李 雪 劉 威 尹茜茜 彭語嫣 李 楊 張宇璐

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,四川 綿陽 621010)

濾筒式除塵器由于體積小、過濾效率高、便于維護(hù)等特點,在當(dāng)前工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。在工業(yè)實踐中,為解決狹小空間和局部作業(yè)區(qū)域的粉塵收集問題,近些年一種新型濾筒——扁式方框濾筒被應(yīng)用于工業(yè)除塵[3]。由于扁式方框濾筒褶皺數(shù)量多且深、夾角小,清灰問題一直是關(guān)鍵,清灰效果的好壞與除塵器效率、運(yùn)行阻力、濾筒使用壽命等各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)息息相關(guān)[4-6]。

噴吹孔是影響濾筒清灰性能的重要因素,其形狀、大小、數(shù)量都會對濾筒清灰性能造成影響。因此,國內(nèi)外許多學(xué)者針對噴吹孔對濾筒清灰性能進(jìn)行了大量研究[7-10]。CHEN[11]等利用數(shù)值模擬,通過改變噴吹孔形狀,對比分析了普通圓形噴吹孔和環(huán)形狹縫的速度流場和壓力流場,認(rèn)為環(huán)形狹縫下濾筒上部的壓力分布更均勻。SHIM[12]等設(shè)計了新型雙縫噴嘴,對比分析單噴吹孔、單噴嘴和雙狹縫噴嘴的粉塵排放情況和系統(tǒng)壓降,試驗證明雙狹縫噴嘴的清灰效果更好,粉塵排放濃度更低。LI[13]等用復(fù)合壓力作為評價指標(biāo),對沿氣流噴射方向的5 個噴吹孔直徑進(jìn)行優(yōu)化,并且優(yōu)化后濾筒內(nèi)壁的壓力均勻性和噴吹孔下方瞬時壓降都有很大提高。KANG[14]等針對扁式方框濾筒設(shè)計新型條縫式噴吹孔,并與普通圓形噴吹孔進(jìn)行對比分析,研究得出條縫式噴吹孔的清灰性能優(yōu)于普通圓形噴吹孔,但仍然存在各噴吹孔氣流分配不均勻的問題?？傮w來說,傳統(tǒng)圓噴吹孔更適用于常規(guī)的圓筒型濾筒結(jié)構(gòu),針對扁式方框濾筒同一噴吹管上噴吹孔的研究相對較少,在實際工業(yè)中普遍采用設(shè)計者的經(jīng)驗取值。

在扁式濾筒的上下兩端,因褶皺結(jié)構(gòu)被固定,受脈沖反吹氣流震蕩作用較弱,導(dǎo)致濾筒上下兩端夾粉嚴(yán)重,特別是黏附性粉塵,在兩個噴吹孔中間更容易形成清灰死角,造成扁式濾筒的有效過濾面積大大降低,運(yùn)行阻力增大,除塵效率降低[15-16]。本文旨在解決扁式濾筒清灰死角問題,提高清灰整體均勻性,在課題組已有研究基礎(chǔ)上[17-19],針對扁式方框濾筒的結(jié)構(gòu)特點,提出兩種型式的噴吹孔,采用脈沖噴吹冷態(tài)試驗分析探究扁式濾筒的清灰性能。通過對條縫式噴吹孔與密集圓孔式噴吹孔噴吹性能的比對研究,以解決扁式方框濾筒除塵器清灰均勻性問題,為擴(kuò)大扁式方框濾筒在工業(yè)中的應(yīng)用范圍、提高除塵效率具有非常重要的意義。

1 脈沖噴吹冷態(tài)試驗

1.1 試驗裝置與設(shè)計

圖1 所示為脈沖噴吹試驗平臺示意,由3 個部分組成,供氣系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)和壓力測試系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)由HAD-1SNF 型冷凍式空氣干燥機(jī)、WW-0.9/10B-Q 型空氣壓縮機(jī)和儲氣罐組成;噴吹系統(tǒng)由SXC-8A1 型脈沖控制儀、氣包(容積為24 L、壁厚為7.5 mm)、DMF-ZM-25 型1"電磁閥、噴吹管(長為1 200 mm、外徑為28 mm)、聚酯紡黏無紡布B16500扁式方框濾筒(長470 mm、寬64 mm、高1 000 mm、褶深31 mm、單面褶個數(shù)33、過濾面積4.3 m2)等組成;壓力測試系統(tǒng)為光纖傳感分析儀、KA-FPP90 壓力傳感器和電腦(裝有OSA 軟件)等部分。

圖1 脈沖噴吹試驗平臺示意Fig.1 Schematic diagram of pulse injection test platform

1.2 測試方法和評價標(biāo)準(zhǔn)

為探究總噴吹面積相同的條縫式噴吹孔與密集型圓孔,在不同噴吹距離和噴吹壓力下對扁式濾筒的清灰性能影響,在扁式濾筒表面安裝6 個監(jiān)測點,并形成了兩組特殊的清灰區(qū)域:正對噴吹孔和非正對噴吹孔,利用壓力傳感器測試扁式濾筒內(nèi)表面的壓力峰值(參考文獻(xiàn)[20]進(jìn)行工業(yè)覆粉試驗,結(jié)果表明采用粉煤灰作為覆粉顆粒時,當(dāng)濾筒內(nèi)表面平均壓力峰值高于500～600 Pa 時,才可以達(dá)到其清灰要求。因此在脈沖噴吹清潔試驗時以側(cè)壁壓力峰值500 Pa 作為評價指標(biāo)來初步確定其是否滿足扁式濾筒所需的清灰強(qiáng)度要求),以濾筒內(nèi)表面壓力峰值作為評判其清灰強(qiáng)度的依據(jù)(平均壓力峰值(AP))。測點布置:沿著濾筒長度的方向設(shè)置2 列共6 個測點,即測點P1～P6,其中P1～P3 測點正對條縫式噴吹孔,P4～P6 位于2 個噴吹孔中間的中心位置(即非正對噴吹孔)。測點P1 和P4 到濾筒口的距離為100 mm,測點P2和P5 為500 mm,測點P3 和P6 為900 mm,如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of monitoring points

為保證試驗的準(zhǔn)確性,每組試驗重復(fù)6 次,取平均值。

試驗共設(shè)計4 種不同長度的條縫式噴吹孔和1種密集型圓形噴吹孔,具體設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 噴吹管設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of blowpipe

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 噴吹距離對扁式濾筒壓力峰值的影響

噴吹壓力為0.3 MPa 時,不同型式噴吹孔在不同噴吹距離時,扁式濾筒的側(cè)壁壓力峰值變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 不同型式噴吹孔在0.3 MPa 下不同噴吹距離的側(cè)壁壓力峰值Fig.3 Peak wall pressure of different injection holes with different injection distances at 0.3 MPa

從圖3(a)可以看出,兩縫噴吹孔的壓力峰值隨噴吹距離的增大呈現(xiàn)先減小后逐步增大的趨勢(測點P4、P5 除外),且正對噴吹孔的壓力峰值均大于非正對噴吹孔。測點P4處于非正對噴吹孔,噴吹距離的變化對其影響不大,測點P5 雖然也處于非正對噴吹孔,但隨著噴吹距離的增大,氣流進(jìn)入扁濾筒內(nèi)迅速擴(kuò)散,誘導(dǎo)了更多的氣量進(jìn)入非正對噴吹孔的濾筒中部,使濾筒的壓力上升。在噴吹距離小于20 mm時,測點P4 的壓力峰值最小,這是由于當(dāng)噴吹距離過小時,噴吹孔的氣流擴(kuò)散未覆蓋至非正對噴吹孔上部。在噴吹距離為40 mm 時,各測點的壓力峰值最小,當(dāng)噴吹距離大于60 mm 時,各測點的壓力峰值又開始降低(測點P3 在噴吹距離大于80 mm 時),這是由于噴吹距離過大時,更多的噴吹氣流在擴(kuò)散運(yùn)動的過程中逸散在扁式濾筒之外,使扁式濾筒獲得的氣流量減少。從圖3(a)也可以看出,測點P4 的側(cè)壁壓力峰值均小于500 Pa,這表明在此以上任何噴吹距離都難以滿足清灰強(qiáng)度的要求。

從圖3(b)可以看出,隨著噴吹距離的增大,噴吹孔射流進(jìn)入扁濾筒時,誘導(dǎo)了周圍更多的氣量進(jìn)入濾筒,正對噴吹孔壓力峰值逐漸變大。當(dāng)噴吹距離繼續(xù)增大,噴吹孔射流進(jìn)入濾筒的壓力會逐漸變小,進(jìn)而導(dǎo)致正對噴吹孔壓力峰值逐漸變小。非正對噴吹孔壓力峰值主要受內(nèi)部流場疊加影響較大,當(dāng)誘導(dǎo)氣量增大時,在濾筒中下部氣流疊加作用明顯,而對濾筒上部作用較小,因此在非正對噴吹孔的濾筒上部壓力峰值逐漸減小。同時,在噴吹距離為20～30 mm 時,各測點壓力峰值達(dá)到最高。測點P4 在噴吹距離為40 mm、60 mm 時,不滿足清灰強(qiáng)度要求,其余各壓力點均滿足清灰強(qiáng)度要求。

從圖3(c)可以看出,隨著噴吹距離的增大,各測點壓力峰值變化不大,這說明氣流進(jìn)入濾筒內(nèi)擴(kuò)散疊加作用不強(qiáng),也可能疊加范圍未覆蓋測點所在位置。在噴吹距離為20～40 mm 時,各測點壓力峰值達(dá)到最高。各測點壓力均滿足清灰強(qiáng)度要求。

從圖3(d)可以看出,當(dāng)噴吹距離增大時,各測點的壓力峰值先增大后減小,在噴吹距離為20～30 mm時達(dá)到最大值。同時,測點P4 的側(cè)壁壓力峰值均小于500 Pa,這表明在此以上任何噴吹距離都難以滿足清灰強(qiáng)度的要求。

從圖3(e)可以看出,隨著噴吹距離的增大,測點P1、P3、P5、P6 壓力峰值先增大后減小,測點P2 壓力峰值逐漸減小,測點P4 壓力峰值先減小后增大又減小。測點P4 因處于非正對孔最上端,在噴吹距離為60 mm 時,氣流疊加最大,壓力峰值達(dá)到最高。在設(shè)置的所有噴吹距離下,各測點均可以滿足清灰強(qiáng)度要求。

比較圖3(a)～(d)可知,隨著噴吹距離的增大,各測點壓力峰值大都呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。兩縫噴吹孔、五縫噴吹孔在所設(shè)計的任何噴吹距離下,測點4 都無法達(dá)到清灰強(qiáng)度要求,在工程應(yīng)用中可以不再考慮。三縫噴吹孔在噴吹距離為40 mm、60 mm時,不滿足清灰強(qiáng)度要求,四縫噴吹孔受噴吹距離影響不大,且各測點都滿足清灰強(qiáng)度要求。

條縫型噴吹孔的最大壓力峰值明顯大于密集圓孔的最大壓力峰值。條縫型噴吹孔受噴吹距離影響不大,因為噴吹距離雖然變大,但誘導(dǎo)進(jìn)入扁濾筒的氣量可能會增多;大量高速氣流直接進(jìn)入到濾筒底部,使得扁濾筒中上部略呈負(fù)壓狀態(tài),當(dāng)氣流到達(dá)扁濾筒底部后,動壓瞬間轉(zhuǎn)化成靜壓,使得扁濾筒底部壓力達(dá)到最大。密集圓孔受噴吹距離制約明顯:單個圓孔面積小,在相同壓力下,瞬間進(jìn)入扁濾筒的氣量少,誘導(dǎo)周邊進(jìn)入扁濾筒的氣量也較少,氣流更多作用于扁濾筒的上部,使得扁濾筒上部得到了最大壓力;氣流延濾筒下行,當(dāng)余量氣流到達(dá)扁濾筒底部后,動壓轉(zhuǎn)化成靜壓,因此扁濾筒底部壓力峰值略大于扁濾筒中部壓力峰值。

表2 為不同噴吹距離的條縫式噴吹孔和密集圓孔的側(cè)壁壓力峰值分析,由表2 可知,增大噴吹距離,AP 大都先增大后減小。結(jié)合圖3 和表2,在滿足濾筒清灰強(qiáng)度要求的條件下,分析三縫噴吹孔與四縫噴吹孔發(fā)現(xiàn):三縫噴吹孔在噴吹距離為20 mm 時,AP最大,為2 921 Pa;四縫噴吹孔在噴吹距離為40 mm時,AP 最大,為2 477 Pa;噴吹距離在10～60 mm 時,相同噴吹距離下,三縫噴吹孔的AP 均大于四縫噴吹孔AP。因此初步判斷,條縫型噴吹孔最優(yōu)設(shè)計參數(shù):三縫噴吹孔,噴吹距離為20 mm。密集圓孔在噴吹距離為10～20 mm 時,AP 接近且最大,當(dāng)噴吹距離為20 mm 時,AP 最大為1 844 Pa,為密集圓孔的最優(yōu)噴吹距離。

表2 不同型式噴吹孔在不同噴吹距離下的平均側(cè)壁壓力峰值(0.3 MP)Table 2 Average peak wall pressure of different types of injection holes at different injection distances (0.3 MP)

2.2 噴吹壓力對扁式濾筒壓力峰值的影響

增大噴吹壓力是提高扁式濾筒清灰性能最有效的手段[21-22]。為了進(jìn)一步分析在不同噴吹壓力下,不同型式噴吹孔對扁式濾筒壓力峰值的影響。選取噴吹距離為20 mm,在不同噴吹壓力下,考察不同長度的條縫型噴吹孔和密集型圓孔的側(cè)壁壓力變化規(guī)律,結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知,當(dāng)增大噴吹壓力時,各點的壓力值都存在不同程度的增大。對于條縫型噴吹孔噴吹壓力的增大主要增大了正對噴吹孔的壓力峰值,對非正對噴吹孔的壓力峰值影響較小。對于密集圓孔,噴吹壓力增大時,測點P3、測點P6 壓力增加較大,即隨著噴吹壓力增大,誘導(dǎo)氣流更多地作用到扁濾筒的底部。所以在能夠滿足清灰強(qiáng)度要求的情況下,低噴吹壓力對清灰均勻性更有利。

圖4 不同噴吹壓力在20 mm 噴吹距離下不同型式噴吹孔的側(cè)壁壓力峰值Fig.4 Peak wall pressure of different types of injection holes at 20 mm injection distance under different injection pressures

從清灰均勻性角度分析,三縫噴吹孔的測點P3壓力峰值最大,測點P4 壓力峰值最小,在0.3 MPa噴吹壓力下,兩點之間壓差為4 227 Pa,噴吹氣流主要作用于扁濾筒的底部,因此可解決扁式方框濾筒下部積灰嚴(yán)重的問題。密集圓孔的測點P1 壓力峰值最大,測點P5 壓力峰值最小,在0.3 MPa 噴吹壓力下,兩點之間壓差為1 052 Pa,噴吹氣流主要作用于扁濾筒的上部,且濾筒整體壓差較小,壓力分布均勻,可有效解決扁式方框濾筒上部清灰死角問題。

表3 為不同噴吹壓力的噴吹孔的側(cè)壁壓力峰值分布規(guī)律(MinP 為測點最小壓力值)。

表3 不同型式噴吹孔在不同噴吹壓力下的側(cè)壁壓力峰值分析(噴吹距離20 mm)Table 3 Analysis of peak wall pressure of different types of blowout holes under different blowout pressures (blowout distance 20 mm)

從表3 發(fā)現(xiàn),隨著噴吹壓力增大,不同型式噴吹孔的AP 和測點最小值(MinP)均逐漸增大,但增大趨勢在減小;在相同噴吹壓力下,條縫型噴吹孔隨著開孔個數(shù)的增加,噴吹孔AP先增大后減小又增大,MinP 先增大后減小,雖然五縫噴吹孔AP 也較大,但觀察MinP 發(fā)現(xiàn):兩縫噴吹孔、五縫噴吹孔在0.1～0.4 MPa 下MinP 均小于500 Pa,無法滿足清灰強(qiáng)度要求,其開孔方式最差,在以后的工程應(yīng)用中可不再考慮。同時可以看出,在噴吹壓力不變的前提下,三縫噴吹孔優(yōu)于四縫噴吹孔。當(dāng)在0.2 MPa 下,三縫噴吹孔AP 和MinP 均大于四縫噴吹孔,且四縫噴吹孔MinP 小于500 Pa,不滿足清灰要求,因此,采用三縫噴吹孔,在0.2 MPa 下即可實現(xiàn)清灰效果。雖然密集型圓孔在0.2 MPa 下的AP 值小于三縫噴吹孔AP 值,但是密集型圓孔的MinP 值大于三縫噴吹孔的MinP 值,可得出密集圓孔比三縫噴吹孔清灰性能均勻性更好,且密集圓孔在0.1 MPa 下即可達(dá)到良好的清灰效果。

3 結(jié)論

(1)利用脈沖噴吹清潔試驗,研究相同噴吹總面積的不同型式噴吹孔對扁式濾筒除塵效果的影響。兩縫噴吹孔(2×99 mm)、五縫噴吹孔(2×40 mm)在濾筒上部的非正對噴吹孔壓力峰值都無法達(dá)到有效清灰壓力。三縫噴吹孔(2×66 mm)優(yōu)于四縫噴吹孔(2×50 mm),在一定程度上可以提高扁式濾筒的非正對噴吹孔的壓力峰值,使濾筒底部得到較大壓力峰值。密集圓孔(88×?2.4 mm)的噴吹氣流主要作用于濾筒上部,且試驗設(shè)置的工況條件均滿足清灰壓力要求。三縫噴吹孔和密集圓孔的最優(yōu)噴吹距離均為20 mm。

(2)隨著噴吹壓力的增大,條縫型噴吹孔正對噴吹孔的壓力峰值增大,非正對噴吹孔的壓力峰值變化不大;密集圓孔的整體壓力峰值都增大,且對于扁濾筒底部側(cè)壁壓力峰值增大顯著。為減少濾筒的磨損,延長濾筒使用壽命,在國家倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的形勢下,當(dāng)噴吹壓力可以滿足清灰要求時,盡量選擇低壓清灰,所以三縫噴吹孔選擇噴吹壓力為0.2 MPa,密集圓孔選擇噴吹壓力為0.1 MPa 皆可滿足清灰強(qiáng)度要求。

(3)通過冷態(tài)試驗可以得出,采用三縫噴吹孔,噴吹距離為20 mm,在0.2 MPa 噴吹壓力下,可達(dá)到較好的清灰效果,并可解決扁式方框濾筒下部積灰的嚴(yán)重問題。采用密集圓孔,噴吹距離為20 mm,在0.1 MPa 噴吹壓力下,即可實現(xiàn)均勻的清灰效果,并可解決扁式方框濾筒上部清灰死角的棘手問題。