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(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院; 四川省非金屬礦粉體改性與高質(zhì)化利用技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng)621000)

近年來，以資源、能源消耗型為主的重化工產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，隨之帶來的大氣環(huán)境問題也越來越引起社會(huì)各界的強(qiáng)烈關(guān)注。其中環(huán)境中的細(xì)顆粒物已成為危害人們健康和生活的重要因素,因此收集環(huán)境中的細(xì)顆粒物具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于細(xì)顆粒物的收集，與袋式除塵器相比，濾筒除塵器具有除塵效率高、阻力小、價(jià)格低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。在相同尺寸的前提下，濾筒除塵器具有更大的過濾面積，所以在除塵領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。濾筒除塵器不僅用于工業(yè)過程中控制細(xì)顆粒物的排放，還用于回收有價(jià)值的顆粒物[4]。

由于褶皺深且密，因此容易將粉塵困于其中，導(dǎo)致濾筒除塵器需要定期清灰。自20世紀(jì)50年代以來，常用的有效清灰方式主要是脈沖清灰[5]，但是在脈沖清灰過程中，在濾筒內(nèi)的氣流不均勻分布容易導(dǎo)致清灰不均勻[6-8]。Qian等[9]利用側(cè)壁壓力峰值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究表明，隨著孔徑比增加，濾筒的側(cè)壁壓力先增大后減小。Li等[2]證明，噴吹壓力增大，濾筒內(nèi)壁的側(cè)壁峰值壓力增加；噴吹距離增加，濾筒內(nèi)壁的側(cè)壁峰值壓力先增大后減小，并且側(cè)壁峰值壓力應(yīng)大于600 Pa才能實(shí)現(xiàn)有效清灰。王沁淘等[10]實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)局部最大側(cè)壁峰值壓力大于5 282 Pa時(shí)，屬于過度清灰，導(dǎo)致高溫濾袋破損。顏翠平等[11]通過實(shí)驗(yàn)證明，脈沖清灰實(shí)驗(yàn)增加誘導(dǎo)噴嘴時(shí)，濾筒側(cè)壁壓力趨于從濾筒上部到濾筒底部逐漸減小。Qian等[12]通過研究噴管到濾筒之間的距離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：任一孔徑下的噴嘴都存在一個(gè)最佳噴吹距離，規(guī)律是隨著孔徑的增大，最佳噴吹距離也增大。袁彩云等[13]通過CFD數(shù)值模擬濾筒的清灰過程，得出在噴吹壓力一定時(shí)，隨著與濾筒口的距離增加，達(dá)到正壓峰值的時(shí)間逐漸增加的結(jié)論。目前，大多數(shù)人使用側(cè)壁的峰值壓力作為濾筒除塵器清灰效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。巨敏等[14]通過實(shí)驗(yàn)利用壓力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試側(cè)壁壓力峰值，同時(shí)用高速攝像儀拍攝動(dòng)態(tài)清灰過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)清灰效果與側(cè)壁壓力峰值測(cè)試結(jié)果一致，因此，提出側(cè)壁壓力峰值可以作為清灰效果的評(píng)估指標(biāo)是合理的。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，濾筒的側(cè)壁峰值壓力可以用作有效清灰的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并且在側(cè)壁峰值壓力為600～3 500 Pa，可以實(shí)現(xiàn)有效清灰。

本文中針對(duì)新型內(nèi)置錐形過濾筒(在普通濾筒的基礎(chǔ)上增加了內(nèi)錐，進(jìn)而增加了過濾面積)在脈沖噴吹清灰過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了脈沖清灰時(shí)，濾筒內(nèi)壁的側(cè)壁壓力峰值變化過程和內(nèi)錐內(nèi)壁的側(cè)壁壓力峰值變化過程，揭示了內(nèi)置錐形濾筒的清灰性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 平臺(tái)

內(nèi)置錐形過濾筒的三視圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用的平臺(tái)如圖2所示，圖3為內(nèi)置錐形過濾筒的剖面圖。

濾筒參數(shù)：外徑為380 mm，內(nèi)徑為250 mm，長(zhǎng)為990 mm，濾筒外褶皺數(shù)為245，褶皺深度為50 mm。

內(nèi)錐參數(shù)：內(nèi)錐的長(zhǎng)度為725 mm，內(nèi)錐的外徑為185 mm，內(nèi)褶皺數(shù)為285；總過濾面積為30.2 m2。

設(shè)備及參數(shù)：WW-0.9/10B-Q型(中國(guó)人民解放軍第4812廠)全無(wú)油潤(rùn)滑空氣壓縮機(jī)，額定壓力為0.7 MPa；DMF-Z-50S型直角型電磁脈沖閥(上海袋式除塵配件有限公司)；SXC-8A1型脈沖控制儀(上海袋式除塵配件有限公司)。 氣包體積為40 m3，壁厚為7.5 mm，最大噴吹壓力為0.75 MPa；噴吹管長(zhǎng)1 410 mm，噴吹管徑為50 mm。

a 主視圖

b 俯視圖

c 仰視圖圖1 內(nèi)置錐形過濾筒的三視圖Fig.1 Three views of filter cartridge with built-in cone

圖2 脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pulse-jet experimental platform

圖3 內(nèi)置圓錐形的濾筒剖面圖Fig.3 Profile of filter cartridge with built-in cone

測(cè)試儀器：6支QSY8115型壓電壓力傳感器(綿陽(yáng)奇石緣科技有限公司)，靈敏度依次為17.7、14.48、15.71、16.64、16.76、16.95 pC/KPa;SY7709型電荷放大器(綿陽(yáng)奇石緣科技有限公司)；USB-8512E型便攜式數(shù)據(jù)采集儀(綿陽(yáng)奇石緣科技有限公司)。

1.2 方法

壓力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量濾筒側(cè)壁的峰值壓力，并且在濾筒內(nèi)壁上設(shè)置3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，即測(cè)量點(diǎn)P1—P3，測(cè)量點(diǎn)距離(從測(cè)量點(diǎn)到濾筒口的距離)分別為150、500、850 mm；內(nèi)錐設(shè)有3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，即測(cè)量點(diǎn)P4—P6，測(cè)點(diǎn)距離分別為150 、350、575 mm，測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

為了得到更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組脈沖實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次以獲得平均值。

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過改變噴吹孔徑、噴吹壓力、噴吹距離，用壓力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試Φ380 mm×990 mm的內(nèi)置錐形過濾筒的側(cè)壁壓力。側(cè)壁壓力峰值作為評(píng)判清灰強(qiáng)度的指標(biāo)，獲得最佳噴吹孔徑、噴吹壓力和噴吹距離，并從中得出內(nèi)置錐形過濾筒的清灰性能。

本實(shí)驗(yàn)中所選用的設(shè)計(jì)方案和操作參數(shù)如下：選取Φ25、Φ30、Φ35 mm的3個(gè)噴吹孔進(jìn)行對(duì)比研究，噴吹壓力分別為0.2、0.3、0.4、0.5 MPa，噴吹距離分別為100、150、200、250、300 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴吹距離與清灰性能的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)采用4種噴吹壓力(0.2、0.3、0.4、0.5 MPa)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。當(dāng)噴吹壓力為0.2、 0.3、 0.4 MPa，噴吹孔徑為25 mm時(shí)，濾筒下部側(cè)壁壓力峰值很小(小于600 Pa)，不能實(shí)現(xiàn)有效的清灰，因此選擇了0.5 MPa壓力下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同一噴吹壓力(0.5 MPa)下的不同噴吹孔徑與最佳噴吹距離的關(guān)系如圖4所示。

a 25 mm

b 30 mm

c 35 mm圖4 不同孔徑下側(cè)壁壓力峰值與不同噴吹距離的關(guān)系Fig.4 Relationship between peak pulse pressure and jet distance of different nozzle diameters

由圖可以看出，對(duì)應(yīng)于噴吹孔徑25、30、35 mm的最佳噴吹距離均是200 mm。

在噴吹孔徑為25 mm的條件下，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值隨著噴吹距離的增大而逐漸增大，但部分點(diǎn)是逐漸減小，總體變化幅度不大，壓力主要分布為600～3 000 Pa。在噴吹孔徑為30 mm的條件下，隨著噴吹距離的增大，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值先減小后增大。部分點(diǎn)是先增大再減小后增大，壓力變化幅度較大，壓力主要分布為1 000～3 500 Pa。在噴吹孔徑為35 mm的條件下，隨著噴吹距離的增加，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值先減小后增大然后減小。部分點(diǎn)是先增大后減小，壓力變化幅度較大，壓力分布主要為1 000～3 000 Pa。從圖4可看出，點(diǎn)P1和P5處的側(cè)壁壓力峰值顯然大于其他點(diǎn)的。這是由于P1點(diǎn)距離濾筒口150 mm，相對(duì)較近，測(cè)點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值是由主導(dǎo)氣流決定的動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為靜壓；P5測(cè)點(diǎn)距離內(nèi)錐頂部350 mm，內(nèi)錐中部褶皺比上部較稀疏，氣流受到的阻力減小，而且濾筒內(nèi)錐沒有外部固定濾料的金屬網(wǎng)，濾筒內(nèi)錐上、中部測(cè)點(diǎn)受到的阻力小于外面濾料中部的阻力，所以P5測(cè)點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值較大。 P2、 P3和P6測(cè)點(diǎn)分別位于距離濾筒口500、 850 mm以及內(nèi)錐距頂部575 mm處，相對(duì)較遠(yuǎn)，主導(dǎo)氣流在濾筒中因?yàn)V料的透氣性而逐漸損失，隨著主導(dǎo)氣流經(jīng)過的距離越大，主導(dǎo)氣流損失的越多，所以P2、 P3、 P6測(cè)點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值較小。P4測(cè)點(diǎn)分別位于內(nèi)錐距頂部150 mm處，P4測(cè)點(diǎn)處褶皺很密，氣流受到的阻力較大，所以側(cè)壁峰值壓力較小。

2.2 噴吹孔徑與清灰性能的關(guān)系

圖5為最佳噴吹距離下，不同噴吹孔徑與側(cè)壁壓力峰值的關(guān)系圖。

圖5 最佳噴吹距離下噴吹孔徑-側(cè)壁壓力峰值圖Fig.5 Relationship between peak pulse pressure and different nozzle diameters at optimal jet distance

由圖5可知，在最佳噴吹距離(200 mm)的條件下，當(dāng)噴吹壓力為0.5 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)于35 mm的孔徑的P1測(cè)點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值小于25 、30 mm噴吹孔徑下的側(cè)壁壓力峰值。P5測(cè)點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值大于25 mm，并且側(cè)壁壓力峰值小于30 mm的。點(diǎn)P4處的側(cè)壁壓力峰值小于30 mm處的側(cè)壁壓力峰值，并且與25 mm的一致,但是P2、P3、P6均大于25、30 mm噴吹孔徑下的側(cè)壁壓力峰值，同時(shí)通過對(duì)側(cè)壁壓力峰值的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算。

表1為噴吹距離為200 mm、 噴吹壓力為0.5 MPa時(shí)，不同噴吹孔徑下的側(cè)壁壓力峰值標(biāo)準(zhǔn)方差。

表1 不同噴吹孔徑下的側(cè)壁壓力峰值標(biāo)準(zhǔn)差

由表可以看出，35 mm噴吹孔處的側(cè)壁壓力峰值標(biāo)準(zhǔn)差最小，即當(dāng)噴吹孔徑為35 mm時(shí)，側(cè)壁壓力峰值最均勻，因此，確定35 mm為最佳噴吹孔徑。

2.3 沿內(nèi)置錐形過濾筒濾芯長(zhǎng)度的側(cè)壁壓力分布

在噴吹壓力0.5 MPa、噴吹孔徑為35 mm、噴吹距離為200 mm的條件下，測(cè)得的側(cè)壁壓力峰值隨濾筒長(zhǎng)度變化曲線見圖6。

圖6 內(nèi)置錐形過濾筒各測(cè)點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值分布Fig.6 Distribution of peak pulse pressure on built-in cone pleated cartridge filter

由圖可看出，濾筒內(nèi)壁P1—P3，沿長(zhǎng)度增加，側(cè)壁壓力峰值呈下降趨勢(shì)。與濾筒內(nèi)錐P4—P6沿長(zhǎng)度增加，側(cè)壁壓力峰值先增大后減小。由于內(nèi)錐頂部呈圓錐形的柱體，是金屬材料，不能透過氣流(稱為金錐體)，主導(dǎo)氣流和誘導(dǎo)氣流向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)遇到金錐體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定的回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致成P1測(cè)量點(diǎn)側(cè)壁的壓力峰值最大。一方面，內(nèi)錐形過濾材料增加了過濾面積并且能夠轉(zhuǎn)移一部分作用在濾筒底部的氣流，有效緩解常規(guī)濾筒底部氣流量過大造成的清灰不均勻的問題；另一方面，在同樣的過濾風(fēng)量下，增加過濾面積會(huì)降低過濾速度，從而減小過濾阻力。沿著濾筒外部長(zhǎng)度方向，側(cè)壁壓力峰值逐漸減小是由外部濾料的透氣性、過濾阻力以及內(nèi)錐的分流作用造成。沿內(nèi)錐長(zhǎng)度方向上，側(cè)壁壓力峰值先增大后減小，主要?dú)w因于濾料的阻力、透氣性，以及褶皺密集程度，上部褶皺較密，過濾阻力大，中部褶皺較稀疏，過濾阻力較小，下部主要由于氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成靜能，所以造成先增大后減小的趨勢(shì)。

Li等[2]比較相同尺寸(Φ320 mm×660 mm)的常規(guī)濾筒、含三角錐形實(shí)體材料的濾筒、內(nèi)含圓柱錐形實(shí)體材料的濾筒，通過脈沖噴吹清灰實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論，圓柱錐形材料能增加濾筒的側(cè)壁壓力峰值，中部測(cè)量點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值增加最多。隨著噴吹距離的增加，上、中、下測(cè)量點(diǎn)的側(cè)壁壓力峰值先增大后減小?？讖?～27 mm，最佳噴吹距離都是250 mm。這與錐形濾筒實(shí)驗(yàn)的結(jié)論不同，孔徑為25～35 mm，最佳噴吹距離為200 mm。由于該實(shí)驗(yàn)所用的濾筒內(nèi)錐是具有過濾性質(zhì)的材料，因此濾筒外部測(cè)點(diǎn)P1—P3之間，P1的側(cè)壁壓力峰值均大于P2、P3。因?yàn)闉V筒底部沒有密封，當(dāng)壓縮氣流向底部移動(dòng)時(shí)，它不會(huì)從底部反彈，對(duì)濾筒產(chǎn)生正壓，所以濾筒外部P3測(cè)點(diǎn)的壓力峰值較小。

3 結(jié)論

1)對(duì)于內(nèi)置錐形濾筒，最佳噴吹壓力為0.5 MPa，噴吹孔徑25、30、35 mm對(duì)應(yīng)的最佳噴吹距離均為200 mm。對(duì)于脈沖清灰參數(shù)的選取，不僅要考慮側(cè)壁壓力峰值的大小，還要考慮側(cè)壁壓力峰值的均勻性，綜合選取35 mm為最佳噴吹孔徑尺寸。

2)內(nèi)置錐形濾筒，濾筒內(nèi)壁沿長(zhǎng)度方向呈現(xiàn)側(cè)壁壓力峰值下降趨勢(shì)，側(cè)壁壓力峰值在距離濾筒口150 mm處達(dá)到最大；而濾筒內(nèi)錐沿長(zhǎng)度方向呈現(xiàn)側(cè)壁壓力峰值先增大、后減小的趨勢(shì)，側(cè)壁壓力峰值在距離頂部350 mm處達(dá)到最大。