袋式除塵器脈沖噴吹過程優化分析

郗 元 ，舒奕暉 ，李冰璇 ，代 巖 ，3

（1.大連理工大學盤錦產業技術研究院，遼寧 盤錦 124221；2.吉林大學機械與航空航天工程學院，吉林 長春 130012；3.西安交通大學化學工程與技術學院，陜西 西安 710049）

1 引言

袋式除塵器是目前使用最廣泛的除塵器類型之一，具有除塵效率高等顯著的優點[1]。脈沖噴吹清灰由于阻力穩定、過濾速度高等優勢已經成為了除塵器在工程選型時首選的清灰方式[2]。現今，袋式除塵器依然存在濾袋壽命短、噴吹氣流不均勻等問題[3]，尤其是反向清灰過程，該過程直接決定過濾的穩定性。目前對于除塵器有許多實驗針對噴吹壓力，濾袋長度對除塵器清灰效率的影響進行的研究[4-6]。但是實驗研究常常需要耗費較多人力和物力，為減少實驗成本縮短設計周期，現常采用數值模擬方法進行研究[7]。關于濾袋長度對除塵器清灰效率的影響，目前研究主要針對長濾袋，而極少涉及短濾袋。

因此針對短濾袋進行模擬，選取噴吹壓力，噴吹距離，濾袋材料以及濾袋長度為影響因素，以濾袋壁面峰值壓力作為評價指標[6-8]，對濾袋壓差分布特性進行分析。

2 計算模型與參數設定

袋式除塵器內部有數十條濾袋同時進行工作。濾袋內部壓力場通常不受濾袋之間相互作用影響[8]，因此在研究濾袋內外壓差變化情況時，簡化模型為單條濾袋模型，如圖1（a）所示。

圖1 濾袋計算模型Fig.1 Geometry Model and Grid Verification

使用前處理軟件ICEM CFD 對網格模型進行繪制，由于該結構呈現軸對稱形狀，可采取2D 模型。采用結構網格進行劃分，如圖1（b）所示。對于數值模擬，網格的質量及數量直接影響模擬結果的精確度和收斂性。本研究主要觀察濾袋內外壓差變化情況，因此選取濾袋某一特定位置處的濾袋內外壓差進行網格無關性驗證，網格模型及無關性驗證結果，如圖2 所示。

當網格從19292 增加至36234，濾袋壁面峰值壓力隨網格數變化情況幾乎不變，可認為此時網格數量已經對結果不產生影響。此過程中，控制條件設置為濾袋表面滲透率2.26e-11，濾袋厚度3mm，壓力跳躍系數4.39e6，噴吹壓力4MPa，出口壓力為大氣壓。選擇測點分別為距離袋口1m，2m 處。

圖2 網格模型及無關性驗證Fig.2 Grid Independence Verification

濾袋內外流場簡化情況如下：濾袋內外空間、上箱體以及中箱體為流體計算域，流體假定為不可壓縮流體。因為脈沖寬度很小，一個脈沖周期內的溫度變化很小，所以本研究忽略溫度對于流體的影響，按照常溫進行模擬運算。忽略濾袋壁面的縱向位移，將濾袋簡化為薄膜。

3 模擬運算結果分析

3.1 濾袋長度的影響

控制噴嘴直徑為26mm，噴嘴長度40mm，噴吹距離200mm，箱體直徑300mm，濾袋直徑160mm 不變。濾袋長度分別選取2m，2.5m，3m，3.5m 進行對比模擬。模擬結果，如圖3 所示。2m 濾袋峰值壓力達到2100Pa，當濾袋長度增加至2.5m 時，峰值壓力銳減至1600Pa。繼續增加濾袋長度至3m 時，較2.5m 濾袋壓差變化不大。當濾袋長度增加至3.5m 又發生峰值壓力的下降，但是下降幅度相較2m 與2.5m 濾袋的變化較小。

圖3 濾袋內外壓差隨濾袋長度變化曲線Fig.3 Influence of Length to the Pressure Drop

由于短濾袋的運行阻力較長濾袋小，對于短濾袋來說濾袋長度是影響濾袋內外峰值壓差的一個主導因素。隨著濾袋長度增加，濾袋長度對峰值壓差的影響逐漸削弱。雖然濾袋長度較短的濾袋能夠提供較高的濾袋內外壓差，但是根據文獻[9]的實驗表面幾百帕的濾袋壓差就能提供足夠的清灰效率，而過短的除塵器往往無法提供足夠的過濾面積，從而需要增加除塵器數量，造成成本增高。因此需要根據工程實際的過濾需求選擇合適的濾袋長度。

3.2 噴吹距離對濾袋內外壓差影響

為了探究噴吹距離對濾袋內外壓差影響，控制噴嘴直徑為26mm，噴嘴長度40mm，噴吹壓力0.4MPa 不變，針對直徑D=160mm，長度L=3m 的針刺氈材料濾袋進行模擬運算。控制變量噴吹距離設置為100、200 及300mm 進行對比，結果如圖4 所示。

圖4 濾袋壓差隨噴吹距離變化曲線Fig.4 Influence of Distance to the Pressure Drop

噴吹距離為100mm 時能夠提供最大的峰值壓差2000Pa，高于200mm 和300mm 噴吹距離的峰值壓力1600Pa 和1500Pa。但100mm 噴吹距離造成了濾袋口附近的負壓過高，大于300mm 噴吹距離的負壓，越大的負壓雖然能夠更好促使誘導氣流進入濾袋，但是根據文獻[9]，本模擬中涉及的三組數據的濾袋內外壓差都能達到500Pa 以上，在粉塵密度為400g/m2的情況下清灰效率能達到70%以上，當粉塵密度達到1000g/m2時，清灰效率能保證在90%以上，此時過高的濾袋壓差反而會減少濾袋的使用壽命[10]。

此外隨著噴吹距離的增加，濾袋口處負壓區范圍減少。30mm噴吹距離在距離袋口138mm 處進入正壓區，200mm 噴吹距離數據在距離袋口206mm 處進入正壓區，100mm 噴吹距離在距離袋口253mm 處進入正壓區。這是由于隨著噴吹距離增加，上箱體的體積增加，相同的脈沖氣流從噴嘴進入體積不同的上箱體，誘導上箱體進入濾袋的氣流的速度和壓力也隨之變化，越小的上箱體能誘導出速度更高的氣流。不同噴吹距離對于濾袋內外壓差峰值產生的位置有所影響。100mm 噴吹距離產生的壓差峰值點最遠，距離濾袋口0.5m 處。這是因為因為其誘導氣流初始速度最大，初始動能最大，在相當的運行阻力下，靜壓增加的距離也最長。

3.3 噴吹壓力對濾袋內外壓差的影響

為了探究噴吹壓力對濾袋內外壓差的影響，控制噴嘴直徑為26mm，噴嘴長度40mm，噴吹距離200mm 不變，針對直徑D=160mm，長度L=3m 的針刺氈材料濾袋進行模擬運算，模擬結果，如圖5 所示。

圖5 噴吹壓力對濾袋壓差的影響Fig.5 Influence of Pulse-Jet Pressure to the Pressure Drop

噴吹壓力變化對濾袋頂部負壓區的影響。噴吹壓力變化對于負壓區的范圍無明顯變化，三條曲線幾乎在同一點經過x 軸，因此噴吹壓力的變化不會影響濾袋實際工作區域的范圍。但是隨著噴吹壓力的上升，負壓峰值上升也十分明顯，當噴吹壓力為0.2MPa 時，其負壓峰值為（-2500）Pa，當噴吹壓力上升至0.3MPa時，負壓峰值已經變為-5000Pa，當噴吹壓力達到0.5MPa 時，負壓峰值更是達到了（-10000）Pa。負壓峰值的提高說明誘導氣流更易從上箱體進入濾袋，有助于清灰，但是過大的負壓往往會減少濾袋的使用壽命，造成濾袋頂部出現撕裂。

隨著噴吹壓力的上升峰值壓差有明顯增加。噴吹壓力為0.5MPa 時，濾袋峰值壓差為1500Pa，當噴吹壓力變為0.3MPa 時，峰值壓差降低至740Pa，噴吹壓力變為0.2MPa 時，噴吹壓力繼續降低至500Pa。噴吹壓力從0.2MPa 上升至0.5MPa，濾袋內外壓差的峰值從500Pa 上升至1500Pa。濾袋峰值壓差隨噴吹壓力增加而增加的幅度巨大，可見噴吹壓力對于濾袋峰值壓差變化是起主導性作用的。

3.4 濾袋材料對濾袋內外壓差的影響

常用的濾袋材料包括天然纖維、化學合成纖維、玻璃纖維、金屬纖維或其他材料[11]。為了探究濾袋材料對濾袋內外壓差的影響，本節控制噴嘴直徑為26mm，噴嘴長度40mm，噴吹距離200mm 不變，針對直徑D=160mm，長度L=3m 的不同材料濾袋進行模擬運算。主要選用最常見的PPS 材料、PTFE 細纖維濾布、覆膜濾布進行分析比對。PPS 材料表面滲透率為2.26e-11，壓力跳躍系數為4.38×106；PTFE 細纖維表面滲透率為6.56e-11，壓力跳躍系數為7.1×106；覆膜材料表面滲透率為1.688e-11，壓力跳躍系數為3.8×106；三種材料厚度均設置為3mm，模擬結果，如圖6 所示。

圖6 壓差隨濾袋材料變化曲線Fig.6 Influence of Material to the Pressure Drop

由濾袋頂端負壓區變化可知，三種材料的負壓區范圍基本相當。PTFE 材料和覆膜材料的負壓峰值相當，負壓曲線重合，因此可以判斷這兩類材料對于誘導氣流的阻礙作用相當。而PPS針刺氈材料濾袋負壓峰值遠高于另外兩類濾袋。觀察濾袋中下部變化曲線，三種材料出現壓差峰值位置相當。PPS 材料的壓差峰值最大，為1500Pa，覆膜材料次之，PTFE 材料壓差峰值最小。

PTFE 材料在濾袋中下部壓差下降幅度最大，并且在濾袋底部壓差無明顯回升趨勢。PPS 針刺氈材料濾袋模擬中氣流下行過程中壓差有略微的下降，并且在濾袋底部有明顯的壓差回升現象。覆膜材料在中下段壓差曲線最為平穩。

PTFE 材料滲透率最大，造成氣流在下行過程中通過濾袋泄露至濾袋外部的最多；PPS 針刺氈材料滲透率次之，因此在下行過程，PPS 材料壓差降低幅度排第二；覆膜材料滲透率最小，其壓差降低幅度最小。可以得到以下結論：材料滲透率決定了誘導氣流在濾袋內部下行過程中從濾袋壁面泄露情況，對于濾袋內外壓差的減小幅度有巨大影響。

PPS 針刺氈材料的數據壓差最大，覆膜材料次之，PTFE 材料壓差最低。主要考慮針刺氈濾料的阻滯系數最大，造成誘導氣流在袋內流動運行阻力大。阻力系數越大，濾袋內外形成的壓差也越大。

3.5 脈沖周期內濾袋壓力場變化情況

一個脈沖周期主要分為三個階段，三個階段的時間開度主要由脈沖閥的程序控制。本節主要探究在脈沖周期內的不同階段濾袋內外壓差的變化情況。

選取噴嘴直徑為26mm，噴嘴長度40mm，噴吹距離200mm，直徑D=160mm，長度L=3m 的PPS 針刺氈濾袋進行模擬實驗，脈沖周期內不同時刻壓力變化云圖，如圖7 所示。

在脈沖周期的起始階段，濾袋的上部壓力最早開始上升，出現壓差峰值。同時因為誘導氣流未充分展開，且速度快，濾袋內部壓力低，濾袋中部局部區域出現負壓區域，造成灰塵再吸附現象。隨著脈沖氣流在上箱體充分展開，進入濾袋內部的誘導氣流趨于均勻，濾袋口處出現穩定的負壓區促使上箱體誘導氣流進入，同時濾袋內外形成基本穩定的壓差，氣流在濾袋內下行過程中出現壓力損失，造成壓差在中部開始下降；在底部由于回流以及動壓轉化會靜壓，形成壓差的回升。當脈沖周期進入開度減小階段時，由于脈沖閥開度減小，造成噴嘴處壓力開始下降，誘導氣流量開始下降，濾袋口處負壓值開始趨于零，濾袋中上部壓差下降。濾袋內部壓力呈現上部小，底部大的現象。

圖7 脈沖周期內不同時刻壓力變化云圖Fig.7 Pressure Variation at Different Times

4 結論

（1）增加噴吹壓力對濾袋內外壓差的影響具有十分明顯。噴吹壓力越大，壓差峰值越大，噴吹壓力從0.3MPa 變化為0.5MPa，峰值壓差增加幅度達到600Pa。雖然較大的噴吹壓力會增加濾袋的壓差，進而提高除塵器的清灰效率，但是噴吹壓力的增大也導致濾袋口處負壓峰值明顯增大，造成設備使用壽命減少。

（2）噴吹距離主要影響上箱體的誘導氣流從而引起濾袋內外壓差變化。噴吹距離從100mm 增加至300mm，峰值壓差隨之從2000Pa 減少至1500Pa，同時峰值壓差出現的位置上移，正壓區間范圍增加了200mm，雖然噴吹距離的增加導致清灰強度的降低，但是增大了實際工作區域。因此在設計階段應當綜合考慮工程實際選取合適噴吹距離。

（3）濾料的變化也會對峰值壓差產生影響，同時還會影響壓差在軸向距離上的變化趨勢。在濾袋中下部的軸向距離上，PTFE材料壓差下降幅度最大，峰谷差距達到500Pa；覆膜材料壓差下降幅度最小為100Pa。三種材料中，PPS 材料峰值壓差最大為1500Pa，PTFE 材料最小為 700Pa。

（4）濾袋長度的增加會造成峰值壓差的降低，并且降低的幅度逐漸減少。在短濾袋工況下，濾袋長度對于濾袋峰值壓差影響起著主導作用。當長度從2m 減少至2.5m 時，峰值壓差降低幅度達到700Pa；當長度從3m 減少到3.5m 時，降低幅度變為200Pa；當濾袋達到4m 長度時，峰值壓差已趨于不變。