阅读说明：本技术 一种自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘装置和方法 (Moving bed particle dust removal device and method capable of automatically adjusting speed of filter material ) 是由 詹敏述 游明皓 陈江 李朝阳 吴斌 于 2019-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘装置和方法,属于高温除尘领域。装置包括颗粒床过滤器、床层内部压力测量装置和移动床颗粒流动控制装置。方法包括四个步骤：固定床模式的初始状态、形成滤饼,表面过滤、穿透滤饼,深层过滤、关闭电机,移动停止。床层内部压力测量装置用于测量颗粒床的表面压降和深层压降,当表面压降曲线斜率大于深层压降曲线斜率时,颗粒床过滤器为固定式颗粒床；当表面压降曲线斜率小于深层压降曲线斜率时,颗粒床过滤器在移动床颗粒流动控制装置的控制下变化为移动式颗粒床。这样既充分利用了固定床滤饼过滤的高分离效率,又发挥了移动床连续运行的优点,提高了滤料的利用率同时降低了设备的能耗。(The invention discloses a moving bed particle dust removal device and method capable of automatically adjusting the speed of a filter material, and belongs to the field of high-temperature dust removal. The device comprises a particle bed filter, a pressure measuring device inside the bed layer and a moving bed particle flow control device. The method comprises four steps: initial state of fixed bed mode, forming filter cake, surface filtering, penetrating filter cake, deep filtering, turning off motor and stopping movement. The pressure measuring device in the bed layer is used for measuring the surface pressure drop and the deep pressure drop of the particle bed, and when the slope of a surface pressure drop curve is greater than that of a deep pressure drop curve, the particle bed filter is a fixed particle bed; when the slope of the surface pressure drop curve is less than the slope of the deep pressure drop curve, the particle bed filter is changed into a moving particle bed under the control of the moving bed particle flow control device. Therefore, the high separation efficiency of the fixed bed filter cake filtration is fully utilized, the advantage of continuous operation of the moving bed is also exerted, the utilization rate of the filter material is improved, and the energy consumption of the equipment is reduced.)

一种自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘装置和方法

技术领域

本发明属于高温除尘领域，特别涉及一种自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘设备及方法。

背景技术

颗粒床过滤器用颗粒介质作为滤料，以达到净化气体的目的，具有耐高温、抗冲击、抗磨损、除尘效率较高、性能稳定及滤料颗粒成本低等优点，因此被认为是最有发展前景的高温干法除尘技术之一。颗粒床过滤器分为两类：一类是固定床颗粒过滤器，除尘效率高但需要间歇操作来清灰；另一类是移动床颗粒过滤器，可实现连续操作但除尘效率略低于固定床颗粒除尘器。

颗粒床过滤过程存在着表面过滤和深层过滤两种状态。在一定条件下，滤料颗粒表面形成滤饼的表面过滤会提高颗粒床对微细粉尘的捕集效率。滤饼的形成显著提高除尘效率这一现象首先在固定床颗粒过滤器中发现。Miyamoto(1975)注意到过滤时初始除尘效率很低，但随着粉尘的积累效率迅速提高；Squires(1991)在研究百页窗形式的固定床用于燃煤飞灰的除尘过程中，也发现了在床层表面形成了粉尘滤饼。固定床颗粒过滤中形成粉尘滤饼是非稳态过程，粉尘滤饼的厚度随着时间逐渐增大而压降急剧升高，在达到某一时刻后粉尘滤饼会被穿透而进入深层过滤状态。然而，很少有人关注基于颗粒床内粉尘沉积状态来对颗粒床过滤过程进行控制。

由此，本发明提出了一种自动调节滤料移动速度的移动床颗粒除尘装置及方法，将颗粒床过滤器床层内部粉尘沉积状态通过压力变化来反映，通过压力信号控制颗粒床的运行模式。既充分利用了固定床滤饼过滤的高分离效率，又发挥了移动床连续运行的优点，提高了滤料的利用率同时降低了设备的能耗。

Miyamoto S,Bohn H L.Filtration of airborne particulates by gravelfilters:collection efficiency and pressure drop on filtering fume.Journalofthe Air Pollution Control Association, 1975,25(1):40-43.

Squires A M,Pfeffer R.Panel bed filters for simultaneous removal offly ash and sulfur dioxide.Journal oftheAir Pollution ControlAssociation,1970,20(8):534-538.

发明内容

本发明提出了一种自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘装置及方法，基于颗粒床内粉尘沉积的压力变化来调节颗粒床过滤器中的滤料运动，实现了固定床高效过滤和移动床的自动卸料，提高了滤料的利用率同时降低了设备的能耗。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘装置，包括颗粒床过滤器、床层内部压力测量装置和移动床颗粒流动控制装置。

颗粒床过滤器采用逆流式移动床颗粒过滤形式，包括颗粒床过滤器本体、与其顶部连通的加料罐、位于其侧壁上的进气分布器和位于其底部的螺旋输送器。

加料罐与颗粒床过滤器本体的连接处设有洁净气体出口；含尘气体经进气分布器进入颗粒床内，经滤料颗粒过滤，由洁净气体出口排出；螺旋输送器将含尘滤料排出，滤料颗粒由上至下依靠重力流动，加料罐内滤料颗粒补入颗粒床过滤器本体。

床层内部压力测量装置包括差压传感器、在线压力监测与显示器和多个压力探头，压力探头测量颗粒床的多个方位的压力信号，差压传感器将采集到的压力信号转换为电信号后传输到线压力监测与显示器中显示，实时监测颗粒床内压力变化。

移动床颗粒流动控制装置包括PLC控制器、变频器和电机，床层内部压力测量装置将在线压力监测与显示器监测到的数字电信号传输给PLC控制器的输入模块，PLC控制器驱动变频器以带动电机来控制螺旋输送器的启动或关闭，实现滤料移动速度的调节。

更进一步的，颗粒床过滤器本体为筒锥形结构，其底部向中心逐渐聚拢形成一个直筒状的输出管道；进气分布器设置在颗粒床过滤器锥体段，为若干个沿着颗粒床过滤器锥体外壁的径向设置的平行的环形侧缝；螺旋输送器的入口端与输出管道法兰连接，出口端设有收集器用于收集含尘滤料。

更进一步的，压力探头有三个，分别为第一压力探头、第二压力探头和第三压力探头；第一压力探头设置在进气分布器前，第二压力探头和第三压力探头沿着颗粒床过滤器中心轴线***颗粒床内部，其中第二压力探头的位置在进气分布器顶端位置之上距离3-10mm 处，第三压力探头设置在第二压力探头上部且距离为40-100mm；第一压力探头和第二压力探头测量它们之间的颗粒床的表面压降，第二压力探头和第三压力探头测量它们之间的颗粒床的深层压降。根据实验测得最佳布点位置，如果距离太小，滤饼不会形成，距离太大，则表面过滤和深层过滤无法区分。

更进一步的，PLC控制器包括输入模块、CPU及PID控制模块、输出模块和变频器，床层内部压力测量装置得到的压力信号经差压传感器转换为电信号后经由在线压力监测与显示器输出后与输入模块连接输入到CPU及PID控制模块，之后逻辑运算值输出到输出模块，输出模块将信号传输给变频器，变频器再将电信号输送给电机以带动螺旋输送器运行。

一种自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘方法，包括如下步骤：

步骤(1)固定床模式的初始状态：颗粒床过滤器运行初期，螺旋输送器关闭，颗粒床过滤器处于固定床模式；

步骤(2)形成滤饼，表面过滤：含尘气体进入颗粒床过滤器后，粉尘首先沉积在颗粒床表面形成滤饼进行表面过滤，此时表面压降增长速率明显大于深层压降增长速率，将在线压力监测与显示器上的表面压降和深层压降曲线的斜率值传输到PLC控制器进行判断，表面压降曲线斜率大于深层压降曲线斜率，维持当前颗粒床运行状态；

步骤(3)穿透滤饼，深层过滤：粉尘逐渐进入颗粒床内部形成深层过滤，此时表面压降增长速率基本不变而深层压降增长速率迅速增大，将在线压力监测与显示器上的表面压降和深层压降曲线的斜率值传输到PLC控制器进行判断，表面压降曲线斜率小于深层压降曲线斜率，此时输出模块输出一个数字信号经由变频器以驱动电机，开启螺旋输送器将含尘滤料排出，颗粒床过滤器变更为移动床模式；

步骤(4)：关闭电机，移动停止：定义时间间隔T：

公式中ρ为颗粒密度-kg/m³、h为颗粒床锥体段高度-m、r为小圆半径-m、R为大圆半径-m、q_m为滤料颗粒的质量流率,范围为5.3～9.3kg/h，经过时间间隔T后，此时输出模块输出一个数字信号经由变频器输出电信号至电机以关闭螺旋输送器，循环至步骤(2)。

更进一步的，输出模块输出的电信号为脉冲信号，脉冲信号持续的时间间隔T保证进气分布器内含尘滤料被全部排出，深层含尘滤料下降到表面区域，此时自动关闭螺旋输送器，移动床模式转换为固定床模式。

有益效果：本发明将颗粒床过滤器床层内部粉尘沉积状态通过压力变化来反映，通过压力信号控制颗粒床的运行模式。既充分利用了固定床滤饼过滤的高分离效率，又发挥了移动床连续运行的优点，提高了滤料的利用率同时降低了设备的能耗。

附图说明

图1：本发明实例提供的一种自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘装置及方法示意图。

图中：1-颗粒床过滤器、2-床层内部压力测量装置、3-移动床颗粒流动控制装置；11- 顶部加料罐、12-颗粒床过滤器本体、13-进气分布器、14-螺旋输送器、15-收集器、16-进气管路、17-出气管路、P1-第一压力探头、P2-第二压力探头、P3-第三压力探头、21-差压传感器、22-在线压力监测与显示器、31-PLC控制器、32-变频器、33-电机；N1-气流入口、N2-洁净气流出口、N3-气流出口

图2：PLC控制器原理框图；

图3和图4：本发明两种工作状态下的床层压降对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘装置包括颗粒床过滤器1、床层内部压力测量装置2和移动床颗粒流动控制装置3。

颗粒床过滤器1采用逆流式移动床颗粒过滤形式，由上至下依次为加料罐11、颗粒床过滤器本体12、进气分布器13、螺旋输送器14和收集器15；颗粒床过滤器本体12为筒锥状结构；其顶部与加料罐11法兰连接，该连接处设有洁净气体出口N2；其锥体部分设有进气分布器13，为若干个平行的沿着锥体外壁的环形缝隙；其底部向内聚拢成一个直筒状的输出通道；所述螺旋输送器14的入口端与输出通道法兰连接，出口端设有收集器15 用于收集输出滤料颗粒。在进气分布器13处设有与颗粒床过滤器1垂直的进气管路16，颗粒床过滤器1的下端将进气管路16径向贯穿，进气管路16的起始端作为气流入口N1；洁净气体出口N2处设有出气管路17，出气管路17的末端为气流出口N3。

含尘气体从气流入口N1进入，经进气管路16到达锥体段进气分布器13进入颗粒床过滤器并逆流向上进行过滤，经洁净气流出口N2进入出气管路17由气流出口N3排出；含尘滤料通过螺旋输送器14排出至收集器15，滤料颗粒由上至下依靠重力流动。

床层内部压力测量装置2包括三个压力探头、差压传感器21和在线压力监测显示器 22构成，三个压力探头分别测量颗粒床不同位置处的压力信号，差压传感器21将采集到的压力信号转换为电信号后传输到在线压力监测与显示器22中显示，实时监测颗粒床内压力变化。

三个探头分别为第一压力探头P1、第二压力探头P2和第三压力探头P3。第一压力探头P1设置在进气分布器13前，放置在进气管路16处，第三压力探头P3和第二压力P2 沿着颗粒床过滤器1中心轴线***颗粒床内部并依序构成上下位置。第一压力探头P1和第二压力探头P2测量它们之间的颗粒床表面压降，第二压力探头P2和第三压力探头P3 测量它们之间的颗粒床深层压降。第二压力探头P2的位置在进气分布器13顶端位置之上距离3-10mm处；第三压力探头P3设置在第二压力探头P2上部且距离为40-100mm处。

移动床颗粒流动控制装置3包括PLC控制器31、变频器32以及电机，床层内部压力测量装置2将在线压力监测与显示器22监测到的数字电信号传输给PLC控制器31的输入模块，PLC控制器驱动变频器32以带动电机33来控制螺旋输送器14的启动或关闭，实现滤料移动速度的调节。

PLC控制器31包括输入模块、CPU及PID控制模块、输出模块和变频器32，床层内部压力测量装置2得到的压力信号经差压传感器21转换为电信号后经由在线压力监测与显示器22输出后与输入模块连接输入到CPU及PID控制模块，之后逻辑运算值输出到输出模块，输出模块将信号传输给变频器32，变频器32再将电信号输送给电机33以带动螺旋输送器14运行。

输出模块输出的电信号为脉冲信号，脉冲信号持续的时间间隔T保证进气分布器内含尘滤料被全部排出，深层含尘滤料下降到表面区域，此时自动关闭螺旋输送器，移动床模式转换为固定床模式。定义时间间隔T：

公式中ρ为颗粒密度-kg/m³、h为颗粒床锥体段高度-m、r为小圆半径-m、R为大圆半径-m、q_m为滤料颗粒的质量流率,范围为5.3～9.3kg/h。

本发明操作过程如下：含尘气体从气流入口N1进入，经进气管路16到达锥体段进气分布器13进入颗粒床过滤器并逆流向上进行过滤，颗粒床过滤器本体12与顶部加料罐11连接处设有洁净气流出口N2，经过滤后的洁净气体经出气管路17由气流出口N3排出；含尘滤料通过螺旋输送器14排出；滤料颗粒由上至下依靠重力流动。压力探头分别测量颗粒床不同位置处的压力信号，差压传感器21将压力信号转换为电信号后传输到在线压力监测与显示器22上显示，实时监测颗粒床内压力变化，直观感受表面压降和深层压降的变化。床层内部压力测量装置2监测到的压力变化输出给PLC控制器31，PLC控制器 31驱动变频器32以带动电机来控制螺旋输送器的启动与关闭，实现滤料移动速度的调节。

本种自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘方法，颗粒床过滤器运行初期，螺旋输送器关闭，颗粒床过滤器处于固定床模式；含尘气体进入颗粒床过滤器后，粉尘首先沉积在颗粒床过滤器表面形成表面过滤，此时表面压降增长速率明显大于深层压降增长速率，将在线压力监测与显示器上的表面压降和深层压降曲线的斜率值传输到CPU及PID控制模块进行判断，表面压降曲线斜率大于深层压降曲线斜率，不改变颗粒床运行状态；随着过滤的进行粉尘逐渐进入颗粒床过滤器内部形成深层过滤，此时表面压降增长速率基本不变而深层压降增长速率迅速增大，将在线压力监测与显示器上的表面压降和深层压降曲线的斜率值传输到CPU及PID控制模块进行判断，表面压降曲线斜率小于深层压降曲线斜率，此时输出模块输出一个电信号经由PLC控制器带动变频器以驱动电机，开启螺旋输送器将含尘滤料排出，此时颗粒床过滤器处于移动床模式；从而实现颗粒床过滤器的自动控制。

所述的输出模块输出的的信号为脉冲信号，脉冲信号持续的时间间隔T保证进气分布器内粉尘被全部排出，深层含尘滤料下降到表面区域，此时自动关闭螺旋输送器，移动床模式转换为固定床模式。

实施例1

本自动调节滤料速度的移动床颗粒除尘装置，它包括一个Φ150mm、筒体高度400mm 的逆流式颗粒床过滤器和分布三个压力探针的压力测量装置，颗粒床锥角为60度。实验粉尘为中位粒径10μm滑石粉，过滤介质为1mm和2mm的石英砂，气体含尘浓度为2g/m3，过滤气速为0.4m/s。

颗粒床内表面过滤和深层过滤压降变化结果如图3和图4所示。当颗粒滤料为1mm时，如图3所示，由于颗粒床孔隙率较小，粉尘滤饼容易形成，导致在过滤的初始阶段表面压降曲线斜率就大于深层压降曲线斜率，但随着粉尘的沉积，过滤时间接近2000s时，深层区域的压降急剧增大，而表面区域的压降无较大变化；颗粒滤料为2mm时，如图4 所示，颗粒床孔隙率较大，粉尘滤饼不易形成，导致在过滤的初始阶段表面区域压降曲线斜率基本等于深层压降曲线斜率，随着粉尘的沉积接近2000s，深层区域的压降急剧增大，而表面区域压降基本保持不变。因此，在深层压降曲线斜率小于表面压降曲线斜率之前，颗粒床保持固定床模式，粉饼的存在有利于分离效率的提高，当深层压降曲线斜率大于表面压降曲线斜率时，说明颗粒床的粉尘负荷量已经达到极限，此时输出模块输出一个电信号经由PLC控制器带动变频器驱动电机，开启螺旋输送器将含尘滤料排出，此时颗粒床过滤器处于移动床模式；之后螺旋输送器在一定时间间隔T的脉冲信号作用下控制颗粒滤料流动时间，直到进气分布器内含尘滤料的完全排出而深层含尘滤料下降到表面区域为止，此时自动控制关闭螺旋输送器再转换为固定床模式。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰同样涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。