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电磁过滤器去除热网腐蚀产物数学模型研究与应用.pdf
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1、48第 5 期(总第 242期)2023 年 10 月山 西 电 力No.5(Ser.242)Oct.2023SHANXI ELECTRIC POWER电磁过滤器去除热网腐蚀产物数学模型研究与应用叶 洲1,田文华2,王园园2(1.福建华电可门发电有限公司,福建 福州 350000;2.西安热工研究院有限公司,陕西 西安 710032)摘要:通过悬浮铁颗粒在电磁过滤器通道中的受力平衡和物料守恒的原理,推导出电磁过滤器去除水中悬浮铁的数学模型,利用自行设计的动态试验装置对模拟可靠性进行了验证。结果表明:运行流速固定为190m/h时,进水悬浮铁质量浓度在201300g/L范围内,电磁过滤器悬浮铁的去
2、除率维持在98%左右,电磁过滤器进水含铁量越大,出水含铁量也相应增大;电磁过滤器进水含铁量不变时,流速在319660m/h范围内,电磁过滤器悬浮铁的去除率随着流速的增加而降低;在该流速和进水铁含量范围内,电磁过滤器去除水中悬浮铁的数学模型得到很好的验证,同时提出了表征电磁过滤器对水中悬浮铁去除能力的性能常数以及性能常数的测试方法,可以用于指导电磁过滤器的设计、选型和运行优化。关键词:电磁过滤器;腐蚀产物;数学模型;除铁性能常数;测试方法;运行流速中图分类号:TM621.8 文献标志码:A 文章编号:1671-0320(2023)05-0048-050引言 热电联产以能源消耗低、环境污染小、供热
3、成本低等优势随着我国供热需求的迅速增长而快速发展,供热机组的规模化和大型化发展已成为趋势,大型发电机组的供热改造也与日俱增。与此同时,高温高含铁量的热网回水处理问题也引起了电厂化学领域的广泛关注1。调研发现,热网系统启动时,热网回水含铁的质量浓度最高可达1800g/L以上。若将其处理达到火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量标准(GB/T121452016)中机组的给水标准,就能直接进入除氧器回用于锅炉系统。目前,我国热网回水的处理技术发展很快,其中电磁过滤技术是一种根据物料磁性差异进行分离的技术2,以能够耐受高温高压流体、除铁效率高、电耗低、占地面积小等独特优势,在前苏联及日本等国的电站凝结水精
4、处理等领域得到了应用3。我国近年来所开发出的新型电磁过滤器,已应用在电厂高温疏水等处理领域4。本文通过采用国内某公司设计制造的电磁过滤器试验数据,建立了电磁过滤器去除悬浮铁的数学模型,并根据模型对电磁过滤器运行时的工艺参数进行优化,取得了很好的效果。1 电磁过滤器数学模型的研究1.1 数学模型的建立 模型的假设条件如下:a)水中悬浮铁的成分和颗粒分布不随时间变化而变化。b)悬浮铁颗粒之间无相互作用。c)悬浮铁颗粒很小,且形状为球形,其重力和浮力的作用可以忽略。d)电磁过滤器可以作为推流式反应器来看待。在运行工况不发生改变的情况下,电厂用水中收稿日期:2022-10-19,修回日期:2023-0
5、3-06作者简介:叶 洲(1985),男,福建松溪人,2011年毕业于西 安热工研究院有限公司热能工程与动力专业,硕士,高级工程师,从事电厂化学水处理工作;田文华(1968),男,甘肃庆阳人,2003年毕业于清 华大学环境工程专业,博士,教授级高级工程师,从 事电厂凝结水精处理、补给水处理及节水技术工作;王园园(1988),女,陕西渭南人,2015年毕业于长 安大学环境工程专业,硕士,工程师,从事电厂化学 水处理工作。叶 洲,等:电磁过滤器去除热网腐蚀产物数学模型研究与应用2023 年 10 月49铁的含量一般较低,水中悬浮铁的成分和分布基本不变,且相互之间作用力很小,假设条件a)和条件b)满
6、足;水中悬浮铁颗粒的粒径很小(均小于100m),其重力和浮力很小,可以忽略不计,假设条件c)满足;电磁过滤器的运行流速较高,且过滤通道长宽比大于3,可近似认为电磁过滤器为推流式反应器,假设条件d)满足。假设条件成立,将电磁过滤器过滤通道分割成无数个微元,微元模型如图1所示。图1 坐标系微元模型图 在忽略了重力和浮力的作用后,同时悬浮铁颗粒相互之间作用力忽略不计,电磁过滤器内部每一个微元内的悬浮铁主要受到x轴方向上电磁力及水体阻力2个力的作用。a)电磁场作用于悬浮铁颗粒的电磁力5:(1)其中,F为作用于悬浮铁颗粒的磁力;为悬浮铁颗粒的磁化率;V为悬浮铁的体积;H为磁场强度;dH/dx为磁场强度梯
7、度。b)水体作用于悬浮铁颗粒的阻力6:(2)其中,Fz为作用于悬浮铁颗粒的阻力;为阻力系数;v为悬浮铁颗粒相对于过滤通道边界的运动速度;d为悬浮铁颗粒的粒径;为水的密度。由式(1)和式(2)推导出悬浮铁颗粒在静止水体中的运动方程为 (3)从式(3)可以看出,当颗粒运动速度越来越大时,作用在颗粒的外力将会达到平衡,悬浮铁颗粒加速度为0,此时颗粒将进行匀速运动。因此,由式(3)得 (4)悬浮铁颗粒移动到边界时即视为颗粒被过滤器捕获,由于该过程时间很短,因此可忽略加速过程,直接将v视为颗粒从中心移至边界的速度。根据图1,设水的流速为vs,建立物料守恒公式7:单位时间内被吸附到微元边界悬浮铁的量等于单
8、位时间内微元中悬浮铁的减少量,即 (5)其中,b为微元中轴线至通道边界距离;vs为水流流速;V为悬浮铁的质量分数;dy为沿y轴的长度微元。设悬浮铁的初始质量分数为V0。对式(5)两边分别从和0L积分得 (6)其中,L为过滤通道的长度。由式(6)得 (7)其中,Cis为电磁过滤器进水中悬浮铁的含量;C0s为电磁过滤器出水中悬浮铁的含量。由式(7)得 (8)需要注意的是,在对式(5)进行积分时,包含了一个临界条件:即微元中轴线上的悬浮铁颗粒从微元进口移动至出口的时间刚好等于其从中轴线移动至边界的时间。通过悬浮铁颗粒的受力分析可知,其沿x轴的移动速度是与粒径大小有关的。因此,对于整个过滤器而言,可以
9、认为粒径大于满足边界条件的颗粒将被过滤器截留,而粒径小于满足边界条件的颗粒将会漏过。因此,对于同时过滤的一批粒径不同的悬浮铁,可以将式(4)中的d用de代替:(9)其中,de满足边界条件的颗粒粒径。将式(9)带入式(8)中可得 (10)依据假设,水中悬浮铁的成分是不变的,因此?山 西 电 力2023 年第 5 期50式(10)中 为常数。而电磁过滤器选型结束后,则是与电磁过滤器自身性能相关的系数,也为常数。将二者合并后用K表示。同时,电磁过滤器无法去除水中溶解铁,于是式(10)可化为 (11)其中,Cd为水中溶解铁的含量,g/L;Ci为进水中全铁的含量,g/L;C0为出水中全铁的含量,g/L;
10、K为常数,m/h。式(11)即为电磁过滤器去除水中悬浮铁的数学模型。1.2 数学模型的检验 电磁过滤器数学模型的研究成果基于理论推导建立,是否具有实际指导作用,则需要通过试验进行验证。1.2.1 试验条件 a)试验装置。为了验证电磁过滤器的数学模型,本次试验设计了专门的动态实验装置,装置系统如图2所示。动态试验装置主要包括水箱、母液箱、离心泵、计量泵、管道混合器、电磁过滤器和空气反洗设备。整个系统能实现电磁过滤器过滤、水反冲洗、空气擦洗等功能。试验时,通过调整计量泵流量,可将母液箱内的工作液与水箱的进水混合配成含铁量不同的水样。该电磁过滤器为实际工程所用的流量最小的一款设备,运行流量最大可达5
11、0m3/h,试验达到了中试规模。图2 动态试验装置系统图 b)投加的腐蚀产物。本次试验采用某电厂凝结水精处理系统前置过滤器反冲洗水中铁的悬浮物经沉淀、过滤、烘干等工序制备成的铁粉作为电磁过滤器进水中投加的腐蚀产物。采用激光粒度分析仪对该样品进行了粒径分布的测定,结果如表1所示;同时用X射线衍射XRD(X-raydiffraction)检测了该样品的物相组成,结果如表2所示8。表1 悬浮铁的粒径分布粒径/m5103060累积分布/5.026.967.299.5表2 悬浮铁的物相组成分布成分Fe3O4Fe2O3-FeO(OH)质量分数/53.435.810.8 表1表明该试验样品粒径小于60m的颗
12、粒占到99.5,而小于5m的颗粒仅占5.0,有效粒径为6m。表2显示悬浮铁的主要成分为Fe3O4、Fe2O3和-FeO(OH),Fe3O4是铁磁性物质,Fe2O3为顺磁性物质,-FeO(OH)为抗铁磁性物质,其中具有磁性的Fe3O4和Fe2O3占比为89.2,可见该铁粉样品的磁响应性高。c)试验用水。经超滤过滤的自来水,水中溶解态铁的质量浓度为1g/L。1.2.2 测定方法 若铁的质量浓度在105000g/L,采用锅炉用水和冷水分析方法铁的测定(GB/T144272017)测定;若铁的质量浓度小于10g/L,采用火力发电厂水、汽试验方法铜、铁的测定石墨炉原子吸收法(DL/T9552016)测定
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