多射流喷吹下扁式方框滤筒清灰性能优化

除尘器是国际公认的处理粉尘、烟尘等颗粒物最有效的手段，在大气治理方面推广迅速。脉冲喷吹除尘器由于其清灰能力强、除尘效率高、排放浓度低等优点，应用最为广泛。滤筒是滤筒除尘器的集尘主要部件，按照其形状可以分为圆滤筒和扁式方框滤筒。扁式方框滤筒形状特殊，放置紧凑，相对于圆滤筒的占地面积小，更适用于局部狭小的空间(如施焊、切割作业现场)，具有更好的经济性和实用性[1-4]。目前，国内外对圆滤袋、滤筒清灰设计等方面做了大量的研究。Luo等[5]、Yan等[6]、Li等[7]认为，侧壁压力峰值是衡量滤筒清灰效果的重要指标，滤筒内侧壁所受的脉冲静压越大，粉尘的剥离能力越大，清灰效果越好，故此本文中采用侧壁压力峰值作为评价指标。

关于圆滤袋、滤筒的研究集中在滤料、喷吹压力、喷吹距离、喷吹时间和喷吹孔径等参数。林龙沅等[8]通过理论和实验2种方法，研究喷吹压力、诱导流量和诱导距离三者的相互变化对滤筒清灰效果的影响。Luo等[9]认为喷吹压力与清灰效果密切相关，若喷吹压力未达到清灰临界压力，仅延长喷吹时间并不能提高清灰效果。 Li等[10]以复合压力为评价指标，着重考虑滤筒上部喷侧壁压力。吕娟等[11]通过优化喷吹距离和喷吹压力等参数来改善6 m长滤筒的清灰效果。刘侹楠等[12]评估喷吹气流偏斜现象对清灰性能的影响。此外，很多学者采用数值模拟的方法研究不同喷孔形状下滤筒的清灰效果。Chen等[13]通过三维瞬态数值模拟，对比环形狭缝与圆形喷孔的压力场和速度场，认为环形狭缝下滤筒上部的压力场更加均匀。 Li等[14]利用组装过滤元件的方法在喷孔处增加了矩形槽式喷嘴，利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟的方法，评估矩形槽喷嘴的形状和尺寸对脉冲气流的影响。总体而言，目前大部分的研究是针对圆滤筒、滤袋的，对扁式方框滤筒的研究较少，Zhang等[15]在圆滤筒的清灰技术基础上，研究设计参数喷吹压力、喷吹距离、孔径和电磁阀等对清灰性能的影响，并利用覆粉实验验证。张明星等[16]研究设计参数对扁滤筒清灰效果的影响，通过工业覆粉实验研究扁滤筒能承受的最大喷吹压力、对过滤风速和粉尘浓度的要求以及阻力变化。但在实际应用中发现，该滤筒上部清灰极度不均匀，不但减少了有效过滤面积，而且缩短了滤筒的寿命。出现这种现象的原因是由于扁滤筒的长宽比较大，在实际应用中，常采用多个喷吹孔对应一个扁滤筒，而喷射气流的射流角在20°左右，气流喷射下来后，在滤筒上部没有汇聚，造成滤筒上部出现清灰死区，如图1所示[15]。

在上述研究的基础上，我们通过改变喷嘴形状，解决滤筒上部清灰困难的问题。首先根据扁滤筒的结构特点，将圆形喷吹孔改为条缝式喷吹孔，使得压缩空气在喷射的瞬间以矩形向外扩，更符合扁滤筒的外形；其次通过冷态实验，对比2种喷吹孔在不同的喷吹压力和喷吹距离下滤筒的侧壁压力峰值，以侧壁压力峰值和平均方差为评价标准，研究喷吹孔形状对滤筒侧壁压力峰值的影响。

1 清洁实验

1.1 测试设备

图2为实验装置示意图，包括供气系统、喷吹系统和数据采集系统3个部分。供气系统包括全无油润滑空气压缩机(型号WW-0.9/10B-Q)，180 L储气罐，冷冻式压缩空气干燥机(型号HAD-1SNF)；喷吹系统包括气包(容积为24 L，壁厚为7.5 mm)，1″电磁阀(型号DMF-ZM-25)，脉冲仪(SXC-8A1)，聚氯乙烯覆膜扁式方框滤筒(长470 mm、宽64 mm、高1 000 mm、 33个单面褶数、褶深为31 mm、过滤面积为4 m2、精度为5 μm)，喷吹管(长1 200 mm、直径25 mm)；数据采集系统包括6个压电式压力传感器(QSY8115)，电荷放大器(QSY7709)，便携式数据采集仪(QSY-USB-8512E)和一台计算机(安装DasView2.0软件)。此外，手动升降台用于调节喷嘴和滤筒之间的距离。

1.2 实验方法

压电式压力传感器用于测量滤筒侧壁正压力峰值，沿着滤筒长度方向布置2列共6个测点，即测点1—6。测点到滤筒口距离分别为(测点1、 4)100 mm、 (测点2、 5)500 mm和(测点3、 6)900 mm。其中测点1、 2、 3在相邻2个喷吹孔之间(非正对喷吹孔)，测点4、 5、 6正对喷吹孔(见图4)。滤筒侧壁压力信号由传感器输出后，经电荷放大器、数据采集仪后输入计算机，DasView2.0软件以图形和数据的形式显示各测点的电压值，将电压值转化为压力值，为了保证实验的准确性，每组实验重复6次，求其平均值。

由于扁滤筒内部为粘连的褶皱结构，张明星等[16]通过实验研究喷吹压力对扁滤筒的影响，认为低压脉冲对滤筒内部结构破坏性小，且以玉米秸秆为实验对象进行工业实验，实验结果显示，0.3 MPa的压力可以满足0.8 m/min风速的清灰要求，而0.2 MPa可以满足0.6 m/min风速的清灰要求。因后期将选用过滤风速0.8 m/min进行覆粉实验，因此本实验所选用的设计方案和操作参数具体如下。

圆孔喷吹管：7个孔、孔直径为7 mm、总喷吹孔面积约为270 mm2。

条缝式喷吹管： 7个条缝、条缝的长×宽为39×1 mm、总喷吹孔面积为273 mm2，如图3所示。喷吹距离： 10、 20、 40、 60、 80、 100 mm；喷吹压力： 0.3、 0.4 MPa。测点分布图见图4。

2 结果与讨论

2.1 数值模拟

多股气流在喷射过程中，按照其流动特性可以分为2个区：会聚区和联合区。由于射流对周围流体的卷吸作用，2股射流之间会存在负压区，不利于清灰。根据双股射流相关知识可知，2股射流联合后存在一个自由滞点，其速度为0。这个点是2股射流中心线的交点，也是会聚区和联合区的分界点。FLUENR一直是公认的、成熟的流体分析软件，因此本文采用FLUENT软件进行数值模拟，文中以1 ∶1的比例建立图3所示的喷吹孔结构，采用标准k-ε湍流模型和Couple算法，选择Transient状态。进口选择pressure-inlet，出口为pressure-outlet。以第4个喷吹孔中心为原点，喷吹管长度方向为x轴，模拟0.3 MPa下，不同喷吹孔下射流状态。

抽取第4个和第5个喷吹孔之间的非正对喷吹孔下沿长度方向的速度曲线，如图5所示。其中P点的速度为零，为自由滞点。根据模拟结果可以看出，圆形喷孔射流下自由滞点xs距离喷吹口35 mm处，条缝式喷吹孔射流下自由滞点xs距离喷吹口5 mm处。

2.2 不同喷吹距离对压力峰值的影响

图6a为圆形喷吹孔在0.3 MPa下，不同喷吹距离的侧壁压力峰值。从图中可以明显地看出，正对喷吹孔测点(4—6)侧壁压力随着喷吹距离的增加而急剧的降低，非正对喷吹孔测点(1—3)压力则在小幅度降低后缓慢升高；同时可以看出，当喷吹距离小于60 mm时，测点4—6均大于600 Pa，而测点1—3基本上低于600 Pa，滤筒表面侧壁压力分布极不均匀。具体分析如下：根据图5可知，自由滞点P距离喷吹口35 mm，就是说当喷吹距离为10 mm时，喷射气流在初始段就进入滤筒，气流未完全扩散，因此上部测点4压力较小，而测点1位于2股气流之间，由于气流的卷吸作用，导致测点1正压极小，约为100 Pa左右。当气流到达滤筒中部时，完全扩散，因此，中部测点5、 2压力均大于上部测点1、 4。当气流运动到滤筒底部时，由于底板的阻挡，气流速度瞬间为0，根据能量守恒可知，动能转化为静压，非正对喷吹孔底部测点3大于中部测点2，气流在向下运动过程中，不断的透过滤筒扩散出去，能量损耗，因此正对喷吹孔下底部测点6压力小于中部测点5。

随着喷吹距离的增加，压缩空气成射流状迅速向下运动，诱导更多的气流，同时向四周膨胀，射流宽度增加。当喷射距离为20 mm时，射流在滤筒上部完全扩散，因此上部测点4压力增大，而中部和下部测点压力降低，而非正对喷吹孔测点1压力增大，测点2、 3压力降低。当喷吹距离大于40 mm时，扁滤筒完全处于射流的联合区，也就是说主导气流还未到滤筒上部就已经扩散，一部分气流从滤筒外侧喷射出去，因此正对喷吹孔的测点4—6压力急剧降低，而非正对喷吹孔下测点(1—2)处于2股气流交汇处，在2股气流的共同作用下，压力缓慢上升。当喷吹距离为100 mm时， 6个测点压力没有明显的区别。

图6b为条缝式喷吹孔在0.3 MPa下不同喷吹距离的侧壁压力峰值。从图中可以看出，当喷吹距离小于40 mm时，仅测点3的侧壁压力峰值小于600 Pa。条缝式喷吹孔的自由滞点距离喷吹孔5 mm，因此当喷射距离大于10 mm时，滤筒完全处于射流联合区，故此非正对喷吹孔测点(1—3)与正对喷吹孔测点(4—6)呈现相同的规律，均沿着滤筒长度方向从上到下依次减小。非正对喷吹孔间测点(1—3)随着喷吹距离的增加，都有一个先上升后下降的现象，这是由于条缝式喷孔射出的气流首先以矩形向下向外扩散，而从圆形喷吹孔射出后，以圆锥形向四周扩散。当喷吹距离小于40 mm时，随着喷吹距离的增加，条缝式喷吹孔损耗能量小，而诱导气量增加，测点1—3压力上升。当喷吹距离大于40 mm后继续增加，诱导气量小于喷射气流损失气量，导致进入滤筒的总气量减少，除个别测点外，测点压力整体下降。

为了更好地分析圆孔和条缝式喷吹孔对扁滤筒侧壁压力峰值的影响，分别讨论0.3 MPa下，非正对喷吹孔和正对喷吹孔下测点的侧壁压力峰值，如图7和图8所示。由图可以明显地看出，无论是圆孔还是条缝式喷吹孔，正对喷吹孔测点(4、5、6)基本上随着喷吹距离的增加而快速降低，而非正对喷吹孔测点(1、2、3)相对正对喷吹孔测点(4、5、6)而言，变化幅度较小，也就是说，喷吹距离对正对喷吹孔测点的影响较大。这是由于当喷吹距离较小时，喷射气流聚集程度高，直接作用于正对喷吹孔测点，随着喷吹距离的增加，射流轴心速度衰减，直接作用于正对喷吹孔测点的动能迅速减少。

蔡增基等[17]认为，与圆断面射流相比，平面射流流量沿程的增加和流速沿程衰减都要慢些，但是，其运动的扩散被限定在垂直于条缝长度的平面上，因此，对于扁滤筒的中上部的测点(1、 2、 4、 5)，条缝式喷吹孔的侧壁压力峰值大于圆形喷吹孔。条缝式射流的中心速度沿程衰减程度小于圆孔射流，也就是说，条缝式喷吹孔射出的压缩空气到达扁滤筒底部的速度大于圆孔射流，压缩空气向四周扩散，这是造成中部测点(2、 5)，条缝式喷吹孔侧壁压力大于圆形喷吹孔，而底部测点(3、 6)则是条缝式喷吹孔压力略小于圆形喷吹孔的原因之一。

清洁实验是覆粉实验的前提准备工作，为了将滤筒上的粉尘吹落至灰斗，滤筒需要达到一定的清灰要求。Lu等[18]发现，对于粉煤灰颗粒临界清灰平均侧壁压力峰值是500～600 Pa。清灰的临界压力与过滤风速、粉尘性质等多种因素有关，由于后期将采用粉煤灰进行覆粉实验，因此将600 Pa作为初步判断是否达到清灰要求的最小值。

表1为圆孔在0.3 MPa不同喷吹距离下的侧壁压力峰值。由表1可以看出，圆孔下非正对喷吹孔测点的侧壁压力峰值低于600 Pa,不满足清灰要求。仅当喷吹距离为10、 20 mm时，侧壁压力峰值平均值大于600 Pa，且喷吹距离为20 mm时，标准方差较小，滤筒侧壁压力分布比较均匀，因此定义0.3 MPa下20 mm为最佳喷吹距离。

表2为条缝式喷吹孔在0.3 MPa不同喷吹距离下的侧壁压力峰值。由表2可以看出，0.3 MPa下条缝式喷吹孔下，仅测点3的侧壁压力峰值小于600 Pa，没有达到清灰要求。同时从表中可以看出，不同喷吹距离下标准方差浮动较小，在综合考虑侧壁压力峰值最低点测点3和平均侧壁压力峰值后发现，喷吹距离为20、 40 mm时，无法明确地判断出最佳喷吹距离，因此0.3 MPa喷吹压力下的最佳喷吹距离为20～40 mm，后续将深入进行半工业实验的研究。

2.3 不同喷吹压力对侧壁压力峰值的影响

图9为0.4 MPa下圆形和条缝喷吹孔的侧壁压力峰值。喷吹压力主要增加了喷吹气量，同时诱导更多的气流进入滤筒，使得进入滤筒的气流量大幅度上升，是侧壁压力峰值最直接、最有效的手段，但耗能高、不经济。

从整体上可以看出，增加喷吹压力，各测点压力都有不同程度的增加，其中对圆形喷吹孔下正对测点的影响最大，非正对测点的压力虽然增加，但增加的幅度远小于正对喷吹孔下测点，导致极值增大，滤筒表面压力分布不均匀程度加重。而条缝式喷吹孔下的滤筒表面的侧壁压力则整体相对均匀增加。

表3和表4分别为喷吹压力为0.4 MPa时，圆孔和条缝式喷吹孔在不同喷吹距离下滤筒的侧壁压力峰值。结合表3和表4可知，圆形喷吹孔下，标准方差均大于0.56，其中当喷吹距离为100 mm时，标准方差为0.605 3，比0.3 MPa下的增长了91%。而针对条缝式喷吹孔，标准方差集中在0.37～0.51之间，相对0.3 MPa下增长率不超过34%。其中上部测点1、 4增长较快，且测点1和测点4最大差值为440 Pa左右，明显地改善了上部清灰困难的问题。其次，2种喷吹孔下，均是中部测点(2、5)压力增长幅度大于底部测点(3、6)，这是由于喷吹气流到达底部时，气体速度较大，冲击底部板后，向四周扩散，根据动量守恒定律可知，冲击底部的气流速度越大，向四周扩散的速度越大，因此气流可到达滤筒中部，增加了滤筒中部的侧壁压力。

3 结论

根据扁式方框滤筒的结构特点，设计了一种新型条缝式喷吹孔，在保持喷吹面积相同的条件下，改变喷吹压力和喷吹距离，分析条缝式喷吹孔和圆形喷吹孔对扁滤筒清灰性能的影响，得出如下结论：

1) 喷吹压力为0.3 MPa时，随着喷吹距离的增加，圆形喷吹孔下正对喷吹孔测点(P4、 P5、 P6)压力急剧降低，其中P5降低了近500 Pa,而非正对测点(P1、 P2、 P3)压力变化相对缓慢，变化范围在250 Pa左右。在最佳喷吹距离20 mm时，标准方差为0.355 1，滤筒表面压力相对均匀，但是，此时上部测点P1和P4压力相差1 kPa左右。条缝式喷吹孔下随着喷吹距离的增加，正对喷吹孔测点的压力逐渐降低，非正对喷吹孔测点的压力先增加后降低, 其喷吹距离的适用范围为20～40 mm, 标准方差为0.35～0.37，上部测点P1和P4压力相差300 Pa左右。

2)喷吹压力为0.4 MPa时，扁式方框滤筒表面测点的压力不同程度的增大。针对圆形喷吹孔，正对喷吹孔测点压力增长幅度远大于非正对喷吹孔测点，压力分布不均匀程度加剧。在最佳喷吹距离20 mm下，测点P1和P4压力差增加到1.2 kPa。而条缝式喷吹孔下，喷射气流联合后进入滤筒，因此在同一水平方向上，测点压力增加相对均匀,压力仅相差400 Pa，有效地改善扁式方框滤筒上部存在清灰困难区的问题。

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