某廠密煉機排料口煉膠廢氣治理的工藝研究與設計【含CAD圖紙+文檔】

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任務書 題目名稱 廣州市華南橡膠輪胎有限公司密煉機排放口煉焦廢氣治理的工藝研究與工程設計 學生學院 環(huán)境科學與工程學院 專業(yè)班級 姓 名 學 號 一、畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容 廣州市華南橡膠輪胎有限公司橡膠煉焦廢氣凈化工藝研究研究，包括華南橡膠輪胎有限公司橡膠煉焦行業(yè)廢氣污染現(xiàn)狀調(diào)查、橡膠煉焦工業(yè)廢氣治理工藝方案、輪胎橡膠煉焦行業(yè)廢氣污染防治對策等。 二、畢業(yè)設計（論文）的要求與數(shù)據(jù) 廢氣處理量：22500m3/h； 廢氣成分：畢業(yè)實習收集； 畢業(yè)實習10天以上；實習報告（含資料調(diào)研報告）10000字以上； 畢業(yè)設計說明書30000字以上； 繪制工程設計圖紙8張（A4）以上。 三、畢業(yè)設計（論文）應完成的工作 查閱和翻譯文獻資料； 參與畢業(yè)實習并編寫實習報告； 編寫畢業(yè)設計說明書； 進行工程概算和運行可行性分析； 繪制工程設計圖紙。 序號 設計（論文）各階段內(nèi)容 起止日期 1 參與畢業(yè)實習 3月15日~4月12日 2 編寫實習報告、查閱和翻譯文獻資料 4月13~4月25日 3 研究設計方案，進行設計的有關計算 4月26日~5月10日 4 編寫畢業(yè)設計說明書 5月11日~5月25日 5 進行工程概算和運行可行性分析 5月26日~5月29日 6 繪制工程設計圖紙 5月30日~6月8日 7 答辯準備及答辯 6月9日~6月12日 四、畢業(yè)設計（論文）進程安排 五、應收集的資料及主要參考文獻 1. 王志魁主編 . 化工原理 .第二版.北京：化學工業(yè)出版社，1998.10 2. 赫吉明 馬廣大主編 . 大氣污染控制工程. 第二版.北京：高等教育出版社，2002 3. 賀匡國主編.化工容器及設備簡明設計手冊.化學工業(yè)出版社，1989 4. 黃學敏.張承中主編. 大氣污染控制工程實踐教程.北京：化學工業(yè)出版社. 2003.9 5. 立本英機.安部郁夫（日）主編.高尚愚譯編. 活性炭的應用技術ü其維持管理及存在問題.南京：東南大學出版社，2002.7 6. 林肇信主編.大氣污染控制工程.高等教育出版社.1991.5 7. 全燮.楊鳳林主編. 環(huán)境工程計算手冊.中國石化出版社.2003.6 8. 吳忠標主編 . 實用環(huán)境工程手冊ü大氣污染控制工程 化學工業(yè)出版社. 2001.9 9. 姜安璽主編. 空氣污染控制 .北京：化學工業(yè)出版社. 2003 10. 朗曉珍. 楊毅宏主編. 冶金環(huán)境保護及三廢治理技術. 東北大學出版社. 2002 11. 童志權等主編. 工業(yè)廢氣污染控制與利用. 北京：化學工業(yè)出版社，1988 12. 王紹文.張殿印.徐世勤.董保澍主編. 環(huán)保設備材料手冊.冶金工業(yè)出版社 2000.9 13. 朱世勇，《環(huán)境與工業(yè)氣體凈化技術》，化學工業(yè)出版社，2001 14. 李光超，《大氣污染控制技術》，化學工業(yè)出版社，2002 15. L.Ekman.LIFAC-經(jīng)濟有效的脫硫方法.芬蘭：Fortum Engineering Ltd. 16. 唐敬麟，張祿虎編. 除塵裝置系統(tǒng)及設備設計選用手冊化學工業(yè)出版社.2004 17. 《給水排水設計手冊 （第11卷）》，中國建筑工業(yè)出版社，1986. 18. 趙毅，李守信，《有害氣體控制工程》，化學工業(yè)出版社，2001. 19. 陳常貴、曾敏靜、劉國雄等編，《化工原理》，天津科學技術出版社，2002 20. Licht,W《Air Pollution Control Engineering》.Publisher,New York,NY(US);Marcel Dekker,Inc.System Entry Date:2001 May 13. 21. Dry Removal of Gaseous Pollutants from Flue Gases with the GFB(FGD by CFB).Lurgi Report,Germany,1990.. 22. 劉天齊主編，三廢處理工程技術手冊：廢氣卷，北京：化學工業(yè)出版社 1999.5 23. 陳凡植，《活性炭吸附法處理低濃度苯類廢氣多的研究》，《廣東工學院學報》，第11卷第3期，1994年9月 發(fā)出任務書日期：20xx年3月10日 指導教師簽名： 預計完成日期：20xx年6月12日 專業(yè)負責人簽章： 主管院長簽章： 2 目 錄 含難分離塵土物的細微顆粒物的工業(yè)分離 1 1. 什么是難以分離的塵土物？ 1 2. 旋風除塵器 3 3. 靜電除塵器 5 3.1. 一般說明 5 3.2. 實驗裝置 6 3.3. 計算結(jié)果 5 4. 濕式凈化器 9 5. 織物過濾器 10 5.1.織物過濾器對納米級顆粒物的分離 10 5.2.符合應用要求的過濾介質(zhì)的選擇 12 5.3.干式凈化器 13 6. 高溫過濾 15 7. 總結(jié) 16 Industrial separation of fine particles with difficult dust properties 17 1. What are difficult dust properties? 18 2. Cyclones 20 3. Electrostatic precipitators 23 3.1. General remarks 23 3.2. Experimental set-up 23 3.3. Results 25 4. Wet scrubber 28 5. Fabric filters 31 5.1. Fabric filters for separation of nanoparticles 31 5.2. Selection of filter medium for demanding applications 33 5.3. Dry scrubbing 35 6. High-temperature filtration 38 7. Summary ------------------------------39 含難分離塵土物的細微顆粒物的工業(yè)分離 W. Peukert and C. Wadenpohl Institute of Particle Technology, Technische Universit?t München, Boltzmannstrasse 15, 85748 Garching, Munich, Germany Hosokawa Micron GmbH, Welserstr. 9-11, 51149 K?ln, Germany Available online 25 July 2001. 摘要 這篇論文描述了把粒子從粘性大的塵粒中分離出來的可能性。塵粒的難分離特性與微粒大小的極值和形狀，以及與流動性，黏附特性或微粒的反向運動有關。其特點是與超微末微粒粘性較好。在氣旋里，導電的微粒比如說柴油煙能依靠附加的靜電力去除。根據(jù)實驗研究表明，在濕式管狀靜電除塵器里，標準的分離(除塵)效率遠高于理論的預期值。與現(xiàn)有充電模型的預期值相比，更高的微粒負荷解釋了這一結(jié)果。對于小流量，靜電除塵器在經(jīng)濟上是不可行的，一種新型的濕洗氣器也許是另外一個選擇。表面過濾器的重要問題是塵土塊的黏附在過濾介質(zhì)的表面。用于實驗室研究和實地試驗的小型檢測器可用來測量塵土塊的再生以及分離效率的變化趨勢。表面過濾器廣泛用于工業(yè)上極小微粒的分離。如果濾料層保護過濾介質(zhì)，那么即使是極粘性微粒例如瀝青微粒也可以被表面過濾器去除。這表明通過看微粒分離的物理基本原理，可以發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新的解決辦法。對于含有難分離塵土物的微粒的分離給出指導方法。 關鍵詞：塵土物,氣旋,靜電除塵器,濕洗氣器,布袋除塵器,干式凈化器 1. 什么是難以分離的塵土物？ 把微粒從工業(yè)生產(chǎn)流體中分離出來的用途廣泛的工業(yè)分離器是旋風除塵器、靜電除塵器，洗氣器和過濾器。在每臺分離器中，微粒必須通過傳輸機被運輸?shù)绞占砻娌⒁蝠じ搅Χ掣皆谶@表面 (旋風除塵器除外，在旋風除塵器里微粒被運輸?shù)浇缑鎸?，而且能從分離器中將顆粒去除從而達到連續(xù)工作。表格1總結(jié)了這些原理。 表格1.氣體處理設備中的收集表面 收集表面 除塵器類型 傳輸機制 非滲透性壁面 旋風除塵器 靜電除塵器 離心力 靜電力 滲透性壁面 表面過濾器 主要是篩分 小滴 濕洗氣器 主要是慣性 顆粒，纖維 顆粒狀床，纖維過濾器 慣性，攔截，擴散，靜電力 本文談論某個分離器如何用于含有難分離塵土物的微粒的收集。去年，這一領域取得了相當大的進步。舉例子說明分離器如何用于或可以用于工業(yè)應用。 假如出現(xiàn)以下情況，塵粒的分離或處理將會變得困難。 ? 到達收集表面的微粒流量密度較低。 (即，收集效率也許變得很小) ? 微粒不粘附在收集面(即，黏附效率是小的)， ? 微粒不可能從收集面或分離器中除去 (即，由于他們具有較強的黏附力和較差的流動能力) ? 粒子具有極端機械或化學性質(zhì)(如非常硬或非常柔軟的粒子,高活性粒子) ? 出現(xiàn)固體和液體微?；旌衔铩? 表格2總結(jié)了難以分離的塵土物,并舉例說明如何測量它們。一個非常重要的參數(shù)就是粒徑。在慣性主導的分離器里(如旋風除塵器,凈化器)，對于粒徑小于1μm和密度極低的顆粒，其除塵效率明顯下降。在表面過濾器中,即使是極細微顆粒也能用塵土塊篩分裝置以高效率分離出來。對于纖維狀顆粒，由于有些類型的纖維對人體健康有著嚴重的影響，可能要求達到極高的分離效率(例如石棉)。由于堵塞，纖維塵可能導致某些問題,這一效應是人所共知的,在表面過濾器里，當距離介于單個濾袋時，這一效應就會很小。對于除塵器清灰，流動性是一個重要的指標。如果這些微粒燒結(jié),例如: 在高溫過濾應用中，活性粉末涂料粒子或含氯粒子，由于塵土塊未能及時清除，可能發(fā)生結(jié)塊等問題.在所有這些應用中,磨料微?？赡苁怯泻Φ?這些粒子相對于墻壁具有很高的速度(如在密封性不好的布袋室里，在靠近旋風除塵器頂端或接近原料進氣口的地方)。磨料微粒通過特殊的形狀如鋒利的邊緣和高硬度來表現(xiàn)它們的特性。典型的例子是研磨或拋光產(chǎn)生的粉塵或陶瓷顆粒如碳化硅。對于活性 (爆炸性)粒子，必須特別小心單個分離器的選擇和設計。比如，一般不應該使用靜電除，因為難以避免火花點火。對于布袋除塵器，發(fā)熱或發(fā)光的粒子是一個特殊的難題，在過濾元件表面加上一層惰性防護濾料層可以解決這一難題。 表格2.難以分離的塵土物 塵土物 方法描述 注釋 細微顆粒直徑，x<1μm 尺寸測量，如光散射，活性檢測器 在氣旋，凈化器及靜電除塵器中分離效率低，在表面過濾器中壓降高 低密度顆粒 比重瓶 沉降速度小，慣性作用小 纖維顆粒 形狀分析 可能要求極高的分離效率，燒結(jié) 自由流動顆粒 剪切測試（如Jenike,環(huán)狀剪切測試儀），靜止角 形成塵土塊 粘性顆粒，燒結(jié)顆粒 剪切測試，靜止角 燒結(jié)，織物過濾器中的再生問題 研磨顆粒 硬度，形狀分析 顆粒以高速度腐蝕空間 活性（爆炸性）顆粒 具體環(huán)境中的顆?；钚裕═G/DTA,DSC） 要求壓力或壓力震動阻力設計 熱顆粒 考慮向上流動的作用單元（如鍛燒爐，火爐等） 過濾介質(zhì)的破壞 具有一個或多個這些特性的微粒出現(xiàn)在各種不同的應用中。其范圍從氣相里的納米火焰合成到縮合氣溶膠，比如，木材工業(yè),土壤修復,回收過程或城市垃圾焚化爐。對于顆粒分離的各種方法的綜述,可以在書本L?ffler [1] 和 Seville [2]上找到。這篇論文描述了在工業(yè)應用上用于分離顆粒的一些新方法。 2. 旋風除塵器 在旋風除塵器中，顆粒一般通過離心力分離。這就限制了當顆粒粒徑大于1－10μm時，旋風除塵器在工業(yè)上的應用。如果使用一些附加的方法，那么就能去除更細微的顆粒.原則上說,提前或直接在氣旋里聚集顆粒是可能的。聚集逆流的旋風除塵器或任何其他分離器，原則上可以通過電場或聲場改變粒子的雙極充電，從而改善除塵效果。到目前為止，這些方法還不能非常成功地應用在工業(yè)上。根據(jù)Mothes 和 L?ffler [3]，由于流體動力效應，在氣旋里的聚集塊叫做運動學結(jié)塊。比起小顆粒，較大的顆粒能更快地沉淀在離心區(qū)內(nèi),因此只能收集到少許更微細的粒子。原則上，雖然這種效應能解釋實驗上人所共知的分離效率隨原料氣濃度的增加而增大的現(xiàn)象,但是這種作用太弱，不能分離大量的納米級顆粒物。Iinoya [4]用漏斗從小旋風除塵器中提取了少量的氣體，研究粒徑為76 mm的顆粒的分離。 Iinoya證明了要分離粒徑為0.3μm的顆粒是可能的。 Wadenpoh在他的博士學位論文[5]中證明，在旋風除塵器中通過附加的靜電效應能分離納米級的顆粒物。 筆者調(diào)查了某一汽車柴油機所排放的柴油炭黑粒子的分離，這一汽車柴油機是通過一改良氣旋的。這個氣旋裝有中央電極。在電極和氣旋墻體之間應用高電壓,使顆粒由于電暈放電而被充電。Wadenpohl指出直徑10-30nm的原始粒子因電場力向風墻運動,在那里形成直徑幾微米的相對較大的集合體。收集的粒子可再充電以達到集電極的電壓. 因此, 電場線聚集使收集的顆粒作為核晶生長料. 通過兩個機制可以解釋來自收集面的集合體的分離.收集結(jié)構引起的兩個象力集中在邊界層的噴射電極和流體力上，并能使集合體從收集面[6]上除去。然后這些微粒在邊界層里流向一個小出口,在出口處提取總流量的5-10%。這一原理適用于流量約1000m3/h的情況(見圖. 1). 展示這個圖的實際大小 圖.1 靜電旋風除塵器示意圖 在一臺固定式柴油機后測試這臺旋風除塵器。測試發(fā)現(xiàn)，根據(jù)流量(即在旋風除塵器里的停留時間)和外加電壓(見圖.2)，質(zhì)量的具體分離效率介于50%到80%之間。 展示這個圖的實際大小 圖.2 靜電旋風除塵器的總分離效率（以質(zhì)量為標準） 然而，這一原里只適用于導電粒子。實驗產(chǎn)生煙硅土而失敗有兩個原因: 在低濃度時，顆粒能被分離卻未能從器墻中除去；在濃度為1g/m3或以上時, 由于空間電荷效應，電場失效。因此, 當單個離心力太弱而不能達到實際的分離效率時，納米級顆粒物的分離效率就會下降。綜上所述,當質(zhì)量濃度低于約1g/m3時，導電納米級顆粒物在靜電旋風除塵器里能被分離。分離效率是由粒子在旋風除塵器中的停留時間和電場強度決定的. 3. 靜電除塵器 3.1. 一般說明 靜電除塵器主要用來處理粒徑大于1μm的顆粒，以及電阻系數(shù)介于104 到1011 Ω cm的粉塵。由于反電暈效應，電阻系數(shù)太高的粒子會造成一些問題,而導電粒子可能帶相反的電荷,因此不能粘附在收集電極上(再飛揚)[7]。當氣體含有可壓縮的成分或液體微粒時,在所有干燥運行的分離器中，會引起堵塞問題.而改用濕式靜電除塵器就可以解決這一問題，而且收集效率高，能耗低。 在這項研究中,對一個濕式管狀靜電除塵器進行研究。在單管里調(diào)查運行情況，其操作比較簡單，這是管狀靜電除塵器的一個優(yōu)點。 這篇論文描述了靜電除塵器的一個特點，就是用液膜連續(xù)灌淋收集電極。這種技術的優(yōu)點如下。在收集電極上灰塵層的形成是可避免的,因此,沒有再飛揚或屏蔽問題。對于噴灌淋靜電除塵器，當進行沖洗時，其電場不會減弱且間歇再生。堵塞的危險性很低,因為液膜阻礙了粒子和收集電極接觸。液膜可以接地,因此傳導電暈電流。由絕緣材料制造靜電除塵器是有可能的(如聚丙烯,聚氯乙烯,增強塑料)，即使當氣流含有腐蝕性成分時，這種設計也是符合經(jīng)濟要求的。下面給出這種濕式體靜電除塵器的一些實驗結(jié)果和理論研究[8]. 3.2. 實驗裝置 圖3是實驗裝置的示意圖。管狀靜電除塵器是用聚氯乙烯制造的。這種材料有著較高的抗化學腐蝕性的優(yōu)點。作為放電電極,要使用不銹鋼線并用一重力將其拉緊。灌淋液以某種方式流入，整個收集電極被一層稀薄的液膜遮蔽。液體排入一個沉淀池, 被收集的顆粒在沉淀池沉淀下來，上層清液則循環(huán)回到靜電除塵器。隨意地,靜電除塵器能在濃縮模型中運行。在這種情況下,收集電極被冷卻液冷卻。如果氣體露點相當高, 濃縮蒸氣形成一個封閉的薄膜，被收集下來的顆粒就會如上所述以同樣的方法被去除。在這兩種情況下,液膜可以接地從而傳導電暈電流, 這對液體的傳導起很好的作用，使其降至10μS/cm。微粒由螺旋輸送機輸送并分散在噴射器里。 展示這個圖的實際大小 圖.3 實驗裝置示意圖 可調(diào)風機通過除塵器產(chǎn)生氣流。顆粒分析是根據(jù)(粉塵的)等速吸引抽樣來做的。測量粉塵濃度用重量分析法。測量粒度分布用不同的設備。一個光散射儀(palas)適用的粒度范圍介于0.3至40μm之間。一個掃描活性粒子篩分器用于分離粒徑介于10nm至0.5μm的顆粒。對于一些測試，就使用多特蒙德大學Büttner教授慷慨提供的一臺階式撞擊取樣器(Anderson Mark III)。靜電除塵器的收集效率是由非高電壓下首測顆粒濃度決定的。而第二次測量也是在相同條件下進行的，但要用適用于靜電除塵器的高電壓。在非高壓的情況下，根據(jù)清潔氣體的粒子濃度與原料氣體的粒子濃度的相關性能計算出收集效果。 3.3. 計算結(jié)果 對于靜電除塵器，決定性的設計參數(shù)是具體收集范圍, 把其定義為流量與收集電極表面積ACE的比值. (1) 而對于管狀靜電除塵器則是長度LCE與直徑DCE的比值，即， (2) 根據(jù)著名的Deutsch方程式，具體收集范圍與靜電除塵器的分級效率T(x)有關， T(x)=1?e?wth(x)SCA (3) Wth是粒徑為x的微粒在收集電極附近的電場ECE處的遷移速度。η為氣體粘度, Cu是坎寧安校正因子。 (4) 顆粒的電荷可以由Cochet公式[10]計算出來。 λ是氣體平均自由程, r,p 和0分別指粒子介電常數(shù)和真空介電常數(shù), E是電場強度。從實驗(3)可以看到,收集效率隨具體收集范圍的增加而提高?？吹綄嶒灒?），這便很容易理解。增加粒子在電場的停留時間(增加靜電除塵器的長度或降低氣體流速)或減小管徑都能使SCA增加,這就要求顆粒到達收集電極所通過的距離必須更小。圖. 4表示光散射分析器所測得不同的SCA對應的分級效率。在這些試驗中,流速在收集電極的常數(shù)區(qū)內(nèi)變化。與上面討論的一樣, SCA的增加導致收集效率的顯著提高。根據(jù)對潔凈氣體的濃度要求,靜電除塵器可以對每個應用作出適當調(diào)整。當SCA為58 s/m時，粒徑小于1μm的顆粒幾乎全部被收集下來，因此,即使是最嚴格的排放要求也能得到滿足。 如果給出理論遷移速度，SCA值完全決定了收集效率。 展示這個圖的實際大小 圖.4 基于具體收集范圍的分級效率 圖.5比較了分級效率的測量值與計算值。令人驚訝的是,實測值大大高于使用Deutsch方程[11]得出的計算值。然而，這種結(jié)果與Riehle[12]和Schmid[13]的研究一致。Riehle研究粒子在一個實驗室平板式靜電除塵器的輸運，在某種程度上，其收集效率不會受到二次效應的影響 (如撞擊損失,反電暈)。這種情況好比在濕式墻體靜電除塵器里的情形，在這些條件下,他還得出了比理論預期好很多的效率值。Schmid通過測量靜電除塵器收集電極附近的粒子通量密度，得出了同樣的結(jié)論。為了驗證上述由光散射分析器得出的結(jié)果，用階式撞擊取樣器測量出其它的值并得出類似的分級效率。顯然, 結(jié)合了Cochet定律的簡單Deutsch模型不能正確地描述粒子的收集。事實上我們可以看到對顆粒軌道計算的一個說明, 包括電場的非均勻分布,這導致了分級效率的明顯提高 [12]。此外,可以預見的是,這些微粒帶有的電荷可能高于由Cochet模型假定的值。 因電氣風力，效果可能無法解釋測量數(shù)據(jù),而且實驗是在圓柱幾何即中軸對稱中進行的。 展示這個圖的實際大小 圖.5 比較分級效率的測量值與計算值 當然,一個重要的問題這是按比例增加。圓柱幾何不僅有利于內(nèi)表面液膜的形成，而且, 可以根據(jù)所需要處理的氣量，通過改變收集管的數(shù)量使具有不同處理能力（但具有相同的收集效率）的靜電除塵器正常運行。除了這種按比例增加或減小的方法，要設計一臺靜電除塵器時小管道也是一個重要的參量。對于板式靜電除塵器，基于現(xiàn)有的方法發(fā)展出一種新方法用于預測不同直徑的的管狀靜電除塵器的收集效率。當不同直徑的兩個靜電除塵器從幾何角度來看是相似的,而且他們等速度運行的時候,一個無量綱電壓, U′=U/(ERSE) (U:外加電壓, RSE:噴射電極半徑, E:電場強度), 必須保持恒定,以得到一致的分級效率曲線。這種方法使得要設計出任何不同直徑的靜電除塵器都是有可能的，而這基于測量一個固定幾何體所得的實驗結(jié)果。 要描述一臺除塵器，除了收集效率,能耗也是一個重要方面。對于濕式凈化器，應充分研究具體能耗和界限粒徑（收集效率為50％的顆粒的粒徑）的關系?？偟内厔菔悄芎碾S界限粒徑的減小而增加。根據(jù)Wicke 和 Holzer [14]，以經(jīng)驗最佳曲線所作的一個比較表明，從收集效率和能耗來看，靜電除塵器的性能優(yōu)于各類濕式凈化器。 上述結(jié)果指出,不斷灌淋的管狀靜電除塵器顯示出優(yōu)越的性能,而且能耗適中。由于這個原因,他們有利于極細微粒的收集，特別是當顆粒是粘性的或懸浮在潮濕氣體的時候,和當要求達到最高效率的時候。一些典型的應用,例如汽車回收廠, 危險或醫(yī)療廢棄物焚化爐,顏料生產(chǎn)廠，硫酸廠,焦油收集,玻璃纖維成型線,土壤再生和燒結(jié)廠。 4. 濕式凈化器 由于顆粒（密度為ρp）與直徑分別為x 和 dc的液滴之間存在相對速度，液滴接近塵粒，依靠慣性作用, 濕式凈化器就能對顆粒進行分離。決定性的參數(shù)是慣性參數(shù) (6) 對于超微末微粒，減小Ψ，分離效率就會下降到不可接受的很小的值。各種方法都被提出以克服這一影響。Schmidt ， L?ffler [15] 和 Ebert et al. [18]共同研究由充電微粒和/或液滴靜電產(chǎn)生的附加靜電效應的影響，而Krames 和 Büttner [16] 則通過湍流擴散，解釋對于小于1μm的顆粒所能提高的分離效率。Ebert et al. [17]還探討了不同類型的濃縮效果以產(chǎn)生更大的影響，即顆粒的慣性參數(shù)越大越容易收集。雖然濕式靜電除塵器可用于分離固體和液體顆粒物或粘性極強的粒子, 但濕式靜電除塵器的其中一個缺點是因高電壓的供給使得投資成本較高,而這個供壓系統(tǒng)的大小幾乎是獨立的。因此,對于少數(shù)1000 m3/h的小流量系統(tǒng)，正研究另外一種方法來代替濕式靜電除塵器，以提供給類似的應用。 人們正在研究帶有六個1.8m長濾芯的布袋除塵器，它能在潮濕的情況下運行。在布袋室里, 位于濾芯下面的兩相噴嘴會產(chǎn)生小液滴。這些液滴與濾袋表面的粉塵顆粒同時被收集。這個結(jié)構的穩(wěn)定運行取決于某種過濾介質(zhì), 過濾速率(氣/布比)以及氣液流速比。在濾袋表面收集的液滴形成一層間斷的液膜，這層液膜能去除已收集下來的粉塵粒子。實驗裝置如圖.6所示. 通過一個光散射儀和一個TSI SMPS-系統(tǒng)，用重量分析法測量灰塵和液滴的粒度分布。用等動力來獲得樣品。實驗使用平均大小為x50.3=8 μm的石英灰和二氧化鈦的納米級顆粒物(x50.3=0.3 μm)。圖.7表明氣/布比對分級效率的影響較小。因為通過噴嘴的液體流量保持恒定，所以液體與氣體的流量比L/G也應隨之改變。 展示這個圖的實際大小 圖.6 濕式布袋除塵器的實驗裝置 展示這個圖的實際大小 圖.7 氣布比fB對分級效率的影響 圖. 7表明即使對于超微末微粒，分級效率也能達到很高。用SMPS-系統(tǒng)分析二氧化鈦納米級顆粒物的額外測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其與目測系統(tǒng)測量的石英顆粒所獲得的結(jié)果非常一致(圖8)。但是,對于小于300nm的顆粒，其分級效率會迅速降低,領導分離效率極低。這一效應是由于形成剩余鹽粒子而令小液滴蒸發(fā)導致的。這個效應是從凈化器的實驗中得到的，它表明可見顆粒物的大小與實驗用水的含鹽濃度有關。這一假設也與過濾后液滴大小分布的測量結(jié)果相符。我們發(fā)現(xiàn)下降顆粒的大小分布集中到小顆粒上,液滴總量隨過濾速度的增大而增加。 展示這個圖的實際大小 圖.8 用濕式袋式過濾器獲得的分級效率 這個例子僅說明凈化器的性質(zhì)與分滴器的一樣。過濾器的性能也是取決于所選擇的過濾介質(zhì)。超過20種過濾介質(zhì)被測試長達數(shù)天。目前,對過濾介質(zhì)的選擇確定出指導方法還是言之過早?？梢杂冕槡趾头强椩煳?。然而過濾介質(zhì)安裝上一層隔膜后,導致高壓降至100mbar以上而不可取。 5. 織物過濾器 5.1.織物過濾器對納米級顆粒物的分離 氣體的流速從幾立方米每小時到數(shù)百萬立方米每小時，織物過濾器可用來分離氣體中的顆粒物，幾乎可以使用所有可得到的建筑材料。在原料氣體中的粉塵濃度可能會從小于1g/m3變到100 g/m3。即使對于超微末微粒，其清潔氣體濃度也能達到5mg/m3以下。個別情況下,即使?jié)舛戎颠h遠低于1mg/m3也是可能的。袋式過濾器的運行情況取決于布袋室的幾何特性，原料氣體的流體流動分布，濾料的種類和形狀,氣體組成,溫度，壓力以及粒子特性。氣體流經(jīng)多孔過濾介質(zhì)，把粒子輸送到濾芯。經(jīng)過短暫的初始周期，粒子在濾料表面被分離。塵土塊的形成導致壓力增量的下降,所以濾芯必須定期再生，即必須去除塵土塊。因為塵土塊本身是一個非常有效的過濾介質(zhì)，所以濾芯再生后排放量會立即達到最高，而且減小量一般在塵土塊的增加量之上。優(yōu)秀的書L?ffler et al. [19]對這一領域給出了總的看法。圖. 9示意性的表示了織物過濾器的主要運行過程。 展示這個圖的實際大小 圖.9 布袋除塵器的運行主體 織物過濾器可用于難分離的塵土顆粒物的分離。通常, 粒子的分離不是一個主要的關注要點。只有極為自由滑動的塵粒(例如表面改良氧化鋁粉)是要被分離的,且不會形成塵土塊，而由于不理想的潔凈氣體濃度和濾料的堵塞可能會產(chǎn)生問題。由于極微細的顆粒,兩個主題都必須考慮到。首先, 布袋室原料氣體的氣流量應有助于細微顆粒沉淀在漏斗里,即應該是一個向下的結(jié)構。其次, 再生過程中，分離力必須克服塵土塊的粘附力(見圖. 10)。再生系統(tǒng)的正確設計(比如脈沖式噴氣再生)能產(chǎn)生很強的分離力，因為電壓波是沿著濾袋移動的。根據(jù)這些原理，系統(tǒng)已運行了數(shù)年。圖. 11表示。過濾器的一個實例，當蒸汽噴嘴在約130°C下運行時，這個過濾器能在含有幾乎百分之百的水蒸汽的氣體里分離二氧化鈦顆粒物。運行條件是:流量，50000m3/h；顆粒濃度, 氧化鈦150g/m3，小于1μm的顆粒物100%。連續(xù)運行時排放量均小于20 mg/m3。原料氣從頂部進入，通過清潔氣室至底部,使一個近乎理想的向下結(jié)構順利運行。該布袋室是熱的，而且保溫,所以水蒸汽不會冷凝。通過一個脈沖式噴氣再生系統(tǒng)，運行時過濾介質(zhì)能在線再生。在脈動式噴氣發(fā)動機里，脈沖氣體被加熱以避免結(jié)露[30]。 展示這個圖的實際大小 圖.10 在表面過濾中塊的去除 展示這個圖的實際大小 圖.11 蒸汽噴嘴后過濾器對二氧化鈦的去除。 經(jīng)過火焰反應器后，二氧化鈦在火焰水解過程中也可以被直接收集。在這種情況下,可使用在約400°C下運行的高溫過濾器。表面過濾器也用于分離在氣相里產(chǎn)生的煙硅土, 炭黑和其他多種納米級顆粒物。 5.2.符合應用要求的過濾介質(zhì)的選擇 物理模型有助于過濾風速的選定，因而一個布袋室的大小暫時不適用于工業(yè)實踐。這一設計取決于供應商和用戶的經(jīng)驗。在這種情況下,物理設計模型是不可用的,要求用簡單的實驗技術確定相關參數(shù)。根據(jù)Sievert [20], G?ng 和 L?ffler [21]的研究結(jié)果，G?ng 發(fā)現(xiàn)了一個新的適用于描述可再生過濾介質(zhì)性質(zhì)的VDI指標。在這個實驗中,粒子相當分散地流入垂直的原料氣體輸送管中，并被輸送到濾芯, 濾芯安裝在水平的清潔氣體輸送管末端。用5 m3/h的流量，這一流程可模擬過濾過程。所測量的參數(shù)是壓降,再生后的剩余壓降, 再生效率取決于脈沖調(diào)制時的過壓和干凈氣體的濃度。因此，為某種塵土的收集選擇一種過濾介質(zhì)是有可能的。Sievert 指出，用coupon 檢測器測量所得取決于過壓的再生效率值，與在濾袋表面測量的本地值相當。 為了比較由VDI-單元所獲得的結(jié)果和一個更大的工業(yè)試驗過濾器的過濾運行，VDI-系統(tǒng)的清潔氣體零件被安裝在一個濾袋室里，這個濾袋室有40個2.4m長的濾袋。根據(jù)圖.12，一個濾袋移除而VDI-檢查器的潔凈氣體輸送管則設置在濾袋里。小樣品過濾器在過濾速度相當于濾袋平均過濾速度的情況下運行。對一排連續(xù)4個濾袋室進行同時再生。樣本過濾器里的最高超壓值與樣本過濾器濾袋里的是相似的。圖. 13表示濾袋壓降梯度與基于過濾速度的樣本過濾器的壓降梯度的一個比較。 展示這個圖的實際大小 圖.12 濾袋里過濾器樣本的安排 展示這個圖的實際大小 圖.13 一個濾袋室與一個小過濾器樣本的壓降梯度的比較 這兩條曲線是類似的,表明樣本過濾器中的塵土塊結(jié)構與濾袋中的相似。樣本過濾器中與濾袋表面不同位置的塵粒(石灰石)的粒度分布是相似的,即沒有發(fā)生隔離。然而,濾袋室的最大過濾風速尚不能由VDI-檢測器測定。當過濾速度超過2.2 m/min,濾袋室的剩余壓降開始增長(即運行變得不穩(wěn)定)，而VDI-檢測器可穩(wěn)定運行直到過濾速度達到2.8 m/min, 即使在脈沖式噴氣再生時，這兩種情況的過壓也是相似的。之所以有這樣的差別是因為濾袋室中流體的流動分布。Coupon檢測器給出過濾速度的最大值，因為即使不考慮流體的流動分布，介質(zhì)依然能再生。這些結(jié)果表明,這臺小過濾檢測器可以方便地用來測定含難分離塵土物的流體。測試提供了可靠的數(shù)據(jù),以預測壓降并假設塵土塊可去除。濾袋室再生系統(tǒng)的設計,可以根據(jù)VDI-系統(tǒng)的初步檢測結(jié)果〔23〕。 5.3.干式凈化器 干式凈化系統(tǒng)包括一個氣流反應堆和一個補收裝置,例如: 同時收集顆粒物和氣體組分的袋式除塵器。吸附劑顆粒進入反應堆，而分散實質(zhì)上是為了使固體吸附劑顆粒表面的氣態(tài)污染物的傳質(zhì)數(shù)達到最大。當顆粒物運輸?shù)酱匠龎m器時發(fā)生吸附，固體顆粒物被收集在濾袋表面。吸附劑顆粒通常小于50-100μm, 所以氣孔在微米范圍內(nèi)分離顆粒物時會形成塵土塊。這時塵土塊則用來作為一個極短擴散距離的高效固定床反應堆。 下面給出了分離粘性極強的固體和液體顆粒物的一個例子。由焦炭,瀝青和焦油形成的碳是構成電極的一種重要原料。比如在鋁工業(yè)上使用這些電極作為陽極用于電解。陽極焙燒爐排出的油煙,除了含二氧化硫和氫氟酸外，還含固態(tài)，液態(tài)和氣態(tài)的高濃度多環(huán)芳烴(PAH),這些都是極粘性物質(zhì)。傳統(tǒng)上,油煙處理系統(tǒng)由蒸發(fā)冷卻水塔以及后續(xù)處理的靜電除塵器組成。蒸發(fā)冷卻器降低氣體溫度以凝聚碳氫化合物，并在靜電除塵器中以液滴狀態(tài)收集起來。評價油煙處理廠,不僅要根據(jù)其排放量,還要根據(jù)本身的清洗過程所產(chǎn)生的剩余物量。對于閉環(huán)式焙燒爐，圖.14示意性的描繪了其油煙處理技術的一個決定性進步〔24〕。 展示這個圖的實際大小 圖.14 對于閉式環(huán)形爐系統(tǒng)采用間接冷卻和氣體吸附. 用一個間接冷卻器將煙氣冷卻至70℃。大量碳氫化合物凝結(jié)在熱交換器外面。固體塵土和焦油微粒連同液滴被收集在靜電除塵器中。經(jīng)過閉環(huán)式焙燒爐后, 塵土粘度/焦油混合度達到很高并具有足夠的流動性。經(jīng)過靜電除塵器, 用一干吸附裝置收集剩余顆粒物和吸附氣體組分。汽油焦炭,球磨機粉塵或氧化鋁均可用于吸附。這些材料來自于反應過程(電極生產(chǎn)或鋁電解)，而且可以反向循環(huán)重新回到反應過程,不需要使用附加材料。對于一個長期穩(wěn)定運行的操作，具有一層十分厚的預涂材料塵土層是必要的，這一塵土層可以防止過濾介質(zhì)被粘性極強的焦油粒子堵塞。工業(yè)經(jīng)驗表明,在這些極端條件下, 即使不更換濾袋，系統(tǒng)也可能運行數(shù)年。 圖. 15表示在油煙處理廠里的測量結(jié)果。經(jīng)過靜電除塵器和潔凈氣體中的干式凈化器后，測量原料氣體中多環(huán)芳烴組分的濃度。由GC-MS分析得出分析結(jié)果。蒸氣壓由左至右減少，沸點最低的組分是菲(PHE)而沸點最高的組分是苯并芘(DBP)。一般來說, 降低組分的蒸氣壓可以使得收集更加容易。 展示這個圖的實際大小 圖.15 經(jīng)過一個封閉式的環(huán)型爐后，在含間接冷卻 的一個煙氣治理中，測量氣態(tài)多環(huán)芳烴組分的濃度 組分還含有屈 (CHR)如苯并( a )芘( BaP ) ,因此減少到低于檢測限值。用汽油焦炭來運行的干式凈化器，可減少組分，直到芘(PYR)低于檢測限值。具有最高蒸氣壓的兩個組分,即菲(PHE)和蒽(ANT)，不能用給定的吸附劑將其全部去除。這個例子表明,即使是粘性極強的焦油微粒也可以用織物過濾器有效地除去。顆粒物排放量均低于5 mg/m3 。 6. 高溫過濾 由于空間限制,在這篇論文中高溫過濾只作簡要論述。在幾個會議記錄中，回顧了高溫氣體凈化技術[ 25 , 26 和27 ]。[28] 描述了采用剛性陶瓷過濾器凈化氣體時塵土物的影響。一般來說, 高溫過濾技術的應用受兩個重要因素的限制: ? 建筑材料和過濾介質(zhì)材料成本高 ? 難分離塵土物 在高溫下塵土物可燒結(jié),因此必然堵塞過濾介質(zhì)。例如，通過Pilz 和 L?ffler [29]，我們可以觀察到以上的情況, 他們在溫度高達900℃下，研究飛灰過濾過程。他們發(fā)現(xiàn),灰燼中少量的氯化物 (如氯化鈉,氯化鈣)相當程度地影響了再生行為。因此, 應仔細考慮塵土物的燒結(jié)。表2列出了膨脹計的測試結(jié)果,指出了燒結(jié)的危險。作為一個單憑經(jīng)驗的方法,熔化溫度在約60%以上時，燒結(jié)嚴重地影響了粉末的流動性。當發(fā)生混合時, 必須加以考慮低熔點共晶。通過用惰性粉塵層預涂過濾介質(zhì)可以克服由燒結(jié)粒子引起的問題。然而,在一個高壓高溫的過濾系統(tǒng)里，預涂整合是非平凡而昂貴的。另一個辦法是使用顆粒過濾器,當溫度高于1000 °C灰燼熔化了的時候，這是唯一可行的選擇。 高溫濾芯可分為由纖維或顆粒構成的玻璃，陶瓷及金屬過濾介質(zhì)。對于陶瓷及金屬材料,可以得到以纖維織物，機織織物和燒結(jié)顆粒形式產(chǎn)生的不同結(jié)構。金屬元件的最高運行溫度取決于鋼的等級,范圍高達600℃。而陶瓷元件的運行溫度可超過850℃。 大部分市售的濾料具有良好的分離特性,并在某種程度上可靠耐用。用重量分析法測定的潔凈氣體粉塵濃度通常遠低于1 mg/m3 。用光學粒子分析儀測定的清潔氣體濃度則可在0~1.0微克每立方米(μg/m3)的范圍內(nèi)。對于納米級顆粒物，比如說煙硅土，可以達到良好的分離效率。煙硅土塊的阻力比石英獲得的阻力高三個數(shù)量級〔31〕。 高溫過濾技術的經(jīng)濟劣勢是價格昂貴, 包括過濾元件和建筑材料，這限制了高溫過濾在更廣闊空間的發(fā)展。因此,人們正努力發(fā)展一種有效而經(jīng)濟可行的過濾介質(zhì)。通過使用玻璃纖維織物介質(zhì)，涂上一層薄的陶瓷，并用一個特別設計的固定器將其固定，從而實現(xiàn)目標。這一新的過濾介質(zhì)對于大多數(shù)的空氣都具有良好的耐化學性,而對于氟氣和強堿性氣體除外。首次經(jīng)驗(催化劑粉塵的回收)，溫度在300至400℃之間，其效果良好〔32〕。 7. 總結(jié) 從難分離塵土物中分離出固體和液體顆粒的方法是多種多樣的。綜觀顆粒分離的物理基本原理,不難發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新的解決方案。仔細分析過程中的塵土物是設計一種氣體凈化過程的一個先決條件。要達到此目標的主要方法有: ? 通過對顆粒引入附加力來提高傳送機的效率(例如氣旋 ) ? 改變粒子集合,使它們能較容易收集 (如凈化器中的非均質(zhì)濃縮) ? 通過預涂避免過濾介質(zhì)堵塞(如焦油收集) ? 系統(tǒng)地研究分離裝置; 可能仍可發(fā)現(xiàn)有令人驚訝的結(jié)果 (如靜電除塵器) , ? 萬一燒結(jié), 可能需要改變過程中的技術。 Industrial separation of fine particles with difficult dust properties W. Peukert and C. Wadenpohlb a Institute of Particle Technology, Technische Universit?t München, Boltzmannstrasse 15, 85748 Garching, Munich, Germany b Hosokawa Micron GmbH, Welserstr. 9-11, 51149 K?ln, Germany Available online 25 July 2001. Abstract This paper describes possibilities to separate particles with difficult dust properties from gases. Difficult dust properties are related to extreme values of particle size and shape and to the flowability, the adhesion properties or the reactivity of the particles. Special emphasis is given to submicron particles. In cyclones, conductive particles such as diesel soot can be removed by means of additional electrostatic forces. Experimental investigations into wet tubular electrostatic precipitators show that the measured separation efficiencies are much higher than theoretically anticipated. This result is explained by higher particle charges than predicted by the existing charging models. For small flow rates where electrostatic precipitators are economically not feasible, a new type of wet scrubber may be an alternative. The critical issue of surface filters is the adhesion of the dust cake at the surface of the filter medium. Regeneration of the dust cake as well as trends for the separation efficiency can be determined by small coupon testers which can be used for lab investigations and for field tests. Surface filters are widely used in industry for the separation of nanoparticles. Even extremely sticky particles such as tar particles can be removed by surface filters if a precoat layer protects the filter medium. It is shown that by looking at the physical fundamentals of particle separation, new and innovative solutions can be discovered. Guidelines for the separation of particles with difficult dust properties are given. Author Keywords: Dust properties; Cyclone; Electrostatic precipitator; Wet scrubber; Bag filter; Dry scrubbing 1. What are difficult dust properties? Widely used industrial separators for particles from process streams are cyclones, electrostatic precipitators (ESP), scrubbers and filters. In each separator, the particles have to be transported to a collecting surface by transport mechanisms, must adhere to this surface due to adhesion forces (with the exception of cyclones where the particles are transported in a boundary layer flow to the hopper) and must be removed from the separator in order to enable a continuous operation. These principles are summarised in Table 1. Table 1. Collecting surface in gas cleaning devices This paper discusses how the individual separators can be used for collection of particles with difficult dust properties. Considerable progress was made in this field during the last years. Examples are given how the separators are used or may be used in industrial applications. Dust particles are difficult to separate or to handle if, ? the flux density of the particles to the collecting surface is low (i.e. the collection efficiency may become too small), ? the particles do not adhere to the collecting surface (i.e. sticking efficiency is small), ? the particles can not be removed from the collecting surface or from the separator (e.g. due to their strong adhesion forces and/or poor flowability), ? the particles have extreme mechanical or chemical properties (e.g. very hard or very soft particles, particles with high reactivity), ? mixtures of solid and liquid particles do occur. Table 2 summarises difficult dust properties and gives examples how to measure them. A very important parameter is the particle diameter. In inertia-dominated separators (e.g. cyclones, scrubbers), collection efficiency drops sharply for x<1 μm and for very low-density particles. In surface filters, however, even extremely fine particles can be separated with high efficiency due to the sieving mechanism of the dust cake. For fibrous particles, extremely high separation efficiencies may be needed due to the high impact of some type of fibers to human health (e.g. asbestos). Fibrous dust can cause problems due to clogging, an effect which is well-known for instance, in surface filters, when the distance between the individual filter bags is too small. Flowability is an important criteria for the transport of the dust out of the separator. If the particles are sintering, e.g. reactive powder paint particles or particles with chlorine components in high-temperature filtration applications, caking and/or problems due to dust cake removal can occur. Abrasive particles can be harmful in all applications where these particles have a high relative velocity to walls (e.g. near the cyclone apex or near the raw gas inlet in poorly designed bag-houses). Abrasive particles are characterised by specific shapes like sharp edges and high values of their hardness. Typical examples are dusts from grinding or polishing applications or ceramic particles like SiC. In the case of reactive (explosive) particles, special care has to be given to the selection and the design of the individual separators. ESPs, for instance, should generally not be used since spark ignition can hardly be avoided. Hot or glowing particles are a specific problem to fabric filters, which can be solved by keeping an inert protective precoat layer on the filter element surface. Table 2. Difficult dust properties Particles with one or more of these properties occur in a wide variety of applications. These range from the flame synthesis of nanoparticles in the gas phase to condensation aerosols which occur in the wood industry, in soil remediation, in waste recycling processes or in municipal waste incinerators, to name only a few. An overview of the various methods for particle separation can be found in the books from L?ffler [1] and Seville [2]. In this paper, some new methods for separating particles in industrial applications are described. The results were obtained during the years the author spent in industry with Hosokawa Mikropul. 2. Cyclones In cyclones, particles are usually separated by means of centrifugal forces. This limits the applications of cyclones in industrial applications to particles larger than 1–10 μm. Finer particles can only be removed if some additional means are employed. In principle, one possibility is the agglomeration of the particles before or directly in the cyclone. Agglomeration upstream the cyclone, or any other separator, can in principle be realised by employing bipolar charging of the particles by means of electric fields or by using acoustic fields. These methods are so far not very successful in industry. Agglomeration in the cyclone due to hydrodynamic effects is called kinematic agglomeration, according to Mothes and L?ffler [3]. Larger particles settle in the centrifugal field faster than smaller ones and may therefore collect some of the finer particles. Although this effect can, in pri