袋式除塵器脈沖清灰機理研究

圖2  氣箱脈沖袋式除塵器示意圖

                                     
　　氣箱脈沖袋收塵器主要由箱體、袋室、灰斗、進(jìn)出風(fēng)口組成。氣箱式脈沖袋式除塵器的工作原理與高壓脈沖袋式除塵器相似，主要區(qū)別是這種除塵器不設(shè)壓縮空氣噴吹管，而是將一定數(shù)量的濾袋組合成一個箱體，每個箱體上有一個或兩個較大口徑的脈沖閥（其結(jié)構(gòu)如圖2所示）。

　　當(dāng)含塵氣體由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入灰斗以后，一部分較粗塵粒在這里由于慣性碰撞，自然沉降等原因落入灰斗，大部分塵粒隨氣流上升進(jìn)入袋室，經(jīng)濾袋過濾后，塵粒被阻留在濾袋外側(cè)，凈化的煙氣由濾袋內(nèi)部進(jìn)入箱體， 再由閥板孔、出風(fēng)口排入大氣。隨著過濾過程的不斷進(jìn)行，濾袋外側(cè)的積塵也逐漸增多，收塵器的運行阻力也逐漸增高， 當(dāng)阻力增至預(yù)先設(shè)定值 1245～1470 時，
清灰控制器發(fā)生信號，首先控制提升閥將閥板孔關(guān)閉，以切斷過濾煙氣流，停止過濾過程，然后電磁脈沖閥打開，以極短的時間 0.1～0.15s 向箱體內(nèi)噴入壓力為0.6～0.7MPa壓縮空氣，壓縮空氣在箱體內(nèi)迅速膨脹，涌入濾袋內(nèi)部，使濾袋產(chǎn)生變形、震動，濾袋外部的粉塵便被清除下來掉入灰斗，從而完成整個收塵過程。

　　氣箱脈沖式收塵器屬分室離線清灰，避免粉塵的二次吸附，且使用的脈沖閥數(shù)量少，因為袋口沒有噴吹管，更換濾袋和維護工作都比較方便。同時，適應(yīng)性很強，在新型干法水泥生產(chǎn)線的所有揚塵點都可以使用。

　　1.3 低壓長袋脈沖袋式除塵器（壓力≤0.5MPa）
　　“低壓”和“高壓”的工作原理基本相同。所用壓縮空氣壓力較低，為0.2～0.5MPa，采用淹沒式脈沖閥，濾袋長度一般大于5m，此種除塵器稱為低壓長袋脈沖袋式除塵器。由于這類袋式除塵器所用壓縮空氣壓力偏低，特別在空壓機站的氣壓不能保證大于0.5MPa，和處理風(fēng)量大而場地又狹小的場合，更顯示其優(yōu)越性，近幾年在水泥行業(yè)發(fā)展迅速，特別是在窯頭窯尾煙氣治理中應(yīng)用廣泛。

　　低壓長袋脈沖袋式除塵器由上箱體、中箱體、灰斗等部分組成。采用外濾式結(jié)構(gòu)，濾袋下部封閉，上部開口。為了防止濾袋在工作過程中收縮，有濾袋內(nèi)裝有袋籠。含塵氣體由中箱體下部進(jìn)入，先經(jīng)過緩沖區(qū)，然后由外向內(nèi)透過濾袋。粉塵被阻留于袋外，干凈氣體在濾袋內(nèi)向上流動，并經(jīng)由袋口到達(dá)上箱體，再由排風(fēng)口排出(圖3)。濾袋的清灰由脈沖噴吹裝置進(jìn)行，以壓縮空氣為氣源。控制系統(tǒng)發(fā)出信號時，裝在穩(wěn)壓氣包上的直通式脈沖閥便開啟，氣包內(nèi)的壓氣在瞬間釋放出來，并從噴吹管上的噴咀送入每條濾袋內(nèi)。濾袋受到清灰氣流的沖激振動，濾袋壁獲得很大的加速度，從而使粉塵層被清離濾袋，落入灰斗。

　　以PLC為機芯的電腦控制儀對除塵器的清灰實行程序控制?？蓛?yōu)先采用定壓差控制方式，同時備有定時控制功能，由操作者任選。
                  
　　2  脈沖袋式除塵器的清灰機理研究
　　2.1  脈沖袋式除塵器的清灰機理和衡量指標(biāo)
　　脈沖清灰的實際過程可以描述為：在脈沖時，清灰氣流使濾袋內(nèi)的壓力急速上升，濾袋迅速向外膨脹，當(dāng)袋壁膨脹到極限位置時，很大的張力使其受到強烈的沖擊振動，并獲得最大反向加速度從而開始向內(nèi)收；但附著在濾袋表面的粉塵層不受張力作用，由于慣性力的作用而從濾袋上脫落，最大反向加速度越大，慣性也越大，清灰效果越好。

圖3   低壓長袋脈沖袋式除塵器結(jié)構(gòu)示意
1上箱體 2噴吹管 3花板 4濾袋 5中箱體 6園盤閥
7擋風(fēng)板 8灰斗 9驅(qū)動裝置 10脈沖閥 11穩(wěn)壓氣包

　　在對脈沖袋式除塵器的清灰機理的研究過程中，曾認(rèn)為機械振打袋式除塵器的幾種清灰機理(諸如加速度、剪切、屈曲—拉伸、扭曲和逆向氣流等)，也是脈沖袋式除塵器的清灰機理。實際上，脈沖噴吹清灰同爆破過程有相似之處。除了反向加速度外，清灰時，濾袋內(nèi)的壓力峰值和壓力上升速度也是衡量清灰效果的重要指標(biāo)。

　　以濾袋內(nèi)的壓力峰值、壓力上升速度和濾袋壁的最大反向加速度這三項指標(biāo)衡量清灰效果，不僅適用于脈沖袋式除塵器，也適用于反吹清灰的袋式除塵器。圖4是菱形扁袋式除塵器清灰時濾袋的壓力和加速度波形。可以看出，不但壓力峰值低(僅55Pa)，而且壓力上升速度特別小(0.85Pa/ms)，只有脈沖噴吹(294.93Pa/ms)的2.88‰，其最反向加速度基本為零。這與該類除塵器在實際運行中清灰效果不強、阻力偏高的情況完全吻合。           

                     圖4  菱形扁袋除塵器濾袋內(nèi)壓力波形和加速度波形圖

　　反吹風(fēng)速V＝2m/min時
　　壓力峰值：脈沖噴吹瞬間噴吹裝置噴出的清灰氣流產(chǎn)生的最大壓力；
　　壓力上升速率：噴吹時濾袋某點壓力峰值與壓力從0上升到峰值所經(jīng)歷的時間比值；
　　最大反向加速度：脈沖噴吹時濾袋膨脹到極限位置由于濾袋張力作用而產(chǎn)生的最大反向加速度。

　　以前人們曾認(rèn)為，清灰時，脈沖氣流從袋口沖向濾袋底部，再由底部被反射回來的過程中，濾袋內(nèi)的壓力進(jìn)一步增高，使袋壁受到?jīng)_擊振動，從而將濾袋表面的粉塵清落。試驗證明的脈沖清灰過程與此不同。圖5顯示的波形清楚地表明，最大反向加速度與第一個壓力波峰同時出現(xiàn)；其后，雖然壓力峰值高于第一個波峰，但反向加速度卻很小很小，并隨著時間的推移而迅速趨于零。這一事實說明，脈沖噴吹氣流在濾袋內(nèi)的清灰作用是一次性的，高壓氣團在從袋口沖向袋底的過程中，依次將濾袋表面的粉塵清落。清灰氣流對濾袋的第一次沖擊對于清灰來說是決定性的。

                                   
圖5  濾袋不同部位脈沖噴吹壓力峰值

　　在脈沖噴吹過程中，其最大壓力峰值出現(xiàn)在濾袋上半部的某一點而非袋口，袋口附近為引流區(qū)，壓力峰值反而很低，隨著清灰氣流由袋口逐步進(jìn)入袋底，最大壓力峰值也由袋口的最低值迅速變?yōu)樽罡撸缓笾鸩綔p小，到袋底變?yōu)檩^低。因此，袋底的壓力峰值是設(shè)計清灰系統(tǒng)的目標(biāo)值，其大小要以保證袋底清灰干凈而不產(chǎn)生過量沖擊為宜。

　　對濾袋不同部位進(jìn)行的測試表明，其最大反向加速度出現(xiàn)的時間，是從袋口向袋底推移的:最先是袋口，最后是袋底。

　　2.2 脈沖袋式除塵器的濾袋長度
　　脈沖袋式除塵器的濾袋長度與其所取噴吹裝置的型式有關(guān)，不同型式的噴吹裝置有不同的噴吹壓力，也有與之相適應(yīng)的濾袋長度。常有人擔(dān)心6～8m的濾袋能否獲得良好的清灰效果，事實證明這種擔(dān)心是不必要的。

　　大量低壓長袋脈沖袋式除塵器被應(yīng)用于水泥企業(yè)窯尾煙氣除塵，濾袋長度約為6m，最長可達(dá)8m。這些煙氣粉塵的顆粒細(xì)、濃度大、粘性大、清灰困難，但事實表明，只要設(shè)計選型得當(dāng)，制作安裝保證質(zhì)量，即使對這樣難以清灰的煙塵也能獲得良好清灰效果，并能將設(shè)備阻力長期保持在1400Pa以下，說明長濾袋不是清灰的障礙。

　　從試驗結(jié)果來看，脈沖袋式除塵器濾袋獲得的清灰強度，最薄弱的部位不是袋底，袋底的清灰強度稍低于濾袋中部，但卻遠(yuǎn)高于袋口。說明不需要為長濾袋的清灰效果而擔(dān)心。

　　2.3 “低壓脈沖”是對“高壓脈沖”的進(jìn)步
　　通常稱脈沖袋式除塵器的“低壓”或“高壓”，系指脈沖噴吹裝置要求的氣源壓力，這同清灰氣流在濾袋內(nèi)的壓力“低”或“高”完全是兩回事。

　　“低壓脈沖”是在“高壓脈沖”的基礎(chǔ)上經(jīng)不斷改進(jìn)而形成的，是對“高壓脈沖”的一種進(jìn)步。傳統(tǒng)的脈沖袋式除塵器都是“高壓脈沖”，其噴吹裝置要求的氣源壓力0.6～0.7Mpa。存在一種誤解：“高壓脈沖清灰力量大，低壓脈沖清灰力量小”。實際上，壓縮空氣的壓力不可能全部消耗在濾袋上，濾袋絕對承受不了那樣高壓氣流的沖擊。在“高壓脈沖”，壓氣的壓力大部分被噴吹裝置(直角脈沖閥壓力損失0.2～0.3Mpa）所消耗。

                  表1  低壓和高壓脈沖噴吹裝置的性能     

　　實際上，“高壓脈沖”與“低壓脈沖”對濾袋的影響基本相同。因為大量的清灰氣體是靠氣源誘導(dǎo)后形成氣流進(jìn)入濾袋清灰，只不過高壓氣源動能大用氣量少，而低壓氣源動能小用氣量多。如果參數(shù)設(shè)置不合理，高壓脈沖同樣有可能出現(xiàn)清灰動能不足，低壓脈沖也有可能清灰動能過量，對濾袋產(chǎn)生過量沖擊。

　　國外目前還有眾多類型的脈沖袋式除塵器仍是高壓脈沖，原因之一是使用這些袋式除塵器的工廠配有壓力充足的壓氣管網(wǎng)。國內(nèi)也有一些廠家在生產(chǎn)高壓脈沖袋式除塵器。

　　試驗表明,高壓脈沖袋式除塵器在噴吹壓力0.6MPa條件下，2m長濾袋底部的壓力峰值為1682～1744Pa(表1)。鑒于高壓脈沖袋式除塵器曾獲得廣泛應(yīng)用，其清灰能力強的特點已被公認(rèn)，可以確定，只要袋底壓力峰值達(dá)到此水平，在實際應(yīng)用中便可獲得良好的清灰效果。低壓長袋脈沖袋式除塵器的開發(fā)便是以此清灰強度為標(biāo)準(zhǔn)而確定清灰氣源的最低壓力。由表1的數(shù)據(jù)可以看出，壓力0.15Mpa時，其6m長濾袋便獲得這種清灰強度。在其實際應(yīng)用的噴吹壓力(0.2MPa)下，袋底壓力峰值為1940～2341Pa，比MC型高壓脈沖0.7Mpa時的清灰強度還要高。

　　由此可知，“低壓脈沖”是以保持甚至適當(dāng)提高濾袋所獲清灰強度為前提，實現(xiàn)大幅度降低噴吹(氣源)壓力的目標(biāo)，而其途徑，是用自身阻力低的淹沒式脈沖閥取代壓力消耗高達(dá)0.2～0.3Mpa的直角式脈沖閥，同時盡量降低噴吹系統(tǒng)每一部件的阻力，并且使脈沖閥的啟閉變得更加快速。它所降低的是脈沖噴吹系統(tǒng)自身的消耗，由此而降低所需的氣源壓力，使能耗下降，適應(yīng)性更強，而清灰強度卻反而提高。因此，這是對“高壓脈沖”的一種進(jìn)步。
                  
　　3  脈沖袋收塵器相關(guān)設(shè)計要點
　　3.1  文丘里管的取舍
　　文丘里管的作用在于，清灰瞬間，誘導(dǎo)袋口上部的空氣與清灰壓縮空氣共同進(jìn)入濾袋內(nèi)部，促進(jìn)二者盡快進(jìn)行能量交換，達(dá)到清灰目的。但文氏管并不是清灰系統(tǒng)的必須部件。

　　文丘里管負(fù)作用在于：其一，增加設(shè)備阻力。被凈化的含塵氣體進(jìn)入濾袋內(nèi)部，自下而上流向袋口時，先經(jīng)過文氏管，速度迅速增加，從而增加阻力。我們對長度2000mm濾袋進(jìn)行測試，該阻力約150Pa。當(dāng)濾袋更長時，阻力將更大。

　　其二，削弱清灰效果。良好清灰效果的獲得，只有在最大的清灰氣量在最短的時間內(nèi)進(jìn)入濾袋的條件下才能實現(xiàn)。顯然，這就要求清灰高壓氣團的通道盡量通暢，阻力盡可能的小。文氏管的存在，恰恰導(dǎo)致相反的效果，它使氣流的通道大大縮小，形成瓶頸，延長了清灰氣量進(jìn)入濾袋的時間，使高壓氣團變得細(xì)長，從而顯著削弱了對濾袋袋壁的沖擊力，袋內(nèi)壓力波形的峰值被降低、時間被拉長，最大反向加速度顯著降低。

　　其三，減少了部分過濾面積。文氏管長度范圍內(nèi)（200mm，有些達(dá)400mm）的濾袋得不到有效的清灰，該部份濾袋表面積灰很厚，因而不起過濾作用。

　　低壓長袋這類除塵器基本有兩種濾袋規(guī)格Φ130×6000和Φ160×6000，清灰系統(tǒng)設(shè)計也各有不同。但對于清灰系統(tǒng)是否需要配置文氏管，設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行簡單的計算，當(dāng)選用的脈沖閥在設(shè)計噴吹壓力下，其噴吹氣量能滿足清灰要求，則不需要配置文氏管（脈沖閥的耗氣量是濾袋處理風(fēng)量的2.5倍以上），反之則需要配置文氏管，使脈沖閥噴吹氣量和文氏管引射氣量共同滿足清灰要求^[2]。

　　大型窯頭窯尾低壓長袋除塵器一般采用3寸淹沒式脈沖閥的噴吹氣量已完全能夠滿足清灰要求，因而不需在設(shè)文氏管。

　　3.2  脈沖噴吹管的孔徑相同與不同
　　對于噴吹管的孔徑，有兩種不同的做法：每個孔的直徑都相同；各個噴孔的直徑不相同。

　　為了確定哪種做法更有利于清灰，進(jìn)行了試驗：濾袋長度3m，以16條為一排。兩根直徑相同的噴吹管，其中一根上的16噴孔直徑完全相同，而另一條則將噴孔分成幾組，各組之間孔徑不同。分別在三種噴吹壓力下進(jìn)行試驗，在濾袋底部設(shè)壓力傳感器，測試袋底壓力峰值。在三種噴吹壓力下，噴吹氣量基本相同。
                  
　　試驗結(jié)果表明，在噴吹壓力0.2MPa時，兩種情況的袋底壓力相當(dāng)；而在噴吹壓力0.3～0.4MPa條件下同，噴孔直徑不同的清灰強度更高。

　　實際使用時，一般以用遠(yuǎn)離氣包的噴吹孔比靠近氣包噴吹孔直徑小的辦法對噴吹孔直徑進(jìn)行0.5～2mm的調(diào)整，可使每條濾袋的噴吹氣量基本相同，不同位置的濾袋袋底清灰氣流壓力基本相同。
                  
　　4 結(jié)論
　　(1) 脈沖噴吹氣流在濾袋內(nèi)的清灰作用是一次性的，且清灰氣流對濾袋的第一次沖擊對于清灰來說是決定性的。高壓氣團在從袋口沖向袋底的過程中，依次將濾袋表面的粉塵清落。

　　(2) 脈沖袋式除塵器濾袋獲得的清灰強度，最薄弱的部位不是袋底，袋底的清灰強度稍低于濾袋中部，但卻遠(yuǎn)高于袋口。

　　(3) 低壓脈沖降低的是脈沖噴吹系統(tǒng)自身的消耗，由此而降低所需的氣源壓力，使能耗下降，適應(yīng)性更強，而清灰強度卻反而提高。