行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
高溫廢氣淨化流動式顆粒床過濾技術研究與開發整合型研究
高溫流動式顆粒床過濾系統之冷模性能分析
執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
主持人 : 郭景宗
執行機關:國立臺灣大學機械工程學研究所
E-mail: [email protected]
一、摘要 1-1 中文摘要 近年來高溫廢氣淨化系統在工業 先進國家已被廣泛的研究過，但大都 僅限於流動現象的探討，關於壁邊與 顆粒體之間的力分佈情形尚未有完整 的描述，本計畫之主要目的為設計製 造一完整之流動式顆粒床過濾系統， 進行室溫狀況下之運轉性能測試及結 果分析。連續流動式顆粒床過濾系統 是廣泛利用的廢氣淨化裝置，為現今 發展之高溫氣體淨化重要技術之一， 而其中煙塵進出葉片進氣與出氣口之 流場及壓降更是此系統研發之重要課 題。不佳之設計，將導致顆粒體堆積， 大幅增加壓降和葉片內靜止區面積， 使顆粒體流動受到阻塞，降低顆粒床 過濾效率。 此實驗系統之規模將依據目前正在進 行中的系統整合研究所設計的規模， 斟酌測試結果。冷模性能分析研究的 工作項目包括氣窗葉片對顆粒體的流 動行為影響，氣流速度分佈及壓降量 測，氣流穿透過濾床的壓力降隨時間 變化的情形，過濾效率量測。 關鍵詞：流動式顆粒床、靜止區、運 轉性能 1-2 英文摘要The technology about high temperature gas-cleaning facilities has been described since 19th century, especially in industrial country. But most of discussion on the granular motion, only few discussion focus on the force distribution.
One of the major system components of the granular bed filter is the bed media cleaning and regeneration system, where dirty granular materials are cleansed and pneumatically conveyed back to the filter vessel. When the gas-solids injection feeder is coupled with a moving granular bed filter it could face several technical challenges. The main task of this project is to construct a laboratory scale moving granular bed filter including a gas-solids injector for circulation and regeneration of bed material. The apparatus will be tested under cold flow condition to evaluate the system performance.
二、 緣由與目的
燃煤電廠或廢棄物焚化廠所排放 的煙塵中之粒狀污染物，若不經妥善 處理控制，會造成嚴重的空氣污染，
危害人類健康及自然環境生態。因此 世界各工業先進國家，對工廠煙囪排 放的粒狀污染物，均訂了嚴格的排放 標準，以維護環境的空氣品質。本計 畫案之主要研究目的為發展以顆粒體 為過濾介質的高溫廢氣淨化技術。並 探討不同設計顆粒床之葉片，對於流 場之各個變化及影響，以及對於壓降 的影響，並研究隨顆粒床不同高度， 支 撐 葉片 之 受力 狀 態 ， 量 測 過 濾 效 率，方便將來整合研究效率最佳之顆 粒床。 三、研究方法 以三維的流動式顆粒體床測試系 統為實驗裝置，藉著所量測到的壓力 值來作摩擦阻力的探討，並比較在不 同高度的應力值變化，測顆粒體於儲 槽內與壁邊所造成的作用力，實驗設 計簡圖請參見圖 1。其中垂直管兩側葉 片（Louver）之長度、彼此之間的間距 為固定。此實驗可分成兩大部分：對 稱型無阻礙物與對稱型有阻礙物兩種 實驗。以實驗方法與數值模擬，固定 煙塵總進氣與排氣口，來探討顆粒床 內各組葉片之流量分配率及附近之流 場狀態，並討論煙塵進入過濾床所造 成之壓降；進而討論實驗與數值模擬 之間的試用性。 四、研究結果與討論 4-1 受力狀態之顆粒體整體比較 從所得的各組圖形當中，塑膠顆 粒體球與砂粒不管是垂直應力或是剪 應力，其因高度不同所造成的圖形趨 勢幾乎是相同的，其值的差異大部分 為重力所造成。 4-2 不同角度的比較 由實驗中知道同一高度下，θ越 大，則應力越大。 4-3 阻礙物與無阻礙物之間的比較 應力值的大小主要是受到顆粒體 本身因重力的作用而產生。在 a 區和 b 區 所 測量 的 值與 沒 有 阻 礙 物 之 值 相 似，但是 c 區和 d 區的值就相對偏低， 原因可能是在 c、d 區阻礙物阻隔了原 本在上方的顆粒體，致使顆粒的流向 被強制往左右兩邊帶開，相對的上方 就沒形成一空洞區，所以 c、d 兩區的 應力變小。 4-4 數值模擬之速度向量分析 而圖 2 為整體顆粒床之速度向量 圖，發現在進口 1 處有相當密集之速 度向量分佈，更顯示出進口 1 處有相 當大之流量進入。進口 2 處則在越接 近 Z 軸中心才有大量流體進入，而在 Z 軸兩側則逐漸形成渦漩（vortex）將流 體帶出進口 2 處；兩者效應互相抵銷， 造成進口 2 處只有少量流體進入顆粒 床。其實進口 1 與 3 處附近皆會形成 渦漩，但帶進流體之效應大於帶出效 應，故總進氣流量分佈皆集中在進口 1 與 3 處。流場另一形成渦漩處則是在 出口 1 處前方。 4-5數值模擬之壓降分析 顆 顆粒床模型所測得之總壓降與實 驗所得數據有極大差距推究其主要原 因應是在顆粒與顆粒間的孔隙其網格 數太少，使近壁區之壁函數無法真實 表 現 出流 體 分子 與 壁 面 間 之 黏 滯 效 應，造成壓降的損失無法像實驗數據 般準確 4-6顆粒過濾床效率分析 根據圖三，建立粉塵採樣技術， 設計生產慣性原理之粒子採樣串式衝
擊器(Cascade Impactor)，經由粉塵污染 物的噴入過濾床，於過濾床前後端作 粉塵採樣，經由採樣物分析，所得的 顆粒過濾床效率為 97.7%。提供顆粒床 性能的一個重要指標。經由串式衝擊 器設計的採樣分析結果，採樣前後塵 粒的粒徑有很明顯的不同，其中採樣 位置在過濾器前時染塵粒徑的 d50約在 47~50µ ，經過過濾器之後，染塵粒m 子採樣的 d50大於 200 mµ ，推究其中 的原因，應該是過濾介質碎屑在過濾 時，經由過濾床吹出至輸送管道，在 接續的實驗中，將針對此一缺點進行 改善，並研究串式衝擊器收集時採樣 物在各個收集板上粒徑的分級程度， 期建立更完善的流動式顆粒體效率量 測系統。 五、結論與建議 σ與τ之值隨著顆粒體的不同其 值雖然會變化，但其變化的趨勢是相 同的。對於無阻礙物而言，同一位置 阻礙物高度越高，其應力值越小，且 越靠近流動出口處，其值越大。本實 驗在設計上同一層葉片上所量測的點 只有四點，在作理論分析時並不能完 全將應力值變化趨勢給呈現出來。在 實驗中發現，三維的顆粒體床實驗除 了有垂直與平行方向兩種力，還有一 種與輸送帶平行的力，其值的大小也 是影響顆粒體流動的因素，想要完整 的知道整個葉片受力情形，則第三種 力應該要被研究。本實驗所使用之數 值模擬軟體－Cinar ICE於近壁區域採 用壁函數解，我們應可考慮其他數值 模擬軟體，例如使用雙層模式（two layer model）來解析此區域之流場。雙 層模式的優點之一為近壁區域內不需 要大量的網格點即可穩定地解析不錯 的結果，亦可節省計算之時間。 其他影響流場的重要參數如入口 紊流動能耗散率、紊流長度等，往後 可進一步有系統地探討這些參數的交 互變化對流場的影響。對於如顆粒床 的複雜流場不但具有更多的特性值得 研究，且若有相關更精密儀器所量得 的數據，即可輔助此紊流模式的發展 及驗證能夠更加地成熟和完備。 六、參考文獻
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圖4流動顆粒床過濾器系統組合 Sand+Dust Particles Venturi 1 (Venturi 2) DIRTY GAS (AEROSOL) Fluidised Bed Sand Hopper Screw Conveyor Air CLEAN GAS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 Filter 2 Gravity Settling Chamber 3 Bin 4 Continuous Weighing Scale 5 Inventory Hopper 6 Injector 7 Pneumatic Conveying Line 8 Cyclone 9 Blower 10 Check Valve 11 Silencer 12 Air Filter 13 Aerosol Generator Filter Granules DUST PARTICLES (ASH) 11
