高溫除塵器脈沖反吹過程中過濾管數(shù)值分析

范麗麗

(滁州職業(yè)技術學院，安徽 滁州 239000)

1　高溫除塵器簡介

高溫含塵氣體的凈化問題存在于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的各個領域，如冶金、煤化工、電力等行業(yè)。安裝除塵設備的目的，不僅僅是為了滿足環(huán)保要求，減少企業(yè)的排污費用，事實上，在更多的生產(chǎn)工藝中，除塵設備凈化后的氣體即是工業(yè)產(chǎn)品[1]。因此，如果除塵設備在工作中失效，將導致生產(chǎn)停止，企業(yè)蒙受巨大的損失。

高溫除塵器的組成主要由上下箱體、固定板、氣包、脈沖閥、噴吹管、噴嘴、過濾管等組成，如圖1所示[2]。

2　脈沖反吹式高溫除塵器工作原理

如圖1所示，過濾管安裝在固定板上，共同起到對含塵區(qū)和潔凈區(qū)的隔離作用。在高溫除塵器出口引風機的作用下，含塵高溫氣體進入下箱體，氣體由過濾管外表面向內(nèi)表面通過，塵粒被阻擋在過濾管的外表面上，凈化后的氣體進入上箱體。隨著過濾管外表面塵越積越厚，形成塵餅，除塵器的上下箱體壓差越來越大，導致引風機無法將含塵氣體通過過濾管吸入上箱體。除塵器上下箱體安裝有壓差計，當壓差達到設計值時，除塵器啟動脈沖反吹系統(tǒng)，利用氣包內(nèi)儲存的高壓壓縮氣體經(jīng)噴吹管反向噴射，瞬時反向高壓氣流會清除掉吸附在過濾管外表面上的塵餅，塵餅脫離過濾管后，即落入下箱體底部，由排灰閥自動排出。清除塵餅之后，使設備運行阻力降低，除塵器就可以開始新一輪的工作循環(huán)[3-5]。

圖1　高溫除塵器結構示意圖

3　過濾管材料研究成果

除塵器工作過程中，如果過濾管出現(xiàn)堵塞或破損，即使有一根損壞，也將無法完成過濾含塵氣體的功能，必須緊急停車檢修，否則會嚴重影響生產(chǎn)。因此，過濾管是關系到除塵設備能否高效運行的關鍵零部件之一[6]。世界各國從20世紀70年代就開始對過濾管的材料進行深入研究，早期開發(fā)的利用多孔陶瓷材料制成的過濾管，具有較好的耐熱性、耐腐蝕性，但是抗震性和耐沖擊能力較差，因此脈沖噴射時，極易引起過濾管形成縱向裂縫，影響過濾效果[7]。國內(nèi)對陶瓷材料過濾管的研制工作起步較晚，21世紀初，以李建保教授為首的“863”項目組與江蘇省某化工廠合作，研制的陶瓷材料過濾管具有過濾精度高、通氣量大、成本低廉等特點，填補了國內(nèi)空白。隨著時代發(fā)展，新的材料不斷涌現(xiàn)，成都易態(tài)科技有限公司、西安寶德粉末冶金有限公司北京安泰科技股份有限公司等采用金屬燒結方法制備的

鐵鋁合金材料過濾管，不但具備了陶瓷材料過濾管的優(yōu)點，并且抗震性好、耐沖擊性好、材料強度高，亦具有焊接性能好等優(yōu)勢[8-9]。

采用鐵鋁合金材料燒結制成的過濾管如圖2(a)所示，過濾管尺寸如圖2(b)所示，其性能參數(shù)見表1。

(a)過濾管

(b)過濾管尺寸圖2　過濾管與過濾管尺寸

氣體過濾精度/μm滲透系數(shù)抗彎強度/MPa最大耐熱溫度/℃孔隙度/%密度/(kg·m-3)膨脹系數(shù)/K滲透率/m20.3>120>75100040565011.5×10-61.6×10-12

4　鐵鋁合金制成過濾管數(shù)值分析

4.1　過濾管CFD數(shù)值分析簡介

對過濾管在受到脈沖高壓氣流后的流場變化分析，有助于更深刻地認識和了解過濾管物理性能。以Ф60×Ф54×1 500標準規(guī)格的過濾管為基礎，研究在脈沖噴吹時間0.1 s，氣體絕對壓力0.4 MPa時，高壓脈沖氣體分別從直徑8 mm、12 mm、16 mm的噴嘴噴射，噴嘴出口與過濾管距離為50 mm、80 mm、110 mm、140 mm、170 mm、200 mm的工況下，計算得到過濾管內(nèi)外表面壓力與速度的數(shù)值，同時截取過濾管中段內(nèi)表面與外表面的壓力差值與徑向速度值進行對比，將進入過濾管內(nèi)部的氣體總量與噴嘴噴射出的氣流總量做比值，得到引射比，引射比越高，說明脈沖噴吹的效果更佳。脈沖反吹過程中氣體流動完成了壓力與能量傳遞。

與傳統(tǒng)的通過實驗方法來檢驗檢測單個過濾管不同，通過CFD軟件做數(shù)值模擬分析，可以節(jié)約大量的成本與時間，并能夠很方便地調(diào)整設計參數(shù)。在CFD軟件上多次模擬之后，再通過實驗方法驗證對比，能夠以最低的成本得到最優(yōu)的結果[10]。

在CFD軟件中，過濾管的材料設置實際上就是多孔介質(zhì)模型，對多孔介質(zhì)材料模擬分析，就是研究流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流機理，分析流體在多孔介質(zhì)內(nèi)部的速度及壓力分布情況[11]。

4.2　Fluent模型計算設置

Fluent模型計算設置，選擇計算模型為Viscous-Standard K-e，流動介質(zhì)Materials設置為ideal-gas，過濾管區(qū)域Cell Zone Condition設置中打開Porous Zone和Laminar Zone選項，以激活多孔介質(zhì)模型和忽略多孔介質(zhì)區(qū)域?qū)ν牧鞯挠绊?，并設置多孔介質(zhì)的主速度方向Direction-1 vector為(1，0)，填寫?zhàn)ば宰枇ο禂?shù)和慣性阻力系數(shù)，在Viscous Resistance的Direction-1，Direction-2兩個方向分別輸入“6.25e+11”，“6.25e+11”，在Inertial Resistance的Direction-1，Direction-2兩個方向分別輸入“6.36e+5”，“6.36e+5”。填入多孔介質(zhì)流域孔隙度，在Fluid Porosity下的Porosity輸入0.4。邊界條件設置中，氣體入口選擇pressure-inlet，輸入絕對壓力值99 325 Pa，氣體出口設置為pressure-outlet，輸入絕對壓力值為98 325 Pa，上下箱體壓差為1 000 Pa，噴嘴入口壓力設置為pressure-inlet，輸入絕對壓力值為405 300 Pa。

4.3　Fluent軟件對模型數(shù)值分析的結果

以上設置完成后就可以在Fluent軟件中對模型進行數(shù)值分析，分析結果如圖3～5所示。

(a)噴嘴8 mm，距離50 mm，過濾管內(nèi)外表面壓力值

(b)過濾管內(nèi)徑向速度圖3　噴嘴8 mm，距離50 mm工況

(a)噴嘴8 mm，距離80 mm，過濾管內(nèi)外表面壓力值

(b)過濾管內(nèi)徑向速度圖4　噴嘴8 mm，距離80 mm工況

圖3～5列舉出了噴嘴直徑8 mm，噴嘴出口與過濾管距離從50～200 mm的6種工況下，過濾管內(nèi)外表面壓力值以及過濾管內(nèi)徑向速度，其余的計算結果見表2～4，分別為噴嘴直徑8 mm、12 mm、16 mm時，與過濾管不同距離下的計算結果。

(a)噴嘴8 mm，距離110 mm，過濾管內(nèi)外表面壓力值

(b)徑向速度圖5　噴嘴8 mm，距離110 mm工況

距離/mm壓差/Pa速度/(m·s-1)引射比5043560.1511.158044830.1551.2711047900.1651.4514052260.1801.6517053790.1861.7320051440.1771.69

表3　噴嘴直徑12 mm時與過濾管不同距離下的計算結果

表4　噴嘴直徑16 mm時與過濾管不同距離下的計算結果

由圖3～5可知，噴嘴出口與過濾管距離<110 mm，時，在過濾管100～200 mm的前端處，內(nèi)表面壓力小于外表面，氣流流向是由過濾管外表面向內(nèi)表面流動，這種現(xiàn)象就是卷吸現(xiàn)象，會造成過濾管前端部灰塵集結，不但會使過濾效率降低，而且時間長了，多個過濾管的端部塵餅連接在一起，慢慢造成整個過濾系統(tǒng)的堵塞，最終致使除塵器損壞停車。

當噴嘴距離在110～140 mm之間時，由表2～4可知，雖然過濾管前端部壓差較小，速度較低，但是速度卻是由內(nèi)表面流向外表面，也就是說當噴嘴出口與過濾管距離>140 mm時，過濾管端部不會發(fā)生卷吸現(xiàn)象。另外，隨著噴嘴出口與過濾管距離增大，引射比一直增大，當距離=170 mm時，引射比達到最大值。當距離=200 mm，時，引射比反而降低，也就是說當距離超過170 mm之后，隨著噴嘴出口與過濾管距離的增加，噴嘴噴射出的氣體發(fā)散度增大，有一部分無法進入過濾管內(nèi)部，上箱體內(nèi)的氣體被引入過濾管的氣體量減少，高壓氣體亦不能全部發(fā)揮反吹作用，造成氣源浪費，設計噴吹系統(tǒng)時也應該避免這種問題發(fā)生。

4.4　不同脈沖時間條件下箱體溫度分布以及過濾管中段壓力和速度數(shù)值變化

以噴嘴直徑8 mm，噴嘴出口與過濾管距離170 mm，高壓脈沖反吹氣體壓力0.4 MPa，氣體溫度226.85 ℃，含塵工況氣體溫度496.85 ℃為計算基礎條件，觀察在脈沖時間從開始至0.1 s之間，箱體溫度分布以及過濾管中段壓力和速度數(shù)值與變化。箱體內(nèi)以及過濾管壓力速度給出了隨時間的變化歷程。圖6(a)為噴吹0.01 s之后過濾管內(nèi)外表面壓力值，圖6(b)為徑向速度值，圖6(c)為過濾管內(nèi)外表面溫度值。噴吹0.01～0.1 s后過濾管內(nèi)外表面壓力值、徑向速度值以及過濾管內(nèi)外表面溫度見表5所示。

表5列出了不同脈沖噴吹時間下過濾管中段內(nèi)外壁面壓差，以及過濾管通過氣流的徑向速度，過濾管前端內(nèi)表面溫度最低值。

(a)0.01 s后過濾管內(nèi)外表面壓力值

(b)徑向速度值

(c)過濾管內(nèi)外表面溫度值圖圖6　0.01 s之后，過濾管內(nèi)外表面壓力值、 徑向速度值與過濾管內(nèi)外表面溫度值

時間/s壓差/Pa速度/(m·s-1)溫度/K0.0176510.2577660.0273220.2447630.0370250.2397610.0467230.2337590.0566110.2297570.0665440.2277550.0764930.2247530.0864030.2227500.0963130.2197480.162370.216745

由圖6和表5分析可知，脈沖反吹氣體開始噴吹至0.01 s內(nèi)，由噴嘴射出的氣體即充滿了過濾管內(nèi)部，并開始由過濾管內(nèi)表面向外表面滲透，過濾管內(nèi)表面與外表面的壓差逐漸降低，亦如表5所示。圖7(a)顯示了噴吹0.1 s時箱體的溫度云圖，上箱體溫度由于相對低溫的噴嘴氣體的注入，導致上箱體溫度有所下降。圖7(b)～(d)分別為溫度云圖、壓力云圖、速度云圖的局部放大圖，由圖7(c)和(d)，看到噴嘴出口的壓力是箱體內(nèi)氣體壓力的2倍左右，因此形成了如圖7(c)所示的馬赫盤，最高速度達到了670 m/s。結合圖表可知，壓差減小的原因是因為脈沖高壓氣體進入下箱體后，上下箱體的絕對壓力都在升高，但是過濾管內(nèi)部壓力值上升的相對于下箱體慢，因此造成壓差降低.脈沖噴吹開始后，過濾管前端內(nèi)表面溫度是492.85 ℃，噴吹0.1 s時，過濾管前端內(nèi)表面溫度471.85 ℃，低于除塵器工況溫度25度，由此可見，脈沖氣體的溫度注入上箱體，逐漸使箱體溫度下降，但是并不會造成急劇跨度大的降溫，如果含塵氣體中含有低溫下會凝結的介質(zhì)，也不會造成氣體凝結。鐵鋁合金過濾管適合含氣化焦油類氣體的過濾任務。

4.5　進一步的CFD分析

以噴嘴直徑8 mm，噴嘴與過濾管距離170 mm，脈沖反吹氣體絕對壓力0.4 MPa為研究基礎，含塵氣體499.85 ℃，脈沖噴吹氣體226.85 ℃進行更深入的CFD分析，當0.01 s脈沖噴吹時間結束后，過濾管內(nèi)外表面壓力與速度變化情況如圖8(a)和(b)所示。

(a)0.1 s時箱體的溫度云圖

(c)壓力云圖局部放大圖

(d)速度云圖局部放大圖圖7　模擬云圖

(a)0.01 s過濾管內(nèi)外表面壓力

(b)0.01 s徑向速度值圖8　0.01 s過濾管內(nèi)外表面壓力和徑向速度值

噴嘴停止噴吹之后，過濾管前端內(nèi)表面的壓力就開始驟降，0.01 s內(nèi)，過濾管的外表面壓力就已經(jīng)大于內(nèi)表面的壓力，氣體流向上箱體，在0.01～0.05 s之間，過濾管內(nèi)外表面絕對壓力逐漸穩(wěn)定，這過程中，由于上箱體與過濾管端部處的虹吸作用，以及過濾管內(nèi)部壓力高于上箱體內(nèi)凈化氣體區(qū)域壓力，導致過濾管內(nèi)表面壓力震蕩降低。0.05 s后壓力穩(wěn)定，過濾管內(nèi)表面壓力穩(wěn)定在98 454 Pa，外表面穩(wěn)定在10 096 Pa，如圖9所示。進一步CFD分析可知，噴吹停止后的0.2 s后，過濾管內(nèi)表面壓力穩(wěn)定在98 410 Pa，外表面穩(wěn)定在99 349 Pa，徑向速度穩(wěn)定在0.033 m/s，下箱體壓力與設定值的初始壓力為99 325 Pa，上箱體設定值為98 325 Pa，相差已經(jīng)不大，可以認定噴吹結束0.2 s后，除塵器恢復正常工作狀態(tài)。

(a)0.05 s過濾管內(nèi)外表面壓力

(b)0.05 s徑向速度值圖9　0.05 s過濾管內(nèi)外表面壓力和徑向速度值

5　結語

1)高溫除塵器脈沖反吹除塵過程最重要的就是根據(jù)灰塵的物理化學特性、引風機的功率、過濾管的布置等因素計算過濾管內(nèi)外表面的壓差。本文以CFD軟件為計算基礎，通過調(diào)整噴嘴出口與過濾管距離，脈沖氣體壓力，噴嘴直徑等多種方案能夠得到最佳的壓差值以滿足除塵器的除塵要求。

2)噴嘴出口與過濾管距離應該有個合適的數(shù)值。距離太近，引起卷吸現(xiàn)象，距離太遠，又會使高壓脈沖氣體無法全部用于反吹功能。

3)噴嘴直徑的增大會使過濾管內(nèi)外表面壓差增大，速度增加，但是引射比會降低，因為上箱體的體積是不變的，噴嘴噴射的氣體量增大，使得在一定上箱體體積下，從上箱體引入到過濾管的氣體量相對減少。

4)高溫除塵器工作一段時間后，阻力會升高。在過濾管完好的情況下，可以通過調(diào)整脈沖噴吹時間，脈沖噴吹間隙和脈沖壓力等使過濾管內(nèi)外表面保持較高壓差值。參數(shù)調(diào)整需要考慮多種因素，包括氣包容積的大小，氣體進入箱體后相對于高溫含塵氣體的占比率，以及是否能滿足將依附在過濾管外表面上的塵餅振動落下。

5)應用CFD軟件Fluent對單根過濾管進行脈沖反吹模擬，可以很方便地通過調(diào)整各種設計參數(shù)，得到過濾管所受到的壓力與速度參數(shù)，并以此為基礎，此種研究方法也能夠應用于整機模型化的高溫除塵器，因此，將十分有助于指導改進高溫除塵器的結構設計，合理布置過濾管位置與數(shù)量。此研究方法對一代金屬燒結制成的過濾管大規(guī)模應用將大有益處。

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