脈沖噴吹流動(dòng)對(duì)帶雙拉瓦爾噴嘴濾筒除塵特性的影響*

張 碩 譚志洪 劉麗冰 熊桂龍#

(1.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西 南昌 330031；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130)

濾筒除塵器具有除塵效率高、阻力小等優(yōu)點(diǎn)，在除塵領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。清灰效果關(guān)系到整個(gè)除塵系統(tǒng)能否高效穩(wěn)定運(yùn)行，清灰不徹底會(huì)導(dǎo)致粉塵堆積，過(guò)濾效率降低[2]。對(duì)于超過(guò)1 000 mm的長(zhǎng)濾筒，高效清灰至今仍是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)[3]。因此，研究構(gòu)建長(zhǎng)濾筒清灰特性與脈沖噴吹氣體動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)尤為重要，有望優(yōu)化脈沖噴嘴設(shè)置，強(qiáng)化長(zhǎng)濾筒清灰過(guò)程。

濾筒除塵器主要采用脈沖噴吹方式進(jìn)行清灰[4]，其通過(guò)脈沖噴吹壓縮空氣進(jìn)入濾筒，誘導(dǎo)周圍大量氣流進(jìn)入濾筒內(nèi)部，產(chǎn)生脈沖噴吹流動(dòng)與濾筒的流固耦合作用，實(shí)現(xiàn)清灰。目前相關(guān)研究偏重于實(shí)驗(yàn)。YAN等[5]對(duì)大流量濾筒清灰特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中第1個(gè)峰值壓力出現(xiàn)時(shí)，只有少量粉塵掉落。張明星等[6]探究了扁式方框?yàn)V筒的清灰性能，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾風(fēng)速越小，清灰后的粉塵殘余量越少。CHEN等[7]使用環(huán)形狹縫噴嘴優(yōu)化濾筒清灰效果，濾筒上部靜壓增大，且整體壓力分布更均勻。LI等[8]對(duì)在濾筒內(nèi)安裝錐體后的壓降和除塵效率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)安裝圓柱形錐體可以增加清灰均勻性，并減少粉塵排放。盡管相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究取得了一些進(jìn)展，然而在脈沖噴吹過(guò)程中，長(zhǎng)濾筒耦合表面的流場(chǎng)卻難以在線檢測(cè)。濾筒脈沖噴吹清灰的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是，長(zhǎng)濾筒中端和底端脈沖峰值壓力大，而頂端的脈沖峰值壓力小，甚至出現(xiàn)負(fù)壓[9]5。脈沖峰值壓力分布不均勻易導(dǎo)致長(zhǎng)濾筒頂端脈沖噴吹清灰難、效率低。提高長(zhǎng)濾筒頂端脈沖噴吹清灰的峰值壓力是實(shí)現(xiàn)其脈沖噴吹高效清灰的技術(shù)關(guān)鍵。基于以上工程背景，本研究提出了一種雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹高效清灰技術(shù)，并通過(guò)雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰與直噴嘴、單拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰過(guò)程的氣體動(dòng)力學(xué)特性對(duì)比，詮釋了雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹氣體動(dòng)力學(xué)特性對(duì)帶雙拉瓦爾噴嘴濾筒除塵特性的影響機(jī)理，可為解決長(zhǎng)濾筒脈沖噴吹清灰的瓶頸問(wèn)題提供技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 模擬條件

以工業(yè)生產(chǎn)中常用的Φ225 mm規(guī)格長(zhǎng)濾筒(長(zhǎng)1 000 mm)為研究對(duì)象，基于陣列對(duì)稱性，構(gòu)建單濾筒脈沖噴吹的計(jì)算模型。計(jì)算區(qū)域尺寸為760 mm×760 mm×1 400 mm，引流區(qū)長(zhǎng)為200 mm，模型的8個(gè)外側(cè)面為對(duì)稱面。計(jì)算區(qū)域劃分為2 156 714個(gè)單元，2 218 272個(gè)節(jié)點(diǎn)。依據(jù)課題組已有研究結(jié)果[10]，并采用響應(yīng)面法，以濾筒底部的壓力峰值作為響應(yīng)值，對(duì)噴嘴進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后的拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。進(jìn)出口分別采用壓力入口、壓力出口邊界條件；花板和濾筒底部設(shè)為壁面；濾筒采用多孔跳躍邊界條件，滲透率取1×10-9m2，筒厚度為0.75 mm。脈沖清灰過(guò)程為可壓縮、三維非穩(wěn)態(tài)湍流過(guò)程，湍流采用可實(shí)現(xiàn)的k—ε湍流模型，模擬氣體噴吹時(shí)間為0.1 s，噴吹周期為0.2 s,噴吹壓力為0.4 MPa。為了準(zhǔn)確捕獲脈沖峰值壓力，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10-5s。

圖1 拉瓦爾噴嘴流道結(jié)構(gòu)Fig.1 Flow channel structure of a Laval nozzle

2 拉瓦爾噴嘴與直噴嘴脈沖噴吹清灰動(dòng)力學(xué)特性對(duì)比

圖2展示了拉瓦爾噴嘴和直噴嘴脈沖噴吹清灰過(guò)程中，濾筒外表面頂端、中端和底端獲得的脈沖壓力隨噴吹時(shí)間的變化(與直噴嘴進(jìn)行對(duì)比的拉瓦爾噴嘴均為單噴嘴)。在0～0.1 s，濾筒外表面頂端、中端和底端獲得的脈沖壓力呈現(xiàn)周期性交變衰減的變化規(guī)律；而在0.1～0.2 s，趨于負(fù)壓且小幅波動(dòng)。在濾筒外表面頂端，且噴吹時(shí)間為8.84×10-4s時(shí)，拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹可獲得脈沖峰值壓力，為1 822.10 Pa；噴吹時(shí)間為9.08×10-4s時(shí)，直噴嘴脈沖噴吹可獲得脈沖峰值壓力，為1 421.99 Pa。相對(duì)于直噴嘴脈沖噴吹，拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹獲得的脈沖峰值壓力增加了28.14%，且出現(xiàn)脈沖峰值壓力耗時(shí)短。有實(shí)驗(yàn)研究表明,清灰效率與脈沖峰值壓力呈正相關(guān)[11]。在濾筒頂部，相較直噴嘴，拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰效率有所改進(jìn)，但幅度不明顯。

圖2 濾筒外表面脈沖壓力隨噴吹時(shí)間的變化Fig.2 Pulse jet pressure varied with jet time at the outer surface of filter cartridge

在濾筒外表面中端，且噴吹時(shí)間為1.23×10-2s時(shí)，拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹獲得脈沖峰值壓力，為1 765.47 Pa；噴吹時(shí)間為1.27×10-2s時(shí)，直噴嘴脈沖噴吹可獲得脈沖峰值壓力，為1 090.16 Pa。相對(duì)于直噴嘴，拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹獲得的脈沖峰值壓力增加了61.95%，脈沖峰值壓力出現(xiàn)脈動(dòng)交變，并且持續(xù)作用時(shí)間延長(zhǎng)，可以推測(cè)濾筒中端相對(duì)于頂端，拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰效率改進(jìn)效果較明顯。

在濾筒外表面底端，且噴吹時(shí)間為1.37×10-2s時(shí)，拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹獲得脈沖峰值壓力，為2 293.41 Pa；噴吹時(shí)間為1.39×10-2s，直噴嘴脈沖噴吹獲得脈沖峰值壓力，為1 543.77 Pa。相對(duì)于直噴嘴脈沖噴吹，拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹獲得的脈沖峰值壓力增大了48.56%，且出現(xiàn)脈動(dòng)交變的脈沖峰值壓力持續(xù)作用時(shí)間延長(zhǎng)，所以長(zhǎng)濾筒底端相對(duì)于頂端，拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰效率改進(jìn)效果較明顯。

對(duì)比噴吹時(shí)間為4.50×10-2s時(shí)，拉瓦爾噴嘴和直噴嘴脈沖噴吹清灰速度場(chǎng)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者速度場(chǎng)分布較為相似，但拉瓦爾噴嘴的噴吹速度(481.0 m/s)明顯大于直噴嘴(463.7 m/s)，導(dǎo)致拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹獲得的脈沖峰值壓力也大于直噴嘴，且脈沖峰值壓力出現(xiàn)所需的時(shí)間短。

3 雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰動(dòng)力學(xué)特性及強(qiáng)化清灰機(jī)理研究

3.1 雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰動(dòng)力學(xué)特性

脈沖噴吹濾筒外表面獲得的脈沖峰值壓力受控于噴嘴脈沖噴吹氣體流速和濾筒頂端進(jìn)口氣體引流流量，并與噴嘴脈沖噴吹氣體流速和濾筒頂端進(jìn)口氣體引流流量均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系?，F(xiàn)通過(guò)增加拉瓦爾噴嘴數(shù)量來(lái)提高濾筒頂端進(jìn)口氣體引流流量，進(jìn)一步提高脈沖噴吹時(shí)濾筒外表面獲得的脈沖峰值壓力，以此強(qiáng)化其脈沖噴吹清灰效果。設(shè)置雙拉瓦爾噴嘴，通過(guò)單、雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰動(dòng)力學(xué)特性對(duì)比，詮釋雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹強(qiáng)化清灰機(jī)理。

圖3展示了單、雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰過(guò)程中，濾筒外表面頂端、中端和底端獲得的脈沖壓力隨噴吹時(shí)間的變化。在濾筒外表面頂端，雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹獲得的脈沖峰值壓力為5 140.36 Pa，相對(duì)于單拉瓦爾噴嘴，其脈沖峰值壓力增加了182.11%；而相對(duì)于直噴嘴，其脈沖峰值壓力增加了261.49%。在濾筒外表面中端，雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹獲得的脈沖峰值壓力為2 623.74 Pa，相對(duì)于單拉瓦爾噴嘴，其脈沖峰值壓力增加了48.61%；相對(duì)于直噴嘴，其脈沖峰值壓力增加了140.67%。在濾筒外表面底端，雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹獲得的脈沖峰值壓力為3 177.60 Pa，相對(duì)于單拉瓦爾噴嘴，其脈沖峰值壓力增加了38.55%；相對(duì)于直噴嘴，其脈沖峰值壓力增加了105.83%。由此可見(jiàn)，采用雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰技術(shù)，可使濾筒外表面中、底端脈沖峰值壓力有所增加，但對(duì)長(zhǎng)濾筒頂端脈沖峰值壓力的增加效應(yīng)尤其明顯。CHEN等[9]8-9證明了多脈沖噴吹技術(shù)能有效強(qiáng)化錐形褶皺濾筒頂端的清灰特性和效率，本研究結(jié)果與之一致。

圖3 濾筒外表面脈沖壓力隨噴吹時(shí)間變化對(duì)比Fig.3 Comparison of pulse jet pressure varied with jet time at the outer surface of filter cartridge

圖4展示了不同噴吹時(shí)間濾筒外表面脈沖壓力軸向變化。雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹過(guò)程的濾筒外表面脈沖壓力隨著噴吹時(shí)間增加，先在濾筒外表面頂端出現(xiàn)脈沖峰值壓力，再在中端出現(xiàn)脈沖峰值壓力，最后在底端出現(xiàn)脈沖峰值壓力。由此可見(jiàn)，雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰的粉塵層脫落順序是由上而下，模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合。

圖4 濾筒外表面脈沖壓力的軸向變化Fig.4 The variation of the pulse pressure on the outer surface of the filter cartridge along the axial coordinate

圖5為噴吹時(shí)間為4.50×10-2s時(shí)，單、雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰速度場(chǎng)對(duì)比結(jié)果。兩者速度場(chǎng)分布較為相似，但在濾筒頂端入口處，雙拉瓦爾噴嘴氣體噴吹高速區(qū)的分布面積明顯大于單拉瓦爾噴嘴，導(dǎo)致進(jìn)入濾筒頂端進(jìn)口的氣體流量明顯增加，強(qiáng)化了氣體與濾筒表面的流固雙向耦合作用，誘發(fā)濾筒表面產(chǎn)生脈沖氣錘沖擊效應(yīng)，使濾筒頂端表面獲得的脈沖峰值壓力明顯增加，這就是采用雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰對(duì)濾筒外表面頂端的脈沖峰值壓力的增加遠(yuǎn)大于中端和底端的氣體動(dòng)力學(xué)原因。

圖5 單、雙拉瓦爾噴嘴速度場(chǎng)對(duì)比Fig.5 Comparison of velocity field between single and double Laval nozzles

3.2 雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹強(qiáng)化清灰機(jī)理分析

干粉塵易在濾筒表面形成粉塵層，濾筒表面粉塵層的抗剪力由摩擦力和內(nèi)黏聚力組成，在濾筒的過(guò)濾過(guò)程中，粉塵不斷堆積，抗剪強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，粉塵在濾筒的表面形成一種平衡狀態(tài)。在雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹清灰過(guò)程中，粉塵層與濾筒受到氣體脈沖噴吹的流固雙向耦合作用，粉塵層與濾筒表面形成脈沖氣錘沖擊壓力，使粉塵層與濾筒產(chǎn)生流固耦合變形，形成周向剪切作用。粉塵層與濾筒在流固耦合變形和周向剪切作用雙重作用下，粉塵層的穩(wěn)定狀態(tài)被打破，發(fā)生粉塵層剝離斷裂脫落，實(shí)現(xiàn)清灰。由此可見(jiàn)，雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹強(qiáng)化清灰的主要驅(qū)動(dòng)力是粉塵層與濾筒表面形成脈沖氣錘沖擊壓力和流固耦合作用所誘發(fā)的濾筒邊界變形反向加速度。在粉塵層與濾筒表面所形成的脈沖氣錘沖擊壓力可以通過(guò)濾筒表面的脈沖峰值壓力來(lái)表征。雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹可使脈沖氣錘沖擊壓力和流固耦合作用誘發(fā)的濾筒邊界變形的反向加速度增大，產(chǎn)生剝離粉塵層的慣性力也增大，進(jìn)而增強(qiáng)長(zhǎng)濾筒的噴吹清灰效果。

拉瓦爾噴嘴氣體噴吹速度明顯大于直噴嘴，因而拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹氣流與粉塵層、濾筒表面流固雙向耦合作用大于直噴嘴，誘發(fā)的脈沖氣錘沖擊壓力也大于直噴嘴。濾筒表面的脈沖峰值壓力越大，粉塵層與濾筒的流固耦合變形和周向剪切作用越大，越易發(fā)生粉塵層剝離斷裂脫落。脈沖峰值壓力受控于噴嘴氣體噴吹速度，隨噴嘴氣體噴吹速度增大而增大。拉瓦爾噴嘴可使氣體噴吹加快，因而誘發(fā)濾筒外表面的脈沖峰值壓力增大，使濾筒除塵過(guò)濾器的噴吹清灰效果得到強(qiáng)化。另一方面，拉瓦爾噴嘴氣體脈沖噴吹所產(chǎn)生的流固雙向耦合作用誘發(fā)的濾筒側(cè)壁邊界耦合變形反向加速度明顯大于直噴嘴，剝離粉塵層的慣性力也明顯大于直噴嘴，因而拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹對(duì)清灰起促進(jìn)作用。

由上面分析可知，相比直噴嘴，拉瓦爾噴嘴氣體噴吹可使濾筒外表面頂端、中端和底端的脈沖峰值壓力增加，但拉瓦爾噴嘴氣體噴吹對(duì)濾筒外表面中端和底端的脈沖峰值壓力的提高較明顯，對(duì)頂端的脈沖峰值壓力提高非常有限。另一方面，濾筒外表面中端和底端的脈沖峰值壓力呈現(xiàn)脈動(dòng)交變逐漸周期性衰減的變化規(guī)律。濾筒外表面中端和底端的較大脈沖峰值壓力作用時(shí)間長(zhǎng)，在脈動(dòng)交變逐漸周期性衰減的脈沖峰值壓力下，粉塵層與濾筒界面易誘發(fā)疲勞剝離開(kāi)裂損傷，有利于降低粉塵層與濾筒界面內(nèi)黏聚力，易在低脈沖峰值壓力作用下，誘發(fā)粉塵層剝離斷裂脫落。由此可見(jiàn)，脈動(dòng)交變周期性脈沖峰值壓力有利于強(qiáng)化濾筒外表面中端和底端的清灰。而在單拉瓦爾噴嘴氣體噴吹過(guò)程中，濾筒外表面頂端的脈沖峰值壓力增幅小，且脈沖時(shí)間短，對(duì)濾筒外表面頂端的粉塵層與濾筒界面內(nèi)黏聚力影響小，因而單拉瓦爾噴嘴氣體噴吹對(duì)于解決長(zhǎng)濾筒頂端脈沖噴吹清灰難、效率低的行業(yè)共性瓶頸問(wèn)題效果不佳。

雙拉瓦爾噴嘴彌補(bǔ)了單拉瓦爾噴嘴對(duì)濾筒外表面頂端脈沖峰值壓力增幅不明顯的缺陷。相對(duì)于單拉瓦爾噴嘴，雙拉瓦爾噴嘴對(duì)濾筒外表面中端和底端脈沖峰值壓力增幅雖不及頂端，但由于濾筒外表面中端和底端的脈沖峰值壓力存在周期性脈動(dòng)交變，可促進(jìn)濾筒外表面中端和底端的清灰。由此可見(jiàn)，采用雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹可有效強(qiáng)化濾筒外表面清灰效果，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)濾筒的高效清灰。

脈沖噴吹耗氣量與噴嘴截面積及氣流速度呈正比，拉瓦爾噴嘴喉部直徑為25 mm，而直噴嘴直徑為40 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用雙拉瓦爾噴嘴噴吹1次的氣流量比直噴嘴降低17.8%，雖然增加了拉瓦爾噴嘴數(shù)目，但因其本身喉部直徑小于直噴嘴，所以實(shí)際噴吹耗氣量并未增加。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用普通直噴嘴易導(dǎo)致濾筒頂部出現(xiàn)低壓或微負(fù)壓，導(dǎo)致清灰不徹底，粉塵不斷堆積后清灰周期不斷縮短，耗氣量反而增加；而采用雙噴嘴使濾筒整體得到有效清灰，脈沖噴吹清灰間隔時(shí)間可以適當(dāng)延長(zhǎng)，不僅可以進(jìn)一步降低噴吹清灰耗氣量，且延長(zhǎng)濾筒使用壽命，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保角度分析，雙拉瓦爾噴嘴清灰具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié) 論

(1) 雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹強(qiáng)化清灰的主要關(guān)鍵因素是粉塵層與濾筒表面所形成的周期交變脈沖峰值壓力、周期交變脈沖峰值壓力的作用時(shí)間和流固耦合作用誘發(fā)的濾筒表面邊界變形反向加速度，并與3者均呈正相關(guān)關(guān)系。

(2) 雙拉瓦爾噴嘴脈沖噴吹可使濾筒外表面頂端獲得的脈沖峰值壓力增至5 140.36 Pa，相對(duì)于單拉瓦爾噴嘴，其脈沖峰值壓力增幅高達(dá)182.11%，彌補(bǔ)了單拉瓦爾噴嘴對(duì)濾筒外表面頂端脈沖峰值壓力增加不明顯的內(nèi)在缺陷，有望有效解決長(zhǎng)濾筒頂端脈沖噴吹清灰難、效率低的行業(yè)共性瓶頸問(wèn)題。