金屬長濾袋脈沖噴吹清灰均勻性優(yōu)化研究*

馬小輝 李楊 王云端 劉安雄 張明星 李紅

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621010）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的高溫?zé)煔?、腐蝕性氣體中含有大量的超細(xì)顆粒，這些超細(xì)顆粒的排放是除塵領(lǐng)域中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。袋式除塵器除塵效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，因此被廣泛應(yīng)用于除塵領(lǐng)域。長濾袋除塵器具有可靠的穩(wěn)定性、較低的能耗以及較大的處理風(fēng)量等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為除塵器發(fā)展的方向［1-2］。

由于傳統(tǒng)袋式除塵器的耐久性和耐高溫性無法滿足工業(yè)需求，金屬氈纖維濾袋（以下簡稱金屬濾袋）應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)濾料相比，金屬濾料具有過濾效率高、耐高溫、耐腐蝕、易加工成型等特點(diǎn)，使用溫度可達(dá)400 ℃以上［3-4］，是處理高溫?zé)焿m的理想過濾元件。

清灰裝置是袋式除塵器的核心部件，清灰裝置噴吹管內(nèi)的氣流均勻性問題備受關(guān)注。LI S H 等［5］經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，沿著噴吹管氣流方向的噴吹孔的孔徑逐漸減小，脈沖噴吹均勻性提高了5～8倍；GINESTET A 等［6］將噴嘴直徑從氣流入口的10.5 mm 減小到管道末端的8.0 mm，使得噴吹管沿著濾袋和管道方向的清灰效果更加均勻；王才德［7］通過對噴吹孔改型以及調(diào)整噴吹參數(shù)，大幅提升了除塵器的清灰效果，降低了濾袋的損壞率；鐘麗萍等［8］通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)噴嘴直徑的改變會(huì)影響噴吹管系統(tǒng)的清灰均勻性；樊百林等［9］通過CFD數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)氣體的入口流量影響噴吹管氣流分布的均勻性，因此，在設(shè)計(jì)噴吹管時(shí)需要綜合考慮噴吹孔徑、噴吹孔形狀、噴吹參數(shù)、氣體入口流量等參數(shù)對濾袋清灰效果的影響。

為了優(yōu)化金屬長濾袋脈沖噴吹清灰均勻性，首先搭建金屬長濾袋脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后對噴吹管分別采用3 種噴吹孔徑分布方式，進(jìn)行脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)，研究沿噴吹管氣流方向上的金屬長濾袋間側(cè)壁壓力峰值的分布規(guī)律，對比分析噴吹管的噴吹孔徑分布方式，確定滿足金屬長濾袋脈沖噴吹清灰均勻性的噴吹管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

脈沖噴吹金屬長濾袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由信號(hào)采集系統(tǒng)和噴吹系統(tǒng)組成。信號(hào)采集系統(tǒng)由電荷放大器、便攜式數(shù)據(jù)采集儀、壓電式壓力傳感器和計(jì)算機(jī)組成。噴吹系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、電氣控制柜、電磁脈沖閥、噴吹管（外徑×長度為58 mm×2 000 mm、噴吹孔個(gè)數(shù)為9，相鄰兩孔的中心距為200 mm、管壁厚度為5 mm）、金屬長濾袋（直徑×長度為160 mm×6 000 mm，孔隙率為80%，透氣量為12 m3（/m2·min））。

圖1 脈沖噴吹金屬長濾袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)以側(cè)壁壓力峰值、不同測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差作為清灰均勻性的評價(jià)指標(biāo)。設(shè)置實(shí)驗(yàn)對比研究噴吹管優(yōu)化前、后濾袋側(cè)壁壓力峰值分布規(guī)律。李朋等［10］認(rèn)為當(dāng)噴吹壓力為0.4 MPa、噴吹孔徑為16 mm、噴吹距離為200 mm 時(shí)，金屬長濾袋的清灰效果最佳。因此，本實(shí)驗(yàn)中選取噴吹壓力為0.4 MPa，噴吹距離為200 mm，脈沖寬度100 ms。每個(gè)金屬長濾袋測點(diǎn)分布如圖2 所示，在距離濾袋頂部分別為400、1 000、2 100、3 300、4 300、5 100、5 900 mm處安置7 個(gè)壓力傳感器，測點(diǎn)分別記為P1—P7。

圖2 金屬長濾袋測點(diǎn)分布（單位：mm）

實(shí)驗(yàn)采用脈沖噴吹的方式，首先采用噴吹管T1對金屬長濾袋進(jìn)行噴吹實(shí)驗(yàn)，得到不同濾袋間側(cè)壁壓力峰值的分布規(guī)律。噴吹管T1結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，9 個(gè)噴吹孔依次編號(hào)為K1—K9。

圖3 噴吹管T1 結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

每組噴吹實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)5 次。實(shí)驗(yàn)中，通過壓電式壓力傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀測量各測點(diǎn)的電壓值后，使用計(jì)算公式將電壓值轉(zhuǎn)換為壓力值，再計(jì)算出側(cè)壁壓力峰值的平均值，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；分別計(jì)算不同測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的標(biāo)準(zhǔn)差和方差，確定側(cè)壁壓力峰值偏離平均值的程度，標(biāo)準(zhǔn)差和方差的數(shù)值越小，表明脈沖噴吹清灰均勻性越好。

1.3 噴吹管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

在噴吹管內(nèi)，管內(nèi)氣流量從始端到末端不斷減小，導(dǎo)致動(dòng)壓逐漸下降、靜壓逐漸增大，從而使噴吹孔出口氣流速度不斷增大，要實(shí)現(xiàn)噴吹管氣流噴吹的均勻性，根據(jù)噴吹孔出口氣流速度不斷增大的變化趨勢，通過調(diào)整噴吹孔在氣流垂直方向上的投影面積，可以控制噴吹孔的孔口流出風(fēng)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴吹管優(yōu)化前濾袋側(cè)壁壓力峰值分布

采用噴吹管T1對金屬長濾袋進(jìn)行脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)，噴吹管T1對應(yīng)濾袋各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的分布如圖4 所示。由圖4 可知，測點(diǎn)P1—P7的側(cè)壁壓力峰值沿噴吹孔K1—K9呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，說明噴吹氣流分布均勻性欠佳。測點(diǎn)P2的側(cè)壁壓力峰值是所有測點(diǎn)中最高的，并且在噴吹孔K8、K9處達(dá)到最大值。采用噴吹管T1時(shí)，在噴吹過程中，噴吹管末端對應(yīng)濾袋先于前端濾袋接受清灰。壓縮氣流在噴吹管內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中，主要表現(xiàn)為動(dòng)壓的形式，在流過管道后會(huì)在管道內(nèi)形成負(fù)壓，當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到噴吹管末端時(shí)軸向速度迅速降為零，此時(shí)動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，從而導(dǎo)致管道末端的靜壓增大，管內(nèi)靜壓的增大使噴吹氣流在噴吹孔處的速度增大。因此噴吹孔K6—K9處各測點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值比噴吹孔K1—K5處的大，導(dǎo)致脈沖噴吹濾袋的清灰均勻性較差。

圖4 噴吹管T1 對應(yīng)濾袋各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的分布

各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的均勻性指標(biāo)如表1 所示。由表1 可知，測點(diǎn)P1—P7峰值壓力的方差為0.022 ～0.042，均大于0.01，表明采用噴吹管T1進(jìn)行噴吹時(shí)，不同濾袋間側(cè)壁壓力峰值分布不均勻，且變化幅度較大，無法滿足金屬長濾袋脈沖噴吹清灰均勻性的要求。

2.2 優(yōu)化噴吹管后濾袋側(cè)壁壓力峰值分布

為了實(shí)現(xiàn)噴吹管在各噴吹孔出口處的流出風(fēng)量相近，以達(dá)到均勻噴吹的效果，根據(jù)噴吹管T1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，噴吹管前端噴吹孔對應(yīng)濾袋側(cè)壁壓力峰值偏小，末端噴吹孔對應(yīng)濾袋側(cè)壁壓力峰值偏大。因此對部分噴吹孔的孔徑做出調(diào)整，將噴吹孔K1、K2的孔徑調(diào)整為17 mm，噴吹孔K8、K9的孔徑調(diào)為15 mm。優(yōu)化后的噴吹管T2的噴吹孔徑分布方式為K1—K2：17 mm；K3—K7：16 mm；K8—K9：15 mm。

（1）噴吹管T2。噴吹管T2對應(yīng)濾袋各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的分布如圖5 所示。由圖5 可知，測點(diǎn)P1—P7的側(cè)壁壓力峰值沿噴吹孔K1—K9呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在噴吹孔K7處，各測點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值最大。與采用噴吹管T1時(shí)的結(jié)果相比，噴吹孔K1、K2的直徑增大，濾袋的側(cè)壁壓力峰值也隨之增大；噴吹孔K8、K9的孔徑減小，濾袋的側(cè)壁壓力峰值也減小。在噴吹壓力保持不變的情況下，噴吹孔直徑的增大使噴吹氣流流量增加，從而誘導(dǎo)更多的二次氣流，使進(jìn)入濾袋的混合氣流（噴吹氣流+誘導(dǎo)氣流）總量增加，因此濾袋側(cè)壁壓力峰值會(huì)上升。相應(yīng)地，噴吹孔直徑的減小使進(jìn)入濾袋的氣流量減小，從而導(dǎo)致濾袋側(cè)壁壓力峰值下降。

圖5 噴吹管T2 對應(yīng)濾袋各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的分布

各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的均勻性指標(biāo)如表2 所示。由表2 可知，在噴吹孔K6、K7處，濾袋各測點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值大于平均值，其余噴吹孔處，濾袋各測點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值與平均值相差不大。測點(diǎn)P1—P7峰值壓力的方差為0.005～0.014。與采用噴吹管T1時(shí)的結(jié)果相比，方差均減小，表明濾袋的清灰均勻性有所改善。但是部分測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的方差仍大于0.01，說明噴吹管T2無法滿足脈沖噴吹濾袋清灰均勻性的要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化噴吹管。

表2 各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的均勻性指標(biāo)

根據(jù)噴吹管T2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，噴吹孔K6、K7對應(yīng)濾袋側(cè)壁壓力峰值偏大，因此將噴吹孔K6、K7的直徑調(diào)為15 mm，優(yōu)化后的噴吹管T3的噴吹孔徑分布方式為K1—K2：17 mm；K3—K5：16 mm；K6—K9：15 mm。

（2）噴吹管T3。采用優(yōu)化后的噴吹管T3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，噴吹管T3對應(yīng)濾袋各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的分布如圖6 所示。由圖6 可知，在噴吹管T2的基礎(chǔ)上，減小噴吹孔K6、K7的孔徑，濾袋的側(cè)壁壓力峰值也隨之降低。測點(diǎn)P1—P9的側(cè)壁壓力峰值沿噴吹孔K1—K9變化趨勢趨于平緩，與采用噴吹管T1、T2時(shí)濾袋各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的分布相比，濾袋脈沖噴吹清灰均勻性得到很大提升。

圖6 噴吹管T3 對應(yīng)濾袋各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的分布

各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的均勻性指標(biāo)如表3 所示。由表3 可知，在噴吹孔K1—K7處，濾袋各測點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值均在平均值左右較小范圍內(nèi)波動(dòng)。測點(diǎn)P1—P7的側(cè)壁壓力峰值的方差為：0.001～0.004，與采用噴吹管T1、T2時(shí)的結(jié)果相比，平均方差大幅減小，表明濾袋的清灰均勻性有很大程度的改善。并且各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的方差均小于0.01，表明噴吹管T3滿足濾袋清灰均勻性的要求。

表3 各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的均勻性指標(biāo)

3 結(jié)論

（1）采用噴吹管T1，噴吹孔K1—K9對應(yīng)濾袋各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值分布呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。沿噴吹管氣流方向上不同濾袋之間的側(cè)壁壓力峰值分布不均勻，各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的方差均大于0.01，達(dá)不到清灰均勻性的要求。

（2）通過噴吹孔直徑的改變對噴吹管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用噴吹管T2時(shí)，與優(yōu)化前的結(jié)果相比，噴吹均勻有所改善，但是部分測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的方差仍大于0.01，表明噴吹管T2不滿足濾袋清灰均勻性的要求。

（3）采用噴吹管T3時(shí)，不同濾袋之間的側(cè)壁壓力峰值沿噴吹孔K1—K9方向變化趨勢平緩，各測點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值的方差均小于0.01。與采用噴吹管T1、T2時(shí)的結(jié)果相比，濾袋清灰均勻性大幅提升，表明噴吹管T3的噴吹孔徑分布方式滿足濾袋清灰均勻性的要求。

由此可見，在工業(yè)除塵中，噴吹管的設(shè)計(jì)應(yīng)采用前端到末端噴吹孔徑逐漸減小的方式，并選擇合適的清灰參數(shù)，從而確保金屬長濾袋脈沖噴吹的清灰均勻性。