呂維寧 鄧 翔
（中鋁國(guó)際貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院）
摘 要 本文簡(jiǎn)略的介紹了袋除塵器的除塵效率的發(fā)展情況，詳細(xì)介紹了袋除塵器內(nèi)部流場(chǎng)試驗(yàn)研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，并對(duì)半工業(yè)性試驗(yàn)除塵器內(nèi)部同一水平面速度場(chǎng)作了測(cè)定。根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)觀察到的現(xiàn)象以及除塵器濾袋上的粉塵分布情況，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)綜合分析，確定以在除塵器灰斗內(nèi)加隔板的形式，控制除塵器內(nèi)氣固兩相流的流動(dòng)，改善除塵器內(nèi)部流場(chǎng)，而且使除塵器內(nèi)濾袋上的粉塵分布也更加均勻，試驗(yàn)系統(tǒng)除塵器出口干管內(nèi)的排塵濃度已經(jīng)控制在5mg/Nm3以下。
關(guān)鍵詞 流場(chǎng) 氣固兩相流 沖刷 回流 粉塵 凈化效率
1 前言
袋除塵器在高效收塵系統(tǒng)中是必不可少的收塵設(shè)備，同時(shí)又是高效率的干法凈化系統(tǒng)中的主要設(shè)備。先前的除塵或凈化系統(tǒng)的除塵效率一般達(dá)到99%～99.5%就是比較高效的設(shè)備，最近幾年代表國(guó)際先進(jìn)水平的除塵器凈化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)數(shù)值，從最近了解到的數(shù)據(jù)來(lái)看，Alstom的電解煙氣凈化系統(tǒng)除塵器的入口濃度達(dá)到1kg/m3以上，而出口濃度在5mg/m3以下，凈化效率在99.9995%以上；從我們最新的研究結(jié)果來(lái)看，入口粉塵濃度為150g/m3, 出口濃度在5mg/m3以下，凈化效率在99.9967%以上。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明袋除塵器的除塵效率已經(jīng)不能用傳統(tǒng)的百分效率來(lái)考核，考核袋除塵器的除塵效率或者凈化效率的指標(biāo)已經(jīng)變成了mg/Nm3，入口濃度對(duì)新技術(shù)而言已經(jīng)不再是影響排放濃度的因素。設(shè)備的設(shè)計(jì)制造水平、除塵器內(nèi)部流場(chǎng)控制才是真正影響設(shè)備效率的因素。對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究，改善除塵器內(nèi)部氣固兩相流流場(chǎng)的分布，改善除塵器濾袋上的粉塵分布，從而提高除塵設(shè)備的效率和延長(zhǎng)設(shè)備、濾袋的使用壽命，是我們對(duì)袋除塵器進(jìn)行研究的目的。一些高校已經(jīng)開(kāi)始著手對(duì)除塵器研究，并發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布很不均勻，除塵器中箱體內(nèi)氣相速度差最大可以達(dá)到10倍以上，這樣的流場(chǎng)分布不但不利于除塵或凈化，而且會(huì)由于負(fù)荷分布不均、局部過(guò)高速度沖刷和磨損等原因嚴(yán)重影響除塵器的使用壽命。筆者通過(guò)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)試和觀察發(fā)現(xiàn)，由于除塵器本體結(jié)構(gòu)的原因，除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布存在極大的差異，這種差異是導(dǎo)致除塵器干法凈化效率和除塵效率無(wú)法提高的重要原因。
2 現(xiàn)有除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況
在進(jìn)行除塵器研究過(guò)程中，筆者先后共建立了兩個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)系統(tǒng)——小試試驗(yàn)系統(tǒng)和半工業(yè)化試驗(yàn)系統(tǒng)——中試試驗(yàn)系統(tǒng)。
小試試驗(yàn)系統(tǒng)的除塵器廣泛應(yīng)用于各工業(yè)工程的收塵系統(tǒng)中，除塵器型號(hào)為SD－42型，進(jìn)風(fēng)口設(shè)在灰斗中上部（見(jiàn)圖2），進(jìn)風(fēng)口氣流動(dòng)壓波動(dòng)范圍：150～200Pa，含塵氣流進(jìn)入除塵器灰斗以后，直接沖到對(duì)側(cè)的灰斗壁板上，然后向兩側(cè)和上方散流，在兩側(cè)形成高速斜向氣流，氣流在高速水平運(yùn)動(dòng)的同時(shí)以較低的速度上升。除塵器內(nèi)實(shí)際氣流速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于除塵器的理論計(jì)算上升氣流速度值，除塵器內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)狀況與大多數(shù)設(shè)計(jì)者的理想上升狀態(tài)是不相符的。
中試試驗(yàn)系統(tǒng)的除塵器是根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用按1：1的比例制造的，試驗(yàn)設(shè)備按照鋁電解煙氣凈化圓形袋式除塵器的單箱體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，單箱體過(guò)濾面積1017m2，該除塵器廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的代表性和工程實(shí)際應(yīng)用意義。該設(shè)備進(jìn)風(fēng)口設(shè)在除塵器中箱體的側(cè)面，中箱體內(nèi)設(shè)有進(jìn)風(fēng)通道，氣固兩相流通過(guò)進(jìn)風(fēng)通道進(jìn)入除塵器灰斗（見(jiàn)圖1）。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)氣固兩相流進(jìn)入到除塵器的灰斗以后，直接沖到進(jìn)風(fēng)側(cè)的對(duì)面，由于灰斗呈錐狀結(jié)構(gòu)，氣流集中到進(jìn)風(fēng)側(cè)對(duì)面的中部，形成強(qiáng)勁的高速上升氣流，對(duì)除塵器內(nèi)形成很大的局部沖刷作用。氣流在進(jìn)風(fēng)通道對(duì)側(cè)上升后，在整個(gè)箱體中形成一個(gè)很大的回流區(qū)域，到進(jìn)風(fēng)通道側(cè)，中箱體內(nèi)袋間氣流已經(jīng)變成向下流動(dòng)的氣流。與小型袋除塵器（小試系統(tǒng)除塵器）相比，由于氣流規(guī)模和運(yùn)動(dòng)空間更大，大型袋除塵器內(nèi)的流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定有序，流場(chǎng)分布不均的情況也更加明顯。
 
圖1 除塵器內(nèi)流場(chǎng)示意圖 圖2 小試試驗(yàn)除塵器進(jìn)風(fēng)位置
1－進(jìn)風(fēng)口，2－進(jìn)風(fēng)通道，3－灰斗，
4－中箱體，5－濾袋，6－上箱體，
7－氣固兩相流的跡線和方向
3 現(xiàn)有除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果
為了較為準(zhǔn)確的確定現(xiàn)有除塵器內(nèi)的流場(chǎng)分布情況，筆者對(duì)除塵器濾袋下部中箱體內(nèi)同一水平面進(jìn)行了風(fēng)速測(cè)試，測(cè)試設(shè)備采用風(fēng)速儀（量程：0～20m/s），測(cè)點(diǎn)分布如下圖（見(jiàn)圖3）：
圖3 除塵器內(nèi)測(cè)點(diǎn)分布圖
上圖中風(fēng)道即為進(jìn)風(fēng)通道，進(jìn)風(fēng)通道內(nèi)的風(fēng)速分布比較均勻，進(jìn)風(fēng)通道對(duì)側(cè)（C面）測(cè)得的風(fēng)速分布如下（見(jiàn)圖4）：
圖4 進(jìn)風(fēng)通道對(duì)側(cè)氣流速度分布圖
①－第一排測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，②－第二排測(cè)點(diǎn)分速
由于測(cè)試條件限制，風(fēng)速儀測(cè)到的測(cè)試結(jié)果只能反映氣流速度的大小，不能反映氣流速度的方向，從現(xiàn)場(chǎng)觀察到的情況來(lái)看，進(jìn)風(fēng)通道對(duì)側(cè)的氣流方向整體比較一致，從該側(cè)測(cè)到的風(fēng)速結(jié)果基本上是表示上升氣流的速度大小。由于氣流中存在很強(qiáng)的湍流和比較大的渦，因此在測(cè)定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)速儀測(cè)到的讀數(shù)在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化比較大，上表中測(cè)到的結(jié)果是風(fēng)速儀讀數(shù)的平均值，測(cè)試時(shí)中間位置（C6，C7）的讀數(shù)最大值在10m/s以上，儀表讀數(shù)極值大于13m/s，氣固兩相流以同樣的高速?zèng)_向除塵器中箱體中的局部濾袋，而兩端的最小讀數(shù)在1m/s左右。
4 現(xiàn)有除塵器濾袋上的粉塵分布
在對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)較長(zhǎng)時(shí)間的加料（粉塵）試驗(yàn)之后，除塵器濾袋上粉塵形成了穩(wěn)定分布，粉塵在除塵器濾袋上的粉塵分布說(shuō)明，除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布不均不僅僅影響濾袋或設(shè)備的使用壽命問(wèn)題，還直接關(guān)系到系統(tǒng)的除塵效率和凈化效率。眾所周知：除塵器濾袋的使用初期，濾袋的過(guò)濾阻力較小，除塵效率都很低，濾袋除塵效率的提高，主要依靠積累粉塵在濾袋纖維之間搭橋，形成濾袋的粉塵初塵層，并依靠初塵層來(lái)阻擋粉塵通過(guò)濾袋，相應(yīng)的提高濾袋的過(guò)濾阻力。從試驗(yàn)系統(tǒng)除塵器濾袋的粉塵分布來(lái)看（見(jiàn)圖5，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片），圖中濾袋左側(cè)的粉塵黏附很少，基本上還可以看到濾布的纖維結(jié)構(gòu)；右側(cè)的粉塵黏附很多，在風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)由于粉塵太多，黏附力不能支持粉塵的自重而跨掉，顯而易見(jiàn)，由于除塵器內(nèi)的流場(chǎng)分布不均，導(dǎo)致了濾袋上的粉塵分布不均。圖中左側(cè)為濾袋迎風(fēng)面，由于氣流速度過(guò)高，濾袋迎風(fēng)面無(wú)法沉積粉塵，一部分粉塵由于氣流速度過(guò)高，沉積于濾袋表面以后被吹走，另外一部分粉塵由于局部氣流的沖擊，直接穿透濾袋進(jìn)入到除塵器上箱體（凈氣室）被排入到大氣中；圖中右側(cè)為背風(fēng)面，由于氣流流速較低，氣流繞過(guò)濾袋后在背風(fēng)面形成小型渦，在氣流穿透濾袋時(shí)，粉塵被過(guò)濾沉降在濾袋的袋面上，并在濾袋上不斷累積，形成了圖(圖5)中濾袋上粉塵分布不均的現(xiàn)象。
濾袋上粉塵的均勻分布，是指整個(gè)箱體內(nèi)所有濾袋袋面上的均勻分布，只有使除塵器內(nèi)部氣固兩相流流場(chǎng)均勻分布，才能使粉塵在整個(gè)箱體內(nèi)的濾袋上均勻分布。
圖5 現(xiàn)有除塵器濾袋粉塵分布
5 除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的改進(jìn)和改進(jìn)后濾袋上的粉塵分布
通過(guò)對(duì)除塵器運(yùn)行情況的仔細(xì)觀察，對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果分析，以及對(duì)國(guó)際上擁有先進(jìn)凈化技術(shù)公司的除塵設(shè)備結(jié)構(gòu)分析，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)，確定在除塵器灰斗內(nèi)加隔板的形式，控制除塵器內(nèi)氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)，改善除塵器內(nèi)部流場(chǎng)。通過(guò)試驗(yàn)證明，該改進(jìn)方案切實(shí)可行，改進(jìn)后的除塵器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下圖（圖6），測(cè)點(diǎn)位置與改進(jìn)前（圖3）測(cè)點(diǎn)位置相同。從測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，除塵器內(nèi)氣流分布不均勻的程度已經(jīng)大大減小，設(shè)備內(nèi)部已經(jīng)沒(méi)有局部流速過(guò)大的情況，在同一水平面上的氣流分布已經(jīng)得到很大的改善。
圖6 改進(jìn)后除塵器內(nèi)進(jìn)風(fēng)通道對(duì)側(cè)氣流速度分布圖
①－第一排測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，②－第二排測(cè)點(diǎn)分速
試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)觀察到的情況表明，除塵器內(nèi)已經(jīng)沒(méi)有較大的渦流或較大的回流區(qū)域出現(xiàn)，但是由于氣流處于紊流狀態(tài)，局部區(qū)域內(nèi)的小型渦依然存在，但是這些小型渦已經(jīng)不可能引起除塵器內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)的粉塵分布不均了。從濾袋上粉塵的附著情況來(lái)看，流場(chǎng)改進(jìn)后的濾袋上粉塵分布已經(jīng)比較均勻(如圖7)。
通過(guò)對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的改進(jìn)，使除塵器的除塵效率得到大大的改進(jìn)，當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行阻力為1700Pa～1900Pa時(shí)，經(jīng)測(cè)定除塵器出口干管的粉塵濃度分別為：0.8mg/Nm3、1.7mg/Nm3、2.5mg/Nm3、4.4mg/Nm3、1.7mg/Nm3，測(cè)定環(huán)境溫度為36℃，粉塵排放濃度均在5mg/Nm3以下。
圖7 改進(jìn)后除塵器濾袋粉塵分布
6 小結(jié)
對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的改進(jìn)在最近幾年一直有高校在研究，研究怎樣延長(zhǎng)除塵器或?yàn)V袋的使用壽命，把提高除塵效率和凈化效率的研究方向放在改善濾袋的濾料材質(zhì)方面，綜合濾袋的過(guò)濾特性及試驗(yàn)的情況，改善除塵器內(nèi)的氣固兩相流流場(chǎng)實(shí)際上更有利于提高除塵器的除塵效率和凈化效率，即使濾袋的性能很好，如果濾袋上不能黏附粉塵，或者粉塵分布不均勻，除塵效率和凈化效率都是難以提高的。目前的研究改進(jìn)只是初步的，除塵器內(nèi)部的氣固兩相流流場(chǎng)還有待于進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。在試驗(yàn)的過(guò)程中筆者觀察到，加料量比較小時(shí)，濾袋上部的袋間氣流的粉塵含量很少，它一方面說(shuō)明大顆粒的粉塵已經(jīng)沉降，不能隨氣流一道運(yùn)動(dòng)附著在濾袋上，有利于除塵效率的提高，但是袋間氣流的流速過(guò)低不利于凈化效率的提高；另外一方面也說(shuō)明，目前使用的凈化除塵設(shè)備還存在濾袋垂直方向上粉塵分布不均的問(wèn)題。此外，除塵器壓縮空氣清灰壓力、脈沖寬度、脈沖間隙等都是影響除塵器除塵效率和凈化效率的重要因素。因此對(duì)除塵器的清灰控制，根據(jù)粉塵的性質(zhì)確定袋長(zhǎng)、袋直徑、袋間距等的最佳組合將是下一步研究工作的方向。
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選自2009全國(guó)袋式除塵技術(shù)研討會(huì)論文集 | 
