高溫陶瓷濾管除塵器的設計與工程應用

何志煒，湯建球，張家平

（航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，長沙 410010）

針對工業(yè)窯爐高溫煙氣治理，傳統(tǒng)工藝采用高溫電除塵技術進行煙塵凈化，但在工程應用中，高溫電除塵器存在瓷瓶炸裂、下灰不暢、效率下降等問題，給系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行帶來諸多影響。高溫陶瓷濾管除塵技術的出現，給高溫煙氣治理帶來新的技術方向。本文就高溫陶瓷濾管除塵器的原理、特點、主要設計參數的選擇、構造設計及工程應用情況進行了分析和總結。

1 高溫陶瓷濾管除塵器的工作原理

高溫陶瓷濾管除塵器的工作原理與傳統(tǒng)袋式除塵器類似（見圖1）。含塵煙氣在引風機負壓下通過進風導流板作用由下折轉向上，由濾管外部透過濾管內部過濾，在透過濾管的過程中，濾管表面生成塵膜，建立濾床，在慣性碰撞、截留、擴散、篩分等機理下實現凈化。

圖1 工作原理示意圖

隨著濾管外表面粉塵的不斷增加，倉室過濾阻力上升，當倉室壓差達到設定值或運行到設定時間時，可編程序邏輯控制器（PLC）發(fā)出信號，壓縮空氣由氣包通過脈沖閥從噴吹管上的噴嘴射入濾管內進行噴吹。噴吹結束后，濾管恢復至過濾狀態(tài)，脫落于灰斗的粉塵經輸灰裝置排出。

2 高溫陶瓷濾管特點

耐高溫，耐溫可達900℃；耐腐蝕，防止化學毒化；高溫陶瓷濾管一體化成型，無需袋籠；排放濃度可低于3mg/Nm3，可處理亞微米級顆粒；使用壽命不低于5a。

3 高溫陶瓷濾管除塵器主要設計參數的選擇

高溫陶瓷濾管除塵器的主要技術參數包括過濾風速、過濾面積、氣流上升速度、分室數量、噴吹壓力等。

3.1 過濾風速

過濾風速是決定高溫陶瓷濾管除塵器性能的一個重要參數，是指被過濾的氣體流量與濾管過濾面積的比值，單位是m/min。過濾風速的選擇與使用工況條件相關，一般不大于1m/min。

3.2 過濾面積

過濾面積是指起濾塵作用的有效面積，以平方計，計算公式如下：

式中：S——有效過濾面積，m2；Q——處理煙氣量，m3/h；V——過濾風速，m/min。

高溫陶瓷濾管外形見圖2，常用的規(guī)格見表1。

表1 高溫陶瓷濾管常用規(guī)格表

圖2 高溫陶瓷濾管外形

3.3 氣流上升速度

氣流上升速度是指在除塵器內部濾管底端含塵氣體能夠上升的實際速度，其大小對濾管被過濾的含塵氣體磨損，以及因脈沖清灰而脫離濾管的粉塵隨氣流重新返回濾管表面有重要影響，氣流上升速度按下式計算：

式中：vk——氣流上升速度，m/min；A——倉室截面積，m2；n——倉室濾管數量，個；f——每只濾管占有的面積，m2；Q——倉室處理的煙氣量，m3/h。

氣流上升速度的取值與粉塵的粒徑、濃度，以及倉室面積、濾管間距等因素有關，高溫陶瓷濾管除塵器最大氣流上升速度不宜大于75m/min。

3.4 分室數量

分室數量宜根據處理煙氣量、過濾風速、粉塵性質等因素確定，高溫陶瓷濾管除塵器的單個倉室濾管數量不宜大于500 根（規(guī)格：Φ150mm×3000mm）。

3.5 噴吹壓力

高溫陶瓷濾管除塵器宜采用中壓噴吹，噴吹壓力宜為0.3—0.5MPa，脈沖寬度宜為200—250ms。

4 高溫陶瓷濾管除塵器構造設計

4.1 灰斗

灰斗壁板宜采用厚度≥5mm 的Q355B 鋼板制造，針對高溫煙塵的收集，結合工程實踐經驗，灰斗大邊斜面角度不小于65°，同時出灰口法蘭尺寸不小于400mm×400mm，灰斗須設置加熱裝置及清堵空氣炮，壁板交接處設置圓弧板，避免積灰。

4.2 中箱體

中箱體耐負壓強度一般按風機全壓計算，壁板宜采用厚度≥5mm 的Q355B 折彎鋼板制造，以降低鋼耗。中箱體高度不低于濾管長度+1500mm，以起到氣流緩沖的效果。

4.3 花板

花板應平整、光潔，不應有撓曲、凹凸不平等缺陷，花板的孔與孔之間的距離宜≥230mm，花板采用厚度≥10mm 的Q355B 鋼板制造，同時設置足夠的加強筋，保證平面度偏差不大于花板長度的2‰?；ò蹇讖匠叽绻顬?—0.3mm，孔徑加工后實際位置與理論位置偏差應小于0.5mm。

4.4 凈氣室

采用高凈氣室結構，凈高不低于濾管長度+100mm，壁板宜采用厚度≥5mm 的Q355B 折彎鋼板制造，倉室人孔門采用雙層密封結構，尺寸不小于1600mm×900mm，便于陶瓷濾管的安裝維護。

4.5 進出風裝置

進風裝置有中箱體進風及灰斗進風兩種形式，每個倉室設置進口風量調節(jié)閥與膨脹節(jié)，進風裝置的布置應保證每個倉室的煙氣分配，偏差不大于5%，進風主管宜采用圓形結構，階梯布置，支管采用矩形結構，通過進風主管的風速宜為10—15m/s，倉室入口風速不宜大于8m/s。

出風裝置設計與進風裝置類似，通過出風主管的風速及倉室出口風速可適當提高。

4.6 清灰裝置

清灰裝置由脈沖閥、氣包、噴吹管及其支撐組成。

4.6.1 脈沖閥

常用的脈沖閥有直角式和淹沒式，其形式的選擇由布置確定，在選用時須考慮高溫環(huán)境因素，通常選用高溫型膜片，工程應用中多采用2.5 寸直角閥和3 寸淹沒閥，陶瓷濾管數量不宜大于25 根Φ150mm×3000mm。

4.6.2 氣包

氣包的容積設計根據所選型號脈沖閥一次噴吹最大耗氣量來決定，在脈沖噴吹后氣包內壓降不超過原來儲存壓力的30%，氣包最小容積計算公式如下[1]：

式中：Vmin——氣包最小容積，L；Δn——脈沖閥噴吹耗氣量摩爾數，mol；R——氣體常數，8.3145J/（mod·k）；ΔPmin——氣包內最小工作壓力，Pa；T——氣體溫度，℃；K——容積系數，＜30%。

式中：Q——脈沖閥一次耗氣量，L/次；22.4——標準狀態(tài)下氣體分子摩爾體積，L/mol。

4.6.3 噴吹管

陶瓷濾管上方設置噴吹管，每個噴吹管上有若干個噴吹孔，每個噴吹孔對準一個濾管口，陶瓷濾管管口配置文丘里管，清灰時從脈沖閥噴出的脈沖氣流通過噴吹孔的噴射作用射入濾管，并誘導周圍的氣體涌入濾管，使濾管產生振動，加上逆氣流的作用使濾管上的粉塵脫落，從而完成清灰過程。

噴吹管管徑與脈沖閥出氣管管徑相當，其壁厚≤4mm，一般情況下噴吹口平均孔徑按下式計算[1]：

式中：ΦP——噴吹口平均孔徑，mm；C——系數，取50%—65%；n——噴吹孔數量，個；d——脈沖閥出口直徑，mm。

噴吹口一般采用鉆孔成形，噴孔下設置導流管，可使噴射出的氣流集中垂直向下。在離噴吹管20mm處，鉆一個Φ20mm 的通孔（由于初次誘導氣流與輔助糾偏）。噴吹短管與噴吹管間通過點焊固定，噴吹短管與噴嘴的同軸度控制在Φ2mm 以內。導流管長度可按下式計算[1]：

式中：L——導流管長度，mm；CK——系數，取0.2—0.25；Φ1——噴吹孔口徑，mm；K——射流紊流系數，0.08。

噴吹管距離花板的高度是清灰裝置設計很重要的一個設計參數，直接影響濾管的使用壽命和過濾阻力，其合理的高度利用射流理論計算。將射流進入濾管的某一點視為射流的邊界，射流邊界距噴吹管管口的距離為h2。將射流邊界向噴射口方向延伸，會聚于P 點，稱為射流極點。射流原理見圖3。公式如下[1]：

圖3 射流原理示意圖

射流擴散角α=15.5°

式中：h2——噴吹管到花板距離，mm；Φ——濾管直徑，mm；α——噴射角度，°。

5 工程應用

漳州旗濱玻璃有限公司擬針對3#—8#線在現有場地內設計、制作、安裝一套煙氣處理備用系統(tǒng)（即新建設施作為6 條線的環(huán)保備用），3#-8#線備用調質除塵系統(tǒng)采用高溫陶瓷濾管除塵器。

5.1 高溫陶瓷濾管除塵器設計參數

高溫陶瓷濾管除塵器設計參數見表2。

表2 設計參數

5.2 設計要點

5.2.1 數值模擬研究為實現氣流均布，采用計算流體力學（CFD）模擬軟件，按照1 ∶ 1 的比例建立高溫陶瓷濾管除塵器全尺度三維模型（見圖4），通過合理設計煙道及灰斗內導流板，達到各倉室氣流分配均勻的要求。

圖4 三維幾何模型圖

5.2.1.1 倉室入口氣流組織

由于氣流的慣性，氣流有向各倉室入口最右側運動的特性，通過合理設計各倉室入口導流，有效解決各倉室的氣流偏流。從圖5、圖6 中可以看出各倉室流量均勻，無明顯偏流現象，各倉室流量分配見表3。

圖5 各倉室入口橫截面速度分布圖

圖6 各倉室入口速度分布圖

表3 各倉室流量分配情況

由表3 可以看出，各倉室流量分配偏差較小，最大偏差小于3%，完全滿足設計要求。

5.2.1.2 濾管底部及中部氣流組織

從圖7、圖8 可以看出，通過布置灰斗內導流擋板并優(yōu)化設計后，氣流在各倉室內部擴散后最大速度小于3m/s，有效阻止了氣流對內側濾管的沖刷。

圖7 濾管底部速度分布圖

圖8 濾管中部速度分布圖

5.2.1.3 整體流場分布

圖9、圖10、圖11 從不同角度反映了整個除塵器內部的流場分布情況，從圖中可以觀察煙道內整個流場分布情況，整個除塵器進出口煙道內煙氣分配均勻，無偏流現象。

圖9 速度云圖

圖10 矢量圖

圖11 流線圖

5.2.1.4 壓力分布

從圖12 中可以大致區(qū)分各段的壓力分布情況，濾管阻力占了整個除塵器的絕大部分。為了更有效分析分段壓降，沿著煙氣流動方向選取了4 個不同的參考截面，分別為除塵器入口截面、濾管底部入口截面、濾管出口截面、除塵器出口截面（見圖13），濾管段阻力為1000Pa，進出口煙道壓降為164.3Pa，除塵系統(tǒng)總壓降為1164.3Pa，滿足設計要求。

圖12 除塵器壓力分布圖

圖13 各截面壓力分布圖

5.2.2 灰斗及輸灰系統(tǒng)設計

為防止灰斗積灰及發(fā)生下灰不暢問題，采用螺旋機械輸送+稀相氣力輸灰方案。本項目除塵器雙列布置，每列四個灰斗，灰斗設置蒸汽伴熱及氣錘，灰斗口尺寸為1000mm×300mm，每兩個灰斗共用一條螺旋輸送機，每列兩條螺旋輸送機共用一個中間灰倉，中間灰倉下設連續(xù)輸送泵，通過稀相輸送系統(tǒng)將調質灰輸送至灰?guī)臁?/p>

5.3 運行效果

該項目自投運以來，運行穩(wěn)定，設備阻力為800—1000Pa，出口粉塵濃度為5—7mg/Nm3，優(yōu)于技術協議要求。

6 結語

高溫陶瓷濾管除塵技術運行穩(wěn)定可靠，設備阻力小、故障率低，可在玻璃窯爐、轉爐一次除塵、生物質鍋爐等高溫煙氣治理領域推廣應用。

通過工程實踐，總結如下：

（1）氣流均布系統(tǒng)設計是防止陶瓷濾管斷管故障的關鍵。通過CFD 軟件流場模擬，對工程設計起指導作用。

（2）噴吹系統(tǒng)的設計是控制系統(tǒng)阻力的關鍵，其中的重點是噴吹管的設計，噴吹管至花板的高度宜為300mm。

（3）灰斗大斜面角度、下灰口尺寸的設計及輸灰方式的選擇是防止灰斗積灰的關鍵，推薦采用螺旋機械輸送+稀相輸送組合方式。