脈沖噴吹金屬長濾袋的清灰性能

李 朋，薛 峰，康 彥，馬小輝，顏翠平，陳海焱，侯力強，錢云樓

(1. 西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010； 2. 西安菲爾特金屬過濾材料有限公司，陜西 西安 710000；3. 浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325016)

近年來，隨著水泥、 冶金、 火電、 汽車等行業(yè)的高速發(fā)展，高溫?zé)煔庠斐傻沫h(huán)境問題和健康生活問題，引起了社會各界的廣泛關(guān)注，因此，收集高溫細(xì)顆粒物具有重要的現(xiàn)實意義[1-7]。相比短濾袋除塵器，長濾袋除塵器具有占地面積小、設(shè)備重量輕、成本低、容積利用率高和除塵效果好等優(yōu)點，逐步成為工業(yè)除塵器發(fā)展的方向。

在工業(yè)除塵應(yīng)用中，傳統(tǒng)濾袋除塵器存在著不耐高溫的缺陷，無法在400 ℃以上的高溫?zé)煔庵姓Ｓ行Чぷ鳌Ｒ詿o紡織布、 聚四氟乙烯纖維、 聚酰亞胺纖維和纖維氈等材料為例的傳統(tǒng)濾袋[8-11]，承受的最高溫度為300 ℃。高溫?zé)煔庵苯油ㄈ霝V袋中除塵，會產(chǎn)生糊袋、 燒袋等破損情況[12]，造成濾袋過濾效率變低。另外，采用煙氣冷凝的方式，將溫度降低到300 ℃以下，再進(jìn)行除塵，造成了煙氣余熱能的損失。工業(yè)排放的廢氣具有酸堿性，會腐蝕濾袋，造成破損，需要頻繁更換濾袋。目前，對于廢舊濾袋[13-14]的處理方式為焚燒或填埋，這樣的處理方式會污染大氣或土壤，因此，在高溫顆粒物的收集方面，傳統(tǒng)濾袋除塵器存在不足，在處理破損濾袋的技術(shù)方面還有待提升。

金屬濾袋由不銹鋼材料制成，能直接過濾溫度為400 ℃的含塵煙氣[15]，使用Fe-Cr-Al[16]材料制成的濾袋，過濾的煙氣溫度可達(dá)1 000 ℃。相比傳統(tǒng)濾袋，金屬濾袋可以更有效地收集和利用余熱能源。蘇娜等[17]研究發(fā)現(xiàn)，相比于現(xiàn)有的濾材，金屬濾材具有耐高溫、透氣性好、壓力損失小、耐腐蝕、易于加工成型等優(yōu)異的性能。侯力強等[18]研究發(fā)現(xiàn)，提高不銹鋼纖維的絲徑可以增強濾袋的過濾能力，滿足高溫濾袋的過濾要求。孫鵬等[19]使用過濾精度為15 μm的金屬纖維燒結(jié)氈進(jìn)行過濾實驗，發(fā)現(xiàn)其出口粉塵質(zhì)量濃度為3.6 mg/m3，過濾效率為99.99%，能夠滿足相關(guān)國家排放要求。秦文茜[20]研究發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)濾袋，使用長度為1 m的金屬濾袋可以處理更大的過濾風(fēng)量，同時排放的粉塵濃度更低。金屬濾袋提升了余熱能源利用率，不僅具有強抗壓性，還能降低濾袋破損率。另外，對于損壞的金屬濾袋可直接送入煉鋼廠，處理損壞金屬濾袋的方式更環(huán)保，減少了對大氣和土壤污染。

目前常采用脈沖清灰的方式，對濾袋清灰的影響因素進(jìn)行研究。相關(guān)結(jié)果表明噴吹壓力、噴吹距離、噴吹孔徑[21-23]對濾袋清灰性能有顯著影響。在研究過程中，常以側(cè)壁壓力峰值[24]為評價指標(biāo)：Humphries等[25]研究發(fā)現(xiàn)，要去除濾袋60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的粉塵，側(cè)壁壓力峰值應(yīng)大于300 Pa；秦文茜[20]通過除塵實驗發(fā)現(xiàn)，金屬濾袋側(cè)壁壓力達(dá)到300 Pa時，才能有效清灰；王沁淘等[26]研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)壁壓力峰值大于5 282 Pa會造成濾袋破損，因此，濾袋側(cè)壁壓力值應(yīng)在300～5 282 Pa。

目前，學(xué)者針對6 m以下濾袋的清灰性能研究較多，而對6 m以上的長濾袋研究較少[27]。本文中以長度為6 m金屬濾袋為研究對象，采用脈沖清灰方式，以側(cè)壁壓力峰值300 Pa為評價指標(biāo)，研究噴吹壓力、噴吹距離、噴吹孔徑對濾袋清灰性能的影響，得出金屬長濾袋的最優(yōu)噴吹參數(shù)以及沿濾袋方向上壓力分布規(guī)律。

1 實驗

1.1 裝置

脈沖噴吹實驗平臺示意圖如圖1所示，主要包括信號采集系統(tǒng)和噴吹系統(tǒng)2個部分。

1—風(fēng)機； 2—電器控制柜； 3—電磁脈沖閥； 4—壓力儲氣罐； 5—空壓機； 6—噴吹管； 7—金屬濾袋； 8—壓力傳感器； 9—電荷放大器； 10—數(shù)據(jù)采集儀。圖1 脈沖噴吹實驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulse-jet experimental platform

信號采集系統(tǒng)包括：QSY-7709型電荷放大器(綿陽奇石緣科技有限公司)、 QSY-USB-8512E型便攜式數(shù)據(jù)采集儀(綿陽奇石緣科技有限公司)、 7支QSY8115型壓電式壓力傳感器(綿陽奇石緣科技有限公司)和計算機。噴吹系統(tǒng)包括：額定壓力為0.8 MPa的空壓機，額定電壓為380 V、 功率為5 kW的電氣控制柜，DMF-Y-50S型電磁脈沖閥(上海袋式除塵配件有限公司)，長度為6 m的金屬濾袋(西安菲爾特金屬過濾材料有限公司)。

1.2 實驗方法

金屬長濾袋測點分布示意圖如圖2所示，在距離濾袋頂部400、 1 000、 2 100、 3 500、 4 300、 5 100、 5 900 mm處安置7個壓力傳感器，即測點P1—P7。選取噴吹壓力為0.2、 0.3、 0.4、 0.5 MPa，噴吹孔徑為10、 12、 16、 20 mm的噴吹管進(jìn)行噴吹實驗。通過數(shù)據(jù)采集儀和電荷放大器獲取每個傳感器的電壓值，使用公式將電壓值轉(zhuǎn)換為壓力值。為了得到準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，每組噴吹實驗至少重復(fù)5次，計算壓力平均值。

圖2 濾袋測點分布示意圖Fig.2 Distribution of measuring points of filter bag

2 結(jié)果與討論

2.1 噴吹距離與清灰壓力分布的關(guān)系

當(dāng)噴吹壓力為0.2、 0.3 MPa，噴吹孔徑為10、 20 mm時，部分測點不能實現(xiàn)有效清灰，側(cè)壁壓力峰值未能到達(dá)300 Pa； 在噴吹壓力為0.5 MPa時，金屬長濾袋上、下部壓差較大，容易造成濾袋損壞。故此，選擇0.4 MPa進(jìn)行實驗分析。不同噴吹孔徑下，側(cè)壁壓力峰值與噴吹距離的關(guān)系如圖3所示。由圖可知，10、 12、 16、 20 mm噴吹孔徑對應(yīng)的最佳噴吹距離分別為200、 200、 200、 160 mm。在孔徑為10 mm時，隨著噴吹距離的增加，大部分測點的壓力峰值變化較小，個別測點的壓力峰值先減小后增加再減小；在孔徑為12 mm時，隨著噴吹距離的增加，測點的壓力峰值的變化較為穩(wěn)定，壓力峰值的最大差值為200 Pa左右；在孔徑為16 mm時，隨著噴吹距離的增加，大多數(shù)測點的壓力峰值呈現(xiàn)再增加后減小的趨勢，壓力主要分布在700～1 600 Pa；孔徑為20 mm時，大多數(shù)測點的壓力峰值隨著噴吹距離的增加而減小，壓力主要分布在600～1 700 Pa。

由圖3可知，測點P1、 P2處的側(cè)壁壓力峰值明顯大于其余測點。這是由于P1、 P2位于濾袋上部，到濾袋口的距離分別為400、 1 000 mm，側(cè)壁壓力峰值由噴射的主導(dǎo)氣流決定，噴吹氣流的動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，造成濾袋側(cè)壁受到的壓力增加。相比于傳統(tǒng)濾袋材料，金屬濾袋材料的通氣性更好，氣流更容易穿過濾袋散發(fā)出去；并且氣流與濾袋之間存在摩擦，側(cè)壁壓力峰值會隨著氣流運動距離的增加而減小，導(dǎo)致中部測點P3—P5側(cè)壁壓力峰值小于頂部測點。雖然測點P6、 P7離濾袋口的距離相對較遠(yuǎn)，分別為5 100、 5 700 mm，但是濾袋底部為封閉空間，噴吹氣流與濾袋底部發(fā)生碰撞，氣流速度突變?yōu)?，氣體向四周發(fā)散或反向運動，使得動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，造成金屬濾袋底部測點側(cè)壁壓力峰值變大，因此，金屬濾袋的壓力峰值呈現(xiàn)上部>下部>中部的趨勢，中部測點P4的壓力峰值較低。

a)10 mmb)12 mmc)16 mmd)20 mm圖3 不同噴吹孔徑下側(cè)壁壓力峰值與噴吹距離的關(guān)系Fig.3 Relationship between peak pulse pressure and jet distance of different nozzle diameters

2.2 噴吹孔徑與清灰壓力分布的關(guān)系

在最優(yōu)噴吹距離下，不同噴吹孔徑與金屬長濾袋側(cè)壁壓力峰值分布關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)噴吹孔徑為10、 12 mm時，盡管各測點的壓力值大于300 Pa，滿足了濾袋清灰條件，但是測點P1與P4的壓力值相差1 600 Pa，濾袋清灰均勻性較差。在金屬濾袋上部測點壓力值的大小主要由噴吹氣流決定，氣流速度越小，壓力值越小。因為16 mm孔徑的噴吹氣流速度小于10、 12mm的，所以濾袋上部測點P1、 P2的壓力值小于10、 12mm孔徑的。在脈沖噴吹時，噴吹氣流會誘導(dǎo)產(chǎn)生二次氣流，在孔徑為16 mm條件下，孔徑較大，噴射出的氣流量也較多，能引入更多的二次氣流，進(jìn)入濾袋的混合氣流量更多，造成下部測點P6和P7壓力值大于10和12 mm的，因此，在16 mm孔徑不僅滿足了濾袋清灰條件，還有較好的濾袋清灰的均勻性。噴吹孔徑為16、 20 mm的側(cè)壁壓力峰值分布情況大致相同，但是16 mm孔徑對應(yīng)的7個測點的平均側(cè)壁壓力峰值大于20 mm孔徑下的壓力值，因此，16 mm為金屬濾袋最優(yōu)噴吹孔徑。

圖4 不同噴吹孔徑測點側(cè)壁壓力峰值分布Fig.4 Pressure distribution of measuring points with different nozzles at optimal jet distance

2.3 金屬長濾袋沿長度方向上側(cè)壁壓力分布規(guī)律

在噴吹壓力為0.4 MPa、 噴吹孔徑為16 mm、 噴吹距離為200 mm條件下，金屬濾袋側(cè)壁壓力峰值分布關(guān)系如圖5所示。

圖5 金屬長濾袋測點側(cè)壁壓力峰值分布Fig.5 Distribution of peak pulse pressure on long metal filter bag

在脈沖噴吹瞬間，通過噴孔的氣流速度過快，形成一股高速氣流。高速氣流在運動過程中，誘導(dǎo)引入外界的氣流，形成混合氣流。當(dāng)混合氣流進(jìn)入濾袋向下運動時，由于濾袋側(cè)壁的阻礙作用，氣流的動壓轉(zhuǎn)換為靜壓，作用于上部，使得測點P1、 P2壓力值增加。混合氣流繼續(xù)運動，隨著氣流的運動距離越長，與濾袋側(cè)壁摩擦損失的能量就越多。金屬濾袋的透氣性較高，在運動中，混合氣流逐漸散失到濾袋外部。因此，濾袋中部測點側(cè)壁壓力峰穩(wěn)定，且小于上部測點側(cè)壁壓力峰值。

3 結(jié)論

1)當(dāng)噴吹壓力為0.4 MPa時，金屬長濾袋在噴吹孔徑10、 12、 16、 20 mm最佳噴吹距離分別為200、 200、 200和160 mm；在滿足濾袋清灰有效性和均勻性條件下，噴吹壓力為0.4 MPa、 噴吹孔徑為16 mm和最優(yōu)噴吹距離為200 mm為金屬長濾袋的最優(yōu)清灰參數(shù)。

2)在最優(yōu)參數(shù)條件下，金屬長濾袋沿長度方向的側(cè)壁壓力峰值呈現(xiàn)出上部>下部>中部的變化趨勢。濾袋透氣性較好，造成中部測點P3、 P4、 P5壓力峰值較低，但均大于300 Pa，滿足有效清灰條件。