陶瓷芯过滤器过滤性能研究-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘　要:在通过分析陶瓷过滤器的过滤机理的基础上,对陶瓷过滤器的过滤性能进行了理论及数值分析研究。应用水动力学及空气动力学理论,分析了过滤器截面及陶瓷颗粒直径对过滤性能的影响。分析结果表明,采用锥形截面可以获得更好的过滤性能,并可以降低过滤器成本;同时对于粉尘过滤而言,陶瓷颗粒的拦截效应是主要的过滤机制。
关键词:陶瓷过滤器;过滤效率;过滤性能
中图分类号:TP273　　　　文献标识码:A 文章编号:1001-4551(2008)06-0048-03
前　言
洁净煤技术的关键是要将煤(烟道)气在高温下直接实现气固净化分离,这样既可以充分利用高温煤(烟道)气的显热和潜热来提高发电热效率,降低成本,又能满足环保要求[1]。要除去高温煤(烟道)气中的尘粒,必须要求所选过滤材料能承受高温(500℃~900℃)、高压(1. 0 MPa~3. 0 MPa)以及脉冲反吹时因温度差突变而引起的热应力变化。由于陶瓷过滤器具有耐高温、压降小、重量轻、有弹性、无需支撑等诸多优点,因而在整体煤气化及加压流化床技术中获得了广泛的应用[2]。
Cuenca[3]对陶瓷过滤动力学、过滤灰饼特性、过滤元件的寿命等进行了总结和概括,但并未过多涉及陶瓷过滤微观机理研究。Chikao等人[4]研究了陶瓷过滤器渗透率对于案件表面灰脱除的影响。Lippert利用概率方法,对陶瓷过滤器模型进行了理论分析,并进行了实验验证。Hiroshi[5]对飞灰在陶瓷过滤元件表面的沉积状况进行了观察,测试了不同气流速度下再生灰饼的压降特点,并给出了压降预测公式。
本研究对陶瓷过滤元件的过滤特性进行系统的分析后,详细分析过滤器截面形状及陶瓷颗粒尺寸对陶瓷过滤元件过滤效率的影响。
1　滤机理分析
陶瓷过滤元件在过滤细微粉尘颗粒时,含尘气体从陶瓷过滤元件的外表面径向流向内表面,固体颗粒经过表面过滤,在过滤元件外表面形成灰饼,净化后的洁净气体从过滤元件内部流出。其过滤器结构,如图1所示。气体在过滤介质内和灰饼内的流动属于多孔介质内的流动。正向过滤时,气流在多孔介质内的流速较低,故流动遵守经典的达西定律,即:


从式(5)可以看出,当过滤元件在工作时,其表面会有部分的残留粉尘进入或者粘附在过滤介质上,从而造成过滤元件渗透率的降低。而粉尘层产生的附加压降会随时间不断增加,最终使得过滤介质的基本压降保持增加。

2　过滤性能分析
2. 1　截面形状影响
陶瓷过滤器的通道比较细长,气流沿径向流入过滤元件的内部通道,通常其流速为2 cm/s~10 cm/s,而轴向速度从零逐渐增大。Ahluwalia[6]基于水动力学理论,依据多孔介质内的总压降、动力学水头损失、沿程摩擦损失之间的关系,推导了方形通道过滤元件宽度与长度应遵循的设计准测。考虑到目前陶瓷过滤器主要有矩形与锥形两种,其模型,如图2所示。在计算时可以将流经陶瓷过滤元件的过滤流动简化成一维定常流动。将过滤器沿轴向n等分,其控制方程为:

为了比较柱形与锥形陶瓷过滤器的过滤性能,选择如下参数对其进行比较分析,过滤器壁厚为5 mm,空隙率为0. 5,渗透率为1e-11 m2,滤管长度为1. 0 m,柱形陶瓷管直径为20 mm,锥形陶瓷馆封闭端为10mm,开口端为20 mm。

过滤器表面的速度分布及内部的压强分布,如图3、图4所示。从图中可以看出,锥状过滤元件表面速度较柱形而言分布更为均匀些。如果过滤元件表面速度和压降的分布不均匀,将会造成不均匀清灰,致使滤管外厚度分布不均匀,容易造成滤管之间的架桥,从而损坏滤管。从这个角度考虑,锥形陶瓷过滤器可以延长滤管的使用寿命;同时从加工工艺考虑,锥状陶瓷过滤元件的加工工艺简单,成型时容易脱模,可在高温含尘气体净化领域及其它环保领域内获得应用;另外一点就是锥状过滤器元件的内径是变化的,可获得较小的阻力损失,流动特性会得到改善。采用锥状过滤器,在各截面速度分布能够明显得到改善。


2. 2　陶瓷颗粒尺寸影响
陶瓷过滤器的核心部分是以多孔陶瓷制成陶瓷过滤元件,它以刚玉砂、石英砂、矾土等高耐火性原料为骨料,配合以结合剂、改性剂等,经过1 000℃以上高温烧结而成。应用空气动力学捕集理论,过滤介质中的无数个球形陶瓷颗粒看成是“球形靶”。过滤气体流过陶瓷过滤介质可以看成是流过无数个“球形靶”的流动。其过滤机理主要为惯性碰撞及拦截两种形式。考虑单个陶瓷颗粒,其惯性碰撞效率及拦截效率分别可表示为[7]:

效率与陶瓷颗粒直径Dc之间的关系,如图5所示。由图5可以看出,在陶瓷过滤介质的过滤机制中,各种定义的过滤效率都随陶瓷颗粒直径Dc的增大而明显减小,随陶瓷颗粒直径Dc的变化,拦截效率大于惯性碰撞效率的影响。一般来说,对于含尘气体中的小粒子(小于5μm)的过滤,在相同的陶瓷颗粒直径下,拦截机制的作用要明显大于惯性碰撞机制的作用。

3　结束语
本研究在对陶瓷过滤器的过滤机理进行分析的基础上,应用水动力学理论及空气动力学捕获理论,并采用离散化的方法对陶瓷过滤器的过滤性能进行了数值研究。研究结果表明,采用锥形的陶瓷过滤器可以获得更好的过滤效果,能够有效地降低过滤器内压降及过滤器的成本,而对陶瓷颗粒的分析结果表明过滤中拦截效应是主要的过滤形式。

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