环形脉冲喷吹在袋式除尘清灰系统中的应用研究

牛兵兵，樊越胜，王 欢，田国记，张 鑫，武书恒，刘 婷

（西安建筑科技大学 建筑设备科学与工程学院，西安 710555）

0 引言

袋式除尘器的商业化，可追溯到1881年，我国于20世纪50年代开始引进袋式除尘器。近年来，随着其结构设计技术的提高、滤布材质的加强、自动化控制的普及以及制造工艺的更加完善，袋式除尘器在除尘市场越来越受青睐［1］，较于其它类型除尘器，袋式除尘器除尘效率极高，可达99.9%［2］。

但是袋式除尘器的清灰方式及效果是影响布袋稳定工作的一个重要因素，目前的清灰方式主要有：气流清灰（脉冲喷吹清灰、反吹风清灰和反吸风清灰等），声波清灰，多种清灰方式组合［3］。1957年，REINAUER发明了脉冲喷吹清灰袋式除尘器，使除尘、清灰的操作可以连续进行，20世纪70年代以后脉冲喷吹清灰袋式除尘器的应用向大型化发展［4］。DOS等［5］用 CFD 对袋式除尘器脉冲喷吹清灰系统进行了模拟，研究了高压和低压系统下的清灰流场。CIRQUEIRA等［6］通过试验方法研究颗粒沉积对除尘器过滤性能的影响，结果表明，采用脉冲射流清灰时，过滤器具有良好的运行性能。唐建峰等［7］通过试验给出了结构参数对气体引射器性能的影响规律。LI等［8］通过优化喷嘴的直径，李海霞等［9］通过添加分流器，均降低了脉冲喷吹的不均匀性问题。SHIM等［10］对比了不同的喷嘴在除尘器中的除尘性能，指出双狭缝喷嘴较传统的圆孔状喷嘴可显著提高清灰效率，且在较高的过滤速度下仍能保持稳定的过滤性能。HONG等［11］设计了新形状的文丘里管，并将其应用到袋式除尘器清灰系统中，CFD模拟和试验均验证了此举能大大提高清灰效率。虽然脉冲喷吹清灰是最常用的清灰方式，但存在清灰不均匀现象，常出现袋口清灰过度和袋底清灰不利问题［12］。

经课题组前期对有限空间环形射流流场特性的研究表明：环形射流卷吸能力强，在有限空间环形射流流线分布均匀对称，流线几乎呈直线，气体射流衰减得更慢［13］。环形射流具有良好的流动特性，将环形射流应用到袋式除尘器中，可有效改善清灰不均匀的问题。因此，本文通过CFD数值模拟，对比分析环形脉冲喷吹与圆形脉冲喷吹在袋式除尘清灰系统中的效果，探究前者的应用价值，为袋式除尘器清灰系统的改进提供参考。

1 模型建立与验证

1.1 物理模型

模拟所用的物理模型如图1所示。图1（a）为单条滤袋喷吹清灰的几何模型，图1（b）为环形喷嘴结构示意。环形喷吹与圆形喷吹在喷嘴处不同，其它部分结构均相同。使用PPS针刺毡（面渗透率7.7×10-11m2）材质的滤袋。脉冲清灰时，高压气体由喷嘴中高速喷出，同时诱导上箱体中的气体在短时间内一起进入滤袋［14］。

图1 物理模型Fig.1 Physical model

1.2 模型设置及验证

CFD计算时，将高压脉冲清灰过程简化为可压缩、轴对称、二维湍流模型［15］。以侧壁面压力峰值为清灰效果的评判标准，喷嘴处选用压力入口边界条件，滤袋设为多孔跳跃介质边界条件（porous-jump），下箱体选用压力出口边界条件，花板为无滑移壁面，湍流模型采用Realizable k-e模型［16］。

为了验证模型的准确性，根据张彦婷等［17］的试验条件进行模拟，并与其试验数据对比，如图2所示。从图可看出，滤袋侧壁面压力峰值沿滤袋长度方向呈现出先减小后增大的趋势，由于气流触及袋底后产生返流现象，压力峰值少许增加［17］。距袋口0.439 m处压力峰值最大，试验值为9.928 kPa，模拟值为10.543 kPa，误差为6.2%；距袋口6.393 m处压力峰值最小，试验值为2.061 kPa，模拟值为2.033 kPa，误差为1.4%；所有点中误差最大的为10.3%（距袋口7.929 m），误差最小的为0.4%（距袋口3.327 m）。模拟值与试验值吻合程度良好，可以证明所用计算模型，边界条件等设置合理。

图2 滤袋侧壁压力峰值模拟值与试验值对比Fig.2 Comparison of simulated value and experimental value of filter bag side wall pressure peak

2 环形与圆形脉冲喷吹对比

为比较相同喷吹流量下，环形喷吹与圆形喷吹在袋式除尘清灰系统中的效果，用前文验证过的计算模型对以下工况进行对比模拟分析。

环形喷吹喷嘴：D=80 mm，e=4.1 mm，b=20 mm，配有倾角α=5°，长度l=80 mm的导流筒。圆形喷吹喷嘴直径26 mm。滤袋仍为PPS针刺毡材料，直径160 mm，长5 m，不再设置保护套等部件。喷吹压力P=200 kPa，喷吹距离均200 mm，脉冲宽度为100 ms。

2.1 喷吹过程分析

脉冲喷吹过程是非稳态的，射流流动过程中，流场的压力、速度都不断变化。在滤袋侧壁等距地取监测点，距袋口位置分别为 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5 m。脉冲时间为 50，100 ms 2个时刻，2种喷吹形式的静压云图如图3所示。

图3 50与100 ms时刻静压云图Fig.3 Static pressure nephogram at 50 ms and 100 ms

由图3可以看出，由于环形喷吹是以中间镂空的气流向前运动，较于圆形喷吹，气流能更容易、更快地作用到滤袋底部，因此前者滤袋各点压力能更早地到达峰值。引射系数为被引射流体与工作流体质量流量之比，其大小对滤筒除尘器清灰等有限空间射流的效果有很大影响［13］。在此模拟中，环形喷吹的引射系数为1.106，圆形喷吹为0.861，前者较后者提升了28.5%。这是因为环形喷吹的低压区位于喷嘴中间，圆形喷吹低压区位于滤袋口部，因此前者更易卷吸周围气流，有更大的引射作用。

2.2 清灰效果分析

以滤袋的侧壁压力峰值为清灰效果的评价指标［19］，各测点压力峰值的标准差、峰值极值之比（最大值与最小值之比）为其清灰均匀性的评价指标［20-21］。取0～100 ms喷吹过程中各测点的压力峰值，并比较其平均值和标准差，如图4所示。

图4 滤袋各测点压力峰值Fig.4 Pressure peak value at each measuring point of filter bag

由图4可看出，对于2种不同的清灰方式，沿滤袋长度方向，侧壁压力峰值均呈现出先下降后稍微上升的趋势，均在距袋口3.5 m处压力峰值最小。在监测的9个测点中，前两个测点的压力峰值环形小于圆形，后7个测点环形大于圆形，说明从整体来看，环形的清灰效果是优于圆形的。

环形喷吹侧壁压力峰值标准差为3.129，圆形为4.791，说明前者整体不均匀性较后者降低34.7%；前者压力峰值极值之比为3.169，后者为5.440，说明前者极值不均匀性较后者降低41.7%。以上分析说明环形喷吹方式的清灰均匀性优于圆形喷吹，前者能够减轻喷吹气流对滤袋口部分的作用，增强对滤袋中下部的作用。

3 不同工况和不同设计条件下清灰效果分析

分别改变喷吹压力、滤袋长度、喷吹距离来再次对比环形与圆形喷吹的清灰效果。保持其余条件与前文第2部分相同，仅改变喷吹压力：使用180，200，230，250，300 kPa的喷吹压力分别进行模拟，结果如图5（a）所示；仅改变滤袋长度：对5，6，8，9，10 m 的滤袋分别进行模拟，结果如图 5（b）所示；仅改变喷吹距离：对喷吹距离为150，180，200，230，250 mm的模型分别进行模拟，结果图5（c）所示。3种变工况下2种喷吹方式的引射系数，压力峰值标准差、极值之比见表1。

图5 不同工况下滤袋侧壁压力峰值对比Fig.5 Comparison of pressure peak value of filter bag side wall under different working conditions

3.1 清灰效果对比

由图5可以看出，无论是改变喷吹压力，滤袋长度，还是改变喷吹距离，2种喷吹清灰方式侧壁压力峰值沿长度方向都呈现出先降低再稍微上升的趋势，在距袋底1.5 m处出现最小值。

由图5（a）可知，随着喷吹压力的增大，滤袋侧壁各测点的压力值也随之增大。当喷吹压力从180 kPa增加到300 kPa时，环形喷吹侧壁压力平均值从6.779 kPa增加到11.135 kPa；圆形喷吹侧壁压力平均值从6.753 kPa增加到11.047 kPa。因此，对于2种不同的喷吹方式，提高喷吹压力均有利于改善滤袋的清灰效果。由图5（b）可知，2种喷吹形式下，对于压力峰值曲线递减的部分，曲线基本处于重合状态，说明滤袋长度的增加对滤袋这部分压力峰值基本不影响。对于压力峰值曲线尾部递增的部分，随着滤袋的增长，压力峰值曲线的尾部上升趋势减小，这是因为由气流返流造成袋底压力峰值上升的效果将减弱。由图5（c）可知，2种喷吹形式下，喷吹距离对滤袋侧壁压力峰值均基本无影响。

可以看出，在所有滤袋（5 m）侧壁的9个监测点中，均为前两个测点的压力峰值环形小于圆形，后7个测点环形大于圆形。其余长度的滤袋，除前两个点外，其它点均环形压力峰值大于圆形。说明从整体来看，环形的清灰效果是优于圆形的，前者能使单条滤袋（大于5 m）80%以上长度的清灰效果得到提升。

3.2 引射系数对比

由表1可以看出，不同条件下环形的引射系数均大于圆形，前者较后者提高了27.7%～41.0%，说明前者的引射优于后者，可以实现以更小的喷吹空气量达到相同的清灰效果。

表1 不同条件下3种评价参数对比Tab.1 Comparison of three evaluation parameters under different conditions

3.3 压力峰值均匀性对比

由表1可以看出，不同条件下环形的压力峰值标准差、极值之比均小于圆形，前者较后者整体不均匀性降低了29.9%～35.9%，极值不均匀性降低了13.86%～36.95%，说明环形喷吹的均匀性优于同等条件下的圆形喷吹。

4 结论

（1）环形和圆形2种喷吹方式下，均有以下相同规律：沿滤袋长度方向，侧壁压力峰值均呈现先下降再少许上升的趋势；在一定范围内，提高喷吹压力均有利于改善滤袋的清灰效果；单纯增加滤袋长度，仅会改变喷吹气流对滤袋底部的作用，对滤袋前端及中部几乎无影响；喷吹距离对滤袋清灰效果的影响很小。

（2）相同条件下，环形喷吹的整体清灰效果优于圆形喷吹，前者能使单条滤袋（大于5m）80%以上长度的清灰效果得到提升，且滤袋越长得到提升的滤袋长度占比越大。

（3）相同条件下，环形喷吹的引射能力优于圆形喷吹，引射系数比后者提升27.7%～41.0%。

（4）环形喷吹清灰方式滤袋侧壁压力峰值有更好的均匀性，较于后者，前者整体不均匀性可降低29.9%～35.9%，极值不均匀性可降低13.9%～37.0%。

（5）较于圆形喷吹，环形喷吹方式有更好的清灰效果，需要更少的喷吹气体流量，有更好的清灰均匀性，对于袋式除尘器清灰中常出现的袋口清灰过度和袋底清灰不利问题，环形喷吹方式有很好的改善作用。