袋式除塵器清灰過程的優(yōu)化設計

【資料簡介】

　   隨著國家環(huán)保標準的提高和袋式除塵器應用技術的飛速發(fā)展, 袋式除塵器被廣泛應用于各種煙氣凈化工藝中。濾袋是袋式除塵器核心, 濾料再生是其穩(wěn)定運行的關鍵, 清灰技術直接影響袋式除塵器的使用壽命及性能, 較小的清灰強度不能較好地實現(xiàn)清灰,
過大清灰強度（ 高壓） 又容易加速濾袋磨損, 影響濾袋的使用壽命。目前袋式除塵器在應用方面還不夠理想, 仍然存在較多問題, 如濾料技術不過關, 除塵器的氣流組織不均, 濾袋清灰設計不合理等, 但關鍵還是清灰不善導致濾袋的再生能力差, 煙塵覆蓋或滲透進入濾袋纖維層中難于清除, 造成濾袋的過濾性能急劇下降, 如濾袋短期內就發(fā)生糊袋、系統(tǒng)運行阻力過大等。因此袋式除塵器清灰技術的研究對系統(tǒng)優(yōu)化設計及保證濾料使用壽命具有重要作用, 目前對彈性濾料清灰技術的研究主要集中在清灰機理和分析清灰影響因素上, 對于清灰過程的描述較少, 但有不少關于剛性介質（ 如陶瓷過濾管） 清灰過程的描述, 本文主要從這些方面進行歸納總結。

1 袋式除塵器的清灰機理研究
　　現(xiàn)階段袋式除塵器多采用脈沖清灰技術, 一般認為高壓脈沖清灰強度較大, 低壓脈沖對濾袋的損傷較小; 目前雖有不少低壓改進技術, 但高壓脈沖仍應用較廣。國內外大量學者一致認為袋式除塵器的清灰主要依賴于反吹（ 脈沖） 氣流作用, 其分歧主要在清灰氣流將粉塵吹落和慣性力作用（ 柔性濾袋振落） 上, 對于清灰機理, 前者認為是氣流吹落作用, 后者則認為慣性力作用。
　　反吹氣流量與清灰效率的關系，可以看出粘附在除塵濾袋表面的粉塵所需反吹氣流量依賴于粉塵層的沉積密度。對于彈性濾料, 在粉塵面積密度為400g/m2以上時, 反吹氣量達500m3/（h·m2）清灰效果較好。濾袋兩側壓差與清灰效率的關系如圖4, 可以看出: 當粉塵面積密度超過400g/m2 時, 利用氣流反吹作用, 袋內較低的靜壓就可收到較好的清灰效果, 常用的袋式除塵器在預設的清灰壓力條件下的粉塵面積密度一般會大于此值, 因此在實際應用中, 袋式除塵器清灰氣流可采用低壓脈沖, 但必須滿足濾袋內外存在壓力差, 即在同等條件下保證濾袋內反吹氣流量大于濾袋容積, 本條件是發(fā)生清灰的必要條件。
　　相關研究表明: 清灰時, 濾袋面反吹氣流速度約為700m/h, 濾袋下部將達到2000m/h, 氣流聚集作用使濾袋下部的氣流量更大, 因此氣流反吹清灰尤其是除塵布袋底部是*可能的。但是Loeffler 經(jīng)過多年的研究表明若依靠氣流作用把粉塵從濾袋上剝離下來, 沿濾袋徑向的氣流速度至少需10~20m/s, 而Michael JEllenbeeker和David Leith在實驗中測得徑向氣流速度平均只有30~50mm/s, 可見脈沖氣流在濾袋面的流速很小, 僅靠脈沖氣流將粉塵層吹落難于實現(xiàn)。
　　加速度與清灰效率的關系可以得出, 清灰效率與粘附的粉塵密度有關。較厚的粉塵層, 較小的加速度就可以獲得很好的清灰效果, 因為慣性力與速度和質量有關: 速度、質量越大, 慣性越大。 對于彈性濾料, 加速度為30g 以上即可獲得較好的清灰效果, 但當清灰效率達到一定數(shù)值后, 再提高加速度, 清灰效率基本保持不變。清灰效率隨著清灰前粘附粉塵密度的增加而提高: 氣流量較小時, 大部分反吹氣流從薄粉塵層之間的裂縫或空隙穿過, 粉塵層所受的作用力小, 要想獲得較高的清灰效率就需要較大的氣流量; 而厚粉塵層所受的作用力大, 清灰效率就高。實際應用中, 較厚粉塵層在清灰時,常常是片狀剝落, 且氣流在濾袋內有一緩沖過程, 對于透氣性較差的濾袋, 氣流在濾袋內聚集到一定量時才發(fā)生清灰, 阻力系數(shù)較小的濾料在脈沖氣流到達時立刻清灰。
　　劉華、茅清希等研究得出清灰問題的解析求解方法及其力學機理。用柔性薄膜模擬濾袋, 建立了薄膜在脈沖荷載作用下的振動方程, 用Laplace變換求解得出薄膜振動變形的加速度隨時間的變化規(guī)律及脈沖荷載作用下柔性薄膜的振動特性, 給出了濾袋參數(shù)
與脈沖噴吹時間對zui大反向加速度影響的數(shù)據(jù), 為實際應用提供依據(jù)。同時可得出: 根據(jù)塵粒從薄膜表面分離下來所需的力與薄膜振動的反向加速度的關系得到塵粒從濾袋表面剝離所需的力。
　　柔性濾袋脈沖噴吹清灰過程一般被描述為: 在脈沖噴吹時, 清灰氣流使濾袋內壓力急速上升, 濾袋迅速向外膨脹, 當袋壁膨脹限位置時, 很大的張力使其受到強烈的沖擊振動, 并獲得zui大反向加速度從而開始向內收縮, 而附著在濾袋表面的粉塵層不受張力作用, 因慣性從濾袋上脫落。但也有研究表明, 在遠離噴射氣流入口的濾袋底部, 濾袋彈性形變很小,濾袋所獲得的加速度遠小于濾袋中部, 因此只通過慣性作用實現(xiàn)除塵是不可能, 這部分區(qū)域必然有另一種機理在起作用[3], 分析可知剛性介質（ 如陶瓷管） 清灰過程中振動極小, 氣流反吹必在清灰過程中起重要作用。綜上所述可以得出濾袋的清灰過程是多種機理共同作用的結果, 但可以通過過濾介質（ 理想態(tài)設為剛性） 內外的氣流作用壓差來衡量強度。

2 袋式除塵器的清灰影響參數(shù)研究
　　國外袋式除塵器應用較早, 技術較成熟, 對清灰技術的研究也較多, 早期大多用反吹氣流的氣源參數(shù)作為清灰的定性參數(shù), 實質上, 脈沖清灰影響因素眾多, 需綜合評價。Leubner H Riebel 曾通過試驗研究認為: 傳統(tǒng)意義上的以噴吹壓力和脈沖閥噴吹時間（ 脈沖寬度） 作為袋式除塵器清灰性能的特征參數(shù)是不全面的, 反吹（ 脈沖） 氣流形式會因為濾袋的幾何形狀不同而不同, 不同結構之間難形成對比[8]。為此建立仿真過濾過程試驗臺, 通過改變不同的噴吹壓力, 噴吹時間, 得到不同的清灰效果, 得出采用反向氣流zui大壓力值和壓力增長速度作為清灰特性參數(shù)更具有說服力的結論。
　　Berbner 利用X 射線影像測定剛性濾管沿軸向不同位置的粉塵層堆積密度來分析清灰效率, 粉塵的堆積密度越大, 清灰前的過濾阻力越高, 但清灰越好,這點與F Loeffler 的實驗結果也是吻合的。Koc 采用光散射方法測定圓形濾盤上的粉塵層厚度來分析不均勻
清灰現(xiàn)象, 并得出: 清灰過程中, 粉塵層分布和過濾氣流的不均勻性導致清灰不均勻, 濾袋表面負荷不均; 清灰后, 不同位置的過濾速度不同, 過濾器的使用壽命決定于zui不利區(qū)域。Kavouras A, Krammer G 建立了粉塵齡, 粉塵厚度以及脈沖氣流在粉塵中的速度構成的粉塵分布模型并由此提出對于清灰過程的優(yōu)化設計理論。
　　Kanaoka C 提出了采用濾管內外壓差計算清灰效率的方法, 比較了過濾參數(shù)對不同微孔結構濾管的過濾性能影響。
　　Woo S K, Lee K S, Kanaoka C等通過實驗研究孔隙率對清灰的影響, 采用高頻數(shù)碼圖像分析測定不同結構或材質濾料的清灰過程。結果表明: 開始階段,壓力隨過濾過程急劇降低, 逐漸趨于平穩(wěn), 壓力曲線的曲率依賴于濾料的結構和材質等。反吹脈沖反吹后,孔隙率較大的濾材立刻發(fā)生清灰; 而對于空隙率較小的濾材, 反吹氣流將在過濾管內積聚到一定壓力才發(fā)生清灰。
　　姬忠禮等建立了陶瓷脈沖管脈沖清灰試驗臺,針對脈沖噴嘴大小、脈沖噴嘴距離、儲氣罐管線距離和脈沖氣體儲氣罐容積等因素進行研究。研究表明: 若噴吹氣體質量流量上升速率快、峰值高, 則濾管內壓力波形上升速率和峰值也會隨之增加, 噴嘴直徑越大, 脈沖氣流的質量流量峰值及質量上升速度也越高, 但會使脈沖氣流的消耗量增加, 而脈沖噴嘴直徑過小會造成脈沖氣量減小, 尤其是長布袋, 嚴重影響清灰效率; 壓力罐容積越大, 氣體的質量流量越大, 但當容器到達一定大小后,增大容器的容積, 脈沖氣流的增加量不再明顯; 氣流管線的長度對質量流量影響不大, 但大大降低了脈沖噴吹初射氣流的質量流量峰值, 并拓寬了脈沖寬度, 即質量流量的zui大值與質量流量的上升速度都將降低, 因此管線越長, 越不利清灰。在工程應用中, 為了實現(xiàn)清灰的均勻性, 應盡量縮短脈沖清灰的管線, 在噴吹系統(tǒng)中宜用不均勻噴口直徑。Choi J-HE, 崔小蘭等通過實驗研究噴嘴結構對陶瓷濾管脈沖反吹過程的影響,得出: 噴嘴結構對濾管內壓力波形影響較大, 對同一喉徑的直管、漸縮式和縮放式噴嘴, 縮放式噴嘴的噴吹效果。
　　脈沖閥是脈沖清灰zui重要的元件, 脈沖閥特性直接影響脈沖氣流曲線, 因此對脈沖閥的研究顯得尤為重要。對于脈沖閥噴吹過程氣量和時間描述, 不少學者和生產廠家做了大量的模擬實驗。
3、過濾介質的清灰過程描述
　　Choikao Kaomnaka通過高頻攝像拍攝的動態(tài)清灰過程顯示了濾餅從陶瓷過濾管上脫落的瞬時照片, 可以看出粉塵層在脈沖氣流的作用下, 濾管上部的強度zui大, 粉塵呈粉餅狀從上部開始脫落。Hata M、姬忠禮分別用高頻攝像對剛性陶瓷管清灰全過程進行拍攝, 得出: 剛性介質的清灰過程在脈沖閥噴吹后立刻進行, 且清灰過程中, 粉餅的脫落時間與系統(tǒng)的孔隙率有很大的關系。通過計算表明（ 如濾袋為6m長） 脈沖氣流從噴嘴處射流至袋底只要0.02~0.05 s, 遠小于常用脈沖寬度, 但是濾袋為柔性介質, 需考慮濾袋的形變和膨脹作用, 因此袋式除塵器的清灰過程要有一緩沖段, 濾袋清灰的狀態(tài)和濾袋的彈性和阻力特性有很大關系。
　　郭建光等通過實驗和計算描述陶瓷過濾管的清灰過程, 通過測量濾袋的反向壓力峰值和壓力變化曲線表明: 脈沖清灰過程中, 在清灰過程即將結束和過濾開始時, 濾管內存在一負壓段, 容易造成粉塵的“二次卷吸”, 影響清灰效率。田煒利用1: 1 的單條濾袋脈沖清灰模型實驗, 測試結果也驗證了“負壓區(qū)”的存在。W Humphries 和J J Madden針對壓力峰值的上升時間和反向加速度之間關系, 通過實驗得出: 粉塵層和濾袋一起向外運動, 濾袋的張力使粉塵層和濾料在接觸面上發(fā)生分離, 其單位面積上的分離力用下式表示, 該分離力即上文所述的慣性力:
　　式（2） 適用于濾袋所受壓力達到zui大值即濾袋向外膨脹限位置時。式中: Fd 為粉塵層從濾料上分離下來時單位面積上的分離力; mc 為單位面積濾料表面粉塵層的質量; m 為單位面積濾料與粉塵層的質量之和; Pp 為峰壓值; tR 為峰壓值到達時間; K 為濾袋的彈性系數(shù); D 為濾料和粉塵層自由運動的位移。該式也表明在脈沖清灰的過程中, 濾袋內存在瞬時負壓段,容易形成粉塵的“二次卷吸”影響清灰效率。

4、反吹清灰過程的數(shù)值模擬研究
　　袋式除塵器清灰過程實現(xiàn)濾料再生, 脈沖清灰系統(tǒng)的性能是袋式除塵器能否長期穩(wěn)定運行的關鍵, 脈沖清灰的過程復雜, 難于實驗, 不少學者采用數(shù)值模擬方法對該過程進行描述。Pitt和T.G.Chuah將脈沖噴管、引射器和剛性陶瓷濾管內的流動假設為一維流
動, 分析噴射管的喉部尺寸和噴吹管直徑對管內壓力場的影響, 并給出了氣體引射比和管內軸向速度的變化規(guī)律。R.Cross等采用二維軸對稱、準穩(wěn)態(tài)的模型利用流體力學模擬濾管內的速度場和溫度場。但是, 這些模型均假設該流場過程為穩(wěn)態(tài)流動, 與實際（ 實際是二維、非穩(wěn)態(tài)、可壓縮的湍流） 存在差距。姬忠禮等通過大量實驗討論清灰過程的諸多影響因素, 建立剛性陶瓷過濾管清灰平衡方程, 對清灰過程的氣流組織及其過程進行數(shù)值計算, 對系統(tǒng)優(yōu)化設計提出若干建議。對于彈性介質（ 如濾袋） , 反吹氣流作用過程中, 濾袋發(fā)生形變和扭曲變形, 在分析反吹氣流的作用時更難表達; 實質上, 穿過濾袋的脈沖氣流速度很小,模擬中可認為濾袋內外壓力差是清灰的主要衡量參數(shù), 通過系統(tǒng)方程和過程簡化, 可將脈沖清灰過程近似看作二維、非穩(wěn)態(tài)、可壓縮的湍流過程。

5、總結
　　通過歸納分析袋式除塵器清灰機理、影響因素、清灰過程及其數(shù)值模擬的研究進展, 得出以下結論:
　　1） 袋式除塵器為柔性介質, 粉塵層在慣性力和反吹氣流等作用下實現(xiàn)清灰。在濾袋的膨脹過程中, 脈沖氣流動能轉化為濾袋（ 含粉塵層） 的慣性能和消耗能, 對于彈性較大的濾袋, 慣性能在清灰過程中起主導作用, 一般較低的脈沖壓力和較小的脈沖氣流即可實現(xiàn)清灰; 對于彈性較弱的濾袋, 脈沖氣流起主導作用,較高的脈沖壓力和較大的脈沖氣流才可實現(xiàn)清灰。
　　2） 反吹清灰系統(tǒng)中, 反向氣流壓力峰值和反向氣流壓力上升速度是衡量清灰效率的特性參數(shù); 在一定條件下（ 如過濾介質阻力系數(shù)較大） , 利用氣流質量流量峰值和質量流量的上升速率來衡量清灰效率具有相同的意義。
　　3） 脈沖閥特性、噴管結構及其幾何布置、管線長度對脈沖氣流曲線影響較大, 脈沖閥的響應時間影響脈沖氣流的上升速度, 噴嘴直徑、噴嘴高度均存在一個*值, 可通過實驗和計算求得, 脈沖氣流管線的長度會降低脈沖氣流的上升速度和擴大脈沖氣流寬度。