除尘滤筒脉喷清灰技术研究进展与展望

李建龙 陈源正 林子捷 吴泉泉 吴代赦

(南昌大学资源与环境学院,江西 南昌 330031)

矿山、水泥、电力、建材、冶金、化工等工业生产过程产生的各类粉尘,是室内外环境的重要空气污染源[1-4]。工业粉尘导致的尘肺病已成为我国职业健康最主要元凶,当前,我国每年新增报告的职业病中,尘肺病占比超过80%[5-8]。并且,有毒的粉尘(如含重金属、有机物等)进入人体后,会引起中毒以致死亡[9]。粉尘控制不当还易诱发爆炸,严重威胁人们的生命和财产安全[10-12]。

过滤除尘是一种高效的粉尘控制手段,过滤元件(滤芯)以布袋、滤筒、陶瓷滤管等为代表,在工业粉尘控制领域应用更广泛[13-16]。该方法的技术优势在于集尘高效、稳定可靠、处理风量大、阻力适中、对粉尘适用性强。过滤除尘器的运行主要包括粉尘阻留(过滤)和清灰两个阶段[17]。在粉尘过滤阶段,除尘效率相对稳定,通过优选滤料精度、调整过滤风速等可实现除尘系统出口浓度达标。清灰是维持过滤元件高效稳定阻留粉尘的关键环节[18],清灰可采用机械振打、逆气流反吹、脉冲喷吹、声波作用等方法实现。1957年,REINHAUER首次利用压缩空气的脉冲喷吹气流实现了除尘器滤袋的清灰,这被认为是脉冲喷吹过滤除尘器诞生的标志[17,19]。我国脉喷过滤除尘器(主要是袋式)始于20世纪70年代,并于20世纪90年代中后期得到大量的发展和推广[17,19-21]。脉喷清灰是利用压缩空气(通常为0.2～0.6 MPa)在极短暂的时间段内(约0.1～0.2 s)高速喷入滤芯(滤袋、滤筒、陶瓷滤管等),同时诱导数倍于喷射气流的空气,形成瞬间的冲击气流以剥离过滤元件表面所捕集的尘饼(粉尘层),具有工艺简单、效果显著、无运动构件、不中断风流等优点。

滤筒除尘器是在古老的袋式除尘器基础上发展而来,两者工作原理类似[17]。早期,因滤筒运输及安装不便(不似滤袋可弯曲、折叠)、过滤风速低、清灰困难等问题,滤筒作为过滤元件的应用范围较窄。近年来,随着新型滤料的问世和除尘器结构的改进,滤筒式除尘器被广泛应用于各大工业领域[22-24]。与袋式除尘所使用的柔性滤袋相比,类刚性的滤筒可采用褶皱式结构,显著提升单位空间的过滤面积、增大过滤风量,有利于实现装置小型化。

本研究通过搜集、分析除尘滤筒脉喷清灰技术的相关研究资料,重点对2005—2021年国内外相关研究成果进行梳理和综述,系统归纳除尘滤筒脉喷清灰技术的基本原理、除尘器运行的主要特征、清灰效果评价指标、影响清灰性能的主要因素和存在的主要问题,总结提高清灰均匀性的改进措施,并进一步讨论除尘滤筒脉喷清灰技术的发展趋势。

1 脉冲喷吹清灰概述

1.1 基本原理

脉冲滤筒除尘器主要由滤筒、花板、进风管、排风管、清灰装置(含脉冲控制仪)、箱体等组成,如图1所示。工作时,含尘气流从进风管到达除尘器的过滤室,在过滤室内,粉尘被滤料(或已附着在滤料表面的尘饼)所拦截,实现与气流的分离,过滤风速一般控制在0.5～2.0 m/min[17]。净化后的气流穿过滤筒到达洁净室,然后经排风管排出。

图1 滤筒除尘器及其脉冲清灰装置示意Fig.1 Schematic of the cylinder dust collector and its pulse dust removal device

除尘器的风流阻力随着尘饼厚度增加而上升,可按设定的时间或阻力阈值对滤筒实施脉冲喷吹清灰。清灰时启动电磁脉冲阀,气包内的压缩空气经喷吹管到达喷嘴喷出,同时诱导周围空气(二次气流)形成高速射流进入滤筒内部,滤筒外壁尘饼受喷吹气流作用剥离,落入下方积灰区。

1.2 尘饼附着与清灰剥离

脉喷清灰的目的是有效剥离附着在滤料表面的尘饼,所需克服的作用力主要有尘饼与滤料之间的黏附力和过滤风流产生的压力。其中,黏附力主要有分子间作用力、毛细作用力与静电力[17,25]。过滤过程中风流对粉尘产生的力(风流力)也是使得尘饼附着在滤料表面的作用力。对于离线清灰,要使尘饼从滤料表面剥离,清灰作用力必须大于黏附力;对于在线清灰,则需要清灰作用力大于黏附力与风流力之和。

脉冲喷吹清灰技术自问世以来,对其尘饼剥离机理的讨论从未间断。目前,脉喷清灰理论主要有反吹风速理论、加速度理论、压力理论、综合作用理论。其中,反吹风速理论认为清灰主要依赖反吹(脉冲)气流作用,反向的清灰气流直接冲击尘饼而使尘饼脱落。研究表明,将粉尘颗粒从滤料上吹落的逆向清灰气流速度至少应达到10～20 m/s[26],而试验或数值分析发现,脉冲喷吹时穿过滤料的气流速度远低于该值,仅为0.03～5.00 m/s[27-30]。加速度理论认为,尘饼剥离起主要作用的是喷吹使得滤料膨胀到极限位置的最大反向加速度,此时尘饼与滤料之间的分离力最大。脉冲喷吹过程中,滤料的反向最大加速度一般为10～200 g[28,31-36],个别测试条件下降低至1～2 g[37]。目前,喷吹压力理论被业内普遍接受,该理论认为脉冲喷吹过程中清灰气流对滤料的冲击起决定性作用,滤芯内的压力峰值和压力上升速度是衡量清灰效果的重要指标。业内对有效清灰临界压力峰值的认识也较为统一,一般认为是300～600 Pa[38-41]。

可见,目前业内对清灰机理的认识尚未达成共识,即使对同一种清灰作用理论也存在认识差距。总体而言,无论是柔性、类刚性或刚性过滤元件,反吹风速理论可以解释其清灰作用,但实际反向风速并不足以剥离尘饼。加速度理论能够解释柔性过滤元件,也可以部分地解释褶式滤筒这种类刚性过滤元件的清灰问题,但无法说明和解释陶瓷滤管和塑烧板除尘器的清灰情况,因为同样是采用脉冲喷吹清灰,陶瓷滤管和塑烧板都不产生反向加速度﹐却依然可取得良好的清灰效果。喷吹压力理论能够有效解释各种过滤元件的清灰作用,并且实际喷吹产生的压力也足以满足尘饼剥离需要。

另外,脉冲喷吹清灰的实现是多种作用的综合结果,针对不同类型的滤料,各种作用程度不一。据报道,滤袋清灰的评价一般用加速度理论,即将测试滤袋的加速度作为评价指标[28,33,37]。褶式滤筒、陶瓷滤管等一般采用喷吹压力理论评价清灰性能,即通过测试滤料所受静压作为评价指标[42-44]。

1.3 清灰效果评价

脉冲喷吹效果可以通过滤筒内壁所受的喷吹压力、穿过滤筒的风速或筒壁振动的加速度等指标进行评价。但良好的喷吹作业未必能实现期望的清灰效果,粉尘与滤筒之间的黏附作用、过滤风速等因素会引起粉尘剥离程度的差异,甚至剥离的粉尘还会因过滤室内布局导致不同的回吸。因此,喷吹效果只能作为清灰效果的间接评价指标。

清灰效果的直接评价,常以剥离粉尘的质量[45-46]或过滤阻力(一般用压差表示)的变化为指标因素[45,47-51]。典型的质量清灰率ηm计算公式为

式中,Wt为滤筒上附着的总粉尘质量,g;WR为清灰后残留在滤筒上的粉尘质量,g。

典型的阻力清灰率ηp计算公式为

式中,ΔPmin为过滤前干净滤筒的阻力,Pa;ΔPmax为滤筒清灰前阻力,Pa;ΔPc为滤筒清灰后阻力,Pa。

目前,清灰效果的评价集中在清灰前后过滤阻力和落尘质量计算方面,主要关注清灰后的相对稳定状态而忽略了清灰时粉尘的运移过程,具有一定的局限性。有必要深入研究清灰剥离粉尘的运移,建立考虑粉尘运移过程的定量评价方法。

2 清灰效果主要影响因素

脉冲喷吹的清灰效果是滤筒除尘器研究与应用的重要关注点,清灰效果受喷吹参数、尘饼特征、滤筒参数、运行工况等多种因素共同影响,由于不同脉喷系统的参数及所处环境不同,导致工业应用中的滤筒除尘器性能差异较大。明晰不同因素对清灰效果的影响规律,能有效指导喷吹系统设计,优化运行工况,对于实现稳定高效除尘意义重大。

2.1 脉冲喷吹设计参数

(1)喷嘴类型。喷嘴结构直接决定出口射流流场和对周围气流的诱导卷吸效果。与中心喷吹式(如喷吹管带孔眼式[52])相比,环形喷吹式(如采用环形引射器代替中心喷嘴)有利于诱导二次气流,喷吹气流均匀,但结构较复杂。传统的直管喷嘴会造成大量的射流偏斜,而通过增加喷嘴直管段[53]、采用收缩喷嘴[54]、设置文丘里管[55]等相关措施可以解决偏斜问题。

(2)喷吹距离。若喷吹距离过小,喷出的气流来不及扩散,将会导致滤筒内靠近喷嘴的一端受射流卷吸产生负压而成为清灰死区;若喷吹距离过大,则喷吹的气流发生扩展而超出滤筒开口断面,外围喷吹气流被花板阻挡不能进入滤筒内,导致喷吹效果降低[56]。最佳喷吹距离一般可通过对比测试滤筒内喷吹强度而获得[57],巨敏[35]、LI等[58]提出了喷吹距离的经验公式,根据滤筒直径和喷嘴尺寸等参数可计算得到最佳喷吹距离。

(3)喷吹压力。过低的喷吹压力导致清灰强度不足、尘饼大量残留;过高的喷吹压力则产生过度清灰导致尘饼初层被破坏,不利于后续过滤的进行,不仅浪费喷吹能量,而且加剧滤料的损坏。喷吹压力由初始气包压力控制,初始气包压力一般取值为0.4～0.6 MPa。

(4)脉冲宽度。由于喷吹气流需要脉冲阀开启并持续一定时长才能达到最大速度,因此需要足够的脉冲宽度以保证喷吹气流的能量在滤筒内蓄积到对应峰值(可用压力峰值、加速度峰值等为指标),达到峰值后,过长的脉冲宽度则会造成能量的浪费。

(5)脉冲阀性能。脉冲阀的主要参数有脉冲阀启闭速度、脉冲阀开度及喷吹压力上升速率、膜片寿命等。脉冲阀启闭速度和开度会对喷吹气流的冲击特性产生直接影响[59-60]。

2.2 滤筒参数

(1)滤料类型。相对于传统的针刺毡、编织滤料,聚四氟乙烯覆膜的滤料过滤时,粉尘的捕集发生在膜表面,无滤料孔隙堵塞现象,清灰作业更容易[17,61]。

(2)褶皱结构。滤料的褶皱结构有利于过滤面积的增加,但过密集的褶皱会导致滤筒在喷吹清灰时形变小、清灰效果差。方璨[36]研究发现,在同一喷吹压力流场条件下,褶数8、10、12的滤筒最大应变分别为0.14%、0.12%、0.10%,且应变周期依次缩短,表明褶数高则变形更难。LI等[62]、LI等[63]分别通过数值模拟和试验研究,发现越高褶皱比(褶高与褶间距之比)的滤筒越容易出现清灰不完全;其中后者在试验中发现6种不同褶皱比(0～3.3)聚酯滤料的清灰周期从1 412 s逐步降低至683 s,首次清灰率从72%左右降低至66%。越密集的褶皱结构带来的褶间粉尘堵塞越严重,褶间堵塞一方面会导致滤料有效过滤面积随着捕集粉尘的增多而快速减少,另一方面尘饼在褶间拥挤增加了清灰所需的喷吹气流强度。

2.3 尘饼特征

(1)粉尘黏性与含湿量。部分粉尘黏性较大(如含MgO或Al2O3的工业粉尘[64]、炭黑粉尘[65]、沥青烟尘、焦油烟尘等),附着在滤料表面难以剥离。还有部分粉尘在潮湿环境条件下易吸湿导致黏性过强,附着于滤料表面结痂成块而难以清理,严重时会导致滤筒清灰失效[17]。

(2)粉尘沉积量。随着粉尘沉积量的增加,尘饼的喷吹剥离难度降低,低压脉冲清灰的效率提高,所需的反吹清灰力呈减小趋势[66]。此外,粉尘颗粒粒径对清灰性能也存在影响,在相同的最大压降条件下,颗粒越大,脉冲喷吹频率和粉尘排放量均降低[67]。

(3)尘饼结构。即使相同的粉尘沉积量,尘饼形态与结构也可影响其过滤阻力,进而影响清灰周期。ZHANG等[68]研究发现,疏松多孔的尘饼结构可以延长清灰周期78%。李建龙等[65]研究了黏性颗粒在滤料表面的沉积形态,发现滚阻系数或摩擦系数越大,尘饼的“树枝状”结构越明显,孔隙率越大,过滤阻力越小。可见,在可以实现有效清灰(尘饼不发生结痂成块而难以剥离)的前提下,粉尘颗粒之间适度的黏性有利于延长清灰周期。此外,粉尘黏性还受喷雾影响,李建龙等[65]发现延长清灰周期的适当喷雾量为0～3 200 mL/h。

2.4 运行工况

对清灰影响最直接的运行工况即过滤风速。对于离线清灰(过滤风速为0)或过滤风速较小的在线清灰,粉尘从滤筒上剥离后逐渐落入灰斗内。当过滤风速较大时,一方面与风流逆向的喷吹气流受到较大阻力,现有研究表明:随着过滤风速增大,滤筒侧壁喷吹压力峰值出现降低现象[68-69];另一方面受清灰作用影响,从滤料上剥离的粉尘易被风流夹带而回吸至滤筒,清灰效果被抑制[19]。

可以看出,针对滤筒脉喷清灰的研究已经明确了脉冲喷吹参数、尘饼沉积量等因素与清灰效果的影响,但科学的喷吹系统设计标准尚未形成。因此,以既有研究为基础,系统探究在具体滤筒参数、尘饼特征、运行工况条件下,喷嘴类型、喷吹高度、压力等喷吹参数对清灰效果的影响规律,建立一套脉冲喷吹参数设计规范,是未来脉冲喷吹滤筒除尘器的重点研究方向。

3 清灰存在的主要问题

分析除尘滤筒脉喷清灰过程中存在的问题,对于改进喷吹系统、提升清灰效果意义重大。近年来,部分研究者通过理论分析、试验研究、数值模拟等手段揭示了在此方面的重要规律。

3.1 喷吹气流偏斜

脉冲喷吹时,压缩空气从喷吹管的喷嘴喷出,由于流向变化后尚未稳定,高速气流会发生偏斜[53-55]。如图2所示,刘侹楠等[53]采用纹影仪观测了脉喷气流出口的偏斜现象并分析了偏斜对清灰的影响,发现喷吹压力和喷口口径越大,气流偏斜影响区域越大;在较低喷吹压力和较小的孔径条件下,气流偏斜现象可以忽略。任玲等[70-71]发现喷吹气流的偏斜角度沿着喷吹管方向逐渐减小,随着喷吹压力增大而增大,偏斜角度越大则清灰性能变差。喷吹气流偏斜将影响滤筒清灰性能,甚至直接冲击滤料产生破坏。

图2 喷孔式喷口气流纹影图[53]Fig.2 Airflow pattern shadow diagram of orifice type nozzle

3.2 清灰不均匀

滤筒常因粉尘黏性过大难以清理而导致除尘器阻力过高,这一问题一般可通过提高气包压力、增加喷吹管或喷嘴口径等提升喷吹强度的措施来解决。与清灰强度不足相比,清灰不均匀问题更难以解决。若简单地提高气包压力来提升清灰不足区域的强度,易导致清灰强度已足够的区域清灰过度。

清灰不均匀的根源在于脉冲喷吹仅在滤筒开口处布设单一点源式喷嘴,所释放的喷吹气流对立体式长筒型滤筒所产生的清灰作用势必会导致空间分布不均衡。清灰不均匀条件下滤筒表面尘饼残留分布见图3,受清灰作用小的上部区域仍有尘饼残留,喷吹作用大的区域则可能清灰过度。残留尘饼累积,即普遍认为的清灰出现“死区”,会导致滤料堵塞、阻力激增、除尘系统失效;清灰过度不仅导致该区域再过滤时粉尘(尤其是细小的粉尘)加剧穿透,还会加速滤料老化,甚至滤料直接破裂致使系统失效[72-73]。由于单一点源式脉冲喷嘴喷吹的局限性,滤筒清灰不均匀的问题普遍存在,抑制除尘系统的稳定高效运行。清灰不均匀问题是当前滤筒脉冲喷吹技术研究的焦点和热点[58,72]。清灰不均匀的问题,不仅体现在单个滤筒,在同一喷吹管下各滤筒之间也存在。由于喷吹管上各喷嘴与气包距离不等,喷嘴出口压力不同,导致相应的滤筒存在清灰程度差异[58,74-75]。

图3 清灰不均匀情况下滤筒表面尘饼残留[72]Fig.3 Dust cake residue on the surface of filter cartridge in case of uneven dust cleaning

3.3 剥离粉尘回吸

相比于喷吹气流偏斜、滤筒清灰不均匀,目前业内对清灰剥离粉尘回吸现象关注较少。清灰剥离来不及完全落至灰斗的粉尘会被风流回吸至原滤筒上,引起粉尘的“再次吸附”。大中型除尘器内滤筒一般呈阵列式排布,常采用逐排间歇清灰方式,由于过滤风流的绕流作用,前排滤筒清灰剥离而未及时落入灰斗的粉尘会随着绕流风流到达后排滤筒而被吸附,称为粉尘的“二次吸附”。

研究发现,清灰过程剥离粉尘的再次吸附率达18%～83%、二次吸附率达10%～25%[45,76],严重抑制了清灰效率。由于脉冲喷吹时间很短,在线清灰过程中粉尘的回吸问题解决困难,可通过减少滤筒长度、延长脉冲喷吹宽度[77]、优化过滤风流的流场、调整清灰策略[45]等方法缓解。LI等[45]发现,逐排正序(假定逐排清灰顺序与过滤风流方向一致为正序)清灰条件对应的再吸率与二吸率均小于逆序,其试验表明,正序和逆序清灰对应的再吸率分别为14.75%和17.86%、二吸率分别为4.62%和10.00%。

最有效抑制剥离粉尘回吸的办法是清灰时停止过滤风流而采用离线喷吹方式,但实际作业中为了稳定风流和简化工序往往忽略清灰粉尘回吸。

上述研究表明,工艺简单、效果显著、无运动构件的脉喷清灰存在气流偏斜、分布不均匀、剥离粉尘回吸等不足,全面考虑喷嘴设计与风流场优化,综合分析喷吹气流自开启到消失、再到过滤风流恢复的全过程,是未来提升脉喷清灰效果的重要研究方向。

4 清灰不均匀改进措施的最新进展

清灰不均匀是滤筒脉冲喷吹技术面临的最严重也最难以解决的共性问题,滤筒清灰均匀性的提升是当前过滤除尘领域的研究重点。为此,通过系统总结近年来针对滤筒清灰不均匀问题的相关改进措施,主要有脉冲喷嘴、文丘里管、滤筒结构形式、喷吹策略等。

4.1 脉冲喷嘴改进

在喷嘴改进方面,主要有超音速喷嘴(图4)、环形缝隙喷嘴、旋转翼清灰器(图5)、锥形散射器等。超音速喷嘴(根据结构外形对比,超音速喷嘴与部分已有的诱导喷嘴[72,78-80]、扩散喷嘴[81]结构类型相同,认为是同一种改进措施)将脉冲气流动压转换为静压以提高滤筒清灰效果,该型喷嘴可以提高二次气流卷吸量并改变喷吹气流流场,使脉喷气流加速扩散,在减缓流速、稳定气流等方面也具有一定的作用,提高了喷吹气流的均匀性,改善了清灰效果[72,78,80]。

图4 超音速喷嘴[72]Fig.4 Supersonicnozzle

图5 旋转翼清灰器[82]Fig.5 Rotary wing ash cleaner

环形缝隙喷嘴通过环隙射流卷吸内管气流,有助于提高喷嘴出口处流场的均匀性、改善脉冲喷吹效果,与普通圆形喷嘴相比,环形缝隙喷嘴能够显著增加喷嘴附近的局部静压,对褶式滤筒的局部清灰产生有利影响[82-83]。

旋转翼清灰器将喷吹孔设置在旋转器上,使高压空气以一个倾斜的角度从喷吹孔中喷出,并带动旋转翼旋转,实现对滤筒内壁的直接强力清灰。试验发现,旋转翼清灰器降低了脉喷清灰频率,延长了平均清灰周期[82]。

锥形散射器可以降低冲击气流的流量与流速,并卷吸诱导更多气流进入滤筒。散射器的结构和位置对清灰性能都有重要影响[84-85],如当散射器开口较小时,滤筒上部清灰效果较好,但总体喷吹强度较小;当散射器开口较大时,喷吹均匀性较差[84]。

4.2 文丘里管增设

文丘里管的增设可分为在滤筒内嵌入式(内置式)和滤筒开口外安装(外置式)两种。

内置文丘里管能保证清灰气流与滤筒的动能均匀传递,增大了滤筒中部和底部的压力值,但在滤筒进口处清灰效果较差[86]。外置式文丘里管有利于将脉冲气流的动压转化为向滤筒内部诱导的静压,可延缓气体出流,延长气流在滤筒内的作用时间,增大侧壁压力[87-88]。研究发现,滤筒上、中、下部侧壁压力峰值分别为不加文丘里条件下的1.6、1.7、1.2倍[89]。

需要注意的是,内置文丘里管会浪费等同于文丘里管长度的滤筒过滤区,外置式文丘里管则会增大除尘器净气室的高度和设备体积[86]。

4.3 滤筒结构优化

在滤筒方面的改进主要有:在滤筒内部设置锥形体、增设内锥过滤面、改进滤料褶皱结构、改进滤筒外形结构、增设气流隔板等。

通过在滤筒内置锥形体(图6)可以改善脉喷流场,锥形体通过与脉冲射流的阻碍碰撞将动压能转化为静压能,同时改善压力分布,进而提高脉喷清灰效果。锥形体的安装可使滤筒内喷吹强度由1 193 Pa升高至1 807 Pa,均匀性提升2倍[90]。将滤筒内的锥形体设置为锥形过滤面,既可改善喷吹气流压力沿滤筒方向的分布均匀性,改善清灰效果,又能增大总过滤面积[91-92]。内置锥形滤筒可实现在脉喷清灰过程中将内锥过滤面的粉尘直接吹入灰斗,且有效过滤面积增加20%～30%,提升了清灰效果并降低了系统压降[93-94]。

图6 滤筒内置锥形体(单位:mm)[90]Fig.6 Built-in cone of the filter cartridge

HANDTE等[95]和CAMFIL[96]在内锥过滤面的顶部设置为金属锥形,形成了金锥滤筒(图7)。金锥有利于引导喷吹气流同时对内锥过滤面和侧壁过滤面实施更直接的喷吹清灰。金锥滤筒内的锥体高度对清灰效果有重要影响,锥顶附近的负压和锥体的流动阻力是整体清灰效果的两个主要影响因素[97]。

图7 新型金锥滤筒[95]Fig.7 New gold cone filter cartridge

滤筒的褶皱结构会直接影响喷吹气流在滤筒内的轨迹,特别是气流在经过褶皱区域和穿过滤筒壁面的过程中,褶皱结构会直接影响局部阻力和流通面积。CHEN等[98]对比了传统“V”形、收敛梯形、发散梯形、长方形褶皱结构条件下的清灰效果,发现收敛梯形褶皱能最大限度地提高滤筒表面的清灰强度与均匀性,同时,由于收敛梯形褶皱增加了每个褶皱内部的间距,进一步减少了脉喷气流在经过褶皱时的静压损失。

滤筒的外形结构形状也会影响脉冲喷吹气流的分布,典型的奇异外形结构滤筒有发散形、收敛形、收敛—发散形。CHEN等[99]发现收敛—发散形滤筒不仅能够增加50%的喷吹强度,还能通过提升压力峰值的持续时间来增强顶部的清灰效率,并且压力峰值的数值及其到达时间都具有提高清灰效率的优势。滤筒内设置中心开孔的气流隔板,有利于减弱隔板下方喷吹射流附近涡旋,并增强气流静压能在滤筒内的蓄积。艾子昂等[100]通过数值模拟发现,喷吹性能随隔板外径的增大而提升,随隔板内径、布置深度或喷吹距离的增大而先升后降,设置优选隔板后,喷吹强度提升了2.1倍,均匀性提升了4.7倍。

鉴于喷嘴或滤筒结构的改进均能改善脉喷流场、提高清灰效率,二者合理的组合则可实现协同作用。祝叶等[101]发现散射器拉法尔喷嘴与锥形结构滤筒组合可明显改善上滤筒的清灰效果。陈强等[81]发现扩散喷嘴和金锥滤筒组合对于提高滤筒上部喷吹压力具有协同作用,特别当金锥伸入扩散喷嘴20～40 mm时,脉喷强度相对于普通喷嘴与普通滤筒组合最大提升了2.3倍。苏正通等[102]研究发现,文丘里喷嘴和金锥滤筒组合的喷吹强度和均匀性分别提高了1.7倍。

4.4 喷吹策略改进

除了喷嘴、滤筒等结构方面的改进,喷吹策略也可以改善脉喷流场,提高清灰效率,主要有多连脉冲喷吹技术、协同对撞喷吹技术等。

多连脉喷清灰是在上一股喷吹气团压力未消失之前实施下一股喷吹,使得两股气团在滤筒内发生碰撞产生更高的压力。CHEN等[103]研究了周期为0.05～0.15 s的矩形、圆弧形、梯形的多连脉冲波形,发现与传统的单一脉喷模式相比,多连脉冲喷吹技术可以提升6.5%的清灰强度,若采用矩形波的多连脉冲喷吹技术还可以进一步提升喷吹气流的强度,多连脉冲喷吹技术可以在不增加气包压力的条件下,以简易方式解决清灰“死区”的问题。

协同式对撞脉冲喷吹是在滤筒底部设置辅喷嘴,通过主、辅喷吹按预定的出口压力协同式启闭,实现两股气流碰撞位置及运移的控制,利用碰撞形成的集中静压依次对滤筒各区域实施“逐个击破”式清灰。如图8所示[104],脉冲气流对撞形成的相对高压从底部往上依次作用于滤筒壁面。LI等[104-107]发现在特定的时间差和压力差条件下,协同式对撞脉喷可提高喷吹气流强度2.59～5.49倍;李建龙等[44]研究发现,文丘里喷嘴可以进一步提升对撞脉冲喷吹效果。协同对撞脉喷技术采用分别布置在滤筒上方和下方的主、辅两个喷嘴,突破了单一点源式喷吹的局限,在改善滤筒清灰不均匀方面潜力大。

图8 对撞脉冲喷吹气流的压力场演变[104]Fig.8 Pressure field evolution of airflow in opposing pulsed-jet cleaning

由上述分析可知,喷嘴、滤筒、喷吹策略以及文丘里管的使用,均在不同程度上影响了脉冲喷吹产生的气流压力在滤筒内的空间分布,进而改善了滤筒整体的清灰效果。但特殊形式的喷嘴主要增强了滤筒内局部区域的喷吹压力,提高了喷吹均匀性,而对整体喷吹强度增加困难,均匀性的改善作用有限;旋转翼清灰器可实现整体喷吹强度的提升,但整体结构复杂、旋转组件不易防尘;文丘里管的增设占用了除尘器内部空间,会增加除尘器整体尺寸;奇异外形滤筒以及金锥滤筒加工复杂,且缓解清灰不均匀的问题作用有限。多连喷吹策略主要增强了靠近喷嘴附近滤筒局部区域的喷吹效果,对于提升整体喷吹强度难度较大;协同对撞喷吹突破了单一点源式喷吹的局限性,但需增设辅喷嘴,装置相对复杂。可见,研发更加有效、简捷的脉冲喷吹清灰技术,依然是滤筒除尘器的重要课题。

5 展 望

滤筒除尘器控尘高效、阻力适中、结构紧凑、对粉尘适用性强,在工业除尘领域应用广泛,脉冲喷吹作为滤筒清灰的首选技术,具有效果显著、工艺简单、无运动构件等优势。然而,尽管国内外学者开展了诸多有益探索,现阶段针对滤筒脉喷清灰的理论研究仍滞后于其实际应用,清灰机理的认识尚不够清晰,清灰效果有待进一步提升,科学的喷吹系统设计尚未形成,在一定程度上制约了脉冲喷吹滤筒除尘器的大规模推广应用。为提高除尘滤筒的清灰效果,保障除尘系统稳定高效运行,仍需进一步开展如下工作:

(1)脉冲喷吹滤筒清灰机理分析。滤筒脉冲喷吹清灰过程中,一般认为加速度理论可以部分地解释褶式滤筒这种类刚性过滤元件的清灰机制,但滤料加速度对尘饼的剥离量并无必然关系;喷吹压力理论虽然能够有效解释滤筒的清灰作用,但对喷吹压力上升速度的认识尚不统一。而综合作用的观点仍较为笼统,各种理论对应的清灰作用的占比不明确。此外,清灰理论尚未考虑过滤元件的材质、尘饼特征等因素。今后,应进一步研究喷吹气流的演变规律及其与滤筒之间的耦合关系,采用流场试验测试或计算流体力学等手段,分析气流、滤筒和尘饼之间作用机制,为进一步明晰滤筒清灰机理提供理论支撑。

(2)脉喷清灰结构设计与参数优化。喷吹压力在滤筒内和滤筒之间分布不均,是导致滤筒清灰不良的重要原因,是当前业内广泛关注的研究焦点。通过喷嘴、滤筒、喷吹策略等方面的改进实现喷吹性能优化已取得了大量有益进展,喷嘴方面有诱导喷嘴、环形缝隙喷嘴等,滤筒方面有增设文丘里管、内置锥形体、金锥滤筒等,喷吹策略方面有多连喷吹、协同对撞喷吹等,但仍存在运动构件、结构复杂或增加设备体积等问题。协同对撞脉冲喷吹通过两股气流碰撞的控制,突破了单一点源式喷吹的局限,解决清灰不良问题潜力较大,但需增设辅助喷嘴,结构相对复杂。将来需要进一步优化喷吹系统,研发新型喷吹结构形式或策略,从喷嘴、滤筒等多个方面共同优化脉冲喷吹流场,是提升脉喷清灰效果的重要研究方向。

(3)尘饼剥离与运移规律分析。清灰剥离粉尘的再次吸附和二次吸附是抑制脉喷清灰效果的重要因素,通过过滤阻力、落尘质量等参数分析可以推知剥离尘饼的回吸比例和宏观分布,但清灰引起的过滤室流场变化及尘饼粒子运移过程尚不清晰。今后有必要分析脉喷参数、尘饼特征、过滤风流对尘饼粒子运移的影响,定量描述脉喷引起的除尘系统内流场演变规律,建立尘饼剥离动力学模型,提高对剥离尘饼回吸的控制,为脉冲喷吹清灰设计提供技术支持。

(4)脉喷系统及其参数设计规范建立。时至今日,业内对于喷吹系统布置及参数设计仍未达成共识,实际应用中普遍以经验尝试为主。今后,应以既有研究为基础,系统探究具体滤筒参数、尘饼特征、运行工况条件下喷吹参数对清灰效果的影响,全面考虑喷嘴设计与风流场优化,综合分析喷吹气流从开启到消失、再到过滤风流恢复的全过程,建立完整的脉冲喷吹参数设计规范,是未来脉冲喷吹滤筒除尘器发展的必由之路。