牛兵兵，樊越勝，王 歡，田國記，張 鑫，武書恒，劉 婷

（西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710555）

0 引言

袋式除塵器的商業(yè)化，可追溯到1881年，我國于20世紀(jì)50年代開始引進(jìn)袋式除塵器。近年來，隨著其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的提高、濾布材質(zhì)的加強(qiáng)、自動(dòng)化控制的普及以及制造工藝的更加完善，袋式除塵器在除塵市場越來越受青睞［1］，較于其它類型除塵器，袋式除塵器除塵效率極高，可達(dá)99.9%［2］。

但是袋式除塵器的清灰方式及效果是影響布袋穩(wěn)定工作的一個(gè)重要因素，目前的清灰方式主要有：氣流清灰（脈沖噴吹清灰、反吹風(fēng)清灰和反吸風(fēng)清灰等），聲波清灰，多種清灰方式組合［3］。1957年，REINAUER發(fā)明了脈沖噴吹清灰袋式除塵器，使除塵、清灰的操作可以連續(xù)進(jìn)行，20世紀(jì)70年代以后脈沖噴吹清灰袋式除塵器的應(yīng)用向大型化發(fā)展［4］。DOS等［5］用 CFD 對袋式除塵器脈沖噴吹清灰系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，研究了高壓和低壓系統(tǒng)下的清灰流場。CIRQUEIRA等［6］通過試驗(yàn)方法研究顆粒沉積對除塵器過濾性能的影響，結(jié)果表明，采用脈沖射流清灰時(shí)，過濾器具有良好的運(yùn)行性能。唐建峰等［7］通過試驗(yàn)給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣體引射器性能的影響規(guī)律。LI等［8］通過優(yōu)化噴嘴的直徑，李海霞等［9］通過添加分流器，均降低了脈沖噴吹的不均勻性問題。SHIM等［10］對比了不同的噴嘴在除塵器中的除塵性能，指出雙狹縫噴嘴較傳統(tǒng)的圓孔狀噴嘴可顯著提高清灰效率，且在較高的過濾速度下仍能保持穩(wěn)定的過濾性能。HONG等［11］設(shè)計(jì)了新形狀的文丘里管，并將其應(yīng)用到袋式除塵器清灰系統(tǒng)中，CFD模擬和試驗(yàn)均驗(yàn)證了此舉能大大提高清灰效率。雖然脈沖噴吹清灰是最常用的清灰方式，但存在清灰不均勻現(xiàn)象，常出現(xiàn)袋口清灰過度和袋底清灰不利問題［12］。

經(jīng)課題組前期對有限空間環(huán)形射流流場特性的研究表明：環(huán)形射流卷吸能力強(qiáng)，在有限空間環(huán)形射流流線分布均勻?qū)ΨQ，流線幾乎呈直線，氣體射流衰減得更慢［13］。環(huán)形射流具有良好的流動(dòng)特性，將環(huán)形射流應(yīng)用到袋式除塵器中，可有效改善清灰不均勻的問題。因此，本文通過CFD數(shù)值模擬，對比分析環(huán)形脈沖噴吹與圓形脈沖噴吹在袋式除塵清灰系統(tǒng)中的效果，探究前者的應(yīng)用價(jià)值，為袋式除塵器清灰系統(tǒng)的改進(jìn)提供參考。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 物理模型

模擬所用的物理模型如圖1所示。圖1（a）為單條濾袋噴吹清灰的幾何模型，圖1（b）為環(huán)形噴嘴結(jié)構(gòu)示意。環(huán)形噴吹與圓形噴吹在噴嘴處不同，其它部分結(jié)構(gòu)均相同。使用PPS針刺氈（面滲透率7.7×10-11m2）材質(zhì)的濾袋。脈沖清灰時(shí)，高壓氣體由噴嘴中高速噴出，同時(shí)誘導(dǎo)上箱體中的氣體在短時(shí)間內(nèi)一起進(jìn)入濾袋［14］。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

1.2 模型設(shè)置及驗(yàn)證

CFD計(jì)算時(shí)，將高壓脈沖清灰過程簡化為可壓縮、軸對稱、二維湍流模型［15］。以側(cè)壁面壓力峰值為清灰效果的評判標(biāo)準(zhǔn)，噴嘴處選用壓力入口邊界條件，濾袋設(shè)為多孔跳躍介質(zhì)邊界條件（porous-jump），下箱體選用壓力出口邊界條件，花板為無滑移壁面，湍流模型采用Realizable k-e模型［16］。

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，根據(jù)張彥婷等［17］的試驗(yàn)條件進(jìn)行模擬，并與其試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，如圖2所示。從圖可看出，濾袋側(cè)壁面壓力峰值沿濾袋長度方向呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，由于氣流觸及袋底后產(chǎn)生返流現(xiàn)象，壓力峰值少許增加［17］。距袋口0.439 m處壓力峰值最大，試驗(yàn)值為9.928 kPa，模擬值為10.543 kPa，誤差為6.2%；距袋口6.393 m處壓力峰值最小，試驗(yàn)值為2.061 kPa，模擬值為2.033 kPa，誤差為1.4%；所有點(diǎn)中誤差最大的為10.3%（距袋口7.929 m），誤差最小的為0.4%（距袋口3.327 m）。模擬值與試驗(yàn)值吻合程度良好，可以證明所用計(jì)算模型，邊界條件等設(shè)置合理。

圖2 濾袋側(cè)壁壓力峰值模擬值與試驗(yàn)值對比Fig.2 Comparison of simulated value and experimental value of filter bag side wall pressure peak

2 環(huán)形與圓形脈沖噴吹對比

為比較相同噴吹流量下，環(huán)形噴吹與圓形噴吹在袋式除塵清灰系統(tǒng)中的效果，用前文驗(yàn)證過的計(jì)算模型對以下工況進(jìn)行對比模擬分析。

環(huán)形噴吹噴嘴：D=80 mm，e=4.1 mm，b=20 mm，配有傾角α=5°，長度l=80 mm的導(dǎo)流筒。圓形噴吹噴嘴直徑26 mm。濾袋仍為PPS針刺氈材料，直徑160 mm，長5 m，不再設(shè)置保護(hù)套等部件。噴吹壓力P=200 kPa，噴吹距離均200 mm，脈沖寬度為100 ms。

2.1 噴吹過程分析

脈沖噴吹過程是非穩(wěn)態(tài)的，射流流動(dòng)過程中，流場的壓力、速度都不斷變化。在濾袋側(cè)壁等距地取監(jiān)測點(diǎn)，距袋口位置分別為 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5 m。脈沖時(shí)間為 50，100 ms 2個(gè)時(shí)刻，2種噴吹形式的靜壓云圖如圖3所示。

圖3 50與100 ms時(shí)刻靜壓云圖Fig.3 Static pressure nephogram at 50 ms and 100 ms

由圖3可以看出，由于環(huán)形噴吹是以中間鏤空的氣流向前運(yùn)動(dòng)，較于圓形噴吹，氣流能更容易、更快地作用到濾袋底部，因此前者濾袋各點(diǎn)壓力能更早地到達(dá)峰值。引射系數(shù)為被引射流體與工作流體質(zhì)量流量之比，其大小對濾筒除塵器清灰等有限空間射流的效果有很大影響［13］。在此模擬中，環(huán)形噴吹的引射系數(shù)為1.106，圓形噴吹為0.861，前者較后者提升了28.5%。這是因?yàn)榄h(huán)形噴吹的低壓區(qū)位于噴嘴中間，圓形噴吹低壓區(qū)位于濾袋口部，因此前者更易卷吸周圍氣流，有更大的引射作用。

2.2 清灰效果分析

以濾袋的側(cè)壁壓力峰值為清灰效果的評價(jià)指標(biāo)［19］，各測點(diǎn)壓力峰值的標(biāo)準(zhǔn)差、峰值極值之比（最大值與最小值之比）為其清灰均勻性的評價(jià)指標(biāo)［20-21］。取0～100 ms噴吹過程中各測點(diǎn)的壓力峰值，并比較其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如圖4所示。

圖4 濾袋各測點(diǎn)壓力峰值Fig.4 Pressure peak value at each measuring point of filter bag

由圖4可看出，對于2種不同的清灰方式，沿濾袋長度方向，側(cè)壁壓力峰值均呈現(xiàn)出先下降后稍微上升的趨勢，均在距袋口3.5 m處壓力峰值最小。在監(jiān)測的9個(gè)測點(diǎn)中，前兩個(gè)測點(diǎn)的壓力峰值環(huán)形小于圓形，后7個(gè)測點(diǎn)環(huán)形大于圓形，說明從整體來看，環(huán)形的清灰效果是優(yōu)于圓形的。

環(huán)形噴吹側(cè)壁壓力峰值標(biāo)準(zhǔn)差為3.129，圓形為4.791，說明前者整體不均勻性較后者降低34.7%；前者壓力峰值極值之比為3.169，后者為5.440，說明前者極值不均勻性較后者降低41.7%。以上分析說明環(huán)形噴吹方式的清灰均勻性優(yōu)于圓形噴吹，前者能夠減輕噴吹氣流對濾袋口部分的作用，增強(qiáng)對濾袋中下部的作用。

3 不同工況和不同設(shè)計(jì)條件下清灰效果分析

分別改變噴吹壓力、濾袋長度、噴吹距離來再次對比環(huán)形與圓形噴吹的清灰效果。保持其余條件與前文第2部分相同，僅改變噴吹壓力：使用180，200，230，250，300 kPa的噴吹壓力分別進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖5（a）所示；僅改變?yōu)V袋長度：對5，6，8，9，10 m 的濾袋分別進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖 5（b）所示；僅改變噴吹距離：對噴吹距離為150，180，200，230，250 mm的模型分別進(jìn)行模擬，結(jié)果圖5（c）所示。3種變工況下2種噴吹方式的引射系數(shù)，壓力峰值標(biāo)準(zhǔn)差、極值之比見表1。

圖5 不同工況下濾袋側(cè)壁壓力峰值對比Fig.5 Comparison of pressure peak value of filter bag side wall under different working conditions

3.1 清灰效果對比

由圖5可以看出，無論是改變噴吹壓力，濾袋長度，還是改變噴吹距離，2種噴吹清灰方式側(cè)壁壓力峰值沿長度方向都呈現(xiàn)出先降低再稍微上升的趨勢，在距袋底1.5 m處出現(xiàn)最小值。

由圖5（a）可知，隨著噴吹壓力的增大，濾袋側(cè)壁各測點(diǎn)的壓力值也隨之增大。當(dāng)噴吹壓力從180 kPa增加到300 kPa時(shí)，環(huán)形噴吹側(cè)壁壓力平均值從6.779 kPa增加到11.135 kPa；圓形噴吹側(cè)壁壓力平均值從6.753 kPa增加到11.047 kPa。因此，對于2種不同的噴吹方式，提高噴吹壓力均有利于改善濾袋的清灰效果。由圖5（b）可知，2種噴吹形式下，對于壓力峰值曲線遞減的部分，曲線基本處于重合狀態(tài)，說明濾袋長度的增加對濾袋這部分壓力峰值基本不影響。對于壓力峰值曲線尾部遞增的部分，隨著濾袋的增長，壓力峰值曲線的尾部上升趨勢減小，這是因?yàn)橛蓺饬鞣盗髟斐纱讐毫Ψ逯瞪仙男Ч麑p弱。由圖5（c）可知，2種噴吹形式下，噴吹距離對濾袋側(cè)壁壓力峰值均基本無影響。

可以看出，在所有濾袋（5 m）側(cè)壁的9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中，均為前兩個(gè)測點(diǎn)的壓力峰值環(huán)形小于圓形，后7個(gè)測點(diǎn)環(huán)形大于圓形。其余長度的濾袋，除前兩個(gè)點(diǎn)外，其它點(diǎn)均環(huán)形壓力峰值大于圓形。說明從整體來看，環(huán)形的清灰效果是優(yōu)于圓形的，前者能使單條濾袋（大于5 m）80%以上長度的清灰效果得到提升。

3.2 引射系數(shù)對比

由表1可以看出，不同條件下環(huán)形的引射系數(shù)均大于圓形，前者較后者提高了27.7%～41.0%，說明前者的引射優(yōu)于后者，可以實(shí)現(xiàn)以更小的噴吹空氣量達(dá)到相同的清灰效果。

表1 不同條件下3種評價(jià)參數(shù)對比Tab.1 Comparison of three evaluation parameters under different conditions

3.3 壓力峰值均勻性對比

由表1可以看出，不同條件下環(huán)形的壓力峰值標(biāo)準(zhǔn)差、極值之比均小于圓形，前者較后者整體不均勻性降低了29.9%～35.9%，極值不均勻性降低了13.86%～36.95%，說明環(huán)形噴吹的均勻性優(yōu)于同等條件下的圓形噴吹。

4 結(jié)論

（1）環(huán)形和圓形2種噴吹方式下，均有以下相同規(guī)律：沿濾袋長度方向，側(cè)壁壓力峰值均呈現(xiàn)先下降再少許上升的趨勢；在一定范圍內(nèi)，提高噴吹壓力均有利于改善濾袋的清灰效果；單純增加濾袋長度，僅會(huì)改變噴吹氣流對濾袋底部的作用，對濾袋前端及中部幾乎無影響；噴吹距離對濾袋清灰效果的影響很小。

（2）相同條件下，環(huán)形噴吹的整體清灰效果優(yōu)于圓形噴吹，前者能使單條濾袋（大于5m）80%以上長度的清灰效果得到提升，且濾袋越長得到提升的濾袋長度占比越大。

（3）相同條件下，環(huán)形噴吹的引射能力優(yōu)于圓形噴吹，引射系數(shù)比后者提升27.7%～41.0%。

（4）環(huán)形噴吹清灰方式濾袋側(cè)壁壓力峰值有更好的均勻性，較于后者，前者整體不均勻性可降低29.9%～35.9%，極值不均勻性可降低13.9%～37.0%。

（5）較于圓形噴吹，環(huán)形噴吹方式有更好的清灰效果，需要更少的噴吹氣體流量，有更好的清灰均勻性，對于袋式除塵器清灰中常出現(xiàn)的袋口清灰過度和袋底清灰不利問題，環(huán)形噴吹方式有很好的改善作用。