根据我国环境统计年报数据,全国废气中颗粒物排放量达到537.4万t,空气污染问题已经成为我国的重大挑战。煤炭、 化工以及石油等行业在生产过程中产生的大量粉尘是造成环境污染的主要来源, 因此收集工业性粉尘具有重要的现实意义[1-2]。目前,除尘器是国内外常用的收集粉尘的设备,分为滤筒除尘器和袋式除尘器[3]。滤筒除尘器具有清灰效率高、 地面积小及有效过滤面积大等优点,因此具有良好的实用价值[4-7]。
脉冲喷吹是滤筒除尘器主要的清灰方式[8],侧壁压力峰值是反映滤筒清灰效果好坏的指标[9]。清灰效果好,滤筒除尘器除尘效率高,能长期稳定的运行;反之,滤筒除尘器除尘效率低,使用寿命也会大大缩短。近年来,许多学者针对滤筒清灰不均匀的问题,做了大量的研究。胥海伦等[10-12]研究表明在喷嘴下安装上部开孔锥形散射器,能明显提升滤筒清灰的均匀性。郑清月等[13]采用上部开口诱导引流装置对卧式长滤筒清灰性能进行优化,实验结果表明,开口尺寸为16 mm的上部开口引流装置能实现卧式长滤筒高效清灰。Qian等[14]通过改变不同的喷嘴面积比来提高滤筒清灰性能,结果表明,随着喷嘴面积比的增大,滤筒的清灰效果先增大后减小,其中当喷嘴面积比为38.72%时清灰效果最佳。Chen等[15]通过对环形狭缝喷嘴和圆形喷吹孔的数值模拟,对比分析得出使用环形狭缝喷嘴能提升滤筒上部压力的均匀性。Yan等[16]设计超音速喷嘴来改善滤筒上部清灰不足的问题,结果表明,超音速喷嘴能够使滤筒表面的静压分布更加均匀。Li等[17]通过对喷嘴直径进行优化,实验结果表明,滤筒内壁复合压力的均匀性增加6.31倍,且喷嘴下方瞬态静压的均匀性提高了4.32倍。任玲等[18]通过纹影仪拍摄多孔喷吹管发现喷吹气流偏斜角度沿着喷吹管方向逐渐减小,偏斜角度随着喷吹压力的增大而增大,这一现象降低了滤筒清灰均匀性和清灰性能。刘佳莹等[19]使用混流喷嘴矫正脉冲喷吹气流偏斜的问题,矫正后清灰效果和均匀性均有明显提升。Li等[20]设计了一种新型碰撞脉冲喷吹清灰方式,这种清灰方式能够有效地提升清灰强度,同时也能提升一定清灰均匀性,在变触发时差碰撞喷吹时,清灰强度是原来的5.49倍。Qiu等[21]通过数值模拟研究了带有内锥褶皱滤筒的脉冲清灰效果,发现随着滤筒内锥体高度的增加,在锥体高度达到760 mm时清灰强度达到最高,与传统褶皱滤筒相比,带有锥形的褶皱滤筒的清洁均匀性总体上有所提高。
目前对于滤筒脉冲喷吹清灰方式的研究主要集中于清灰气流竖向进入滤筒后,脉冲气流对滤筒内壁产生压强的作用使得粉尘脱落。当脉冲喷吹气流竖向进入滤筒后,气流运动的衰减和滞止作用等原因,容易造成滤筒侧壁压强大小分布存在严重不均的现象,常常会造成滤筒在受压过大的区域造成破损,基于此,本实验中采用与传统射流方式不同的内置旋转器,通过内置旋转器,将传统脉冲喷吹气流方向由竖向改为圆周式喷吹,将喷吹气流由竖向改为横向进入滤筒内壁,从而改善滤筒侧壁压力分布的不均。
1 实验
1.1 装置
图1所示为脉冲喷吹试验平台示意图, 平台分为喷吹系统和信号采集系统。 喷吹系统包括冷冻式空气干燥机(浙江翔晟净化科技有限公司)、 空气压缩机(苏州双仕丰机械有限公司)和储气罐(容积为180 L)、 脉冲控制仪(河北永鑫环保设备有限公司)、 气包(容积为24 L, 壁厚为7.5 mm)、 电磁阀(协昌环保科技有限公司)、喷吹管(长度为1 000 mm, 直径为25 mm)、 日本东丽MEEKO覆膜聚酯纤维滤筒(直径为350 mm, 高度为1 000 mm, 褶深为40 mm,褶皱数为150,过滤精度为0.3 um,过滤面积为12 m2)、 升降台(调节喷吹管的喷吹距离);信号采集系统包括传感分析仪(四川拜安科技有限公司)、 KA-FPP90型压力传感器和数据采集计算机(四川拜安科技有限公司)。
图1 脉冲喷吹试验平台示意图
Fig.1 Schematic diagram of pulse injection test platform
图2所示为内置旋转器示意图,总高度为11 cm,两侧旋转翼对称均匀分布有28个喷吹孔,连接储气罐并放入滤筒。工作原理为当脉冲控制仪发出信号,打开电磁阀,气流瞬间从储气罐冲到旋转翼,同时密封盖下压盖住滤芯上面的出口(使滤芯在喷吹时处于密封状态),旋转翼自动旋转喷吹,气流均匀的从旋转翼的两翼各个孔喷吹,喷吹结束后密封盖自动打开复位。
图2 内置旋转器示意图
Fig.2 Schematic diagram of built-in rotator
1.2 方案
利用微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)压力传感器连接数据采集系统,采集滤筒侧壁压力峰值的数值。 滤筒测点的分布如图3所示, 沿滤筒长度方向上共布置3个压力测试点P1—P3, 分别到滤筒顶部距离为100、 500、 900 mm处, 在水平圆周方向上取4个点, 分别到滤筒顶部距离为100 mm(P1、 2、 3、 4)、 500 mm(P2、 2、 3、 4)、 900 mm(P3、 2、 3、 4)处, 方便测试滤筒水平圆周方向上的侧壁压力峰值。 为保证实验结果的准确性, 每组脉冲实验重复6次, 并取平均值。
图3 滤筒测点布置示意图
Fig.3 Layout of measuring points of filter cartridge
本实验中分别研究在安装普通喷嘴和内置旋转器时, 滤筒轴向和水平圆周方向上侧壁压力变化规律。
2 结果与分析
2.1 普通喷嘴对滤筒清灰效果的影响
在脉冲宽度0.08 s的条件下,分别测试普通喷嘴在喷吹压力为0.3～0.6 MPa下喷吹距离为100、 150、 200、 250、 300 mm时,滤筒侧壁压力峰值结果如图4所示。
(a)0.3 MPa(b)0.4 MPa(c)0.5 MPa(d)0.6 MPa图4 喷嘴在不同喷吹压力下不同喷吹距离的侧壁压力峰值Fig.4 Peak sidewall pressure of nozzles at different injection pressures and injection distances
从图4中可知,随着喷吹压力的增加,各测点侧壁压力峰值总体呈现增加的趋势。这是因为喷吹压力的增加会使喷吹气流量和气流流速增大,到达各个测点的气流量也随之增大,从而使得滤筒侧壁压力峰值增大。在相同喷吹压力下侧壁压力峰值P3大于P2和P1,即滤筒下部侧壁压力大于中上部。滤筒下部侧壁压力大于中上部。这是因为气流通过喷嘴垂直向下运动,由于气流所具有的动能较大,到达滤筒上部的气流较少,随着距离的增加,气流速度逐渐减小,绝大部分气流到达底部动压转换为静压,而到达滤筒中部的气流是由小部分到达底部反射回来的气流和从上至下射流的叠加。由图4(a)得到,各个测点侧壁压力峰值均大于300 Pa,均能进行有效清灰,喷吹压力为0.4～0.6 MPa均能满足此要求,但下部测点侧壁压力峰值较大,压力过大导致滤筒下部滤料容易损坏。考虑到在滤筒长度方向上清灰的均匀性,各测点侧壁压力峰值的差值越小均匀性越好,喷吹压力为0.3 MPa时最佳喷吹距离为150 mm。同理,由图4(b)、 (c)、 (d)分别可得到对应压力下的最佳喷吹距离:在喷吹压力为0.4 MPa下最佳喷吹距离为250 mm;在喷吹压力为0.5 MPa时最佳喷吹距离为200 mm;在喷吹压力为0.6 MPa时最佳喷吹距离为150 mm。
2.2 内置旋转器对滤筒轴向清灰效果的影响
图5为内置旋转器在相同脉冲宽度下,不同喷吹压力(0.3～0.6 MPa)时,滤筒各测点侧壁压力峰值。从图中可知,随着喷吹压力的增大,各个测点的侧壁压力峰值均增大。中、 下部侧壁压力峰值相差不大,都大于上测点的峰值。这是由于高压气体通过管道进入内置旋转器,由于气流具有的动能较大,通过内置旋转器到达滤筒上部的气流很少,绝大部分气流到达滤筒中部和下部,动压转换为静压,使得中、 下测点的侧壁压力峰值大于上测点的峰值。
图5 内置旋转器在不同喷吹压力的侧壁压力峰值
Fig.5 Side wall pressure peak of built-in rotator at different injection pressures
图6为内置旋转器在喷吹压力为0.3～0.6 MPa下与在最优喷吹距离下普通喷嘴的侧壁压力峰值。从图6中可以得出在不同喷吹压力下,内置旋转器所能达到最大侧壁压力峰值均小于普通喷嘴。这是因为内置旋转器是通过高速气流促使其自身旋转,本身需要消耗气流的动能,对于普通喷嘴,高速气流瞬间射入滤筒,绝大部分气流的动能转换为静压。侧壁压力峰值并不是越大越好,压力太大容易使滤料破损,而图中可以得出下测点内置旋转器侧壁压力峰值要小于普通喷嘴,说明内置旋转器能有效降低下部侧壁压力峰值,减小脉冲气流对底部的冲击。而二者上测点侧壁压力峰值相差不大,内置旋转器所得到中测点的侧壁压力峰值大于普通喷嘴, 说明内置旋转器能明显的提升滤筒中部的清灰强度。 因为内置旋转器消耗了高速气流的一部分动能,致使更多的气流通过旋转翼两侧喷吹孔到达滤筒中部,气流的动压转换为静压。
(a)0.3 MPa(b)0.4 MPa(c)0.5 MPa(d)0.6 MPa图6 内置旋转器与普通喷嘴在不同喷吹压力下沿滤筒轴向侧壁压力峰值Fig.6 Peak pressure along axial sidewall of filter cartridge under different injection pressures with built-in rotator and ordinary nozzle
2.3 内置旋转器对滤筒圆周方向清灰效果的影响
在相同脉冲宽度下,分别测试内置旋转器和普通喷嘴在喷吹压力为0.3～0.6 MPa时滤筒上、 中、 下部水平圆周测点的侧壁压力峰值,结果如图7所示。
从图7可知,在使用内置旋转器和普通喷嘴2种情况下,滤筒在水平圆周方向的侧壁压力并不是完全均匀和对称的。在使用普通喷嘴的情况下,所得到的各个测点的侧壁压力值相差较大,而使用内置旋转器,在水平圆周方向的测点压力值浮动均没有超过100 Pa,差值很小,因为高速气流通过普通喷嘴同时还要卷吸一部分气流,脉冲喷吹气流在高速流动过程中密度会发生急剧变化从而发生偏斜,导致气流不是均匀垂直进入滤筒,到达滤筒各部位甚至同一水平圆周方向也是不均匀的,侧壁压力因此出现较大浮动。内置旋转器通过管道直接与储气罐相连,高速气流直接到达内置旋转器的两侧旋转翼,两侧旋转翼自动旋转做圆周运动,高速气流均匀的从正对滤筒内壁各个喷吹孔喷出,而内置旋转器工作时密封盖自动盖住,空气只能从滤芯吹出,保证了更好的喷吹效果。使用内置旋转器能明显提升滤筒在水平圆周方向上的均匀性。
(a)0.3 MPa(b)0.4 MPa(c)0.5 MPa
(d)0.6 MPa图7 内置旋转器与普通喷嘴在不同喷吹压力下沿滤筒水平圆周方向侧壁压力峰值Fig.7 Built-in rotator and ordinary nozzle at different injection pressures along horizontal circumferential direction of filter cartridge, with peak pressure on sidewall
表1为内置旋转器与普通喷嘴在水平圆周方向上侧壁正压力峰值计算得到的标准偏差。 由表1可以看出, 内置旋转器在不同压力条件下的上、 中、 下部测点标准偏差较普通喷嘴显著降低48.14%～95.38%, 说明内置旋转器的清灰均匀性更高。
表1 滤筒侧壁正压力峰值标准偏差
Tab.1 Standard deviation of peak positive pressure on side wall of filter cartridge
喷吹压力/MPa内置旋转器压力/Pa上部测点中部测点下部测点普通喷嘴压力/Pa上部测点中部测点下部测点0.3014.9534.5826.2374.4469.8950.580.4026.2334.1233.23140.58185.78101.800.5031.3824.7740.62147.73191.43111.190.6019.279.5652.40285.73206.82153.82
3 结论
1)采用普通喷嘴进行清灰喷吹时,沿着滤筒侧壁压力峰值从上至下逐渐增大,且滤筒侧壁压力大小严重分布不均。侧壁压力峰值结合喷吹清灰压力的有效性和相对的均匀性,在喷吹压力分别为0.3、 0.4、 0.5、 0.6 MPa时最佳喷吹距离分别为150、 250、 200、 150 mm。
2)在满足清灰压力条件下,内置旋转器能有效提升滤筒中部侧壁压力峰值并使滤筒侧壁下部压力峰值有所降低,有效避免了普通喷嘴因下部压力过大而对滤筒下部滤料的破坏,但其喷吹气流方向的改变也造成一部分气体机械能的损失。
3)采用圆周式脉冲喷吹时,与最优喷吹距离的普通喷嘴相比,内置旋转器在水平圆周方向的侧壁压力峰值差均不超过100 Pa,圆周式脉冲喷吹气流使滤筒侧壁压力峰值分布更为均匀,改善了滤筒脉冲喷吹清灰不均匀性。
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