高炉煤气中粉尘浓度高精度测量系统的研究.pdf

高炉煤气中粉尘浓度高精度测量系统的研究 * 丁志江张娜肖立春肖林 燕山大学环境与化学工程学院， 河北 秦皇岛 066004 摘要 粉尘浓度测量是高炉煤气回收利用时保证燃气轮机安全运行的一个必不可少的环节。深入研究不同因素对测 量结果的影响， 有助于提高测量装置的精确度。研究了纤维直径、 粉尘平均粒径及采样时间等因素对测量误差的影 响， 结果表明 超细玻璃纤维有更高的粉尘收集效率; 能很好地收集粒径在 10 μm 以下的粉尘颗粒; 粉尘最佳采样时 间为 5 min。通过对滤膜和滤筒等速采样装置在不同管道风速下的标准偏差值的计算， 验证了该装置测量结果有重复 性好的优点。 关键词 粉尘浓度;玻璃纤维滤膜;过滤效率;高炉煤气 DOI 10. 7617/j. issn. 1000 －8942. 2013. 04. 035 STUDY ON HIGH PRECISION MEASUREMENT SYSTEM OF BLAST FURNACE GAS DUST CONCENTRATION Ding ZhijiangZhang NaXiao LichunXiao Lin College of Environmental and Chemical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China AbstractThe dust concentration measurement is an essential part of blast furnace gas recovery and utilization to ensure the gas turbines safe operation． The in depth investigation of different factors influence on the result of the measurement can be made to improve the accuracy． The effect of fiber diameter，mean diameter of dust and sampling time on the result of the measurement was studied，The results show that the superfine glass fiber has the higher dust collecting efficiency，and it can successfully collect the dust particles sized in 10 μm． The best sampling time of dust is 5 min． Through the calculation of the standard deviation value with the membrane filter and filter tube constant speed sampling device with different wind speed， it is proved that the filter tube constant speed sampling device has a relative good repeatability． Keywordsdust concentration;glass fiber filter;filtration efficiency;blast furnace gas * 河北省重大科技项目 10273920z 。 0引言 目 前，燃 气蒸 汽 联 合 循 环 发 电 CCPP Combined Cycle Power Plant 装置被广泛应用在高炉 煤气的回收利用中 ［1 ］。而且世界上一些著名的燃气 轮机公司对进入的高炉煤气中的粉尘粒径和浓度都 有严格限制， 如入口处的最大粉尘粒径不得超过 10 μm， 而浓度则要低于 1 mg/m3［2 ］。如果含尘浓度 过高或粒径过大， 对 CCPP 机组的安全、 经济运行都 有很大的影响。因此， 对进入机组的粉尘浓度在线监 测是一项必不可少的环节［3 ］。 高炉煤气管道处于正压工作状态， 并且气体中含 有大量有毒成分， 且易燃易爆， 使采样口的开设、 密封 具有很大的难度。而且 90 以上的高炉采用湿法工 艺对煤气进行回收利用， 经过除尘净化后， 煤气中粉 尘的浓度一般比较低， 只为 5 ～20 mg/m3［4 ］。基于这 种特性， 对高炉煤气粉尘的测量不同于对其他烟道气 体， 测量粉尘浓度的装置要求不能过大， 且应便于操 作， 最重要的是测量精度要高。本研究基于等速采样 理论， 以玻璃纤维滤膜作为收尘滤料， 有效地实现了 高精度粉尘浓度的测量， 能够很好地应用到工业 现场 ［5 ］。 1实验部分 1. 1实验原理 为了准确地测量烟道中高炉煤气含尘量， 必须依 据等速采样原理进行采样， 即进入采样嘴的气体流速 等于采样点的气流的速度。过大或过小的采样速度 731 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 都是对烟气流动场的破坏， 会使收集到的粉尘量失 准， 所采得样品不能真实反映煤气中粉尘含量 ［6 ］。 预测流速法是利用等速采样原理研究的方法之一， 原 理就是在正式采样测量前先测出采样点的流速、 压 力、 含湿量等参数， 结合这些参数选择合适的采样嘴 型号， 计算出在等速情况下所需要的采样流量。 采样过程中， 高炉煤气中的粉尘颗粒受到扩散力、 惯性碰撞、 拦截效应和重力沉降四种作用而偏离气流 主线被纤维过滤出来， 沉降在滤膜表面， 通过称量过滤 前后滤膜的质量变化， 可知所收集到的粉尘含量， 再根 据所采集的气体体积， 计算出管道内的粉尘浓度。 1. 2实验装置 如图 1 所示， 采样时通过调节流量调节阀按照计 算出的流量进行采样， 因此采样前后应尽可能地保持 气体状态参数稳定［7 ］。 图 1粉尘浓度测量原理 Fig． 1The principle of dust concentration measurement 与现有粉尘测量装置不同的是， 采样管1 中用高纯 度玻璃纤维滤膜代替了滤筒， 并在采样管转弯处采用可 拆卸连接方式， 以满足各种煤气管道现场测量的要求。 1. 3实验方法 影响粉尘浓度测量装置精度的主要因素有玻璃 纤维的直径、 所采集粉尘颗粒的平均粒径以及采样时 间等 ［8- 9 ］。实验选用管道风速为 11. 2 m/s， 入口粉尘 浓度为 50 mg/m3， 且恒定不变。 2结果与分析 2. 1纤维平均直径对测量结果的影响 构成滤膜的玻璃纤维直径大小不一， 并且排列也 不均匀， 只能根据纤维直径大小的分布状态， 确定其 平均值作为实验参数［10 ］。选取三种不同纤维直径的 滤膜分别进行粉尘浓度测量实验， 结果如图 2 所示。 从图 2 可以看出 随着纤维直径的增大， 收集到 的粉尘浓度值越来越小， 这是因为纤维的直径与滤膜 前后的压力降成反比， 纤维直径越小， 压力降越大， 过 图 2纤维直径与单位体积粉尘浓度的关系 Fig．2The relation between fiber diameter and dust concentration 滤效率越高， 更多粉尘被过滤下来。 2. 2粉尘平均粒径对测量结果的影响 粉尘颗粒的大小同样是影响粉尘浓度测量结果 的因素， 实验筛选出同种粉尘的三种不同的粒径， 分 别为 10， 20， 50 μm， 在相同的实验条件下， 分别测量 粉尘浓度如图 3 所示。 图 3粉尘粒径与单位体积粉尘浓度的关系 Fig．3The relation between dust diameter and dust concentration 从图 3 可以看出 收集到的三种不同平均粒径的 粉尘浓度值都在一定范围内波动， 并且随着平均粒径 的增大， 收集到的粉尘含量逐渐增大， 依次是3. 5 mg、 3. 6 mg 和 3. 8 mg。每种粒度的粉尘收集作用机制都 不相同， 粉尘颗粒透过滤膜的效率也就不同， 粉尘粒 径越小， 透过率越大， 从而收集下来的粉尘含量越少。 当粉尘的平均粒径为 10 μm 时， 收集到的粉尘量只 比粒径为 50 μm 时收集到的粉尘含量少 0. 3 mg。由 此得出 此套测量装置收集微小粒径的颗粒同样效率 很高， 可以精确测量粉尘平均粒子径为 10 μm 或更 小粒径的浓度值。 2. 3采样时间对测量结果的影响 在测量管道粉尘浓度时， 选取不同的采样时间， 831 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 对测定结果也有一定的影响。若采样时间不能根据 粉尘浓度进行调整， 就会造成测定数据 “失真” ［11 ］ ; 如 果采样时间过短， 滤膜上收集的粉尘含量过少， 称量 时会出现较大的相对误差; 如果采样时间过长， 随着 滤膜上累积的颗粒物越来越多， 过滤阻力增大， 同时 引起气流通过滤膜的速度减小， 流量逐渐下降， 造成 整个采样过程中的采样流量不均匀。因此选择最佳 的采样时间是十分必要的， 图 4 是在不同采样时间下 的粉尘浓度值。 图 4采样时间与单位体积粉尘浓度的关系 Fig． 4The relation between sampling time and dust concentration 通过图 4 可知 初始随着采样时间的增长， 粉尘 浓度值不断增大; 当采样到 5 min 时， 粉尘浓度基本 保持不变， 波动值仅为 0. 1 mg/m3; 但是随着时间的 再增长， 当超过 14 min 时， 粉尘浓度值又逐渐增大， 此时过滤收集粉尘进入了非稳定状态， 收集粉尘的含 量逐渐大于玻璃纤维滤膜的容尘量， 即粉尘颗粒已经 开始堵塞滤膜孔隙， 会导致采样流速降低， 采样流量 减少， 大大影响测量的精度。由此确定 5 min 为采样 的最佳时间。 2. 4粉尘浓度测量装置的重复性试验 装置的重复性测量在粉尘浓度测量过程中是一 个极为重要的环节， 如果测量重复性好， 就可以减少 测量的次数， 这样不仅可以节省时间、 节约成本， 还可 以减轻劳动力， 但前提是该粉尘浓度测量装置的精确 度必须要高。在以往的粉尘浓度测量中， 多采用玻璃 纤维滤筒等速采样装置进行测量， 但是这种装置只对 高浓度的粉尘测量有很高的精度， 对于低浓度粉尘的 测量有一些弊端。 图 5 显示两种测尘方法的标准偏差值随管道风 速变化的比较。从图 5 可以看出 随着风速的增 大， 两种测尘方法的标准偏差值都有变大的趋势， 且滤筒测尘值的浮动大于滤膜测尘值。说明滤筒 测尘的方法受风速的影响较大， 这是因为在高管道 风速的冲击下， 滤筒本身的纤维必然会有些损失， 如擦挂、 抽吸、 压碎等， 引起质量发生变化［12］。从图 5 中还可以看出 在相同的管道风速下， 滤筒测量的 偏差值要远远大于滤膜测尘的偏差值。出现这种 情况的原因， 一方面对滤筒本身来说， 质量参差不 齐， 筒壁厚度不均匀， 过滤效率不同导致测量结果 缺乏平行性; 除此之外， 滤筒的表面积比滤膜要大， 不能够集中的收集粉尘， 一些小粒径颗粒有更大的 几率从侧壁透过， 使每次的收集效率都不相同; 另 外， 滤筒测量受外界因素影响也比较大， 在装卸、 密 封、 采样等过程中都容易掉屑， 致使每次测量都会 出现很大的偏差， 甚至会失重［13］。 图 5不同管道风速下两种测量方法偏差值的比较 Fig．5Comparison of two s deviation values under different tube wind speeds 3结论 通过对粉尘浓度测量原理及方法的研究， 研制出 一种高精度粉尘浓度测量装置， 并通过一系列的实验 证明了此套装置对高精度粉尘浓度测量的可行性， 得 出如下结论 1 在一定范围内， 滤膜的玻璃纤维直径越小， 所 测粉尘的平均粒径越大， 测量装置的收尘效率越高， 该测量装置对粒径为 10 μm 以下的粉尘有很高收集 效率; 最佳采样时间为 5 min。 2 通过与滤筒测量装置的比较， 滤膜测量的标 准偏差值明显要小于滤筒测量的偏差值， 说明滤膜等 速采样法的重复性比滤筒测量法好， 其应用于粉尘浓 度测量时， 只需测量 3 次， 就能够达到高精度测量的 要求。 下转第 65 页 931 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 表 2系统处理效果的检测数据 Table 2Detection date of treatment effect of the system mg/L pH 除外 项目ρ CODρ SSρ 油脂 ρ 氨氮pH 进水水质 2 710 ～4 120 1 520 ～2 540 160 ～56586 ～112 6. 1 ～6. 6 出水水质72 ～10274 ～1176 ～1512 ～227. 4 ～7. 7 排放标准≤120≤200≤20≤256. 0 ～9. 0 5讨论和建议 1采用预处理 － UASB － 生物接触氧化工艺处 理屠宰废水， 系统稳定可靠， 出水达到排放标准。 2肉制品加工废水具有排水不均匀、 杂质和悬 浮物多、 油脂等污染物浓度较高等特点， 在生化工艺 之前必须重视预处理， 特别要强化对悬浮物、 油脂等 的去除。 3预处理阶段采用粗/细格栅 － 隔油沉淀 － 调 节池 － 气浮的组合工艺， 实践证明是有效和必要的， 在降低后续工段负荷的同时保证了悬浮物、 油脂等的 去除， 保证了后续生化系统的正常运行。 4本系统 UASB 设计的 COD 容积负荷为 3. 5 kg/ m3 d ， 实际运行负荷在 2. 5 ～ 3. 2 kg/ m3d ， UASB 出水 COD 长期稳定在 250 ～ 520 mg/L，UASB 没有出现过酸化迹象， 系统稳定可靠。 5屠宰废水中含有的氮主要以氨氮和有机氮的 形式存在， 废水经 UASB 系统处理后会出现氨氮浓度 升高的现象， 是有机氮转换为氨氮的结果。以本工程 为例， 原水在经过 UASB 处理后， 氨氮浓度会由 80 ～ 120 mg/L 上升至 150 mg/L 左右， 这是在设计阶段进 行工艺计算时必须考虑到的因素。 6本工程位于东北地区， 工程设计和建设过程 中充分考虑了对构/建筑物、 设备、 管道等的保温、 伴 热以及对废水的蒸汽伴热， 系统 2 年来得以稳定调试 运行， 上述措施起到了重要作用。 参考文献 ［1］王凯军， 左剑恶， 贾立敏． UASB 工艺的理论与工程实践［M］． 北京 中国环境科学出版社， 2002 11- 12. ［2］肉类加工废水生物脱氮工艺过程研究［M］ ． 成都 西南交通大 学出版社， 2007 45- 61. ［3］石宪奎， 倪文， 江翰． 升流式厌氧污泥床反应器工程启动研究 ［ J］ ． 环境污染与防治， 2002， 26 5 363- 366. ［4］张崇华． 生物接触氧化处理废水技术［M］． 北京 中国环境科学 出版社， 1991. 作者通信处潘登100085北京市海淀区上地信息路 5 号 5006 室 电话 010 82782711 E- maildengp xjlh． com 2012 －08 －30 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 139 页 3 该粉尘浓度测量装置适用于低浓度粉尘的高 精度测量， 且测量成本低、 操作简便， 在工业现场应用 中有良好的前景。 参考文献 ［1］Guo Z C，Fu Z X． Current situation of energy consumption and measures taken for energy saving in the iron and steel industry in China［J］． Energy， 2010， 35 11 4356- 4360． ［2］Bohnet M．Particle Separaticle from hot gases- possibilities and limits［C］∥ 3rd European Symposium on Separation of Particle from Gases，Nuernberg， 1995． ［3］梁南山， 王波． 高炉比肖夫煤气处理系统积垢与堵管原因分析 ［ J］． 金属材料与冶金工程， 2009， 37 1 53- 56． ［4］黄小亚， 顾智勇． 高炉煤气除尘技术［J］． 炼铁， 2003， 22 3 54- 56． ［5］杜丽娜． 烟道粉尘浓度在线监测 ［ D ］ ． 沈阳 东北大学， 2005 1- 2． ［6］郭忠义． 等速采样提高烟尘浓度数据质量［J］ ． 环境工程， 2000， 18 4 48- 50． ［7］Espy M A，Matlashov A，Kraus Jr R H，et al． Squids as detectors in a new experiment to measure the neutron electric dipole moment ［J］ ． IEEE Transactions on Applied Superconducitivy，1999， 9 2 3696- 3699． ［8］金丽． 锅 窑 炉烟尘浓度测定的主要影响因素［J］ ． 科技创新 导报， 2009 12 118- 120． ［9］阎三宝， 祁君田， 殷焕荣， 等． 低烟尘排放浓度测量出现 “负值” 的原因分析及处理［ J］． 热力发电， 2011， 40 12 106． ［ 10］Wladyslaw W S． Aerosol concentration measurement with multiple light scatteringsystemandlaseraerosolspectrometer ［J］． Atmospheric Research， 2005， 62 2 255- 265． ［ 11］刘会流． 陶瓷炉窑烟尘监测误差因素分析［J］ ． 化学工程与装 备， 2009 7 180- 181． ［ 12］李阳春， 舒彩凤． 烟尘监测时采样滤筒的质量控制［J］ ． 环境 监测管理与技术， 2007， 19 1 50- 51． ［ 13］张见昕． 污染源颗粒物监测结果偏离的原因探讨［J］． 环境保 护与循环经济， 2011， 24 1 66- 68． 作者通信处张娜066004河北省秦皇岛市燕山大学环境与化学 工程学院 E- mail527780053 qq． com 2012 －09 －14 收稿 56 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期