金屬纖維濾袋阻力特性的實驗研究

何西榮 李凌霄 吳濤 曹春 胡緒升

摘 要：金屬纖維作為一種耐高溫、耐酸堿腐蝕的材料，可用于制作濾袋結構，并滿足特殊工況的爐窯除塵凈化要求。但金屬纖維濾袋除塵器技術目前尚處于初始研究階段，在工業煙氣除塵領域并無太多應用，且缺乏對這一類除塵技術的機理性研究，尤其是缺少系統阻力特性對除塵器性能影響的探討。本文借助實驗平臺，研究分析了常規滌綸針刺氈濾袋與金屬纖維濾袋的空載阻力特性和加載阻力特性差異，以及金屬纖維濾袋的空載清灰阻力特性等，得出金屬纖維濾袋在除塵過程中的阻力變化規律，為金屬濾袋的推廣應用提供參考。

關鍵詞：金屬纖維濾袋;除塵領域;阻力特性

在工業煙氣除塵領域，為了滿足國家超低排放的要求，很多工業爐窯將原有的電除塵器更換為除塵效率高、性能穩定的袋式除塵器[1]。傳統袋式除塵器對低溫、低酸堿度的煙氣除塵有很好的工程應用，但由于濾袋材料的限制，當長期處于較高溫環境時，會影響濾袋的再生利用，同時出現燒袋和糊袋現象。因此高溫煙氣或腐蝕性煙氣除塵一直是環保除塵技術的攻關方向。

金屬纖維濾袋由不銹鋼材質制備，具有耐高溫、耐酸堿腐蝕、高精度除塵、使用壽命長等特性[2]。但由于金屬纖維濾袋在過濾粉塵過程中的阻力特性和脈沖清灰效果存在很多不確定因素，影響了其在工業煙氣除塵領域的推廣應用。

本研究對比分析了常規滌綸針刺氈濾袋與金屬纖維濾袋在空載阻力、加載阻力和空載清灰阻力等方面的差異，探究了金屬纖維濾袋在除塵和脈沖清灰過程中的阻力特性，為金屬濾袋的后續研究提供參考。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

圖1為搭建的濾袋阻力特性實驗平臺。在引風機作用下，由喂料機輸入到進口管道內的粉塵與氣流充分混合形成實驗煙氣。煙氣流經濾袋區時，通過碰撞、凝聚、過濾攔截等作用，實現濾袋對粉塵的捕集，過濾除塵后的清潔氣體則通過凈氣室、出口管道，最終從煙囪排出。濾袋區可交替更換使用滌綸針刺氈濾袋和金屬纖維濾袋。

1-喂料機;2-進口管道;3-采樣孔;4-除塵裝置進口;5-壓力變送器;6-脈沖閥;7-凈氣室;8-濾袋區;9-灰斗;10-引風機;11-煙囪引風機最大風量9800m3/h，全壓2500Pa;滌綸針刺氈濾袋（以下簡稱“布袋”）66條（Φ160mm×1900mm×30條、Φ160mm×2100mm×36條），總過濾面積66.62m2;金屬纖維濾袋（以下簡稱“金屬濾袋”）66條（Φ160mm×2000mm），總過濾面積66.35m2。

1.2 實驗方法

實驗選用的粉塵是1250目滑石粉，其物化性質見表1。

分別使用布袋和金屬濾袋進行阻力特性實驗。實驗過程中，利用溫濕度計測試并記錄環境空氣溫度和濕度;利用嶗應3012H自動煙塵分析儀，在進出口管道采樣孔通過采樣獲得動壓、靜壓、采樣粉塵質量等參數，并計算得出系統流量、煙氣含塵濃度，進而得到除塵裝置的除塵效率[3，4];利用進出口壓力變送器采集進出口靜壓，相互印證數據。由于不同工況下采樣孔處的煙氣溫度相同（即環境溫度），且測點標高相差不大，煙氣流速也基本相同（管道直徑一致），即系統動壓基本相等。因此可將系統進出口靜壓的差值看作為裝置本體阻力。

2 結果與討論

2.1 空載阻力特性

本文選用的風機共4個風門檔位，調節不同檔位時風機的風量不同（1檔風量最小，4檔風量最大），同時還可通過調節風機變頻器的頻率，實現對風量的控制。在不同風機檔位和變頻器頻率的工況下，通過觀察濾袋區使用布袋和金屬濾袋時的空載阻力特性曲線，可以看出：（1）金屬濾袋的阻力系數ζ（曲線斜率）小于布袋阻力系數ζ′;（2）隨著風機頻率達到最高（對應過濾風速升高至2～2.3m3/m2·min），金屬濾袋與布袋的壓差基本相同。

這是由于金屬濾袋材質較硬，在引風機作用下，金屬濾袋表面雖然承受負壓，但金屬纖維所形成孔隙的變形較小;而布袋材質較軟，滌綸纖維所形成孔隙受擠壓力的變形較大，導致透氣性變差。因此當風機頻率升高、負壓增大時，布袋阻力比金屬濾袋阻力升高更快，即空載狀態下布袋阻力系數高于金屬濾袋阻力系數，同時也反映出金屬濾袋比布袋的抵抗變形能力更強。

2.2 加載不清灰阻力特性

加載實驗時，停止脈沖清灰，分別標定布袋和金屬濾袋的過濾風速為1.2m3/m2·min、1.6m3/m2·min和1.8m3/m2·min，并使用喂料機進行持續均勻給料，保證入口粉塵濃度在15g/m3左右。同時利用花板上下的壓力變送器進行壓力數據采集，并實時傳輸至DCS系統進行記錄。實驗持續時間為1.5～2小時，各工況條件下的花板上下壓差變化情況見圖2。

由圖3可知，在加載不清灰工況下，花板壓差隨時間逐漸增大。其中，當過濾風速相同時，花板壓差在使用金屬濾袋比使用布袋時的上升速度更快，表現為金屬濾袋在捕集粉塵后的阻力變化比布袋更明顯。分析原因如下：

（1）在以往實驗中，由于金屬濾袋材質較硬，金屬纖維孔在正常脈沖清灰作用下的膨脹變形較小，一些超細粉塵不能被完全清除而殘留在濾袋，造成孔隙阻塞;布袋則由于材質較軟，在正常清灰壓力作用下會有一定膨脹變形，孔隙內的大部分超細粉塵可被清除;

（2）布袋的孔隙率比金屬濾袋高，當粉塵在濾袋表面逐漸堆積時，金屬濾袋的孔隙更容易被封堵，布袋的孔隙則不易被封堵或者僅有部分被封堵。

綜上可知，金屬濾袋在粉塵堆積后的透氣性明顯變差，而布袋由于自身材質結構等原因，比金屬濾袋的透氣性好很多。

為了盡可能地排除其他影響因素，并將布袋和金屬濾袋的阻力特性進行量化對比，本文重復進行加載不清灰阻力特性實驗，在結合給粉時間、給粉量并估算扣除管道內沉積、灰斗內自然沉降、以及殼體粘附的粉塵后，認為喂料機添加的粉塵已基本全部到達濾袋表面，并由此得出除塵器花板上下壓差隨濾袋表面粉塵層厚度的變化曲線，如圖3所示。該圖可作為布袋和金屬濾袋在不同粉塵濃度和過濾風速下，調整噴吹周期的參考依據。