濾筒除塵器噴吹孔孔徑的優化

摘要： 【目的】為控制各個噴吹管氣流量的均勻性，對噴吹管上的噴吹孔徑進行優化，提高濾筒除塵器清灰效果。【方法】自制高壓脈沖噴吹氣流量測量裝置對現有噴吹管氣流量進行測定，采用光纖傳感分析儀測試除塵器濾筒各部分的側壁壓力峰值，分析各濾筒清灰效果不均勻的原因；以濾筒各部位側壁壓力峰值作為清灰均勻性效果評估指標，優化噴吹孔徑。【結果】優化前4個噴吹孔徑均為19 mm，噴吹孔的氣流量依次為13.69、 14.78、 16.03、 16.93 L，對應4個濾筒上、 中、 下部側壁壓力峰值的最小值分別為最大值的37%、 26%、 20%，氣流量均勻度標準差為1.41；優化后4個噴吹孔徑分別為23、 20、 18、 17 mm，噴吹氣流量依次為14.05、 15.08、 15.87、 16.13 L，對應4個濾筒上、 中、 下部測壁壓力峰值的最小值為最大值的56%、 56%、 53%，氣流量均勻度標準差降為0.93。【結論】優化后的噴吹管氣流量均勻化程度提高，可實現濾筒除塵器的均勻清灰。

關鍵詞： 濾筒除塵器; 噴吹孔; 孔徑； 氣流量; 側壁壓力峰值

中圖分類號： X964; TB4文獻標志碼：A

引用格式：

黃瑤， 趙云菲， 覃鏡元， 等. 濾筒除塵器噴吹孔孔徑的優化［J］. 中國粉體技術， 2024， 30（2）： 60-66.

HUANG Y， ZHAO Y F， QIN J Y， et al. Optimization of blowing hole aperture of cartridge dust collector［J］. China Powder Science and Technology， 2024， 30（2）： 60-66.

工業粉塵是環境污染的主要來源之一［1-2］。粉塵濃度的增大會嚴重威脅工作人員的身體健康，因此必須對粉塵的產生和排放進行嚴格管控。利用大型除塵器收集粉塵是工業生產中應用最廣的除塵方式之一［3］。除塵器的種類有很多，主要包括袋式除塵器、 濾筒除塵器、脫硫除塵器、 旋風除塵器、 移動除塵器、 濕式除塵器、 靜電除塵器等［4］，其中濾筒除塵器以其工作效率高、 占地面積小等優點被廣泛地應用和研究［5］。

在濾筒除塵器中，脈沖噴吹高速氣流在極短的時間內經過噴吹管到達濾筒，使粉塵受到振蕩而掉落，從而實現清灰的目的［6-7］。常見的大型立式除塵器是由一根噴吹管同時對幾個濾筒進行清灰，但氣流在噴吹管中運動時能量損耗較大，高壓氣流從氣包中噴出后速度逐漸減小，壓力逐漸增大，導致遠離脈沖閥的濾筒清灰壓力增大，靠近脈沖閥的濾筒清灰壓力減小，清灰效果不均勻，而且影響除塵器使用壽命，因此，要對噴吹管進行優化。

在噴吹管優化設計中，國內外研究學者主要關注噴吹孔孔徑、 噴吹距離、 噴吹孔形式和噴吹管內部流場對多孔噴吹不均勻性的影響。 趙美麗等［8］設計了多個變量的正交實驗， 認為噴吹孔孔徑對清灰效果與清灰均勻性的影響最大。 Lu等［9］通過實驗測得噴吹孔孔徑對袋式除塵器的過濾性能和過濾效率有很大影響。 李建等［10］對濾筒除塵器的各項清灰參數進行正交試驗， 發現噴吹孔孔徑越小， 清灰效率和清灰均勻性越高。 張殿印等［11］提出噴吹孔平均直徑的計算公式， 指出為保證多孔噴吹氣流的平均分配， 各噴吹孔孔徑不應相同， 而是應盡可能地保證遠離脈沖閥的噴吹孔孔徑小于靠近脈沖閥的。 此外，噴吹孔孔徑還受多種因素的影響， Qian等［12］為改善清灰不佳的問題， 建立了噴吹孔孔徑與噴吹距離之間的數學關系式； 畢遠霞等［13］研究了噴吹孔孔徑與噴吹管直徑之間的關系， 得出孔管面積比與清灰強度成正比的結論； Qian等［14］對不同規格的除塵濾筒提出了噴吹孔面積比理論， 即噴吹孔與濾筒截面積的比值與最佳的噴吹距離一一對應； Li等［15］設計了一套噴吹管脈沖射流清洗實驗系統， 建立了噴吹孔最佳噴射距離的計算公式， 在最佳噴射距離的前提下計算出噴吹孔徑與濾筒內徑的最佳比值為0.6～0.8。以上研究表明，多孔脈沖噴吹氣流確實存在分配不均勻問題，已有研究主要集中在噴嘴型式、噴吹距離和噴吹壓力等參數的優化研究上，但對噴吹管中的多孔噴吹孔徑設計尚無深入研究，其主要原因在于難以測量瞬時脈沖噴吹氣流量。本文中對濾筒各部位側壁壓力峰值進行測定，并采用自制的脈沖噴吹氣流量測定裝置測量現有濾筒除塵器的多孔脈沖噴吹氣流量，確定優化前清灰效果的不均勻程度；研究噴吹孔徑對噴吹氣流量的影響，優化設計濾筒除塵器噴吹管的噴吹孔徑，以濾筒各部位側壁壓力峰值作為指標進行評估，驗證優化后噴吹孔氣流量的均勻性，以及是否達到均勻清灰的目的，為濾筒除塵器的設計提供參考依據。

1 "材料與方法

1.1濾筒除塵器噴吹孔氣流量分配實驗

濾筒除塵器噴吹孔孔徑的優化實驗流程圖如圖1所示。 由空氣壓縮機和冷凍干燥機提供的潔凈干燥的氣體進入氣包， 調節氣壓為0.2～0.6 MPa； 脈沖控制儀控制脈沖閥打開和關閉的時間長短， 氣體放出的時間設為80 ms； 電磁脈沖閥控制氣體在一瞬間從氣包噴入噴吹管； 噴吹管上有4個噴吹孔， 優化前噴吹孔直徑均為19 mm， 分別命名為K1、 K2、 K3、 K4。 壓縮空氣通過噴吹孔噴入下方的4個濾筒中。 4個噴吹孔分別連接脈沖噴吹氣流量測定裝置； 本文中， 除塵濾筒的最佳噴吹壓力為0.4 MPa， 最佳噴吹距離為260 mm［16］。 在每個濾筒表面安裝3個高精度壓力傳感器， 分別位于距離濾筒100、 500、 900 mm處， 對應濾筒的上、 中、 下部， 分別記為T1、 T2、 …、 T12； 高速高壓氣流對濾筒側壁施加了一定強度的壓力， 傳感器將壓力經光纖傳感分析儀傳遞給計算機， 每個測點每個時刻所受的壓力最終以壓力曲線圖的形式在OSA軟件上顯示和記錄。

1.2脈沖噴吹氣流量測量裝置

脈沖噴吹氣流量是衡量清灰均勻性的重要標準，但高速脈沖噴吹氣流量難以測量，故自制一種脈沖噴吹氣流測量裝置如圖2所示。由圖可見，該裝置由密閉容器、 復合管球閥、 壓力計與儀表、 單向閥和橡膠軟管組成，使用時將橡膠軟管直接與噴吹孔連接。 該裝置的工作原理是利用通過理想氣體狀態方程，根據氣包壓力變化分別計算各噴吹孔的脈沖噴吹氣流量［17］。

2 結果與分析

2.1優化前濾筒清灰效果測定

目前， 在工程中仍然認為多孔脈沖清灰氣流是均勻的， 各個噴吹孔的直徑相同， 而實際上不同濾筒的清灰效果是不均勻的。 側壁壓力峰值是評價濾筒除塵器清灰效率的重要指標， 濾筒內側壁所受的脈沖靜壓越大， 對粉塵的剝離程度也越大， 清灰效率越高［18］。 優化前4個濾筒各部分測點的側壁壓力隨時間的變化如圖3所示。 由圖可見， 4個濾筒的上部測點T1、 T4、 T7、 T10處的側壁壓力峰值分別為369、 713、 971、 1 000 Pa， 最大值與最小值的差值達到631 Pa； 中部測點T2、 T5、 T8、 T11處的側壁壓力峰值分別為699、 1 472、 1 601、 2 627 Pa， 最大值與最小值的差值達到了1 928 Pa； 下部測點T3、 T6、 T9、 T12處的側壁壓力峰值分別為694、 1 612、 2 357、 3 416 Pa，最大值與最小值的差值甚至達到了2 722 Pa； 各濾筒相同部位的側壁壓力峰值沿著噴吹氣流方向逐漸增大，最小值分別為最大值的37%、 26%、 20%，4個濾筒上、 中、 下各部分的清灰效果不一致，不均勻程度從上到下逐漸增大。

采用脈沖氣流量測定裝置對氣流量進行測定，4個噴吹孔K1、 K2、 K3、 K4的氣流量分別記為Q1、 Q2、 Q3、 Q4，每個噴吹孔各測定3次，最終結果取平均值，Q1、 Q2、 Q3、 Q4分別為13.69、 14.78、 16.03、 16.93 L，沿著噴吹氣流流動方向，從K1、 K2、 K3、 K4 4個噴吹孔的氣流量依次逐漸增大，實驗結果表明，優化前的清灰裝置存在清灰不均勻的現象，有必要進行優化。

2.2噴吹孔徑的優化方法

一般來說，噴吹孔徑越大，噴出的氣流量也越大，因此可通過改變噴吹孔徑來達到清灰均勻的目的。假設D為優化前的噴吹孔直徑，Dj為優化后的4個噴吹孔的直徑；Qj分別為4個噴吹孔的噴吹氣流量（j=1，2，3，4），Q—為4個噴吹孔的平均噴吹氣體流量；Kj為Qj與Q—的比值；噴吹孔的面積之比即直徑的平方之比，令優化比

Kj=Qj/Q—=D2/D2j。

優化后沿氣流運動方向的噴吹孔徑分別為23、 20、 18、 17 mm。為驗證優化效果，在相同條件下對優化后的噴吹管再次進行噴吹實驗，4個噴吹孔的噴吹氣流量分別為14.05、 15.08、 15.87、 16.13 L。

以氣流量的標準差評價4個噴吹孔氣流量的波動性，設n為噴吹孔數量，氣流量的標準差s的計算公式為

s=1n-1∑nj=1（Qj-Q—）2 。（1）

由式（1）計算優化前、 后氣流量標準差， s越小， 氣流量均勻性越好。 優化前、 后的標準差分別為1.41和0.93，說明優化后噴出的氣流量更加均勻，脈沖噴吹效果得到改善。

2.3優化后濾筒清灰均勻性驗證

優化后4個濾筒各部位測點的側壁壓力隨時間的變化如圖4所示。

由圖4可以看出， 4個濾筒的上部測點T1、 T4、 T7、 T10處的側壁壓力峰值分別為500、 850、 898、 767 Pa， 最大值與最小值的差值為398 Pa， 與優化前的最大值與最小值的差值842 Pa相比明顯減小； 中部測點T2、 T5、 T8、 T11處的側壁壓力峰值分別為1 350、 1 517、 1 708、 2 400 Pa， 最大值與最小值的差值為1 050 Pa， 與優化前的最大值與最小值的差值1 928 Pa相比也減小了很多； 下部測點T3、 T6、 T9、 T12處的側壁壓力峰值分別為1 601、 2 033、 2 323、 3 027 Pa， 最大值與最小值的差值為1 426 Pa， 與優化前的最大值與最小值的差值2 722 Pa相比大幅度減小； 對應最小值分別為最大值的56%、 56%、 53%。 相比于優化前的37%、 26%、 20%來看， 濾筒上、 中、 下部側壁壓力的均勻性提高的倍數分別為1.5、 2.2和2.7。 實驗結果表明， 優化后濾筒各部位側壁壓力峰值更加接近， 因而清灰更加均勻。

3 結論

對濾筒各部位側壁壓力峰值進行測定，并采用自制的脈沖噴吹氣流量測定裝置測量現有濾筒除塵器的多孔脈沖噴吹氣流量，確定清灰效果的不均勻程度；研究噴吹孔徑對噴吹氣流量的影響，優化設計濾筒除塵器噴吹管的噴吹孔徑，以濾筒各部位側壁壓力峰值作為指標進行評估，驗證優化后噴吹管氣流量的均勻性。結論如下：

1）優化前，4個濾筒上、 中、 下部側壁壓力峰值的最小值分別為最大值的37%、 26%、 20%，同一噴吹管上4個噴吹孔的孔徑均為19 mm，噴吹氣流量依次為13.69、 14.78、 16.03、 16.93 L，氣流量均勻度標準差達到了1.41，清灰不均勻。

2）優化后，4個噴吹孔的孔徑分別為23、 20、 18、 17 mm，噴吹氣流量依次為14.05、 15.08、 15.87、 16.13 L，氣流量均勻度標準差降為0.93；4個噴吹孔分別對應的濾筒的上、 中、 下部側壁壓力峰值的最小值為最大值的56%、 56%、 53%，側壁壓力峰值的變動范圍減小，均勻性相比優化前提高倍數依次為1.5、 2.2、 2.7，表明優化后多孔脈沖噴吹氣流量的均勻度提高，清灰均勻性大大改善。

利益沖突聲明（Conflict of Interests）

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻（Author’s Contributions）

尹茜茜和趙云菲進行了方案設計，黃瑤、 覃鏡元、 范俊哲參與了實驗和論文的寫作與修改，林龍沅作為指導老師對論文進行了修改。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The study was designed by YIN Xixi and ZHAO Yunfei. HUANG Yao， QIN Jingyuan and FAN Junzhe participated in the experiment and the writing and revision of the paper. and LIN Longyuan revised the paper as the instructor. All authors have read and agreed to submit the final manuscript.

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Optimization of blowing hole aperture of cartridge dust collector

HUANG Yao， ZHAO Yunfei， QIN Jingyuan， YIN Xixi， FAN Junzhe， LIN Longyuan

（School of Environment and Resource， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China）

Abstract

Objective Pulse-blowing cartridge dust collectors are widely used for their exceptional dust removal efficiency. However， the existing blowpipe design adopts the same blowing aperture， which makes the cartridge cleaning effect poor， negatively affecting the overall cleaning effect of the cartridge dust collector and the cartridge’s service life. In order to achieve the uniformity through the airflow of the blowpipe and achieve consistently effect of uniform dust cleaning across the cartridge dust collector， optimizing the blowing orifice diameter of the blowpipe is essential.

Methods Firstly， the peak pressure on the sidewalls of each part of the filter cartridge was measured and a self-made pulse-blowing gas flow measurement device was used to measure the porous blowing gas flow of the existing cartridge dust collector to analyze the inhomogeneity of the soot cleaning effect. Secondly， the effect of the blowing aperture on the blowing air flow rate and sidewall pressure peak value of the cartridge was investigated to optimize the blowing aperture. Finally， the optimization effect was evaluated by taking the sidewall pressure peak value of each part of the cartridge as an index.

Results and Discussion Before optimization， all four blowholes possess diameters of 19 mm， with air flow rates of 13.69， 14.78， 16.03 and 16.93 L， resulting in a standard deviation of 1.41， indicating the air flow rate uniformity. The peak sidewall pressures at the upper measurement points of the four canisters are 369， 713， 971 and 1 000 Pa， respectively. At the middle， pressrues are 699， 1 472， 1 601 and 2 627 Pa， which are 694， 1 612， 2 357 and 3 416 Pa at the lower points. The maximum difference in sidewall pressure （between the maximum and minimum values） at the upper， middle and lower parts of the cartridges is 631， 1 928 and 2 722 Pa， respectively. The minimum value of the peak sidewall pressure at the upper， middle and lower parts of the four cartridges is 37%， 26% and 20% of the maximum value. After optimization， the blowholes diameters are adjusted to 23， 20， 18 and 17 mm， with air flow rates of 14.05， 15.08， 15.87 and 16.13 L， resuiling in a reduced standard deviation of 0.93， indicating the improved air flow rates uniformity. The peak sidewall pressures at the upper measurement points of the four canisters are 500， 850， 898 and 767 Pa， respectively. At the middle points， pressures are 1 350，1 517， 1 708 and 2 400 Pa， and they are 1 601， 2 033， 2 323， 3 027 Pa at the lower measurement points.The maximum difference in sidewall pressure at the upper， middle and lower parts of the cartridges is 398， 1 050 and 1 426 Pa， respectively. The minimum value of the peak sidewall pressure at the upper， middle and lower parts of the four cartridges is 56%， 56% and 53% of the maximum value. Compared with before optimization， the homogeneity increases by 1.5， 2.2 and 2.7 times， respectively.

Conclusion The non-uniformity of the air-flow rate of different blow holes on the same blow pipe was verified by the pulse-blowing airflow measuring device. The uniformity of the airflow rate was improved after optimizing the diameter of the blow holes. The range of variation of the peak pressure on the sidewall was reduced， and the uniformity of the cartridge ash cleaning was significantly improved.

Keywords： filter cartridge dust collector; blowing hole; aperture; air flow rate; peak of sidewall pressure

（責任編輯：劉魯寧）

收稿日期： 2023-08-12，修回日期：2023-12-04，上線日期：2024-01-12。

基金項目：國家自然科學基金項目，編號：52204286； 四川省科技計劃資助項目，編號：2023YFS0362。

第一作者簡介：黃瑤（1998—），男，碩士生，研究方向為工業通風與除塵。E-mail： 872843176@qq.com。

通信作者簡介：林龍沅（1981—），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為氣流粉碎、分級與除塵凈化。E-mail： Lly7572@126.com。