薛 峰,李 朋,黃琬嵐,胡 敏,顏翠平,陳海焱,楊 剛,b

(西南科技大學(xué) a.環(huán)境與資源學(xué)院;b.固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; c.四川省非金屬礦粉體改性與高質(zhì)化利用技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010)

電焊作業(yè)、粉體輸送、室內(nèi)裝修以及木材加工等領(lǐng)域，工業(yè)粉塵排放超標(biāo)，對(duì)人類身體健康造成嚴(yán)重危害[1-2]。其中亟待解決的是可呼吸性粉塵的排放問(wèn)題，如PM10、PM2.5。可呼吸性粉塵的過(guò)量吸入是塵肺病和其他呼吸道疾病的主要誘因[3-4]。

傳統(tǒng)的袋式除塵器具有占地面積大、運(yùn)行維護(hù)成本高等缺陷[5-7]。褶皺式濾筒過(guò)濾精度高，結(jié)實(shí)耐用不易破損，運(yùn)行維護(hù)成本大大降低，因此被廣泛使用[8-9]。褶皺式濾筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致除塵器運(yùn)行阻力增大，難以維持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，因此為了保障褶皺式濾筒除塵器的運(yùn)行阻力維持在合理的工況范圍內(nèi)，常采用脈沖噴吹的方式對(duì)褶皺式濾筒進(jìn)行清灰處理，以降低運(yùn)行阻力，但在使用普通的噴吹管對(duì)褶皺式濾筒進(jìn)行脈沖噴吹時(shí)會(huì)出現(xiàn)清灰不均勻、不徹底的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為濾筒中上部清灰效果差，粉餅難剝落等現(xiàn)象[10-12]，從而導(dǎo)致除塵器的運(yùn)行阻力升高，風(fēng)機(jī)能耗增加，制約了褶皺式濾筒的推廣使用。李世航等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，在除塵器過(guò)濾較細(xì)的粉塵粒徑d50=0～15 μm時(shí)，采取定阻清灰運(yùn)行模式能確保每次脈沖清灰更有效，實(shí)現(xiàn)更佳的清灰效果。

為了提高褶皺式濾筒除塵器的清灰效果，降低除塵器的運(yùn)行阻力，有許多學(xué)者進(jìn)行了噴嘴設(shè)計(jì)與改善方面的研究[14-17]。劉東等[18]通過(guò)噴吹平臺(tái)實(shí)驗(yàn)得出，在相同的0.4 MPa噴吹壓力下，相較于使用普通噴嘴，采用上部開口散射器對(duì)直徑×高為325 mm×1 000 mm的褶皺式濾筒進(jìn)行脈沖噴吹時(shí)，濾筒上部側(cè)壁壓力峰值增大98%以上，下部側(cè)壁壓力峰值減少33.6%以上，有效改善了清灰的均勻性。張情等[19]通過(guò)采用誘導(dǎo)噴嘴即超音速引流噴嘴和氣流散射器，對(duì)直徑×高為325 mm×660 mm褶皺式濾筒進(jìn)行噴吹實(shí)驗(yàn)，并與普通噴吹孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用誘導(dǎo)噴嘴時(shí)側(cè)壁壓力峰值平均值是普通噴吹孔的1.465倍，采用誘導(dǎo)噴嘴時(shí)各測(cè)點(diǎn)基本在同一時(shí)刻達(dá)到正峰值，確保了濾筒內(nèi)壁清灰壓力的均勻性。對(duì)于噴嘴改善清灰效果的研究多集中在獨(dú)立的濾筒脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)，通過(guò)壓力傳感器測(cè)量側(cè)壁壓力峰值來(lái)進(jìn)行評(píng)判。

在此基礎(chǔ)上，本文中進(jìn)一步開展實(shí)際的除塵器工業(yè)粉塵過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，通過(guò)除塵器運(yùn)行阻力等工業(yè)參數(shù)來(lái)表征不同類型噴嘴的實(shí)際清灰效果。以優(yōu)化工業(yè)車間內(nèi)除塵器的可持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)為出發(fā)點(diǎn)，采用褶皺式濾筒作為過(guò)濾材料，自主設(shè)計(jì)了柜式工業(yè)除塵器，以此作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以普通噴嘴、上部開口散射器、誘導(dǎo)噴嘴為研究對(duì)象，分別進(jìn)行實(shí)際的工業(yè)粉塵過(guò)濾實(shí)驗(yàn)。噴吹形式均為定阻力清灰，通過(guò)除塵器的噴吹剩余壓降，清灰間隔時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)來(lái)表征噴嘴的清灰效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置與材料

圖1所示為柜式工業(yè)除塵器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)。主要包括：4-72-3.2A型離心風(fēng)機(jī)(四川省川西風(fēng)機(jī)有限公司)；2個(gè)褶皺式覆膜濾筒(廣東省美凈濾清器有限公司)，具體參數(shù)見表1；氣包；2個(gè)直角DMF-Z-25型電磁脈沖閥(協(xié)昌環(huán)保科技有限公司)；SXC-X8A1-L型脈沖控制儀(河北永鑫環(huán)保設(shè)備有限公司)；TSI-8533EP型氣溶膠監(jiān)測(cè)儀(美國(guó)TSI有限公司)；U型管壓力計(jì)(量程為±6 000 Pa(合肥杜威儀表科技有限公司)；ZXC-2型振動(dòng)下料器(河北喬達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?。

圖1 柜式工業(yè)除塵器Fig.1 Cabinet industry dust collector

表1 濾筒尺寸參數(shù)表Tab.1 Parameters of filter cartridge

粉煤灰作為工業(yè)粉塵過(guò)濾實(shí)驗(yàn)的粉體顆粒，粒徑分別為d10=2.45 μm,d50=9.4 μm,d90=26.67 μm。

1.2 噴嘴與噴吹條件

利用2根直徑為25 mm的噴吹管分別負(fù)責(zé)2個(gè)濾筒的噴吹，噴吹孔直徑為16 mm，脈沖寬度均為0.08 s，每種噴嘴的樣式與噴吹條件參考了之前研究的最優(yōu)結(jié)果[18-19]，見圖2，具體噴吹條件參數(shù)見表2。

圖2 不同噴嘴樣式與尺寸Fig.2 Size and type of different kinds of nozzles

表2 噴吹條件參數(shù)Tab.2 Parameters of pulse-jet cleaning conditions mm

1.3 方法

通過(guò)工業(yè)粉塵過(guò)濾過(guò)程中除塵器運(yùn)行阻力的變化與定阻清灰間隔時(shí)長(zhǎng)來(lái)表征3種不同類型噴嘴對(duì)褶皺式濾筒的清灰效果。由于設(shè)備氣包容積的限制，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行噴吹壓力為0.5 MPa以上的噴吹清灰。同時(shí)考慮到較高的噴吹壓力會(huì)對(duì)濾筒下部造成損耗，實(shí)驗(yàn)變量為不同的噴吹壓力(0.2、0.3、0.4 MPa)和不同的噴嘴型式(普通噴嘴、上部開口散射器、誘導(dǎo)噴嘴)，交叉組合出9組工業(yè)粉塵過(guò)濾實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的其他運(yùn)行參數(shù)均保持統(tǒng)一，即通過(guò)變頻器調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率，設(shè)定過(guò)濾風(fēng)速為1.4 m/min。通過(guò)預(yù)設(shè)的處理風(fēng)量提前計(jì)算并稱量出入口粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到40 g/m3時(shí)除塵器每運(yùn)行5 min所需的進(jìn)口粉塵質(zhì)量，由振動(dòng)加料器在額定時(shí)間內(nèi)均勻地送入除塵器進(jìn)口，從而盡量均勻地將除塵器的入口粉塵質(zhì)量濃度控制為40 g/m3；設(shè)定每組實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為100 min，全程用氣溶膠監(jiān)測(cè)儀持續(xù)記錄除塵器出口粉塵質(zhì)量濃度，并通過(guò)U型管讀數(shù)記錄除塵器運(yùn)行阻力的變化情況。

采用定阻噴吹的脈沖清灰形式，需先測(cè)量除塵器空載時(shí)即入口處不吸入粉塵的初始運(yùn)行阻力Δp0，在除塵器過(guò)濾風(fēng)速穩(wěn)定在1.4 m/min時(shí)，通過(guò)U型管讀數(shù)測(cè)得系統(tǒng)的初始運(yùn)行阻力Δp0=30 Pa，參考李世航等[20]的研究，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定當(dāng)除塵器運(yùn)行阻力達(dá)到8倍的Δp0時(shí)(240 Pa)進(jìn)行一次脈沖噴吹。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種噴嘴在不同噴吹壓力下的清灰效果比較

圖3所示為除塵器使用普通直角噴嘴，在0.2、0.3、0.4 MPa 3種噴吹壓力下進(jìn)行定阻力240 Pa脈沖清灰的運(yùn)行阻力變化情況。

由圖3中紅色標(biāo)識(shí)可知，當(dāng)除塵器運(yùn)行阻力達(dá)到240 Pa，即8倍的Δp0時(shí)，進(jìn)行1次脈沖噴吹過(guò)后的瞬間，除塵器阻力下降到最低點(diǎn)的阻力值，記作剩余壓降值pR(Pa)；從第1次脈沖噴吹開始，到下一次脈沖噴吹進(jìn)行的間隔時(shí)間，記作清灰間隔時(shí)間t(s)。剩余壓降值pR越小，清灰間隔時(shí)間t越大，表明除塵器在定阻清灰模式下的清灰效果越好[21]。

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用普通直角噴嘴進(jìn)行定阻清灰時(shí)，隨著噴吹壓力的增大，平均清灰間隔時(shí)間也隨之增大。當(dāng)噴吹壓力從0.2 MPa提升到0.3 MPa后，平均清灰間隔時(shí)間增加了172 s；當(dāng)噴吹壓力從0.3 MPa提升到0.4 MPa時(shí)，平均清灰間隔時(shí)間增加了14.6 s，變化不顯著。另一方面，隨著噴吹壓力的增大，平均剩余壓降先減小后增大。當(dāng)噴吹壓力從0.2 MPa升高到0.3 MPa時(shí)，平均剩余壓降顯著減小，減少了50.45 Pa；當(dāng)噴吹壓力從0.3 MPa提高到0.4 MPa時(shí)，平均剩余壓降略微增大了9.3 Pa。

圖4所示為除塵器使用上部開口散射器在0.2、0.3、0.4 MPa噴吹壓力下進(jìn)行定阻力240 Pa脈沖清灰的運(yùn)行阻力變化情況。由圖可知，當(dāng)采用上部開口散射器進(jìn)行定阻清灰時(shí)，隨著噴吹壓力的增加，平均清灰間隔時(shí)間也隨之顯著增加。當(dāng)噴吹壓力從0.2 MPa提升至0.3 MPa時(shí)，平均清灰間隔時(shí)間增加了171.5 s；當(dāng)噴吹壓力從0.3 MPa升高到0.4 MPa后，平均清灰間隔時(shí)間依然大幅增加，增加了180.8 s。另一方面，隨著噴吹壓力的增大，平均剩余壓降的變化并不顯著。當(dāng)噴吹壓力從0.2 MPa增加到0.3 MPa時(shí)，平均剩余壓降僅增加了3.3 Pa；當(dāng)噴吹壓力從0.3 MPa進(jìn)一步升高到0.4 MPa時(shí)，平均剩余壓降也只是增加了3.84 Pa。

觀察圖3與圖4可知，在相同的噴吹壓力下，使用上部開口散射器時(shí)的除塵器平均清灰間隔時(shí)間均比使用普通直角噴嘴時(shí)更長(zhǎng)，即有效減少了維持除塵器穩(wěn)定運(yùn)行所需的脈沖噴吹次數(shù)。這一現(xiàn)象主要?dú)w結(jié)于上部開口散射器對(duì)于噴吹氣流流場(chǎng)的改變，開口散射器的錐形結(jié)構(gòu)在降低了噴吹氣流的流速同時(shí)又卷吸誘導(dǎo)了部分流體，既降低了濾筒下部承受的噴吹壓力，又提高了濾筒上部的噴吹壓力，使整個(gè)噴吹過(guò)程更加均勻，提高了濾筒上部的粉餅剝落效率。在0.2 MPa噴吹壓力下使用上部開口散射器的平均剩余壓降顯著低于使用普通直角噴嘴，在其他噴吹壓力下則略高于普通直角噴嘴。

圖5所示為除塵器使用誘導(dǎo)噴嘴，在0.2、0.3、0.4 MPa噴吹壓力下進(jìn)行定阻力240 Pa脈沖清灰的運(yùn)行阻力變化情況。由圖可知，當(dāng)使用誘導(dǎo)噴嘴進(jìn)行定阻清灰時(shí)，隨著噴吹壓力的增加，平均清灰間隔時(shí)間也隨之增加。當(dāng)噴吹壓力從0.2 MPa提高到0.3 MPa之后，平均清灰間隔時(shí)間由187.88 s大幅增加到了466 s；當(dāng)噴吹壓力從0.3 MPa增長(zhǎng)到0.4 MPa之后，平均清灰間隔時(shí)間僅增加了87.7 s。隨著噴吹壓力的增大，平均剩余壓降在逐漸減小。當(dāng)噴吹壓力從0.2 MPa升高到0.3 MPa時(shí)，平均剩余壓降減小了13.88 Pa；當(dāng)噴吹壓力從0.3 MPa進(jìn)一步升高到0.4 MPa時(shí)，平均剩余壓降從144 Pa減小到了116.25 Pa，減少了27.75 Pa。

對(duì)比圖3與圖5可知，在0.2 MPa的噴吹壓力下，使用誘導(dǎo)噴嘴時(shí)的除塵器平均清灰間隔時(shí)間要少于使用普通直角噴嘴時(shí)。在0.3、0.4 MPa的噴吹壓力下，使用誘導(dǎo)噴嘴時(shí)的平均清灰間隔時(shí)間比使用普通直角噴嘴時(shí)更長(zhǎng)，即同樣運(yùn)行時(shí)間內(nèi)只需更少的脈沖噴吹次數(shù)，這一改善效果源于誘導(dǎo)噴嘴上半部分的引流噴嘴可通過(guò)側(cè)孔誘導(dǎo)大量氣體并在出口處再次形成卷吸，使更多氣體進(jìn)入濾筒內(nèi)部，之后通過(guò)氣流散射器使氣流分散，進(jìn)而大面積、低速度地進(jìn)入濾筒內(nèi)部，動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為靜壓，有利于加大清灰力度。在0.2、0.4MPa噴吹壓力下使用誘導(dǎo)噴嘴時(shí)的平均剩余壓降同使用普通直角噴嘴時(shí)差別不大，在0.3 MPa噴吹壓力下則高于普通直角噴嘴。

2.2 除塵器出口粉塵濃度以及質(zhì)量參數(shù)

每組工業(yè)粉塵過(guò)濾實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行期間都使用氣溶膠監(jiān)測(cè)儀對(duì)除塵器的出口粉塵質(zhì)量濃度度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)記錄，結(jié)果見圖6—8。

由圖可以看出，在除塵器入口粉塵質(zhì)量濃度統(tǒng)一為40 g/m3，運(yùn)行時(shí)間為100 min的條件下，使用普通噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa下進(jìn)行脈沖噴吹時(shí)，除塵器的平均出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.2、0.18、0.31 mg/m3；使用上部開口散射器在0.2、0.3、0.4 MPa下進(jìn)行脈沖噴吹時(shí)，除塵器的平均出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.18、0.16、0.13 mg/m3；使用誘導(dǎo)噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa下進(jìn)行脈沖噴吹時(shí)，除塵器的平均出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.13、0.15、0.15 mg/m3。以上每組實(shí)驗(yàn)除塵器過(guò)濾效率均達(dá)到了99.9%以上，實(shí)現(xiàn)了良好的除塵器實(shí)際運(yùn)行效果。

針對(duì)定阻清灰模式下除塵器的清灰效果評(píng)判，李建龍等[21]在研究中提出了質(zhì)量因數(shù)Fq(J-1)來(lái)表征定阻清灰模式下除塵器的清灰效果，認(rèn)為Fq值越大，則代表清灰效果越好。Fq的計(jì)算公式為

(1)

式中：ρout和ρin分別為除塵器的平均出口和入口粉塵質(zhì)量濃度，mg/m3；Δp為運(yùn)行時(shí)間內(nèi)除塵器平均阻力，Pa；Q代表過(guò)濾風(fēng)率，m3/s；p0和p1分別為脈沖噴吹前和噴吹后氣包的壓力，Pa；Vt為氣包的體積，m3；t為除塵器運(yùn)行時(shí)間,s；n代表運(yùn)行時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的脈沖噴吹次數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入Fq公式，計(jì)算得到，使用普通噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下噴吹時(shí)的Fq分別為0.072、0.078、0.072 J-1；使用上部開口散射器時(shí)的Fq=0.086、0.089、0.093 J-1；使用誘導(dǎo)噴嘴時(shí)的Fq=0.082、0.091、0.087 J-1。每組實(shí)驗(yàn)的平均出口粉塵質(zhì)量濃度與Fq變化情況如圖9所示。由圖可知，相較于使用普通噴嘴在不同噴吹壓力下進(jìn)行脈沖清灰，使用上部開口散射器時(shí)除塵器的平均出口粉塵質(zhì)量濃度更低，F(xiàn)q更大，即脈沖清灰效果與過(guò)濾效率更佳。使用誘導(dǎo)噴嘴在不同噴吹壓力下進(jìn)行脈沖噴吹時(shí)，除塵器的平均出口粉塵質(zhì)量濃度也比使用普通噴嘴時(shí)的更低，F(xiàn)q比使用普通噴嘴時(shí)更高。

圖9 平均出口粉塵質(zhì)量濃度與Fq值變化情況Fig.9 Variation tendency of dust emission concentration and Fq

3 結(jié)論

1)在入口粉塵質(zhì)量濃度為40 g/m3，運(yùn)行時(shí)間為100 min，噴吹壓力0.2、0.3、0.4 MPa的條件下，使用上部開口散射器對(duì)褶皺式濾筒進(jìn)行定阻脈沖清灰的平均清灰間隔時(shí)間分別為326.5、498、678.8 s，使用普通直角噴嘴時(shí)的分別為272、444、458.6 s，使用誘導(dǎo)噴嘴時(shí)的分別為187.88、466、553.7 s。使用上部開口散射器有效改善了噴吹流場(chǎng)，開口的錐形結(jié)構(gòu)既保證了噴吹氣流向下作用于濾筒底部，同時(shí)又卷吸誘導(dǎo)了部分環(huán)境流體，使濾筒內(nèi)部的脈沖氣流均勻分布，整體加強(qiáng)了噴吹清灰效果，表現(xiàn)為平均清灰間隔時(shí)間最長(zhǎng)，即噴吹次數(shù)更少，代表每次脈沖清灰更為有效，節(jié)約了能源消耗的同時(shí)維持了除塵器的持續(xù)運(yùn)行。

2)在0.2、0.3、0.4 MPa的噴吹壓力下，使用普通直角噴嘴時(shí)的出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.2、0.18、0.31 mg/m3，質(zhì)量因數(shù)Fq=0.072、0.078、0.072 J-1；使用上部開口散射器時(shí)的出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.18、0.16、0.13 mg/m3，質(zhì)量因數(shù)Fq=0.086、0.089、0.093 J-1；使用誘導(dǎo)噴嘴時(shí)的出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.13、0.15、0.15 mg/m3，質(zhì)量因數(shù)Fq=0.082、0.091、0.087 J-1。

綜上所述，由于設(shè)備氣包容積的限制，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行0.5 MPa以上的噴吹清灰，同時(shí)工業(yè)上長(zhǎng)時(shí)間的高壓噴吹運(yùn)行也容易導(dǎo)致濾筒損耗，因此在0.2、0.3、0.4 MPa的噴吹壓力中，位于0.4 MPa噴吹壓力下使用上部開口散射器時(shí)除塵器的出口粉塵質(zhì)量濃度最低，F(xiàn)q值也最大，說(shuō)明除塵器的清灰更加有效，清灰效果更好。