金属纤维长滤袋清灰性能及清灰机理实验探究

王磊 彭海军 孙鹏 张小庆 原锋辉 李明

（西安菲尔特金属过滤材料股份有限公司 陕西西安 710201）

0 引言

目前，国内外对于传统的布袋式除尘器研究颇多，其中滤袋的清灰问题得到了研究者的广泛关注。现行的布袋式除尘器几乎都采用脉冲喷吹清灰方式。同样，金属滤袋除尘器借鉴了传统布袋除尘器，也采用脉冲喷吹清灰方式［1］。金属滤袋以其耐高温的巨大优势，优于传统布袋，目前已在石油化工、煤化工、耐火材料、氧化铝、玻璃、水泥等行业的高温烟气除尘领域得到应用［2］。随着金属滤袋在各行业的广泛应用，其清灰性能受到了高度关注。一般地，工程应用中金属滤袋的设计长度在3.0 m～7.5 m 之间，直径通常为φ130 mm 和φ160 mm 2 种规格，部分工程项目由于安装空间的限制，滤袋必须采用分节处理，因此长滤袋下部的清灰性能成为研究焦点。

关于脉冲清灰有2 种不同的机制认识［3-6］。惯性力理论认为，清灰气流使滤袋向外快速膨胀，当袋壁膨胀至极限位置时，滤袋材料本身的张力使其获得最大反向加速度，粉尘层因为惯性作用从滤袋上脱落［7］。另一种机制则认为，粉尘层的脱落是由于清灰气流直接吹扫所致［8-9］。作为脉冲袋式除尘器的关键技术，清灰系统的设计是否合理直接影响除尘的效率和运行成本。然而，金属滤袋除尘系统的设计目前主要借鉴布袋除尘系统，其喷吹压力、喷吹孔径、喷吹距离等主要参考布袋除尘来设计，其设计的合理性只能在使用之后得知，这就难免会导致一些项目出现清灰难、运行阻力过高等问题。国内做传统布袋式除尘系统研究多集中在高校，大都是对布袋除尘进行研究，实验也都偏小型化，工程指导性不强［10-13］。另外，高校里的很多研究都是基于仿真模拟计算开展的，缺乏与工程实际相结合［14-15］。由于金属滤袋与传统布袋在性能上存在较大差异，今后需要对金属滤袋清灰性能进行较为全面系统的实验分析，提高金属滤袋清灰效果，最终达到指导工程设计的目的。

本文首先进行了分节金属长滤袋φ160 mm×7 000 mm 的脉冲喷吹清灰模拟实验，以金属滤袋侧壁压力的大小反映清灰性能的难易程度，探究了喷吹距离、喷吹孔径和喷吹压力与长滤袋清灰性能之间的关系，为工程设计提供理论依据。其次，采用高倍摄像追踪了脉冲清灰过程中粉尘在金属滤袋表面的运动轨迹，对金属滤袋的清灰机理进行了初步探究。

1 实验设备

采用自主设计的金属滤袋脉冲喷吹清灰测试平台，如图1所示。该装置包括金属滤袋、喷吹系统和数据采集系统。金属滤袋规格为φ160 mm×7 000 mm，采用微米级金属纤维真空烧结而成，平行于地面布置；喷吹系统，主要包括气包、电磁脉冲阀、喷吹管，其中喷吹管喷射气流方向平行于地面，并正对金属滤袋袋口中心位置；数据采集系统，包括传感器、电荷放大器、数采仪，其中传感器沿金属滤袋轴向布置。

图1 金属滤袋脉冲喷吹清灰测试平台

2 实验步骤及测试原理

本实验主要考察喷吹压力、喷吹距离、喷吹孔径对金属滤袋侧壁压力分布的影响，喷吹压力考察范围选择0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa，喷吹距离考察范围选择150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm，喷吹孔径考察范围选择φ8 mm、φ10 mm、φ12 mm、φ14 mm、φ16 mm。具体操作步骤如下：

（1）安装传感器。沿滤袋轴向布置传感器，要求传感器垂直于金属滤袋侧壁且刚性连接。

（2）固定金属滤袋的位置。将要测试的金属滤袋水平放置，袋口中心正对喷吹管上的喷嘴，并与喷嘴保持预先设计的喷吹距离。

（3）调节喷吹压力。将脉冲气包的压力调节至测试者的要求，一般压力范围在0.2 MPa～0.6 MPa 之间。

（4）开启采集系统。将传感器另一端接电荷放大器，并打开电荷放大器和数采仪，待显示正常后进行下一步操作。

（5）开启脉冲喷吹阀。

（6）记录数据。

3 单因素实验

分别进行了喷吹压力、喷吹距离、喷吹孔径对金属纤维长滤袋侧壁压力分布影响的单因素实验。

3.1 喷吹压力对侧壁压力分布的影响

喷吹压力，指脉冲气包内预先设定好压缩空气的压力，经电磁脉冲喷吹阀喷入滤袋内部进行清灰。如图2 所示，在喷吹距离为200 mm、喷吹孔径为12 mm 的条件下，考察了不同喷吹压力下金属纤维长滤袋侧壁压力分布情况。从图2 中可以明显看出，金属滤袋上部侧壁压力峰值均高于下部，尤其在第1、2 测点处，即距离袋口1 m 内侧壁压力最高，说明该处的清灰效果最佳，此时该处的过滤阻力相对其他位置也最低，过滤过程中烟气优先选择从低阻力部位通过，这就使得滤袋低阻区位置的过滤负荷过大，整个滤袋的过滤就会失衡，形成死循环，不利于金属滤袋长周期使用。同样，随着喷吹压力的升高，金属滤袋侧壁各点的压力峰值也随之增大。另外，相比金属滤袋下部，其上部各点压力峰值随喷吹压力上升得更加明显，也就是说，提高喷吹压力，滤袋上部的清灰效果更加显著。当喷吹压力依次从0.2 MPa 升至0.6 MPa 时，金属滤袋侧壁压力最大峰值差由500 Pa 增至3 500 Pa，这表明随着喷吹压力的提高，金属滤袋上部和下部承受的过滤负荷更加不均匀，严重时可造成过滤失衡现象发生，尤其可能导致滤袋第一节（距离袋口小于1 m 的位置）发生疲劳破损。因此，实际工程设计中，在保证实现金属滤袋良好清灰，且保证滤袋上、下部过滤尽可能平衡的前提下，建议喷吹压力优选0.2 MPa～0.3 MPa。

图2 喷吹压力对侧壁压力的影响

3.2 喷吹孔径对侧壁压力分布的影响

喷吹孔径，指脉冲喷吹管上开孔的大小。如图3 所示，在喷吹压力为0.3 MPa、喷吹距离为200 mm 的条件下，考察了不同喷吹孔径下金属滤袋侧壁压力分布情况。从图3 中可以看出，当喷吹孔径为φ8 mm 和φ10 mm 时，由于喷吹孔径比较小，在同等喷吹气量的情况下喷嘴出口的气流速度更快，这就引起金属滤袋侧壁P1、P2 测点处压力峰值过高。又由于随着喷吹气流速度的加快，滤袋的透气值越高，也就是说气流速度越快，透过滤袋的气体量就越大，因此喷吹气体量沿着滤袋轴向出现严重损耗，从而滤袋下部侧壁压力偏低。这样造成滤袋上部与下部侧壁压力峰值差过大，滤袋上部会承载较大的过滤负荷，尤其是P1 至P2 测点区域（距袋口1 m 的部分），最终容易发生疲劳破损；当喷吹孔径为φ16 mm 时，滤袋侧壁压力峰值整体偏低，尤其是测点P6 至P7 区域，压力甚至低于300 Pa，很难保证有效的清灰［16］，这是由于喷吹孔径过大，喷吹气流在进入滤袋前的锥状气流截面已远大于滤袋直径，大量的喷吹气流作用在滤袋袋口外部，只有少量喷吹气流进入滤袋内部，因此滤袋底部的侧壁压力极低；当喷吹孔径为φ12 mm 和φ14 mm时，滤袋上部与下部的侧壁压力峰值差相对较小，并且滤袋下部侧壁压力峰值明显高于其他，这是由于喷吹气流的最大锥面靠近于滤袋中间部位，并且气流在滤袋上部的损失相对较少。因此，在实际工程设计中，建议喷吹孔径优选12 mm～14 mm之间。

图3 喷吹孔径对滤袋侧壁压力的影响

3.3 喷吹距离对侧壁压力分布的影响

喷吹距离，指喷嘴到滤袋法兰平面的距离。如图4 所示，在喷吹压力为0.3 MPa、喷吹孔径为12 mm 的条件下，考察了不同喷吹距离下金属纤维长滤袋侧壁压力分布情况。从图4中可以看出，随着喷吹距离的增大，金属滤袋侧壁各点的压力变化不明显，说明喷吹距离对金属滤袋侧壁压力峰值的影响甚微，即通过改变喷吹距离是很难改善金属滤袋清灰效果的。具体地，当喷吹距离为150 mm 时，测点P2（距法兰面1 m 处）压力达到最大值，这是由于压缩空气由喷嘴喷出后形成锥状空气流，恰好在P2 处气流锥面达到最大，造成滤袋侧壁压力差最大，也说明压缩空气在进入滤袋后，较大一部分作用在第一节滤袋侧壁（距袋口1 m 内），只有少部分作用在滤袋下部，最终导致滤袋上部和下部清灰效果相差巨大；当喷吹距离为200 mm 和250 mm 时，滤袋上部和下部侧壁压差相对较小，并且下部侧壁压力均高于其他，有效保证了滤袋下部清灰效果；当喷吹距离为300 mm 和350 mm 时，滤袋侧壁压力整体明显减小，尤其是滤袋下部压力低至300 Pa，这是由于较多的压缩空气在进入滤袋内部前已经损失，真正进入滤袋内部的压缩空气量减少。因此，在实际工程设计中，建议喷吹距离优选200 mm～250 mm 之间。

图4 喷吹距离对滤袋侧壁压力的影响

总体来看，金属纤维长滤袋侧壁压力分布总体呈现上部大、下部小的趋势。即使目前喷吹压力、喷吹孔径及喷吹距离均按最优喷吹参数来设计，也只能一定程度地减弱这种趋势，但无法避免。这是因为金属滤袋属于多孔材料，具有一定的透气性能，喷吹气流进入滤袋沿轴向运动，直至滤袋底部，在此过程中喷吹气流有一个沿径向的分量透过滤袋。随着喷吹气流自上而下的运动，喷吹气量会逐渐损耗，从而滤袋侧壁压力峰值也逐渐减小。因此，今后需要对金属纤维长滤袋的结构进行优化设计，从而提高滤袋侧壁压力的均衡性。

4 清灰过程滤袋表面变化规律探究实验

4.1 实验方法

在上述优化后的喷吹参数下进行金属滤袋脉冲喷吹清灰性能测试，沿径向在滤袋表面标记两个点，然后采用高倍摄像对测试中的滤袋表面上的两点运动轨迹进行跟踪拍摄。通过两个点之间的相对位移判断滤袋处于收缩或膨胀状态，从而反映出脉冲喷吹清灰过程中金属滤袋表面的变化规律。

4.2 结果与分析

图5 为脉冲喷吹清灰过程中金属滤袋上部和下部表面变化规律曲线，可以明显看出，在脉冲压缩空气进入金属滤袋内部瞬间，滤袋上部表面上两点的距离是先减小后增大，表明滤袋上部有明显的收缩，然后膨胀，这是由于距离袋口近的位置瞬时气流速度更快，产生了负压所导致的；而滤袋下部表面上两点的距离是直接增大，表明滤袋表面只发生了膨胀，这是由于此处的气流速度相对较慢，不足以形成负压或负压甚微，但由于脉冲气体在进入滤袋内部时，高速射流气体优先到达滤袋下部，除一部分气体在到达滤袋底部前透过滤袋而损失，多数气体在滤袋下部集聚，从而导致滤袋下部的膨胀高于上部。根据上述的现象可以推断，滤袋上部表面产生了振动，由于滤袋表面与粉尘层是两个不同的介质，振动频率存在差异，因而在两个介质之间产生剥离力，从而使得粉尘从滤袋表面脱离；而滤袋下部表面只发生了膨胀，粉尘层依靠滤袋表面膨胀后所产生的惯性力脱离。滤袋表面上部和下部两点位移的极差值分别为0.247 mm 和0.109 mm，说明脉冲喷吹清灰过程中金属滤袋表面的膨胀非常微小，但由于采用脉冲压缩空气作为清灰气源，滤袋表面能够发生高频振动。结合实际工况中金属滤袋的使用情况，滤袋上部粉尘残余量明显低于下部，即滤袋上部清灰效果优于下部，这就表明依靠滤袋表面高频振动产生的剥离力实现清灰的效果要优于滤袋表面膨胀所产生的惯性力。

图5 金属滤袋表面变化规律曲线

5 结论与展望

通过单因素实验获得了一套最优喷吹参数，即喷吹压力优选0.2 MPa～0.3 MPa 之间，喷吹孔径优选12 mm～14 mm 之间，喷吹距离优选200 mm～250 mm 之间，为工程设计提供参考依据。另外发现，在脉冲喷吹清灰过程中，金属滤袋上部主要依靠滤袋表面与粉尘层振动频率的差异所产生的剥离力，使得粉尘从滤袋表面脱离；而滤袋下部主要依靠表面膨胀所产生的惯性力，使得粉尘从滤袋表面脱离。最终发现，依靠滤袋表面高频振动产生的剥离力实现清灰的效果要优于滤袋表面膨胀所产生的惯性力。

今后，为了更好地实现金属纤维长滤袋的清灰性能，建议对金属纤维长滤袋轴向上孔隙率的分布进行优化设计，以提高滤袋侧壁压力的均衡性。同时，可以采取辅助措施对金属滤袋表面进行高频振动，最终实现金属纤维长滤袋的良好清灰。