高溫帶壓煤氣粉塵質量濃度的測定與分析

摘 要

摘要：介紹了高溫帶壓煤氣粉塵質量濃度的測定方法，對測定結果進行了分析，提出了提高旋風分離器及系統效率的方案。關鍵詞：高溫；粉塵；質量濃度；旋風分離器效率Measurement and Analys
摘要：介紹了高溫帶壓煤氣粉塵質量濃度的測定方法，對測定結果進行了分析，提出了提高旋風分離器及系統效率的方案。
關鍵詞：高溫；粉塵；質量濃度；旋風分離器效率
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
    含塵氣流的測定是工業上一項重要的氣體分析工作，通過含塵氣流的測定，不僅為除塵器的選型、設計提供必要的原始數據，而且為設備的即時操作、進一步改進，完善除塵系統提供可靠依據[1～2]。現有報道主要是針對高壓(常溫)燃氣管道的粉塵檢測[3～4]，而沒有在高溫帶壓條件下的燃氣粉塵測定報道。
   本文在等速取樣方法[5]的基礎上，對粉煤氣化反應流化床的返料系統兩級串聯旋風分離器進行了含塵氣流測定，對樣品進行了粒度分析，根據測定結果對旋風分離器進行了性能評定，最后提出改進方案。
1 測定內容與方法
   粉煤氣化返料系統高溫帶壓，并且測量介質易燃易爆。由于第一級旋風分離器出口與第二級旋風分離器進口通過管道相連，考慮到連接管道長度超過2m，容易引起工藝條件變化，本測定在第一級旋風分離器出口與第二級旋風分離器進口分別設置測定口，以獲取較佳測定結果。
1.1 測定裝置
    本測定采用在線取樣測定方式，粉塵質量濃度測定裝置見圖1，主要由取樣、冷卻、吹掃、收集和計量5部分組成，待測含塵氣體由待測管道進入取樣管，經冷卻裝置降溫后到達收集裝置，粉塵在收集裝置中被收集，最后氣流流經計量裝置并放空。
 

    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泄漏，活套法蘭拆卸方便，方便多次測定。冷卻部分采用逆流換熱，使氣體溫度降到可操作范圍之內。吹掃部分由吹掃三通和外接高壓氮氣組成，如果取樣管發生堵塞，關閉閥門2，打開閥門1和3，用高壓氮氣吹掃；如果后續系統發生堵塞，關閉閥門1，打開閥門2和3，用高壓氮氣吹掃。收集部分主要由旋風分離器和過濾器組成，在測定過程中，大顆粒粉塵被取樣旋風分離器捕集，其余粉塵通過過濾器收集。分級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，確保測定連續性。計量裝置包括轉子流量計、累積流量計、秒表等。在測定時，可通過調節球閥1或2的開度，保證轉子流量計在平穩狀態，這是確保等速取樣的關鍵所在。在一定時間內通過測定裝置的氣體體積流量由累積流量計讀取。由于作業氣體介質為有毒氣體(煤氣)，尾氣用橡皮導管輸送到遠處放空。
1.2 取樣點的確定
    ① 取樣位置安排在氣流流動穩定、粉塵濃度分布均勻的直管段，避開局部渦流嚴重、氣流運動不穩定、粉塵分布混亂的區域。最好選取在垂直直管段，這樣能有效避免粉塵在道內沉降運動對測定結果的影響。理論上取樣點距離上游管道拐彎處長度L1≥6D，取樣點距離下游管道拐彎處長度L2≥3D，D為待測管道外徑。取樣時，取樣管開口對準來流方向。
    ② 由于本次測定的管道內徑均小于560mm，以及考慮到現場操作的可行性和安全性，忽略管內氣體流動對管道橫截面上粉塵濃度分布的影響，因此采用單點取樣。如圖1所示，單點取樣即將取樣管直接插到指定的取樣點上，在測定過程中不需要移動取樣管，該方法操作簡單，取樣誤差小。本測定直接將取樣管管口插入至待測管道中心點。
1.3 等速取樣
    等速取樣即保持進入取樣管的氣流速度與管道內該點的氣流速度相等，是避免取樣點氣流受到干擾、保證取樣正確的重要措施。由于粉塵的慣性作用，當取樣管氣流速度小于取樣點管道氣流速度時，使測定含塵量偏高，反之偏低。
2 測定結果與計算
2.1 含塵濃度測定及旋風分離器效率計算
通過測定裝置，可得到所收集的樣品質量和累積氣體體積。為了計算相應測定點的粉塵質量濃度，將測定數據統一換算成標準狀態下數據，取標準狀態溫度為0℃，壓力為101.3kPa。根據式(1)、(2)，可依次得到粉塵質量濃度和旋風分離器效率。
 
式中ρ——粉塵質量濃度，g/m3
    m——測定裝置所收集的粉塵質量，g
    V——標準狀態下的氣體體積，m3
   
式中ρ1、ρ2——旋風分離器進口和出口管道的粉塵質量濃度，g/m3
    η——旋風分離器效率
    為了獲取穩定數據，在同一點進行多次測定，最后將若干次測得數據取平均值，得出計算結果，見表1。
表1 旋風分離器效率
測定位置
質量濃度/(g·m-3)
旋風分離器效率/%
第一級旋風分離器進口
2318.72
99.77
第一級旋風分離器出口
5.44
第二級旋風分離器進口
5.47
33.10
第二級旋風分離器出口
3.66
2.2 粉塵粒度分布
    粒度分析是表征旋風分離器粒級效率的重要方法，通過粒度分析，可以直觀地分析旋風分離器對顆粒粒度的敏感度，這對旋風分離器的設計具有重要意義。筆者采用新型大量程激光粒度儀對4個測定口所收集樣本進行了粒度分析。
    第一級旋風分離器進口位置所收集粉塵的50%是由粒徑為70～100μm的顆粒構成，大部分顆粒粒徑都集中在50～100μm，最大顆粒粒徑達到400μm，說明進入旋風分離器的顆粒比較大，比較容易分離。第一級旋風分離器出口位置粉塵的50%是由顆粒粒徑小于35μm的粉塵構成，極少顆粒粒徑達到100μm，大部分顆粒粒徑集中在25～35μm，顆粒粒度較進入第一級旋風分離器前明顯降低。
    第二級旋風分離器進口位置粉塵的50%是由顆粒粒徑為35～100μm的粉塵構成，最大顆粒粒徑在100μm左右。這與第一級旋風分離器出口所測得數據基本吻合，進一步說明了該粉塵測定方法是科學可靠的。第二級旋風分離器出口位置粉塵的50%是由顆粒粒徑小于19μm的粉塵構成，而且粉塵粒徑主要集中在20μm左右。對比第二級旋風分離器進口粉塵粒度分布可知，粉塵粒度相對減小。
3 結果分析與改進方案
   ① 由表1可知，第一級旋風分離器效率達到99.77%，結合粉塵粒度分析結果可知，經第一級旋風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，由此說明第一級旋風分離器工作正常。第二級旋風分離器效率為33.10%，結合粒度分析結果可知，粉塵粒徑在第二級旋風分離器前后的變化很小，而且大部分20μm的粉塵沒有被收集，說明該旋風分離器效率較低。
   ② 根據兩級旋風分離器的使用狀況可知，第一級旋風分離器效率基本正常，而第二級旋風分離器效率偏低。主要有兩個原因：第一，單臺旋風分離器性能較差，主要是第二級旋風分離器對細顆粒粉塵的捕集能力較差；第二，旋風分離器系統性能較差，兩級旋風分離器之間的效率分配不合理。上海化工研究院對旋風分離器及系統的設計提出了尺寸優化、結構優化及系統優化的設計理念[6]，針對單臺旋風分離器進行尺寸和結構優化設計；針對旋風分離器系統進行系統優化，通過降低第一級旋風分離器效率，使大顆粒粉塵流入第二級或第三級旋風分離器，大顆粒粉塵對小顆粒粉塵有攜帶效應，從而提高整個系統的除塵效率。單臺優化與系統優化結合，最終實現整個系統高效率低阻力運行。
參考文獻：
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[5] 金國淼.除塵設備[M].北京：化學工業出版社，2002：388-389.
[6] 勞家仁，夏興祥.新型低阻高效E-Ⅱ型旋風分離器[J].化工設備設計，1997，34(3)：30-33.
 
(本文作者：劉德禮1 顧華金2 黃曉衛1 金偉1 1.上海化工研究院 上海 200062；2.上海市天然氣管網有限公司 上海 201204)