覆膜濾筒除塵器清除超細(xì)粉塵的過濾風(fēng)速和清灰參數(shù)

趙 楊， 鐘圣俊， 苗 楠， 鐘明君

（東北大學(xué) 冶金學(xué)院， 沈陽110819）

超細(xì)粉塵一般指粒徑小于10 μm 的粉塵，主要來自焊接與激光切割等加工過程［1］.焊接與激光切割技術(shù)在粉末冶金、汽車制造和光伏等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用［2］.近年來，焊接技術(shù)的發(fā)展取得了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，但隨之而來的環(huán)境問題也愈發(fā)嚴(yán)重.例如，激光焊接時(shí)會(huì)釋放氮氧化物和氟化物等有毒有害物質(zhì)，其粒徑小于1 μm.有毒有害的焊接粉塵會(huì)進(jìn)入人體呼吸道，對(duì)作業(yè)人員健康產(chǎn)生危害，如引發(fā)塵肺病和咽炎等疾病.不僅如此，無限制地排放焊接煙塵也會(huì)導(dǎo)致PM2.5超標(biāo)［3］.因此，開展降低超細(xì)粉塵排放的研究十分迫切.

傳統(tǒng)濾筒的過濾介質(zhì)為普通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，無論粉塵粒徑大小，經(jīng)過一定時(shí)間過濾后，都會(huì)出現(xiàn)濾料堵塞的情況，從而縮短濾筒壽命，提高成本和系統(tǒng)能耗.對(duì)此，現(xiàn)代工業(yè)除塵中采用覆膜濾筒替代傳統(tǒng)濾筒.覆膜濾筒是指在過濾介質(zhì)表面覆一層聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，使得粒徑小于1 μm的粉塵能有效地被濾筒捕集.因此，覆膜濾筒對(duì)降低超細(xì)粉塵的排放具有重要的實(shí)際意義.

過濾風(fēng)速是指氣體通過單位面積濾料的平均速度，是反映除塵器除塵能力的重要技術(shù)指標(biāo).過濾風(fēng)速直接影響除塵器的過濾效率和壓力損失［4］.林莉君等［1］利用濾筒除塵器對(duì)粒徑分布為0.5 ～5 μm 的三種粉塵在過濾風(fēng)速為0.4 ～2.8 m／min 時(shí)進(jìn)行了過濾實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了合適的過濾風(fēng)速下濾筒除塵器具有高除塵效率、低壓力損失等優(yōu)點(diǎn).李慧芳［5］利用普通濾筒除塵器和內(nèi)部添加錐體結(jié)構(gòu)的濾筒除塵器，通過改變過濾風(fēng)速對(duì)平均粒徑為23.04 μm 的滑石粉進(jìn)行了過濾測(cè)試，結(jié)果表明，新型濾筒除塵器過濾效率高于常規(guī)濾筒除塵器，壓力損失也有所降低.在測(cè)試清灰性能方面，Simon 及Humphries 等［6-7］通過研究得出結(jié)論：壓力峰值可以作為評(píng)價(jià)除塵器清灰效果的重要指標(biāo)，濾筒側(cè)壁壓力峰值越大，除塵器清灰效果越好.郭小永［8］利用Φ325 mm×1 000 mm的覆膜濾筒研究了噴吹孔徑、噴吹距離的改變對(duì)除塵器清灰性能的影響，確定了不同噴吹孔徑下的最佳噴吹距離.目前，對(duì)濾筒除塵器過濾性能的研究主要集中在結(jié)構(gòu)、濾料等方面，對(duì)覆膜濾筒除塵器超細(xì)粉塵過濾性能研究較少.在當(dāng)今工業(yè)用除塵器中，短濾筒得到普遍應(yīng)用（如玻璃除塵），直徑分為324 和351 mm 兩種，長度分為660 和711 mm兩種.而目前關(guān)于清灰性能方面的研究主要集中于代替濾袋的1 000 mm長濾筒［9］，對(duì)短濾筒的清灰性能研究較少.

因此，本文中利用Φ325 mm×660 mm 的PTFE 覆膜濾筒對(duì)超細(xì)粉塵進(jìn)行了過濾與清灰實(shí)驗(yàn)，利用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，從而改變過濾風(fēng)速，最終獲得不同過濾風(fēng)速對(duì)除塵器過濾效率和壓力損失的影響；通過改變清灰參數(shù)獲得其對(duì)濾筒側(cè)壁壓力峰值的影響，最終確定本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的最優(yōu)清灰參數(shù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)

過濾性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示，主要包括箱體、PTFE 覆膜濾筒、振動(dòng)喂料器、壓力傳感器等.出風(fēng)口連接風(fēng)量為805 ～1 677 m3／h 的可變頻離心風(fēng)機(jī).進(jìn)風(fēng)口橫截面尺寸為150 mm×150 mm，出風(fēng)口橫截面尺寸為250 mm×250 mm.

圖1 過濾性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 The test platform for filter performance

清灰性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示，主要包括空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、噴吹閥、壓電式傳感器等.沿濾筒方向布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，傳感器分別置于距濾筒頂端110，330，550 mm 處，記為1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)測(cè)點(diǎn).

圖2 清灰性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 The test platform for cleaning performance

1.2 粉塵粒徑測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)中將滑石粉過篩后作為超細(xì)粉塵的代表，進(jìn)行了粒徑分布的測(cè)定，如圖3 所示.超細(xì)粉塵具體定義為粒徑100%小于30 μm 的粉塵［10］.由圖3 可知，粒徑大于30 μm 的顆粒占整體的比例小于0.7%.因此，本實(shí)驗(yàn)中的粉塵可以作為超細(xì)粉塵進(jìn)行后續(xù)研究.

圖3 粒徑分布圖Fig.3 The distribution map of particle size

中位徑是指累計(jì)粒徑分布為50%時(shí)的顆粒物直徑大小，一般用D50表示［11］.實(shí)際應(yīng)用中，一般用中位徑來表示平均粒徑大小.因此，為了獲得更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)粉塵參數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)粉塵進(jìn)行5 次測(cè)量，以獲得平均粒徑大小.測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所列，最終求得50＝5.99 μm.

表1 滑石粉中位徑測(cè)量Table 1 The measurement of median diameter of talc powder μm

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

1.3.1 漏風(fēng)率測(cè)定

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究之前，對(duì)除塵器進(jìn)行漏風(fēng)率測(cè)試：控制變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，采用風(fēng)速儀測(cè)量管道內(nèi)除塵器進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口前后100 mm 處中心位置的風(fēng)速.

1.3.2 壓力損失測(cè)定

根據(jù)不同的含塵濃度選擇對(duì)應(yīng)的過濾風(fēng)速.一般情況下，入口粉塵濃度為10 g／m3時(shí)，過濾風(fēng)速控制在0.8～1.4 m／min［5］.因此，本實(shí)驗(yàn)中在過濾風(fēng)速為0.8 ，1.0，1.2，1.4 m／min 時(shí)，對(duì)濾筒除塵器進(jìn)行壓力損失測(cè)試.采用振動(dòng)喂料器加入粉塵，設(shè)置入口粉塵濃度為10 g／m3.在設(shè)備貼近濾筒進(jìn)出口處分別設(shè)置壓力測(cè)量點(diǎn)，將測(cè)壓點(diǎn)連接在差壓傳感器上，利用控制箱采集到的電壓值獲得濾筒測(cè)壓點(diǎn)處的壓力差；每隔5 min 記錄一次壓差，取3 次結(jié)果的平均值作為最終測(cè)試到的壓力損失.

壓力損失計(jì)算公式如下：

式中：ΔP 為除塵器的壓力損失，Pa；ΔP前為粉塵通過濾筒之前測(cè)點(diǎn)的壓力，Pa；ΔP后為粉塵通過濾筒之后測(cè)點(diǎn)的壓力，Pa.

1.3.3 過濾效率測(cè)定

探究不同過濾風(fēng)速（0.8，1，1.2，1.4 m／min）對(duì)濾筒除塵器過濾效率的影響.在其他條件不變的情況下，過濾同樣的時(shí)間后停止過濾.過濾效率采用稱重法，提前用電子秤稱量潔凈濾筒的質(zhì)量，過濾完成后拆下濾筒，用電子秤稱量含塵濾筒的質(zhì)量，最后將箱體內(nèi)的粉塵掃凈再稱其質(zhì)量，從而計(jì)算過濾效率.

過濾效率計(jì)算公式如下：

式中：η 為過濾效率，%；m前為粉塵放入總量，g；m箱體為過濾后箱體內(nèi)粉塵質(zhì)量，g；m潔凈濾筒為潔凈濾筒質(zhì)量，g；m含塵濾筒為含塵濾筒質(zhì)量，g.

1.3.4 清灰側(cè)壁壓力峰值測(cè)定

在清灰效果實(shí)驗(yàn)中，過濾風(fēng)速為1.4 m／min，入口粉塵濃度為10 g／m3，當(dāng)壓力損失達(dá)到300 Pa時(shí)，控制箱開啟一次脈沖噴吹.考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)現(xiàn)象，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5 次，取所獲數(shù)據(jù)的平均值.

根據(jù)實(shí)際工業(yè)清灰參數(shù)可知，清灰參數(shù)設(shè)置得過大或過小都會(huì)影響除塵效果.本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)脈沖寬度為100 ms，其余參數(shù)設(shè)定如下：

（1）用調(diào)壓閥調(diào)節(jié)噴吹壓力，噴吹壓力分別設(shè)置為0.4，0.5，0.6 MPa.此時(shí)其他參數(shù)設(shè)置為噴吹孔徑33 mm，噴吹距離0.

（2）用不同直徑的噴嘴改變噴吹孔徑，噴吹孔徑分別設(shè)置為33，46，56 mm.此時(shí)其他參數(shù)設(shè)置為噴吹距離0，噴吹壓力0.5 MPa.

（3）用短管改變噴吹距離（噴吹距離指噴吹口到濾筒口的距離），噴吹距離依次取值為0，50，100 mm.此時(shí)其他參數(shù)設(shè)置為噴吹孔徑33 mm，噴吹壓力0.5 MPa.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 漏風(fēng)率

由表2 可知，此臺(tái)濾筒除塵器漏風(fēng)率在5%以內(nèi)，說明可以用此臺(tái)除塵器進(jìn)行正常的實(shí)驗(yàn)研究.

表2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)漏風(fēng)率測(cè)試Table 2 The air leakage rate test of the experimental platform

2.2 壓力損失

圖4 所示為不同過濾風(fēng)速（v）對(duì)覆膜濾筒除塵器壓力損失的影響，圖中的誤差棒代表3 次實(shí)驗(yàn)的誤差.由圖可知，相同過濾時(shí)間內(nèi)，覆膜濾筒除塵器的壓力損失隨著過濾風(fēng)速的增大而升高.由達(dá)西定律可知，過濾介質(zhì)的壓力損失與迎面風(fēng)速成正比［5］.另外，在相同過濾風(fēng)速下，隨著過濾時(shí)間的增加，濾筒除塵器壓力損失的增長速率先增大后降低.這是因?yàn)殡S著過濾的進(jìn)行，在過濾介質(zhì)上會(huì)形成粉塵層，導(dǎo)致除塵器壓力損失迅速增大，但隨著粉塵層逐漸增厚，過濾介質(zhì)對(duì)超細(xì)粉塵的捕集作用已經(jīng)越來越接近其捕集能力的極限，所以壓力損失趨于平緩.

圖4 不同過濾風(fēng)速對(duì)覆膜濾筒除塵器壓力損失的影響Fig.4 The influence of different filtration wind speeds on the pressure loss of the membrane cartridge dust collector

2.3 過濾效率

圖5 所示為不同過濾風(fēng)速對(duì)覆膜濾筒除塵器過濾效率的影響，圖中的誤差棒代表3 次實(shí)驗(yàn)的誤差.由圖可知，隨著過濾風(fēng)速的增大，過濾效率逐漸降低.這說明過濾風(fēng)速低有利于超細(xì)粉塵被過濾介質(zhì)捕集.過濾風(fēng)速過快會(huì)使本已被吸附在濾料縫隙中的粉塵又被吹入氣流中，從而導(dǎo)致過濾效率降低.由于超細(xì)粉塵具有粒徑小、容重小等特點(diǎn)，對(duì)于過濾超細(xì)粉塵來說，適當(dāng)降低過濾風(fēng)速可提高過濾效率.

圖5 不同過濾風(fēng)速對(duì)覆膜濾筒除塵器效率的影響Fig.5 The influence of different filtration wind speeds on the filtration efficiency of the membrane cartridge dust collector

2.4 不同噴吹壓力下的濾筒側(cè)壁壓力峰值

圖6 所示為不同噴吹壓力下的濾筒側(cè)壁壓力峰值，圖中的誤差棒代表5 次實(shí)驗(yàn)的誤差.由圖可知，隨著噴吹壓力的增大，各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值也逐漸增大.這是因?yàn)閲姶祲毫υ龃?，噴吹口處的壓力也隨之增大，主導(dǎo)氣流誘導(dǎo)的周圍氣流增多，形成的反吹氣流速度變大，使得各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值也逐漸增大.但是，1 號(hào)測(cè)點(diǎn)隨著噴吹壓力的增大，壓力峰值增大得不明顯，原因是1 號(hào)測(cè)點(diǎn)距噴吹口較近，氣流在到達(dá)此處時(shí)還未得到完全膨脹就向下運(yùn)動(dòng).雖然噴吹壓力為0.6 MPa 時(shí)3 號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力峰值超過了4 kPa，但并不代表噴吹壓力越大，清灰效果就越好.如果噴吹壓力過大，濾筒下部清灰徹底，在下一次過濾時(shí)會(huì)有更大流量的含塵氣體通過，導(dǎo)致濾筒下部的過濾負(fù)荷增大；設(shè)備在運(yùn)行一定時(shí)間后，濾筒下部濾料會(huì)提前破損，從而縮短濾筒壽命［12］.因此，實(shí)驗(yàn)中考慮到清灰的均勻性，噴吹壓力為0.4 MPa 時(shí)各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值相比于其他噴吹壓力下的壓力峰值更均勻.所以在本實(shí)驗(yàn)條件下，選定0.4 MPa 為最佳噴吹壓力.

圖6 不同噴吹壓力下濾筒側(cè)壁壓力峰值變化曲線Fig.6 The peak pressure variation curves of inner side wall of the cartridge variation under different injection pressures

2.5 不同噴吹孔徑下的濾筒側(cè)壁壓力峰值

圖7 所示為不同噴吹孔徑下的濾筒側(cè)壁壓力峰值，圖中的誤差棒代表5 次實(shí)驗(yàn)的誤差.由圖可知，隨著噴吹孔徑的增大，各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值也逐漸增大.這是因?yàn)閲姶悼讖皆龃?，在脈沖噴吹時(shí)單位時(shí)間內(nèi)壓縮氣體的氣流量也會(huì)隨之增大，氣流的擴(kuò)散現(xiàn)象越發(fā)顯著.考慮到清灰的均勻性，噴吹孔徑為46 和56 mm 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值均滿足清灰要求；但考慮到能耗和濾筒壽命，噴吹孔徑為46 mm 時(shí)能耗更少，壓力峰值更均勻.因此，46 mm為本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)噴吹孔徑.

圖7 不同噴吹孔徑下濾筒側(cè)壁壓力峰值變化曲線Fig.7 The peak pressure variation curves of inner side wall of the cartridge under different injection diameters

2.6 不同噴吹距離下的濾筒側(cè)壁壓力峰值

圖8 所示為不同噴吹距離下的濾筒側(cè)壁壓力峰值，圖中的誤差棒代表5 次實(shí)驗(yàn)的誤差.由圖可知，隨著噴吹距離的增大，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力峰值總體呈先增大后減小的趨勢(shì).這是因?yàn)殡S著噴吹距離的增大，壓縮氣體在經(jīng)過1 號(hào)、2號(hào)、3 號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)速度降低.根據(jù)流體力學(xué)能量方程可知，當(dāng)能量不變、速度降低時(shí)，壓強(qiáng)增大［8］.但當(dāng)噴吹距離超過一個(gè)極值時(shí)，噴吹氣流會(huì)在運(yùn)動(dòng)過程中卷入過多外部氣流，導(dǎo)致速度迅速降低，同時(shí)噴吹距離的延長導(dǎo)致脈沖氣流到達(dá)濾筒測(cè)點(diǎn)時(shí)已損耗大部分能量.各測(cè)點(diǎn)在噴吹距離為100 mm 時(shí)壓力峰值減小，說明單純?cè)黾訃姶稻嚯x不一定會(huì)加強(qiáng)清灰效果，只有適當(dāng)增加噴吹距離才能改善清灰性能.這與Lo、王玉鑫等［13-14］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合.在遵循清灰均勻性的基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)中噴吹距離為50 mm時(shí)，壓力峰值更均勻，因此選定實(shí)驗(yàn)最優(yōu)噴吹距離為50 mm.

圖8 不同噴吹距離下濾筒側(cè)壁壓力峰值變化曲線Fig.8 The peak pressure variation curves of inner side wall of the cartridge under different injection distances

2.7 清灰側(cè)壁壓力峰值變化

在對(duì)濾筒內(nèi)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓力峰值測(cè)定的同時(shí)，記錄了濾筒側(cè)壁壓力實(shí)時(shí)變化曲線.以噴吹壓力0.5 MPa、噴吹孔徑33 mm、噴吹距離50 mm 為例，濾筒側(cè)壁壓力實(shí)時(shí)變化曲線如圖9 所示.由圖可知，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力在達(dá)到峰值后會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的負(fù)壓狀態(tài).這是因?yàn)槊}沖氣流經(jīng)過測(cè)點(diǎn)時(shí)速度較快并迅速向下運(yùn)動(dòng)，這樣一來，就會(huì)在氣流過后的區(qū)域形成負(fù)壓區(qū).此外，由圖可知，濾筒側(cè)壁壓力峰值沿濾筒口向下不斷增大.這是由于脈沖氣流從噴吹口噴出后在濾筒上部沒有得到充分膨脹就迅速向下運(yùn)動(dòng)，在流動(dòng)過程中繼續(xù)膨脹和擴(kuò)散，同時(shí)誘導(dǎo)更多的氣流進(jìn)入濾筒，使得濾筒側(cè)壁壓力增大.但壓縮氣流不能一直處于膨脹狀態(tài)，氣流在運(yùn)動(dòng)過程中也會(huì)與濾筒內(nèi)壁發(fā)生摩擦，消耗一部分能量，濾筒內(nèi)的氣流速度會(huì)越來越小，靜壓逐漸升高.當(dāng)氣體運(yùn)動(dòng)到濾筒底部區(qū)域時(shí)，會(huì)受到濾筒底部封閉結(jié)構(gòu)的阻礙，從而對(duì)側(cè)壁產(chǎn)生正壓，誘導(dǎo)氣流和主導(dǎo)氣流兩種因素共同作用使濾筒底部區(qū)域的壓力峰值達(dá)到最大［7］.由此可知，濾筒側(cè)壁上部的壓力峰值最小，中部的壓力峰值次之，底部的壓力峰值最大.

圖9 濾筒側(cè)壁壓力實(shí)時(shí)變化曲線Fig.9 The real-time change curves of the inner side wall pressure of the cartridge

3 結(jié) 論

（1）過濾性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著過濾風(fēng)速的增大，除塵器過濾效率逐漸降低，而壓力損失逐漸升高.單位面積的過濾風(fēng)速為0.8 ～1.4 m／min時(shí)，除塵器的壓力損失為99 ～300 Pa，過濾效率為98.02%～99.12%.

（2）清灰性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同條件下，濾筒側(cè)壁底部的壓力峰值最大，中部的壓力峰值次之，上部的壓力峰值最小.隨著噴吹壓力和噴吹孔徑的增大，濾筒側(cè)壁壓力峰值也逐漸增大；隨著噴吹距離的增大，濾筒側(cè)壁壓力峰值先增大后減小.

（3）根據(jù)濾筒側(cè)壁壓力峰值的變化規(guī)律，確定本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最優(yōu)清灰參數(shù)如下：噴吹壓力為0.4 MPa，噴吹孔徑為46 mm，噴吹距離為50 mm.

（4）合理設(shè)計(jì)過濾風(fēng)速和相關(guān)清灰參數(shù)有利于覆膜濾筒在超細(xì)粉塵除塵工藝中的應(yīng)用.