袋式除塵器脈沖噴吹過程優(yōu)化分析

郗 元 ，舒奕暉 ，李冰璇 ，代 巖 ，3

（1.大連理工大學(xué)盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124221；2.吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長春 130012；3.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

1 引言

袋式除塵器是目前使用最廣泛的除塵器類型之一，具有除塵效率高等顯著的優(yōu)點[1]。脈沖噴吹清灰由于阻力穩(wěn)定、過濾速度高等優(yōu)勢已經(jīng)成為了除塵器在工程選型時首選的清灰方式[2]?，F(xiàn)今，袋式除塵器依然存在濾袋壽命短、噴吹氣流不均勻等問題[3]，尤其是反向清灰過程，該過程直接決定過濾的穩(wěn)定性。目前對于除塵器有許多實驗針對噴吹壓力，濾袋長度對除塵器清灰效率的影響進(jìn)行的研究[4-6]。但是實驗研究常常需要耗費較多人力和物力，為減少實驗成本縮短設(shè)計周期，現(xiàn)常采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究[7]。關(guān)于濾袋長度對除塵器清灰效率的影響，目前研究主要針對長濾袋，而極少涉及短濾袋。

因此針對短濾袋進(jìn)行模擬，選取噴吹壓力，噴吹距離，濾袋材料以及濾袋長度為影響因素，以濾袋壁面峰值壓力作為評價指標(biāo)[6-8]，對濾袋壓差分布特性進(jìn)行分析。

2 計算模型與參數(shù)設(shè)定

袋式除塵器內(nèi)部有數(shù)十條濾袋同時進(jìn)行工作。濾袋內(nèi)部壓力場通常不受濾袋之間相互作用影響[8]，因此在研究濾袋內(nèi)外壓差變化情況時，簡化模型為單條濾袋模型，如圖1（a）所示。

圖1 濾袋計算模型Fig.1 Geometry Model and Grid Verification

使用前處理軟件ICEM CFD 對網(wǎng)格模型進(jìn)行繪制，由于該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)軸對稱形狀，可采取2D 模型。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖1（b）所示。對于數(shù)值模擬，網(wǎng)格的質(zhì)量及數(shù)量直接影響模擬結(jié)果的精確度和收斂性。本研究主要觀察濾袋內(nèi)外壓差變化情況，因此選取濾袋某一特定位置處的濾袋內(nèi)外壓差進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格模型及無關(guān)性驗證結(jié)果，如圖2 所示。

當(dāng)網(wǎng)格從19292 增加至36234，濾袋壁面峰值壓力隨網(wǎng)格數(shù)變化情況幾乎不變，可認(rèn)為此時網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)對結(jié)果不產(chǎn)生影響。此過程中，控制條件設(shè)置為濾袋表面滲透率2.26e-11，濾袋厚度3mm，壓力跳躍系數(shù)4.39e6，噴吹壓力4MPa，出口壓力為大氣壓。選擇測點分別為距離袋口1m，2m 處。

圖2 網(wǎng)格模型及無關(guān)性驗證Fig.2 Grid Independence Verification

濾袋內(nèi)外流場簡化情況如下：濾袋內(nèi)外空間、上箱體以及中箱體為流體計算域，流體假定為不可壓縮流體。因為脈沖寬度很小，一個脈沖周期內(nèi)的溫度變化很小，所以本研究忽略溫度對于流體的影響，按照常溫進(jìn)行模擬運算。忽略濾袋壁面的縱向位移，將濾袋簡化為薄膜。

3 模擬運算結(jié)果分析

3.1 濾袋長度的影響

控制噴嘴直徑為26mm，噴嘴長度40mm，噴吹距離200mm，箱體直徑300mm，濾袋直徑160mm 不變。濾袋長度分別選取2m，2.5m，3m，3.5m 進(jìn)行對比模擬。模擬結(jié)果，如圖3 所示。2m 濾袋峰值壓力達(dá)到2100Pa，當(dāng)濾袋長度增加至2.5m 時，峰值壓力銳減至1600Pa。繼續(xù)增加濾袋長度至3m 時，較2.5m 濾袋壓差變化不大。當(dāng)濾袋長度增加至3.5m 又發(fā)生峰值壓力的下降，但是下降幅度相較2m 與2.5m 濾袋的變化較小。

圖3 濾袋內(nèi)外壓差隨濾袋長度變化曲線Fig.3 Influence of Length to the Pressure Drop

由于短濾袋的運行阻力較長濾袋小，對于短濾袋來說濾袋長度是影響濾袋內(nèi)外峰值壓差的一個主導(dǎo)因素。隨著濾袋長度增加，濾袋長度對峰值壓差的影響逐漸削弱。雖然濾袋長度較短的濾袋能夠提供較高的濾袋內(nèi)外壓差，但是根據(jù)文獻(xiàn)[9]的實驗表面幾百帕的濾袋壓差就能提供足夠的清灰效率，而過短的除塵器往往無法提供足夠的過濾面積，從而需要增加除塵器數(shù)量，造成成本增高。因此需要根據(jù)工程實際的過濾需求選擇合適的濾袋長度。

3.2 噴吹距離對濾袋內(nèi)外壓差影響

為了探究噴吹距離對濾袋內(nèi)外壓差影響，控制噴嘴直徑為26mm，噴嘴長度40mm，噴吹壓力0.4MPa 不變，針對直徑D=160mm，長度L=3m 的針刺氈材料濾袋進(jìn)行模擬運算。控制變量噴吹距離設(shè)置為100、200 及300mm 進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 濾袋壓差隨噴吹距離變化曲線Fig.4 Influence of Distance to the Pressure Drop

噴吹距離為100mm 時能夠提供最大的峰值壓差2000Pa，高于200mm 和300mm 噴吹距離的峰值壓力1600Pa 和1500Pa。但100mm 噴吹距離造成了濾袋口附近的負(fù)壓過高，大于300mm 噴吹距離的負(fù)壓，越大的負(fù)壓雖然能夠更好促使誘導(dǎo)氣流進(jìn)入濾袋，但是根據(jù)文獻(xiàn)[9]，本模擬中涉及的三組數(shù)據(jù)的濾袋內(nèi)外壓差都能達(dá)到500Pa 以上，在粉塵密度為400g/m2的情況下清灰效率能達(dá)到70%以上，當(dāng)粉塵密度達(dá)到1000g/m2時，清灰效率能保證在90%以上，此時過高的濾袋壓差反而會減少濾袋的使用壽命[10]。

此外隨著噴吹距離的增加，濾袋口處負(fù)壓區(qū)范圍減少。30mm噴吹距離在距離袋口138mm 處進(jìn)入正壓區(qū)，200mm 噴吹距離數(shù)據(jù)在距離袋口206mm 處進(jìn)入正壓區(qū)，100mm 噴吹距離在距離袋口253mm 處進(jìn)入正壓區(qū)。這是由于隨著噴吹距離增加，上箱體的體積增加，相同的脈沖氣流從噴嘴進(jìn)入體積不同的上箱體，誘導(dǎo)上箱體進(jìn)入濾袋的氣流的速度和壓力也隨之變化，越小的上箱體能誘導(dǎo)出速度更高的氣流。不同噴吹距離對于濾袋內(nèi)外壓差峰值產(chǎn)生的位置有所影響。100mm 噴吹距離產(chǎn)生的壓差峰值點最遠(yuǎn)，距離濾袋口0.5m 處。這是因為因為其誘導(dǎo)氣流初始速度最大，初始動能最大，在相當(dāng)?shù)倪\行阻力下，靜壓增加的距離也最長。

3.3 噴吹壓力對濾袋內(nèi)外壓差的影響

為了探究噴吹壓力對濾袋內(nèi)外壓差的影響，控制噴嘴直徑為26mm，噴嘴長度40mm，噴吹距離200mm 不變，針對直徑D=160mm，長度L=3m 的針刺氈材料濾袋進(jìn)行模擬運算，模擬結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 噴吹壓力對濾袋壓差的影響Fig.5 Influence of Pulse-Jet Pressure to the Pressure Drop

噴吹壓力變化對濾袋頂部負(fù)壓區(qū)的影響。噴吹壓力變化對于負(fù)壓區(qū)的范圍無明顯變化，三條曲線幾乎在同一點經(jīng)過x 軸，因此噴吹壓力的變化不會影響濾袋實際工作區(qū)域的范圍。但是隨著噴吹壓力的上升，負(fù)壓峰值上升也十分明顯，當(dāng)噴吹壓力為0.2MPa 時，其負(fù)壓峰值為（-2500）Pa，當(dāng)噴吹壓力上升至0.3MPa時，負(fù)壓峰值已經(jīng)變?yōu)?5000Pa，當(dāng)噴吹壓力達(dá)到0.5MPa 時，負(fù)壓峰值更是達(dá)到了（-10000）Pa。負(fù)壓峰值的提高說明誘導(dǎo)氣流更易從上箱體進(jìn)入濾袋，有助于清灰，但是過大的負(fù)壓往往會減少濾袋的使用壽命，造成濾袋頂部出現(xiàn)撕裂。

隨著噴吹壓力的上升峰值壓差有明顯增加。噴吹壓力為0.5MPa 時，濾袋峰值壓差為1500Pa，當(dāng)噴吹壓力變?yōu)?.3MPa 時，峰值壓差降低至740Pa，噴吹壓力變?yōu)?.2MPa 時，噴吹壓力繼續(xù)降低至500Pa。噴吹壓力從0.2MPa 上升至0.5MPa，濾袋內(nèi)外壓差的峰值從500Pa 上升至1500Pa。濾袋峰值壓差隨噴吹壓力增加而增加的幅度巨大，可見噴吹壓力對于濾袋峰值壓差變化是起主導(dǎo)性作用的。

3.4 濾袋材料對濾袋內(nèi)外壓差的影響

常用的濾袋材料包括天然纖維、化學(xué)合成纖維、玻璃纖維、金屬纖維或其他材料[11]。為了探究濾袋材料對濾袋內(nèi)外壓差的影響，本節(jié)控制噴嘴直徑為26mm，噴嘴長度40mm，噴吹距離200mm 不變，針對直徑D=160mm，長度L=3m 的不同材料濾袋進(jìn)行模擬運算。主要選用最常見的PPS 材料、PTFE 細(xì)纖維濾布、覆膜濾布進(jìn)行分析比對。PPS 材料表面滲透率為2.26e-11，壓力跳躍系數(shù)為4.38×106；PTFE 細(xì)纖維表面滲透率為6.56e-11，壓力跳躍系數(shù)為7.1×106；覆膜材料表面滲透率為1.688e-11，壓力跳躍系數(shù)為3.8×106；三種材料厚度均設(shè)置為3mm，模擬結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 壓差隨濾袋材料變化曲線Fig.6 Influence of Material to the Pressure Drop

由濾袋頂端負(fù)壓區(qū)變化可知，三種材料的負(fù)壓區(qū)范圍基本相當(dāng)。PTFE 材料和覆膜材料的負(fù)壓峰值相當(dāng)，負(fù)壓曲線重合，因此可以判斷這兩類材料對于誘導(dǎo)氣流的阻礙作用相當(dāng)。而PPS針刺氈材料濾袋負(fù)壓峰值遠(yuǎn)高于另外兩類濾袋。觀察濾袋中下部變化曲線，三種材料出現(xiàn)壓差峰值位置相當(dāng)。PPS 材料的壓差峰值最大，為1500Pa，覆膜材料次之，PTFE 材料壓差峰值最小。

PTFE 材料在濾袋中下部壓差下降幅度最大，并且在濾袋底部壓差無明顯回升趨勢。PPS 針刺氈材料濾袋模擬中氣流下行過程中壓差有略微的下降，并且在濾袋底部有明顯的壓差回升現(xiàn)象。覆膜材料在中下段壓差曲線最為平穩(wěn)。

PTFE 材料滲透率最大，造成氣流在下行過程中通過濾袋泄露至濾袋外部的最多；PPS 針刺氈材料滲透率次之，因此在下行過程，PPS 材料壓差降低幅度排第二；覆膜材料滲透率最小，其壓差降低幅度最小?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：材料滲透率決定了誘導(dǎo)氣流在濾袋內(nèi)部下行過程中從濾袋壁面泄露情況，對于濾袋內(nèi)外壓差的減小幅度有巨大影響。

PPS 針刺氈材料的數(shù)據(jù)壓差最大，覆膜材料次之，PTFE 材料壓差最低。主要考慮針刺氈濾料的阻滯系數(shù)最大，造成誘導(dǎo)氣流在袋內(nèi)流動運行阻力大。阻力系數(shù)越大，濾袋內(nèi)外形成的壓差也越大。

3.5 脈沖周期內(nèi)濾袋壓力場變化情況

一個脈沖周期主要分為三個階段，三個階段的時間開度主要由脈沖閥的程序控制。本節(jié)主要探究在脈沖周期內(nèi)的不同階段濾袋內(nèi)外壓差的變化情況。

選取噴嘴直徑為26mm，噴嘴長度40mm，噴吹距離200mm，直徑D=160mm，長度L=3m 的PPS 針刺氈濾袋進(jìn)行模擬實驗，脈沖周期內(nèi)不同時刻壓力變化云圖，如圖7 所示。

在脈沖周期的起始階段，濾袋的上部壓力最早開始上升，出現(xiàn)壓差峰值。同時因為誘導(dǎo)氣流未充分展開，且速度快，濾袋內(nèi)部壓力低，濾袋中部局部區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域，造成灰塵再吸附現(xiàn)象。隨著脈沖氣流在上箱體充分展開，進(jìn)入濾袋內(nèi)部的誘導(dǎo)氣流趨于均勻，濾袋口處出現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)壓區(qū)促使上箱體誘導(dǎo)氣流進(jìn)入，同時濾袋內(nèi)外形成基本穩(wěn)定的壓差，氣流在濾袋內(nèi)下行過程中出現(xiàn)壓力損失，造成壓差在中部開始下降；在底部由于回流以及動壓轉(zhuǎn)化會靜壓，形成壓差的回升。當(dāng)脈沖周期進(jìn)入開度減小階段時，由于脈沖閥開度減小，造成噴嘴處壓力開始下降，誘導(dǎo)氣流量開始下降，濾袋口處負(fù)壓值開始趨于零，濾袋中上部壓差下降。濾袋內(nèi)部壓力呈現(xiàn)上部小，底部大的現(xiàn)象。

圖7 脈沖周期內(nèi)不同時刻壓力變化云圖Fig.7 Pressure Variation at Different Times

4 結(jié)論

（1）增加噴吹壓力對濾袋內(nèi)外壓差的影響具有十分明顯。噴吹壓力越大，壓差峰值越大，噴吹壓力從0.3MPa 變化為0.5MPa，峰值壓差增加幅度達(dá)到600Pa。雖然較大的噴吹壓力會增加濾袋的壓差，進(jìn)而提高除塵器的清灰效率，但是噴吹壓力的增大也導(dǎo)致濾袋口處負(fù)壓峰值明顯增大，造成設(shè)備使用壽命減少。

（2）噴吹距離主要影響上箱體的誘導(dǎo)氣流從而引起濾袋內(nèi)外壓差變化。噴吹距離從100mm 增加至300mm，峰值壓差隨之從2000Pa 減少至1500Pa，同時峰值壓差出現(xiàn)的位置上移，正壓區(qū)間范圍增加了200mm，雖然噴吹距離的增加導(dǎo)致清灰強(qiáng)度的降低，但是增大了實際工作區(qū)域。因此在設(shè)計階段應(yīng)當(dāng)綜合考慮工程實際選取合適噴吹距離。

（3）濾料的變化也會對峰值壓差產(chǎn)生影響，同時還會影響壓差在軸向距離上的變化趨勢。在濾袋中下部的軸向距離上，PTFE材料壓差下降幅度最大，峰谷差距達(dá)到500Pa；覆膜材料壓差下降幅度最小為100Pa。三種材料中，PPS 材料峰值壓差最大為1500Pa，PTFE 材料最小為 700Pa。

（4）濾袋長度的增加會造成峰值壓差的降低，并且降低的幅度逐漸減少。在短濾袋工況下，濾袋長度對于濾袋峰值壓差影響起著主導(dǎo)作用。當(dāng)長度從2m 減少至2.5m 時，峰值壓差降低幅度達(dá)到700Pa；當(dāng)長度從3m 減少到3.5m 時，降低幅度變?yōu)?00Pa；當(dāng)濾袋達(dá)到4m 長度時，峰值壓差已趨于不變。