高溫帶壓煤氣粉塵質(zhì)量濃度的測(cè)定與分析

摘 要

摘要：介紹了高溫帶壓煤氣粉塵質(zhì)量濃度的測(cè)定方法，對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了分析，提出了提高旋風(fēng)分離器及系統(tǒng)效率的方案。關(guān)鍵詞：高溫；粉塵；質(zhì)量濃度；旋風(fēng)分離器效率Measurement and Analys
摘要：介紹了高溫帶壓煤氣粉塵質(zhì)量濃度的測(cè)定方法，對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了分析，提出了提高旋風(fēng)分離器及系統(tǒng)效率的方案。
關(guān)鍵詞：高溫；粉塵；質(zhì)量濃度；旋風(fēng)分離器效率
Measurement and Analysis of Coal Gas Dust Mass Concentration under High.temperature and Pressure Condition
LIU Deli，GU Huajin，HUANG Xiaowei，JIN Wei
Abstract：The measurement method of coal gas dust mass concentration under high-temperature and pressure is introduced，and the measurement result is analyzed.The scheme for improving the efficiency of cyclone separator and system is proposed.
Key words：high-temperature；dust；mass concentration；efficiency of cyclone separator
    含塵氣流的測(cè)定是工業(yè)上一項(xiàng)重要的氣體分析工作，通過含塵氣流的測(cè)定，不僅為除塵器的選型、設(shè)計(jì)提供必要的原始數(shù)據(jù)，而且為設(shè)備的即時(shí)操作、進(jìn)一步改進(jìn)，完善除塵系統(tǒng)提供可靠依據(jù)[1～2]?，F(xiàn)有報(bào)道主要是針對(duì)高壓(常溫)燃?xì)夤艿赖姆蹓m檢測(cè)[3～4]，而沒有在高溫帶壓條件下的燃?xì)夥蹓m測(cè)定報(bào)道。
   本文在等速取樣方法[5]的基礎(chǔ)上，對(duì)粉煤氣化反應(yīng)流化床的返料系統(tǒng)兩級(jí)串聯(lián)旋風(fēng)分離器進(jìn)行了含塵氣流測(cè)定，對(duì)樣品進(jìn)行了粒度分析，根據(jù)測(cè)定結(jié)果對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行了性能評(píng)定，最后提出改進(jìn)方案。
1 測(cè)定內(nèi)容與方法
   粉煤氣化返料系統(tǒng)高溫帶壓，并且測(cè)量介質(zhì)易燃易爆。由于第一級(jí)旋風(fēng)分離器出口與第二級(jí)旋風(fēng)分離器進(jìn)口通過管道相連，考慮到連接管道長(zhǎng)度超過2m，容易引起工藝條件變化，本測(cè)定在第一級(jí)旋風(fēng)分離器出口與第二級(jí)旋風(fēng)分離器進(jìn)口分別設(shè)置測(cè)定口，以獲取較佳測(cè)定結(jié)果。
1.1 測(cè)定裝置
    本測(cè)定采用在線取樣測(cè)定方式，粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定裝置見圖1，主要由取樣、冷卻、吹掃、收集和計(jì)量5部分組成，待測(cè)含塵氣體由待測(cè)管道進(jìn)入取樣管，經(jīng)冷卻裝置降溫后到達(dá)收集裝置，粉塵在收集裝置中被收集，最后氣流流經(jīng)計(jì)量裝置并放空。
 

    取樣部分包含取樣管、帶填料套管、活套法蘭。套管中的填料確保采樣過程無(wú)泄漏，活套法蘭拆卸方便，方便多次測(cè)定。冷卻部分采用逆流換熱，使氣體溫度降到可操作范圍之內(nèi)。吹掃部分由吹掃三通和外接高壓氮?dú)饨M成，如果取樣管發(fā)生堵塞，關(guān)閉閥門2，打開閥門1和3，用高壓氮?dú)獯祾?；如果后續(xù)系統(tǒng)發(fā)生堵塞，關(guān)閉閥門1，打開閥門2和3，用高壓氮?dú)獯祾?。收集部分主要由旋風(fēng)分離器和過濾器組成，在測(cè)定過程中，大顆粒粉塵被取樣旋風(fēng)分離器捕集，其余粉塵通過過濾器收集。分級(jí)收集能夠避免大量粉塵都集中在過濾器中而造成氣體阻力過大，確保測(cè)定連續(xù)性。計(jì)量裝置包括轉(zhuǎn)子流量計(jì)、累積流量計(jì)、秒表等。在測(cè)定時(shí)，可通過調(diào)節(jié)球閥1或2的開度，保證轉(zhuǎn)子流量計(jì)在平穩(wěn)狀態(tài)，這是確保等速取樣的關(guān)鍵所在。在一定時(shí)間內(nèi)通過測(cè)定裝置的氣體體積流量由累積流量計(jì)讀取。由于作業(yè)氣體介質(zhì)為有毒氣體(煤氣)，尾氣用橡皮導(dǎo)管輸送到遠(yuǎn)處放空。
1.2 取樣點(diǎn)的確定
    ① 取樣位置安排在氣流流動(dòng)穩(wěn)定、粉塵濃度分布均勻的直管段，避開局部渦流嚴(yán)重、氣流運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定、粉塵分布混亂的區(qū)域。最好選取在垂直直管段，這樣能有效避免粉塵在道內(nèi)沉降運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。理論上取樣點(diǎn)距離上游管道拐彎處長(zhǎng)度L1≥6D，取樣點(diǎn)距離下游管道拐彎處長(zhǎng)度L2≥3D，D為待測(cè)管道外徑。取樣時(shí)，取樣管開口對(duì)準(zhǔn)來流方向。
    ② 由于本次測(cè)定的管道內(nèi)徑均小于560mm，以及考慮到現(xiàn)場(chǎng)操作的可行性和安全性，忽略管內(nèi)氣體流動(dòng)對(duì)管道橫截面上粉塵濃度分布的影響，因此采用單點(diǎn)取樣。如圖1所示，單點(diǎn)取樣即將取樣管直接插到指定的取樣點(diǎn)上，在測(cè)定過程中不需要移動(dòng)取樣管，該方法操作簡(jiǎn)單，取樣誤差小。本測(cè)定直接將取樣管管口插入至待測(cè)管道中心點(diǎn)。
1.3 等速取樣
    等速取樣即保持進(jìn)入取樣管的氣流速度與管道內(nèi)該點(diǎn)的氣流速度相等，是避免取樣點(diǎn)氣流受到干擾、保證取樣正確的重要措施。由于粉塵的慣性作用，當(dāng)取樣管氣流速度小于取樣點(diǎn)管道氣流速度時(shí)，使測(cè)定含塵量偏高，反之偏低。
2 測(cè)定結(jié)果與計(jì)算
2.1 含塵濃度測(cè)定及旋風(fēng)分離器效率計(jì)算
通過測(cè)定裝置，可得到所收集的樣品質(zhì)量和累積氣體體積。為了計(jì)算相應(yīng)測(cè)定點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度，將測(cè)定數(shù)據(jù)統(tǒng)一換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下數(shù)據(jù)，取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度為0℃，壓力為101.3kPa。根據(jù)式(1)、(2)，可依次得到粉塵質(zhì)量濃度和旋風(fēng)分離器效率。
 
式中ρ——粉塵質(zhì)量濃度，g/m3
    m——測(cè)定裝置所收集的粉塵質(zhì)量，g
    V——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積，m3
   
式中ρ1、ρ2——旋風(fēng)分離器進(jìn)口和出口管道的粉塵質(zhì)量濃度，g/m3
    η——旋風(fēng)分離器效率
    為了獲取穩(wěn)定數(shù)據(jù)，在同一點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)定，最后將若干次測(cè)得數(shù)據(jù)取平均值，得出計(jì)算結(jié)果，見表1。
表1 旋風(fēng)分離器效率
測(cè)定位置
質(zhì)量濃度/(g·m-3)
旋風(fēng)分離器效率/%
第一級(jí)旋風(fēng)分離器進(jìn)口
2318.72
99.77
第一級(jí)旋風(fēng)分離器出口
5.44
第二級(jí)旋風(fēng)分離器進(jìn)口
5.47
33.10
第二級(jí)旋風(fēng)分離器出口
3.66
2.2 粉塵粒度分布
    粒度分析是表征旋風(fēng)分離器粒級(jí)效率的重要方法，通過粒度分析，可以直觀地分析旋風(fēng)分離器對(duì)顆粒粒度的敏感度，這對(duì)旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)具有重要意義。筆者采用新型大量程激光粒度儀對(duì)4個(gè)測(cè)定口所收集樣本進(jìn)行了粒度分析。
    第一級(jí)旋風(fēng)分離器進(jìn)口位置所收集粉塵的50%是由粒徑為70～100μm的顆粒構(gòu)成，大部分顆粒粒徑都集中在50～100μm，最大顆粒粒徑達(dá)到400μm，說明進(jìn)入旋風(fēng)分離器的顆粒比較大，比較容易分離。第一級(jí)旋風(fēng)分離器出口位置粉塵的50%是由顆粒粒徑小于35μm的粉塵構(gòu)成，極少顆粒粒徑達(dá)到100μm，大部分顆粒粒徑集中在25～35μm，顆粒粒度較進(jìn)入第一級(jí)旋風(fēng)分離器前明顯降低。
    第二級(jí)旋風(fēng)分離器進(jìn)口位置粉塵的50%是由顆粒粒徑為35～100μm的粉塵構(gòu)成，最大顆粒粒徑在100μm左右。這與第一級(jí)旋風(fēng)分離器出口所測(cè)得數(shù)據(jù)基本吻合，進(jìn)一步說明了該粉塵測(cè)定方法是科學(xué)可靠的。第二級(jí)旋風(fēng)分離器出口位置粉塵的50%是由顆粒粒徑小于19μm的粉塵構(gòu)成，而且粉塵粒徑主要集中在20μm左右。對(duì)比第二級(jí)旋風(fēng)分離器進(jìn)口粉塵粒度分布可知，粉塵粒度相對(duì)減小。
3 結(jié)果分析與改進(jìn)方案
   ① 由表1可知，第一級(jí)旋風(fēng)分離器效率達(dá)到99.77%，結(jié)合粉塵粒度分析結(jié)果可知，經(jīng)第一級(jí)旋風(fēng)分離器后的粉塵粒度明顯減小，尤其是大顆粒粉塵減少明顯，由此說明第一級(jí)旋風(fēng)分離器工作正常。第二級(jí)旋風(fēng)分離器效率為33.10%，結(jié)合粒度分析結(jié)果可知，粉塵粒徑在第二級(jí)旋風(fēng)分離器前后的變化很小，而且大部分20μm的粉塵沒有被收集，說明該旋風(fēng)分離器效率較低。
   ② 根據(jù)兩級(jí)旋風(fēng)分離器的使用狀況可知，第一級(jí)旋風(fēng)分離器效率基本正常，而第二級(jí)旋風(fēng)分離器效率偏低。主要有兩個(gè)原因：第一，單臺(tái)旋風(fēng)分離器性能較差，主要是第二級(jí)旋風(fēng)分離器對(duì)細(xì)顆粒粉塵的捕集能力較差；第二，旋風(fēng)分離器系統(tǒng)性能較差，兩級(jí)旋風(fēng)分離器之間的效率分配不合理。上?；ぱ芯吭簩?duì)旋風(fēng)分離器及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了尺寸優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)理念[6]，針對(duì)單臺(tái)旋風(fēng)分離器進(jìn)行尺寸和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；針對(duì)旋風(fēng)分離器系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，通過降低第一級(jí)旋風(fēng)分離器效率，使大顆粒粉塵流入第二級(jí)或第三級(jí)旋風(fēng)分離器，大顆粒粉塵對(duì)小顆粒粉塵有攜帶效應(yīng)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的除塵效率。單臺(tái)優(yōu)化與系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)高效率低阻力運(yùn)行。
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(本文作者：劉德禮1 顧華金2 黃曉衛(wèi)1 金偉1 1.上海化工研究院 上海 200062；2.上海市天然氣管網(wǎng)有限公司 上海 201204)