1 前言

化石能源的利用为工业发展注入强大动力的同时，也给环境保护带来了一系列挑战^[1-3]。因此，一些代表性的洁净能源技术，如：整体煤气化联合循环(IGCC)、增压流化床联合循环(PFBC-CC)等受到广泛关注^[4]。而在这些技术中，高温烟气与粉尘的分离是制约其发展的主要瓶颈之一^[5-6]。在工业中常见的高温除尘装备中，旋风除尘器对小粒径粉尘脱除效率相对较低^[7]，电除尘安全应用条件受到限制且电极开发困难^[8-9]，布袋除尘则仅限于280 ℃以下工况^[10]，陶瓷过滤器则易被堵塞而需要频繁反吹^[11]——相对来说颗粒床除尘技术有更好的前景^[12-14]。

颗粒床以理化性质较为稳定的固体颗粒作过滤介质，基于颗粒与粉尘间的惯性碰撞、扩散、沉降、拦截、静电作用等对粉尘进行过滤^[15]。一般可以分为固定床和移动床两种类型。固定床过滤器虽具有超过99% 的除尘效率，但与陶瓷过滤器相同，需要定期停机对床内捕集颗粒进行“清洗”。而移动床中捕集颗粒处于运动状态，可以抑制粉尘积聚，能够长周期运行，近年来取得了长足进展^[16-18]。按照气固两相相对流动状态，移动床又分为顺流式^[19-20]、逆流式^[21-23]和错流式^[24-25] 3种。错流床中，颗粒向下运动，含尘气体则横向通过床层完成过滤。错流床的气体出入口通常为百叶窗结构，约束颗粒流动的同时也会沉积大量粉尘，极易堵塞。且当气速过大时，床内易形成空腔、贴壁等非正常操作工况。顺流床中气固同向向下运动，可适用于更高气速工况，但无法避免二次夹带，使部分粉尘发生逃逸。而逆流床中气固两相运动方向相反，粉尘与捕集颗粒作用更剧烈，应具有更为显著的优势^[22-23]。

本研究通过冷模实验，分析了操作条件对逆流床过滤器过滤性能的影响，以期为工业应用提供参考。

2 实验 2.1 实验装置

实验装置如图 1所示，实验时操作处于负压状态。引风机连接出口管5。空气通过入口管2时，螺旋给料机11进行加尘操作，空气混杂粉尘(硅微粉)共同进入装置，以此模拟工业烟气。

含尘气体进入床内，通过3个沿周向均布的约翰逊网导料锥3进入颗粒床中，在负压引风气体的作用下，逆流通过颗粒床层4并完成过滤过程。过滤后的气体通过出口管5离开装备。出口处A点进行等速采样，对净化后的气体粉尘含量进行采集。

装置中捕集颗粒在重力作用下向下移动，完成粉尘捕集后经约翰逊网导料锥3、阀门a离开床层。在鼓风气体作用下，通过提升管6，到达喷动再生器7。利用粉尘和捕集颗粒带出速度差完成喷动再生后的捕集颗粒向下流动再次进入床层，完成捕集颗粒的循环过程。

2.2 实验材料

实验选用的捕集颗粒为新淳(上海)环保科技有限公司生产的氧化铝分子筛催化剂颗粒，其物性参数如表 1所示。

实验用硅微粉颗粒模拟粉尘，分别考察了大粒径(D₅₀≈19 μm)和小粒径(D₅₀≈11 μm) 2种粉尘。通过LS-909激光粒度分析仪(深圳欧美克仪器有限公司)测得粉尘的中值粒径和粒径分布见图 2。实验中，出口管A点处粉尘采样后，使用相同方法对其粒度分布进行测量。

2.3 实验方法

(a) 表观气速

实验管路中的气体由转子流量计进行测量，测得流量Q(m³⋅h⁻¹)后，根据式(1)可计算出实验过程中的表观气速u_g(m⋅s⁻¹)：

$ {u_{\text{g}}} = \frac{{4Q}}{{{\rm{ \mathsf{ π} }} D_1^2 \times 3\ 600}} $

(1)

式中：D₁为进口管内径，m。

(b) 床层压降

床内压降测点如图 1中m、n。选用衡欣(台湾)AZ82062型高精度数显压差计对压降数据进行采集，压差计示数即为床层压降。

(c) 粉尘浓度

入口粉尘浓度由螺旋给料机控制，实验前对螺旋给料机进行标定，可测得螺旋给料机的加尘速率m(g⋅h⁻¹)，根据式(2)可得到入口粉尘浓度

$ {\rho _{{\text{in}}}} = m/Q $

(2)

其中：ρ_in为含尘气体入口质量浓度，g⋅m⁻³。

出口粉尘浓度ρ_out(kg⋅m⁻³)用深圳东日瀛能公司生产的在线插入式粉尘检测仪进行实时检测。

设备整体除尘效率${\eta _{{\text{tot}}}}$，由进出口粉尘浓度进行计算，如式(3)。

$ {\eta _{{\text{tot}}}}{\text{ = 1}} - \frac{{{\rho _{{\text{out}}}}}}{{{\rho _{{\text{in}}}}}} $

(3)

(d) 出口粉尘粒径

在出口管A点设置等速采样装置，收集出口处粉尘颗粒，并以此对装置出口处粉尘粒径进行分析。

(e) 颗粒循环强度

通过控制图 1中阀门a的开度，可以得到不同的颗粒循环强度G_s(kg⋅s⁻¹)——由容积法进行测量。测量关闭阀门b的时间t(s)内，再生器料仓12内颗粒层增加高度Δh(m)。

$G_{\mathrm{s}}=\rho_{\mathrm{s}} {\rm{ \mathsf{ π} }}\left(D_2-D_3\right)^2 \Delta h /(4 t) $

(4)

式中：D₂为料仓内径，m；D₃为提升管外径，m；ρ_s为捕集颗粒的堆密度，kg⋅m⁻³。

得到颗粒循环强度后，可通过式(5)对床内捕集颗粒平均移动速度u_s (m³⋅s⁻¹)进行计算。

$ {u_{\text{s}}} = {G_{\text{s}}}/\rho_{\text{s}} $

(5)

3 实验结果与讨论 3.1 捕集颗粒循环强度对装备的影响

实验发现，使用不同粒径粉尘时，捕集颗粒循环强度变化对除尘特性的影响类似。本节以使用大粒径粉尘进行实验所取得的结果为例，图 3为表观气速0.305 m⋅s⁻¹、入口粉尘浓度16.5 g⋅m⁻³时，过滤器内床层压降随颗粒循环强度及时间的变化。可见在120 min实验范围内，床内压降波动幅度不超过±0.06 kPa，总体较为平稳。

对比图 3中3条曲线，床层压降随捕集颗粒循环强度的增加而增加——这种趋势与以往部分研究的结论相反^{[17, 19-20]}。Chen等^[25]认为，床层压降主要受床内空隙率影响，颗粒移动速度越快，空隙率越大，则床层压降越小。但本装置运行过程中，床内处于负压状态。根据张济宇等^[26]的研究，移动床中固体颗粒间的气体主要受两种力的作用，气固摩擦阻力以及负压差推动力。其中负压差推动力又会产生一个向上的气固真实相对速度Δu₀。根据张济宇提出的颗粒床关联式(6)可对该现象进行分析。

$ \frac{|\Delta p|}{L} g_1=154 \frac{(1-\varepsilon)^2}{\varepsilon^3} \frac{\mu \Delta u_0}{\left(\psi_{\mathrm{s}} d_{\mathrm{s}}\right)^2} $

(6)

式中：$\Delta p$/L为负压差梯度，g⋅cm⁻³；ε为移动床空隙率；$\Delta u0$为气固表观相对速度，cm⋅s⁻¹；g₁为换算系数，980 g⋅cm⋅g⁻¹⋅s⁻²；ψ_s为球形度；μ为流体黏度，g⋅cm⁻¹⋅s⁻¹；d_s为平均颗粒直径，cm。

从式(6)中可以看出，气固真实相对速度所代表的负压推动力同样影响床层压降，负压操作强化了这一力的作用，当颗粒循环强度增加时，气固两相真实相对速度Δu₀增加，使得本装备表现出床层压降随着颗粒循环强度增加而增加。

颗粒循环强度的变化同样影响装备的过滤效率。图 4为相同条件下装备过滤效率随时间的变化。可以看出，装备的除尘效率随着颗粒循环强度的增加而增加，其原因综合考虑有两点。

首先，对于本实验所选的操作条件范围，惯性碰撞和拦截作用被认为是主要的过滤机制^[27]。颗粒间的相互作用如图 5所示。当拦截和惯性碰撞发生时，若粉尘的动量p_g沿竖直方向的分量小于捕集颗粒所携带的动量p_s沿竖直方向的分量，则碰撞后粉尘颗粒失去原有运动方向的速度，与捕集颗粒一同向下流动，实现粉尘的分离。除颗粒与粉尘自身质量外，颗粒流速与表观气速也是影响各自动量的主要因素。在表观气速一定时，粉尘所携带动量一定；当颗粒循环强度增加，意味着颗粒速度的增加及其所具有的动量随之增加，有助于提高捕集颗粒对粉尘的拦截和碰撞作用，从而提高过滤效率。

其次，当颗粒循环强度增加时，完成捕集“任务”的颗粒可以尽快携带粉尘离开床层，进行再生，且“清洁”后的颗粒可以较快地得到补充，有利于气体的过滤。

3.2 入口粉尘参数对于装备过滤特性的影响 3.2.1 入口粉尘浓度对于过滤特性的影响

图 6为使用大粒径粉尘时，不同入口浓度下压降随时间的变化关系，其结果与使用小粒径粉尘时所表现出的规律基本相同。从图中可以看出，床层压降随着粉尘入口质量浓度的增加而增加。

从整体上来看，随着实验的进行，三条压降曲线都有不同程度的升高，且入口粉尘浓度越高，变化越明显，这与粉尘在床内的沉积有关。初始状态时，床内无粉尘沉积，随着过滤的进行，部分粉尘无法及时排出床内，沉积的粉尘改变了捕集颗粒表面几何形状和表面性质^[28]，使床内空隙率降低，增加了气体流动阻力，造成床内压降随实验进行而增加的现象^[29]。当实验进行到一定时间后，床内沉积粉尘的量达到最大值，此后床层压降趋于平稳，且入口粉尘浓度越高，越快达到相对平衡状态。

在研究粉尘沉积对过滤的影响时，可引入比沉积率σ，其定义为单位体积床层中沉积的粉尘体积^[30-31]，如式(7)所示。吕涵等^[31]指出，床层压降会随比沉积率的增加而增加，而进出口粉尘浓度则是比沉积率最主要的影响因素。

$ \sigma = \frac{1}{{{\rho _{\text{p}}}}} \cdot \frac{{({\rho _{{\text{in}}}} - {\rho _{{\text{out}}}}) \cdot {u_{\text{g}}} \cdot {S_{\text{g}}}}}{{{u_{\text{s}}} \cdot {S_{\text{s}}}}} $

(7)

式中：ρ_p为粉尘密度，g⋅m⁻³；S_g和S_s分别为气体和颗粒通过床层的横截面积，m²。

图 7为粉尘在床层内的比沉积率随入口粉尘浓度变化曲线。从图中可以看出，随着入口粉尘质量浓度的升高，比沉积率呈正相关。说明当入口粉尘质量浓度升高时，床内粉尘的沉积也随之增加，验证了上文中的推论。并且床内粉尘的增加不仅影响床内压降变化——多数研究^[32-37]表明，粉尘的沉积有助于提高装备的整体除尘效率。

图 8是在使用大粒径粉尘时，不同入口含尘浓度下，捕集效率随时间的变化关系。从图中可以看出，在低浓度范围(4.08~16.5 g⋅m⁻³)随着入口粉尘浓度的升高，除尘效率有明显的提升。但当入口粉尘浓度超过16.5 g⋅m⁻³时，随着入口粉尘浓度升高，除尘效率随入口粉尘浓度升高的趋势不再明显，此时除尘效率达到99 %，已经超过了大多数同类除尘装备。

装备除尘能力随粉尘浓度增加而增加最主要的原因是，随着浓度的增加，装备内粉尘的沉积增加。装置内粉尘的沉积分为两部分。首先是上文提到的颗粒床层间粉尘的沉积，随着入口浓度的升高，床内比沉积率增加，颗粒床内粉尘的沉积使捕集颗粒间的空隙率减小，粉尘颗粒的穿透性降低，从而提高了装备整体的过滤效率。

其次，装置内构件——约翰逊网导料锥，表面也存在粉尘沉积现象。含尘气体进入装置后，只能通过约翰逊网缝进入，在此处形成类似错流式移动床过滤器入口结构，如图 9所示。错流床过滤器一大特点就是在入口“屏障”表面会沉积部分粉尘，并形成滤饼，以此协助后续含尘气体的过滤。实验中发现，入口粉尘浓度越高，越有助于滤饼的形成，过滤效果越显著。

另一方面，本研究中约翰逊网布置如图 10所示。从图 10(a)中可以看出，约翰逊网上的滤饼主要出现在1、2号导料锥迎风面。即使是在高入口浓度条件下，迎风面网缝被完全堵塞，其余位置也存在足够的约翰逊网缝面积供气体流通，将滤饼造成的不利影响(主要是对床层压降的影响)降至最低。在气体流向迎风面以外的网缝过程中，集气室(Gas gathering chamber)则可起到惯性-重力沉降室的作用，对含尘气体中的粉尘进行“预过滤”，弥补其因未经过滤饼而产生的除尘效率损失。

研究表明，滤饼的形成不仅会提高整体的除尘效率，还会增加装备对于细微粉尘的脱除能力^{[25, 38-40]}。实验过程中对出口处气体所含粉尘进行采集——以大粒径粉尘、32.7 g⋅m⁻³入口浓度为例，粒度分析结果如图 11所示。从图中可以看出，出口粉尘呈高斯分布，对13.854 μm以下粉尘脱除效率可达99.9 %。说明该装备不仅整体除尘效率突出，对于细微粉尘的脱除也具有极好的表现。

3.2.2 入口粉尘粒径对于过滤特性的影响

为进一步考察装备对于细微粉尘的脱除效果，在相同操作条件下分别使用大、小粒径粉尘，对装备的除尘特性进行实验。图 12为使用不同粒径粉尘实验时床层压降随时间变化关系图。

从图 12中可以看出，随实验的进行，两条压降曲线变化经历了两个相同的阶段。在初始阶段，随着实验的进行，床层压降逐渐升高，当实验进行一定时间后两条床层压降曲线趋于平稳，所不同的是进入平稳阶段所需的时间。两组实验进行相同时间后(约8 000 s)，大粒径粉尘组床层压降进入平稳，而小粒径粉尘组压降仍随时间延长而增加。初始状态下，大粒径粉尘的床层压降高于小粒径粉尘，当实验进行约13 000 s时，小粒径粉尘组压降完成“反超”，随后达到平稳。

产生上述现象的原因是：在相同操作条件下，大粒径粉尘比小粒径粉尘更易侵占颗粒床内更多空间，使得在进行相同时间实验时，大颗粒粉尘实验组捕集颗粒间空隙率更低，床层压降更大。但根据比沉积率公式(7)可知，相同实验条件时，粉尘密度越小，达到稳态时比沉积率越大。当采用小粒径粉尘时，单位体积床层中，粉尘沉积体积大于大粒径粉尘实验组。床内粉尘体积的增加使得颗粒间空隙减少，最终导致小粒径粉尘组的稳态压降高于大粒径粉尘组。

图 13为不同入口粉尘粒径条件下设备除尘效率随时间变化关系。从图中可以看出，使用小粒径粉尘条件时，除尘效率较大粒径粉尘提高0.5 %左右。

这种变化趋势与“粉尘粒径越小越难过滤”的常理相悖。分析原因，主要是受装置内形成的滤饼影响。上文中提到，本装置运行过程中滤饼主要有两部分，一部分为颗粒层间的滤饼，一部分是约翰逊网表面的滤饼。首先对于颗粒层间的滤饼，石开玉等^[41]和涂开峰等^[42]研究都表明在捕集颗粒间掺杂更细粉尘时，会提高装置的过滤效率，使其在处理更细粉尘时更有优势。其次，对于约翰逊网表面的滤饼，Chen等^[35]在关于滤饼的研究中指出，滤饼表面结构越紧凑，滤饼的比阻力越大，渗透性越小。而粉尘粒径越小，所形成的滤饼结构越紧密，使得装置的过滤效率越高。

上述实验结果仅在中位粒径10 μm以上、入口浓度范围0~32 g⋅m⁻³时存在。当粒径过小时，约翰逊网表面不易沉积粉尘，滤饼难以形成；当入口粉尘浓度超过32 g⋅m⁻³时，装置运行过程中沉积的粉尘会使颗粒间黏性增大，超出装置承受范围，出现颗粒停止流动现象，无法保证长周期的运转。

3.3 装备不同操作条件对于除尘效率影响的经验关联

上述实验结果表明，装备的除尘效率受到颗粒循环强度G_s、粉尘入口浓度ρ_in、床层截面积S、动力黏度μ、入口粉尘特性(密度ρ_p、粒径d)多方面影响；此外，邢凯等^[12]研究表明，表观气速u_g同样会对除尘特性产生影响。本节将结合上述影响因素，利用相似理论原理，建立关于装置除尘效率与不同操作因素影响关系的数学模型。按照因次分析理论，除尘效率表示为：

$ \eta=f\left(G_{\mathrm{s}}, \rho_{\mathrm{in}}, u_{\mathrm{g}}, \rho_{\mathrm{p}}, \mu, d, S\right) $

(8)

选取表观气速u_g、粉尘粒径d、动力黏度μ为基本量，将式(8)无量纲化，得下式：

$ \eta=\left(\frac{G_{\mathrm{s}}}{\mu d}\right)^{a_1}\left(\frac{\mu}{d u_{\mathrm{g}} \rho_{\text {in }}}\right)^{a_2}\left(\frac{\rho_{\mathrm{p}} u_{\mathrm{g}} d}{\mu}\right)^{a_3}\left(\frac{d^2}{S}\right)^{a_4} $

(9)

其中a₁、a₂、a₃、a₄为待定系数。对实验数据进行拟合可得：

$ \eta=\left(\frac{G_{\mathrm{s}}}{\mu d}\right)^{-0.003\ 92}\left(\frac{d u_{\mathrm{g}} \rho_{\mathrm{in}}}{\mu}\right)^{0.010\ 46}\left(\frac{\mu}{\rho_{\mathrm{p}} u_{\mathrm{g}} d}\right)^{0.000\ 74}\left(\frac{S}{d^2}\right)^{0.006\ 74}$

(10)

将实验数据与拟合数据进行对比，如图 14所示。可见在u_g=0.122~0.305 m⋅s⁻¹、G_s=0.065~0.311 9 kg⋅s⁻¹、ρ_in=4.08~32.7 g⋅m⁻³的操作范围内，除尘效率实验值η_E与拟合值η_C较为接近，误差控制在2% 以内，结果可为颗粒床除尘器的工程设计和应用提供参考。

为验证式(10)的普适性，将Brown等^[42]及Yin等^[21]的实验数据代入式(10)中进行评价，结果表明，式(10)在用于估算其他移动床过滤装置的过滤效率时仍较为准确，误差在2% 以内，说明式(10)具有一定的普适性，可以为移动床除尘器的工业应用提供参考。

4 结论

利用大型冷模实验装置，考察了气固逆流式移动床过滤器在不同操作模式下的过滤特性，得到如下结论：

(1) 装备运行过程中床层压降受表观气速影响较大。床层压降随着表观气速的增加而增加。并且随着表观气速的增加床层压降波动更为剧烈。颗粒循环强度、入口粉尘浓度对床层压降产生影响较小。颗粒循环强度通过改变气固相对真实速度，与压降表现出正相关的趋势；入口粉尘浓度的增加则直接影响床内粉尘堆积，与床层压降表现出正相关的趋势。

(2) 装备除尘效率主要受入口粉尘质量浓度影响。在4.08~16.5 g⋅m⁻³，装备除尘效率随入口粉尘浓度的增加有明显增加。当入口粉尘质量浓度达到16.5~32.7 g⋅m⁻³时，除尘效率可达99%。

(3) 受益于约翰逊网结构，装备对于细微粉尘有较高的过滤效率。当过滤进行到一定阶段时，约翰逊网表面会形成一层滤饼。滤饼结构对于细微粉尘的过滤有较好的效果，使得该装备对于13 μm以下粉尘有接近99.9% 的除尘效率。

(4) 考察了入口粉尘物性对于装备过滤的影响。在小粒径粉尘情况下，初始时，颗粒床层压降不如大粒径粉尘情况下增加明显。但当实验进行到一定阶段时使用小粒径粉尘条件下的床层压降会“反超”大粒径粉尘条件下的床层压降。除尘效率方面，本装备在使用中位粒径为11 μm的小粒径粉尘时，获得了较高的效率，在相同条件下，比使用中位粒径为19 μm的大粒径粉尘实验时，除尘效率高0.5% 左右。但这种粒径越小效率越高的现象受装置内滤饼的影响，仅出现在中位粒径10 μm以上、入口质量浓度为0~32 g⋅m⁻³条件时。

(5) 对于不同操作条件的除尘效率，本研究结合实验，给出了相应的经验关联式，计算值与实验值吻合度较高，可为后续研究提供一定参考。