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、進出風口組成。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（其結構如圖2所示）。

　　當含塵氣體由進風口進入灰斗以后，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入袋室，經(jīng)濾袋過濾后，塵粒被阻留在濾袋外側，凈化的煙氣由濾袋內(nèi)部進入箱體， 再由閥板孔、出風口排入大氣。隨著過濾過程的不斷進行，濾袋外側的積塵也逐漸增多，收塵器的運行阻力也逐漸增高， 當阻力增至預先設定值 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。采用外濾式結構，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)由袋口到達上箱體，再由排風口排出(圖3)。濾袋的清灰由脈沖噴吹裝置進行，以壓縮空氣為氣源?？刂葡到y(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
　　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構示意
1上箱體 2噴吹管 3花板 4濾袋 5中箱體 6園盤閥
7擋風板 8灰斗 9驅動裝置 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。

　　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?？梢钥闯?，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計清灰系統(tǒng)的目標值，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，不同型式的噴吹裝置有不同的噴吹壓力，也有與之相適應的濾袋長度。常有人擔心6～8m的濾袋能否獲得良好的清灰效果，事實證明這種擔心是不必要的。

　　大量低壓長袋脈沖袋式除塵器被應用于水泥企業(yè)窯尾煙氣除塵，濾袋長度約為6m，最長可達8m。這些煙氣粉塵的顆粒細、濃度大、粘性大、清灰困難，但事實表明，只要設計選型得當，制作安裝保證質量，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，但卻遠高于袋口。說明不需要為長濾袋的清灰效果而擔心。

　　2.3 “低壓脈沖”是對“高壓脈沖”的進步
　　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”的基礎上經(jīng)不斷改進而形成的，是對“高壓脈沖”的一種進步。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后形成氣流進入濾袋清灰，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用，其清灰能力強的特點已被公認，可以確定，只要袋底壓力峰值達到此水平，在實際應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準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，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”的一種進步。
                  
　　3  脈沖袋收塵器相關設計要點
　　3.1  文丘里管的取舍
　　文丘里管的作用在于，清灰瞬間，誘導袋口上部的空氣與清灰壓縮空氣共同進入濾袋內(nèi)部，促進二者盡快進行能量交換，達到清灰目的。但文氏管并不是清灰系統(tǒng)的必須部件。

　　文丘里管負作用在于：其一，增加設備阻力。被凈化的含塵氣體進入濾袋內(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濾袋進行測試，該阻力約150Pa。當濾袋更長時，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，延長了清灰氣量進入濾袋的時間，使高壓氣團變得細長，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)設計也各有不同。但對于清灰系統(tǒng)是否需要配置文氏管，設計時應進行簡單的計算，當選用的脈沖閥在設計噴吹壓力下，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行試驗，在濾袋底部設壓力傳感器，測試袋底壓力峰值。在三種噴吹壓力下，噴吹氣量基本相同。
                  
　　試驗結果表明，在噴吹壓力0.2MPa時，兩種情況的袋底壓力相當；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，適應性更強，而清灰強度卻反而提高。