淺談袋式除塵器清灰裝置的設(shè)計及清灰運行控制

鐘永生

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

袋式除塵器也稱過濾式除塵器，它是利用濾料作為過濾介質(zhì)制成袋狀或筒狀過濾元件來捕集含塵氣體中粉塵的除塵器。袋式除塵器作為一種最有效的煙塵治理設(shè)備，不受粉塵特性的影響，除塵效率高，結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，被廣泛用于電力、建材、冶金和化工等行業(yè)，且隨著袋式除塵器結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)、清灰技術(shù)和濾料技術(shù)的不斷提高，使袋式除塵器的壽命延長、運行更穩(wěn)定、除塵效率更高，而且能有效控制PM10、PM2.5微細(xì)粒子和微量金屬元素的排放，適應(yīng)性越來越廣，應(yīng)用范圍不斷擴大。

濾袋是袋式除塵器的“心臟”，而清灰技術(shù)是保持袋式除塵器長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，對濾袋壽命、除塵器阻力、壓縮空氣消耗量等產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，因此，清灰裝置也是袋式除塵器的核心部件之一。目前，常用的清灰方式可分為低壓行脈沖噴吹、低壓回轉(zhuǎn)脈沖噴吹、氣箱脈沖噴吹等，其中低壓行脈沖噴吹清灰方式綜合性能較優(yōu)，是當(dāng)前袋式除塵器的主流清灰方式，本文主要介紹低壓行脈沖噴吹清灰裝置的設(shè)計及清灰運行控制。

1 清灰機理及清灰過程

袋式除塵器在實際運行過程中，我們通常根據(jù)噴吹壓力、噴吹周期、脈沖寬度、脈沖間隔、除塵器阻力等運行參數(shù)來判斷其清灰效果，要提高清灰效果，就要對脈沖噴吹清灰機理進(jìn)行深入的研究。大量的研究表明，袋式除塵器的清灰主要依賴慣性力和反吹氣流的作用，使濾袋外表面的粉塵層在濾袋發(fā)生快速膨脹變形產(chǎn)生的慣性力以及由壓縮空氣造成的反向吹落氣流雙重作用下，脫離濾袋表面而實現(xiàn)清灰。壓縮空氣噴入濾袋后，使濾袋內(nèi)側(cè)壓力瞬間高于外側(cè)壓力，脈沖氣流像一個“氣泡”從上而下運動，在“氣泡”所到之處，原先呈內(nèi)凹狀的濾袋發(fā)生快速地膨脹變形，使濾袋外表面的粉塵層變形、破裂，并在膨脹變形停止的瞬間，會產(chǎn)生一個慣性力，同時，脈沖氣流在從上而下運動過程中，部分氣體通過濾袋向外排出而產(chǎn)生反向吹落氣流，濾袋外表面的粉塵層在慣性力和反向吹落氣流的雙重作用下，脫離濾袋表面而實現(xiàn)清灰。對于彈性較大的濾袋，慣性力起主導(dǎo)作用，一般較低的脈沖噴吹壓力和較少的壓縮空氣量即可實現(xiàn)清灰；對于彈性較弱的濾袋，反向吹落氣流起主導(dǎo)作用，需要較高的脈沖噴吹壓力和較多的壓縮空氣量才可以實現(xiàn)清灰。濾袋清灰過程如圖1。

圖1 濾袋清灰過程

2 清灰裝置的設(shè)計選型

2.1 清灰裝置的結(jié)構(gòu)及工作過程

低壓行脈沖噴吹的濾袋呈行列矩陣式規(guī)則布置，每行濾袋的正上方安裝一根噴吹管，一個脈沖閥控制一根噴吹管，一根噴吹管上設(shè)多個噴嘴，每個噴嘴對應(yīng)一條濾袋，精確定位噴吹，清灰效果好。低壓行脈沖噴吹清灰裝置主要由脈沖閥、氣箱、噴吹管和脈沖控制儀等組成。清灰裝置工作時，氣箱一端接壓縮空氣氣源，另一端接噴吹管，脈沖控制儀控制脈沖閥急速開啟，氣箱內(nèi)的壓縮空氣通過噴吹管的噴嘴高速噴出，同時引射數(shù)倍的周圍氣體吹入各條濾袋，濾袋內(nèi)側(cè)壓力瞬間高于外側(cè)壓力，濾袋發(fā)生快速地膨脹變形，使附著在濾袋外表面的粉塵層脫落，實現(xiàn)濾袋的清灰。

低壓行脈沖噴吹清灰裝置的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 低壓行脈沖噴吹清灰裝置的結(jié)構(gòu)

2.2 噴吹管的設(shè)計

噴吹管是清灰裝置的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接影響清灰效果和濾袋的使用壽命。噴吹管無耐壓要求，可選擇薄壁焊接管，但應(yīng)有足夠的剛度來保證噴吹管不會因自重和高速噴吹氣流產(chǎn)生的反向推力而發(fā)生彎曲變形，應(yīng)根據(jù)噴吹管的剛度情況選擇設(shè)置支撐、設(shè)置加強筋、壁厚加厚等方式對噴吹管進(jìn)行加強處理。噴吹管的管徑應(yīng)與所選脈沖閥出氣口的口徑相當(dāng)，如3″淹沒式脈沖閥所選用的噴吹管一般采用外徑為φ89mm的焊接管；噴吹管的長度根據(jù)所選脈沖閥能噴吹的濾袋數(shù)量、濾袋的直徑及濾袋間距確定。

噴吹口的形狀和直徑是噴吹管設(shè)計的核心。根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，壓縮空氣從脈沖閥噴吹后，沿噴吹管的長度方向上，各噴吹口的流量分配基本是按照從前到后逐漸增加的。

通過脈沖噴吹清灰機理實驗研究可知，噴吹管壓力沿氣體流動呈逐漸增大趨勢，而噴吹口的流量與噴吹管內(nèi)的壓力分布存在直接關(guān)系，越靠近尾部，噴吹口的流量越大。因此，為保證每個噴吹口的噴吹氣量相當(dāng)，在設(shè)計噴吹口孔徑的大小時，離脈沖閥遠(yuǎn)的噴吹口孔徑逐漸變小。一般來說，噴吹管上所有噴吹口孔徑截面積之和應(yīng)該為噴吹管內(nèi)徑截面積的50%～70%。數(shù)值模擬16個噴吹口的形狀，噴吹效果好的噴吹口形狀是一種帶翻邊的弧形孔，這種噴吹口不僅能減少噴吹阻力，而且能使壓縮氣流盡量匯中于一點噴出，從結(jié)構(gòu)上減少了發(fā)散無序的氣流沖刷濾袋的可能性。根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，這種帶翻邊的弧形孔的半徑應(yīng)控制在R25～R50mm。

為了保證噴吹氣流全部進(jìn)入濾袋中心，減少能量浪費，提高清灰效果，噴吹口上還應(yīng)設(shè)計結(jié)構(gòu)合理的噴嘴，噴嘴應(yīng)能夠均勻地將壓縮空氣噴入濾袋中，并能夠產(chǎn)生足夠大的引流，引射數(shù)倍的周圍氣體噴入濾袋中。噴嘴的大小和長度與噴吹管與花板面的距離有關(guān)，噴嘴通常選用1″管，長度取50～70mm。各種形式噴吹口的流量分配如圖4。

圖3 噴吹口形狀及噴嘴

圖4 各種形式噴吹口的流量分配

2.3 噴吹管距離花板面的距離

噴吹管的噴嘴口與濾袋口的距離對噴吹清灰效果有重要影響，距離太小，引射的氣流也會太小，影響清灰效果；距離太大，噴射的氣流不能有效噴入濾袋。噴吹管花板距離實驗表明，在給定的噴吹條件下，合適的距離可以保證噴吹氣流全部進(jìn)入濾袋中心，減少能量浪費，提高清灰效果。

噴吹管的噴嘴口與濾袋口的距離可根據(jù)等溫圓射流原理和試驗確定，通常在200～300mm。射流原理示意圖，如圖5所示。

圖5 射流原理示意圖

2.4 脈沖閥的選型和安裝

電磁脈沖閥是脈沖噴吹清灰的動力元件，目前袋式除塵器應(yīng)用較多的是膜片式脈沖閥。膜片式的脈沖閥不易受清灰氣源清潔程度和低溫環(huán)境時冷凝水結(jié)冰的影響，阻力較小，長期運行可靠穩(wěn)定，清灰效果較好。脈沖閥應(yīng)選擇閥門開啟速度越快、壓力上升速度快、噴吹氣量大、閥門關(guān)閉速度越快、壓力峰值大、膜片壽命長的產(chǎn)品。單個脈沖閥噴吹的濾袋數(shù)量與進(jìn)入袋區(qū)入口含塵濃度、脈沖閥品牌、濾袋長度等均有關(guān)系，通過大量的工程應(yīng)用及試驗，3寸膜片式脈沖閥，其單閥最大可噴吹大口徑濾袋數(shù)量建議為17條；4寸膜片式脈沖閥，其單閥最大可噴吹濾袋數(shù)量建議為28條。表1為某品牌脈沖閥噴吹試驗。

表1 某品牌脈沖閥噴吹試驗

膜片式脈沖閥有豎裝和平裝兩種方式，工程應(yīng)用表明，由于較大尺寸脈沖閥的膜片自重較大，脈沖閥豎直安裝時，在使用過程中膜片容易下墜而偏心，影響壽命，因此，大于3寸的膜片式脈沖閥，應(yīng)盡量選擇平裝方式，以提高膜片壽命。

2.5 氣箱設(shè)計

氣箱用于儲存脈沖閥一次噴吹的壓縮空氣量，氣箱的容積必須保證脈沖閥在一次脈沖噴吹后，氣箱內(nèi)的壓縮空氣壓降不能高于原壓力的1/3。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可以得出氣箱的容積：

式中，△n為脈沖閥一次耗氣量摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)，R=8.314J/(mol×K)；T為氣體溫度，K為此處按常溫20℃；P為噴吹壓力，Pa。

實際上，由于氣箱位于除塵器上部，受空間限制，氣箱無法做得太大，因此，為了保證脈沖閥一次噴吹時，氣箱儲存有足夠的壓縮空氣量，在設(shè)計時各個氣箱應(yīng)采用連接管連成一個整體，同時，連接管管徑應(yīng)盡可能的大，以滿足分氣箱短時的補氣要求。

2.6 清灰氣源

低壓行脈沖噴吹清灰用氣一般采用通過冷凍干燥后無油、無水、無塵的壓縮空氣，防止濾袋內(nèi)部受到污染和受潮，其凈化等級應(yīng)符合GB/T 13277.1要求。通過脈沖噴吹清灰機理實驗研究可知，脈沖閥的噴吹量與噴吹壓力成正比關(guān)系，根據(jù)脈沖閥的膜片壽命試驗，噴吹壓力一般控制在0.2～0.5MPa，壓縮空氣氣源壓力應(yīng)大于0.5MPa。

3 運行控制

濾袋區(qū)的清灰運行控制直接影響濾袋的清灰效果、除塵器阻力、壓縮空氣消耗量以及濾袋壽命等，袋式除塵器在實際運行過程中，應(yīng)根據(jù)除塵器的阻力高低隨時調(diào)控修正噴吹壓力、噴吹周期、脈沖寬度、脈沖間隔等運行參數(shù)。在投運初期，運行阻力較低，可設(shè)定較低的噴吹壓力、調(diào)大脈沖間隔、延長清灰周期；隨著投運時間延長，運行阻力逐漸升高，應(yīng)適當(dāng)調(diào)高噴吹壓力、調(diào)小脈沖間隔、縮短清灰周期。

對低壓行脈沖清灰方式，噴吹壓力在0.2～0.3MPa時，濾袋塵餅呈片狀剝落，二次揚塵較小；當(dāng)噴吹壓力大于0.4MPa時，濾袋粉餅呈粉狀崩落，二次揚塵較大，所以噴吹壓力不宜太高。除塵器的運行阻力適宜控制在800～1200Pa，過高的阻力，會降低系統(tǒng)風(fēng)量，增加風(fēng)機運行能耗；過低的阻力，說明濾袋尚未建立穩(wěn)定的“一次粉塵層”，不能實現(xiàn)高效過濾。清灰運行控制方式有定時清灰與定壓清灰。定時清灰控制方式的系統(tǒng)簡單、運用穩(wěn)定，適宜用于工況單一、系統(tǒng)較小、負(fù)荷穩(wěn)定的場合；定壓清灰控制方式可根據(jù)除塵器運用阻力設(shè)定值自動調(diào)節(jié)清灰周期，較好地適應(yīng)工況復(fù)雜、系統(tǒng)較大、負(fù)荷波動的場合，也可以采用定時清灰與定壓清灰相結(jié)合的控制方式，有利于降低清灰能耗，延長濾袋壽命。

4 結(jié)語

為了維持袋式除塵器長期運行的穩(wěn)定性，必須設(shè)置可靠的清灰裝置。在設(shè)計方面，要不斷總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化噴吹管結(jié)構(gòu)、設(shè)置合理的運行參數(shù)等，提高設(shè)備性能。