，達到清灰的目的。

進口氣體含塵濃度由振動加料器自帶的控制器調(diào)節(jié)；試驗所需的風量大小可由風機變頻器調(diào)節(jié)，并經(jīng)數(shù)字流量計直接讀出；脈沖噴吹所需的壓縮空氣由空壓機供給；氣包壓力通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)；脈沖寬度及循環(huán)脈沖間隔時間由脈沖控制儀控制；陶瓷膜管過濾器壓降可通過連接在含塵氣體側(cè)與潔凈氣體側(cè)的數(shù)字壓差計直接讀出；在過濾器出口遠離上下游彎管處設(shè)置塵樣采樣口，用來進行粒度分布及含塵濃度分析。

試驗主要考察的過濾性能包括過濾效率和壓降。過濾效率的計算公式如下：

式中：c1——進口氣體含塵濃度，g/m3；

c2——出口氣體含塵濃度，g/m3。

進口氣體含塵濃度可采用下式計算：

式中：M——加料量，g；

Q——風量，m3/h；

t——加料時間，h。

出口氣體含塵濃度c2可采用等速取樣法獲得[11]：將取樣裝置所接流量計的流量調(diào)至q1（根據(jù)等速取樣原則，即取樣管的取樣速度與管道內(nèi)的氣流速度相同，可得到q1），稱量取樣裝置內(nèi)濾筒在取樣前后的質(zhì)量，分別記為m1、m2，并計錄取樣時間t1，則出口氣體含塵濃度c2可通過下式計算：

陶瓷膜管過濾器的進出口壓降Δp 可由連接在含塵氣體側(cè)與潔凈氣體側(cè)的數(shù)字壓差計直接讀出。

2 結(jié)果與討論

脈沖噴吹是考察陶瓷膜管在線清灰再生的有效手段之一?？梢酝ㄟ^后陶瓷膜管過濾器的過濾性能過濾速度、脈沖壓力、脈沖寬度等參數(shù)[12]。

保持進口氣體含塵濃度約為10 g/m3，加料時間為90 min，循環(huán)脈沖間隔設(shè)定為10 min/次，考察脈沖壓力分別為0.4，0.5 MPa，脈沖寬度分別為20，30 ms，過濾速度分別為1.0，1.5，2.0 m/min 時，陶瓷膜管過濾器過濾效率和壓降的變化情況。

2.1 對過濾效率的影響

在上述操作條件下，考察不同脈沖壓力、脈沖寬度及過濾速度等脈沖噴吹參數(shù)對陶瓷膜管過濾器出口含塵濃度和過濾效率的影響，結(jié)果如表2 所示。

表2 脈沖噴吹參數(shù)對出口含塵濃度和過濾效率的影響

由表2 可以看出，過濾速度、脈沖壓力、脈沖寬度等參數(shù)對陶瓷膜管過濾器內(nèi)金屬礦粉的過濾效率影響不大，過濾效率基本維持在99.9%以上，最高可達99.995%。

2.2 對壓降的影響

圖3 所示為當脈沖寬度為20 ms 時，在不同脈沖壓力和過濾速度條件下，陶瓷膜管過濾器壓降隨過濾時間的變化情況。當脈沖寬度為30 ms 時，不同脈沖壓力和過濾速度條件下，陶瓷膜管過濾器壓降隨過濾時間的變化情況如圖4 所示。

圖3 脈沖寬度為20 ms時，壓降隨過濾時間的變化關(guān)系

圖4 脈沖寬度為30 ms時，壓降隨過濾時間的變化關(guān)系

由圖3 和圖4 可知，相比于脈沖壓力和脈沖寬度，過濾速度對陶瓷膜管過濾器壓降的影響要顯著得多。隨著過濾速度增加，膜管的壓降也大幅增加。且在相同脈沖寬度情況下，隨著過濾時間的推移，當過濾速度為1 m/min 時，膜管的壓降在一個循環(huán)脈沖間隔內(nèi)變化不大，噴吹后陶瓷膜管過濾器的壓降基本恢復到初始值。隨著過濾速度增大，在一個循環(huán)脈沖間隔內(nèi)壓降變化開始趨于明顯。尤其當過濾速度為2 m/min時，這種現(xiàn)象越發(fā)明顯，這是由于隨著過濾速度增大，單位時間內(nèi)沉積在陶瓷膜管壁上的粉塵量增多，導致膜管壁清灰不完全，陶瓷膜管阻力增大。

從圖3 和圖4 還可以看出，當過濾速度較小時，隨著過濾時間延長，在多次循環(huán)脈沖噴吹后，脈沖寬度和脈沖壓力增加并未對壓降值產(chǎn)生明顯影響，這是因為過濾速度偏小，單位時間內(nèi)沉積在陶瓷膜管壁面的粉塵較少，因此較容易清除，這充分說明了20 ms脈沖寬度和0.4 MPa脈沖壓力是可以滿足再生要求的。當過濾速度較大時，經(jīng)過多次循環(huán)脈沖噴吹后，脈沖壓力為0.4 MPa，脈沖寬度為20 ms不能滿足再生要求，殘余壓降值隨著時間延長略有攀升，而0.5 MPa 的脈沖壓力基本可以滿足再生要求；當脈沖寬度增加至30 ms，脈沖壓力為0.4 MPa 時，殘余壓降值隨時間延長基本沒有增加，說明該條件也可以滿足再生要求。

3 結(jié)論

（1）過濾速度、脈沖壓力、脈沖寬度等參數(shù)對陶瓷膜管過濾器內(nèi)金屬礦粉的過濾效率影響不大，過濾效率基本維持在99.9%以上，最高可達到99.995%。

（2）當過濾速度低于1.5 m/min 時，20 ms 的脈沖寬度和0.4 MPa 的脈沖壓力可以滿足再生要求；當過濾速度達到2 m/min 時，20 ms 脈沖寬度和0.5 MPa脈沖壓力或30 ms 脈沖寬度和0.4 MPa 脈沖壓力可以滿足再生要求。