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陶瓷膜冷凝器用于烟气脱白烟过程以及气体含尘浓度对除尘效率的影响

2020-08-30 15:42:39
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一、陶瓷膜冷凝器用于烟气脱白烟过程

炼化、电力、冶金等行业产生的工业烟气在经湿法脱硫工艺后,烟温降至45~60℃,烟气中水蒸气的体积分数增至12%~20%,且其携带的低温余热相当于燃料热值的3%~8%。仅电力行业,每年随烟气排放的水蒸气量可达10.1亿吨,损失的低温余热相当于1亿吨标准煤的热值。如此可观的水及余热资源随烟气排人大气,不仅是资源的极大浪费,会引发“白色烟羽”、“石膏雨”、“雾霆”等环境问题。近两年,上海、河北、山西等地相继出台地方标准,明确指出企业需采取控制烟温、降低含湿量等措施“烟羽”、“石膏雨”现象,以达到保护城市景观,居民顾虑的目的。

膜冷凝是一种膜材料与气体吸附、冷凝相结合的新型膜过程,可凝气体在膜表面及孔内吸附冷凝并通过陶瓷膜进行传质传热。相较于传统金属换热器,陶瓷膜冷凝器具有耐腐蚀、回收水质高、传质传热并行的突出优点,在工业烟气的水、热回收及烟气脱白除尘器烟领域具有较强竟争力。近年来,膜冷凝过程引起国内外学者的广泛关注,表明行业对此类技术需求迫切。虽然目前有机膜用于膜冷凝过程的研究较多,但陶瓷膜因其优异的热稳定性和化学稳定性,仍然是未来该领域研究的主流趋势。

目前采用陶瓷膜冷凝器用于烟气的研究处于实验室小试阶段,均采用膜冷凝器且膜面积较小(0.005~0.03㎡)。

这些研究可以对膜冷凝应用于脱白烟(实质是脱除烟气中的水分)过程取得一些规律性认识,但离工业应用还有很大距离。单级膜冷凝器难以充分回收水分及余热,无法达到脱除白烟的目的。目前,国外关于多级膜冷凝器的中试研究报道很少,且研究多集中于操作参数对膜冷凝过程的影响;而国内有工业应用价值的多级陶瓷膜冷凝器的研究则未见报道。本文基于文献调研及课题组前期研究结果,采用管式陶瓷外膜制成三级膜冷凝器,并搭建膜面积0.3㎡的中试实验装置。系统考察膜冷凝器排布方式、进气状态参数、不同孔径陶瓷膜的排布方式对过程水、热通量及回收率的影响,并将膜冷凝器的总传热系数与传统换热器对比,从而为陶瓷膜冷凝技术的工业化应用提供基础数据及理论指导。

二、电除尘器的气体含尘浓度对除尘效率的影响

在电晕极和降尘极所形成的非均匀电场中,气体发生电离。电离产生的正离子向电晕极运动;电离产生的负离子(包括电子)向降尘极运动。正负离子各自向相反的方向移动,形成电风,这种电风的速度可达0.6~1.0m/s。由于晕外区比电晕区大得多,所以负离子在电场中的运动居于主导地位,即由负离子形成的电风是主要的。通过电场的粉尘微粒捕获负离子后,也成为带负电荷的粒子向降尘极运动,这种带电微粒的运动速度很慢,只有每秒几厘米,在电场中形成空间电荷。当气体的含尘浓度较低时,带电粉尘微粒受到电风的影响而加速向降尘极移动,改变了除尘效率,但当气体含尘量过大时,气体电离而成的正负离子为粉尘微粒所饱和,高速运动的电风为低速运动的带电微粒所代替,电风停止,高压电流几乎降低到零,电晕受到制约,气体电离受到影响,电除尘器除尘效率大大下降,导致电晕封闭现象的发生。为此,降低电除尘器入口处的含尘浓度,可以采取二次除尘的办法来解决,即含尘气体在进入电除尘器之前,先经过旋风除尘器或其它除尘设备进行预处理,以降低电除尘器的含尘浓度。此外,改变电晕极的形状例如采用芒刺形电晕极也有助于减少电晕封闭现象的发生。目前对造成电晕封闭的含尘浓度尚无实践资料,一般认为入口含尘浓度在40~60g/Nm³以下尚不致造成电晕封闭现象。

烟气消白设备含尘气体的温度高低主要影响粉尘的比电阻。在低温时,粉尘表面吸附物、水蒸气或其它化学物质的影响起主导作用,随着温度的升高,这种作用减弱,而使粉尘的比电阻增加。在高温时,尘粒本身的导电性能起主导作用,随着温度的升高,尘粒中质点的能量增加,导电性能增强,而使比电阻降低。

另一方面,气体的粘度和密度都与温度有关。温度升高时,气体质点运动的内摩擦力加大,因此气体粘度增大,从而使荷电粉尘驱进速度降低,电除尘器除尘效率随之降低。在一定的压力下,气体的密度与温度的变化成反比,而气体的击穿电压与密度成正比。也就是说,温度升高时,气体的密度减小,击穿电压降低,使电除尘器的除尘效率降低;温度降低时,气体密度增大,击穿电压升高,电除尘器除尘效率增大。从提高除尘效率的角度来看,应使含尘气体的温度低于160℃或高于430℃。