金屬纖維長濾袋清灰性能及清灰機(jī)理實(shí)驗(yàn)探究

王磊 彭海軍 孫鵬 張小慶 原鋒輝 李明

（西安菲爾特金屬過濾材料股份有限公司 陜西西安 710201）

0 引言

目前，國內(nèi)外對于傳統(tǒng)的布袋式除塵器研究頗多，其中濾袋的清灰問題得到了研究者的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)行的布袋式除塵器幾乎都采用脈沖噴吹清灰方式。同樣，金屬濾袋除塵器借鑒了傳統(tǒng)布袋除塵器，也采用脈沖噴吹清灰方式［1］。金屬濾袋以其耐高溫的巨大優(yōu)勢，優(yōu)于傳統(tǒng)布袋，目前已在石油化工、煤化工、耐火材料、氧化鋁、玻璃、水泥等行業(yè)的高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域得到應(yīng)用［2］。隨著金屬濾袋在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其清灰性能受到了高度關(guān)注。一般地，工程應(yīng)用中金屬濾袋的設(shè)計(jì)長度在3.0 m～7.5 m 之間，直徑通常為φ130 mm 和φ160 mm 2 種規(guī)格，部分工程項(xiàng)目由于安裝空間的限制，濾袋必須采用分節(jié)處理，因此長濾袋下部的清灰性能成為研究焦點(diǎn)。

關(guān)于脈沖清灰有2 種不同的機(jī)制認(rèn)識［3-6］。慣性力理論認(rèn)為，清灰氣流使濾袋向外快速膨脹，當(dāng)袋壁膨脹至極限位置時(shí)，濾袋材料本身的張力使其獲得最大反向加速度，粉塵層因?yàn)閼T性作用從濾袋上脫落［7］。另一種機(jī)制則認(rèn)為，粉塵層的脫落是由于清灰氣流直接吹掃所致［8-9］。作為脈沖袋式除塵器的關(guān)鍵技術(shù)，清灰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理直接影響除塵的效率和運(yùn)行成本。然而，金屬濾袋除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前主要借鑒布袋除塵系統(tǒng)，其噴吹壓力、噴吹孔徑、噴吹距離等主要參考布袋除塵來設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的合理性只能在使用之后得知，這就難免會導(dǎo)致一些項(xiàng)目出現(xiàn)清灰難、運(yùn)行阻力過高等問題。國內(nèi)做傳統(tǒng)布袋式除塵系統(tǒng)研究多集中在高校，大都是對布袋除塵進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)也都偏小型化，工程指導(dǎo)性不強(qiáng)［10-13］。另外，高校里的很多研究都是基于仿真模擬計(jì)算開展的，缺乏與工程實(shí)際相結(jié)合［14-15］。由于金屬濾袋與傳統(tǒng)布袋在性能上存在較大差異，今后需要對金屬濾袋清灰性能進(jìn)行較為全面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析，提高金屬濾袋清灰效果，最終達(dá)到指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的目的。

本文首先進(jìn)行了分節(jié)金屬長濾袋φ160 mm×7 000 mm 的脈沖噴吹清灰模擬實(shí)驗(yàn)，以金屬濾袋側(cè)壁壓力的大小反映清灰性能的難易程度，探究了噴吹距離、噴吹孔徑和噴吹壓力與長濾袋清灰性能之間的關(guān)系，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。其次，采用高倍攝像追蹤了脈沖清灰過程中粉塵在金屬濾袋表面的運(yùn)動軌跡，對金屬濾袋的清灰機(jī)理進(jìn)行了初步探究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用自主設(shè)計(jì)的金屬濾袋脈沖噴吹清灰測試平臺，如圖1所示。該裝置包括金屬濾袋、噴吹系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。金屬濾袋規(guī)格為φ160 mm×7 000 mm，采用微米級金屬纖維真空燒結(jié)而成，平行于地面布置；噴吹系統(tǒng)，主要包括氣包、電磁脈沖閥、噴吹管，其中噴吹管噴射氣流方向平行于地面，并正對金屬濾袋袋口中心位置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括傳感器、電荷放大器、數(shù)采儀，其中傳感器沿金屬濾袋軸向布置。

圖1 金屬濾袋脈沖噴吹清灰測試平臺

2 實(shí)驗(yàn)步驟及測試原理

本實(shí)驗(yàn)主要考察噴吹壓力、噴吹距離、噴吹孔徑對金屬濾袋側(cè)壁壓力分布的影響，噴吹壓力考察范圍選擇0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa，噴吹距離考察范圍選擇150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm，噴吹孔徑考察范圍選擇φ8 mm、φ10 mm、φ12 mm、φ14 mm、φ16 mm。具體操作步驟如下：

（1）安裝傳感器。沿濾袋軸向布置傳感器，要求傳感器垂直于金屬濾袋側(cè)壁且剛性連接。

（2）固定金屬濾袋的位置。將要測試的金屬濾袋水平放置，袋口中心正對噴吹管上的噴嘴，并與噴嘴保持預(yù)先設(shè)計(jì)的噴吹距離。

（3）調(diào)節(jié)噴吹壓力。將脈沖氣包的壓力調(diào)節(jié)至測試者的要求，一般壓力范圍在0.2 MPa～0.6 MPa 之間。

（4）開啟采集系統(tǒng)。將傳感器另一端接電荷放大器，并打開電荷放大器和數(shù)采儀，待顯示正常后進(jìn)行下一步操作。

（5）開啟脈沖噴吹閥。

（6）記錄數(shù)據(jù)。

3 單因素實(shí)驗(yàn)

分別進(jìn)行了噴吹壓力、噴吹距離、噴吹孔徑對金屬纖維長濾袋側(cè)壁壓力分布影響的單因素實(shí)驗(yàn)。

3.1 噴吹壓力對側(cè)壁壓力分布的影響

噴吹壓力，指脈沖氣包內(nèi)預(yù)先設(shè)定好壓縮空氣的壓力，經(jīng)電磁脈沖噴吹閥噴入濾袋內(nèi)部進(jìn)行清灰。如圖2 所示，在噴吹距離為200 mm、噴吹孔徑為12 mm 的條件下，考察了不同噴吹壓力下金屬纖維長濾袋側(cè)壁壓力分布情況。從圖2 中可以明顯看出，金屬濾袋上部側(cè)壁壓力峰值均高于下部，尤其在第1、2 測點(diǎn)處，即距離袋口1 m 內(nèi)側(cè)壁壓力最高，說明該處的清灰效果最佳，此時(shí)該處的過濾阻力相對其他位置也最低，過濾過程中煙氣優(yōu)先選擇從低阻力部位通過，這就使得濾袋低阻區(qū)位置的過濾負(fù)荷過大，整個(gè)濾袋的過濾就會失衡，形成死循環(huán)，不利于金屬濾袋長周期使用。同樣，隨著噴吹壓力的升高，金屬濾袋側(cè)壁各點(diǎn)的壓力峰值也隨之增大。另外，相比金屬濾袋下部，其上部各點(diǎn)壓力峰值隨噴吹壓力上升得更加明顯，也就是說，提高噴吹壓力，濾袋上部的清灰效果更加顯著。當(dāng)噴吹壓力依次從0.2 MPa 升至0.6 MPa 時(shí)，金屬濾袋側(cè)壁壓力最大峰值差由500 Pa 增至3 500 Pa，這表明隨著噴吹壓力的提高，金屬濾袋上部和下部承受的過濾負(fù)荷更加不均勻，嚴(yán)重時(shí)可造成過濾失衡現(xiàn)象發(fā)生，尤其可能導(dǎo)致濾袋第一節(jié)（距離袋口小于1 m 的位置）發(fā)生疲勞破損。因此，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，在保證實(shí)現(xiàn)金屬濾袋良好清灰，且保證濾袋上、下部過濾盡可能平衡的前提下，建議噴吹壓力優(yōu)選0.2 MPa～0.3 MPa。

圖2 噴吹壓力對側(cè)壁壓力的影響

3.2 噴吹孔徑對側(cè)壁壓力分布的影響

噴吹孔徑，指脈沖噴吹管上開孔的大小。如圖3 所示，在噴吹壓力為0.3 MPa、噴吹距離為200 mm 的條件下，考察了不同噴吹孔徑下金屬濾袋側(cè)壁壓力分布情況。從圖3 中可以看出，當(dāng)噴吹孔徑為φ8 mm 和φ10 mm 時(shí)，由于噴吹孔徑比較小，在同等噴吹氣量的情況下噴嘴出口的氣流速度更快，這就引起金屬濾袋側(cè)壁P1、P2 測點(diǎn)處壓力峰值過高。又由于隨著噴吹氣流速度的加快，濾袋的透氣值越高，也就是說氣流速度越快，透過濾袋的氣體量就越大，因此噴吹氣體量沿著濾袋軸向出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p耗，從而濾袋下部側(cè)壁壓力偏低。這樣造成濾袋上部與下部側(cè)壁壓力峰值差過大，濾袋上部會承載較大的過濾負(fù)荷，尤其是P1 至P2 測點(diǎn)區(qū)域（距袋口1 m 的部分），最終容易發(fā)生疲勞破損；當(dāng)噴吹孔徑為φ16 mm 時(shí)，濾袋側(cè)壁壓力峰值整體偏低，尤其是測點(diǎn)P6 至P7 區(qū)域，壓力甚至低于300 Pa，很難保證有效的清灰［16］，這是由于噴吹孔徑過大，噴吹氣流在進(jìn)入濾袋前的錐狀氣流截面已遠(yuǎn)大于濾袋直徑，大量的噴吹氣流作用在濾袋袋口外部，只有少量噴吹氣流進(jìn)入濾袋內(nèi)部，因此濾袋底部的側(cè)壁壓力極低；當(dāng)噴吹孔徑為φ12 mm 和φ14 mm時(shí)，濾袋上部與下部的側(cè)壁壓力峰值差相對較小，并且濾袋下部側(cè)壁壓力峰值明顯高于其他，這是由于噴吹氣流的最大錐面靠近于濾袋中間部位，并且氣流在濾袋上部的損失相對較少。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，建議噴吹孔徑優(yōu)選12 mm～14 mm之間。

圖3 噴吹孔徑對濾袋側(cè)壁壓力的影響

3.3 噴吹距離對側(cè)壁壓力分布的影響

噴吹距離，指噴嘴到濾袋法蘭平面的距離。如圖4 所示，在噴吹壓力為0.3 MPa、噴吹孔徑為12 mm 的條件下，考察了不同噴吹距離下金屬纖維長濾袋側(cè)壁壓力分布情況。從圖4中可以看出，隨著噴吹距離的增大，金屬濾袋側(cè)壁各點(diǎn)的壓力變化不明顯，說明噴吹距離對金屬濾袋側(cè)壁壓力峰值的影響甚微，即通過改變噴吹距離是很難改善金屬濾袋清灰效果的。具體地，當(dāng)噴吹距離為150 mm 時(shí)，測點(diǎn)P2（距法蘭面1 m 處）壓力達(dá)到最大值，這是由于壓縮空氣由噴嘴噴出后形成錐狀空氣流，恰好在P2 處氣流錐面達(dá)到最大，造成濾袋側(cè)壁壓力差最大，也說明壓縮空氣在進(jìn)入濾袋后，較大一部分作用在第一節(jié)濾袋側(cè)壁（距袋口1 m 內(nèi)），只有少部分作用在濾袋下部，最終導(dǎo)致濾袋上部和下部清灰效果相差巨大；當(dāng)噴吹距離為200 mm 和250 mm 時(shí)，濾袋上部和下部側(cè)壁壓差相對較小，并且下部側(cè)壁壓力均高于其他，有效保證了濾袋下部清灰效果；當(dāng)噴吹距離為300 mm 和350 mm 時(shí)，濾袋側(cè)壁壓力整體明顯減小，尤其是濾袋下部壓力低至300 Pa，這是由于較多的壓縮空氣在進(jìn)入濾袋內(nèi)部前已經(jīng)損失，真正進(jìn)入濾袋內(nèi)部的壓縮空氣量減少。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，建議噴吹距離優(yōu)選200 mm～250 mm 之間。

圖4 噴吹距離對濾袋側(cè)壁壓力的影響

總體來看，金屬纖維長濾袋側(cè)壁壓力分布總體呈現(xiàn)上部大、下部小的趨勢。即使目前噴吹壓力、噴吹孔徑及噴吹距離均按最優(yōu)噴吹參數(shù)來設(shè)計(jì)，也只能一定程度地減弱這種趨勢，但無法避免。這是因?yàn)榻饘贋V袋屬于多孔材料，具有一定的透氣性能，噴吹氣流進(jìn)入濾袋沿軸向運(yùn)動，直至濾袋底部，在此過程中噴吹氣流有一個(gè)沿徑向的分量透過濾袋。隨著噴吹氣流自上而下的運(yùn)動，噴吹氣量會逐漸損耗，從而濾袋側(cè)壁壓力峰值也逐漸減小。因此，今后需要對金屬纖維長濾袋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高濾袋側(cè)壁壓力的均衡性。

4 清灰過程濾袋表面變化規(guī)律探究實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

在上述優(yōu)化后的噴吹參數(shù)下進(jìn)行金屬濾袋脈沖噴吹清灰性能測試，沿徑向在濾袋表面標(biāo)記兩個(gè)點(diǎn)，然后采用高倍攝像對測試中的濾袋表面上的兩點(diǎn)運(yùn)動軌跡進(jìn)行跟蹤拍攝。通過兩個(gè)點(diǎn)之間的相對位移判斷濾袋處于收縮或膨脹狀態(tài)，從而反映出脈沖噴吹清灰過程中金屬濾袋表面的變化規(guī)律。

4.2 結(jié)果與分析

圖5 為脈沖噴吹清灰過程中金屬濾袋上部和下部表面變化規(guī)律曲線，可以明顯看出，在脈沖壓縮空氣進(jìn)入金屬濾袋內(nèi)部瞬間，濾袋上部表面上兩點(diǎn)的距離是先減小后增大，表明濾袋上部有明顯的收縮，然后膨脹，這是由于距離袋口近的位置瞬時(shí)氣流速度更快，產(chǎn)生了負(fù)壓所導(dǎo)致的；而濾袋下部表面上兩點(diǎn)的距離是直接增大，表明濾袋表面只發(fā)生了膨脹，這是由于此處的氣流速度相對較慢，不足以形成負(fù)壓或負(fù)壓甚微，但由于脈沖氣體在進(jìn)入濾袋內(nèi)部時(shí)，高速射流氣體優(yōu)先到達(dá)濾袋下部，除一部分氣體在到達(dá)濾袋底部前透過濾袋而損失，多數(shù)氣體在濾袋下部集聚，從而導(dǎo)致濾袋下部的膨脹高于上部。根據(jù)上述的現(xiàn)象可以推斷，濾袋上部表面產(chǎn)生了振動，由于濾袋表面與粉塵層是兩個(gè)不同的介質(zhì)，振動頻率存在差異，因而在兩個(gè)介質(zhì)之間產(chǎn)生剝離力，從而使得粉塵從濾袋表面脫離；而濾袋下部表面只發(fā)生了膨脹，粉塵層依靠濾袋表面膨脹后所產(chǎn)生的慣性力脫離。濾袋表面上部和下部兩點(diǎn)位移的極差值分別為0.247 mm 和0.109 mm，說明脈沖噴吹清灰過程中金屬濾袋表面的膨脹非常微小，但由于采用脈沖壓縮空氣作為清灰氣源，濾袋表面能夠發(fā)生高頻振動。結(jié)合實(shí)際工況中金屬濾袋的使用情況，濾袋上部粉塵殘余量明顯低于下部，即濾袋上部清灰效果優(yōu)于下部，這就表明依靠濾袋表面高頻振動產(chǎn)生的剝離力實(shí)現(xiàn)清灰的效果要優(yōu)于濾袋表面膨脹所產(chǎn)生的慣性力。

圖5 金屬濾袋表面變化規(guī)律曲線

5 結(jié)論與展望

通過單因素實(shí)驗(yàn)獲得了一套最優(yōu)噴吹參數(shù)，即噴吹壓力優(yōu)選0.2 MPa～0.3 MPa 之間，噴吹孔徑優(yōu)選12 mm～14 mm 之間，噴吹距離優(yōu)選200 mm～250 mm 之間，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。另外發(fā)現(xiàn)，在脈沖噴吹清灰過程中，金屬濾袋上部主要依靠濾袋表面與粉塵層振動頻率的差異所產(chǎn)生的剝離力，使得粉塵從濾袋表面脫離；而濾袋下部主要依靠表面膨脹所產(chǎn)生的慣性力，使得粉塵從濾袋表面脫離。最終發(fā)現(xiàn)，依靠濾袋表面高頻振動產(chǎn)生的剝離力實(shí)現(xiàn)清灰的效果要優(yōu)于濾袋表面膨脹所產(chǎn)生的慣性力。

今后，為了更好地實(shí)現(xiàn)金屬纖維長濾袋的清灰性能，建議對金屬纖維長濾袋軸向上孔隙率的分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高濾袋側(cè)壁壓力的均衡性。同時(shí)，可以采取輔助措施對金屬濾袋表面進(jìn)行高頻振動，最終實(shí)現(xiàn)金屬纖維長濾袋的良好清灰。