固阀塔板对煤气化飞灰洗涤净化性能的实验探讨

固阀塔板对煤气化飞灰洗涤净化性能的实验探讨

杨增光

关键词：固阀塔板；飞灰颗粒；洗涤效率

现阶段，对塔板上气液两相局部流动特性的研究，一般都从浮阀塔板、筛孔塔板、泡罩塔板的层面入手，而很少涉及固阀塔板的研究。泡罩塔板与筛孔塔板是最为常见的塔板，随着对塔板研究的不断深入，这两种塔板的缺陷日益显现。由于筛孔塔板的气速方向与雾沫夹带方向成平行关系，所以易加剧物沫夹带情况，降低操作效果；浮阀塔板的造价较高、结构复杂，并且一些部件会降低塔板抗阻塞能力。相比之下，固阀塔板能够弥补以上三种塔板的弊端，其优势具体体现在以下方面：固阀塔板对阀孔结构进行了特殊设计，使气体经过阀孔平行于板面方向喷出，这样一来，改变了筛孔塔板中气体流动方向平行于雾沫夹带方向的状况，使两者呈90°直角关系，有利于减少雾沫夹带；固阀塔板阀孔的四周开度一致，能够保证气体经过阀孔均匀分散，进而产生均匀气泡，增强泡沫层的稳定性；固阀塔板是一种优异的塔板，虽然传质性能与浮阀塔板一样良好，但是其造价却明显低于浮阀塔板。

在固阀塔板上，其周围气液接触状况较为复杂，使得气泡行为或气液两相局部流动特性能够对固阀塔板性能的好坏起到决定性作用。要想分析气液两相流动情况就会必须了解气液两相局部流动特性，而现有的文献只对其进行了定性描述。为此，本文通过实验对固阀塔板对煤气化飞灰洗涤净化性能进行研究。

1.煤气化飞灰的形成概述

在煤气化的过程当中，除了会产生出合成气之外，还会随之产生出大量的颗粒物，这些颗粒物即飞灰。相关研究结果表明，粒径分布是飞灰最为重要的物质性质，它对气化炉的气化效率、飞灰脱除以及灰的综合利用均有一定的影响[1]。相关研究结果表明，当煤气化飞灰的粒径过大时，非常容易引起气化炉管路堵塞和炉内积灰等问题，同时，飞灰的粒径过小则很难被脱除，这样一来飞灰便会随着合成气进入到下游的工段当中，因细小的飞灰颗粒容易出现富集痕量元素，从而会加剧设备腐蚀和磨损，并且还可能引起催化剂中毒等问题。通常情况下，煤粉在正常燃烧或是气化的过程中，会生成两类飞灰，即细灰和残灰，这两类飞灰颗粒的形成机理完全不同。

1.1细灰的形成机理

在高温燃烧气氛中，煤的气化产物会持续不断地向外扩散，当这些产物在焦炭的边界区域遇到氧之后，会出现氧化反应，进而生成对应的氧化物[2]。而无级蒸汽饱和时，部分气分会形成非常细小的颗粒，还有一部分会凝结在周围已经形成的颗粒之上，当颗粒之间发生互相碰撞后，会出现凝并现象，此时的颗粒便会不断增大，由此可知，气化与凝结是细灰形成的主要过程。

1.2残灰的形成机理

在煤气化的过程中，占主导地位的残灰颗粒一般都是微米级，而残灰本身属于焦炭燃烧后下剩余的固体残渣，其来源为煤中的矿物，焦炭燃烧时表面会出现碳化反应，其中的矿物颗粒便会随之显露，并在高温的作用下形成球状灰滴，随着燃烧的不断进行，焦炭会逐步缩小，其表面上相邻的飞灰颗粒便会互相接触，进而聚合到一起形成粒径较大的飞灰，这便是残灰颗粒的形成过程。

2.固阀塔板的除尘机理分析

固阀塔板归属于鼓泡接触型洗涤塔的范畴，位于塔板上的液体全部都是经由降液管流到塔板上，再由开孔区与气体鼓泡相接处，而经过净化处理的洗涤液则是从另一条降液管流到下一层的塔板上。脱离开液层的气体会持续不断地上升到上一层塔板上，再次进行洗涤，经过若干层塔板和多次气液分离后，便可以达到预定的洗涤效果。有上述分析可知，板式洗涤塔主要是利用单元集尘体的方式来完成气体除尘的。气泡集尘体捕集飞灰颗粒的方式主要由以下几种：惯性碰撞、热泳作用、拦截等等。

2.1惯性碰撞

当含有飞灰的气流在气泡内自由循环时，因飞灰的惯性力大于气体分子，所以飞灰将会脱离气体流线，并继续向前运动直至与集尘体相碰撞，这个过程即惯性力沉降，它是捕获粒径较大飞灰的主要机理。

2.2热泳作用

当气体介质中存在温度梯度时，在力的作用下，微粒的方向会从热指向冷，这里所指的力主要是由微粒热侧与冷侧分子碰撞后产生的结果[3]。相关实验显示，在热区当中的介质分子运动非常剧烈，并且在单位时间内颗粒碰撞的频率也相对较高，而在冷区当中的介质分子运动较为缓慢，颗粒之间的碰撞频率也相对较低，由此使得两侧分子之间的碰撞次数存在差异，最终便会导致微粒从高温区不断地向低温区运动。这个过程即热泳作用，其也被称之为温差泳，如图1所示。

2.3拦截捕获

这种捕获方式是在不考虑飞灰颗粒本身质量以及颗粒之间互相碰撞的基础上，实现对飞灰颗粒的捕获收集[4]。沿着气体流线进行自由运动的飞灰颗粒既可以在流线与集尘体相交的表面位置处发生沉降，又能捕获到距离≥颗粒半径的全部颗粒。这种方式的捕集效率可用以下函数式表示：

在上式当中，Stk代表Stokes的准数，也被称之为惯性系数；则是指以被绕集尘体的特性尺寸所表示的雷诺数。

3.固阀塔板对煤气化飞灰洗涤净化性能的实验研究

3.1实验准备

3.1.1测量原理

利用电导探针测量气液两相泡状流中的气泡参数，能够充分发挥电导探针速度快、操作简便、体积小的优势，将其放置在流体中不会对流场产生影响，有利于确保测量的准确性[5]。如图2所示，探针1与2分别用Rx1与Rx2表示，在探针接触到不同的介质时，可导致Rx1与Rx2的电阻发生变化，通过对该变化信号进行处理，进而被送入信号采集系统，在信号输出时转换为电压输出。鉴于气液两相介质电导率存在差异性，使得电路中可产生两个不同的脉冲信号，所以利用电导探针可以获取气泡速度、气含率、气泡尺寸等有关气液两相局部流动特性的参数。

3.1.2信号处理

位于探针针尖位置处的传感器采用铂金材质制作而成，其直径约为0.18mm，探针上绝大部分都是绝缘的，只有针尖位置处约0.2mm是导电的，探针的另外一端与导线相连接，然后将导线置于带有直角弯头的不锈钢材质的钢管当中。双头电导探针设计的关键是两个针尖的距离，如果间距过小，时间延迟会比较短，这样会导致分辨率过低，有可能增大气泡尺寸与速度的计算误差；若是间距过大，则会造成无法准确判断获得的时间序列信号是否与同一气泡对应，由此会导致信号脱落率增大。为了避免上述问题出现，在本次实验过程中，通过了数次反复试验，最终确定两个探针之间的间距L为1.44mm。

3.2实验材料

3.2.1飞灰颗粒物

本次实验中的飞灰颗粒来源于气化炉，通过SEM测试工具对其实际形态进行表征。图3为飞灰颗粒物放大200倍和20000倍的效果图。

由图3中能够清楚地看到，飞灰颗粒物呈现出三种形态：不规则形状、颗粒物团聚体、球形颗粒物。其中不规则形态的飞灰颗粒物主要是由气化过程中煤焦颗粒物破碎形成的，颗粒物中含有一部分残炭成分；球形颗粒物主要是由于煤燃烧熔融形成的。

3.2.2分布情况

通过粒度测量仪器对飞灰的粒径进行了测量，结果图4所示。平均粒径为13.26。

3.2.3飞灰的主要成分

为了进一步了解飞灰的物理化特性，采用相关仪器对飞灰的成分进行了分析，具体结果如下：飞灰的化学组分为Si、C、O、Al、Ca、Mg、Zn、Fe，其中O的百分比含量最高约为43.2，Mg的含量最低仅为1.2%。

3.2.4飞灰密度

采用比重瓶法对飞灰的密度进行了测量，结果为1.863g/m3。同时，采用堆积法对其堆积密度进行测量，结果为0.845g/m3。

3.2.5飞灰比表面

采用比表面测量仪对飞灰的比表面积进行测量，结果为4.576㎡/g。

3.3实验装置

洗涤塔的材质为有机玻璃，内部直径为90mm，高度为830mm，板间距为150mm，塔板为单孔固阀塔板[6]。在鼓风机的作用下，将空气送入塔体下部，并经过气体转子流量计；在泵的作用下，将液体水送入上层塔板，并经过液体转子流量计。由计算机系统自动采集电导探针测得的信号，利用高速摄像机跟踪拍摄泡沫层内气泡聚并-破碎的全过程。

3.4洗涤率的计算方法

当整个实验过程趋于稳定之后，选取某一段时间内的=被过滤的颗粒质量进行测量，由此可得出净化后气体中颗粒的平均质量流量，再结合该时间进入塔内的颗粒质量，便可求出总洗涤效率，计算公式如下：

3.5结果与讨论

3.5.1粒度分布变化

在飞灰颗粒浓度为30g/m3、气体流量为5m3/h、液体流量为180L/h、固定颗粒粒径平均值为13.26的条件下，通过实验获取飞灰粒度分布变化情况如图所示，由此可见气体经过洗涤塔洗涤除尘之后，其颗粒尺寸大幅度缩小。

3.5.2气体流量对洗涤效率的影响

3-15的飞灰颗粒的洗涤效率如图6所示。由于15以上的飞灰颗粒的洗涤效率接近100%，故此不进行讨论。

从图6中可以看出，随着气体流量的不断增加，颗粒的洗涤效率也会随之不断增大，当气体流量增加时，会使塔板上气含率进一步增加，同时，还会增大气泡聚并与破碎的频率。此外，受到惯性撞击的作用影响，重力沉降会有所下降[7]。虽然气体流量的增加对飞灰颗粒的洗涤有积极影响作用，但是存在一定的消极影响，二者可以相互抵消，所以3-5的颗粒受气体流量变化的影响较小。

3.5.3液体流量对不同粒径飞灰洗涤效率的影响

如图7所示，在单层固阀塔板、飞灰浓度为30g/m3、气体流量为5m3/h的条件下进行实验，可以得出以下结论：随着液体流量的增大，不同粒度级颗粒的洗涤效率会随之增加。在飞灰颗粒和气泡充分接触过程中，单位有效气液界面积的大小决定了颗粒洗涤效率的高低。液流强度的增加虽然不会明显增多气泡数量，但是却会提高气泡表面液体的更新速率，可使得单位有效气液界面积得到一定程度的改善[8]。同时，液流强度的增加还能够在保证气含率不发生变化的情况，增加颗粒与气液接触面积的撞击率，提高飞灰颗粒随泡沫进入降液管的速度，从而使飞灰颗粒的洗涤效率明显提升。

3.5.4飞灰浓度对洗涤效率的影响

如图8所示，在气体流量为5m3/h、液体流量为200L/h的条件下进行实验，可以得出以下结论：随着飞灰浓度的增加，大于5的飞灰颗粒洗涤效率会随之增加，介于3-5之间的飞灰颗粒洗涤效率几乎不受其影响，小于3的飞灰颗粒洗涤效率会随之降低。

4.结论：

综上所述，本文通过实验对板式洗涤塔内的气体流量、液体流量以及飞灰颗粒浓度对固阀塔板洗涤效率的影响进行了研究，进而得出如下结论：粒径超过15的飞灰洗涤效率大致上可以达到100%，粒径为3-15的飞灰，其洗涤效率会随着气体流量的增加而增加；不同粒径飞灰的洗涤效率会随着液体流量的增加而增加；粒径为3-5的飞灰的洗涤效率受浓度影响较小。在未来一段时期，可将研究的重点放在多孔固阀塔板上，从而为洗涤塔洗涤效率的提升提供参考依据。

参考文献

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[3]于敦喜.燃煤细微颗粒物的模态识别及其形成机理[D].武汉:华中科技大学,2007.

[4]李群生.许莉.李通.新型导向圆盘形浮阀塔板的流体力学性能[J].北京化工人学学报(自然科学版).2011,6:4-9.

[5]秦岭.靳海波.杨索和.筛板结构对多级鼓泡塔中流体力学参数的影响[J].化学工程.2010,38(9):15-18.

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[7]毕可军.灰融聚流化床粉煤气化装置煤气洗涤水处理改进方案探讨[J].化肥设计.2011,20(4):74-76.

[8]林俊名.Shell煤气化飞灰过滤器国产化滤芯的应用[J].内蒙古石油化工.2013,17(8)44-45.

作者简介：杨增光，神华包头煤化工有限责任公司，1987年出生，男，汉族，内蒙古包头市人，高级项目管理师，注册安全工程师，中级工程师，能源与环境系统工程本科学历，硕士学位。