袋式除塵器的分析與脈沖清灰裝置的設計

□ 王中醫 □ 姜 鵬 □ 李 勇 □ 白學會 □ 王 兵

1.青島科技大學 機電工程學院 山東青島 266061

2.軟控股份有限公司 山東青島 266042

1 研究背景

隨著我國經濟的快速發展,人民生活逐漸富裕,公眾的環保意識逐漸增強,現代化工業的生產方式已經發生轉變,粉塵造成的污染問題得到重視。治理工業生產的粉塵問題,不但可以改善生產車間的空氣環境質量,保障工人的身體健康,提高工作效率,而且可以保證生產的安全有序進行。

自19世紀80年代起獲得廣泛應用的袋式除塵器是一種使用纖維材料過濾布將氣體中的粉塵過濾去除的設備。袋式除塵器與其它輔助設備相結合,可以去除氣體中的有毒有害物質,在工業生產中應用廣泛。袋式除塵器的除塵原理為含塵氣流通過濾袋纖維時產生篩濾、碰撞、鉤住、擴散、重力、靜電等多方面共同作用,使含塵氣流經過除塵器時粉塵滯留在濾袋表面,進而使含塵氣體得到凈化,凈化效率可達99.5%以上。影響袋式除塵器除塵效果的因素有很多,包括濾袋濾料性能、過濾速度、工作條件、清理方式等。

對于袋式除塵器的排放標準,不同行業有不同要求。關于粉煤灰的排放標準,從一開始的150 mg/Nm3提高到后來的100 mg/Nm3、50 mg/Nm3,至今有個別企業已全面控制在36 mg/Nm3以下。關于橡膠工業炭黑粉塵排放標準,原為18 mg/Nm3,目前要求老企業為12 mg/Nm3,新企業為10 mg/Nm3。不同的國家,排放標準也不相同,一些歐洲國家甚至要求炭黑粉塵排放標準達到5 mg/Nm3。對于炭黑粉塵達到排放標準小于8 mg/Nm3要求,世界著名除塵公司唐納森無錫工廠建議采用兩級過濾,第一級采用脈沖濾筒,第二級采用高效空氣過濾膜保護,濾材和箱體制作組裝必須完全進口,這說明國產除塵裝置與國際高端產品還存在較大的差距。

筆者通過研究圓形濾袋與扁形濾袋兩種濾袋形式袋式除塵器之間的差異,分析過濾速度、過濾面積、袋間氣流速度等參數的影響,確認兩種濾袋形式袋式除塵器的除塵效果。與袋式除塵器相配套,筆者還設計了脈沖清灰裝置。

2 袋式除塵器分析

2.1 基本情況

選取同一濾料材質,以及相等的濾袋表面積進行圓形濾袋與扁形濾袋袋式除塵器相關參數對比,見表1。在空間尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 300 mm的空間范圍內,袋式除塵器內部垂直布滿圓形濾袋與扁形濾袋,布置方式如圖1所示。圓形濾袋直徑為135 mm,高為1 300 mm。扁形濾袋長為185 mm,寬為30 mm,高為1 300 mm。單一圓形濾袋與單一扁形濾袋表面積相等,即過濾面積相等,外形尺寸如圖2所示。圓形濾袋需豎直安裝，需要較大的維修空間。如果水平或傾斜安裝，那么由于過濾的粉塵在重力作用下落在濾袋上，會造成實際過濾面積減小。扁形濾袋可豎直或水平安裝，水平安裝時長邊上下布置,過濾的粉塵在重力作用下落在濾袋上，實際過濾面積減小的程度小于圓形濾袋。

表1 袋式除塵器參數對比

2.2 選用

分析圓形濾袋和扁形濾袋的設計參數，將扁形濾袋與圓形濾袋分別安裝在1 000 mm×1 000 mm×1 300 mm的矩形空間中,圓形濾袋安裝的數量為16個,全部濾袋的總表面積為8.8 m2,扁形濾袋安裝的數量為32個,全部濾袋的總表面積為17.6 m2。在相同空間條件下,扁形濾袋安裝數量是圓形濾袋安裝數量的2倍,扁形濾袋總表面積也是圓形濾袋總表面積的2倍。

袋式除塵器的過濾總面積A為：

▲圖1 袋式除塵器布置形式

▲圖2 濾袋外形尺寸

A=(Q+QL)/V

(1)

式中：Q為需要過濾的氣體流量，m3/min；QL為系統的漏風量，m3/min；V為過濾速度，m/min。

可見，扁形濾袋的布置比圓形濾袋緊湊,在總面積相等的條件下,扁形濾袋布置的數量可以比圓形濾袋少很多,設備體積也將大大減小。扁形濾袋在袋式除塵器上的應用,極大提升了除塵設施的空間利用率,減小了除塵設施的占地面積,與采用圓形濾袋袋式除塵器相比,更具有技術優勢和經濟優勢[2]。

2.3 氣流上升速度與過濾速度

在處理氣體流量為23 m3/min的條件下,圓形濾袋間氣流流通面積為0.772 m2,氣流通過濾袋間最大上升速度為0.49 m/s;扁形濾袋間氣流流通面積為0.827 m2,氣流通過濾袋間最大上升速度為0.46 m/s。

過濾速度Vf為：

Vf=Q/S

(2)

式中：Q為通過濾料的風量,m3/min;S為濾料的面積,m2。

過濾速度與氣流通過濾袋間最大上升速度是衡量袋式除塵器處理氣體能力的兩個重要技術指標,對粉塵的捕集效率和處理風量有明顯影響。選取合理的過濾速度,可以最大程度發揮經濟性作用。

過濾速度通常根據粉塵性質、需要的過濾效率和清灰方式選擇,慢的過濾速度使阻力減小,效率升高,但是會加大設備體積,費用高?？斓倪^濾速度可以減小設備尺寸,降低費用,會使阻力和濾袋負荷增大,降低過濾效率,縮短濾袋使用壽命。較快的過濾速度還會加速粉塵層的形成,縮短清灰的時間間隔。因此,通常在允許的條件下選擇較慢的過濾速度,使阻力減小,提高過濾效率,延長清灰間隔時間和濾袋壽命。扁形濾袋的過濾速度要慢于圓形濾袋，這對于減小阻力、提高過濾效率、延長清灰間隔時間和濾袋壽命有明顯的作用。

氣流通過濾袋間最大上升速度一指標非常重要,特別是袋式除塵器內堆積密度小的粉塵顆粒,氣流通過濾袋間最大上升速度快于0.5 m/s,清灰過程中豎直下落的粉塵在向上氣流的作用下無法落入灰斗,會在濾袋間上下翻滾，造成濾袋阻力增大。一旦風機停止工作,收集的粉塵會突然下落。對于質量較輕的粉塵,如粉狀白炭黑和噴霧炭黑,其堆積密度一般為每立方米幾十千克,需要大的袋間距或者采用大過濾面積的除塵器。氣流上升速度對袋式除塵器的影響如圖3所示。

▲圖3 氣流上升速度對袋式除塵器的影響

為了避免氣流上升速度不均勻,可以采用上進風方式,使袋間氣流方向和粉塵下落方向一致，如圖4所示。也可以采用側進風方式,減慢濾筒或者濾袋最下端袋間最大氣流上升速度,避免清灰下落的粉塵受到向上的氣力再次揚起。

▲圖4 上進風形式

2.4 安裝方式

長度為1 300 mm、表面積為17.6 m2的扁形濾袋內部總容量為0.225 m3,而要達到相等的濾袋表面積，圓形濾袋長度需改為2 600 mm,此時圓形濾袋內部總容量為0.593 m3?？梢钥闯?，相等的濾袋過濾表面積,扁形濾袋內部總容量遠小于圓形濾袋的內部總容量。對于外濾式濾袋而言,濾袋內部空間僅提供過濾后的干凈氣體流動,與粉塵沒有關系,這部分空間應該盡量小。在相等過濾表面積的條件下,圓形濾袋直徑越大,內部總容量越大,在氣流上升速度相同的條件下,需要的除塵設備體積越大。橢圓形濾袋如圖5所示，其內部總容量較小。扁形濾袋內部總容量最小。內部總容量小,意味著設備總尺寸小,安裝空間小。

▲圖5 橢圓形濾袋

扁形濾袋既可以豎直安裝,也可以水平安裝,而圓形濾袋大多為豎直安裝。圓形濾袋傾斜或水平安裝,會造成上部濾袋清灰時粉塵落到相鄰下部濾袋上表面,使該部分始終處于粉塵覆蓋狀態,減小了有效過濾面積。扁形濾袋水平安裝,采用水平抽拉換袋,可以節約安裝空間,適用于多種工業場合。

3 脈沖清灰裝置的設計

袋式除塵器工作時,含塵氣流通過濾袋纖維時產生篩濾、碰撞、鉤住、擴散、重力、靜電等多種作用,使含塵氣流經過除塵器時粉塵滯留在濾袋表面,并逐漸堆積,形成粉塵初層。粉塵初層形成后起主要過濾作用。隨著工作時間的增加,袋式除塵器效率會逐漸降低,此時需要對袋式除塵器進行清灰操作,清灰時不應破壞粉塵初層。

脈沖清灰裝置具有性能穩定、清灰效率高、維護運行成本較低等優點。筆者設計了一種新型脈沖清灰裝置,由電磁脈沖隔膜閥、噴射管、帶噴嘴的支撐籃、開槽板、帶密封的濾袋等組成,結構如圖6所示。開槽板將工作室分隔為清潔室與臟氣室,臟氣室為濾袋所在的工作室。夾板將濾袋密封在開槽板上,濾袋上方固定有帶噴嘴的支撐籃，通過管道與噴射管相連。噴射管與電磁脈沖隔膜閥連接,壓縮空氣通過電磁脈沖隔膜閥進入裝置。

濾袋連接如圖7所示。

▲圖6 脈沖清灰裝置結構

▲圖7 濾袋連接

電磁脈沖隔膜閥從右至左編號依次為1號、3號、4號、2號,其中,與奇數號電磁脈沖隔膜閥連接的噴射管位于右側,同時關閉與打開;與偶數號電磁脈沖隔膜閥連接的噴射管位于左側,同時關閉與打開。與1號和3號電磁脈沖隔膜閥連接的噴射管之間互不連通。每個電磁脈沖隔膜閥負責不相鄰兩列濾袋的清灰作業,以1號與2號電磁脈沖隔膜閥為例進行說明。清灰作業時,1號電磁脈沖隔膜閥打開,壓縮氣體通過噴射管對不相鄰兩列濾袋進行清灰,同時2號電磁脈沖隔膜閥處于關閉狀態。待1號電磁脈沖隔膜閥清灰結束后,1號電磁脈沖隔膜閥關閉,2號電磁脈沖隔膜閥打開,進行清灰作業。

扁形濾袋的密封依靠帶噴嘴的支撐籃壓緊固定,密封可靠,可以做到無泄漏。采用一個大規格的電磁脈沖隔膜閥噴吹多排濾袋,可以減少脈沖隔膜閥的使用數量,從而使除塵器故障點減少。

4 結束語

在同樣空間內,扁形濾袋布置的數量比圓形濾袋多,且扁形濾袋的布置比圓形濾袋緊湊,設備體積大大減小。橢圓形濾袋、扁形濾袋在袋式除塵器上的應用,極大提高了除塵設施的空間利用率,并減小了除塵設施的占地面積。

扁形濾袋的過濾風速低于圓形濾袋，受到更小的工作阻力,除塵效率較圓形濾袋高。扁形濾袋清灰的間隔時間較圓形濾袋長,濾袋的使用壽命更長。扁形濾袋既可以豎直安裝,也可以水平安裝,相比圓形濾袋采用豎直安裝方式，更能適用于各種不同的工作場合。綜上所述，相同尺寸的扁形濾袋除塵器與圓形濾袋除塵器相比,具有更多的濾袋數量、更大的過濾面積、較低的空間利用率、較慢的過濾速度,安裝方式也更加靈活。

扁形濾袋袋式除塵器運行阻力小,清灰裝置可以采用大規格脈沖隔膜閥噴吹多排多條濾袋,減少閥門數量。與圓形濾袋袋式除塵器相比,扁形濾袋袋式除塵器更具有技術和經濟優勢,是今后袋式除塵器的發展方向。