環形脈沖噴吹在袋式除塵清灰系統中的應用研究

牛兵兵，樊越勝，王 歡，田國記，張 鑫，武書恒，劉 婷

（西安建筑科技大學 建筑設備科學與工程學院，西安 710555）

0 引言

袋式除塵器的商業化，可追溯到1881年，我國于20世紀50年代開始引進袋式除塵器。近年來，隨著其結構設計技術的提高、濾布材質的加強、自動化控制的普及以及制造工藝的更加完善，袋式除塵器在除塵市場越來越受青睞［1］，較于其它類型除塵器，袋式除塵器除塵效率極高，可達99.9%［2］。

但是袋式除塵器的清灰方式及效果是影響布袋穩定工作的一個重要因素，目前的清灰方式主要有：氣流清灰（脈沖噴吹清灰、反吹風清灰和反吸風清灰等），聲波清灰，多種清灰方式組合［3］。1957年，REINAUER發明了脈沖噴吹清灰袋式除塵器，使除塵、清灰的操作可以連續進行，20世紀70年代以后脈沖噴吹清灰袋式除塵器的應用向大型化發展［4］。DOS等［5］用 CFD 對袋式除塵器脈沖噴吹清灰系統進行了模擬，研究了高壓和低壓系統下的清灰流場。CIRQUEIRA等［6］通過試驗方法研究顆粒沉積對除塵器過濾性能的影響，結果表明，采用脈沖射流清灰時，過濾器具有良好的運行性能。唐建峰等［7］通過試驗給出了結構參數對氣體引射器性能的影響規律。LI等［8］通過優化噴嘴的直徑，李海霞等［9］通過添加分流器，均降低了脈沖噴吹的不均勻性問題。SHIM等［10］對比了不同的噴嘴在除塵器中的除塵性能，指出雙狹縫噴嘴較傳統的圓孔狀噴嘴可顯著提高清灰效率，且在較高的過濾速度下仍能保持穩定的過濾性能。HONG等［11］設計了新形狀的文丘里管，并將其應用到袋式除塵器清灰系統中，CFD模擬和試驗均驗證了此舉能大大提高清灰效率。雖然脈沖噴吹清灰是最常用的清灰方式，但存在清灰不均勻現象，常出現袋口清灰過度和袋底清灰不利問題［12］。

經課題組前期對有限空間環形射流流場特性的研究表明：環形射流卷吸能力強，在有限空間環形射流流線分布均勻對稱，流線幾乎呈直線，氣體射流衰減得更慢［13］。環形射流具有良好的流動特性，將環形射流應用到袋式除塵器中，可有效改善清灰不均勻的問題。因此，本文通過CFD數值模擬，對比分析環形脈沖噴吹與圓形脈沖噴吹在袋式除塵清灰系統中的效果，探究前者的應用價值，為袋式除塵器清灰系統的改進提供參考。

1 模型建立與驗證

1.1 物理模型

模擬所用的物理模型如圖1所示。圖1（a）為單條濾袋噴吹清灰的幾何模型，圖1（b）為環形噴嘴結構示意。環形噴吹與圓形噴吹在噴嘴處不同，其它部分結構均相同。使用PPS針刺氈（面滲透率7.7×10-11m2）材質的濾袋。脈沖清灰時，高壓氣體由噴嘴中高速噴出，同時誘導上箱體中的氣體在短時間內一起進入濾袋［14］。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

1.2 模型設置及驗證

CFD計算時，將高壓脈沖清灰過程簡化為可壓縮、軸對稱、二維湍流模型［15］。以側壁面壓力峰值為清灰效果的評判標準，噴嘴處選用壓力入口邊界條件，濾袋設為多孔跳躍介質邊界條件（porous-jump），下箱體選用壓力出口邊界條件，花板為無滑移壁面，湍流模型采用Realizable k-e模型［16］。

為了驗證模型的準確性，根據張彥婷等［17］的試驗條件進行模擬，并與其試驗數據對比，如圖2所示。從圖可看出，濾袋側壁面壓力峰值沿濾袋長度方向呈現出先減小后增大的趨勢，由于氣流觸及袋底后產生返流現象，壓力峰值少許增加［17］。距袋口0.439 m處壓力峰值最大，試驗值為9.928 kPa，模擬值為10.543 kPa，誤差為6.2%；距袋口6.393 m處壓力峰值最小，試驗值為2.061 kPa，模擬值為2.033 kPa，誤差為1.4%；所有點中誤差最大的為10.3%（距袋口7.929 m），誤差最小的為0.4%（距袋口3.327 m）。模擬值與試驗值吻合程度良好，可以證明所用計算模型，邊界條件等設置合理。

圖2 濾袋側壁壓力峰值模擬值與試驗值對比Fig.2 Comparison of simulated value and experimental value of filter bag side wall pressure peak

2 環形與圓形脈沖噴吹對比

為比較相同噴吹流量下，環形噴吹與圓形噴吹在袋式除塵清灰系統中的效果，用前文驗證過的計算模型對以下工況進行對比模擬分析。

環形噴吹噴嘴：D=80 mm，e=4.1 mm，b=20 mm，配有傾角α=5°，長度l=80 mm的導流筒。圓形噴吹噴嘴直徑26 mm。濾袋仍為PPS針刺氈材料，直徑160 mm，長5 m，不再設置保護套等部件。噴吹壓力P=200 kPa，噴吹距離均200 mm，脈沖寬度為100 ms。

2.1 噴吹過程分析

脈沖噴吹過程是非穩態的，射流流動過程中，流場的壓力、速度都不斷變化。在濾袋側壁等距地取監測點，距袋口位置分別為 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5 m。脈沖時間為 50，100 ms 2個時刻，2種噴吹形式的靜壓云圖如圖3所示。

圖3 50與100 ms時刻靜壓云圖Fig.3 Static pressure nephogram at 50 ms and 100 ms

由圖3可以看出，由于環形噴吹是以中間鏤空的氣流向前運動，較于圓形噴吹，氣流能更容易、更快地作用到濾袋底部，因此前者濾袋各點壓力能更早地到達峰值。引射系數為被引射流體與工作流體質量流量之比，其大小對濾筒除塵器清灰等有限空間射流的效果有很大影響［13］。在此模擬中，環形噴吹的引射系數為1.106，圓形噴吹為0.861，前者較后者提升了28.5%。這是因為環形噴吹的低壓區位于噴嘴中間，圓形噴吹低壓區位于濾袋口部，因此前者更易卷吸周圍氣流，有更大的引射作用。

2.2 清灰效果分析

以濾袋的側壁壓力峰值為清灰效果的評價指標［19］，各測點壓力峰值的標準差、峰值極值之比（最大值與最小值之比）為其清灰均勻性的評價指標［20-21］。取0～100 ms噴吹過程中各測點的壓力峰值，并比較其平均值和標準差，如圖4所示。

圖4 濾袋各測點壓力峰值Fig.4 Pressure peak value at each measuring point of filter bag

由圖4可看出，對于2種不同的清灰方式，沿濾袋長度方向，側壁壓力峰值均呈現出先下降后稍微上升的趨勢，均在距袋口3.5 m處壓力峰值最小。在監測的9個測點中，前兩個測點的壓力峰值環形小于圓形，后7個測點環形大于圓形，說明從整體來看，環形的清灰效果是優于圓形的。

環形噴吹側壁壓力峰值標準差為3.129，圓形為4.791，說明前者整體不均勻性較后者降低34.7%；前者壓力峰值極值之比為3.169，后者為5.440，說明前者極值不均勻性較后者降低41.7%。以上分析說明環形噴吹方式的清灰均勻性優于圓形噴吹，前者能夠減輕噴吹氣流對濾袋口部分的作用，增強對濾袋中下部的作用。

3 不同工況和不同設計條件下清灰效果分析

分別改變噴吹壓力、濾袋長度、噴吹距離來再次對比環形與圓形噴吹的清灰效果。保持其余條件與前文第2部分相同，僅改變噴吹壓力：使用180，200，230，250，300 kPa的噴吹壓力分別進行模擬，結果如圖5（a）所示；僅改變濾袋長度：對5，6，8，9，10 m 的濾袋分別進行模擬，結果如圖 5（b）所示；僅改變噴吹距離：對噴吹距離為150，180，200，230，250 mm的模型分別進行模擬，結果圖5（c）所示。3種變工況下2種噴吹方式的引射系數，壓力峰值標準差、極值之比見表1。

圖5 不同工況下濾袋側壁壓力峰值對比Fig.5 Comparison of pressure peak value of filter bag side wall under different working conditions

3.1 清灰效果對比

由圖5可以看出，無論是改變噴吹壓力，濾袋長度，還是改變噴吹距離，2種噴吹清灰方式側壁壓力峰值沿長度方向都呈現出先降低再稍微上升的趨勢，在距袋底1.5 m處出現最小值。

由圖5（a）可知，隨著噴吹壓力的增大，濾袋側壁各測點的壓力值也隨之增大。當噴吹壓力從180 kPa增加到300 kPa時，環形噴吹側壁壓力平均值從6.779 kPa增加到11.135 kPa；圓形噴吹側壁壓力平均值從6.753 kPa增加到11.047 kPa。因此，對于2種不同的噴吹方式，提高噴吹壓力均有利于改善濾袋的清灰效果。由圖5（b）可知，2種噴吹形式下，對于壓力峰值曲線遞減的部分，曲線基本處于重合狀態，說明濾袋長度的增加對濾袋這部分壓力峰值基本不影響。對于壓力峰值曲線尾部遞增的部分，隨著濾袋的增長，壓力峰值曲線的尾部上升趨勢減小，這是因為由氣流返流造成袋底壓力峰值上升的效果將減弱。由圖5（c）可知，2種噴吹形式下，噴吹距離對濾袋側壁壓力峰值均基本無影響。

可以看出，在所有濾袋（5 m）側壁的9個監測點中，均為前兩個測點的壓力峰值環形小于圓形，后7個測點環形大于圓形。其余長度的濾袋，除前兩個點外，其它點均環形壓力峰值大于圓形。說明從整體來看，環形的清灰效果是優于圓形的，前者能使單條濾袋（大于5 m）80%以上長度的清灰效果得到提升。

3.2 引射系數對比

由表1可以看出，不同條件下環形的引射系數均大于圓形，前者較后者提高了27.7%～41.0%，說明前者的引射優于后者，可以實現以更小的噴吹空氣量達到相同的清灰效果。

表1 不同條件下3種評價參數對比Tab.1 Comparison of three evaluation parameters under different conditions

3.3 壓力峰值均勻性對比

由表1可以看出，不同條件下環形的壓力峰值標準差、極值之比均小于圓形，前者較后者整體不均勻性降低了29.9%～35.9%，極值不均勻性降低了13.86%～36.95%，說明環形噴吹的均勻性優于同等條件下的圓形噴吹。

4 結論

（1）環形和圓形2種噴吹方式下，均有以下相同規律：沿濾袋長度方向，側壁壓力峰值均呈現先下降再少許上升的趨勢；在一定范圍內，提高噴吹壓力均有利于改善濾袋的清灰效果；單純增加濾袋長度，僅會改變噴吹氣流對濾袋底部的作用，對濾袋前端及中部幾乎無影響；噴吹距離對濾袋清灰效果的影響很小。

（2）相同條件下，環形噴吹的整體清灰效果優于圓形噴吹，前者能使單條濾袋（大于5m）80%以上長度的清灰效果得到提升，且濾袋越長得到提升的濾袋長度占比越大。

（3）相同條件下，環形噴吹的引射能力優于圓形噴吹，引射系數比后者提升27.7%～41.0%。

（4）環形噴吹清灰方式濾袋側壁壓力峰值有更好的均勻性，較于后者，前者整體不均勻性可降低29.9%～35.9%，極值不均勻性可降低13.9%～37.0%。

（5）較于圓形噴吹，環形噴吹方式有更好的清灰效果，需要更少的噴吹氣體流量，有更好的清灰均勻性，對于袋式除塵器清灰中常出現的袋口清灰過度和袋底清灰不利問題，環形噴吹方式有很好的改善作用。