基于Minitab的除塵試驗(yàn)裝置研究分析

李玲瑜

（攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 攀枝花 617023）

基于Minitab的除塵試驗(yàn)裝置研究分析

李玲瑜

（攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 攀枝花 617023）

為滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，針對目前應(yīng)用廣泛的袋式除塵器，設(shè)計(jì)研發(fā)了除塵試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，利用Minitab軟件進(jìn)行分析，尋找進(jìn)風(fēng)方式、濾袋間距及過濾風(fēng)速三者間的最優(yōu)化組合，為今后設(shè)計(jì)高效袋式除塵器提供了參考。

除塵試驗(yàn)；進(jìn)風(fēng)方式；濾袋間距；過濾風(fēng)速；優(yōu)化組合

隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)從120mg/ Nm3降低到50mg/Nm3以下，部分國家特大型城市已經(jīng)執(zhí)行10mg/Nm3特別排放限值。但經(jīng)監(jiān)測，現(xiàn)有使用的除塵器大部分粉塵排放濃度不能達(dá)到國家最新標(biāo)準(zhǔn)，更加無法應(yīng)對可能執(zhí)行的特別排放限值，所以需要進(jìn)行大量研究試驗(yàn)，對現(xiàn)有除塵器進(jìn)行研究改進(jìn)。

除塵器有重力除塵器、旋風(fēng)除塵器、濕式除塵器、過濾層除塵器、袋式除塵器、靜電除塵器和組合式除塵器等七種類型。高效除塵器主要包括電除塵器和袋式除塵器兩種。對處理粉塵來說，袋式除塵器具有運(yùn)行穩(wěn)定、高效的特點(diǎn)，目前可廣泛適應(yīng)于超細(xì)粉塵、高溫氣體、風(fēng)量波動(dòng)大和外排粉塵濃度低的場合。我國顆粒物排放控制已進(jìn)入大力消減PM10、PM2.5時(shí)代，作為吸附PM2.5微細(xì)顆粒物的利器，袋式除塵器是推進(jìn)節(jié)能減排不可或缺的高效裝備之一。為達(dá)到國家最新排放標(biāo)準(zhǔn)，袋式除塵器的改進(jìn)性研究十分迫切。

1 除塵試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)研發(fā)

1.1 關(guān)鍵因素確定

對設(shè)計(jì)一個(gè)除塵器來說，粉塵外排濃度及設(shè)備運(yùn)行壓差是兩個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)。粉塵外排濃度關(guān)系到除塵器功能達(dá)標(biāo)的程度，而設(shè)備運(yùn)行壓差則關(guān)系到設(shè)備能耗的高低，即設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

分別對可能影響粉塵外排濃度及設(shè)備運(yùn)行壓差的因素做分析，考慮因素的重要性、可控性、影響的不確定性等，最終確定進(jìn)風(fēng)方式、濾袋間距及過濾風(fēng)速為三個(gè)關(guān)鍵因素。除塵試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)需滿足這三個(gè)關(guān)鍵因素對除塵效率影響試驗(yàn)的需要。

1.2 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了三種進(jìn)風(fēng)方式：下進(jìn)風(fēng)、中進(jìn)風(fēng)及上進(jìn)風(fēng)，進(jìn)風(fēng)方式可切換。共三個(gè)倉室，每個(gè)室花板孔的間距不一樣，濾袋安裝間距不同，該試驗(yàn)裝置為φ160mm直徑濾袋設(shè)計(jì)240mm、 250mm、260mm三種間距試驗(yàn)。三個(gè)室可共同工作，可單獨(dú)工作。三個(gè)室共同工作時(shí)，可比較不同進(jìn)風(fēng)方式的除塵效率及能耗；每個(gè)室單獨(dú)工作時(shí)可比較不同濾袋間距的除塵效率及能耗。

2 試驗(yàn)研究及分析

試驗(yàn)裝置建成后，首先利用Minitab軟件進(jìn)行試驗(yàn)規(guī)劃，然后進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，再對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 第一輪DOE試驗(yàn)

將過濾風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)方式、濾袋間距作為三個(gè)因子，將粉塵排放濃度及設(shè)備運(yùn)行壓差分別作為響應(yīng)變量，過濾風(fēng)速取63.5%風(fēng)速、100%風(fēng)速兩個(gè)水平，進(jìn)風(fēng)方式取上進(jìn)風(fēng)、中進(jìn)風(fēng)、下進(jìn)風(fēng)三個(gè)水平，濾袋間距取240mm、250mm、260mm三個(gè)水平，分別進(jìn)行粉塵排放濃度及設(shè)備運(yùn)行壓差全因子試驗(yàn)。第一輪DOE試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

（1）粉塵排放濃度分析。根據(jù)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Minitab軟件進(jìn)行分析可知，風(fēng)速及進(jìn)風(fēng)方式對于響應(yīng)變量排放濃度的影響很顯著，而濾袋間距的影響相對不顯著；為使排放濃度取值小，應(yīng)該讓風(fēng)速盡可能大，進(jìn)風(fēng)方式選擇中進(jìn)風(fēng)，濾袋間距選大間距260mm。

通過因子交互作用的分析可知，風(fēng)速與進(jìn)風(fēng)方式的交互作用對于響應(yīng)變量排放濃度的影響顯著。

（2）設(shè)備運(yùn)行壓差分析。根據(jù)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Minitab軟件進(jìn)行分析可知，風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)方式及濾袋間距對于響應(yīng)變量壓差的影響都很顯著；為使壓差取值小，應(yīng)該讓風(fēng)速盡可能小，進(jìn)風(fēng)方式選擇中進(jìn)風(fēng)，濾袋間距選中間間距250mm。

通過因子交互作用的分析可知，二階交互作用對于響應(yīng)變量壓差的影響均不顯著。

（3）第一輪DOE試驗(yàn)結(jié)論。從前面粉塵排放濃度及設(shè)備運(yùn)行壓差分析可知：①為使排放濃度取值小，風(fēng)速應(yīng)取大值；為使壓差取值小，風(fēng)速應(yīng)取小值。②為使排放濃度及壓差取值小，進(jìn)風(fēng)方式均應(yīng)選擇中進(jìn)風(fēng)。③為使排放濃度取值小，濾袋間距應(yīng)取大間距260mm；為使壓差取值小，濾袋間距應(yīng)取中間值250mm。

由以上結(jié)論，初步可以確定最佳進(jìn)風(fēng)方式是中進(jìn)風(fēng)；風(fēng)速對排放濃度和壓差的影響方向相反；濾袋間距的最佳取值也不能統(tǒng)一。接下來需進(jìn)行第二輪的DOE試驗(yàn)及分析，尋找三者間的優(yōu)化組合方案。

第二輪DOE試驗(yàn)擬采用固定中進(jìn)風(fēng)方式，規(guī)劃風(fēng)速和濾袋間距進(jìn)行兩個(gè)因子兩水平加兩個(gè)中心點(diǎn)及四個(gè)軸點(diǎn)共十個(gè)組合的試驗(yàn)。

2.2 第二輪DOE試驗(yàn)

將過濾風(fēng)速、濾袋間距作為兩個(gè)因子，將粉塵排放濃度及設(shè)備運(yùn)行壓差分別作為響應(yīng)變量，過濾風(fēng)速取63.5%風(fēng)速、100%風(fēng)速兩個(gè)水平，濾袋間距取240mm、250mm、260mm三個(gè)水平，分別進(jìn)行粉塵排放濃度及設(shè)備運(yùn)行壓差試驗(yàn)。

（1）粉塵排放濃度響應(yīng)曲面分析。用Minitab軟件進(jìn)行粉塵排放濃度響應(yīng)曲面分析，最終得出粉塵排放濃度的模型為（以未編碼單位表示的回歸方程）：出口濃度（mg/Nm3）=587.5-1273.4×過濾風(fēng)速（m/s）-0.0718×濾袋間距(mm)+713.6×過濾風(fēng)速（m/s）×過濾風(fēng)速（m/s）。排放濃度越小越好，從模型可以看出，過濾風(fēng)速符號(hào)為負(fù)，而其平方項(xiàng)符號(hào)為正，所以過濾風(fēng)速應(yīng)取一個(gè)彎曲的頂點(diǎn)值；而濾袋間距對排放濃度影響較小。（2）設(shè)備運(yùn)行壓差響應(yīng)曲面分析。用Minitab軟件進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行壓差響應(yīng)曲面分析，最終得出設(shè)備運(yùn)行壓差的模型為（以未編碼單位表示的回歸方程）：壓差（Pa）=24137+551×過濾風(fēng)速（m/s）-192.5×濾袋間距(mm)+738×過濾風(fēng)速（m/s）×過濾風(fēng)速（m/s） +0.3830×濾袋間距(mm)×濾袋間距(mm)。為了減少設(shè)備能耗，我們希望設(shè)備運(yùn)行壓差越小越好，從模型可以看出，過濾風(fēng)速及其平方項(xiàng)符號(hào)均為正，在保證設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，過濾風(fēng)速越小，設(shè)備運(yùn)行壓差越小；而濾袋間距符號(hào)為負(fù)，濾袋間距平方項(xiàng)為正，所以濾袋間距應(yīng)取一個(gè)彎曲的頂點(diǎn)值，約在250mm附近。由于該項(xiàng)目有兩個(gè)響應(yīng)變量，為尋找最佳匹配值，因此需進(jìn)行雙響應(yīng)分析。（3）第二輪DOE試驗(yàn)結(jié)論。經(jīng)過雙響應(yīng)分析得出最優(yōu)化方案為：過濾風(fēng)速取78%風(fēng)速，濾袋間距取250mm時(shí)，粉塵排放濃度可達(dá)到10.3762mg，設(shè)備運(yùn)行壓差可達(dá)到813.4726Pa。除塵效果及能耗指標(biāo)都非常理想。

表1 第一輪DOE試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

針對目前應(yīng)用最廣泛的袋式除塵器，設(shè)計(jì)研制出了除塵試驗(yàn)裝置，并利用該試驗(yàn)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，利用Minitab軟件進(jìn)行分析，第一輪DOE試驗(yàn)分析得出了中進(jìn)風(fēng)為最佳進(jìn)風(fēng)方式的結(jié)論；第二輪DOE試驗(yàn)分析得出了粉塵排放濃度與過濾風(fēng)速及濾袋間距、設(shè)備運(yùn)行壓差與過濾風(fēng)速及濾袋間距之間的模型；最終通過雙響應(yīng)分析尋找出了進(jìn)風(fēng)方式、濾袋間距及過濾風(fēng)速三者間的最優(yōu)化組合，為今后設(shè)計(jì)高效袋式除塵器提供了參考依據(jù)。

[1]張殿印，王純.除塵器手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.10.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.1.

TD714.44

A

1671-0711（2017）05（下）-0103-02