袋式除尘器脉冲清灰机理研究

图2  气箱脉冲袋式除尘器示意图

                                     
　　气箱脉冲袋收尘器主要由箱体、袋室、灰斗、进出风口组成。气箱式脉冲袋式除尘器的工作原理与高压脉冲袋式除尘器相似，主要区别是这种除尘器不设压缩空气喷吹管，而是将一定数量的滤袋组合成一个箱体，每个箱体上有一个或两个较大口径的脉冲阀（其结构如图2所示）。

　　当含尘气体由进风口进入灰斗以后，一部分较粗尘粒在这里由于惯性碰撞，自然沉降等原因落入灰斗，大部分尘粒随气流上升进入袋室，经滤袋过滤后，尘粒被阻留在滤袋外侧，净化的烟气由滤袋内部进入箱体， 再由阀板孔、出风口排入大气。随着过滤过程的不断进行，滤袋外侧的积尘也逐渐增多，收尘器的运行阻力也逐渐增高， 当阻力增至预先设定值 1245～1470 时，
清灰控制器发生信号，首先控制提升阀将阀板孔关闭，以切断过滤烟气流，停止过滤过程，然后电磁脉冲阀打开，以极短的时间 0.1～0.15s 向箱体内喷入压力为0.6～0.7MPa压缩空气，压缩空气在箱体内迅速膨胀，涌入滤袋内部，使滤袋产生变形、震动，滤袋外部的粉尘便被清除下来掉入灰斗，从而完成整个收尘过程。

　　气箱脉冲式收尘器属分室离线清灰，避免粉尘的二次吸附，且使用的脉冲阀数量少，因为袋口没有喷吹管，更换滤袋和维护工作都比较方便。同时，适应性很强，在新型干法水泥生产线的所有扬尘点都可以使用。

　　1.3 低压长袋脉冲袋式除尘器（压力≤0.5MPa）
　　“低压”和“高压”的工作原理基本相同。所用压缩空气压力较低，为0.2～0.5MPa，采用淹没式脉冲阀，滤袋长度一般大于5m，此种除尘器称为低压长袋脉冲袋式除尘器。由于这类袋式除尘器所用压缩空气压力偏低，特别在空压机站的气压不能保证大于0.5MPa，和处理风量大而场地又狭小的场合，更显示其优越性，近几年在水泥行业发展迅速，特别是在窑头窑尾烟气治理中应用广泛。

　　低压长袋脉冲袋式除尘器由上箱体、中箱体、灰斗等部分组成。采用外滤式结构，滤袋下部封闭，上部开口。为了防止滤袋在工作过程中收缩，有滤袋内装有袋笼。含尘气体由中箱体下部进入，先经过缓冲区，然后由外向内透过滤袋。粉尘被阻留于袋外，干净气体在滤袋内向上流动，并经由袋口到达上箱体，再由排风口排出(图3)。滤袋的清灰由脉冲喷吹装置进行，以压缩空气为气源。控制系统发出信号时，装在稳压气包上的直通式脉冲阀便开启，气包内的压气在瞬间释放出来，并从喷吹管上的喷咀送入每条滤袋内。滤袋受到清灰气流的冲激振动，滤袋壁获得很大的加速度，从而使粉尘层被清离滤袋，落入灰斗。

　　以PLC为机芯的电脑控制仪对除尘器的清灰实行程序控制。可优先采用定压差控制方式，同时备有定时控制功能，由操作者任选。
                  
　　2  脉冲袋式除尘器的清灰机理研究
　　2.1  脉冲袋式除尘器的清灰机理和衡量指标
　　脉冲清灰的实际过程可以描述为：在脉冲时，清灰气流使滤袋内的压力急速上升，滤袋迅速向外膨胀，当袋壁膨胀到极限位置时，很大的张力使其受到强烈的冲击振动，并获得最大反向加速度从而开始向内收；但附着在滤袋表面的粉尘层不受张力作用，由于惯性力的作用而从滤袋上脱落，最大反向加速度越大，惯性也越大，清灰效果越好。

图3   低压长袋脉冲袋式除尘器结构示意
1上箱体 2喷吹管 3花板 4滤袋 5中箱体 6园盘阀
7挡风板 8灰斗 9驱动装置 10脉冲阀 11稳压气包

　　在对脉冲袋式除尘器的清灰机理的研究过程中，曾认为机械振打袋式除尘器的几种清灰机理(诸如加速度、剪切、屈曲—拉伸、扭曲和逆向气流等)，也是脉冲袋式除尘器的清灰机理。实际上，脉冲喷吹清灰同爆破过程有相似之处。除了反向加速度外，清灰时，滤袋内的压力峰值和压力上升速度也是衡量清灰效果的重要指标。

　　以滤袋内的压力峰值、压力上升速度和滤袋壁的最大反向加速度这三项指标衡量清灰效果，不仅适用于脉冲袋式除尘器，也适用于反吹清灰的袋式除尘器。图4是菱形扁袋式除尘器清灰时滤袋的压力和加速度波形。可以看出，不但压力峰值低(仅55Pa)，而且压力上升速度特别小(0.85Pa/ms)，只有脉冲喷吹(294.93Pa/ms)的2.88‰，其最反向加速度基本为零。这与该类除尘器在实际运行中清灰效果不强、阻力偏高的情况完全吻合。           

                     图4  菱形扁袋除尘器滤袋内压力波形和加速度波形图

　　反吹风速V＝2m/min时
　　压力峰值：脉冲喷吹瞬间喷吹装置喷出的清灰气流产生的最大压力；
　　压力上升速率：喷吹时滤袋某点压力峰值与压力从0上升到峰值所经历的时间比值；
　　最大反向加速度：脉冲喷吹时滤袋膨胀到极限位置由于滤袋张力作用而产生的最大反向加速度。

　　以前人们曾认为，清灰时，脉冲气流从袋口冲向滤袋底部，再由底部被反射回来的过程中，滤袋内的压力进一步增高，使袋壁受到冲击振动，从而将滤袋表面的粉尘清落。试验证明的脉冲清灰过程与此不同。图5显示的波形清楚地表明，最大反向加速度与第一个压力波峰同时出现；其后，虽然压力峰值高于第一个波峰，但反向加速度却很小很小，并随着时间的推移而迅速趋于零。这一事实说明，脉冲喷吹气流在滤袋内的清灰作用是一次性的，高压气团在从袋口冲向袋底的过程中，依次将滤袋表面的粉尘清落。清灰气流对滤袋的第一次冲击对于清灰来说是决定性的。

                                   
图5  滤袋不同部位脉冲喷吹压力峰值

　　在脉冲喷吹过程中，其最大压力峰值出现在滤袋上半部的某一点而非袋口，袋口附近为引流区，压力峰值反而很低，随着清灰气流由袋口逐步进入袋底，最大压力峰值也由袋口的最低值迅速变为最高，然后逐步减小，到袋底变为较低。因此，袋底的压力峰值是设计清灰系统的目标值，其大小要以保证袋底清灰干净而不产生过量冲击为宜。

　　对滤袋不同部位进行的测试表明，其最大反向加速度出现的时间，是从袋口向袋底推移的:最先是袋口，最后是袋底。

　　2.2 脉冲袋式除尘器的滤袋长度
　　脉冲袋式除尘器的滤袋长度与其所取喷吹装置的型式有关，不同型式的喷吹装置有不同的喷吹压力，也有与之相适应的滤袋长度。常有人担心6～8m的滤袋能否获得良好的清灰效果，事实证明这种担心是不必要的。

　　大量低压长袋脉冲袋式除尘器被应用于水泥企业窑尾烟气除尘，滤袋长度约为6m，最长可达8m。这些烟气粉尘的颗粒细、浓度大、粘性大、清灰困难，但事实表明，只要设计选型得当，制作安装保证质量，即使对这样难以清灰的烟尘也能获得良好清灰效果，并能将设备阻力长期保持在1400Pa以下，说明长滤袋不是清灰的障碍。

　　从试验结果来看，脉冲袋式除尘器滤袋获得的清灰强度，最薄弱的部位不是袋底，袋底的清灰强度稍低于滤袋中部，但却远高于袋口。说明不需要为长滤袋的清灰效果而担心。

　　2.3 “低压脉冲”是对“高压脉冲”的进步
　　通常称脉冲袋式除尘器的“低压”或“高压”，系指脉冲喷吹装置要求的气源压力，这同清灰气流在滤袋内的压力“低”或“高”完全是两回事。

　　“低压脉冲”是在“高压脉冲”的基础上经不断改进而形成的，是对“高压脉冲”的一种进步。传统的脉冲袋式除尘器都是“高压脉冲”，其喷吹装置要求的气源压力0.6～0.7Mpa。存在一种误解：“高压脉冲清灰力量大，低压脉冲清灰力量小”。实际上，压缩空气的压力不可能全部消耗在滤袋上，滤袋绝对承受不了那样高压气流的冲击。在“高压脉冲”，压气的压力大部分被喷吹装置(直角脉冲阀压力损失0.2～0.3Mpa）所消耗。

                  表1  低压和高压脉冲喷吹装置的性能     

　　实际上，“高压脉冲”与“低压脉冲”对滤袋的影响基本相同。因为大量的清灰气体是靠气源诱导后形成气流进入滤袋清灰，只不过高压气源动能大用气量少，而低压气源动能小用气量多。如果参数设置不合理，高压脉冲同样有可能出现清灰动能不足，低压脉冲也有可能清灰动能过量，对滤袋产生过量冲击。

　　国外目前还有众多类型的脉冲袋式除尘器仍是高压脉冲，原因之一是使用这些袋式除尘器的工厂配有压力充足的压气管网。国内也有一些厂家在生产高压脉冲袋式除尘器。

　　试验表明,高压脉冲袋式除尘器在喷吹压力0.6MPa条件下，2m长滤袋底部的压力峰值为1682～1744Pa(表1)。鉴于高压脉冲袋式除尘器曾获得广泛应用，其清灰能力强的特点已被公认，可以确定，只要袋底压力峰值达到此水平，在实际应用中便可获得良好的清灰效果。低压长袋脉冲袋式除尘器的开发便是以此清灰强度为标准而确定清灰气源的最低压力。由表1的数据可以看出，压力0.15Mpa时，其6m长滤袋便获得这种清灰强度。在其实际应用的喷吹压力(0.2MPa)下，袋底压力峰值为1940～2341Pa，比MC型高压脉冲0.7Mpa时的清灰强度还要高。

　　由此可知，“低压脉冲”是以保持甚至适当提高滤袋所获清灰强度为前提，实现大幅度降低喷吹(气源)压力的目标，而其途径，是用自身阻力低的淹没式脉冲阀取代压力消耗高达0.2～0.3Mpa的直角式脉冲阀，同时尽量降低喷吹系统每一部件的阻力，并且使脉冲阀的启闭变得更加快速。它所降低的是脉冲喷吹系统自身的消耗，由此而降低所需的气源压力，使能耗下降，适应性更强，而清灰强度却反而提高。因此，这是对“高压脉冲”的一种进步。
                  
　　3  脉冲袋收尘器相关设计要点
　　3.1  文丘里管的取舍
　　文丘里管的作用在于，清灰瞬间，诱导袋口上部的空气与清灰压缩空气共同进入滤袋内部，促进二者尽快进行能量交换，达到清灰目的。但文氏管并不是清灰系统的必须部件。

　　文丘里管负作用在于：其一，增加设备阻力。被净化的含尘气体进入滤袋内部，自下而上流向袋口时，先经过文氏管，速度迅速增加，从而增加阻力。我们对长度2000mm滤袋进行测试，该阻力约150Pa。当滤袋更长时，阻力将更大。

　　其二，削弱清灰效果。良好清灰效果的获得，只有在最大的清灰气量在最短的时间内进入滤袋的条件下才能实现。显然，这就要求清灰高压气团的通道尽量通畅，阻力尽可能的小。文氏管的存在，恰恰导致相反的效果，它使气流的通道大大缩小，形成瓶颈，延长了清灰气量进入滤袋的时间，使高压气团变得细长，从而显著削弱了对滤袋袋壁的冲击力，袋内压力波形的峰值被降低、时间被拉长，最大反向加速度显著降低。

　　其三，减少了部分过滤面积。文氏管长度范围内（200mm，有些达400mm）的滤袋得不到有效的清灰，该部份滤袋表面积灰很厚，因而不起过滤作用。

　　低压长袋这类除尘器基本有两种滤袋规格Φ130×6000和Φ160×6000，清灰系统设计也各有不同。但对于清灰系统是否需要配置文氏管，设计时应进行简单的计算，当选用的脉冲阀在设计喷吹压力下，其喷吹气量能满足清灰要求，则不需要配置文氏管（脉冲阀的耗气量是滤袋处理风量的2.5倍以上），反之则需要配置文氏管，使脉冲阀喷吹气量和文氏管引射气量共同满足清灰要求^[2]。

　　大型窑头窑尾低压长袋除尘器一般采用3寸淹没式脉冲阀的喷吹气量已完全能够满足清灰要求，因而不需在设文氏管。

　　3.2  脉冲喷吹管的孔径相同与不同
　　对于喷吹管的孔径，有两种不同的做法：每个孔的直径都相同；各个喷孔的直径不相同。

　　为了确定哪种做法更有利于清灰，进行了试验：滤袋长度3m，以16条为一排。两根直径相同的喷吹管，其中一根上的16喷孔直径完全相同，而另一条则将喷孔分成几组，各组之间孔径不同。分别在三种喷吹压力下进行试验，在滤袋底部设压力传感器，测试袋底压力峰值。在三种喷吹压力下，喷吹气量基本相同。
                  
　　试验结果表明，在喷吹压力0.2MPa时，两种情况的袋底压力相当；而在喷吹压力0.3～0.4MPa条件下同，喷孔直径不同的清灰强度更高。

　　实际使用时，一般以用远离气包的喷吹孔比靠近气包喷吹孔直径小的办法对喷吹孔直径进行0.5～2mm的调整，可使每条滤袋的喷吹气量基本相同，不同位置的滤袋袋底清灰气流压力基本相同。
                  
　　4 结论
　　(1) 脉冲喷吹气流在滤袋内的清灰作用是一次性的，且清灰气流对滤袋的第一次冲击对于清灰来说是决定性的。高压气团在从袋口冲向袋底的过程中，依次将滤袋表面的粉尘清落。

　　(2) 脉冲袋式除尘器滤袋获得的清灰强度，最薄弱的部位不是袋底，袋底的清灰强度稍低于滤袋中部，但却远高于袋口。

　　(3) 低压脉冲降低的是脉冲喷吹系统自身的消耗，由此而降低所需的气源压力，使能耗下降，适应性更强，而清灰强度却反而提高。