新型流化床气溶胶发生装置及其特性

第35卷第5期2005年9月东南大学学报(自然科学版)J OURNAL O F SOUTHEAST UN I V ERS I TY (Natural S ci en ce Ed iti on)V o l 135No 15Sep.t 2005新型流化床气溶胶发生装置及其特性李永旺 赵长遂 吴 新 韩 松 鲁端峰 沈湘林(东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,南京210096)摘要:根据气固流态化原理,设计了一种实用新颖的流化床气溶胶发生装置.该气溶胶发生装置可以稳定地输出高粒子数浓度、空气动力学直径小于10L m 的气溶胶颗粒物.应用该装置对燃煤电站锅炉电除尘器粉煤灰进行了气溶胶化实验.实验表明,通过改变流化气体(氮气)流量、待气溶胶化的粉煤灰和青铜珠床料组成的混合物料的给料速率以及流化床床层物料中飞灰的掺混质量比,可以调节流化床气溶胶发生装置输出的飞灰粒子数浓度.测试结果表明:飞灰粒子数浓度呈双峰分布,2个峰值分别位于空气动力学直径为0101~011L m 和011~10L m 的范围内;飞灰质量浓度随着颗粒粒径的增大而增加.关键词:气溶胶发生器;流化床;粒子数浓度中图分类号:X 513 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2005)05-0742-04Develop m ent and characteristic of novel flui dized bed aerosol generatorL iY ongw angZhao C hang sui W u X in Han SongLu D uanfeng Shen X iang li n(K ey Laborat ory of C lean Coal Pow erG enerati on and C o m bustion Tec hno l ogy ofM i n i stry o f Educati on,Sou t heas tU niversi ty ,Nan ji ng 210096,Ch i na)Abst ract :An inno vative fl u idized bed aer o so l generato r w a s deve l o ped fo r the purpo se o f generati n g a constant output o f dry ,under 10L m particles w ith a large num ber concentration .The output of the fluidized bed fo r generati n g aero so l particles o f dry fly ash fro m co a-l fired utility bo iler w as charac -ter i z ed using the e lectrica l l o w pressure i m pacto r (ELPI).The num ber concentration o f particlesproduced i n the range o f 0101to 10L m w a s found to v ary w ith the m ass rati o o f fl y ash to bronze beads i n the m ixed bedm ater i a ,l and nitrog en flow rate t h rough the fluidized bed and feed rate o f the m i x ture .The partic le size d istri b uti o n is bi m oda,l w ith one m ode in 0101to 011L m d i a m eter size range and t h e o ther in 011to 10L m dia m e ter si z e range .The particle m ass concentration rises w ith the increase o f particle dia m eter .K ey w ords :aero so l generato r ;fluidized bed;particle num ber concentration 收稿日期:2005-03-18.基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2002CB 211600).作者简介:李永旺(1979)),男,博士生;赵长遂(联系人),男,教授,博士生导师,cszhao @s .cn.气体介质中加入固态或液态颗粒而形成的分散体系称为气溶胶[1].构成大气气溶胶的可吸入颗粒物已成为大气环境污染的突出问题,日益引起世界各国的高度重视.无论是在可吸入颗粒物环境与健康影响方面还是形成演化与控制技术方面的试验研究,都需要一个能够稳定地输出一定范围内的粒子数浓度和粒径分布的气溶胶发生源.在当前气溶胶的各种发生方法中,雾化法仅适用于少数能溶解于液体的粉末物质,凝集法[2]只适用于容易发生物理化学反应的固体物质,而干分散法适用于大多数粉末物质,但发生装置结构复杂,而且对聚合粒子的分散效果不佳,形成的气溶胶中以多重态聚合大粒子居多[3].不同于以上3种气溶胶发生方法,流化床法[4,5]不仅适用于各种粉末物质,而且可以有效地将粉末物质分散产生粒径较小的气溶胶颗粒物.Boucher 等[6]于1982年提出一种可以稳定地输出亚微米级颗粒物的流化床气溶胶发生装置,但是该气溶胶发生装置要求有复杂的给料系统和振动再分散装置,且气体流速较大.相比而言,Lua [7]于1992年提出了一种简易的流化床气溶胶发生装置,但该装置只能产生空气动力学直径大于1L m 的气溶胶颗粒物,而且输出的气溶胶颗粒数浓度波动较大.目前,美国TS I公司推出一种气溶胶颗粒数浓度可调且输出稳定的流化床气溶胶发生器[8,9],但该发生器给料系统复杂,运行维护费用高,输出的气溶胶颗粒物粒径较大,不能满足对人体有危害作用的空气动力学直径小于10L m的可吸入颗粒物研究的需要.为弥补上述流化床气溶胶发生装置的不足,本文提出一种输出浓度可调的新型流化床气溶胶发生装置,不仅结构简单,运行维护费用低,气体流速低,而且产生的气溶胶颗粒物粒径小,浓度分布和粒径分布稳定.1流化床气溶胶发生装置与工作原理111发生装置流化床气溶胶发生装置如图1所示.整个装置由风室、布风板、床体、给料系统和溢料系统等组成.在气溶胶发生过程中,流化床床层物料颗粒在流化过程中不断地相互摩擦,使气溶胶发生装置输出的气溶胶粒子带电[10].所以,为尽可能减少气溶胶粒子在形成过程中的带电量,本试验中的气溶胶发生装置所有部件均采用黄铜材料加工.若发生装置装设有可使气溶胶粒子呈电中性的粒子中和器,也可以改用其他材料.根据气固流态化原理,通过计算,选取流化床风室和床体内径为515c m,其高度分别为6,40c m.为阻止床料和待气溶胶化的1)流化风入口管;2)风室;3)风室接头;4)布风板;5)床体接头;6)床体;7)床体盖板;8)落料管;9)料仓;10)气溶胶出口管;11)溢料管;12)溢料收集器图1流化床气溶胶发生装置示意图粉末物质组成的混合物料在重力作用下进入风室、均匀分布进入床层的流化气体、产生适当的压力降以稳定床层压力,在风室与床体之间装设多孔陶瓷布风板.为保证布风板压力降为流化床总压力降的三分之一[11],选取多孔陶瓷布风板的微孔为直径2L m,开孔率为25%.安装在流化床上方的料仓,通过落料管与床体盖板联接,组成给料系统.在气溶胶发生装置运行过程中,给料系统连续不断地为床层提供按一定质量配比的由床料和粉末物质组成的混合物料,配比比例与床层内初始混合物料的掺混质量比相同.此外,在流化床床体外侧装设一个溢料管,保证在给料系统连续给料的情况下床层高度相对稳定不变.1.2工作原理本试验选取燃煤电站锅炉电除尘器飞灰(以下简称飞灰)作为待气溶胶化的粉末物质,选取经过滤的压缩氮气作为流化气体.为有效地分散飞灰,采用密度比飞灰大、粒径范围为74~100L m 的青铜珠作为床料.在流化床气溶胶发生装置运行前,向床内加入由青铜珠和飞灰按一定质量配比的混合物料,保持床层高度为10c m.压缩氮气通过风室进入床层,床层开始膨胀.不断增大氮气流速,当气流速度超过床层的起始流态化速度(0102m/s)时,一部分气体以气泡的形式穿过床层,形成聚式气固流态化[12],此时流化床中出现明显的两相:①气体夹带飞灰颗粒的稀相;②床料颗粒和床料颗粒间气体组成的密相.密相区内混合物料中的飞灰颗粒在青铜珠床料的摩擦作用下,由大颗粒聚合状态分散成小颗粒,同时在氮气的流化作用下均匀弥散于青铜珠床料中,而后在氮气曳力的作用下被夹带出床层,进入床层上部自由空域.由于飞灰小颗粒(粒径小于10L m)的终端速度是0107m/s,青铜珠的终端速度是1160m/s,而气流表观速度为0110~0120m/s,所以随同小颗粒飞灰被氮气一起带出床层的小颗粒青铜珠和大颗粒飞灰最终返回床层,而进入床层上部自由空域的粉煤灰粒子形成稳定的气溶胶后继续向上运动,经气溶胶出口管引出.与气溶胶发生装置主体相对独立的给料系统,在流化床运行的同时同步给料.料仓内的混合物料在其与床内混合物料料位差的作用下缓慢进入床层,给料速率可以通过改变落料管下端出口内径来调整.在流化床运行过程中,料仓内混合物料与床层内混合物料的料位差相对稳定不变,所以落料管给料速率基本恒定,使得床层内混合物料中飞灰的743第5期李永旺,等:新型流化床气溶胶发生装置及其特性比例也保持不变,从而可以保证发生器输出的气溶胶浓度和粒径分布稳定不变.1.3 测试仪器本试验中气溶胶颗粒物分析装置采用芬兰D ekati 公司制造的电称低压冲击器(ELPI).该仪器可以实时测量气溶胶颗粒物分粒径的粒子数浓度和质量浓度,其测量的颗粒物粒径范围为0103~10L m,分为12级同步测量.ELPI 工作原理是颗粒物在进入冲击器前首先通过电晕放电器使其荷电,然后在从上而下的每一级冲击器里,通过测量捕集到的颗粒物所带的电流值推算其浓度.在本次试验中,ELPI 采用一级稀释,稀释倍率为8118.2 测试结果与分析2.1 飞灰总粒子数浓度随时间的稳定性图2所示曲线是在氮气流量Q =110,018,016m 3/h 的情况下,流化床气溶胶发生装置输出的飞灰总粒子数浓度N tot 随时间的变化关系.由图可见,在3种氮气流量下,流化床输出的飞灰总粒子数浓度基本稳定不变.这是因为在给料量和氮气流量恒定不变的情况下,流化床床层高度和床层混合物料中飞灰质量比均稳定不变,床内物料流化状态不发生改变,因而形成的粒子数浓度基本稳定.图2 飞灰总粒子数浓度随时间变化曲线图3 飞灰掺混质量比对飞灰总粒子数浓度的影响2.2 飞灰总粒子数浓度的影响因素21211 飞灰掺混质量比图3表明,随着床层物料中飞灰掺混质量比R 的增加,飞灰总粒子数浓度增加,在氮气流量为018m 3/h 时,当混合物料中飞灰掺混质量比从017%增加到110%时,飞灰总粒子数浓度从9197@104c m -3增加到1180@105c m -3.这是由于增大床层物料中飞灰掺混质量比,床层中飞灰小颗粒增加,被氮气带出床层的飞灰颗粒粒子数增多,形成气溶胶的粒子数浓度也随之增高.212.2 氮气流量随着氮气流量的增加,其穿过流化床床层的流速增大,在青铜珠床料和飞灰颗粒终端速度不变的情况下,被氮气夹带的飞灰颗粒数增多,使得流化床产生的飞灰粒子数浓度升高,如图4所示.此外,图4还表明飞灰掺混质量比越大,粒子数浓度随氮气流量增大而升高的速率越快,图3也明显地表明了流化床气溶胶发生装置的这一特性.这主要是因为飞灰掺混质量比越高,床层中飞灰颗粒越多,被氮气夹带出床层的飞灰粒子数受氮气流速的影响越大,增大氮气流量其增长速率也就越快.图4 氮气流量对飞灰总粒子数浓度的影响2.2.3 给料速率虽然在溢料管的作用下,增大给料速率,床层高度相对稳定不变,但床层内混合物料中飞灰的质量比例增大,床层中飞灰颗粒增多,被氮气带出床层形成气溶胶的飞灰小粒子随之增多.如图5所示,当氮气流量Q =018m 3/h 时,落料管出口内径D in 分别由210,215mm 增加到310mm 时,相应的飞灰粒子数浓度由1176@105,2199@105c m -3增加到3175@105c m -3.这是由于增大落料管出口内径,给料速率增大,使飞灰总粒子数浓度也随之增高.图5 给料速率对飞灰总粒子数浓度的影响744东南大学学报(自然科学版) 第35卷2.3 飞灰分粒径粒子数浓度和质量浓度分布2.3.1 飞灰分粒径粒子数浓度分布如图6所示,在飞灰空气动力学直径D p =0101~10L m 的范围内,随着粒径的增大,飞灰粒子数浓度从最大值快速降低,在0110L m 处达到最小值后又逐渐增加,粒径增大到0148L m 时飞灰粒子数浓度达到一个峰值后再次递减.所以飞灰粒子数浓度呈双峰分布,2个峰值分别位于空气动力学直径为0101~011L m 和011~10L m 的范围内.3种氮气流量下飞灰分粒径粒子数浓度具有同样的分布规律.图6 飞灰分粒径粒子数浓度分布2.3.2 飞灰分粒径质量浓度分布图7是氮气流量分别为110,018,016m 3/h 的情况下气溶胶分粒径质量浓度分布曲线.由图可知,空气动力学直径D p <1122L m 的飞灰颗粒质量浓度较小,基本接近于0,而D p >1122L m 的飞灰颗粒质量浓度随着粒径的增大而迅速上升.尽管空气动力学直径D p <1122L m 的飞灰粒子数浓度较高,但由于其粒径较小,所以其质量浓度保持在较低水平.图7 飞灰分粒径质量浓度分布3 结 论1)本文开发的流化床气溶胶发生装置运行稳定,在运行条件不变的情况下,其输出气溶胶粒子数浓度基本恒定不变.2)流化床输出的气溶胶粒子数浓度可通过改变飞灰掺混质量比、氮气流量、给料速率的方法来调整.增大飞灰掺混质量比或氮气流量,流化床输出的飞灰粒子数浓度升高;飞灰掺混质量比越大,粒子数浓度随氮气流量增大而升高的速率越快.3)流化床输出的飞灰分粒径粒子数浓度呈双峰分布,2个峰值分别位于空气动力学直径为0101~011L m 和011~10L m 的范围内;空气动力学直径大于1122L m 的飞灰分粒径质量浓度随着粒径的增大而显著增高,而粒径小于1122L m 的飞灰粒子的质量浓度较小,基本接近于0.参考文献(R eferences)[1]张国权.气溶胶力学[M ].北京:中国环境科学出版社,1987.13.[2]D i ehl K,M itra S K.A l abo rato ry st udy o f t he effec ts o fa kero sene -burner exhaust on ice nucleati o n and t he evaporation rate o f i ce cry sta ls[J].A t m o s pheric Envi -ron m ent ,1998,32(18):31453151.[3]理查特#丹尼斯.气溶胶手册[M ].梁鸿富等译.北京:原子能出版社,198813084.[4]P renn iA J ,S i e fer tR L,O nasch T B,e t a.l D esign and cha rac t e rizati on o f a f l uidized bed aero so l g enerato r :as o urce fo r dry ,sub m i c rom e ter aero so l[J].A ero s o l Sci -ence and T echno l o gy,2000,32(3):465481.[5]M i ka P,Juha T.L oca lly fl u i d 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