第35卷第2期2004年3月
锅 炉 技 术BOI LER TECH NO LOGY
V ol. 35, N o. 2
M ar. ,2004
文章编号: C N311508(2004) 02001404
固定床层中四种不同粒径柱状活性炭流动阻力特性
王建伟, 曹子栋, 何少平, 李江荣
(西安交通大学, 陕西西安710049)
关键词: 活性炭; 阻力特性; 入口效应
摘 要: 采用活性炭脱硫制酸, 床层阻力是活性炭床层在工程技术设计中一个重要的特征数据, 通过测量4种不同粒径活性炭的阻力特性, 为工程设计提供了依据。实验表明:在层流区时, 平均阻力系数随Re 数的增大而减小, 层流向紊流过渡区时, 平均阻力系数随Re 数的增大而增大。入口效应仅在低Re 数、床层总阻力较小时对床层平均阻力系数影响较大。在层流区时小颗粒直径的活性炭(1mm ) 床层平均阻力系数随床层高度增大而增大, 大颗粒直径活性炭(3mm ,6mm ,10mm ) 床层平均阻力系数随床层高度的增大而减小。过渡区中大颗粒直径活性炭的平均阻力系数随床层高度增大而增大。中图分类号: X 842 文献标识码: A
1 前言
现阶段我国仍旧是以高硫煤为主要燃料的能源大国。煤的燃烧所产生大量的二氧化硫以及由此所形成的酸雨会对环境造成巨大破坏。解决二氧化硫所带来的这种污染问题, 是摆在面前很有意义的课题。文献[1]介绍了日本HI 2T ACHI 公司已经在使用的活性炭脱硫制酸工艺。在目前各种脱硫方法中, 活性炭脱硫制酸法因为活性炭可反复使用、脱硫效率高和产物—硫酸可带来效益而倍受瞩目。在设计活性炭烟气脱硫工业设备当中, 对于活性炭固定床层的工程设计, 床层阻力是一个重要的特征数据。因为它涉及到烟气出口的风机功率选择、烟气流量的控制、吸附柱直径大小的设计、活性炭层高度的确定以及活性炭种类的最佳选择。前人文献中尼古拉兹曾研究了流体流过粗糙圆管中阻力系数与雷诺数、相对粗糙度关系[3], 郝吉明, 马广大也针对活性炭的阻力特性进行了一定的研究[3], 本文针对4种不同颗粒直径的单一粒径柱状活性炭床层进行试验:颗粒直径分别为1mm 、3mm 、6mm 、10mm 。4种颗粒均经过精心选择, 其长度与直径之比约为1. 5左右。试验中分别得到它们在雷诺数为100～3200范围内、吸附床层高度在10～600mm 范围内的活性炭床层下的压降值, 找到了平均阻力系数与雷诺数、入口效应及床层高度之间的关系, 为工程实际应用中活性炭床层的设
计提供了可靠的依据。
2
试验装置及方法
图1 试验装置系统简图
试验系统如图1所示。本系统用空气作为工质进行试验。空气从固定床下端入口进入试验段, 在吸附柱出口空气直接排入大气。为便于观察实验现象, 吸附柱采用直径为80mm 的石英玻璃管, 高度1000mm 。固定床下端与压缩机用耐压管相连。吸附柱中段有2个出口, 与U 型管相连,2个端口分别位于活性炭层的上部和下部,
收稿日期:20030321; 修回日期:20030417
作者简介:王建伟(1972) , 男, 博士生, 专业为能源转换与环境保护, 研究方向为烟气脱硫, 双组分混合工质沸腾换热。
也就是固定床活性炭床层前后, 用于测量工质通过多孔介质活性炭床层所产生的压力降。吸附柱内为活性炭床层; 堆积方式采用乱堆法; 压降采用电子微压计(用于小于30mm 水柱的压降值时) 和U 型管压差计(用于大压降值时) 外接测量, 测量精度分别相当于0. 1mm 和1mm 水柱; 气体的流量采用玻璃转子流量计测量, 测量精度为0. 1m 3/h ; 活性炭床层高度测量精度为1mm ; 压缩机功率为活性炭5. 5kW , 可提供8个标准大气压的压头。
本试验中所有数据均在一个大气压下、室温25℃时获得。由于实测活性炭床层的阻力系数随着床层高度发生变化, 所以本文中的阻力系数采用的是床层高度的平均值, 单位为m -1。
占的比例也下降, 而局部阻力系数则相对稳定, 这样就使得沿程阻力系数对总阻力系数的影响作用随Re 增大而减弱。所以可以说, 空隙率、沿程阻力、局部阻力3个因素的综合作用, 造成了阻力系数曲线的这种随Re 增大而减小; 但是, 其减小幅度越来越小的变化趋势, 可以跟尼古拉兹曲线的层流部分做比较。尼古拉兹曲线层流部分是一条直线, 是因为只有沿程损失一个因素的影响, 而没有局部损失随Re 数增大而渐渐增大的影响。而正是因为局部阻力的越来越大的变化才使得图2中的曲线出现了向右弯的趋势。阻力系数随床层高度的增加而增加也是因为活性炭层被气流吹过产生松动所造成的空隙率的变化。床层高度低时床层因为重量较轻容易被吹松导致空隙率增大阻力减小, 而床层高度的增加导致了床层总重量的增加, 这就使得活性炭床层不容易被吹动, 从而导致了阻力的相对增大。
图3中3mm 粒径的活性炭阻力特性表现出了与1mm 活性炭既相同又有很大区别的现象。首先, 它们随Re 数的变化都是减小的, 表现出了相同的趋势, 但是随床层高度的变化却截然相反,3mm 活性炭的床层的阻力系数随床层高度的增加而逐渐减小。导致3mm 活性炭这种阻力变化现象的原因主要是入口效应的影响, 而气流导致床层松动的因素在低Re 数时影响较小。3mm 的活性炭在颗粒重量上大约是1mm 活性炭的27倍。在低Re 数的条件下, 气流根本吹不动活性炭, 但是阻力系统总体趋势依然表现出减小的趋势, 从这一方面来看, 沿程阻力在总的阻力损失中占据了较大的比重。入口效应对阻力损失的影响也是不容忽视的。
入口效应的机理主要是气
3 试验结果及分析
图(2～4) 分别给出了4种粒径活性炭平均阻
力系数与Re 数及床层高度的关系(下文中阻力系数均指平均阻力系数) 。
从图2中可以看出, 随着Re 数增加, 阻力系数呈下降的趋势, 而随着床层高度的增加, 阻力系数并不是跟预想的那样保持不变, 而是逐渐增大。显然可知, 通过活性炭的气流被分成了大量的小股气流, 为便于分析, 在此只考察其中的一小股气流。可把小股气流的阻力分成沿程损失和局部损失2部分。从下面2方面来分析, 从活性炭床层方面来看, Re 数的增加使得活性炭床层被吹的开始变得松动, 从而使得床层的间隙率增大, 减小了阻力; 而从气流流动的方面来看, Re 的增大使得层流边界层变薄, 减小了沿程阻力损失, 沿程阻力系数的下降会使其在总阻力系数中
图2 颗粒直径1mm 活性炭阻力系数曲线 图3 颗粒直径3mm 活性炭阻力系数曲线
流从大流通截面突变为大量的形状很复杂的小
流通截面所造成的局部损失。由于入口效应的影响区域比较小, 仅仅是气流入口段很短的一段距离, 所以在本次实验中所测量的床层高度范围内, 可以假定其对相同颗粒活性炭床层所引起的阻力损失是相同的。以Re 数为347. 7时为例, 实验测得床层厚度296mm 时阻力系数为157292. 8m -1, 床层厚度77mm 时阻力系数为329813m -1, 由算式(157292. 8×296-329813×77) /(296-77) =96635m -1得到去掉入口效应影响的理想阻力系数。显然, 去掉入口效应的影响后得到的阻力系数比实验测得的所有床层高度的阻力系数都小的多。入口效应的存在无疑增大了总阻力, 但是相对于1mm 这种小颗粒活性炭的大阻力而言, 入口效应导致的阻力损失对活性炭阻力系数影响很小。而相当于3mm 这种较大颗粒直径的活性炭的较小阻力而言, 入口效应导致的阻力损失对平均阻力的影响就显得比较大。而床层高度的逐渐增加实际上是使得入口效应对总阻力系数的影响逐渐减弱, 这样的效果反映在阻力系数曲线上就导致了阻力系数随床层高度而减小。值得注意的是, Re 数的增加, 也使得入口效应的影响逐渐减弱。这是因为, Re 数增大到
一定程度时使得大颗粒活性炭床层入口处也开始松动, 从而导致床层间隙率很快增大, 入口效应的影响因此大大减弱。当整个活性炭床层都被吹动时, 入口效应的影响基本上就可以忽略不计了。
图(4～5) 分别是颗粒直径为6mm 和10mm 的活性炭的阻力特性曲线。在这2个图中, 阻力曲线随Re 数和床层高度的变化表现出了相同的趋势。层流时跟图3表现出来的趋势也基本相同, 都是随Re 数的增大而减小。不同的是图(4～5) 中, 当Re 数进一步增大时(>1700) , 阻力系数随床层高度的增加而增大。这是因为, 图(4～5) 中颗粒直径较3mm 更大, Re 数小于1700时气流吹不动活性炭床层, 此时入口效应的影响占主导地位。当Re 数大于1700时, 气流流动从层流开始向紊流过渡, 这使得活性炭床层的阻力大大增加。同时, 高度较低的活性炭床层也开始被吹得松动, 从而阻力相对高床层高度的阻力系数要小一些。由图(4～5) 还可以看出,6mm 和10mm 活性炭的阻力特性非常相近, 这是因为, 当颗粒直径大到一定程度后, 活性炭床层的堆积密度基本上变化很小, 从而使得真实流通面积也相差很小, 阻力大小也就近似相等了
。
图4 颗粒直径6mm 活性炭阻力系数曲线 图5 颗粒直径10mm 活性炭阻力系数曲线
总的说来, 入口效应对阻力系数的影响受总
阻力大小和Re 数2个因素的作用。当床层总阻力很大时候, 因为入口效应导致的阻力损失相对床层总阻力小得多, 入口效应影响可忽略。Re 数足够大时, 床层间隙率增大也会使得入口效应导致的阻力损失迅速减小。实验也发现, 随着颗粒
直径的增大, 入口效应导致的阻力损失也呈减小的趋势。入口效应导致的阻力损失也呈减小的趋势。由于活性炭在工业上是被用来吸附气体这种特殊的用途, 所以通常为了提高吸附效率, 活性炭床层中气流的Re 数都是比较低的。所以入口效应对床层的影响不可忽视。虽然入口效
应对小Re 数时, 大颗粒直径活性炭的阻力系数影响较大, 但是由其所导致的绝对阻力损失是随着颗粒直径增大而减小的。
综合考察4种不同颗粒直径活性炭的阻力系数, 也可以看出, 随着颗粒直径的增大, 活性炭床层阻力减小的幅度很大。流体力学上为了减小由于流通面积突变所带来的局部阻力损失而采用渐缩或渐扩管, 原理相同。为减小活性炭床层的阻力损失, 也可以采用沿来流方向活性炭颗粒直径由大到小排列的混合床层, 通过采用这样的办法就可以减小一部分阻力损失。
使床层松动减小了床层阻力; 另一方面层流时随Re 数增大边界变薄从而减小了床层阻力, 从层流到紊流的过渡区时床层阻力随Re 数增大而增大。
(4) 床层高度的增加从2个方面增大了总阻力损失。一方面增大沿程阻力和局部阻力的损失; 另一方面, 高度增加使得床层不易被吹松, 相对于高度较低时床层阻力损失更大。符号说明:
u ———吸附床前空截面流速,m/s ; Re ———雷诺数,u ・D/v ;
ΔP ———空气流过活性炭层的压降;
4 结论
(1) 颗粒直径越大, 流动阻力越小。沿来流
ρ———标准大气压25℃时空气密度,kg/m 3;
2-1f ———平均阻力系数f =ΔP/0. 5ρu , L ,m ;
方向活性炭颗粒直径由大到小分布的混合床层
有利于减小床层总阻力。
(2) 入口效应的影响仅体现在流动总阻力相对不大, Re 数较低的情况Re 数的增大使得床层间隙率增大, 从而入口效应导致的阻力损失迅速减小。总阻力的增大也将减弱入口效应对阻力系数的影响。
(3) Re 数对床层阻力的影响体现在流动型式和对床层松动所造成的影响。一方面Re 数增大
L ———吸附床层高度;
υ———流体运动粘性系数,m 2/s ;
D ———特征长度(吸附柱直径) ,m 。
参考文献:
[1]HIT ACHI LT D , Desulphurizing waste gases 2using des orption washing liquid to partly cool gas before des orption[P], Derwent WPI , 1972-11825T , 1972.
[2]江宏俊. 流体力学[M].北京:高等教育出版社, 1985. [3]郝吉明, 马广大. 大气污染控制工程[M].北京:高等教育出
版社, 1989.
F low Resistance Characteristics of Four T ype
of Active Carbon in F ixed 2bed with Different Particle 2diameter
W ANGJian 2wei , C AO Z i 2dong , HE Shao 2ping , LI Jiang 2rong
(X i ’an Jiaotong University , X i ’an 710049, China )
K ey words :active carbon ; resistance characteristics ; entrance effect
Abstract :An experiment is conducted to obtain the flow resistance characteristics of active carbon bed for
1,3,6,10mm Particle 2diameter. Studied are the effects of particle 2diameter , Renault number , entrance effect , and height of the active carbon bed to the average flow resistance coefficient. The experiment in 2dicates that the average resistance coefficient decreases in layer flow area while increases in the transition area of layer flow to turbulence flow with the increase of Renault number. Entrance effect can effect the average resistance coefficient only when Renault number is low and total resistance is small. In layer flow area , the average resistance coefficient increases with the increase of height of the active carbon bed for small particles (1mm ) while the adverse conclusion is obtained for big particles (3mm , 6mm , 10mm ) . In the transition area of layer flow to turbulence flow , the average resistance coefficient of big particles increases with the increase of height of the active carbon bed.