鄧 寧，張明星，王云端，薛 峰，陳海焱

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

焊接、機(jī)械加工、散裝加工、噴砂和噴丸處理等工業(yè)生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量粉塵，粉塵會引起爆炸事故，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[1-2]。粒徑小于2.5 μm的粉塵顆粒會隨著呼吸進(jìn)入血液，嚴(yán)重危害人體健康，甚至?xí)旧蠅m肺病[3]，但是部分粉塵也具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價值，可以回收利用，因此從含塵氣流中收集高純度粉體對于行業(yè)也具有重大意義。濾筒除塵器具有過濾面積大、過濾效率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵中。除塵器長時間的運(yùn)行過程常伴隨多次重復(fù)清灰拆除和洗滌等工藝步驟，濾筒的纖維層會受到破壞，粗糙起毛，甚至脫落。導(dǎo)致除塵器收集的粉體純度變低，還會在過濾過程中出現(xiàn)粉塵顆粒穿透濾料逃逸，導(dǎo)致排放濃度超過規(guī)定值的現(xiàn)象[4]。柔性濾料使用壽命有限，在長期使用下易變形破損[5-6]。清灰效果也是衡量除塵器能否投入工業(yè)應(yīng)用的重要因素。評價除塵器清灰效果的主要參數(shù)是除塵器的清灰效率、粉塵排放濃度、除塵器的壓力損失等，這些參數(shù)與濾料材質(zhì)、粉塵濃度、過濾風(fēng)速等工況參數(shù)密切相關(guān)。如今最常見的清灰方式為脈沖噴吹清灰[7-9]。影響脈沖噴吹效果的主要有過濾風(fēng)速[10]、氣固濃度、粉塵性質(zhì)等眾多工業(yè)參數(shù)。Li等[11]通過研究氣固濃度、過濾風(fēng)速對除塵器清灰性能的影響，得出結(jié)論：隨著氣固濃度、過濾風(fēng)速的逐漸增大，除塵器運(yùn)行阻力也隨之增大，當(dāng)過濾風(fēng)速足夠大時，氣固濃度對于除塵器運(yùn)行阻力的影響可忽略不計，此時起主要作用的為過濾風(fēng)速。Jeon等[12]認(rèn)為，過濾風(fēng)速過大會使除塵器內(nèi)部氣流流速加快使得濾筒的吸附力變強(qiáng)，因此會使濾筒上附著的粉塵更加密實。李萌萌[13]通過計算流體動力學(xué) (computational fluid dynamics,CFD)模擬對濾袋除塵器過濾風(fēng)速進(jìn)行研究，指出在較大過濾風(fēng)速條件下，隨著過濾風(fēng)速的增大濾袋除塵器上部數(shù)值達(dá)到設(shè)計值的6倍以上。王鑫等[14]也通過數(shù)值模擬將過濾風(fēng)速對除塵器內(nèi)流場和壓力的變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果表明，過濾風(fēng)速越大除塵器內(nèi)部壓力變化越大。聚乙烯濾料作為剛性濾料，其結(jié)構(gòu)在脈沖噴吹清灰過程中幾乎不發(fā)生形變，主要靠反吹氣流來清灰。關(guān)于脈沖噴吹聚乙烯濾料除塵器的清灰效果，鮮有為工業(yè)生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)的研究。本實驗中模擬工業(yè)實驗環(huán)境，針對聚乙烯濾料除塵器的清灰性能進(jìn)行工業(yè)覆粉實驗，研究過濾風(fēng)速、噴吹壓力對脈沖噴吹聚乙烯濾料除塵器清灰效果的影響，為工業(yè)收集粉體提供科學(xué)理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 實驗

1.1 裝置

圖1所示為可容納7個聚乙烯濾料的工業(yè)覆粉實驗平臺。平臺主要由進(jìn)料設(shè)備、脈沖噴吹設(shè)備、數(shù)據(jù)收集設(shè)備3個部分組成。進(jìn)料設(shè)備包括GVZ系列可變頻振動加料機(jī)(杭州川恒實驗儀器有限公司)和下料漏斗；脈沖噴吹設(shè)備包括XFC-4000型旋渦氣泵(昆山元欣泵機(jī)械有限公司)、XKZ型變頻器(杭州眾傳數(shù)字設(shè)備有限公司)、3個DMF-Z-20型直角形電磁脈沖閥(協(xié)昌環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?、SL30-F629型脈沖控制儀(河北佰清環(huán)?？萍加邢薰?、7支孔徑為6 mm的噴吹管；數(shù)據(jù)收集設(shè)備包括U型管壓力計、SwemaAir50風(fēng)速儀(瑞典Swema公司)、TSI牌型號為8533EP的粉塵濃度排放檢測儀器(美國TSI公司)。

1—沖控制儀；2—脈沖閥；3—減壓閥；4—壓縮氣源；5—U型壓力計；6—聚乙烯濾料；7—引風(fēng)機(jī)；8—灰斗。圖1 實驗設(shè)備平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment platform

1.2 方法

選用可容納7支過濾孔徑為0.1 μm、孔隙率為70%、直徑×高度為65 mm×500 mm的聚乙烯管除塵器對粉煤灰粉體進(jìn)行收集。通過改變不同的脈沖噴吹間隔、過濾風(fēng)速、噴吹壓力，對影響聚乙烯濾料除塵器的因素進(jìn)行分析。實驗開始前，先將除塵器封閉安裝，調(diào)整脈沖控制儀到設(shè)計值，將需要加入的原料平均分為6組，每10 min加1組，以保證加料的均勻性。開啟風(fēng)機(jī)與脈沖控制儀，同時開始加料并將粉塵濃度儀放在風(fēng)機(jī)出口位置監(jiān)測粉塵排放濃度，U型壓力計記錄除塵器運(yùn)行阻力。實驗過程中每5 min記錄1次除塵器阻力，30 s記錄1次排放粉塵濃度，實驗采用在線清灰方式。其中實驗設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 實驗設(shè)計參數(shù)Tab.1 Experimental design parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 過濾風(fēng)速與清灰效果的關(guān)系

2.1.1 過濾風(fēng)速與除塵器運(yùn)行阻力的關(guān)系

圖2所示為不同過濾風(fēng)速除塵器運(yùn)行阻力與運(yùn)行時間關(guān)系。由圖可知，隨著過濾風(fēng)速的增大，除塵器阻力穩(wěn)定時間逐漸變長，初始阻力和阻力增加量也都相應(yīng)增大。原因是隨著過濾風(fēng)速的變大，過濾氣流經(jīng)過濾料時產(chǎn)生的壓力更大，導(dǎo)致濾料兩邊的壓差過大，除塵器的初始阻力也會變大。隨著濾料兩端壓力的變大，濾料對粉塵的吸附力也變得更大，會使更多的粉塵吸附在濾料上，脈沖噴吹將粉塵剝離濾料后又會快速吸附到濾料表面，需要慢慢達(dá)到剝離與吸附的平衡，因此除塵器穩(wěn)定時間逐漸變長。同時，脈沖噴吹氣流逐漸會很難將濾料上的粉塵剝離下來，導(dǎo)致附著在濾料上的粉塵量變多，粉餅層變厚，從而除塵器的阻力增量也變大。

如圖2(a)所示，對于粒徑d50為17 μm的粉塵顆粒，當(dāng)過濾風(fēng)速為2.8～3.8 m·min-1時，除塵器阻力均是先增大最后趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定時的阻力分別為9.34、9.4、9.49、9.75、10.08、10.42 kPa。當(dāng)過濾風(fēng)速增大到4.0 m·min-1時，運(yùn)行阻力迅速增大，運(yùn)行60 min阻力依舊保持上升狀態(tài)，脈沖噴吹此時幾乎不起作用。原因是過濾風(fēng)速太大，濾料的吸附能力極強(qiáng)，越來越多的粉塵被吸附在濾料上，脈沖噴吹剝離的粉塵量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸附量，粉塵層逐漸變厚，清灰失效，因此，對于粒徑d50為17 μm的粉塵顆粒，過濾風(fēng)速低于4.0 m·min-1時均能保持正常穩(wěn)定工作，在工業(yè)使用中，過濾風(fēng)速不宜超過3.8 m·min-1。

如圖2(b)所示，對粒徑d50為5 μm的粉塵顆粒的收集數(shù)據(jù)表明，當(dāng)過濾風(fēng)速范圍為2.6～3.6 m·min-1時，除塵器阻力也是先增大，然后快速趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時的阻力分別為8.96、9.4、9.48、9.58、9.84、10.19 kPa。過濾風(fēng)速增加到3.8 m·min-1時，運(yùn)行60 min，除塵器運(yùn)行阻力無法穩(wěn)定，此時濾料吸附力很強(qiáng)，脈沖噴吹不起作用，清灰失效。與d50為17 μm的較粗粉塵顆粒收集數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，d50為5 μm的粉塵更不利于收集，過濾風(fēng)速為2.8～3.6 m·min-1時，d50為5 μm的粉塵顆粒較17 μm的粗顆粒粉塵的運(yùn)行阻力分別增加了90、80、90、90、90 Pa。原因是d50為5 μm的粉塵顆粒較小，黏附性更強(qiáng)，更容易被吸附到濾料上，在濾料表面形成的粉塵層更為致密，因此，在過濾風(fēng)速為3.8 m·min-1的條件下，阻力無法穩(wěn)定，見圖2(d)。綜合分析可得出，聚乙烯濾料除塵器收集d50為5 μm粉塵顆粒時的過濾風(fēng)速不能大于3.8 m·min-1。

圖3所示為阻力增量與過濾風(fēng)速的關(guān)系。由圖可以看出，d50為17 μm的粉塵在收集過程中，過濾風(fēng)速與運(yùn)行阻力增量的函數(shù)關(guān)系式為y=49.206x2-82.401x+1.01，相關(guān)系數(shù)為R2=0.914 9，能較好地貼近實際數(shù)據(jù)；d50為5μm的粉塵在收集過程中，其過濾風(fēng)速與運(yùn)行阻力增量的函數(shù)關(guān)系式為y=40.711 9x2-24.878x+1.02，相關(guān)系數(shù)為R2=0.914 9，也能較好貼近實際數(shù)據(jù)。

圖3 阻力增量與過濾風(fēng)速關(guān)系圖Fig.3 Relationship between resistance pressure drop and filteration velocity

2.1.2 過濾風(fēng)速與粉塵排放質(zhì)量濃度的關(guān)系

表2所示為不同過濾風(fēng)速條件下粉塵排放質(zhì)量濃度表。由表可知，粉塵出口排放質(zhì)量濃度隨過濾風(fēng)速的增加而增加。其主要原因在于一是過濾風(fēng)速的提高導(dǎo)致濾料壓差變大，濾料壓差即濾料迎塵面與凈塵面的壓力差，濾料壓差越大，越會將粉塵從迎塵面壓向凈氣面，從而導(dǎo)致粉塵排放質(zhì)量濃度變高；二是過濾風(fēng)速的提高導(dǎo)致顆粒動能變大，濾料和濾料表面的粉餅層截留粉塵的能力降低，粉塵更容易穿透濾料進(jìn)入凈氣面，從而導(dǎo)致粉塵排放質(zhì)量濃度變高，但由于聚乙烯濾料的高過濾精度和厚結(jié)構(gòu)壁，即使提高過濾風(fēng)速，粉塵排放質(zhì)量濃度也依舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1 mg·m-3,能夠?qū)崿F(xiàn)超低排放。對于d50為17 μm的較粗顆粒，當(dāng)過濾風(fēng)速為2.2 m·min-1時，粉塵排放質(zhì)量濃度為0.075 mg·m-3,當(dāng)過濾風(fēng)速為3.8 m·min-1時，粉塵排放質(zhì)量濃度為0.532 mg·m-3。相較于粒徑d50為17 μm粉塵顆粒，d50為5 μm的由于顆粒較小，流動性更強(qiáng)，穿透濾料的顆粒更多提高過濾風(fēng)速實現(xiàn)超低排放的同時，粉塵排放質(zhì)量濃度略高。

表2 不同過濾風(fēng)速下粉塵的排放質(zhì)量濃度Tab.2 Dust emission concentration under different filteration velocity

圖4所示為粉塵排放質(zhì)量濃度與過濾風(fēng)速的關(guān)系。由圖可見，d50為17 μm的粉塵在收集過程中，其粉塵排放質(zhì)量濃度與過濾風(fēng)速的關(guān)系為y=0.177 2x2-0.807 8x+1.01，相關(guān)系數(shù)為R2=0.974 5，能較好貼近實際數(shù)據(jù)；d50為5 μm的粉塵在收集過程中，其粉塵排放質(zhì)量濃度與過濾風(fēng)速的關(guān)系為y=0.175 2x2-0.810 9x+1.059，相關(guān)系數(shù)為R2=0.961 8，能較好貼近實際數(shù)據(jù)。

圖4 粉塵排放質(zhì)量濃度與過濾風(fēng)速關(guān)系Fig.4 Relationship between dust emission concentration and filteration velocity

2.2 噴吹壓力與清灰性能的關(guān)系

噴吹壓力是指脈沖噴吹時的壓縮氣體壓力。脈沖噴吹壓力越大，到達(dá)每個脈沖閥的氣體流量和氣體壓力越大，從而到達(dá)各個噴吹管的氣體流量和氣體壓力越大，最終導(dǎo)致濾料側(cè)壁壓力變大[15]。學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，噴吹壓力越大，側(cè)壁壓力峰值越大，清灰效果越好[16-17]。

2.2.1 噴吹壓力與運(yùn)行阻力的關(guān)系

表3為收集d50為17 μm的粉塵時，不同過濾風(fēng)速下噴吹壓力與除塵器運(yùn)行阻力的關(guān)系。由表可知，過濾風(fēng)速為3.0 m·min-1時，除塵器阻力增量隨著噴吹壓力的增大而減小。其他過濾風(fēng)速情況下，噴吹壓力與除塵器阻力增量的關(guān)系與之相同。原因是脈沖噴吹壓力的增大使得大量壓縮空氣進(jìn)入濾料內(nèi)部，同時噴嘴處的壓力增大導(dǎo)致壓縮空氣進(jìn)入濾料的速度變快，從而誘導(dǎo)一部分氣流進(jìn)入濾料內(nèi)部，濾料內(nèi)部反吹氣流的作用力更大，從而導(dǎo)致濾料表面的粉塵層大量掉落，故除塵器阻力增量顯著減小。由前面分析可知，過濾風(fēng)速為4.0 m·min-1時，運(yùn)行阻力持續(xù)增大，無法穩(wěn)定，因此增大噴吹壓力到0.5 MPa,繼續(xù)進(jìn)行實驗。

表3 不同噴吹壓力條件下數(shù)據(jù)變化表Tab.3 Data change table under different injection pressure conditions

圖5所示為脈沖間隔對聚乙烯濾料除塵器運(yùn)行力影響。如圖5(c)所示，當(dāng)噴吹壓力為0.5 MPa時，聚乙烯濾料除塵器的運(yùn)行阻力在40 min之后穩(wěn)定在11.72 kPa左右，可以實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，因此，噴吹壓力可有效降低聚乙烯濾料除塵器的系統(tǒng)運(yùn)行阻力，改善其清灰性能。

2.2.2 噴吹壓力粉塵排放質(zhì)量濃度的關(guān)系

在脈沖噴吹過程中，脈沖氣流會使附著在濾料壁上的灰塵瞬間擴(kuò)散，形成局部粉層云。其中較大的粉塵顆粒或團(tuán)塊由于重力作用迅速落入灰斗，一部分懸浮的細(xì)小顆粒會重新附著在濾料表面，形成新的粉塵層，剩下部分會隨著噴吹氣流通過濾料結(jié)構(gòu)之間的空隙溢出。噴吹氣體壓力的增大使得粉層云持續(xù)時間更長，導(dǎo)致更多粉塵顆粒穿過濾料結(jié)構(gòu)空隙，故而粉塵排放質(zhì)量濃度變高；但是聚乙烯濾料表面結(jié)構(gòu)致密，過濾精度高，濾料結(jié)構(gòu)壁厚，微細(xì)粉塵不易穿過濾料，故粉塵排放質(zhì)量濃度依舊較低。如表3所示，過濾風(fēng)速為3.0 m·min-1時，噴吹壓力從0.15 MPa增大到0.4 MPa，粉塵排放質(zhì)量濃度分別0.139、0.141、0.122、0.161 mg·m-3，處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。同樣，過濾風(fēng)速為3.4～3.8 m·min-1時，改變噴吹壓力對粉塵排放質(zhì)量濃度也并沒有明顯的影響，因此，在聚乙烯濾料除塵器可以穩(wěn)定運(yùn)行工作時，噴吹壓力對粉塵排放質(zhì)量濃度影響較小。

2.3 脈沖間隔與聚乙烯濾料除塵器運(yùn)行阻力的關(guān)系

脈沖間隔是指脈沖噴吹的時間頻率，脈沖間隔的長短與除塵器的耗氣量和脈沖閥的磨損程度有著密切的關(guān)系。如圖5(a)所示，聚乙烯濾料除塵器在穩(wěn)定運(yùn)行時，脈沖間隔為15 s，運(yùn)行60 min，運(yùn)行阻力的變化范圍為10.02～10.29 kPa。脈沖間隔變?yōu)?0、60 s時,除塵器運(yùn)行阻力變化范圍分別為10.025～10.295、10.01～10.3 kPa。阻力變化范圍與脈沖間隔為15 s時并無明顯變化。當(dāng)脈沖間隔為120 s時,運(yùn)行60 min，運(yùn)行阻力變化范圍為10.03～10.31 kPa,比脈沖間隔15 s時僅僅增加10 Pa。以上這種現(xiàn)象說明當(dāng)聚乙烯濾料除塵器可以連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時，脈沖間隔對聚乙烯濾料除塵器的運(yùn)行阻力的影響很小。

表4所示為脈沖間隔與電磁閥耗氣量和每小時脈沖次數(shù)的關(guān)系。由表可以看出，脈沖間隔15 s時的耗氣量和脈沖次數(shù)為脈沖間隔120 s時的8倍，因此，聚乙烯濾料除塵器穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行的條件下，可選擇增加脈沖間隔來減少壓縮空氣的使用量和脈沖閥的耗損程度。當(dāng)聚乙烯濾料除塵器無法穩(wěn)定運(yùn)行，如圖5(b)所示的情況下，增大其脈沖間隔反而會使得運(yùn)行阻力增加，從而加大能耗。為了可以更好地對聚乙烯濾料除塵器進(jìn)行研究，本文中統(tǒng)一使用脈沖間隔15 s。

表4 不同脈沖間隔的耗氣量與脈沖次數(shù)表Tab.4 Air consumption and pulse frequency for different pulse intervals

3 結(jié)論

1)過濾風(fēng)速對聚乙烯濾料除塵器的清灰效果影響顯著。對于d50為17μm的粉塵過濾風(fēng)速為2.8～3.8 m·min-1時，聚乙烯濾料除塵器的運(yùn)行阻力可以很快穩(wěn)定在9.34、9.4、9.49、9.75、10.08、10.42 kPa，此時粉塵排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 mg·m-3。當(dāng)過濾風(fēng)速為4.0 m·min-1時，聚乙烯濾料除塵器的阻力持續(xù)上升。得出聚乙烯濾料除塵器運(yùn)行阻力增量與過濾風(fēng)速函數(shù)關(guān)系式為：y=40.711 9x2-24.878x+1.02，粉塵排放質(zhì)量濃度與過濾風(fēng)速的函數(shù)式為y=0.177 2x2-0.807 8x+1。對于d50為5 μm的粉塵，過濾風(fēng)速為3.8 m·min-1時，聚乙烯濾料除塵器的阻力持續(xù)上升。當(dāng)過濾風(fēng)速為2.6～3.8 m·min-1時，聚乙烯除塵器運(yùn)行阻力能很塊趨于穩(wěn)定在8.96、9.4、9.48、9.58、9.84、10.19 kPa，且粉塵排放質(zhì)量濃度均低于1 mg·m-3。過濾風(fēng)速與聚乙烯除塵器運(yùn)行阻力增量的函數(shù)式為y=40.711 9x2-24.878x+1.02，排放質(zhì)量濃度與過濾風(fēng)速的函數(shù)式為y=0.175 2x2-0.810 9x+1.059。

2)噴吹壓力能明顯改善聚乙烯濾料除塵器的清灰效果。對于d50為17μm的粉塵，過濾風(fēng)速為4.0 m·min-1時聚乙烯濾料除塵器的運(yùn)行阻力持續(xù)上升，增大噴吹壓力為0.5 MPa可使運(yùn)行阻力降低并且很快穩(wěn)定在11.7 kPa左右。在工業(yè)應(yīng)用中，可以適當(dāng)增大噴吹壓力來節(jié)約工作成本。在聚乙烯濾料除塵器連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時，伴隨著脈沖噴吹間隔的變化，如15、30、60、120 s，聚乙烯濾料除塵器運(yùn)行阻力僅增大了10 Pa，因此在實際應(yīng)用中，考慮增大脈沖間隔來達(dá)到減少耗氣量，同時也能達(dá)到減少脈沖閥的損耗的目的。