袋式除塵器脈沖清灰工藝的優化研究

張銳

福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建廈門，361000

0 引言

為適應“十四五”發展規劃，大氣污染物的排放治理越來越嚴格，例如河北省等大氣污染物排放大省，陸續推出歷史上最嚴格的大氣污染物超低排放標準，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放值分別達到了10mg/m3、30mg/m3和100mg/m3，對除塵設備提出了越來越高的要求[1-2]。目前針對超低排放的主要工藝路線有干+濕式電除塵器和袋式除塵器兩個主要路線。與干+濕式除塵器耗水量大相比，目前干式袋式除塵器的推廣更廣，其中脈沖布袋除塵器又是目前應用最為廣泛的一種[3]。隨著近年來纖維原料的種類不斷增多，過濾精度也明顯提高，脈沖布袋除塵器除塵效率也不斷提高。

本文首先對袋式除塵器新型濾袋纖維進行數值模擬分析，進而研究噴吹時新型濾袋內表面的壓力分布，為噴吹系統的工藝設計、優化提供理論和技術支持。

1 袋式除塵器及其清灰的重要性

隨著2018年國務院發布了《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，國家對大型工業的集中排放大氣污染物的指標提出更高的要求，目前電站鍋爐、鋼鐵、焦化等領域的新建大氣污染排放設備，均將設計指標提高到10mg/m3，甚至提出更高要求的5mg/m3超低排放指標。作為目前已廣泛應用的一種先進、高效除塵設備，袋式除塵器現階段通過濾料纖維以及超細纖維的應用，對于細小顆粒，具有良好的收集和捕獲能力。通過設計上的優化、加工精度的提升，袋式除塵器的過濾精度，目前已能在諸多領域的工況下，將顆粒物的實際排放濃度降低到10mg/m3以下，甚至是5mg/m3的超低排放要求[4]。對于目前的超低排放的高要求，對脈沖清灰簡化為的最簡單工作周期，可以看成“過濾—清灰—過濾”這個基本過程，清灰的壓力過高、風量過大，會導致粉餅層清灰過度，導致短時排放超標，清灰壓力過低、風量太小，清灰不及時或不徹底，將極大地影響過濾效率，進而使除塵的效果變差，導致濾袋壽命變短，并且高壓差導致風機的耗電量變大，不符合目前國家節能減排的方針。

2 脈沖袋式除塵器清灰系統及清灰機理

袋式除塵器遵循基本過濾原理，基于濾袋在1～5年的壽命周期，濾袋的壽命早期由于僅有初始過濾粉餅層的作用，噴吹的壓力要求并不高。隨著濾袋的運行，過濾粉餅層會出現越來越嚴重的板結，松散程度會不斷下降，此時對噴吹的壓力及氣量會增加，故整個濾袋壽命周期對噴吹系統的要求有所區別。故要求袋式除塵清灰系統最優的配置是一個動態可調系統[5]。

脈沖袋式除塵器的清灰系統主要包括：電磁脈沖閥、噴吹氣包、噴吹管、噴吹脈沖控制附件等，在一定的脈沖間隔內，濾袋壓差達到設置高值后，脈沖電磁閥和脈沖閥打開，壓縮空氣通過脈沖閥、噴吹管，將氣包內的氣體噴進濾袋，進行清灰動作。

脈沖袋式除塵器通常是采用壓縮外界空氣或清灰風機提供氣源，并在氣包上進行儲存。在電磁閥的控制作用下，短時間內快速進入過濾袋，在此情況下，氣流會將儲存的空氣在噴吹期間形成一股強大的空氣擾動沖擊濾袋內部，沖擊內纖維而形成激烈振動，濾袋外表面所附著粉塵隨之被振動掉落，形成一個清灰周期。脈沖清灰的效果主要取決于清灰系統的噴吹壓力、氣量，噴嘴的直徑、噴吹口的高度和濾袋直徑有關。而脈沖清灰的壓力以及風量又與濾袋的過濾面積相關。脈沖袋除塵系統中最關鍵的是清灰段，清灰段直接影響到脈沖除塵效果，整個清灰段的過程影響因素較多，是一個較為復雜的過程[6-7]。

脈沖袋式除塵器的除塵時間一般很短，在0.1～0.3秒，而壓縮空氣的壓力在0.1～0.4MPa，由于噴吹作用時與煙氣方向相反，故濾袋部分的周圍流場復雜多變，目前尚無統一理論。目前以慣性理論為參考依據，在壓力作用下，空氣會迅速地進入過濾袋中，在較短一段時間內猛烈振動，從而達到最大反加速度，并將粉塵振落。清灰周期的長短是由許多因素決定的，如過濾風速、粉塵濃度、濾袋過濾精度要求的阻力。

3 清灰系統噴吹數值模擬

3.1 數值模擬方案

綜合清灰效果的主要影響因素有濾袋長度、噴吹氣體流量。其中噴吹氣體流量的影響因素又有噴吹壓力、噴嘴直徑、噴嘴離濾袋口距離、噴吹時間。本文做一系列簡化將噴嘴直徑、噴吹時間、噴吹壓力、儲氣罐容積轉化為噴吹的流速、噴嘴直徑進行模擬。

其中噴吹流速的換算公式如下：

式中：V水——噴吹儲氣罐水容積（m3）；

P1——噴吹儲氣罐工作壓力（MPa）；

P2——濾袋室內壓力（MPa）；

T0——標準狀態（273K）；

T2——罐內氣體溫度（K）；

d——噴嘴直徑（m）。

本文以單條Φ160的6m濾袋為分析對象，計算以噴吹壓為變量，對濾料內表面的壓力進行分析。如表1。

表1 噴吹氣流模擬方案

3.2 分析參數

噴吹數值模擬主要分為建立幾何模型、生成網格、確定邊界條件、計算模型、計算求解和計算后處理6個步驟。分析采用新型超凈PPS濾料，濾袋尺寸采用目前最通用的Φ160mm濾袋，長度為6m。

數值模擬主要參數條件如下。濾袋濾料：新型超凈PPS濾料，直徑Φ=160mm，長度L=6000mm；脈沖時間：T=100ms；噴吹距離：X=150mm；噴嘴直徑：d=28mm；噴吹壓力：作為變動因素，進行對比。

整個脈沖噴吹過程是非穩態過程，氣流流動過程復雜，對計算模型進行簡化如下：①以單條濾袋作為分析對象；②噴吹完全對中，且噴吹氣體噴出的方向與噴嘴垂直且氣體在噴出位置均勻分布；③溫度場為恒定溫度場，不考慮氣流溫度場對流場的影響；④忽略濾袋內部支撐袋籠對噴吹過程的影響。

3.3 幾何模型

本文數值模擬提出單條濾袋作為計算區域，主要部件包括噴嘴、版面與噴嘴空間、濾袋內部區域、濾袋外部區域（原煙氣室）。幾何模型如圖1所示。

圖1 單條濾袋幾何模型

3.4 邊界條件

噴吹氣體主要是空氣，故將噴吹氣體的運動簡化為黏性不可壓縮流體的非穩態流動問題，采用N-S不可壓縮黏性流體的控制方程。如圖2。

圖2 濾袋模型

①噴嘴位置采用速度進口條件；②濾袋外壁位置、噴吹管外壁、花板面、濾袋底部采用固定避免函數；③計算區域采用恒壓邊界條件；④濾袋簡化為薄壁多孔跳躍條件，內部沿直徑方向的流動方程由非穩態的達西公式確定：

式中：γ——過濾風速（m/s）；

K——濾料的透氣率（m2）；

μ——黏度系數（Pa·s），空氣取μ=1.81×10-5Pa·s；

r——濾袋厚度（m）。

3.5 數值模擬結果

根據數值分析結果，對濾袋內壁面的各點噴吹最大壓力值進行連線，得到不同噴吹壓力條件下的濾袋內表面噴吹峰值壓力曲線。

（1）從不同噴吹壓力模擬結果中，截取濾袋口下部1m位置的壓力曲線圖，可以看出濾袋內壁面的峰值壓力隨噴吹壓力的增加基本呈上升趨勢，且噴吹壓力在0.2MPa到0.3MPa的壓力變化區間內，對增加濾袋內壁面的峰值壓力有較大提高，但當噴吹壓力升高到0.3MPa以后，提升效果有限。如圖3。

圖3 噴吹壓力對濾袋內壁面壓力趨勢圖

（2）從各噴吹壓力下濾袋長度方向內表面峰值壓力的分布曲線上看，濾袋在濾袋口到大概濾袋口下部1m的位置內，濾袋內表面峰值壓力逐漸加大達到峰值，在達到峰值后，內表面峰值壓力迅速降低，達到袋口約4.5m位置降到最小，并在袋底位置由于袋籠底蓋作用，有所反彈。如圖4。

圖4 濾袋噴吹內表面峰值壓力分布圖

（3）根據4種壓力的分析方案結果，結合濾袋長度方向內表面峰值壓力的分布圖得出，噴吹壓力的提高在濾袋上半部分對濾袋內壁面的峰值壓力提升效果較明顯，對于濾袋下半部分影響有限。

4 袋式除塵器脈沖清灰工藝優化

4.1 濾袋長度的選定

從數值分析結果來看，濾袋噴吹峰值壓力基本分布為上部最大、下部其次、中部最小，且噴吹峰值壓力在上半段的衰減較大。以6000mm濾袋長度的數據分析結果為例，沿濾袋長度方向影響清灰評價的三大指標值的壓力大小和壓力分布均勻性下降。增加濾袋的長度可以減小袋式除塵器的占地面積和投資費用，但從6000mm濾袋的分析結果來看，盲目增長濾袋會導致濾袋下部的清灰效果很差，下部的過濾面積由于清灰效果不理想，通過煙氣量很小，長期運行后基本會達到無效的過濾面積，無法起到過濾作用。故對清灰強度要求較高的袋式除塵器，濾袋的設計長度不宜過長。

4.2 氣包的選型及管道優化

針對氣包選型，噴吹氣包應能滿足濾袋使用期內單次噴吹所需氣量，以保證噴吹時濾袋需要的氣量。但由于濾袋使用期前后較合理的噴吹氣量不盡相同，如一味追求全壽命周期的噴吹氣量要求，選型的氣包體積將會增大，設備成本及占地面積均會增大。故可在選型時排除后期極端工況的影響，僅考慮較為常規的情況。在此基礎上，適當增大氣包進氣管路的尺寸，降低進氣阻力，以保證氣包進行噴吹時，能夠及時補充氣包內的壓縮空氣。

4.3 穩壓罐的增配

針對濾袋運行后期，清灰氣量要求提升，以及防止特殊運行情況下，需增大噴吹氣量。可通過增設穩壓罐體積作為噴吹用的備用，并使其保持在一定壓力。保證在極端工況下濾袋的清灰氣量需求，以保證濾袋的清灰效果及粉塵排放的穩定。在現場和財力允許時，盡量選用大容量穩壓罐，同時，要保證穩壓罐和空氣包之間的距離，避免在輸送壓縮裝置時導致較大壓力損失。

4.4 噴吹氣源壓力值的設定及調節

脈沖式除塵器濾袋從使用前期、中期、后期，各階段的阻力值隨著使用時間的延長會逐步加大，故在相同的清灰壓力下，無法做到清灰均達到最佳效果。針對濾袋壽命階段噴吹壓力不同，可通過在進氣管道增設壓力調節閥，在濾袋壽命的不同階段，通過壓力調節閥對氣包內的壓力進行調整，對噴吹的最優壓力進行調節，保證濾袋壽命期內均處于最優的過濾狀態，以保證排放。

4.5 噴射管的優化

關于噴射管長度，應根據濾袋實際數目確定，從分析結果來看，由于濾袋下部的分布均勻性在下降，如噴吹管的垂直度及中心偏差較大，會導致分布不均勻性進一步加大，導致濾袋內壁面壓力出現偏流。故在噴吹管加工上需提高噴吹管的材質強度及加工精度，避免噴吹管因自身重量而發生扭曲。并在噴吹管上加裝超音速導流噴嘴，可以有效防止噴口與中心位置偏差，從而提高噴管的效率。

4.6 連接管的優化

氣包進氣口孔徑的選取應盡可能大，以確保其滿足充氣速率，如若氣包體積過大，則需要適當增加設計進氣管道。若儲氣回路由多個氣包相連而成，則應采用三管連接，并盡量采用短管，減少彎頭數目，從而降低管道壓差。

5 結語

本文通過對單條濾袋不同噴吹壓力的數值模擬，得到濾袋噴吹時整個濾袋內壁面的峰值壓力。在此基礎上對影響噴吹壓力的因素進行分析，得出噴吹系統氣包、壓力調節閥、緩沖罐、噴吹管的加工要求等方向的優化方案，以輔助袋式除塵器濾袋壽命期的穩定運行及粉塵排放的達標。由于噴吹系統在袋式除塵器運行中工況復雜，本文對工況的有限元模型進行了諸多簡化，可能與實際工況存在部分偏差。