陶瓷濾芯氣體反吹動力學(xué)分析①

李海霞 白 雪 李 賓

(1. 河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院；2. 洛陽環(huán)洛再生能源有限公司；3. 新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團)有限公司)

陶瓷濾芯氣體反吹動力學(xué)分析①

李海霞1白 雪2李 賓3

(1. 河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院；2. 洛陽環(huán)洛再生能源有限公司；3. 新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團)有限公司)

為了優(yōu)化脈沖反吹效果，對陶瓷過濾器過濾反吹系統(tǒng)的反吹過程進行實驗研究和數(shù)值模擬，從濾芯軸向壓力、速度分布變化方面分析不同反吹壓力和不同噴嘴位置高度對反吹過程的影響。模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果基本吻合。結(jié)果表明：反吹壓力越大效果越好，但基于現(xiàn)實各種因素的考慮，反吹壓力不宜過大；反吹過程中濾芯的下半部所受的壓力和氣流速度均大幅度減小，對反吹效果不利；并根據(jù)引射器入口和出口的質(zhì)量流量得出在反吹過程中改變噴吹距離對反吹有一定的影響。

陶瓷過濾器 過濾反吹系統(tǒng) 除塵 反吹

最近幾年，大氣污染已經(jīng)嚴重影響了人們的生活。發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術(shù)是解決我國當前能源緊張、環(huán)境污染等問題的有效途徑。在潔凈煤發(fā)電技術(shù)中，必須先對夾帶飛灰和含硫組分的高溫粗煤氣進行過濾處理，才能進入燃氣輪機[1]。處理過的煤氣具有較高的溫度，可以充分利用其顯熱和潛熱，較大幅度地提高系統(tǒng)能量利用效率，并可簡化凈化系統(tǒng)，降低造價，還能減少下游設(shè)備中燃汽輪機葉片的磨損，延長使用壽命。因此，高溫氣體除塵顯得尤為重要[2]。陶瓷濾芯由于具有過濾精度高、耐高溫、耐高壓、耐化學(xué)腐蝕及使用壽命長等特點，能夠在其他材料無法承受的惡劣環(huán)境條件下正常工作，因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工及冶金等領(lǐng)域的氣固分離、固液分離及氣體凈化等過程中[3～5]。

陶瓷過濾除塵器的研究起始于20世紀70年代。過去幾年中，在氣體過濾領(lǐng)域，特別是在對潔凈煤發(fā)電系統(tǒng)非常重要的高溫高壓條件下，世界各地學(xué)者都進行了大量的研究工作。Dittler A等實驗測定了脈沖反吹參數(shù)對陶瓷濾芯表面粉塵層厚度均勻性的影響[6]。Kim J H等實驗研究了氣體溫度對過濾壓降的影響[7]。Ji Z L等對濾芯內(nèi)外的流場、溫度場、濾餅結(jié)構(gòu)分布做了大量研究工作[8,9]。顧正萌等通過研究陶瓷過濾元件的過濾機理，模擬了過濾器內(nèi)氣固多相流動[10]。

常用的濾芯是管狀的陶瓷濾芯，壁面為雙層結(jié)構(gòu)，外層為孔徑較大的支撐體以保證濾芯的強度，支撐體的內(nèi)表面是孔徑較小的薄陶瓷濾膜，可以除去粒徑5μm以上的顆粒。過濾時，氣體中的粉塵顆粒在濾芯外表面沉積形成濾餅，過濾壓降逐漸增加，需要定期通過高壓氣體進行脈沖反吹，除去濾芯外表面的濾餅。反吹過程中，反吹氣體從濾芯上端口通入到濾芯內(nèi)部，形成較大逆向壓差，將濾芯外壁面的粉塵層吹落掉，實現(xiàn)陶瓷濾芯的性能再生。脈沖反吹效果是影響高溫陶瓷過濾器長周期穩(wěn)定運行的重要因素之一。過濾系統(tǒng)反吹時，高壓氣體從噴嘴中高速噴射進入引射器，這部分氣體稱作主流噴吹氣體(一級氣流)[9]。反吹氣體從噴嘴噴出后由于壓力降低，在噴嘴出口附近形成一個負壓區(qū)，產(chǎn)生了卷吸周圍氣體的動量，被卷吸的這部分氣體稱作二級氣流。對于剛性陶瓷濾芯，反吹除去濾餅主要是依靠反吹氣體從濾芯內(nèi)到濾芯外的動量增加來克服濾餅和濾芯外表面的粘附力，這部分氣體由一級氣流和二級氣流組成。所以可以通過分析一級氣流和二級氣流來判斷反吹的效果。

筆者通過FSP-A-Ⅱ型氣體除塵過濾反吹系統(tǒng)，利用差壓變送器測量反吹過程中濾管內(nèi)外壓力降來分析反吹壓力和噴吹距離對反吹效果的影響。利用Fluent軟件模擬了含有3根濾芯的反吹過程，對實驗結(jié)果進行了驗證。

1 實驗

1.1實驗裝置和實驗材料

FSP-A-Ⅱ型氣體除塵過濾反吹循環(huán)系統(tǒng)的實驗裝置如圖1所示。含塵氣體從箱體下部進入過濾器內(nèi)，沿徑向通過陶瓷過濾芯實現(xiàn)過濾，凈化的氣體在濾芯內(nèi)向上進入集氣室由排氣管排出。隨著過濾的進行，含塵氣體中的粉塵顆粒在濾芯外表面沉積形成濾餅，過濾壓降不斷增加，此時，需要通過高壓氣體進行脈沖反吹，吹掉附著在濾芯壁表面的粉塵。由噴油雙螺桿壓縮機提供高壓氣體進入儲氣罐，開啟電磁閥后高壓氣體由噴嘴噴出并卷吸周圍氣體進入引射器然后吹入濾芯。從而將附著在濾芯上的粉塵吹掉，實現(xiàn)濾芯循環(huán)利用。一個引射器對應(yīng)3根濾管，呈中心對稱排列，濾芯長1 500mm、外徑60mm、內(nèi)徑40mm。

圖1 陶瓷過濾實驗裝置

1.2實驗方法

由于在過濾反吹的整個循環(huán)過程中采用的是壓差控制反吹，當濾芯內(nèi)外壓差達到設(shè)定的壓降值時就開始反吹，而且會連續(xù)反吹直到濾芯壓降降低，由于脈沖反吹瞬間噴吹壓力和氣流速度較大，濾芯之間相互影響不便于測量濾芯內(nèi)部的流動情況，所以采用手動控制反吹，只測量一根濾芯的壓力降。當反吹氣流達到設(shè)定的壓力值時，手動控制噴射閥進行反吹。實驗采用上海上自儀1151系列差壓變送器測量濾管內(nèi)外的瞬態(tài)壓差，采集到的壓差信號送入計算機進行處理。由于反吹壓力通常是過濾壓力的兩倍，所以實驗過程中設(shè)定的噴吹壓力分別為0.4、0.5、0.6MPa，反吹間隔為10min，同時也測量了濾芯軸線方向上不同位置的壓差；并改變噴嘴到引射器入口端面的距離(-20、-22、-24、-26、-28、-30、-32、-34mm)分別進行反吹，測量濾芯中部測壓點的瞬態(tài)壓差變化。由于反吹氣流從噴嘴快速噴出，此時會產(chǎn)生較大的壓差峰值，這個逆向壓差越大，吹掉濾芯上的濾餅效果越好，因此分析中可將壓差峰值作為壓力特性的判斷標準。

1.3實驗結(jié)果及分析

1.3.1反吹壓力對反吹性能的影響

分別通入0.4、0.5、0.6MPa的反吹氣體，測壓點為濾芯中部位置時，所測數(shù)據(jù)如圖2所示，在圖中可以看到3個反吹壓力所對應(yīng)的壓差峰值依次增大，故提高反吹壓力有利于提高清灰效果。但由文獻[11]可知反吹快結(jié)束時會出現(xiàn)回流現(xiàn)象，而且壓力越高回流越嚴重，又因為濾芯在反吹時會有振動，反吹壓力越大濾管振動幅度也就越大，濾管的使用壽命相應(yīng)減少，同時考慮壓力越大反吹氣體的消耗就越大，因此在選擇反吹壓力時不宜太大。

圖2 不同反吹壓力下濾芯內(nèi)部壓差變化

1.3.2軸線位置壓力變化

圖3為實驗用陶瓷濾芯壓力測量取點處。上端出口位置標記為0mm，下端標記為1 500mm。分別測量了300、600、900、1 200、1 500mm這5個不同位置的壓差。圖4是反吹壓力為0.6MPa時濾芯內(nèi)部軸線方向不同位置的壓差分布。由圖可知隨著濾芯軸向位置的增加，濾芯內(nèi)測得的反吹壓差基本呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，這是因為噴吹氣體瞬間釋放后，氣流具有很高的速度，此刻能量的主要表現(xiàn)形式為動能，隨著噴吹氣體速度逐漸減小，動能轉(zhuǎn)換成靜壓能，所以沿軸向所測的壓差逐漸增大[12]。實驗測得的壓力是就是氣體對濾芯的靜壓，在相同條件下多次測量后，發(fā)現(xiàn)各個位置的壓力規(guī)律相似，取多次實驗壓差峰值的平均值繪出圖4。由此得出反吹氣體在噴吹方向運動時氣體的體積流量逐步減小，氣體運動的速度減小，反吹效果減弱，導(dǎo)致濾芯底端反吹效果差。

1.3.3噴吹距離對反吹的影響

其他條件不變，只改變噴嘴到引射器入口端面距離進行反吹，圖5為所得的實驗數(shù)據(jù)，由于實驗條件的限制，實驗分別用了0.4、0.5、0.6MPa這3個反吹壓力對8個不同的距離進行反吹，每個距離相差2mm，反吹間隔為5min。

由圖5可以看出，不同反吹壓力、不同噴吹距離下的壓差峰值有很大變化。同一反吹壓力不同反吹距離的變化主要是因為二級氣流，同一反吹距離不同反吹壓力的變化主要是因為一級氣流。

圖3 陶瓷濾芯壓力測量取點處

圖4 濾芯軸線方向不同位置的壓差分布

圖5 不同反吹壓力、不同噴吹距離下的壓差變化

所以改變噴吹距離對反吹有一定的影響。但具體哪個才是反吹的最佳位置，還需用數(shù)值仿真模擬軟件作進一步的分析。

2 反吹過程的數(shù)值模擬

2.1模型的建立

過濾器的噴嘴、引射器和濾芯的結(jié)構(gòu)如圖6所示，按照FSP-A-Ⅱ型氣體除塵過濾反吹系統(tǒng)建立的三維全尺寸模型。計算區(qū)域由噴嘴、引射器、濾芯空腔、濾芯的過濾膜層構(gòu)成，考慮到計算過程的可實現(xiàn)性，需要將模型進行簡化：將濾芯的支撐層和多孔層同時作為多孔介質(zhì)進行處理，由于濾芯表面的過濾膜層只有幾微米，在劃分網(wǎng)格時與濾芯的整體尺寸差別很大，為便于處理將支撐層與多孔膜層均按多孔介質(zhì)處理[13]。

圖6 過濾結(jié)構(gòu)示意圖

2.2邊界條件的設(shè)立

Fluent的邊界條件是求解能量微分方程、動量微分方程、連續(xù)性微分方程的定解條件，邊界條件的設(shè)定通常與實驗相對應(yīng)。文中的計算過程涉及到的邊界類型有：

a. 入口邊界條件，采用的是壓力入口邊界條件，根據(jù)實驗將壓力入口設(shè)定為0.4、0.5、0.6MPa；

b. 出口邊界條件，根據(jù)實驗條件采用壓力出口邊界條件；

c. 多孔介質(zhì)邊界條件設(shè)定Fluent對多孔介質(zhì)做了大量簡化，主要設(shè)置孔隙率、粘性系數(shù)和阻力系數(shù)。

由于濾管介質(zhì)采用多孔介質(zhì)模型，濾管壁作為滲流壁[14]，由對比達西定律可知：

vK·J

(1)

(2)

(3)

式中g(shù)——重力加速度，m/s2；

J——水力坡度，即流經(jīng)路徑長度為L的水頭損失，m/m；

K——比例系數(shù)，也稱滲流系數(shù)，m/s；

Δp——壓降，kPa；

v——流體速度，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3。

文獻[15]中提到，Scheidegger在1960年的研究中發(fā)現(xiàn)隨著流動速度的增加，壓降與流體速度會呈現(xiàn)二次方關(guān)系，此時流體的慣性流動也越來越顯著。在模擬進行設(shè)定時，孔隙率由材料提供商直接提供，粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)通過實驗測得的幾組壓降與速度得出。

2.3數(shù)值計算結(jié)果及其分析

邊界條件設(shè)定后，使用標準k-ε進行求解，這是因為，流場中雖然有漩渦生成，但是所占的比重很小，同時根據(jù)實驗情況，過濾器內(nèi)部并沒有的較大梯度的流場變化，標準的k-ε可以提供較為準確的模擬結(jié)果[16]。

2.3.1反吹過程速度流場

圖7是陶瓷過濾器y=0mm截面的速度分布云圖，從圖可以明顯看出引射器中間軸線位置處速度最大，在達到濾芯入口處由于截面的減小流速有小幅的增長而后呈下降趨勢，并且在濾芯底層氣體的流速變得很小，對濾餅的清除作用已經(jīng)變得很微弱。同時中間軸線位置處的濾芯有大量的反吹氣體通過，反吹效果較好[17]。

圖7 縱截面速度分布云圖

圖8是模型中z=0mm、z=300mm、z=600mm、z=900mm、z=1200mm的5個截面的速度分布云圖，可以看出各截面速度分布的區(qū)別。

圖8 軸線處不同位置的速度分布云圖

如圖9所示是反吹壓力分別在0.4、0.5、0.6MPa時濾芯軸線方向的壓力和速度變化。從兩圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著濾芯軸線方向位置的增大，濾芯內(nèi)的壓力和速度斜率逐漸增大，尤其在900mm以后，下降的斜率迅速增大，說明在濾芯底層，速度對濾餅的作用力變得很微弱，所以濾芯底部的粉塵層清灰效果并不理想。該結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。

2.3.2噴嘴到引射器入口端面距離對反吹的影響

模擬中分別建立噴嘴到引射器入口端面20 個不同距離(h=4、2、0、-2、-4、-6、-8、-10、-12、-14、-16、-18、-20、-22、-24、-26、-28、-30、-32、-34mm)的模型，如圖10分別為距離0、-10、-20、-34mm的示意圖，分別進行計算，計算時設(shè)定入口壓力為0.6MPa。

圖9 不同反吹壓力下軸向上不同位置的壓力和速度變化

圖10 噴嘴到引射器入口端面不同距離的模型

取(-20、-22、-24、-26、-28、-30、-32、-34mm)8個模型(跟實驗距離一樣)計算濾芯中部靜壓，結(jié)果如圖11所示。該壓力變化跟實驗中反吹壓力是0.6MPa的壓力變化基本一致。

由于反吹氣體的二級氣流對反吹有一定的影響，可以通過計算得出的引射器入口端面的進氣質(zhì)量流量來判斷二級氣流的進氣量，圖12a是引 射器入口端面20個不同距離的質(zhì)量流量的變化趨勢，圖12b是引射器出口端面20個不同距離的質(zhì)量流量的變化趨勢，由于引射器入口端的進氣主要為二級氣流，兩圖的變化趨勢基本一致，所以得出改變噴吹距離主要對反吹氣流中的二級氣流有影響。圖中明顯可以看出從噴嘴到引射器入口從-24～-5～mm這段的卷吸氣體質(zhì)量流量基本呈逐漸增大的趨勢，-30～-24mm又呈平緩的變化，之后又開始下降。所以-30～-24mm這段為最佳距離，對反吹最有利。

圖11 不同噴吹距離下濾芯中部壓力

圖12 不同噴吹距離下引射器端面質(zhì)量流量

3 結(jié)論

3.1反吹清灰過程中，反吹壓力越大反吹效果越好，但要考慮到氣體回流、濾芯的振動和反吹氣體的損耗等因素，所以反吹壓力并不宜選過大。

3.2反吹過程中隨著噴吹氣體的流動濾芯底層氣體的流速變得很小，對濾餅的清除作用已經(jīng)變得很微弱，所以濾芯底部的粉塵層清灰效果并不理想。

3.3其他條件不變，只改變噴嘴到引射器入口端面的噴吹距離進行反吹時，濾芯中部測壓點的壓力和引射器入口端面處的質(zhì)量流量變化存在較大差異，并根據(jù)引射器入口端面和出口端面的質(zhì)量流量變化可得出：改變噴吹距離主要影響反吹氣流中的二級氣流，-30～-24mm這段距離引射器入口端面進氣的質(zhì)量流量較大，對反吹較為有利。

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DynamicsAnalysisofCeramicFilterBlowbackSystem

LI Hai-xia1, BAI Xue2, LI Bin3

(1.SchoolofMechanicalandPowerEngineering,HenanPolytechnicUniversity； 2.LuoyangHuanluoRenewableEnergyCo.,Ltd.; 3.XinxiangAviationIndustry(Group)Co.,Ltd.)

For purpose of optimizing the effect of pulse jet cleaning, both experimental study and numerical simulation of blowback process of the ceramic filter’s blowback system was implemented. Through starting with the filter element’s axial pressure and the velocity distribution, the influences of different pulse jet cleaning pressures and nozzle heights on the blowback process were investigated. The results show that, the simulation result coincides with the experimental data; and higher blowback pressure can bring about a better cleaning effect and considering the practical factors, the blowback pressure shouldn’t be kept too high; during the blowback operation, the significantly decreased gas pressure and speed in the lower part of the filter can bring about adverse blowback effect and having mass flow rate at the ejector entrance and outlet based to change distance from nozzle to the end of the ejector entrance has certain influence on the blowback operation.

ceramic filter, filter blowback system, dedusting, blowback

國家自然科學(xué)基金項目(U1504217)；教育廳自然基金項目(2010B470005)；河南省科技廳科技攻關(guān)項目(102102210209)。

李海霞(1975-)，副教授，從事流體機械及工程、多相流理論與分離設(shè)備、熱能工程等方面的研究。

聯(lián)系人白雪(1991-)，助理工程師，從事流場計算與測試技術(shù)的研究，amsnow@foxmail.com。

TQ051.8+5

A

0254-6094(2017)05-0512-07

2016-12-21，

2017-09-18)