转炉湿法除尘系统不粘丝网除雾特性研究

刘恩东 包向军 张 璐 徐俊超 黄静如 段 毅

(安徽工业大学能源与环境学院)

为了推动钢铁行业的超低排放改造，生态环境部明确要求钢铁企业转炉颗粒物排放浓度要低于10 mg/m3[1]。目前，我国转炉炼钢产量占总产量的90%以上，但现有的转炉除尘技术只能达到15 mg/m3[2]。统计表明，湿法除尘是目前转炉烟气除尘的主要技术之一。然而，湿法除尘过程中烟气湿度大，当系统的除雾效率低时，大量的细颗粒随液滴排放到大气中，会导致烟气颗粒排放不达标，且高湿烟气对管道设备造成腐蚀，缩短使用寿命。在除尘末端采用除雾器脱除液滴能有效提高除尘效率，常见的除雾器按气液分离原理可分为机械式、过滤式和静电式三种类型[3-7]。目前常用的是板式除雾器，但是其只能分离粒径在15 μm以上的颗粒，且运行阻力较大。丝网除雾器可以分离粒径大于3～5 μm的颗粒，且具有运行阻力小、除雾效率高等优点[8-9]。因此，在转炉湿法除尘系统中采用丝网除雾器有利于液滴和细颗粒的脱除。

近年来，针对丝网除雾器的研究主要集中在结构优化 (除雾器、丝网)和除雾效率的影响规律等方面[10-11]。龙静华等[12]通过改变丝网除雾器的结构、进气管位置和丝网材质，大大提高了除雾效率。王宝华[13]利用特殊编织方式改变了丝网目数，使1 μm以上雾滴的除雾效率达99%以上。李晓红[14]设计了丝网支撑装置并改变丝网层高度，大大提高了转炉除尘效率。R.Kouhikamali[15]采用数值模拟进行研究，发现除雾效率随着液滴直径、气流速度和填料厚度的增大而提高。学者们发现当气流速度超过泛液气速后，烟气流过除雾器时会产生二次夹带，导致除雾效率降低[16]。因此，研究转炉丝网除雾器中液滴的二次夹带现象，从而寻得其泛液气速对转炉湿法烟气除尘的研究具有重要意义。目前，针对除雾器中液滴二次夹带，大部分研究对象为湿法脱硫系统中的板式除雾器[17-18]，结果表明，当烟气速度超过泛液气速(泛液气速为5～6 m/s)后，除雾效率会急剧降低。刘定平[19]发现增大叶片板间距和转折角度均会加剧二次夹带现象，使泛液气速下降；江艳[20]发现10°倾斜布置水平板式除雾器且板间距为20 mm时，除雾效率最大，泛液气速最小；张博[21]发现雾滴产生二次夹带主要源于液膜的剥落和分离，随着气流速度的增大，转角曲率半径和转角剪切力增大，而加装双钩片可以抑制液膜的剥落与分离，从而改善液滴二次夹带现象。目前在转炉湿法烟气除尘系统中，对于丝网除雾器的丝网结构布置优化和液滴二次夹带还有待进一步研究。

为此，文章搭建了丝网除雾实验平台，研究不同气流速度下，含水量、丝网层数、丝网目数对除雾效率的影响，探讨气流速度和丝网布置方式对除雾效率的影响，为丝网除雾器应用于转炉湿法除尘系统工业应用提供实验参数。

1 实验部分

1.1 实验系统

文章搭建了丝网除雾实验平台，如图1所示。实验平台的主体为除雾塔，除雾塔的尺寸以某钢厂脱水塔参数为参考，按相似准则1∶10比例设计。实验采用青岛精诚仪器仪表有限公司生产的JH-60E-D型自动烟尘烟气测试仪测量粉尘浓度，依据JJG680-2007《烟尘采样器检定规程》等五项标准，符合国家环保局颁布的烟尘采样仪有关规定。该仪器由于内置微处理器测控系统，可满足静压、动压、温度、速度和含湿量的跟踪监测，采样原理为等速跟踪采样。雾滴检测器在塔高1 100 mm处进行测量，除雾塔的具体尺寸与材质如表1所示。

表1 除雾塔具体尺寸和材质

图1 丝网除雾实验平台系统

1.2 实验方案

转炉烟气中存在的氧化钙等与水分接触后容易凝结成粉尘，在使用过程中会堵塞除雾装置，因此试验中选用了不粘钢丝网。实验方案的具体参数如表2所示，实验控制气体流速为2.5～4.5 m/s，其他条件一定，以控制变量法研究含水量、丝网层数和丝网目数对除雾效率的影响。

表2 除雾特性实验方案

1.3 实验步骤

(1)测量含水量。系统稳定运行后，采用五点取样法各持续采样5 min，对逃逸液滴进行收集。根据雾滴捕集器采样前后的质量差以及采样的气体体积，计算单位烟气体积内的雾滴质量。为了保证实验结果的准确性，含水量测试取3次采样的平均值。根据公式(1)计算不同工况下的含水量。

W=Δm/Q=(M1-M0)/Q

(1)

式中：W为含水量，即雾滴含量，mg/m3；Δm为雾滴质量，mg；Q为烟气体积，m3；M1为采样后液滴捕集器质量，mg；M0为液滴捕集器自重，mg。

(2)以空塔状态下的烟气含水量为基准，结合不同工况下的含水量，利用公式(2)计算除雾效率。

η=ΔW/W0=(WX-W0)/W0

(2)

式中：η为除雾效率，%；ΔW为含水量差，mg/m3；W0为无丝网时除雾器出口雾滴含水量，mg/m3；WX为有丝网时除雾器出口雾滴含水量，mg/m3。

1.4 气流速度影响

气流速度决定了烟气在塔内的停留时间，对除雾效率的影响很大。文章选取丝网结构2层20目、含水量为4 mL/m3研究不同气流速度下除雾效率的变化曲线，如图2所示。可以看出，随着气流速度的增加，除雾效率先提高后降低。最佳除雾效率对应的气流速度在3.5 m/s，即泛液气速在3.5 m/s左右。这是由于随着气流速度的增大，流体的曳力增大，作用于雾滴上的动量增大，使得惯性捕集的作用增强，有利于气液分离，从而提高除雾效率。但是，当气流速度增加至泛液气速后，继续增大气流速度，被丝网捕集的液滴受到的重力和摩擦力增大。当液滴所受的阻力大于其与丝网间的粘性力时，液滴就会被高速气流重新夹带出去，导致除雾效率降低。甚至高速气流还会使液滴破碎成细小雾滴，从而减小液滴被除雾器捕集的概率。因此，为了保证一定的除雾效率，应尽量避免二次夹带效应。

图2 不同气流速度下除雾效率的变化曲线

2 结果及分析

2.1 含水量对除雾效率的影响

烟气含水量表征着气液传质过程的速率和气液两相之间相互作用的大小，是影响除雾效率的重要参数之一。不同气流速度下含水量对除雾效率的影响如图3所示。当气流速度一定时，含水量越大，除雾效率越高；当含水量一定时，随着气流速度的增加，除雾效率先提高后降低。含水量为3和4 mL/m3的除雾效率拐点出现在气流速度为3.5 m/s时，即泛液气速为3.5 m/s，而含水量增加至5 mL/m3时，泛液气速减小为3 m/s。这是因为随着含水量的增加，除雾器内雾滴总量增加，雾滴间相互碰撞团聚使得雾滴的平均粒径增大，从而增大了液滴被捕集的概率。因此，除雾效率随含水量的增加而提高，且泛液气速减小。

图3 不同气流速度下含水量对除雾效率的影响

2.2 丝网层数对除雾效率的影响

丝网层数会影响丝网对雾滴的直接拦截，从而影响除雾效率。不同气流速度下丝网层数对除雾效率的影响如图4所示。随着丝网层数的增加，除雾效率提高，除雾效率范围为79%～98%。当丝网由2层增加至4层时，除雾效率从低于80%提高至95%左右；当丝网从4层增加至6层时，除雾效率提高并不明显。这是因为随着丝网层数的增加，丝网层之间相互叠加，使得夹带雾滴的气流经过丝网层的孔隙减小，从而增强了直接拦截的作用。同时，气流经过丝网层的时间延长，从而增大液滴被捕集的概率。由此可见，安装丝网层数越多，除雾效率越高，但当丝网层数和厚度达到一定值时，除雾效率趋近当前工况下的最大值，继续增加丝网层数和厚度，除雾效率提高不明显。

图4 不同气流速度下丝网层数对除雾效率的影响

2.3 丝网目数对除雾效率的影响

丝网目数决定了雾滴可通过丝网的粒径大小，对除雾效率的影响至关重要。图5为不同气流速度下丝网目数对除雾效率的影响曲线，可以看出，随着气流速度的增大，除雾效率先提高后降低。当气流速度一定时，随着丝网目数增加，除雾效率均有所提高；20目和40目对应的除雾效率随气流速度变化的拐点出现在4 m/s，而60目对应的除雾效率随气流速度变化拐点为3.5 m/s；当层数一定时，随着目数的增加，除雾效率拐点对应的气流速度减小。这主要是因为，丝网目数越大，丝网孔隙就越小，雾滴被捕集的概率增加，使得除雾效率提高。另一方面，目数越大丝径越小，当雾滴尺寸和气流速度一定时，丝径越小，液滴粒径相对于丝径就越大。对于粒径较大的雾滴，拦截作用就更强，除雾效率就越高。同时，在较低气流速度下，丝网目数对除雾效率影响更加明显，即在除雾效率拐点前，除雾效率随气体速度的增加而提高较为明显，尤其在2.5～3 m/s范围内除雾效率提高幅度大；而在除雾效率拐点之后，20目的除雾效率在4～4.5 m/s区间内明显降低，40目和60目在此区间降低较为缓慢。

图5 不同气流速度下丝网目数对除雾效率的影响

3 结论

文章研究了气流速度、含水量、丝网层数、丝网目数对丝网除雾器除雾效率的影响和液滴的二次夹带现象，得出以下结论：

(1)在一定气流速度范围内，除雾效率随气流速度增加先提高后降低。因此，工业实际中应避免二次夹带的负面效果导致除雾效率降低，结合上述规律，转炉湿法系统中除雾塔的气流速度应控制在3～4 m/s；

(2)不粘丝网的除雾效率随着含水量、丝网层数、目数的增大而提高，且泛液气速减小。