張銳

福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建廈門，361000

0 引言

為適應(yīng)“十四五”發(fā)展規(guī)劃，大氣污染物的排放治理越來越嚴(yán)格，例如河北省等大氣污染物排放大省，陸續(xù)推出歷史上最嚴(yán)格的大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放值分別達(dá)到了10mg/m3、30mg/m3和100mg/m3，對(duì)除塵設(shè)備提出了越來越高的要求[1-2]。目前針對(duì)超低排放的主要工藝路線有干+濕式電除塵器和袋式除塵器兩個(gè)主要路線。與干+濕式除塵器耗水量大相比，目前干式袋式除塵器的推廣更廣，其中脈沖布袋除塵器又是目前應(yīng)用最為廣泛的一種[3]。隨著近年來纖維原料的種類不斷增多，過濾精度也明顯提高，脈沖布袋除塵器除塵效率也不斷提高。

本文首先對(duì)袋式除塵器新型濾袋纖維進(jìn)行數(shù)值模擬分析，進(jìn)而研究噴吹時(shí)新型濾袋內(nèi)表面的壓力分布，為噴吹系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供理論和技術(shù)支持。

1 袋式除塵器及其清灰的重要性

隨著2018年國務(wù)院發(fā)布了《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》，國家對(duì)大型工業(yè)的集中排放大氣污染物的指標(biāo)提出更高的要求，目前電站鍋爐、鋼鐵、焦化等領(lǐng)域的新建大氣污染排放設(shè)備，均將設(shè)計(jì)指標(biāo)提高到10mg/m3，甚至提出更高要求的5mg/m3超低排放指標(biāo)。作為目前已廣泛應(yīng)用的一種先進(jìn)、高效除塵設(shè)備，袋式除塵器現(xiàn)階段通過濾料纖維以及超細(xì)纖維的應(yīng)用，對(duì)于細(xì)小顆粒，具有良好的收集和捕獲能力。通過設(shè)計(jì)上的優(yōu)化、加工精度的提升，袋式除塵器的過濾精度，目前已能在諸多領(lǐng)域的工況下，將顆粒物的實(shí)際排放濃度降低到10mg/m3以下，甚至是5mg/m3的超低排放要求[4]。對(duì)于目前的超低排放的高要求，對(duì)脈沖清灰簡(jiǎn)化為的最簡(jiǎn)單工作周期，可以看成“過濾—清灰—過濾”這個(gè)基本過程，清灰的壓力過高、風(fēng)量過大，會(huì)導(dǎo)致粉餅層清灰過度，導(dǎo)致短時(shí)排放超標(biāo)，清灰壓力過低、風(fēng)量太小，清灰不及時(shí)或不徹底，將極大地影響過濾效率，進(jìn)而使除塵的效果變差，導(dǎo)致濾袋壽命變短，并且高壓差導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的耗電量變大，不符合目前國家節(jié)能減排的方針。

2 脈沖袋式除塵器清灰系統(tǒng)及清灰機(jī)理

袋式除塵器遵循基本過濾原理，基于濾袋在1～5年的壽命周期，濾袋的壽命早期由于僅有初始過濾粉餅層的作用，噴吹的壓力要求并不高。隨著濾袋的運(yùn)行，過濾粉餅層會(huì)出現(xiàn)越來越嚴(yán)重的板結(jié)，松散程度會(huì)不斷下降，此時(shí)對(duì)噴吹的壓力及氣量會(huì)增加，故整個(gè)濾袋壽命周期對(duì)噴吹系統(tǒng)的要求有所區(qū)別。故要求袋式除塵清灰系統(tǒng)最優(yōu)的配置是一個(gè)動(dòng)態(tài)可調(diào)系統(tǒng)[5]。

脈沖袋式除塵器的清灰系統(tǒng)主要包括：電磁脈沖閥、噴吹氣包、噴吹管、噴吹脈沖控制附件等，在一定的脈沖間隔內(nèi)，濾袋壓差達(dá)到設(shè)置高值后，脈沖電磁閥和脈沖閥打開，壓縮空氣通過脈沖閥、噴吹管，將氣包內(nèi)的氣體噴進(jìn)濾袋，進(jìn)行清灰動(dòng)作。

脈沖袋式除塵器通常是采用壓縮外界空氣或清灰風(fēng)機(jī)提供氣源，并在氣包上進(jìn)行儲(chǔ)存。在電磁閥的控制作用下，短時(shí)間內(nèi)快速進(jìn)入過濾袋，在此情況下，氣流會(huì)將儲(chǔ)存的空氣在噴吹期間形成一股強(qiáng)大的空氣擾動(dòng)沖擊濾袋內(nèi)部，沖擊內(nèi)纖維而形成激烈振動(dòng)，濾袋外表面所附著粉塵隨之被振動(dòng)掉落，形成一個(gè)清灰周期。脈沖清灰的效果主要取決于清灰系統(tǒng)的噴吹壓力、氣量，噴嘴的直徑、噴吹口的高度和濾袋直徑有關(guān)。而脈沖清灰的壓力以及風(fēng)量又與濾袋的過濾面積相關(guān)。脈沖袋除塵系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是清灰段，清灰段直接影響到脈沖除塵效果，整個(gè)清灰段的過程影響因素較多，是一個(gè)較為復(fù)雜的過程[6-7]。

脈沖袋式除塵器的除塵時(shí)間一般很短，在0.1～0.3秒，而壓縮空氣的壓力在0.1～0.4MPa，由于噴吹作用時(shí)與煙氣方向相反，故濾袋部分的周圍流場(chǎng)復(fù)雜多變，目前尚無統(tǒng)一理論。目前以慣性理論為參考依據(jù)，在壓力作用下，空氣會(huì)迅速地進(jìn)入過濾袋中，在較短一段時(shí)間內(nèi)猛烈振動(dòng)，從而達(dá)到最大反加速度，并將粉塵振落。清灰周期的長短是由許多因素決定的，如過濾風(fēng)速、粉塵濃度、濾袋過濾精度要求的阻力。

3 清灰系統(tǒng)噴吹數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方案

綜合清灰效果的主要影響因素有濾袋長度、噴吹氣體流量。其中噴吹氣體流量的影響因素又有噴吹壓力、噴嘴直徑、噴嘴離濾袋口距離、噴吹時(shí)間。本文做一系列簡(jiǎn)化將噴嘴直徑、噴吹時(shí)間、噴吹壓力、儲(chǔ)氣罐容積轉(zhuǎn)化為噴吹的流速、噴嘴直徑進(jìn)行模擬。

其中噴吹流速的換算公式如下：

式中：V水——噴吹儲(chǔ)氣罐水容積（m3）；

P1——噴吹儲(chǔ)氣罐工作壓力（MPa）；

P2——濾袋室內(nèi)壓力（MPa）；

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（273K）；

T2——罐內(nèi)氣體溫度（K）；

d——噴嘴直徑（m）。

本文以單條Φ160的6m濾袋為分析對(duì)象，計(jì)算以噴吹壓為變量，對(duì)濾料內(nèi)表面的壓力進(jìn)行分析。如表1。

表1 噴吹氣流模擬方案

3.2 分析參數(shù)

噴吹數(shù)值模擬主要分為建立幾何模型、生成網(wǎng)格、確定邊界條件、計(jì)算模型、計(jì)算求解和計(jì)算后處理6個(gè)步驟。分析采用新型超凈PPS濾料，濾袋尺寸采用目前最通用的Φ160mm濾袋，長度為6m。

數(shù)值模擬主要參數(shù)條件如下。濾袋濾料：新型超凈PPS濾料，直徑Φ=160mm，長度L=6000mm；脈沖時(shí)間：T=100ms；噴吹距離：X=150mm；噴嘴直徑：d=28mm；噴吹壓力：作為變動(dòng)因素，進(jìn)行對(duì)比。

整個(gè)脈沖噴吹過程是非穩(wěn)態(tài)過程，氣流流動(dòng)過程復(fù)雜，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化如下：①以單條濾袋作為分析對(duì)象；②噴吹完全對(duì)中，且噴吹氣體噴出的方向與噴嘴垂直且氣體在噴出位置均勻分布；③溫度場(chǎng)為恒定溫度場(chǎng)，不考慮氣流溫度場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的影響；④忽略濾袋內(nèi)部支撐袋籠對(duì)噴吹過程的影響。

3.3 幾何模型

本文數(shù)值模擬提出單條濾袋作為計(jì)算區(qū)域，主要部件包括噴嘴、版面與噴嘴空間、濾袋內(nèi)部區(qū)域、濾袋外部區(qū)域（原煙氣室）。幾何模型如圖1所示。

圖1 單條濾袋幾何模型

3.4 邊界條件

噴吹氣體主要是空氣，故將噴吹氣體的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為黏性不可壓縮流體的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)問題，采用N-S不可壓縮黏性流體的控制方程。如圖2。

圖2 濾袋模型

①噴嘴位置采用速度進(jìn)口條件；②濾袋外壁位置、噴吹管外壁、花板面、濾袋底部采用固定避免函數(shù)；③計(jì)算區(qū)域采用恒壓邊界條件；④濾袋簡(jiǎn)化為薄壁多孔跳躍條件，內(nèi)部沿直徑方向的流動(dòng)方程由非穩(wěn)態(tài)的達(dá)西公式確定：

式中：γ——過濾風(fēng)速（m/s）；

K——濾料的透氣率（m2）；

μ——黏度系數(shù)（Pa·s），空氣取μ=1.81×10-5Pa·s；

r——濾袋厚度（m）。

3.5 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，對(duì)濾袋內(nèi)壁面的各點(diǎn)噴吹最大壓力值進(jìn)行連線，得到不同噴吹壓力條件下的濾袋內(nèi)表面噴吹峰值壓力曲線。

（1）從不同噴吹壓力模擬結(jié)果中，截取濾袋口下部1m位置的壓力曲線圖，可以看出濾袋內(nèi)壁面的峰值壓力隨噴吹壓力的增加基本呈上升趨勢(shì)，且噴吹壓力在0.2MPa到0.3MPa的壓力變化區(qū)間內(nèi)，對(duì)增加濾袋內(nèi)壁面的峰值壓力有較大提高，但當(dāng)噴吹壓力升高到0.3MPa以后，提升效果有限。如圖3。

圖3 噴吹壓力對(duì)濾袋內(nèi)壁面壓力趨勢(shì)圖

（2）從各噴吹壓力下濾袋長度方向內(nèi)表面峰值壓力的分布曲線上看，濾袋在濾袋口到大概濾袋口下部1m的位置內(nèi)，濾袋內(nèi)表面峰值壓力逐漸加大達(dá)到峰值，在達(dá)到峰值后，內(nèi)表面峰值壓力迅速降低，達(dá)到袋口約4.5m位置降到最小，并在袋底位置由于袋籠底蓋作用，有所反彈。如圖4。

圖4 濾袋噴吹內(nèi)表面峰值壓力分布圖

（3）根據(jù)4種壓力的分析方案結(jié)果，結(jié)合濾袋長度方向內(nèi)表面峰值壓力的分布圖得出，噴吹壓力的提高在濾袋上半部分對(duì)濾袋內(nèi)壁面的峰值壓力提升效果較明顯，對(duì)于濾袋下半部分影響有限。

4 袋式除塵器脈沖清灰工藝優(yōu)化

4.1 濾袋長度的選定

從數(shù)值分析結(jié)果來看，濾袋噴吹峰值壓力基本分布為上部最大、下部其次、中部最小，且噴吹峰值壓力在上半段的衰減較大。以6000mm濾袋長度的數(shù)據(jù)分析結(jié)果為例，沿濾袋長度方向影響清灰評(píng)價(jià)的三大指標(biāo)值的壓力大小和壓力分布均勻性下降。增加濾袋的長度可以減小袋式除塵器的占地面積和投資費(fèi)用，但從6000mm濾袋的分析結(jié)果來看，盲目增長濾袋會(huì)導(dǎo)致濾袋下部的清灰效果很差，下部的過濾面積由于清灰效果不理想，通過煙氣量很小，長期運(yùn)行后基本會(huì)達(dá)到無效的過濾面積，無法起到過濾作用。故對(duì)清灰強(qiáng)度要求較高的袋式除塵器，濾袋的設(shè)計(jì)長度不宜過長。

4.2 氣包的選型及管道優(yōu)化

針對(duì)氣包選型，噴吹氣包應(yīng)能滿足濾袋使用期內(nèi)單次噴吹所需氣量，以保證噴吹時(shí)濾袋需要的氣量。但由于濾袋使用期前后較合理的噴吹氣量不盡相同，如一味追求全壽命周期的噴吹氣量要求，選型的氣包體積將會(huì)增大，設(shè)備成本及占地面積均會(huì)增大。故可在選型時(shí)排除后期極端工況的影響，僅考慮較為常規(guī)的情況。在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)增大氣包進(jìn)氣管路的尺寸，降低進(jìn)氣阻力，以保證氣包進(jìn)行噴吹時(shí)，能夠及時(shí)補(bǔ)充氣包內(nèi)的壓縮空氣。

4.3 穩(wěn)壓罐的增配

針對(duì)濾袋運(yùn)行后期，清灰氣量要求提升，以及防止特殊運(yùn)行情況下，需增大噴吹氣量?？赏ㄟ^增設(shè)穩(wěn)壓罐體積作為噴吹用的備用，并使其保持在一定壓力。保證在極端工況下濾袋的清灰氣量需求，以保證濾袋的清灰效果及粉塵排放的穩(wěn)定。在現(xiàn)場(chǎng)和財(cái)力允許時(shí)，盡量選用大容量穩(wěn)壓罐，同時(shí)，要保證穩(wěn)壓罐和空氣包之間的距離，避免在輸送壓縮裝置時(shí)導(dǎo)致較大壓力損失。

4.4 噴吹氣源壓力值的設(shè)定及調(diào)節(jié)

脈沖式除塵器濾袋從使用前期、中期、后期，各階段的阻力值隨著使用時(shí)間的延長會(huì)逐步加大，故在相同的清灰壓力下，無法做到清灰均達(dá)到最佳效果。針對(duì)濾袋壽命階段噴吹壓力不同，可通過在進(jìn)氣管道增設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥，在濾袋壽命的不同階段，通過壓力調(diào)節(jié)閥對(duì)氣包內(nèi)的壓力進(jìn)行調(diào)整，對(duì)噴吹的最優(yōu)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證濾袋壽命期內(nèi)均處于最優(yōu)的過濾狀態(tài)，以保證排放。

4.5 噴射管的優(yōu)化

關(guān)于噴射管長度，應(yīng)根據(jù)濾袋實(shí)際數(shù)目確定，從分析結(jié)果來看，由于濾袋下部的分布均勻性在下降，如噴吹管的垂直度及中心偏差較大，會(huì)導(dǎo)致分布不均勻性進(jìn)一步加大，導(dǎo)致濾袋內(nèi)壁面壓力出現(xiàn)偏流。故在噴吹管加工上需提高噴吹管的材質(zhì)強(qiáng)度及加工精度，避免噴吹管因自身重量而發(fā)生扭曲。并在噴吹管上加裝超音速導(dǎo)流噴嘴，可以有效防止噴口與中心位置偏差，從而提高噴管的效率。

4.6 連接管的優(yōu)化

氣包進(jìn)氣口孔徑的選取應(yīng)盡可能大，以確保其滿足充氣速率，如若氣包體積過大，則需要適當(dāng)增加設(shè)計(jì)進(jìn)氣管道。若儲(chǔ)氣回路由多個(gè)氣包相連而成，則應(yīng)采用三管連接，并盡量采用短管，減少彎頭數(shù)目，從而降低管道壓差。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)單條濾袋不同噴吹壓力的數(shù)值模擬，得到濾袋噴吹時(shí)整個(gè)濾袋內(nèi)壁面的峰值壓力。在此基礎(chǔ)上對(duì)影響噴吹壓力的因素進(jìn)行分析，得出噴吹系統(tǒng)氣包、壓力調(diào)節(jié)閥、緩沖罐、噴吹管的加工要求等方向的優(yōu)化方案，以輔助袋式除塵器濾袋壽命期的穩(wěn)定運(yùn)行及粉塵排放的達(dá)標(biāo)。由于噴吹系統(tǒng)在袋式除塵器運(yùn)行中工況復(fù)雜，本文對(duì)工況的有限元模型進(jìn)行了諸多簡(jiǎn)化，可能與實(shí)際工況存在部分偏差。