脈沖噴吹內置錐形濾筒的清灰性能

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(西南科技大學環境與資源學院; 四川省非金屬礦粉體改性與高質化利用技術工程實驗室，四川綿陽621000)

近年來，以資源、能源消耗型為主的重化工產業迅猛發展，隨之帶來的大氣環境問題也越來越引起社會各界的強烈關注。其中環境中的細顆粒物已成為危害人們健康和生活的重要因素,因此收集環境中的細顆粒物具有重要的現實意義。對于細顆粒物的收集，與袋式除塵器相比，濾筒除塵器具有除塵效率高、阻力小、價格低、占地面積小等優點。在相同尺寸的前提下，濾筒除塵器具有更大的過濾面積，所以在除塵領域得到了廣泛的應用[1-3]。濾筒除塵器不僅用于工業過程中控制細顆粒物的排放，還用于回收有價值的顆粒物[4]。

由于褶皺深且密，因此容易將粉塵困于其中，導致濾筒除塵器需要定期清灰。自20世紀50年代以來，常用的有效清灰方式主要是脈沖清灰[5]，但是在脈沖清灰過程中，在濾筒內的氣流不均勻分布容易導致清灰不均勻[6-8]。Qian等[9]利用側壁壓力峰值作為評價指標，研究表明，隨著孔徑比增加，濾筒的側壁壓力先增大后減小。Li等[2]證明，噴吹壓力增大，濾筒內壁的側壁峰值壓力增加；噴吹距離增加，濾筒內壁的側壁峰值壓力先增大后減小，并且側壁峰值壓力應大于600 Pa才能實現有效清灰。王沁淘等[10]實驗表明，當局部最大側壁峰值壓力大于5 282 Pa時，屬于過度清灰，導致高溫濾袋破損。顏翠平等[11]通過實驗證明，脈沖清灰實驗增加誘導噴嘴時，濾筒側壁壓力趨于從濾筒上部到濾筒底部逐漸減小。Qian等[12]通過研究噴管到濾筒之間的距離，實驗結果表明：任一孔徑下的噴嘴都存在一個最佳噴吹距離，規律是隨著孔徑的增大，最佳噴吹距離也增大。袁彩云等[13]通過CFD數值模擬濾筒的清灰過程，得出在噴吹壓力一定時，隨著與濾筒口的距離增加，達到正壓峰值的時間逐漸增加的結論。目前，大多數人使用側壁的峰值壓力作為濾筒除塵器清灰效果的評價指標。巨敏等[14]通過實驗利用壓力測試系統測試側壁壓力峰值，同時用高速攝像儀拍攝動態清灰過程，結果發現動態清灰效果與側壁壓力峰值測試結果一致，因此，提出側壁壓力峰值可以作為清灰效果的評估指標是合理的。研究已經發現，濾筒的側壁峰值壓力可以用作有效清灰的評判標準，并且在側壁峰值壓力為600～3 500 Pa，可以實現有效清灰。

本文中針對新型內置錐形過濾筒(在普通濾筒的基礎上增加了內錐，進而增加了過濾面積)在脈沖噴吹清灰過程進行實驗，研究了脈沖清灰時，濾筒內壁的側壁壓力峰值變化過程和內錐內壁的側壁壓力峰值變化過程，揭示了內置錐形濾筒的清灰性能。

1 實驗

1.1 平臺

內置錐形過濾筒的三視圖如圖1所示，實驗采用的平臺如圖2所示，圖3為內置錐形過濾筒的剖面圖。

濾筒參數：外徑為380 mm，內徑為250 mm，長為990 mm，濾筒外褶皺數為245，褶皺深度為50 mm。

內錐參數：內錐的長度為725 mm，內錐的外徑為185 mm，內褶皺數為285；總過濾面積為30.2 m2。

設備及參數：WW-0.9/10B-Q型(中國人民解放軍第4812廠)全無油潤滑空氣壓縮機，額定壓力為0.7 MPa；DMF-Z-50S型直角型電磁脈沖閥(上海袋式除塵配件有限公司)；SXC-8A1型脈沖控制儀(上海袋式除塵配件有限公司)。 氣包體積為40 m3，壁厚為7.5 mm，最大噴吹壓力為0.75 MPa；噴吹管長1 410 mm，噴吹管徑為50 mm。

a 主視圖

b 俯視圖

c 仰視圖圖1 內置錐形過濾筒的三視圖Fig.1 Three views of filter cartridge with built-in cone

圖2 脈沖實驗平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of pulse-jet experimental platform

圖3 內置圓錐形的濾筒剖面圖Fig.3 Profile of filter cartridge with built-in cone

測試儀器：6支QSY8115型壓電壓力傳感器(綿陽奇石緣科技有限公司)，靈敏度依次為17.7、14.48、15.71、16.64、16.76、16.95 pC/KPa;SY7709型電荷放大器(綿陽奇石緣科技有限公司)；USB-8512E型便攜式數據采集儀(綿陽奇石緣科技有限公司)。

1.2 方法

壓力測試系統測量濾筒側壁的峰值壓力，并且在濾筒內壁上設置3個測量點，即測量點P1—P3，測量點距離(從測量點到濾筒口的距離)分別為150、500、850 mm；內錐設有3個測量點，即測量點P4—P6，測點距離分別為150 、350、575 mm，測點位置如圖3所示。

為了得到更準確的實驗數據，每組脈沖實驗重復5次以獲得平均值。

在實驗過程中，通過改變噴吹孔徑、噴吹壓力、噴吹距離，用壓力測試系統測試Φ380 mm×990 mm的內置錐形過濾筒的側壁壓力。側壁壓力峰值作為評判清灰強度的指標，獲得最佳噴吹孔徑、噴吹壓力和噴吹距離，并從中得出內置錐形過濾筒的清灰性能。

本實驗中所選用的設計方案和操作參數如下：選取Φ25、Φ30、Φ35 mm的3個噴吹孔進行對比研究，噴吹壓力分別為0.2、0.3、0.4、0.5 MPa，噴吹距離分別為100、150、200、250、300 mm。

2 結果與討論

2.1 噴吹距離與清灰性能的關系

實驗采用4種噴吹壓力(0.2、0.3、0.4、0.5 MPa)進行實驗測試。當噴吹壓力為0.2、 0.3、 0.4 MPa，噴吹孔徑為25 mm時，濾筒下部側壁壓力峰值很小(小于600 Pa)，不能實現有效的清灰，因此選擇了0.5 MPa壓力下的實驗數據進行分析。同一噴吹壓力(0.5 MPa)下的不同噴吹孔徑與最佳噴吹距離的關系如圖4所示。

a 25 mm

b 30 mm

c 35 mm圖4 不同孔徑下側壁壓力峰值與不同噴吹距離的關系Fig.4 Relationship between peak pulse pressure and jet distance of different nozzle diameters

由圖可以看出，對應于噴吹孔徑25、30、35 mm的最佳噴吹距離均是200 mm。

在噴吹孔徑為25 mm的條件下，大多數測點的側壁壓力峰值隨著噴吹距離的增大而逐漸增大，但部分點是逐漸減小，總體變化幅度不大，壓力主要分布為600～3 000 Pa。在噴吹孔徑為30 mm的條件下，隨著噴吹距離的增大，大多數測點的側壁壓力峰值先減小后增大。部分點是先增大再減小后增大，壓力變化幅度較大，壓力主要分布為1 000～3 500 Pa。在噴吹孔徑為35 mm的條件下，隨著噴吹距離的增加，大多數測點的側壁壓力峰值先減小后增大然后減小。部分點是先增大后減小，壓力變化幅度較大，壓力分布主要為1 000～3 000 Pa。從圖4可看出，點P1和P5處的側壁壓力峰值顯然大于其他點的。這是由于P1點距離濾筒口150 mm，相對較近，測點的側壁壓力峰值是由主導氣流決定的動壓轉換為靜壓；P5測點距離內錐頂部350 mm，內錐中部褶皺比上部較稀疏，氣流受到的阻力減小，而且濾筒內錐沒有外部固定濾料的金屬網，濾筒內錐上、中部測點受到的阻力小于外面濾料中部的阻力，所以P5測點的側壁壓力峰值較大。 P2、 P3和P6測點分別位于距離濾筒口500、 850 mm以及內錐距頂部575 mm處，相對較遠，主導氣流在濾筒中因濾料的透氣性而逐漸損失，隨著主導氣流經過的距離越大，主導氣流損失的越多，所以P2、 P3、 P6測點的側壁壓力峰值較小。P4測點分別位于內錐距頂部150 mm處，P4測點處褶皺很密，氣流受到的阻力較大，所以側壁峰值壓力較小。

2.2 噴吹孔徑與清灰性能的關系

圖5為最佳噴吹距離下，不同噴吹孔徑與側壁壓力峰值的關系圖。

圖5 最佳噴吹距離下噴吹孔徑-側壁壓力峰值圖Fig.5 Relationship between peak pulse pressure and different nozzle diameters at optimal jet distance

由圖5可知，在最佳噴吹距離(200 mm)的條件下，當噴吹壓力為0.5 MPa時，對應于35 mm的孔徑的P1測點的側壁壓力峰值小于25 、30 mm噴吹孔徑下的側壁壓力峰值。P5測點的側壁壓力峰值大于25 mm，并且側壁壓力峰值小于30 mm的。點P4處的側壁壓力峰值小于30 mm處的側壁壓力峰值，并且與25 mm的一致,但是P2、P3、P6均大于25、30 mm噴吹孔徑下的側壁壓力峰值，同時通過對側壁壓力峰值的標準差計算。

表1為噴吹距離為200 mm、 噴吹壓力為0.5 MPa時，不同噴吹孔徑下的側壁壓力峰值標準方差。

表1 不同噴吹孔徑下的側壁壓力峰值標準差

由表可以看出，35 mm噴吹孔處的側壁壓力峰值標準差最小，即當噴吹孔徑為35 mm時，側壁壓力峰值最均勻，因此，確定35 mm為最佳噴吹孔徑。

2.3 沿內置錐形過濾筒濾芯長度的側壁壓力分布

在噴吹壓力0.5 MPa、噴吹孔徑為35 mm、噴吹距離為200 mm的條件下，測得的側壁壓力峰值隨濾筒長度變化曲線見圖6。

圖6 內置錐形過濾筒各測點側壁壓力峰值分布Fig.6 Distribution of peak pulse pressure on built-in cone pleated cartridge filter

由圖可看出，濾筒內壁P1—P3，沿長度增加，側壁壓力峰值呈下降趨勢。與濾筒內錐P4—P6沿長度增加，側壁壓力峰值先增大后減小。由于內錐頂部呈圓錐形的柱體，是金屬材料，不能透過氣流(稱為金錐體)，主導氣流和誘導氣流向下運動時，當遇到金錐體時，會出現一定的回彈現象，導致成P1測量點側壁的壓力峰值最大。一方面，內錐形過濾材料增加了過濾面積并且能夠轉移一部分作用在濾筒底部的氣流，有效緩解常規濾筒底部氣流量過大造成的清灰不均勻的問題；另一方面，在同樣的過濾風量下，增加過濾面積會降低過濾速度，從而減小過濾阻力。沿著濾筒外部長度方向，側壁壓力峰值逐漸減小是由外部濾料的透氣性、過濾阻力以及內錐的分流作用造成。沿內錐長度方向上，側壁壓力峰值先增大后減小，主要歸因于濾料的阻力、透氣性，以及褶皺密集程度，上部褶皺較密，過濾阻力大，中部褶皺較稀疏，過濾阻力較小，下部主要由于氣流的動能轉換成靜能，所以造成先增大后減小的趨勢。

Li等[2]比較相同尺寸(Φ320 mm×660 mm)的常規濾筒、含三角錐形實體材料的濾筒、內含圓柱錐形實體材料的濾筒，通過脈沖噴吹清灰實驗可以得出結論，圓柱錐形材料能增加濾筒的側壁壓力峰值，中部測量點的側壁壓力峰值增加最多。隨著噴吹距離的增加，上、中、下測量點的側壁壓力峰值先增大后減小。孔徑9～27 mm，最佳噴吹距離都是250 mm。這與錐形濾筒實驗的結論不同，孔徑為25～35 mm，最佳噴吹距離為200 mm。由于該實驗所用的濾筒內錐是具有過濾性質的材料，因此濾筒外部測點P1—P3之間，P1的側壁壓力峰值均大于P2、P3。因為濾筒底部沒有密封，當壓縮氣流向底部移動時，它不會從底部反彈，對濾筒產生正壓，所以濾筒外部P3測點的壓力峰值較小。

3 結論

1)對于內置錐形濾筒，最佳噴吹壓力為0.5 MPa，噴吹孔徑25、30、35 mm對應的最佳噴吹距離均為200 mm。對于脈沖清灰參數的選取，不僅要考慮側壁壓力峰值的大小，還要考慮側壁壓力峰值的均勻性，綜合選取35 mm為最佳噴吹孔徑尺寸。

2)內置錐形濾筒，濾筒內壁沿長度方向呈現側壁壓力峰值下降趨勢，側壁壓力峰值在距離濾筒口150 mm處達到最大；而濾筒內錐沿長度方向呈現側壁壓力峰值先增大、后減小的趨勢，側壁壓力峰值在距離頂部350 mm處達到最大。