轉爐濕法除塵系統不粘絲網除霧特性研究

劉恩東 包向軍 張 璐 徐俊超 黃靜如 段 毅

(安徽工業大學能源與環境學院)

為了推動鋼鐵行業的超低排放改造，生態環境部明確要求鋼鐵企業轉爐顆粒物排放濃度要低于10 mg/m3[1]。目前，我國轉爐煉鋼產量占總產量的90%以上，但現有的轉爐除塵技術只能達到15 mg/m3[2]。統計表明，濕法除塵是目前轉爐煙氣除塵的主要技術之一。然而，濕法除塵過程中煙氣濕度大，當系統的除霧效率低時，大量的細顆粒隨液滴排放到大氣中，會導致煙氣顆粒排放不達標，且高濕煙氣對管道設備造成腐蝕，縮短使用壽命。在除塵末端采用除霧器脫除液滴能有效提高除塵效率，常見的除霧器按氣液分離原理可分為機械式、過濾式和靜電式三種類型[3-7]。目前常用的是板式除霧器，但是其只能分離粒徑在15 μm以上的顆粒，且運行阻力較大。絲網除霧器可以分離粒徑大于3～5 μm的顆粒，且具有運行阻力小、除霧效率高等優點[8-9]。因此，在轉爐濕法除塵系統中采用絲網除霧器有利于液滴和細顆粒的脫除。

近年來，針對絲網除霧器的研究主要集中在結構優化 (除霧器、絲網)和除霧效率的影響規律等方面[10-11]。龍靜華等[12]通過改變絲網除霧器的結構、進氣管位置和絲網材質，大大提高了除霧效率。王寶華[13]利用特殊編織方式改變了絲網目數，使1 μm以上霧滴的除霧效率達99%以上。李曉紅[14]設計了絲網支撐裝置并改變絲網層高度，大大提高了轉爐除塵效率。R.Kouhikamali[15]采用數值模擬進行研究，發現除霧效率隨著液滴直徑、氣流速度和填料厚度的增大而提高。學者們發現當氣流速度超過泛液氣速后，煙氣流過除霧器時會產生二次夾帶，導致除霧效率降低[16]。因此，研究轉爐絲網除霧器中液滴的二次夾帶現象，從而尋得其泛液氣速對轉爐濕法煙氣除塵的研究具有重要意義。目前，針對除霧器中液滴二次夾帶，大部分研究對象為濕法脫硫系統中的板式除霧器[17-18]，結果表明，當煙氣速度超過泛液氣速(泛液氣速為5～6 m/s)后，除霧效率會急劇降低。劉定平[19]發現增大葉片板間距和轉折角度均會加劇二次夾帶現象，使泛液氣速下降；江艷[20]發現10°傾斜布置水平板式除霧器且板間距為20 mm時，除霧效率最大，泛液氣速最??；張博[21]發現霧滴產生二次夾帶主要源于液膜的剝落和分離，隨著氣流速度的增大，轉角曲率半徑和轉角剪切力增大，而加裝雙鉤片可以抑制液膜的剝落與分離，從而改善液滴二次夾帶現象。目前在轉爐濕法煙氣除塵系統中，對于絲網除霧器的絲網結構布置優化和液滴二次夾帶還有待進一步研究。

為此，文章搭建了絲網除霧實驗平臺，研究不同氣流速度下，含水量、絲網層數、絲網目數對除霧效率的影響，探討氣流速度和絲網布置方式對除霧效率的影響，為絲網除霧器應用于轉爐濕法除塵系統工業應用提供實驗參數。

1 實驗部分

1.1 實驗系統

文章搭建了絲網除霧實驗平臺，如圖1所示。實驗平臺的主體為除霧塔，除霧塔的尺寸以某鋼廠脫水塔參數為參考，按相似準則1∶10比例設計。實驗采用青島精誠儀器儀表有限公司生產的JH-60E-D型自動煙塵煙氣測試儀測量粉塵濃度，依據JJG680-2007《煙塵采樣器檢定規程》等五項標準，符合國家環保局頒布的煙塵采樣儀有關規定。該儀器由于內置微處理器測控系統，可滿足靜壓、動壓、溫度、速度和含濕量的跟蹤監測，采樣原理為等速跟蹤采樣。霧滴檢測器在塔高1 100 mm處進行測量，除霧塔的具體尺寸與材質如表1所示。

表1 除霧塔具體尺寸和材質

圖1 絲網除霧實驗平臺系統

1.2 實驗方案

轉爐煙氣中存在的氧化鈣等與水分接觸后容易凝結成粉塵，在使用過程中會堵塞除霧裝置，因此試驗中選用了不粘鋼絲網。實驗方案的具體參數如表2所示，實驗控制氣體流速為2.5～4.5 m/s，其他條件一定，以控制變量法研究含水量、絲網層數和絲網目數對除霧效率的影響。

表2 除霧特性實驗方案

1.3 實驗步驟

(1)測量含水量。系統穩定運行后，采用五點取樣法各持續采樣5 min，對逃逸液滴進行收集。根據霧滴捕集器采樣前后的質量差以及采樣的氣體體積，計算單位煙氣體積內的霧滴質量。為了保證實驗結果的準確性，含水量測試取3次采樣的平均值。根據公式(1)計算不同工況下的含水量。

W=Δm/Q=(M1-M0)/Q

(1)

式中：W為含水量，即霧滴含量，mg/m3；Δm為霧滴質量，mg；Q為煙氣體積，m3；M1為采樣后液滴捕集器質量，mg；M0為液滴捕集器自重，mg。

(2)以空塔狀態下的煙氣含水量為基準，結合不同工況下的含水量，利用公式(2)計算除霧效率。

η=ΔW/W0=(WX-W0)/W0

(2)

式中：η為除霧效率，%；ΔW為含水量差，mg/m3；W0為無絲網時除霧器出口霧滴含水量，mg/m3；WX為有絲網時除霧器出口霧滴含水量，mg/m3。

1.4 氣流速度影響

氣流速度決定了煙氣在塔內的停留時間，對除霧效率的影響很大。文章選取絲網結構2層20目、含水量為4 mL/m3研究不同氣流速度下除霧效率的變化曲線，如圖2所示?？梢钥闯?，隨著氣流速度的增加，除霧效率先提高后降低。最佳除霧效率對應的氣流速度在3.5 m/s，即泛液氣速在3.5 m/s左右。這是由于隨著氣流速度的增大，流體的曳力增大，作用于霧滴上的動量增大，使得慣性捕集的作用增強，有利于氣液分離，從而提高除霧效率。但是，當氣流速度增加至泛液氣速后，繼續增大氣流速度，被絲網捕集的液滴受到的重力和摩擦力增大。當液滴所受的阻力大于其與絲網間的粘性力時，液滴就會被高速氣流重新夾帶出去，導致除霧效率降低。甚至高速氣流還會使液滴破碎成細小霧滴，從而減小液滴被除霧器捕集的概率。因此，為了保證一定的除霧效率，應盡量避免二次夾帶效應。

圖2 不同氣流速度下除霧效率的變化曲線

2 結果及分析

2.1 含水量對除霧效率的影響

煙氣含水量表征著氣液傳質過程的速率和氣液兩相之間相互作用的大小，是影響除霧效率的重要參數之一。不同氣流速度下含水量對除霧效率的影響如圖3所示。當氣流速度一定時，含水量越大，除霧效率越高；當含水量一定時，隨著氣流速度的增加，除霧效率先提高后降低。含水量為3和4 mL/m3的除霧效率拐點出現在氣流速度為3.5 m/s時，即泛液氣速為3.5 m/s，而含水量增加至5 mL/m3時，泛液氣速減小為3 m/s。這是因為隨著含水量的增加，除霧器內霧滴總量增加，霧滴間相互碰撞團聚使得霧滴的平均粒徑增大，從而增大了液滴被捕集的概率。因此，除霧效率隨含水量的增加而提高，且泛液氣速減小。

圖3 不同氣流速度下含水量對除霧效率的影響

2.2 絲網層數對除霧效率的影響

絲網層數會影響絲網對霧滴的直接攔截，從而影響除霧效率。不同氣流速度下絲網層數對除霧效率的影響如圖4所示。隨著絲網層數的增加，除霧效率提高，除霧效率范圍為79%～98%。當絲網由2層增加至4層時，除霧效率從低于80%提高至95%左右；當絲網從4層增加至6層時，除霧效率提高并不明顯。這是因為隨著絲網層數的增加，絲網層之間相互疊加，使得夾帶霧滴的氣流經過絲網層的孔隙減小，從而增強了直接攔截的作用。同時，氣流經過絲網層的時間延長，從而增大液滴被捕集的概率。由此可見，安裝絲網層數越多，除霧效率越高，但當絲網層數和厚度達到一定值時，除霧效率趨近當前工況下的最大值，繼續增加絲網層數和厚度，除霧效率提高不明顯。

圖4 不同氣流速度下絲網層數對除霧效率的影響

2.3 絲網目數對除霧效率的影響

絲網目數決定了霧滴可通過絲網的粒徑大小，對除霧效率的影響至關重要。圖5為不同氣流速度下絲網目數對除霧效率的影響曲線，可以看出，隨著氣流速度的增大，除霧效率先提高后降低。當氣流速度一定時，隨著絲網目數增加，除霧效率均有所提高；20目和40目對應的除霧效率隨氣流速度變化的拐點出現在4 m/s，而60目對應的除霧效率隨氣流速度變化拐點為3.5 m/s；當層數一定時，隨著目數的增加，除霧效率拐點對應的氣流速度減小。這主要是因為，絲網目數越大，絲網孔隙就越小，霧滴被捕集的概率增加，使得除霧效率提高。另一方面，目數越大絲徑越小，當霧滴尺寸和氣流速度一定時，絲徑越小，液滴粒徑相對于絲徑就越大。對于粒徑較大的霧滴，攔截作用就更強，除霧效率就越高。同時，在較低氣流速度下，絲網目數對除霧效率影響更加明顯，即在除霧效率拐點前，除霧效率隨氣體速度的增加而提高較為明顯，尤其在2.5～3 m/s范圍內除霧效率提高幅度大；而在除霧效率拐點之后，20目的除霧效率在4～4.5 m/s區間內明顯降低，40目和60目在此區間降低較為緩慢。

圖5 不同氣流速度下絲網目數對除霧效率的影響

3 結論

文章研究了氣流速度、含水量、絲網層數、絲網目數對絲網除霧器除霧效率的影響和液滴的二次夾帶現象，得出以下結論：

(1)在一定氣流速度范圍內，除霧效率隨氣流速度增加先提高后降低。因此，工業實際中應避免二次夾帶的負面效果導致除霧效率降低，結合上述規律，轉爐濕法系統中除霧塔的氣流速度應控制在3～4 m/s；

(2)不粘絲網的除霧效率隨著含水量、絲網層數、目數的增大而提高，且泛液氣速減小。