脈沖清灰噴吹氣流偏斜的優化研究*

劉佳瑩，任 玲，林小嘉，鄭清月，宋戊春，林龍沅

(1.西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621000；2.廣元中核職業技術學院，四川 廣元 628003)

0 引言

工業的持續發展給環境造成一定影響。粉塵是工業生產中排放的主要污染物之一，粉塵濃度的增加嚴重增大作業人員患職業病甚至傷亡的風險[1]，因此，對粉塵的產生、收集、排放等環節進行有效管控十分必要。除塵器可將粉塵從煙氣中過濾并分離，目前，應用最廣泛的干式除塵技術為濾袋式和濾筒式除塵器[2]，二者均具有除塵效率高、經濟性好等特點，但與濾袋相比，濾筒還具有設備體積小、占用空間小等優勢[3-4]。

脈沖噴吹清灰是目前濾筒或濾袋式除塵器采用的主要清灰方式[5-6]。部分學者針對改善濾筒除塵器清灰不均的問題進行研究：胥海倫等[7]借助流體力學對濾筒除塵器脈沖噴吹清灰過程進行數值模擬，得出增加開口散射器結構能夠有效組織誘導氣流，使濾筒除塵器內部清灰流場及側壁壓力分布更加均勻；劉東等[8]針對濾筒上部噴吹壓力過小、清灰不徹底，下部壓力過大、易損壞濾料等問題，在滿足清灰要求條件下采用不同錐度上部開口散射器，使濾筒側壁壓力峰值分布更加均勻，并測得開口散射器有利于清灰的最佳錐度；張情等[9]利用Fluent軟件對濾筒進行脈沖噴吹清灰過程模擬，并通過實驗證明超音速引流噴嘴和氣流散射器有減緩氣流速、分散氣流、穩定氣流和誘導氣體形成渦流的作用，有利于提高濾筒長度方向上清灰壓力的均勻性；Chen等[10]提出利用環形狹縫噴嘴改善濾筒清灰均勻性等問題。學者在實驗中觀察到在除塵器脈沖噴吹清灰過程中，當壓縮氣流從噴吹管中瞬間噴出時，氣流流動慣性導致氣流發生一定角度偏斜，噴吹氣流的長期偏斜噴吹會使濾筒局部區域發生破損，而壓力分布不均勻會導致除塵器清灰不均勻。噴吹偏斜氣流具有難以觀測和測量的特點，學者對該現象進行初步研究：胡家雷等[11]通過CFD數值模擬研究同一噴吹管上各噴嘴的出流情況，并通過模擬得出其存在1種偏心現象；文獻[12-13]采用紋影法觀測到噴吹氣流的偏斜現象，并初步分析噴吹氣流偏斜對濾筒側壁壓力峰值的影響。

綜上，目前研究主要圍繞提高濾筒的清灰效果展開，而對于如何改善濾筒噴吹氣流偏斜問題的研究相對較少。因此，本文在前人研究基礎上，通過引入混流噴嘴改善噴吹氣流偏斜現象，并分析迎流面側壁壓力與背流面側壁壓力之間的動態分布特征，揭示濾筒側壁區域壓力分布規律，以達到對偏斜氣流優化的目的。

1 實驗裝置與原理

1.1 實驗裝置

脈沖噴吹實驗平臺與測點分布如圖1所示。該平臺由供氣系統、清灰系統、采集系統3部分組成。供氣系統包括：WW-0.9/10B-Q型空壓機、儲氣罐、氣包各1臺；清灰系統包括：DMF-ZM-25直角形電磁脈沖閥(1寸)、SXC-81型脈沖控制儀、手動升降裝置各1臺，噴吹管長1 400 mm，管直徑1寸(與脈沖閥一致)，噴口直徑16 mm±1 mm，聚氯乙烯覆膜濾筒長1 000 mm、內徑120 mm、外徑180 mm、褶皺數78、褶深20 mm，分別在濾筒兩側沿長度方向各安裝3個傳感器，測點分布如圖1所示(01號與04號測點位于同一水平線，距離濾筒頂部100 mm，02號與05號傳感器位于同一水平線，距離濾筒頂部500 mm，03號與06號測點位于同一水平線，距離濾筒頂部900 mm)；采集系統包括：MEMS光纖壓力傳感器、光纖傳感分析儀與安裝有OSA軟件的計算機1臺。

圖1 噴吹實驗平臺與測點分布示意Fig.1 Schematic diagram of jet experimental platform and measuring points distribution

1.2 實驗方法

脈沖噴吹清灰的原理即利用脈沖閥瞬間釋放的壓縮氣流，誘導數倍空氣高速射入濾筒中，使濾筒在短時間內急劇膨脹，依靠沖擊振動使灰塵掉落。Humphries等[14]、Yan等[15]通過實驗證明濾筒側壁壓力峰值能反映脈沖噴吹清灰效果。因此，本文將側壁壓力值作為衡量清灰性能指標，將安裝在濾筒側壁上、中、下部共6個傳感器與計算機相連，通過OSA軟件所顯示的動態波形圖判斷脈沖噴吹效果。

為對比優化前與優化后清灰均勻性，設置對照實驗對比安裝混流噴嘴前后側壁壓力波形圖變化與側壁壓力峰值大小。實驗結果表明，針對規格為長1 000 mm、內徑120 mm的濾筒，選取口徑為16 mm的混流噴嘴,既能達到清灰效果又避免濾筒側壁損壞。文獻[16]表明噴吹距離、噴吹壓力等參數可直接影響清灰效果。通過研究得到噴吹壓力為0.4,0.5 MPa；噴吹距離為180,210,240 mm時,觀測到的偏斜效果最佳 ，故本文以0.4 MPa的噴吹壓力為例進行實驗。李筱秋[17]利用數學模型計算得到當脈沖壓力為0.4 MPa時宜選擇260 mm的噴吹距離，且本文考慮安裝混流噴嘴所占高度，在實驗結論基礎上將噴吹管提升30 mm，即噴吹距離分別為210,240,270 mm。實驗條件及測點分布如圖1所示，比較背流面(測點01、02與03)和迎流面(測點04、05與06)之間的橫向差異，分析混流噴嘴改善噴吹氣流偏斜的效果。

2 結果與討論

2.1 脈沖噴吹氣流偏斜現象

設置噴吹氣流壓力分別為0.4,0.5 MPa，利用紋影儀對噴吹氣流進行拍攝，得到噴吹氣流偏斜圖像，如圖2所示。

圖2 噴吹氣流偏斜圖像Fig.2 Images of jet airflow deflection

由圖2可知，當脈沖噴吹氣流通過噴吹孔噴出時，高壓脈沖氣流均發生氣流偏斜現象。主要因為噴吹氣流經過噴吹孔時存在水平和豎直2個方向的速度分量，水平速度分量主要來自噴吹氣流沿噴吹管運動的速度，豎直速度分量主要來自噴吹孔內、外之間的壓差,2個方向的速度分量使脈沖噴吹氣流出現偏斜現象。在除塵器設計中，一般認為噴吹氣流是沿濾筒中心均勻進入其內部，但實驗最后觀測到的氣流偏斜現象會對濾筒內壁壓力分布的均勻性產生不利影響，進而造成清灰的不均勻。

2.2 優化前后濾筒表面動態壓力分布現象的比較

1)優化前濾筒表面動態壓力非對稱分布現象

通過光纖傳感器測試濾筒側壁壓力，可反映其表面氣壓變化情況，在脈沖噴吹氣流經過濾筒表面時，光纖傳感器每0.2 ms取1次壓力值，并將壓力值經分析儀傳入計算機，通過OSA數據處理軟件可將400 ms(本文取有效噴吹時間節點30～240 ms)內的濾筒側壁動態壓力以波形圖和數據的形式顯示出來。將噴吹壓力設定為0.4 MPa，噴孔直徑為16 mm±1 mm，調節噴吹距離分別為210,240,270 mm，濾筒側壁動態波形圖如圖3 所示。

圖3 優化前不同噴吹距離條件下濾筒表面動態壓力分布示意Fig.3 Schematic diagram of dynamic pressure distribution on surface of filter cartridge under different jet distances before optimization

由圖3可知，因噴吹氣流自噴孔處向迎接來流一側做偏斜運動，故迎流面一側所受壓力較背流面更大，因此背流面(測點01、02、03)與迎流面(測點04、05、06)動態壓力分布有明顯差別，與理論分析結果一致即3種噴吹距離條件下，噴吹氣流均具有不同程度偏斜。其中，位于上部的測點01號與04號動態圖之間的差異最為突出，壓力峰值差距分布在500～1 000 Pa范圍內，中部測點02號與05號其次，下部測點03號與06號動態圖基本吻合，差異下降至最小，出現這種現象的原因是隨噴吹氣流向濾筒下部運動距離增加，脈沖氣流與誘導空氣之間的混合逐漸均勻，氣體運動方向逐漸由偏斜無限接近于垂直，濾筒兩側的噴吹氣壓近似相同，故濾筒表面壓力分布動態圖差異逐漸減小至吻合，即噴吹氣流偏斜程度逐漸降低，濾筒迎流面與背流面清灰程度基本一致，清灰均勻性提高。

通過比較3種噴吹距離條件下的動態壓力分布圖可知，當噴吹距離為210 mm時，迎流面與背流面壓力值之間的差異最大，噴吹距離為240 mm其次，噴吹距離為270 mm最小，故噴吹距離增加，迎流面與背流面所受壓力值之間的整體差異逐漸縮小。由于噴吹距離越大，氣流運動距離越長，此現象發生的原因與上述理論分析一致。

2)濾筒表面動態壓力非對稱分布現象的優化原理及效果

混流噴嘴實物示意如圖4所示。由圖4可知，混流噴嘴的組成主要包括噴口(上部)與圓錐形擴散段(下部)，并應用合理的幾何曲面參數設計而成。由文獻[18]可知，混流噴嘴運用文丘里原理循環大量流體，具有一定壓力的介質進入噴嘴后流經噴嘴喉部形成高速射流，使噴嘴周圍引導口產生低壓區，在壓力差作用下周圍氣流被誘導至噴嘴，高速射流與被誘導的周圍氣流約以4∶1的比例混合后噴射出來，達到混流效果。因此，混流噴嘴應用于脈沖噴吹清灰可有效矯正氣流偏斜問題。

圖4 混流噴嘴實物示意Fig.4 Physical drawing of mixed flow nozzle

相同條件下，在安裝混流噴嘴后，噴吹距離分別為210，240，270 mm時，濾筒側壁動態壓力分布情況如圖5所示。

圖5 安裝混流噴嘴后不同噴吹距離條件下濾筒表面動態壓力分布示意Fig.5 Dynamic pressure distribution on surface of filter cartridge under different jet distances after installation of mixed flow nozzle

由圖5可知，安裝混流噴嘴后濾筒的迎流面與背流面上、中、下部動態壓力分布基本一致，說明脈沖噴吹氣流以濾筒長度方向為軸呈對稱分布，對比圖4和圖5可知，1號與4號傳感器得到的動態壓力曲線幾乎重疊，壓力峰值差值基本為0，即加裝混流噴嘴后有顯著矯正氣流偏斜的效果。

2.3 優化前后濾筒側壁壓力峰值分析

巨敏等[19]通過實驗證明脈沖氣流形成的濾筒側壁壓力的峰值能作為衡量濾筒清灰性能的指標，側壁壓力峰值越大，清灰作用越強，且順流氣流形成的第1個側壁壓力峰值對濾筒的清灰效果起決定性作用。因此，讀取OSA軟件3種噴吹距離條件下各測點側壁壓力峰值，作為判斷濾筒迎流面與背流面清灰是否均勻的依據，如圖6所示(*表示安裝混流噴嘴矯正后側壁壓力峰值情況)[20-23]。

圖6 不同噴吹距離條件下濾筒各測點壓力峰值Fig.6 Peak pressure at each measuring point of filter cartridge under different jet distances

由圖6可知，矯正前迎流面與背流面各測點壓力峰值折線圖走勢相差較大，矯正后峰值差距較小且滿足清灰要求，證明混流噴嘴具有矯正噴吹氣流偏斜的作用。

3 結論

1)由于脈沖噴吹氣流的偏斜特性，濾筒上部區域的迎流面與背流面所受動態壓力具有明顯差別，揭示了濾筒上部清灰不均勻性的現象。

2)應用混流噴嘴可以矯正脈沖噴吹氣流的偏斜現象。優化后的脈沖噴吹氣流作用于濾筒側壁的壓力大于優化前的壓力，有效提高脈沖噴吹噴吹氣流的清灰能力；優化后的脈沖噴吹氣流還具有改善濾筒內部壓力分布均勻性的作用。