脈沖清灰系統(tǒng)選型的理論估算及試驗(yàn)

王 勇，姚宇平

（浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800）

1 概述

隨著民眾環(huán)保意識(shí)和國家標(biāo)準(zhǔn)的提高，人們對諸如燃煤電站等排放的粉塵引起的污染越發(fā)關(guān)注。當(dāng)前，國內(nèi)的除塵器形式主要有電除塵器、袋式除塵器、電袋除塵器3類。其中，電除塵器占大多數(shù)份額，袋式除塵器和電袋復(fù)合除塵器所占的比例逐年提高。

清灰系統(tǒng)是袋式除塵器和電袋除塵器的關(guān)鍵技術(shù)之一。脈沖清灰是當(dāng)今主流清灰技術(shù)，其選型是否合理及部件性能直接影響著除塵器濾布的壽命、除塵器阻力、出口排放濃度及運(yùn)行能耗等重要技術(shù)指標(biāo)。在某些工程項(xiàng)目上，曾出現(xiàn)過脈沖清灰系統(tǒng)因設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致除塵器整機(jī)失效[1]。

2 清灰系統(tǒng)構(gòu)成及評判標(biāo)準(zhǔn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

常規(guī)的脈沖清灰系統(tǒng)主要由脈沖閥、氣包、噴吹管、噴嘴及控制系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 脈沖清灰系統(tǒng)構(gòu)成圖

除塵器在運(yùn)行過程中，由于濾袋兩側(cè)存在負(fù)壓，濾袋緊貼在籠骨筋上并呈凹行。氣流裹挾著粉塵沖向?yàn)V袋，粉塵在濾袋表面積聚，氣體則穿過濾袋并在凈氣室匯集后排出。隨著粉塵在濾袋表面堆積厚度的增加，粉塵和濾袋組合體的透氣性逐漸變差，組合體兩側(cè)的差壓逐漸變大（見圖2）。在達(dá)到一定程度后就需開啟清灰系統(tǒng)將粉塵從濾袋表面分離。

控制儀向電磁閥發(fā)出一個(gè)脈沖信號后膜片打開，壓縮空氣從氣包進(jìn)入噴吹管后經(jīng)噴嘴噴入濾袋。濾袋迅速由過濾狀態(tài)時(shí)的凹形變?yōu)橥剐?。壓縮空氣穿出濾袋后，由于濾袋的彈性和負(fù)壓的共同作用，濾袋迅速收縮，在慣性力的作用下，粉餅層與濾布脫離，完成濾袋的清灰（見圖3）。

圖2 濾袋過濾狀態(tài)

圖3 濾袋清灰狀態(tài)

2.2 脈沖清灰系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)

目前，業(yè)內(nèi)常用來判斷脈沖清灰系統(tǒng)效果好壞的標(biāo)準(zhǔn)有：氣包壓力下降率、濾袋內(nèi)部膨脹壓力、濾袋震動(dòng)加速度。

（1）氣包壓力下降率

氣包壓力下降率和脈沖閥性能密切相關(guān)。通過在一定儲(chǔ)氣包壓力和噴吹持續(xù)時(shí)間的條件下的單次噴吹氣量和壓力下降速率來判斷脈沖閥的性能好壞。兩種脈沖閥的氣包壓力曲線對比見圖4。

圖4 兩種脈沖閥的氣包壓力曲線對比

（2）濾袋內(nèi)部膨脹壓力[2]

膨脹壓力是指脈沖噴吹時(shí)，靠近濾袋壁處的最大靜壓值。布袋除塵器工作時(shí)，粉塵之所以在濾袋表面堆積，主要是因?yàn)闉V袋兩側(cè)的負(fù)壓產(chǎn)生的對粉塵吸附作用所致。清灰時(shí)產(chǎn)生的峰值壓力可抵消濾袋兩側(cè)的負(fù)壓，克服粉塵與濾料的吸附力。所以膨脹壓力是衡量脈沖閥對濾袋清灰性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。濾袋內(nèi)部膨脹壓力變化曲線見圖5。

圖5 濾袋內(nèi)部膨脹壓力變化曲線

（3）最大反向加速度[2]

噴吹清灰氣流的壓力作用使濾袋向外運(yùn)動(dòng)，到達(dá)極限位置后，濾袋張力使濾袋反向收縮所產(chǎn)生的最大加速度稱為最大反向加速度。將粉塵分離力Fs定義為濾布上的單位面積粉塵質(zhì)量md與濾袋的最大反向加速度ap的乘積，即Fs = md×ap。只有當(dāng)Fs超過粉塵與濾袋的黏附力Fa時(shí)，才會(huì)發(fā)生粉塵剝落。濾袋震動(dòng)加速度變化曲線見圖6。

圖6 濾袋震動(dòng)加速度變化曲線

3 脈沖清灰系統(tǒng)選型

清灰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型主要包括氣包容積和壓縮空氣消耗量的計(jì)算、噴吹管和噴嘴直徑的選擇，脈噴時(shí)間及工作壓力的選取。

3.1 氣包容積的估算

為保證清灰效果，清灰時(shí)濾袋在壓縮空氣作用下克服濾袋兩側(cè)的負(fù)壓及濾布的彈性力等并以一定的加速度向外運(yùn)動(dòng)。根據(jù)多孔介質(zhì)滿足的達(dá)西公式可以看出，濾袋兩端的差壓與穿過濾袋的風(fēng)速成正比：

在清灰瞬間：

式中：n—單根清灰管所帶袋數(shù)；D—濾袋直徑（m）；L—濾袋長度（m）；t —脈沖閥實(shí)際開啟時(shí)間（s）；V1—過濾風(fēng)速（m/min）。

以噴吹管有22個(gè)噴嘴，濾袋直徑130mm，濾袋長度8000m，脈沖閥實(shí)際開啟時(shí)間150ms，過濾速度1.2m/min的脈沖清灰系統(tǒng)為例，所需的空氣量：

活塞式脈沖閥運(yùn)行壓力為0.25MPa，噴吹后氣包內(nèi)的殘余壓力約為0.1MPa，則氣包所需最小容積V：

解方程得：V = 290L

確定氣包所需的最小容積后，根據(jù)濾袋的布置尺寸確定氣包的長度，而后確定氣包圓面的直徑。

3.2 噴吹管直徑的確定

噴吹管直徑和長度與壓縮空氣的運(yùn)動(dòng)阻力密切相關(guān)，但工程實(shí)踐中通常是根據(jù)脈沖閥的口徑選取直徑相當(dāng)且市場上常見的無縫鋼管。噴吹管的長度與濾袋布置間距和噴嘴數(shù)量相關(guān)。

3.3 噴嘴大小的確定

壓縮空氣從噴嘴噴出的臨界速度為音速（340m/s），則上例的噴吹系統(tǒng)中噴嘴直徑：

由于壓縮空氣在噴吹管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其靜壓力并不是一致的。在進(jìn)行脈沖清灰系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，若噴吹管上的噴嘴口徑相同，每個(gè)噴嘴的噴氣量并不是相同的，在噴吹管初端的幾個(gè)噴嘴出氣量小，末端幾個(gè)噴嘴出氣量大。這是由于壓縮空氣在噴吹管內(nèi)部的靜壓不同造成的。因此，噴吹管上的噴嘴大小不可設(shè)計(jì)成相同口徑。噴嘴的具體的尺寸調(diào)整需通過試驗(yàn)確定。

4 脈沖清灰系統(tǒng)試驗(yàn)

脈沖清灰系統(tǒng)的氣動(dòng)特性涉及復(fù)雜的流體力學(xué)理論，很難通過理論推算獲得精確解答，一些關(guān)鍵參數(shù)往往需要通過試驗(yàn)的方法來確定并在工程實(shí)踐中不斷地修正。

脈沖清灰試驗(yàn)平臺(tái)主要由氣源、儲(chǔ)氣包、氣源、脈沖噴吹管、均流噴嘴、測試用濾袋、壓力傳感器、差壓傳感器、加速度傳感器、脈沖控制儀、數(shù)據(jù)采集儀及電腦組成[2]（見圖7）。

圖7 脈沖清灰試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

4.1 噴嘴大小調(diào)整

為確定理論估算出的噴嘴大小對噴吹管上所有噴嘴噴吹流量均勻性的影響。對安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上的噴嘴大小均為Ф22mm的所有噴嘴進(jìn)行測試，通過對比袋口的膨脹壓力及震動(dòng)加速度可以看出：噴吹管上的所有噴嘴直徑都相同，但每個(gè)噴嘴產(chǎn)生的清灰效果會(huì)有較大的差異（見圖8、圖9）。這會(huì)影響除塵器的整體清灰效果及濾袋壽命。因此，需要對安裝在噴吹管上的噴嘴直徑進(jìn)行調(diào)整。

造成等徑噴嘴清灰效果均勻性較差的原因主要是壓縮氣體在脈沖噴吹管中流動(dòng)的阻力及靜壓特性。為了使各個(gè)噴嘴產(chǎn)生的清灰效果較為接近，就需要對其直徑進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過多次調(diào)整，獲得了較好的均勻性（見圖10、圖11）。

圖9 不同噴嘴產(chǎn)生的震動(dòng)加速度均勻性

圖8 不同噴嘴產(chǎn)生的差壓均勻

圖10 不同噴嘴產(chǎn)生的差壓均勻性

圖11 不同噴嘴產(chǎn)生的震動(dòng)加速度均勻性

4.2 最優(yōu)噴吹距離的確定

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)噴吹管噴嘴與袋口的距離對清灰效果有明顯的影響，且該距離與清灰效果并不呈現(xiàn)出線性關(guān)系，而是存在類似拋物線型的關(guān)系。從圖12和圖13中可以看出，曲線的極大值均在噴嘴與袋口距離在250mm左右的位置。這說明250mm是該噴吹系統(tǒng)噴嘴至袋口的最優(yōu)距離。

圖12 噴嘴至袋口距離與膨脹壓力的關(guān)系

圖13 噴嘴至袋口距離與震動(dòng)加速度的關(guān)系

5 結(jié)論

（1）氣包壓力下降率、濾袋內(nèi)部膨脹壓力及濾袋震動(dòng)加速度是評價(jià)脈沖清灰系統(tǒng)效果的間接依據(jù)。

（2）在進(jìn)行脈沖清灰系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可先通過理論估算的方法確定氣包容積及噴嘴大小等參數(shù)的初值，并將該初值作為試驗(yàn)的初始參數(shù)。

（3）脈沖清灰是復(fù)雜的可壓縮氣體的運(yùn)動(dòng)過程，涉及到非常復(fù)雜的流體力學(xué)理論。僅依靠理論推算很難獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，必須依靠相關(guān)試驗(yàn)來確定如噴嘴大小及噴嘴至袋口最優(yōu)距離等關(guān)鍵參數(shù)。

（4）經(jīng)理論估算及試驗(yàn)獲得的參數(shù)并不一定就是最準(zhǔn)確的，還需在工程實(shí)踐中根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整，以獲得最好的清灰效果。

[1] 陳志煒，王澤生，姚群，等.袋式除塵器脈沖閥性能評價(jià)方法及選型計(jì)算[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2005（10） ：76-77.

[2] 姚宇平，羅詩凱，壽家豐.袋式除塵器脈沖噴吹參數(shù)的試驗(yàn)研究[J].電力建設(shè)，2006（3）：55-60.