除塵濾筒脈噴清灰技術研究進展與展望

李建龍 陳源正 林子捷 吳泉泉 吳代赦

(南昌大學資源與環境學院,江西 南昌 330031)

礦山、水泥、電力、建材、冶金、化工等工業生產過程產生的各類粉塵,是室內外環境的重要空氣污染源[1-4]。工業粉塵導致的塵肺病已成為我國職業健康最主要元兇,當前,我國每年新增報告的職業病中,塵肺病占比超過80%[5-8]。并且,有毒的粉塵(如含重金屬、有機物等)進入人體后,會引起中毒以致死亡[9]。粉塵控制不當還易誘發爆炸,嚴重威脅人們的生命和財產安全[10-12]。

過濾除塵是一種高效的粉塵控制手段,過濾元件(濾芯)以布袋、濾筒、陶瓷濾管等為代表,在工業粉塵控制領域應用更廣泛[13-16]。該方法的技術優勢在于集塵高效、穩定可靠、處理風量大、阻力適中、對粉塵適用性強。過濾除塵器的運行主要包括粉塵阻留(過濾)和清灰兩個階段[17]。在粉塵過濾階段,除塵效率相對穩定,通過優選濾料精度、調整過濾風速等可實現除塵系統出口濃度達標。清灰是維持過濾元件高效穩定阻留粉塵的關鍵環節[18],清灰可采用機械振打、逆氣流反吹、脈沖噴吹、聲波作用等方法實現。1957年,REINHAUER首次利用壓縮空氣的脈沖噴吹氣流實現了除塵器濾袋的清灰,這被認為是脈沖噴吹過濾除塵器誕生的標志[17,19]。我國脈噴過濾除塵器(主要是袋式)始于20世紀70年代,并于20世紀90年代中后期得到大量的發展和推廣[17,19-21]。脈噴清灰是利用壓縮空氣(通常為0.2～0.6 MPa)在極短暫的時間段內(約0.1～0.2 s)高速噴入濾芯(濾袋、濾筒、陶瓷濾管等),同時誘導數倍于噴射氣流的空氣,形成瞬間的沖擊氣流以剝離過濾元件表面所捕集的塵餅(粉塵層),具有工藝簡單、效果顯著、無運動構件、不中斷風流等優點。

濾筒除塵器是在古老的袋式除塵器基礎上發展而來,兩者工作原理類似[17]。早期,因濾筒運輸及安裝不便(不似濾袋可彎曲、折疊)、過濾風速低、清灰困難等問題,濾筒作為過濾元件的應用范圍較窄。近年來,隨著新型濾料的問世和除塵器結構的改進,濾筒式除塵器被廣泛應用于各大工業領域[22-24]。與袋式除塵所使用的柔性濾袋相比,類剛性的濾筒可采用褶皺式結構,顯著提升單位空間的過濾面積、增大過濾風量,有利于實現裝置小型化。

本研究通過搜集、分析除塵濾筒脈噴清灰技術的相關研究資料,重點對2005—2021年國內外相關研究成果進行梳理和綜述,系統歸納除塵濾筒脈噴清灰技術的基本原理、除塵器運行的主要特征、清灰效果評價指標、影響清灰性能的主要因素和存在的主要問題,總結提高清灰均勻性的改進措施,并進一步討論除塵濾筒脈噴清灰技術的發展趨勢。

1 脈沖噴吹清灰概述

1.1 基本原理

脈沖濾筒除塵器主要由濾筒、花板、進風管、排風管、清灰裝置(含脈沖控制儀)、箱體等組成,如圖1所示。工作時,含塵氣流從進風管到達除塵器的過濾室,在過濾室內,粉塵被濾料(或已附著在濾料表面的塵餅)所攔截,實現與氣流的分離,過濾風速一般控制在0.5～2.0 m/min[17]。凈化后的氣流穿過濾筒到達潔凈室,然后經排風管排出。

圖1 濾筒除塵器及其脈沖清灰裝置示意Fig.1 Schematic of the cylinder dust collector and its pulse dust removal device

除塵器的風流阻力隨著塵餅厚度增加而上升,可按設定的時間或阻力閾值對濾筒實施脈沖噴吹清灰。清灰時啟動電磁脈沖閥,氣包內的壓縮空氣經噴吹管到達噴嘴噴出,同時誘導周圍空氣(二次氣流)形成高速射流進入濾筒內部,濾筒外壁塵餅受噴吹氣流作用剝離,落入下方積灰區。

1.2 塵餅附著與清灰剝離

脈噴清灰的目的是有效剝離附著在濾料表面的塵餅,所需克服的作用力主要有塵餅與濾料之間的黏附力和過濾風流產生的壓力。其中,黏附力主要有分子間作用力、毛細作用力與靜電力[17,25]。過濾過程中風流對粉塵產生的力(風流力)也是使得塵餅附著在濾料表面的作用力。對于離線清灰,要使塵餅從濾料表面剝離,清灰作用力必須大于黏附力;對于在線清灰,則需要清灰作用力大于黏附力與風流力之和。

脈沖噴吹清灰技術自問世以來,對其塵餅剝離機理的討論從未間斷。目前,脈噴清灰理論主要有反吹風速理論、加速度理論、壓力理論、綜合作用理論。其中,反吹風速理論認為清灰主要依賴反吹(脈沖)氣流作用,反向的清灰氣流直接沖擊塵餅而使塵餅脫落。研究表明,將粉塵顆粒從濾料上吹落的逆向清灰氣流速度至少應達到10～20 m/s[26],而試驗或數值分析發現,脈沖噴吹時穿過濾料的氣流速度遠低于該值,僅為0.03～5.00 m/s[27-30]。加速度理論認為,塵餅剝離起主要作用的是噴吹使得濾料膨脹到極限位置的最大反向加速度,此時塵餅與濾料之間的分離力最大。脈沖噴吹過程中,濾料的反向最大加速度一般為10～200 g[28,31-36],個別測試條件下降低至1～2 g[37]。目前,噴吹壓力理論被業內普遍接受,該理論認為脈沖噴吹過程中清灰氣流對濾料的沖擊起決定性作用,濾芯內的壓力峰值和壓力上升速度是衡量清灰效果的重要指標。業內對有效清灰臨界壓力峰值的認識也較為統一,一般認為是300～600 Pa[38-41]。

可見,目前業內對清灰機理的認識尚未達成共識,即使對同一種清灰作用理論也存在認識差距。總體而言,無論是柔性、類剛性或剛性過濾元件,反吹風速理論可以解釋其清灰作用,但實際反向風速并不足以剝離塵餅。加速度理論能夠解釋柔性過濾元件,也可以部分地解釋褶式濾筒這種類剛性過濾元件的清灰問題,但無法說明和解釋陶瓷濾管和塑燒板除塵器的清灰情況,因為同樣是采用脈沖噴吹清灰,陶瓷濾管和塑燒板都不產生反向加速度﹐卻依然可取得良好的清灰效果。噴吹壓力理論能夠有效解釋各種過濾元件的清灰作用,并且實際噴吹產生的壓力也足以滿足塵餅剝離需要。

另外,脈沖噴吹清灰的實現是多種作用的綜合結果,針對不同類型的濾料,各種作用程度不一。據報道,濾袋清灰的評價一般用加速度理論,即將測試濾袋的加速度作為評價指標[28,33,37]。褶式濾筒、陶瓷濾管等一般采用噴吹壓力理論評價清灰性能,即通過測試濾料所受靜壓作為評價指標[42-44]。

1.3 清灰效果評價

脈沖噴吹效果可以通過濾筒內壁所受的噴吹壓力、穿過濾筒的風速或筒壁振動的加速度等指標進行評價。但良好的噴吹作業未必能實現期望的清灰效果,粉塵與濾筒之間的黏附作用、過濾風速等因素會引起粉塵剝離程度的差異,甚至剝離的粉塵還會因過濾室內布局導致不同的回吸。因此,噴吹效果只能作為清灰效果的間接評價指標。

清灰效果的直接評價,常以剝離粉塵的質量[45-46]或過濾阻力(一般用壓差表示)的變化為指標因素[45,47-51]。典型的質量清灰率ηm計算公式為

式中,Wt為濾筒上附著的總粉塵質量,g;WR為清灰后殘留在濾筒上的粉塵質量,g。

典型的阻力清灰率ηp計算公式為

式中,ΔPmin為過濾前干凈濾筒的阻力,Pa;ΔPmax為濾筒清灰前阻力,Pa;ΔPc為濾筒清灰后阻力,Pa。

目前,清灰效果的評價集中在清灰前后過濾阻力和落塵質量計算方面,主要關注清灰后的相對穩定狀態而忽略了清灰時粉塵的運移過程,具有一定的局限性。有必要深入研究清灰剝離粉塵的運移,建立考慮粉塵運移過程的定量評價方法。

2 清灰效果主要影響因素

脈沖噴吹的清灰效果是濾筒除塵器研究與應用的重要關注點,清灰效果受噴吹參數、塵餅特征、濾筒參數、運行工況等多種因素共同影響,由于不同脈噴系統的參數及所處環境不同,導致工業應用中的濾筒除塵器性能差異較大。明晰不同因素對清灰效果的影響規律,能有效指導噴吹系統設計,優化運行工況,對于實現穩定高效除塵意義重大。

2.1 脈沖噴吹設計參數

(1)噴嘴類型。噴嘴結構直接決定出口射流流場和對周圍氣流的誘導卷吸效果。與中心噴吹式(如噴吹管帶孔眼式[52])相比,環形噴吹式(如采用環形引射器代替中心噴嘴)有利于誘導二次氣流,噴吹氣流均勻,但結構較復雜。傳統的直管噴嘴會造成大量的射流偏斜,而通過增加噴嘴直管段[53]、采用收縮噴嘴[54]、設置文丘里管[55]等相關措施可以解決偏斜問題。

(2)噴吹距離。若噴吹距離過小,噴出的氣流來不及擴散,將會導致濾筒內靠近噴嘴的一端受射流卷吸產生負壓而成為清灰死區;若噴吹距離過大,則噴吹的氣流發生擴展而超出濾筒開口斷面,外圍噴吹氣流被花板阻擋不能進入濾筒內,導致噴吹效果降低[56]。最佳噴吹距離一般可通過對比測試濾筒內噴吹強度而獲得[57],巨敏[35]、LI等[58]提出了噴吹距離的經驗公式,根據濾筒直徑和噴嘴尺寸等參數可計算得到最佳噴吹距離。

(3)噴吹壓力。過低的噴吹壓力導致清灰強度不足、塵餅大量殘留;過高的噴吹壓力則產生過度清灰導致塵餅初層被破壞,不利于后續過濾的進行,不僅浪費噴吹能量,而且加劇濾料的損壞。噴吹壓力由初始氣包壓力控制,初始氣包壓力一般取值為0.4～0.6 MPa。

(4)脈沖寬度。由于噴吹氣流需要脈沖閥開啟并持續一定時長才能達到最大速度,因此需要足夠的脈沖寬度以保證噴吹氣流的能量在濾筒內蓄積到對應峰值(可用壓力峰值、加速度峰值等為指標),達到峰值后,過長的脈沖寬度則會造成能量的浪費。

(5)脈沖閥性能。脈沖閥的主要參數有脈沖閥啟閉速度、脈沖閥開度及噴吹壓力上升速率、膜片壽命等。脈沖閥啟閉速度和開度會對噴吹氣流的沖擊特性產生直接影響[59-60]。

2.2 濾筒參數

(1)濾料類型。相對于傳統的針刺氈、編織濾料,聚四氟乙烯覆膜的濾料過濾時,粉塵的捕集發生在膜表面,無濾料孔隙堵塞現象,清灰作業更容易[17,61]。

(2)褶皺結構。濾料的褶皺結構有利于過濾面積的增加,但過密集的褶皺會導致濾筒在噴吹清灰時形變小、清灰效果差。方璨[36]研究發現,在同一噴吹壓力流場條件下,褶數8、10、12的濾筒最大應變分別為0.14%、0.12%、0.10%,且應變周期依次縮短,表明褶數高則變形更難。LI等[62]、LI等[63]分別通過數值模擬和試驗研究,發現越高褶皺比(褶高與褶間距之比)的濾筒越容易出現清灰不完全;其中后者在試驗中發現6種不同褶皺比(0～3.3)聚酯濾料的清灰周期從1 412 s逐步降低至683 s,首次清灰率從72%左右降低至66%。越密集的褶皺結構帶來的褶間粉塵堵塞越嚴重,褶間堵塞一方面會導致濾料有效過濾面積隨著捕集粉塵的增多而快速減少,另一方面塵餅在褶間擁擠增加了清灰所需的噴吹氣流強度。

2.3 塵餅特征

(1)粉塵黏性與含濕量。部分粉塵黏性較大(如含MgO或Al2O3的工業粉塵[64]、炭黑粉塵[65]、瀝青煙塵、焦油煙塵等),附著在濾料表面難以剝離。還有部分粉塵在潮濕環境條件下易吸濕導致黏性過強,附著于濾料表面結痂成塊而難以清理,嚴重時會導致濾筒清灰失效[17]。

(2)粉塵沉積量。隨著粉塵沉積量的增加,塵餅的噴吹剝離難度降低,低壓脈沖清灰的效率提高,所需的反吹清灰力呈減小趨勢[66]。此外,粉塵顆粒粒徑對清灰性能也存在影響,在相同的最大壓降條件下,顆粒越大,脈沖噴吹頻率和粉塵排放量均降低[67]。

(3)塵餅結構。即使相同的粉塵沉積量,塵餅形態與結構也可影響其過濾阻力,進而影響清灰周期。ZHANG等[68]研究發現,疏松多孔的塵餅結構可以延長清灰周期78%。李建龍等[65]研究了黏性顆粒在濾料表面的沉積形態,發現滾阻系數或摩擦系數越大,塵餅的“樹枝狀”結構越明顯,孔隙率越大,過濾阻力越小。可見,在可以實現有效清灰(塵餅不發生結痂成塊而難以剝離)的前提下,粉塵顆粒之間適度的黏性有利于延長清灰周期。此外,粉塵黏性還受噴霧影響,李建龍等[65]發現延長清灰周期的適當噴霧量為0～3 200 mL/h。

2.4 運行工況

對清灰影響最直接的運行工況即過濾風速。對于離線清灰(過濾風速為0)或過濾風速較小的在線清灰,粉塵從濾筒上剝離后逐漸落入灰斗內。當過濾風速較大時,一方面與風流逆向的噴吹氣流受到較大阻力,現有研究表明:隨著過濾風速增大,濾筒側壁噴吹壓力峰值出現降低現象[68-69];另一方面受清灰作用影響,從濾料上剝離的粉塵易被風流夾帶而回吸至濾筒,清灰效果被抑制[19]。

可以看出,針對濾筒脈噴清灰的研究已經明確了脈沖噴吹參數、塵餅沉積量等因素與清灰效果的影響,但科學的噴吹系統設計標準尚未形成。因此,以既有研究為基礎,系統探究在具體濾筒參數、塵餅特征、運行工況條件下,噴嘴類型、噴吹高度、壓力等噴吹參數對清灰效果的影響規律,建立一套脈沖噴吹參數設計規范,是未來脈沖噴吹濾筒除塵器的重點研究方向。

3 清灰存在的主要問題

分析除塵濾筒脈噴清灰過程中存在的問題,對于改進噴吹系統、提升清灰效果意義重大。近年來,部分研究者通過理論分析、試驗研究、數值模擬等手段揭示了在此方面的重要規律。

3.1 噴吹氣流偏斜

脈沖噴吹時,壓縮空氣從噴吹管的噴嘴噴出,由于流向變化后尚未穩定,高速氣流會發生偏斜[53-55]。如圖2所示,劉侹楠等[53]采用紋影儀觀測了脈噴氣流出口的偏斜現象并分析了偏斜對清灰的影響,發現噴吹壓力和噴口口徑越大,氣流偏斜影響區域越大;在較低噴吹壓力和較小的孔徑條件下,氣流偏斜現象可以忽略。任玲等[70-71]發現噴吹氣流的偏斜角度沿著噴吹管方向逐漸減小,隨著噴吹壓力增大而增大,偏斜角度越大則清灰性能變差。噴吹氣流偏斜將影響濾筒清灰性能,甚至直接沖擊濾料產生破壞。

圖2 噴孔式噴口氣流紋影圖[53]Fig.2 Airflow pattern shadow diagram of orifice type nozzle

3.2 清灰不均勻

濾筒常因粉塵黏性過大難以清理而導致除塵器阻力過高,這一問題一般可通過提高氣包壓力、增加噴吹管或噴嘴口徑等提升噴吹強度的措施來解決。與清灰強度不足相比,清灰不均勻問題更難以解決。若簡單地提高氣包壓力來提升清灰不足區域的強度,易導致清灰強度已足夠的區域清灰過度。

清灰不均勻的根源在于脈沖噴吹僅在濾筒開口處布設單一點源式噴嘴,所釋放的噴吹氣流對立體式長筒型濾筒所產生的清灰作用勢必會導致空間分布不均衡。清灰不均勻條件下濾筒表面塵餅殘留分布見圖3,受清灰作用小的上部區域仍有塵餅殘留,噴吹作用大的區域則可能清灰過度。殘留塵餅累積,即普遍認為的清灰出現“死區”,會導致濾料堵塞、阻力激增、除塵系統失效;清灰過度不僅導致該區域再過濾時粉塵(尤其是細小的粉塵)加劇穿透,還會加速濾料老化,甚至濾料直接破裂致使系統失效[72-73]。由于單一點源式脈沖噴嘴噴吹的局限性,濾筒清灰不均勻的問題普遍存在,抑制除塵系統的穩定高效運行。清灰不均勻問題是當前濾筒脈沖噴吹技術研究的焦點和熱點[58,72]。清灰不均勻的問題,不僅體現在單個濾筒,在同一噴吹管下各濾筒之間也存在。由于噴吹管上各噴嘴與氣包距離不等,噴嘴出口壓力不同,導致相應的濾筒存在清灰程度差異[58,74-75]。

圖3 清灰不均勻情況下濾筒表面塵餅殘留[72]Fig.3 Dust cake residue on the surface of filter cartridge in case of uneven dust cleaning

3.3 剝離粉塵回吸

相比于噴吹氣流偏斜、濾筒清灰不均勻,目前業內對清灰剝離粉塵回吸現象關注較少。清灰剝離來不及完全落至灰斗的粉塵會被風流回吸至原濾筒上,引起粉塵的“再次吸附”。大中型除塵器內濾筒一般呈陣列式排布,常采用逐排間歇清灰方式,由于過濾風流的繞流作用,前排濾筒清灰剝離而未及時落入灰斗的粉塵會隨著繞流風流到達后排濾筒而被吸附,稱為粉塵的“二次吸附”。

研究發現,清灰過程剝離粉塵的再次吸附率達18%～83%、二次吸附率達10%～25%[45,76],嚴重抑制了清灰效率。由于脈沖噴吹時間很短,在線清灰過程中粉塵的回吸問題解決困難,可通過減少濾筒長度、延長脈沖噴吹寬度[77]、優化過濾風流的流場、調整清灰策略[45]等方法緩解。LI等[45]發現,逐排正序(假定逐排清灰順序與過濾風流方向一致為正序)清灰條件對應的再吸率與二吸率均小于逆序,其試驗表明,正序和逆序清灰對應的再吸率分別為14.75%和17.86%、二吸率分別為4.62%和10.00%。

最有效抑制剝離粉塵回吸的辦法是清灰時停止過濾風流而采用離線噴吹方式,但實際作業中為了穩定風流和簡化工序往往忽略清灰粉塵回吸。

上述研究表明,工藝簡單、效果顯著、無運動構件的脈噴清灰存在氣流偏斜、分布不均勻、剝離粉塵回吸等不足,全面考慮噴嘴設計與風流場優化,綜合分析噴吹氣流自開啟到消失、再到過濾風流恢復的全過程,是未來提升脈噴清灰效果的重要研究方向。

4 清灰不均勻改進措施的最新進展

清灰不均勻是濾筒脈沖噴吹技術面臨的最嚴重也最難以解決的共性問題,濾筒清灰均勻性的提升是當前過濾除塵領域的研究重點。為此,通過系統總結近年來針對濾筒清灰不均勻問題的相關改進措施,主要有脈沖噴嘴、文丘里管、濾筒結構形式、噴吹策略等。

4.1 脈沖噴嘴改進

在噴嘴改進方面,主要有超音速噴嘴(圖4)、環形縫隙噴嘴、旋轉翼清灰器(圖5)、錐形散射器等。超音速噴嘴(根據結構外形對比,超音速噴嘴與部分已有的誘導噴嘴[72,78-80]、擴散噴嘴[81]結構類型相同,認為是同一種改進措施)將脈沖氣流動壓轉換為靜壓以提高濾筒清灰效果,該型噴嘴可以提高二次氣流卷吸量并改變噴吹氣流流場,使脈噴氣流加速擴散,在減緩流速、穩定氣流等方面也具有一定的作用,提高了噴吹氣流的均勻性,改善了清灰效果[72,78,80]。

圖4 超音速噴嘴[72]Fig.4 Supersonicnozzle

圖5 旋轉翼清灰器[82]Fig.5 Rotary wing ash cleaner

環形縫隙噴嘴通過環隙射流卷吸內管氣流,有助于提高噴嘴出口處流場的均勻性、改善脈沖噴吹效果,與普通圓形噴嘴相比,環形縫隙噴嘴能夠顯著增加噴嘴附近的局部靜壓,對褶式濾筒的局部清灰產生有利影響[82-83]。

旋轉翼清灰器將噴吹孔設置在旋轉器上,使高壓空氣以一個傾斜的角度從噴吹孔中噴出,并帶動旋轉翼旋轉,實現對濾筒內壁的直接強力清灰。試驗發現,旋轉翼清灰器降低了脈噴清灰頻率,延長了平均清灰周期[82]。

錐形散射器可以降低沖擊氣流的流量與流速,并卷吸誘導更多氣流進入濾筒。散射器的結構和位置對清灰性能都有重要影響[84-85],如當散射器開口較小時,濾筒上部清灰效果較好,但總體噴吹強度較小;當散射器開口較大時,噴吹均勻性較差[84]。

4.2 文丘里管增設

文丘里管的增設可分為在濾筒內嵌入式(內置式)和濾筒開口外安裝(外置式)兩種。

內置文丘里管能保證清灰氣流與濾筒的動能均勻傳遞,增大了濾筒中部和底部的壓力值,但在濾筒進口處清灰效果較差[86]。外置式文丘里管有利于將脈沖氣流的動壓轉化為向濾筒內部誘導的靜壓,可延緩氣體出流,延長氣流在濾筒內的作用時間,增大側壁壓力[87-88]。研究發現,濾筒上、中、下部側壁壓力峰值分別為不加文丘里條件下的1.6、1.7、1.2倍[89]。

需要注意的是,內置文丘里管會浪費等同于文丘里管長度的濾筒過濾區,外置式文丘里管則會增大除塵器凈氣室的高度和設備體積[86]。

4.3 濾筒結構優化

在濾筒方面的改進主要有:在濾筒內部設置錐形體、增設內錐過濾面、改進濾料褶皺結構、改進濾筒外形結構、增設氣流隔板等。

通過在濾筒內置錐形體(圖6)可以改善脈噴流場,錐形體通過與脈沖射流的阻礙碰撞將動壓能轉化為靜壓能,同時改善壓力分布,進而提高脈噴清灰效果。錐形體的安裝可使濾筒內噴吹強度由1 193 Pa升高至1 807 Pa,均勻性提升2倍[90]。將濾筒內的錐形體設置為錐形過濾面,既可改善噴吹氣流壓力沿濾筒方向的分布均勻性,改善清灰效果,又能增大總過濾面積[91-92]。內置錐形濾筒可實現在脈噴清灰過程中將內錐過濾面的粉塵直接吹入灰斗,且有效過濾面積增加20%～30%,提升了清灰效果并降低了系統壓降[93-94]。

圖6 濾筒內置錐形體(單位:mm)[90]Fig.6 Built-in cone of the filter cartridge

HANDTE等[95]和CAMFIL[96]在內錐過濾面的頂部設置為金屬錐形,形成了金錐濾筒(圖7)。金錐有利于引導噴吹氣流同時對內錐過濾面和側壁過濾面實施更直接的噴吹清灰。金錐濾筒內的錐體高度對清灰效果有重要影響,錐頂附近的負壓和錐體的流動阻力是整體清灰效果的兩個主要影響因素[97]。

圖7 新型金錐濾筒[95]Fig.7 New gold cone filter cartridge

濾筒的褶皺結構會直接影響噴吹氣流在濾筒內的軌跡,特別是氣流在經過褶皺區域和穿過濾筒壁面的過程中,褶皺結構會直接影響局部阻力和流通面積。CHEN等[98]對比了傳統“V”形、收斂梯形、發散梯形、長方形褶皺結構條件下的清灰效果,發現收斂梯形褶皺能最大限度地提高濾筒表面的清灰強度與均勻性,同時,由于收斂梯形褶皺增加了每個褶皺內部的間距,進一步減少了脈噴氣流在經過褶皺時的靜壓損失。

濾筒的外形結構形狀也會影響脈沖噴吹氣流的分布,典型的奇異外形結構濾筒有發散形、收斂形、收斂—發散形。CHEN等[99]發現收斂—發散形濾筒不僅能夠增加50%的噴吹強度,還能通過提升壓力峰值的持續時間來增強頂部的清灰效率,并且壓力峰值的數值及其到達時間都具有提高清灰效率的優勢。濾筒內設置中心開孔的氣流隔板,有利于減弱隔板下方噴吹射流附近渦旋,并增強氣流靜壓能在濾筒內的蓄積。艾子昂等[100]通過數值模擬發現,噴吹性能隨隔板外徑的增大而提升,隨隔板內徑、布置深度或噴吹距離的增大而先升后降,設置優選隔板后,噴吹強度提升了2.1倍,均勻性提升了4.7倍。

鑒于噴嘴或濾筒結構的改進均能改善脈噴流場、提高清灰效率,二者合理的組合則可實現協同作用。祝葉等[101]發現散射器拉法爾噴嘴與錐形結構濾筒組合可明顯改善上濾筒的清灰效果。陳強等[81]發現擴散噴嘴和金錐濾筒組合對于提高濾筒上部噴吹壓力具有協同作用,特別當金錐伸入擴散噴嘴20～40 mm時,脈噴強度相對于普通噴嘴與普通濾筒組合最大提升了2.3倍。蘇正通等[102]研究發現,文丘里噴嘴和金錐濾筒組合的噴吹強度和均勻性分別提高了1.7倍。

4.4 噴吹策略改進

除了噴嘴、濾筒等結構方面的改進,噴吹策略也可以改善脈噴流場,提高清灰效率,主要有多連脈沖噴吹技術、協同對撞噴吹技術等。

多連脈噴清灰是在上一股噴吹氣團壓力未消失之前實施下一股噴吹,使得兩股氣團在濾筒內發生碰撞產生更高的壓力。CHEN等[103]研究了周期為0.05～0.15 s的矩形、圓弧形、梯形的多連脈沖波形,發現與傳統的單一脈噴模式相比,多連脈沖噴吹技術可以提升6.5%的清灰強度,若采用矩形波的多連脈沖噴吹技術還可以進一步提升噴吹氣流的強度,多連脈沖噴吹技術可以在不增加氣包壓力的條件下,以簡易方式解決清灰“死區”的問題。

協同式對撞脈沖噴吹是在濾筒底部設置輔噴嘴,通過主、輔噴吹按預定的出口壓力協同式啟閉,實現兩股氣流碰撞位置及運移的控制,利用碰撞形成的集中靜壓依次對濾筒各區域實施“逐個擊破”式清灰。如圖8所示[104],脈沖氣流對撞形成的相對高壓從底部往上依次作用于濾筒壁面。LI等[104-107]發現在特定的時間差和壓力差條件下,協同式對撞脈噴可提高噴吹氣流強度2.59～5.49倍;李建龍等[44]研究發現,文丘里噴嘴可以進一步提升對撞脈沖噴吹效果。協同對撞脈噴技術采用分別布置在濾筒上方和下方的主、輔兩個噴嘴,突破了單一點源式噴吹的局限,在改善濾筒清灰不均勻方面潛力大。

圖8 對撞脈沖噴吹氣流的壓力場演變[104]Fig.8 Pressure field evolution of airflow in opposing pulsed-jet cleaning

由上述分析可知,噴嘴、濾筒、噴吹策略以及文丘里管的使用,均在不同程度上影響了脈沖噴吹產生的氣流壓力在濾筒內的空間分布,進而改善了濾筒整體的清灰效果。但特殊形式的噴嘴主要增強了濾筒內局部區域的噴吹壓力,提高了噴吹均勻性,而對整體噴吹強度增加困難,均勻性的改善作用有限;旋轉翼清灰器可實現整體噴吹強度的提升,但整體結構復雜、旋轉組件不易防塵;文丘里管的增設占用了除塵器內部空間,會增加除塵器整體尺寸;奇異外形濾筒以及金錐濾筒加工復雜,且緩解清灰不均勻的問題作用有限。多連噴吹策略主要增強了靠近噴嘴附近濾筒局部區域的噴吹效果,對于提升整體噴吹強度難度較大;協同對撞噴吹突破了單一點源式噴吹的局限性,但需增設輔噴嘴,裝置相對復雜。可見,研發更加有效、簡捷的脈沖噴吹清灰技術,依然是濾筒除塵器的重要課題。

5 展 望

濾筒除塵器控塵高效、阻力適中、結構緊湊、對粉塵適用性強,在工業除塵領域應用廣泛,脈沖噴吹作為濾筒清灰的首選技術,具有效果顯著、工藝簡單、無運動構件等優勢。然而,盡管國內外學者開展了諸多有益探索,現階段針對濾筒脈噴清灰的理論研究仍滯后于其實際應用,清灰機理的認識尚不夠清晰,清灰效果有待進一步提升,科學的噴吹系統設計尚未形成,在一定程度上制約了脈沖噴吹濾筒除塵器的大規模推廣應用。為提高除塵濾筒的清灰效果,保障除塵系統穩定高效運行,仍需進一步開展如下工作:

(1)脈沖噴吹濾筒清灰機理分析。濾筒脈沖噴吹清灰過程中,一般認為加速度理論可以部分地解釋褶式濾筒這種類剛性過濾元件的清灰機制,但濾料加速度對塵餅的剝離量并無必然關系;噴吹壓力理論雖然能夠有效解釋濾筒的清灰作用,但對噴吹壓力上升速度的認識尚不統一。而綜合作用的觀點仍較為籠統,各種理論對應的清灰作用的占比不明確。此外,清灰理論尚未考慮過濾元件的材質、塵餅特征等因素。今后,應進一步研究噴吹氣流的演變規律及其與濾筒之間的耦合關系,采用流場試驗測試或計算流體力學等手段,分析氣流、濾筒和塵餅之間作用機制,為進一步明晰濾筒清灰機理提供理論支撐。

(2)脈噴清灰結構設計與參數優化。噴吹壓力在濾筒內和濾筒之間分布不均,是導致濾筒清灰不良的重要原因,是當前業內廣泛關注的研究焦點。通過噴嘴、濾筒、噴吹策略等方面的改進實現噴吹性能優化已取得了大量有益進展,噴嘴方面有誘導噴嘴、環形縫隙噴嘴等,濾筒方面有增設文丘里管、內置錐形體、金錐濾筒等,噴吹策略方面有多連噴吹、協同對撞噴吹等,但仍存在運動構件、結構復雜或增加設備體積等問題。協同對撞脈沖噴吹通過兩股氣流碰撞的控制,突破了單一點源式噴吹的局限,解決清灰不良問題潛力較大,但需增設輔助噴嘴,結構相對復雜。將來需要進一步優化噴吹系統,研發新型噴吹結構形式或策略,從噴嘴、濾筒等多個方面共同優化脈沖噴吹流場,是提升脈噴清灰效果的重要研究方向。

(3)塵餅剝離與運移規律分析。清灰剝離粉塵的再次吸附和二次吸附是抑制脈噴清灰效果的重要因素,通過過濾阻力、落塵質量等參數分析可以推知剝離塵餅的回吸比例和宏觀分布,但清灰引起的過濾室流場變化及塵餅粒子運移過程尚不清晰。今后有必要分析脈噴參數、塵餅特征、過濾風流對塵餅粒子運移的影響,定量描述脈噴引起的除塵系統內流場演變規律,建立塵餅剝離動力學模型,提高對剝離塵餅回吸的控制,為脈沖噴吹清灰設計提供技術支持。

(4)脈噴系統及其參數設計規范建立。時至今日,業內對于噴吹系統布置及參數設計仍未達成共識,實際應用中普遍以經驗嘗試為主。今后,應以既有研究為基礎,系統探究具體濾筒參數、塵餅特征、運行工況條件下噴吹參數對清灰效果的影響,全面考慮噴嘴設計與風流場優化,綜合分析噴吹氣流從開啟到消失、再到過濾風流恢復的全過程,建立完整的脈沖噴吹參數設計規范,是未來脈沖噴吹濾筒除塵器發展的必由之路。