金屬纖維長濾袋清灰性能及清灰機理實驗探究

王磊 彭海軍 孫鵬 張小慶 原鋒輝 李明

（西安菲爾特金屬過濾材料股份有限公司 陜西西安 710201）

0 引言

目前，國內外對于傳統的布袋式除塵器研究頗多，其中濾袋的清灰問題得到了研究者的廣泛關注?，F行的布袋式除塵器幾乎都采用脈沖噴吹清灰方式。同樣，金屬濾袋除塵器借鑒了傳統布袋除塵器，也采用脈沖噴吹清灰方式［1］。金屬濾袋以其耐高溫的巨大優勢，優于傳統布袋，目前已在石油化工、煤化工、耐火材料、氧化鋁、玻璃、水泥等行業的高溫煙氣除塵領域得到應用［2］。隨著金屬濾袋在各行業的廣泛應用，其清灰性能受到了高度關注。一般地，工程應用中金屬濾袋的設計長度在3.0 m～7.5 m 之間，直徑通常為φ130 mm 和φ160 mm 2 種規格，部分工程項目由于安裝空間的限制，濾袋必須采用分節處理，因此長濾袋下部的清灰性能成為研究焦點。

關于脈沖清灰有2 種不同的機制認識［3-6］。慣性力理論認為，清灰氣流使濾袋向外快速膨脹，當袋壁膨脹至極限位置時，濾袋材料本身的張力使其獲得最大反向加速度，粉塵層因為慣性作用從濾袋上脫落［7］。另一種機制則認為，粉塵層的脫落是由于清灰氣流直接吹掃所致［8-9］。作為脈沖袋式除塵器的關鍵技術，清灰系統的設計是否合理直接影響除塵的效率和運行成本。然而，金屬濾袋除塵系統的設計目前主要借鑒布袋除塵系統，其噴吹壓力、噴吹孔徑、噴吹距離等主要參考布袋除塵來設計，其設計的合理性只能在使用之后得知，這就難免會導致一些項目出現清灰難、運行阻力過高等問題。國內做傳統布袋式除塵系統研究多集中在高校，大都是對布袋除塵進行研究，實驗也都偏小型化，工程指導性不強［10-13］。另外，高校里的很多研究都是基于仿真模擬計算開展的，缺乏與工程實際相結合［14-15］。由于金屬濾袋與傳統布袋在性能上存在較大差異，今后需要對金屬濾袋清灰性能進行較為全面系統的實驗分析，提高金屬濾袋清灰效果，最終達到指導工程設計的目的。

本文首先進行了分節金屬長濾袋φ160 mm×7 000 mm 的脈沖噴吹清灰模擬實驗，以金屬濾袋側壁壓力的大小反映清灰性能的難易程度，探究了噴吹距離、噴吹孔徑和噴吹壓力與長濾袋清灰性能之間的關系，為工程設計提供理論依據。其次，采用高倍攝像追蹤了脈沖清灰過程中粉塵在金屬濾袋表面的運動軌跡，對金屬濾袋的清灰機理進行了初步探究。

1 實驗設備

采用自主設計的金屬濾袋脈沖噴吹清灰測試平臺，如圖1所示。該裝置包括金屬濾袋、噴吹系統和數據采集系統。金屬濾袋規格為φ160 mm×7 000 mm，采用微米級金屬纖維真空燒結而成，平行于地面布置；噴吹系統，主要包括氣包、電磁脈沖閥、噴吹管，其中噴吹管噴射氣流方向平行于地面，并正對金屬濾袋袋口中心位置；數據采集系統，包括傳感器、電荷放大器、數采儀，其中傳感器沿金屬濾袋軸向布置。

圖1 金屬濾袋脈沖噴吹清灰測試平臺

2 實驗步驟及測試原理

本實驗主要考察噴吹壓力、噴吹距離、噴吹孔徑對金屬濾袋側壁壓力分布的影響，噴吹壓力考察范圍選擇0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa，噴吹距離考察范圍選擇150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm，噴吹孔徑考察范圍選擇φ8 mm、φ10 mm、φ12 mm、φ14 mm、φ16 mm。具體操作步驟如下：

（1）安裝傳感器。沿濾袋軸向布置傳感器，要求傳感器垂直于金屬濾袋側壁且剛性連接。

（2）固定金屬濾袋的位置。將要測試的金屬濾袋水平放置，袋口中心正對噴吹管上的噴嘴，并與噴嘴保持預先設計的噴吹距離。

（3）調節噴吹壓力。將脈沖氣包的壓力調節至測試者的要求，一般壓力范圍在0.2 MPa～0.6 MPa 之間。

（4）開啟采集系統。將傳感器另一端接電荷放大器，并打開電荷放大器和數采儀，待顯示正常后進行下一步操作。

（5）開啟脈沖噴吹閥。

（6）記錄數據。

3 單因素實驗

分別進行了噴吹壓力、噴吹距離、噴吹孔徑對金屬纖維長濾袋側壁壓力分布影響的單因素實驗。

3.1 噴吹壓力對側壁壓力分布的影響

噴吹壓力，指脈沖氣包內預先設定好壓縮空氣的壓力，經電磁脈沖噴吹閥噴入濾袋內部進行清灰。如圖2 所示，在噴吹距離為200 mm、噴吹孔徑為12 mm 的條件下，考察了不同噴吹壓力下金屬纖維長濾袋側壁壓力分布情況。從圖2 中可以明顯看出，金屬濾袋上部側壁壓力峰值均高于下部，尤其在第1、2 測點處，即距離袋口1 m 內側壁壓力最高，說明該處的清灰效果最佳，此時該處的過濾阻力相對其他位置也最低，過濾過程中煙氣優先選擇從低阻力部位通過，這就使得濾袋低阻區位置的過濾負荷過大，整個濾袋的過濾就會失衡，形成死循環，不利于金屬濾袋長周期使用。同樣，隨著噴吹壓力的升高，金屬濾袋側壁各點的壓力峰值也隨之增大。另外，相比金屬濾袋下部，其上部各點壓力峰值隨噴吹壓力上升得更加明顯，也就是說，提高噴吹壓力，濾袋上部的清灰效果更加顯著。當噴吹壓力依次從0.2 MPa 升至0.6 MPa 時，金屬濾袋側壁壓力最大峰值差由500 Pa 增至3 500 Pa，這表明隨著噴吹壓力的提高，金屬濾袋上部和下部承受的過濾負荷更加不均勻，嚴重時可造成過濾失衡現象發生，尤其可能導致濾袋第一節（距離袋口小于1 m 的位置）發生疲勞破損。因此，實際工程設計中，在保證實現金屬濾袋良好清灰，且保證濾袋上、下部過濾盡可能平衡的前提下，建議噴吹壓力優選0.2 MPa～0.3 MPa。

圖2 噴吹壓力對側壁壓力的影響

3.2 噴吹孔徑對側壁壓力分布的影響

噴吹孔徑，指脈沖噴吹管上開孔的大小。如圖3 所示，在噴吹壓力為0.3 MPa、噴吹距離為200 mm 的條件下，考察了不同噴吹孔徑下金屬濾袋側壁壓力分布情況。從圖3 中可以看出，當噴吹孔徑為φ8 mm 和φ10 mm 時，由于噴吹孔徑比較小，在同等噴吹氣量的情況下噴嘴出口的氣流速度更快，這就引起金屬濾袋側壁P1、P2 測點處壓力峰值過高。又由于隨著噴吹氣流速度的加快，濾袋的透氣值越高，也就是說氣流速度越快，透過濾袋的氣體量就越大，因此噴吹氣體量沿著濾袋軸向出現嚴重損耗，從而濾袋下部側壁壓力偏低。這樣造成濾袋上部與下部側壁壓力峰值差過大，濾袋上部會承載較大的過濾負荷，尤其是P1 至P2 測點區域（距袋口1 m 的部分），最終容易發生疲勞破損；當噴吹孔徑為φ16 mm 時，濾袋側壁壓力峰值整體偏低，尤其是測點P6 至P7 區域，壓力甚至低于300 Pa，很難保證有效的清灰［16］，這是由于噴吹孔徑過大，噴吹氣流在進入濾袋前的錐狀氣流截面已遠大于濾袋直徑，大量的噴吹氣流作用在濾袋袋口外部，只有少量噴吹氣流進入濾袋內部，因此濾袋底部的側壁壓力極低；當噴吹孔徑為φ12 mm 和φ14 mm時，濾袋上部與下部的側壁壓力峰值差相對較小，并且濾袋下部側壁壓力峰值明顯高于其他，這是由于噴吹氣流的最大錐面靠近于濾袋中間部位，并且氣流在濾袋上部的損失相對較少。因此，在實際工程設計中，建議噴吹孔徑優選12 mm～14 mm之間。

圖3 噴吹孔徑對濾袋側壁壓力的影響

3.3 噴吹距離對側壁壓力分布的影響

噴吹距離，指噴嘴到濾袋法蘭平面的距離。如圖4 所示，在噴吹壓力為0.3 MPa、噴吹孔徑為12 mm 的條件下，考察了不同噴吹距離下金屬纖維長濾袋側壁壓力分布情況。從圖4中可以看出，隨著噴吹距離的增大，金屬濾袋側壁各點的壓力變化不明顯，說明噴吹距離對金屬濾袋側壁壓力峰值的影響甚微，即通過改變噴吹距離是很難改善金屬濾袋清灰效果的。具體地，當噴吹距離為150 mm 時，測點P2（距法蘭面1 m 處）壓力達到最大值，這是由于壓縮空氣由噴嘴噴出后形成錐狀空氣流，恰好在P2 處氣流錐面達到最大，造成濾袋側壁壓力差最大，也說明壓縮空氣在進入濾袋后，較大一部分作用在第一節濾袋側壁（距袋口1 m 內），只有少部分作用在濾袋下部，最終導致濾袋上部和下部清灰效果相差巨大；當噴吹距離為200 mm 和250 mm 時，濾袋上部和下部側壁壓差相對較小，并且下部側壁壓力均高于其他，有效保證了濾袋下部清灰效果；當噴吹距離為300 mm 和350 mm 時，濾袋側壁壓力整體明顯減小，尤其是濾袋下部壓力低至300 Pa，這是由于較多的壓縮空氣在進入濾袋內部前已經損失，真正進入濾袋內部的壓縮空氣量減少。因此，在實際工程設計中，建議噴吹距離優選200 mm～250 mm 之間。

圖4 噴吹距離對濾袋側壁壓力的影響

總體來看，金屬纖維長濾袋側壁壓力分布總體呈現上部大、下部小的趨勢。即使目前噴吹壓力、噴吹孔徑及噴吹距離均按最優噴吹參數來設計，也只能一定程度地減弱這種趨勢，但無法避免。這是因為金屬濾袋屬于多孔材料，具有一定的透氣性能，噴吹氣流進入濾袋沿軸向運動，直至濾袋底部，在此過程中噴吹氣流有一個沿徑向的分量透過濾袋。隨著噴吹氣流自上而下的運動，噴吹氣量會逐漸損耗，從而濾袋側壁壓力峰值也逐漸減小。因此，今后需要對金屬纖維長濾袋的結構進行優化設計，從而提高濾袋側壁壓力的均衡性。

4 清灰過程濾袋表面變化規律探究實驗

4.1 實驗方法

在上述優化后的噴吹參數下進行金屬濾袋脈沖噴吹清灰性能測試，沿徑向在濾袋表面標記兩個點，然后采用高倍攝像對測試中的濾袋表面上的兩點運動軌跡進行跟蹤拍攝。通過兩個點之間的相對位移判斷濾袋處于收縮或膨脹狀態，從而反映出脈沖噴吹清灰過程中金屬濾袋表面的變化規律。

4.2 結果與分析

圖5 為脈沖噴吹清灰過程中金屬濾袋上部和下部表面變化規律曲線，可以明顯看出，在脈沖壓縮空氣進入金屬濾袋內部瞬間，濾袋上部表面上兩點的距離是先減小后增大，表明濾袋上部有明顯的收縮，然后膨脹，這是由于距離袋口近的位置瞬時氣流速度更快，產生了負壓所導致的；而濾袋下部表面上兩點的距離是直接增大，表明濾袋表面只發生了膨脹，這是由于此處的氣流速度相對較慢，不足以形成負壓或負壓甚微，但由于脈沖氣體在進入濾袋內部時，高速射流氣體優先到達濾袋下部，除一部分氣體在到達濾袋底部前透過濾袋而損失，多數氣體在濾袋下部集聚，從而導致濾袋下部的膨脹高于上部。根據上述的現象可以推斷，濾袋上部表面產生了振動，由于濾袋表面與粉塵層是兩個不同的介質，振動頻率存在差異，因而在兩個介質之間產生剝離力，從而使得粉塵從濾袋表面脫離；而濾袋下部表面只發生了膨脹，粉塵層依靠濾袋表面膨脹后所產生的慣性力脫離。濾袋表面上部和下部兩點位移的極差值分別為0.247 mm 和0.109 mm，說明脈沖噴吹清灰過程中金屬濾袋表面的膨脹非常微小，但由于采用脈沖壓縮空氣作為清灰氣源，濾袋表面能夠發生高頻振動。結合實際工況中金屬濾袋的使用情況，濾袋上部粉塵殘余量明顯低于下部，即濾袋上部清灰效果優于下部，這就表明依靠濾袋表面高頻振動產生的剝離力實現清灰的效果要優于濾袋表面膨脹所產生的慣性力。

圖5 金屬濾袋表面變化規律曲線

5 結論與展望

通過單因素實驗獲得了一套最優噴吹參數，即噴吹壓力優選0.2 MPa～0.3 MPa 之間，噴吹孔徑優選12 mm～14 mm 之間，噴吹距離優選200 mm～250 mm 之間，為工程設計提供參考依據。另外發現，在脈沖噴吹清灰過程中，金屬濾袋上部主要依靠濾袋表面與粉塵層振動頻率的差異所產生的剝離力，使得粉塵從濾袋表面脫離；而濾袋下部主要依靠表面膨脹所產生的慣性力，使得粉塵從濾袋表面脫離。最終發現，依靠濾袋表面高頻振動產生的剝離力實現清灰的效果要優于濾袋表面膨脹所產生的慣性力。

今后，為了更好地實現金屬纖維長濾袋的清灰性能，建議對金屬纖維長濾袋軸向上孔隙率的分布進行優化設計，以提高濾袋側壁壓力的均衡性。同時，可以采取輔助措施對金屬濾袋表面進行高頻振動，最終實現金屬纖維長濾袋的良好清灰。