脉冲喷吹金属长滤袋的清灰性能

李 朋，薛 峰，康 彦，马小辉，颜翠平，陈海焱，侯力强，钱云楼

(1. 西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010； 2. 西安菲尔特金属过滤材料有限公司，陕西 西安 710000；3. 浙江安防职业技术学院，浙江 温州 325016)

近年来，随着水泥、 冶金、 火电、 汽车等行业的高速发展，高温烟气造成的环境问题和健康生活问题，引起了社会各界的广泛关注，因此，收集高温细颗粒物具有重要的现实意义[1-7]。相比短滤袋除尘器，长滤袋除尘器具有占地面积小、设备重量轻、成本低、容积利用率高和除尘效果好等优点，逐步成为工业除尘器发展的方向。

在工业除尘应用中，传统滤袋除尘器存在着不耐高温的缺陷，无法在400 ℃以上的高温烟气中正常有效工作。以无纺织布、 聚四氟乙烯纤维、 聚酰亚胺纤维和纤维毡等材料为例的传统滤袋[8-11]，承受的最高温度为300 ℃。高温烟气直接通入滤袋中除尘，会产生糊袋、 烧袋等破损情况[12]，造成滤袋过滤效率变低。另外，采用烟气冷凝的方式，将温度降低到300 ℃以下，再进行除尘，造成了烟气余热能的损失。工业排放的废气具有酸碱性，会腐蚀滤袋，造成破损，需要频繁更换滤袋。目前，对于废旧滤袋[13-14]的处理方式为焚烧或填埋，这样的处理方式会污染大气或土壤，因此，在高温颗粒物的收集方面，传统滤袋除尘器存在不足，在处理破损滤袋的技术方面还有待提升。

金属滤袋由不锈钢材料制成，能直接过滤温度为400 ℃的含尘烟气[15]，使用Fe-Cr-Al[16]材料制成的滤袋，过滤的烟气温度可达1 000 ℃。相比传统滤袋，金属滤袋可以更有效地收集和利用余热能源。苏娜等[17]研究发现，相比于现有的滤材，金属滤材具有耐高温、透气性好、压力损失小、耐腐蚀、易于加工成型等优异的性能。侯力强等[18]研究发现，提高不锈钢纤维的丝径可以增强滤袋的过滤能力，满足高温滤袋的过滤要求。孙鹏等[19]使用过滤精度为15 μm的金属纤维烧结毡进行过滤实验，发现其出口粉尘质量浓度为3.6 mg/m3，过滤效率为99.99%，能够满足相关国家排放要求。秦文茜[20]研究发现，相比于传统滤袋，使用长度为1 m的金属滤袋可以处理更大的过滤风量，同时排放的粉尘浓度更低。金属滤袋提升了余热能源利用率，不仅具有强抗压性，还能降低滤袋破损率。另外，对于损坏的金属滤袋可直接送入炼钢厂，处理损坏金属滤袋的方式更环保，减少了对大气和土壤污染。

目前常采用脉冲清灰的方式，对滤袋清灰的影响因素进行研究。相关结果表明喷吹压力、喷吹距离、喷吹孔径[21-23]对滤袋清灰性能有显著影响。在研究过程中，常以侧壁压力峰值[24]为评价指标：Humphries等[25]研究发现，要去除滤袋60%(质量分数，下同)的粉尘，侧壁压力峰值应大于300 Pa；秦文茜[20]通过除尘实验发现，金属滤袋侧壁压力达到300 Pa时，才能有效清灰；王沁淘等[26]研究发现，侧壁压力峰值大于5 282 Pa会造成滤袋破损，因此，滤袋侧壁压力值应在300～5 282 Pa。

目前，学者针对6 m以下滤袋的清灰性能研究较多，而对6 m以上的长滤袋研究较少[27]。本文中以长度为6 m金属滤袋为研究对象，采用脉冲清灰方式，以侧壁压力峰值300 Pa为评价指标，研究喷吹压力、喷吹距离、喷吹孔径对滤袋清灰性能的影响，得出金属长滤袋的最优喷吹参数以及沿滤袋方向上压力分布规律。

1 实验

1.1 装置

脉冲喷吹实验平台示意图如图1所示，主要包括信号采集系统和喷吹系统2个部分。

1—风机； 2—电器控制柜； 3—电磁脉冲阀； 4—压力储气罐； 5—空压机； 6—喷吹管； 7—金属滤袋； 8—压力传感器； 9—电荷放大器； 10—数据采集仪。图1 脉冲喷吹实验平台示意图Fig.1 Schematic diagram of pulse-jet experimental platform

信号采集系统包括：QSY-7709型电荷放大器(绵阳奇石缘科技有限公司)、 QSY-USB-8512E型便携式数据采集仪(绵阳奇石缘科技有限公司)、 7支QSY8115型压电式压力传感器(绵阳奇石缘科技有限公司)和计算机。喷吹系统包括：额定压力为0.8 MPa的空压机，额定电压为380 V、 功率为5 kW的电气控制柜，DMF-Y-50S型电磁脉冲阀(上海袋式除尘配件有限公司)，长度为6 m的金属滤袋(西安菲尔特金属过滤材料有限公司)。

1.2 实验方法

金属长滤袋测点分布示意图如图2所示，在距离滤袋顶部400、 1 000、 2 100、 3 500、 4 300、 5 100、 5 900 mm处安置7个压力传感器，即测点P1—P7。选取喷吹压力为0.2、 0.3、 0.4、 0.5 MPa，喷吹孔径为10、 12、 16、 20 mm的喷吹管进行喷吹实验。通过数据采集仪和电荷放大器获取每个传感器的电压值，使用公式将电压值转换为压力值。为了得到准确的实验数据，每组喷吹实验至少重复5次，计算压力平均值。

图2 滤袋测点分布示意图Fig.2 Distribution of measuring points of filter bag

2 结果与讨论

2.1 喷吹距离与清灰压力分布的关系

当喷吹压力为0.2、 0.3 MPa，喷吹孔径为10、 20 mm时，部分测点不能实现有效清灰，侧壁压力峰值未能到达300 Pa； 在喷吹压力为0.5 MPa时，金属长滤袋上、下部压差较大，容易造成滤袋损坏。故此，选择0.4 MPa进行实验分析。不同喷吹孔径下，侧壁压力峰值与喷吹距离的关系如图3所示。由图可知，10、 12、 16、 20 mm喷吹孔径对应的最佳喷吹距离分别为200、 200、 200、 160 mm。在孔径为10 mm时，随着喷吹距离的增加，大部分测点的压力峰值变化较小，个别测点的压力峰值先减小后增加再减小；在孔径为12 mm时，随着喷吹距离的增加，测点的压力峰值的变化较为稳定，压力峰值的最大差值为200 Pa左右；在孔径为16 mm时，随着喷吹距离的增加，大多数测点的压力峰值呈现再增加后减小的趋势，压力主要分布在700～1 600 Pa；孔径为20 mm时，大多数测点的压力峰值随着喷吹距离的增加而减小，压力主要分布在600～1 700 Pa。

由图3可知，测点P1、 P2处的侧壁压力峰值明显大于其余测点。这是由于P1、 P2位于滤袋上部，到滤袋口的距离分别为400、 1 000 mm，侧壁压力峰值由喷射的主导气流决定，喷吹气流的动压转化为静压，造成滤袋侧壁受到的压力增加。相比于传统滤袋材料，金属滤袋材料的通气性更好，气流更容易穿过滤袋散发出去；并且气流与滤袋之间存在摩擦，侧壁压力峰值会随着气流运动距离的增加而减小，导致中部测点P3—P5侧壁压力峰值小于顶部测点。虽然测点P6、 P7离滤袋口的距离相对较远，分别为5 100、 5 700 mm，但是滤袋底部为封闭空间，喷吹气流与滤袋底部发生碰撞，气流速度突变为0，气体向四周发散或反向运动，使得动压转化为静压，造成金属滤袋底部测点侧壁压力峰值变大，因此，金属滤袋的压力峰值呈现上部>下部>中部的趋势，中部测点P4的压力峰值较低。

a)10 mmb)12 mmc)16 mmd)20 mm图3 不同喷吹孔径下侧壁压力峰值与喷吹距离的关系Fig.3 Relationship between peak pulse pressure and jet distance of different nozzle diameters

2.2 喷吹孔径与清灰压力分布的关系

在最优喷吹距离下，不同喷吹孔径与金属长滤袋侧壁压力峰值分布关系如图4所示。从图中可以看出，当喷吹孔径为10、 12 mm时，尽管各测点的压力值大于300 Pa，满足了滤袋清灰条件，但是测点P1与P4的压力值相差1 600 Pa，滤袋清灰均匀性较差。在金属滤袋上部测点压力值的大小主要由喷吹气流决定，气流速度越小，压力值越小。因为16 mm孔径的喷吹气流速度小于10、 12mm的，所以滤袋上部测点P1、 P2的压力值小于10、 12mm孔径的。在脉冲喷吹时，喷吹气流会诱导产生二次气流，在孔径为16 mm条件下，孔径较大，喷射出的气流量也较多，能引入更多的二次气流，进入滤袋的混合气流量更多，造成下部测点P6和P7压力值大于10和12 mm的，因此，在16 mm孔径不仅满足了滤袋清灰条件，还有较好的滤袋清灰的均匀性。喷吹孔径为16、 20 mm的侧壁压力峰值分布情况大致相同，但是16 mm孔径对应的7个测点的平均侧壁压力峰值大于20 mm孔径下的压力值，因此，16 mm为金属滤袋最优喷吹孔径。

图4 不同喷吹孔径测点侧壁压力峰值分布Fig.4 Pressure distribution of measuring points with different nozzles at optimal jet distance

2.3 金属长滤袋沿长度方向上侧壁压力分布规律

在喷吹压力为0.4 MPa、 喷吹孔径为16 mm、 喷吹距离为200 mm条件下，金属滤袋侧壁压力峰值分布关系如图5所示。

图5 金属长滤袋测点侧壁压力峰值分布Fig.5 Distribution of peak pulse pressure on long metal filter bag

在脉冲喷吹瞬间，通过喷孔的气流速度过快，形成一股高速气流。高速气流在运动过程中，诱导引入外界的气流，形成混合气流。当混合气流进入滤袋向下运动时，由于滤袋侧壁的阻碍作用，气流的动压转换为静压，作用于上部，使得测点P1、 P2压力值增加。混合气流继续运动，随着气流的运动距离越长，与滤袋侧壁摩擦损失的能量就越多。金属滤袋的透气性较高，在运动中，混合气流逐渐散失到滤袋外部。因此，滤袋中部测点侧壁压力峰稳定，且小于上部测点侧壁压力峰值。

3 结论

1)当喷吹压力为0.4 MPa时，金属长滤袋在喷吹孔径10、 12、 16、 20 mm最佳喷吹距离分别为200、 200、 200和160 mm；在满足滤袋清灰有效性和均匀性条件下，喷吹压力为0.4 MPa、 喷吹孔径为16 mm和最优喷吹距离为200 mm为金属长滤袋的最优清灰参数。

2)在最优参数条件下，金属长滤袋沿长度方向的侧壁压力峰值呈现出上部>下部>中部的变化趋势。滤袋透气性较好，造成中部测点P3、 P4、 P5压力峰值较低，但均大于300 Pa，满足有效清灰条件。