高温除尘器脉冲反吹过程中过滤管数值分析

范丽丽

(滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000)

1　高温除尘器简介

高温含尘气体的净化问题存在于现代工业生产中的各个领域，如冶金、煤化工、电力等行业。安装除尘设备的目的，不仅仅是为了满足环保要求，减少企业的排污费用，事实上，在更多的生产工艺中，除尘设备净化后的气体即是工业产品[1]。因此，如果除尘设备在工作中失效，将导致生产停止，企业蒙受巨大的损失。

高温除尘器的组成主要由上下箱体、固定板、气包、脉冲阀、喷吹管、喷嘴、过滤管等组成，如图1所示[2]。

2　脉冲反吹式高温除尘器工作原理

如图1所示，过滤管安装在固定板上，共同起到对含尘区和洁净区的隔离作用。在高温除尘器出口引风机的作用下，含尘高温气体进入下箱体，气体由过滤管外表面向内表面通过，尘粒被阻挡在过滤管的外表面上，净化后的气体进入上箱体。随着过滤管外表面尘越积越厚，形成尘饼，除尘器的上下箱体压差越来越大，导致引风机无法将含尘气体通过过滤管吸入上箱体。除尘器上下箱体安装有压差计，当压差达到设计值时，除尘器启动脉冲反吹系统，利用气包内储存的高压压缩气体经喷吹管反向喷射，瞬时反向高压气流会清除掉吸附在过滤管外表面上的尘饼，尘饼脱离过滤管后，即落入下箱体底部，由排灰阀自动排出。清除尘饼之后，使设备运行阻力降低，除尘器就可以开始新一轮的工作循环[3-5]。

图1　高温除尘器结构示意图

3　过滤管材料研究成果

除尘器工作过程中，如果过滤管出现堵塞或破损，即使有一根损坏，也将无法完成过滤含尘气体的功能，必须紧急停车检修，否则会严重影响生产。因此，过滤管是关系到除尘设备能否高效运行的关键零部件之一[6]。世界各国从20世纪70年代就开始对过滤管的材料进行深入研究，早期开发的利用多孔陶瓷材料制成的过滤管，具有较好的耐热性、耐腐蚀性，但是抗震性和耐冲击能力较差，因此脉冲喷射时，极易引起过滤管形成纵向裂缝，影响过滤效果[7]。国内对陶瓷材料过滤管的研制工作起步较晚，21世纪初，以李建保教授为首的“863”项目组与江苏省某化工厂合作，研制的陶瓷材料过滤管具有过滤精度高、通气量大、成本低廉等特点，填补了国内空白。随着时代发展，新的材料不断涌现，成都易态科技有限公司、西安宝德粉末冶金有限公司北京安泰科技股份有限公司等采用金属烧结方法制备的

铁铝合金材料过滤管，不但具备了陶瓷材料过滤管的优点，并且抗震性好、耐冲击性好、材料强度高，亦具有焊接性能好等优势[8-9]。

采用铁铝合金材料烧结制成的过滤管如图2(a)所示，过滤管尺寸如图2(b)所示，其性能参数见表1。

(a)过滤管

(b)过滤管尺寸图2　过滤管与过滤管尺寸

气体过滤精度/μm渗透系数抗弯强度/MPa最大耐热温度/℃孔隙度/%密度/(kg·m-3)膨胀系数/K渗透率/m20.3>120>75100040565011.5×10-61.6×10-12

4　铁铝合金制成过滤管数值分析

4.1　过滤管CFD数值分析简介

对过滤管在受到脉冲高压气流后的流场变化分析，有助于更深刻地认识和了解过滤管物理性能。以Ф60×Ф54×1 500标准规格的过滤管为基础，研究在脉冲喷吹时间0.1 s，气体绝对压力0.4 MPa时，高压脉冲气体分别从直径8 mm、12 mm、16 mm的喷嘴喷射，喷嘴出口与过滤管距离为50 mm、80 mm、110 mm、140 mm、170 mm、200 mm的工况下，计算得到过滤管内外表面压力与速度的数值，同时截取过滤管中段内表面与外表面的压力差值与径向速度值进行对比，将进入过滤管内部的气体总量与喷嘴喷射出的气流总量做比值，得到引射比，引射比越高，说明脉冲喷吹的效果更佳。脉冲反吹过程中气体流动完成了压力与能量传递。

与传统的通过实验方法来检验检测单个过滤管不同，通过CFD软件做数值模拟分析，可以节约大量的成本与时间，并能够很方便地调整设计参数。在CFD软件上多次模拟之后，再通过实验方法验证对比，能够以最低的成本得到最优的结果[10]。

在CFD软件中，过滤管的材料设置实际上就是多孔介质模型，对多孔介质材料模拟分析，就是研究流体在多孔介质内的渗流机理，分析流体在多孔介质内部的速度及压力分布情况[11]。

4.2　Fluent模型计算设置

Fluent模型计算设置，选择计算模型为Viscous-Standard K-e，流动介质Materials设置为ideal-gas，过滤管区域Cell Zone Condition设置中打开Porous Zone和Laminar Zone选项，以激活多孔介质模型和忽略多孔介质区域对湍流的影响，并设置多孔介质的主速度方向Direction-1 vector为(1，0)，填写黏性阻力系数和惯性阻力系数，在Viscous Resistance的Direction-1，Direction-2两个方向分别输入“6.25e+11”，“6.25e+11”，在Inertial Resistance的Direction-1，Direction-2两个方向分别输入“6.36e+5”，“6.36e+5”。填入多孔介质流域孔隙度，在Fluid Porosity下的Porosity输入0.4。边界条件设置中，气体入口选择pressure-inlet，输入绝对压力值99 325 Pa，气体出口设置为pressure-outlet，输入绝对压力值为98 325 Pa，上下箱体压差为1 000 Pa，喷嘴入口压力设置为pressure-inlet，输入绝对压力值为405 300 Pa。

4.3　Fluent软件对模型数值分析的结果

以上设置完成后就可以在Fluent软件中对模型进行数值分析，分析结果如图3～5所示。

(a)喷嘴8 mm，距离50 mm，过滤管内外表面压力值

(b)过滤管内径向速度图3　喷嘴8 mm，距离50 mm工况

(a)喷嘴8 mm，距离80 mm，过滤管内外表面压力值

(b)过滤管内径向速度图4　喷嘴8 mm，距离80 mm工况

图3～5列举出了喷嘴直径8 mm，喷嘴出口与过滤管距离从50～200 mm的6种工况下，过滤管内外表面压力值以及过滤管内径向速度，其余的计算结果见表2～4，分别为喷嘴直径8 mm、12 mm、16 mm时，与过滤管不同距离下的计算结果。

(a)喷嘴8 mm，距离110 mm，过滤管内外表面压力值

(b)径向速度图5　喷嘴8 mm，距离110 mm工况

距离/mm压差/Pa速度/(m·s-1)引射比5043560.1511.158044830.1551.2711047900.1651.4514052260.1801.6517053790.1861.7320051440.1771.69

表3　喷嘴直径12 mm时与过滤管不同距离下的计算结果

表4　喷嘴直径16 mm时与过滤管不同距离下的计算结果

由图3～5可知，喷嘴出口与过滤管距离<110 mm，时，在过滤管100～200 mm的前端处，内表面压力小于外表面，气流流向是由过滤管外表面向内表面流动，这种现象就是卷吸现象，会造成过滤管前端部灰尘集结，不但会使过滤效率降低，而且时间长了，多个过滤管的端部尘饼连接在一起，慢慢造成整个过滤系统的堵塞，最终致使除尘器损坏停车。

当喷嘴距离在110～140 mm之间时，由表2～4可知，虽然过滤管前端部压差较小，速度较低，但是速度却是由内表面流向外表面，也就是说当喷嘴出口与过滤管距离>140 mm时，过滤管端部不会发生卷吸现象。另外，随着喷嘴出口与过滤管距离增大，引射比一直增大，当距离=170 mm时，引射比达到最大值。当距离=200 mm，时，引射比反而降低，也就是说当距离超过170 mm之后，随着喷嘴出口与过滤管距离的增加，喷嘴喷射出的气体发散度增大，有一部分无法进入过滤管内部，上箱体内的气体被引入过滤管的气体量减少，高压气体亦不能全部发挥反吹作用，造成气源浪费，设计喷吹系统时也应该避免这种问题发生。

4.4　不同脉冲时间条件下箱体温度分布以及过滤管中段压力和速度数值变化

以喷嘴直径8 mm，喷嘴出口与过滤管距离170 mm，高压脉冲反吹气体压力0.4 MPa，气体温度226.85 ℃，含尘工况气体温度496.85 ℃为计算基础条件，观察在脉冲时间从开始至0.1 s之间，箱体温度分布以及过滤管中段压力和速度数值与变化。箱体内以及过滤管压力速度给出了随时间的变化历程。图6(a)为喷吹0.01 s之后过滤管内外表面压力值，图6(b)为径向速度值，图6(c)为过滤管内外表面温度值。喷吹0.01～0.1 s后过滤管内外表面压力值、径向速度值以及过滤管内外表面温度见表5所示。

表5列出了不同脉冲喷吹时间下过滤管中段内外壁面压差，以及过滤管通过气流的径向速度，过滤管前端内表面温度最低值。

(a)0.01 s后过滤管内外表面压力值

(b)径向速度值

(c)过滤管内外表面温度值图图6　0.01 s之后，过滤管内外表面压力值、 径向速度值与过滤管内外表面温度值

时间/s压差/Pa速度/(m·s-1)温度/K0.0176510.2577660.0273220.2447630.0370250.2397610.0467230.2337590.0566110.2297570.0665440.2277550.0764930.2247530.0864030.2227500.0963130.2197480.162370.216745

由图6和表5分析可知，脉冲反吹气体开始喷吹至0.01 s内，由喷嘴射出的气体即充满了过滤管内部，并开始由过滤管内表面向外表面渗透，过滤管内表面与外表面的压差逐渐降低，亦如表5所示。图7(a)显示了喷吹0.1 s时箱体的温度云图，上箱体温度由于相对低温的喷嘴气体的注入，导致上箱体温度有所下降。图7(b)～(d)分别为温度云图、压力云图、速度云图的局部放大图，由图7(c)和(d)，看到喷嘴出口的压力是箱体内气体压力的2倍左右，因此形成了如图7(c)所示的马赫盘，最高速度达到了670 m/s。结合图表可知，压差减小的原因是因为脉冲高压气体进入下箱体后，上下箱体的绝对压力都在升高，但是过滤管内部压力值上升的相对于下箱体慢，因此造成压差降低.脉冲喷吹开始后，过滤管前端内表面温度是492.85 ℃，喷吹0.1 s时，过滤管前端内表面温度471.85 ℃，低于除尘器工况温度25度，由此可见，脉冲气体的温度注入上箱体，逐渐使箱体温度下降，但是并不会造成急剧跨度大的降温，如果含尘气体中含有低温下会凝结的介质，也不会造成气体凝结。铁铝合金过滤管适合含气化焦油类气体的过滤任务。

4.5　进一步的CFD分析

以喷嘴直径8 mm，喷嘴与过滤管距离170 mm，脉冲反吹气体绝对压力0.4 MPa为研究基础，含尘气体499.85 ℃，脉冲喷吹气体226.85 ℃进行更深入的CFD分析，当0.01 s脉冲喷吹时间结束后，过滤管内外表面压力与速度变化情况如图8(a)和(b)所示。

(a)0.1 s时箱体的温度云图

(c)压力云图局部放大图

(d)速度云图局部放大图图7　模拟云图

(a)0.01 s过滤管内外表面压力

(b)0.01 s径向速度值图8　0.01 s过滤管内外表面压力和径向速度值

喷嘴停止喷吹之后，过滤管前端内表面的压力就开始骤降，0.01 s内，过滤管的外表面压力就已经大于内表面的压力，气体流向上箱体，在0.01～0.05 s之间，过滤管内外表面绝对压力逐渐稳定，这过程中，由于上箱体与过滤管端部处的虹吸作用，以及过滤管内部压力高于上箱体内净化气体区域压力，导致过滤管内表面压力震荡降低。0.05 s后压力稳定，过滤管内表面压力稳定在98 454 Pa，外表面稳定在10 096 Pa，如图9所示。进一步CFD分析可知，喷吹停止后的0.2 s后，过滤管内表面压力稳定在98 410 Pa，外表面稳定在99 349 Pa，径向速度稳定在0.033 m/s，下箱体压力与设定值的初始压力为99 325 Pa，上箱体设定值为98 325 Pa，相差已经不大，可以认定喷吹结束0.2 s后，除尘器恢复正常工作状态。

(a)0.05 s过滤管内外表面压力

(b)0.05 s径向速度值图9　0.05 s过滤管内外表面压力和径向速度值

5　结语

1)高温除尘器脉冲反吹除尘过程最重要的就是根据灰尘的物理化学特性、引风机的功率、过滤管的布置等因素计算过滤管内外表面的压差。本文以CFD软件为计算基础，通过调整喷嘴出口与过滤管距离，脉冲气体压力，喷嘴直径等多种方案能够得到最佳的压差值以满足除尘器的除尘要求。

2)喷嘴出口与过滤管距离应该有个合适的数值。距离太近，引起卷吸现象，距离太远，又会使高压脉冲气体无法全部用于反吹功能。

3)喷嘴直径的增大会使过滤管内外表面压差增大，速度增加，但是引射比会降低，因为上箱体的体积是不变的，喷嘴喷射的气体量增大，使得在一定上箱体体积下，从上箱体引入到过滤管的气体量相对减少。

4)高温除尘器工作一段时间后，阻力会升高。在过滤管完好的情况下，可以通过调整脉冲喷吹时间，脉冲喷吹间隙和脉冲压力等使过滤管内外表面保持较高压差值。参数调整需要考虑多种因素，包括气包容积的大小，气体进入箱体后相对于高温含尘气体的占比率，以及是否能满足将依附在过滤管外表面上的尘饼振动落下。

5)应用CFD软件Fluent对单根过滤管进行脉冲反吹模拟，可以很方便地通过调整各种设计参数，得到过滤管所受到的压力与速度参数，并以此为基础，此种研究方法也能够应用于整机模型化的高温除尘器，因此，将十分有助于指导改进高温除尘器的结构设计，合理布置过滤管位置与数量。此研究方法对一代金属烧结制成的过滤管大规模应用将大有益处。

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