（机械制造及其自动化专业论文）袋式除尘器喷吹清灰系统及气流流场的研究.pdf

青岛科技人学研究生学位论文 袋式除尘器喷吹清灰系统及气流流场的研究 摘要 袋式除尘器是目前被广泛应用的高效除尘净化设备，具有高净化效率、良好 清灰效果、滤袋使用寿命长、处理气量大等优点。目前，在脉冲袋式除尘器的优 化设计方面，主要是滤料的选择和喷吹时间优化，对于袋式除尘器喷吹清灰系统 和袋式除尘器箱体内部流场的研究还比较少。脉冲清灰过程是袋式脉冲除尘器使 用中关键的一步，脉冲清灰时，高速高压气体通过喷吹管由喷吹孔向滤袋内喷入 大量气体对滤袋进行清灰，所以喷吹管的内部流场直接影响滤袋清灰效果的好 坏。脉冲袋式除尘器箱体内部的流场是复杂的三维紊流流场。袋式除尘器的气流 流场的均匀分布对提高除尘效率和滤袋的使用寿命都有好处，因此可以从气流分 靠角度优化除尘器结构。因此，对脉冲袋式除尘器喷吹清灰系统和除尘器内部流 场的研究有重要的意义。 袋式除尘器内的气流分布影响滤袋过滤压力和过滤效率，但是因为除尘器内 部气流运动十分复杂，物理模型试验的局限性，通常只能得到进出口总流的参数， 但是数值模拟则能给出流场的局部和相关的具体信息。考虑到数值模拟的优点， 本论文应用计算流体动力学( c f d ) 软件之一的f l u e n t ，对袋式除尘器喷吹清灰系统 和内部气流的速度流场和压力流场进行数值模拟。通过研究喷吹管中的气流流 场，发现沿着喷吹方向喷吹口的喷吹气量不一致，通过改进找到了合理均布喷吹 孔气流的方法，可以提高喷吹清灰系统的清灰效果。数值模拟结果分析发现在除 尘器进气口处存在明显的射流，并对部分滤袋底部形成较强的冲击，气流速度场 在除尘器内分布也较不均匀，造成每条滤袋过滤的气量不同。通过在除尘器入口 处设置气流分布板的办法来改善气流的流动状态，减少对滤袋的冲击，合理均布 了滤袋过滤的气量。应用f l u e n t 对除尘器喷吹系统和内部流场模拟，取得了较好 的效果，为在今后的研究中利用c f d 相关软件进行除尘器清灰系统和内部结构优 化设计奠定了良好的基础。 关键词：袋式除尘器；喷吹清灰；f l u e n t ；气流流场 袋式除尘器喷吹清灰系统及气流流场研究 s t u d y o np u l s e j e td u s tc l e a n i n gs y s t e ma n d g a sf l o wf i e l db a gc o l l e c t o r a b s t r a c t t h ep u l s e - j e tb a g c o l l e c t o ri sak i n do fe q u i p m e n tw i mh i g he f f i c i e n c yf o r c o l l e c t i n gd u s t a tp r e s e n t ，i nt h es t u d yf i e l do fb a gc o l l e c t o r , i ti sa l w a y sf o c u ss t u d y o nc h o o s i n gm a t e r i a l so ff i l t e ra n do p t i m i z i n gb l o wt i m e s o ，r e s e a r c h e rs p e n tl e s st i m e t os t u d yo np u ! s e - j e td u s tc l e a n i n gs y s t e ma n dg a sf l o wf i e l df a gc o l l e c t o r t h ep r o c e s s o fp u l s e - j e td u s tc l e a n i n gi so n eo fi m p o r t a n ts t e p e si nu s i n gb a gc o l l e c t o r w h e n p u l s e - j e td u s tc l e a n i n gs y s t e mi sw o r k i n g ，h i g hv e l o c i t ya n dp r e s s u r eg a se n t e ri n t ot h e b a gt h o u g hi n j e c t i o np i p ea n dj e th o l et oc l e a nd u s to nb a gf i l t e r s o ，t h er e s u l to fd u s t c l e a n i n gi se f f e c t e db yg a sf l o wi ni n j e c t i o np i p e t h ei n s i d eg a sf l o wf i e l do ft h e p u l s e - j e tb a g c o l l e c t o ri sc o m p l i c a t e dt u r b u l e n t f l o wf i e l d t h eg a so ft h ep u l s e - j e t b a g c o l l e c t o rf l o wu n i f o r m i t yi sb e t t e rf o rr a t eo fd u s tc l e a n i n ga n du s i n gl i f eo ff i l t e r s ow eo p t i m i z et h es t r u c t u r eo fb a g c o l l e c t o rf r o md i s t r i b u t i o no fg a so ft h ep u l s e - j e t b a g c o l l e c t o r s oi ti sh i g hv a l u et os t u d yp u l s e - j e td u s tc l e a n i n gs y s t e ma n dg a sf l o w f i e l d t h ed u s tc o l l e c t o re f f i c i e n c ya n dp r e s s u r ei n s i d eo fd u s tc o l l e c t o ri se f f e c t e db y g a sf l o wf i e l di nd u s tc o l l e c t o r a sc o m p l i c a t e dt u r b u l e n tf l o wf i e l da n dt h el i m i t i o n p h y s i c a lm o d e l t e s t i tc a no n l yo b t a i nt h ep a r a m e t e ro fw h o l ef l o w , w h i l et h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a no f f e rt h ed e t a i l e di n f o r m a t i o nf o rc o r r e l a t i v ef l o w b e c a u s eo f a d v a n t a g e si nn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h i sa r t i c l e ，g a sf l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b o u tv e l o c i t ya n dp r e s s u r ei nd u s tc o l l e c t o rw i l lb ed o n eb yh u e n t t h ea i r d i s t r i b u t i o nf l o wf i e l dw e r es i m u l a t e di ni n j e c t i o np i p eo f d u s tc o l l e c t o r d i f f e r e n tj e t h o l eh a sd i f f e r e n tm a s sg a sf l o w i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m w ef i n dm e t h o dt o d i s t r i b u t eg a sf l o w b yt h i sw a yi ti si m p r o v e de f f i c i e n c yo fd u s tc o l l e c t i n g a c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，t h e r ei sa j e ta i rs t r e a md i s p l a y e dc l o s et ot h ei n l e t a n d ，t h e 青岛科技人学研究生学位论文 b o r o mo fs e v e r a lb a ga r es t r o n g l yi m p a c t e d t h eg a sd i s t r i b u t i o ni sa s y m m e t r y s og a s i sf i l t r a t e dd i f f e r e n ti ne a c hb a g b yu s i n ga i r f l o w d i s t r i b u t i o np l a t e ，b a gi m p a c ti s r e d u c e da n dg a si sd i s t r i b u t e d t h i sr e s e a r c hp r o v i d e ss o m ea c t i v em e t h o d st ot h e s t i m u l a t i o nt ot h ei n s i d ef l o wf i e l d o fd u s tc o l l e c t o ra n dl a y sag o o df o u n d a t i o no fu s i n g c f ds o f t w a r et om a k es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n dd e s i g n i n gi nt h er e s e a r c hi nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：b a gc o u e c t o r ；i n a $ 8f l o w ；f l u e n t ；a i ro fd i s t r i b u t i o n s m 青岛科技人学研究生学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 现存问题及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文研究方法及内容2 1 3 1 论文的研究方法2 1 3 2 论文研究内容3 第2 章袋式除尘设备简介4 2 1 袋式除尘设备的分类4 2 1 1 按进气口位置分类4 2 1 2 按滤袋形状分类4 2 1 3 按清灰方式分类5 2 1 4 按过滤方向分类6 2 1 5 按通风方式分类6 2 2 过滤除尘机理6 2 2 1 经典的粒子捕获机理6 2 2 2 影响过滤效率的主要因素7 2 3 脉冲滤袋除尘器清灰系统结构组成及清灰机理8 2 3 1 脉冲滤袋除尘器清灰系统结构组成8 2 3 2 脉冲滤袋除尘器清灰机理1 0 2 4 脉冲滤袋除尘器滤料类型1 1 2 5 袋式除尘器的发展趋势1 2 第3 章c f d 软件介绍1 4 3 1c f d 介绍1 4 3 1 1c f d 的技术目标、优点及主要功能1 4 3 1 2c f d 商用软件介绍1 5 3 1 3c f d 中的几个问题1 5 3 2 数值离散方法1 6 3 2 1 有限差分法1 6 3 2 2 有限体积法1 6 3 2 3 有限元法1 7 3 2 4 有限分析法1 7 3 3 湍流流动的数值模拟1 7 3 3 1 湍流现象概述1 8 3 3 2 湍流模型的分类1 8 袋式除? 、器喷吹清灰系统及气流流场研究 3 3 3 常用湍流模型简介1 9 3 4 计算流体力学的求解过程2 5 3 4 1 建立基本守恒方程组2 6 3 4 2f l u e n t 软件简介2 6 3 4 2 1 前置处理器g a m b i t 2 6 3 4 2 2 计算处理器2 7 3 5 基于有限体积法的计算区域及控制方程的离散2 8 3 5 1 计算区域的离散2 8 3 5 1 1 离散化概述2 8 3 5 1 2 离散化的目的2 8 3 5 1 3 离散时所使用的网格2 9 3 5 2 控制方程的离散化3 0 3 5 3 有限体积法中常用的离散格式3 1 3 5 4s i m p l e 算法的基本步骤3 2 第4 章喷吹清灰系统的研究3 4 4 1 喷吹清灰系统的理论分析3 4 4 1 1 清灰需气量计算3 4 4 1 2 脉冲阀打开时能通过的压缩空气量3 4 4 1 3 喷射管压力降限制的最大流量3 5 4 1 4 喷嘴出口流量3 5 4 1 5 计算实例3 7 4 2 脉冲喷吹管的数值模拟3 8 4 2 1 七个喷吹孔的喷吹管数值模拟3 8 4 2 1 1 建立模型并生成网格3 8 4 2 1 2 模型的边界条件和初始条件3 9 4 2 1 3 计算结果3 9 4 2 1 4 结果分析4 0 4 2 2 十六个喷吹孔的喷吹管三维数值模拟4 2 4 2 2 1 建立模型并生成网格4 2 4 2 2 2 模型的边界条件和初始条件4 2 4 2 2 3 计算结果4 3 4 2 2 4 结果分析4 3 4 2 3 改变喷吹孔直径模拟4 7 4 2 4 喷吹管模拟小结4 9 第5 章袋式除尘器内部气流流场数值模拟5 0 5 1 除尘器的外形尺寸5 0 5 2 除尘器模型的建立与网格的生成5 0 5 2 1g a m b i t 介绍5 0 5 2 2 除尘器模型的建立与网格的生成5 1 2 青岛科技人学研究生学位论文 5 3 流场计算模型的选取与边界条件的设置5 3 5 3 1 流场计算模型5 3 5 3 2 边界条件的设置5 4 5 4 模拟结果及分析5 5 5 4 1 模型原型模拟结果与分析5 5 5 4 1 1 模拟结果5 5 5 4 1 2 结果分析5 9 5 4 2 增加单个气流分布板后除尘器模拟6 5 5 4 2 1 模犁建立6 5 5 4 2 2 模拟结果6 6 5 2 2 3 结果分析6 9 5 4 3 增加两个气流分布板后除尘器模拟7 4 5 4 3 1 模型建立7 4 5 4 3 2 模拟结果7 5 5 4 3 3 结果分析7 8 5 5 除尘器气流流场模拟小结8 2 第6 章结论8 3 3 青岛科技大学研究生学位论文 第1 章绪论 随着低碳经济趋势的到来和科学技术水平的日益提高，环保已经成为人们的 共识。二十一世纪的我国，伴随着经济的高速发展，而随之带来的环境问题也更 加严重，我国已经成为世界上大气污染最严重的国家之一，特别是在能源工业、 人口集中的城市，污染程度更为严重。煤炭是我国的主要能源，占我国一次能源 结构中的比例为7 5 以上【1 】【2 】1 3 】，虽然到2 0 5 0 年7 5 的比例将下降到4 0 左右， 但是仍然在能源结构中具有十分重要的地位，所以煤烟型污染依然是污染大气主 要形式。因此，在国家节能减排的政策指引下，大气污染控制的重点是对烟尘、 粉尘的治理。袋式除尘器是最早出现的干式除尘设备中净化效率最高而且应用最 为广泛的除尘设备之一。袋式除尘器的效率可以高达9 9 ，可以捕集到0 1 l x m 左 右的粉尘，而且滤袋不受粉尘化学组成、颗粒分散度等因素的影响【4 1 。随着袋式 除尘技术的不断进步，袋式除尘器正凭借着其运行可靠稳定，使用灵活，操作简 单，除尘效率高等诸多优点，在治理大气污染、保护环境清洁、保护人体健康、 粉尘回收利用尤其是在工业生产中发挥着不可替代的作用【5 , 6 1 。袋式除尘器可以处 理粘性粉尘、高温高湿含尘气体以及超细粉尘等，被广泛应用于冶金、机械、有 色金属加工、水泥、化工、火电等行业。在国家大力提倡发展低碳环保经济的时 代背景下，开发高除尘效率、运行稳定可靠、结构简单、操作维护方便的袋式除 尘设备将具有广阔的市场前景i t l 。综上所述，研究和开发适合我国低碳经济要求 的袋式除尘设备具有重要的理论意义和应用价值。 1 1 现存问题及研究意义 袋式除尘器内部的流场包括两种流场，袋式除尘器脉冲清灰系统中喷吹管的 流场和除尘器内部腔体结构流场。一方面袋式除尘器的脉冲喷吹清灰系统喷吹清 灰过程为：在进行脉冲喷吹清灰时，脉冲喷吹清灰气流使滤袋内的压力急速上升， 滤袋极速向外膨胀，当袋壁被膨胀到极限位置时，滤袋膨胀的张力使滤袋产生强 烈的冲击振动，同时获得最大反向加速度，使滤袋迅速向内收缩。当滤袋收缩后， 滤袋表面的粉尘层开始不受张力作用，而是受惯性力的作用从滤袋上脱落下来。 脉冲喷吹清灰过程中，由于脉冲喷吹时瞬间气流速度大，测定喷吹口处的压力和 气流的速度十分的困难，现阶段设计中脉冲清灰系统设计参数基本上凭经验确 定，这就带来了喷吹气流因为设计导致不均匀。另一方面袋式除尘器的袋室腔体 结构与除尘器的除尘效率、除尘器压力损失和除尘器滤袋使用寿命关系密切。目 袋式除尘器喷吹清灰系统及气流流场研究 前在袋式除尘器结构的设计过程中，主要还是依靠经验数据，人为主观因素存在 较多，经常达不到很好的除尘效果。因此，过去带有主观因素的袋式除尘器设计， 容易造成设计失误，同时带来部分能源的浪费。袋式除尘器的优点是十分突出的， 生产中有个不足就是更换滤袋，但是为了降低使用成本，应该采取一些措施来保 护滤袋，从而延长滤袋的使用寿命。本文目的通过优化袋式除尘器喷吹管和其内 部结构来达到降低袋式除尘器能耗、增加滤袋使用寿命和除尘效率的等目的。首 先必须对袋式除尘器喷吹管和其内部气流的运动情况、气流的速度场和气流的压 强场的分布有明确的了解，才能分析除尘器结构对气流流动状态的影响。最后通 过改善气流的速度场和压强场分布来实现设计除尘器的目的。物理实验通常做的 是放大试验，受资金、试验场地、设备的局限，只能对除尘器总流的参数进行研 究，对于袋式除尘器内各个局部位置气流的分布很难清晰的了解。 考虑以上两方面的原因，数值模拟就体现出了明显的优势。数值模拟方法【8 9 】 是计算流体力学、计算传热学的新的研究方法。本文结合生产设计探索性应用目 前流行的计算流体动力学( c f d ) 软件之一的f l u e n t 对袋式除尘器喷吹系统中的 重要组成之一的喷吹管和袋式除尘器内部的流场进行数值模拟。 1 2 国内外研究现状 在袋式除尘器的研究设计中，数值模拟逐渐成为有效的研究工具，s l a c kmd 等【1 0 1 在2 0 0 0 年采用了非结构化网格设置旋风除尘器的网格，并指出对紊流模型 的选择是准确模拟旋风除尘器流场的关键。勋n ghj 等人在2 0 0 0 年采用f l u e n t 软件模拟惯性分离器中的三维问题。g o n gal 等研究者在2 0 0 4 年用f l u e n t 软件 风除尘器压力损失的方法，通速度场显示这种方法减小了 大了旋风除尘器中心区域的轴向速度，进而减小了旋风除 相速度上重现了流场的变化情况。高晖等用f l u e n t 软件对 的整个流场进行了二维数值模拟，得到了不同处理风量和 件下，滤袋过滤速度和颗粒沉积量分布规律，并指出了该 进方( f i j 1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 】。 内容 在一些待解决的问题。例如如何减少滤袋i s l 和袋底等的局 2 青岛科技大学研究生学位论文 部破损；下进风除尘器，如何避免清灰脱落的粉尘从新返回滤袋的表面；如何优 化袋式除尘器的结构来减小除尘器的压力损失。面对袋式除尘器研究中存在的一 些难点，例如如何提高喷吹清灰系统的效率，如何合理均匀每条滤袋的过滤气量， 如何降低除尘器灰斗的二次扬尘等，这些问题都涉及到袋式除尘器中脉冲喷吹管 和除尘器壳体内部的气流的速度场和压力场的研究。 流体运动规律研究的方法主要是实验研究和理论分析两种。实验研究是以物 理实验为研究手段；理论分析方法，利用简单流体流动模型假设，给出某些问题 的解析解。实验研究得到的实验结果真实可信，但是，实验研究往往受一些条件 的限制如模型外形、流场不稳定、人为因素和测量精度等。某些情况下实验方法 难以得到结果。从整个流场来说，由于测量点的分布的限制，整个流场的流动情 况不容易掌握。此外，经费、财力、人力、物力也是试验的限制因素。对于理论 分析研究方法，优点是所得结果的普遍性，各种影响因素清晰可见，可以用来作 为指导实验的理论。在理论研究中，它常常需要对计算对象进行简化和抽象，才 有可能得出理论解，但是对于非线性情况，只有少数流动才能得到解析解。 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 好像在计算机上做了一次物 理实验，很好的克服了实验研究和理论分析的弱点。计算流体力学的应用对实验 研究和理论研究都起到的促进作用，为简化流动模型提供了较多的参考依据，使 很多分析方法得到发展和完掣1 5 1 。通过对计算结果的后处理，2 d 或3 d 效果来显 示计算结果，动态的显示流动效果，让研究者和设计者更直观、更形象地了解流 场情况。 1 3 2 论文研究内容 本论文研究重点是用商用c f d 软件f l u e n t 来研究袋式除尘器喷吹清灰系统 中的喷吹管和袋式除尘器内气流流场的分布情况。 本课题主要研究内容包括： 1 、对脉冲喷吹系统进行理论分析，利用f l u e n t 软件对喷吹管流场进行模拟， 研究如何均布喷吹管的气流，找到本文模型的喷吹孔孔径尺寸的优化参数。 2 、应用f l u e n t 软件对袋式除尘器模型内气流的速度场和压力场进行1 ：1 的三 维流动数值模拟，分析研究气流分布提出改进的方法。 3 袋式除尘器喷吹清灰系统及气流流场研究 第2 章袋式除尘设备简介 1 9 5 7 年，美困粉碎机械公司研发并制造出世界上第一台袋式除尘器。该袋式 除尘器清灰是连续的、阻力稳定、过滤速度高，是除尘器的一项重大发明，此后 广泛的被应用在各个领域。 2 1 袋式除尘设备的分类 随着经济快速发展和低碳经济时代的到来，对作为空气净化设备主力的袋式 除尘器的要求越来越高，因此市场要求从滤袋形状、滤料材质、脉冲清灰方式、 除尘器箱体结构等方面不断创新发展。在除尘器中，袋式除尘器的类型最多。典 型的除尘设备有五部分组成：沉气室、净气室、滤袋、清灰装置、卸灰装置。对 袋式除尘器可以进行不同分类【1 6 1 。 2 1 1 按进气口位置分类 1 、下进风：含尘气流从除尘器灰斗上部或者滤袋室底部进入除尘器。该类 除尘设备的结构比较简单，气流在袋室中是自下而上，与清灰后下落粉尘的沉降 方向相反，容易使粉尘再一次返滤袋的表面，影响清灰效果，并增加设备运行阻 力。 2 、上进风：带有粉尘的气流从袋室上部进入除尘器，粉尘沉降方向与气流 流动方向相同，有助于粉尘沉降。但是滤袋需要设置上、下两块花板，结构较复 杂，而且不容易调节滤袋的张力。 3 、侧进风：介于上进风和下进风，含尘气流从滤袋室的侧面进入除尘设备， 气流流动不影响粉尘的沉降，而且结构简单。 2 1 2 按照滤袋形状分类 。产、 1 、圆袋：大多数袋式除尘器都采用圆形滤袋。圆袋受力比较均匀，支撑骨 架及连接简单，清灰所需动力较小，检查维护方便，所以广泛被采用。 2 、扁袋：通常呈平板形，厚度及滤袋间隙2 5 到5 0 m m ，高度为0 6 到1 2 m ， 深度为3 0 0 到5 0 0 r a m 。扁袋内部设有骨架( 或弹簧) 支撑。大部分使用外滤的形式。 4 青岛科技大学研究生学位论文 2 1 3 按清灰方式分类 清灰方式是关系袋式除尘器性能的一个重要因素，它与除尘效率，压力损失， 过滤风速及滤袋寿命均有关系，我国颁布的袋式除尘器的分类标准就是按清灰方 式进行分类的。袋式除尘设备按清灰方式的不同可分为：机械振动类、逆气流清 灰类、脉冲喷吹类、气环反吹式及复合清灰类l r 7 1 。 1 、机械式振打：利用机械装置振打或摇动悬吊滤袋的框架，使滤袋产生振 动而清落积灰。分类为： 表2 - 1 机械振动除尘器的分类 f i g 2 - 1c l a s s s f yo fv i b r a t i n gd u s tc o l l e c t o r 分类名称定义 低频振动振动频率低于6 0 次m i n ，非分室结构 中频振动振动频率低于6 0 - 7 0 0 次m i n ，1 分室结构 机械式振打 高频振动振动频率高丁二7 0 0 次r n i n ，非分室结构 分室振动各种振动频率的分室结构 袋式除尘器 手动振动用手动振动实现清灰 电磁振动 用电磁振动实现清灰 气动振动用气动振动实现清灰 2 、逆气流清灰：逆气流清灰是利用与过滤气流相反的气流，使滤袋产生变 形并使之产生振动而使粉尘层脱落。反向气流的作用只是引起附着于滤袋表面的 粉尘脱落的原因之一，更主要的是滤袋变形导致粉尘层脱落。逆气流清灰有反吹 风、反吸风及机械回转反吹几种形式。 3 、脉冲喷吹清灰：气包内的压缩空气在极短的时间内( 不超过0 2 s ) 经过喷吹 管的喷吹口高速喷入滤袋，同时诱导数倍于喷射气量的空气进入滤袋，使滤袋从 袋口至滤袋底部产生迅速的膨胀和冲击振动，起到清灰作用。根据脉冲喷吹气流 与净化气流前方向区别，有顺喷和逆喷两种。顺喷式为两股气流方向一致，净化 后的气体由滤袋底部排出；逆喷式为两股气流方向相反，净化后的气流由袋口排 出，本文研究的除尘器为逆喷式。 4 、喷嘴反吹清灰：带狭缝的平板或者圆环喷嘴安装在滤袋的外侧与高压风 机管道相接。喷嘴贴近滤袋的表面作上下或左右往复运动，由其上正对滤布表面 的狭缝喷出高速气流，清除附着于滤袋内侧的粉尘层。有气环反吹、回转反吹、 往复反吹、回转脉动反吹和往复脉动反吹几种分类。 5 袋式除尘器喷吹清灰系统及气流流场研究 2 1 4 按过滤方向分类 按过滤方向可以分为内滤式除尘器和外滤式除尘器。 1 、内滤式除尘器g 粉尘气体由滤袋内侧向滤袋外侧流动，粉尘被阻留在滤 袋内侧表面，优点足滤袋外部是洁净气体，便于检修和换袋。一般机械振动、反 吹风等清灰方式多采用内滤形式。 2 、外滤式除尘器：含尘气体由滤袋外侧向滤袋内侧流动，粉尘被阻留在滤 袋外表面，外滤式可采用圆袋或扁袋，袋内需设置骨架，以防止袋子被吸扁，缺 点是滤袋磨损较大。脉冲喷吹、高压气流反吹等清灰方式大多是外滤式。 2 1 5 按通风方式分类 吸出式( 负压式) ：除尘器设在风机负压段，除尘器内空气被风机吸出形成负 压。除尘器必须采取密闭结构。风机吸入的是净化后的气体，因而风机叶轮的磨 损较小，并且不易发生因附着粉尘而产生的喘振等类事故，当用于处理高温度、 有毒性的气体时，除尘器本身也易于采取保温及防护措施。 压入式( 正压式) ：除尘器设在风机正压段，含尘气流经风机压入除尘器，使 除尘器在正压下工作。压入式除尘器净化后的气体可直接排到大气中，净气则不 需采用密封结构，构造简单，节省管道，造价较吸入式低2 0 3 0 。但因含尘气 体通过风机，风机叶片磨损较大。当粉尘腐蚀性和附着性都较强或含尘浓度大于 3 9 m 3 时不宜采用。对于处理高湿和有毒气体较不利。 2 2 除尘过滤机理 2 2 1 袋式除尘器除尘的机理 气体中的粉尘粒子通常比滤料过滤层中的空隙要小很多，因此通过筛滤效应 收集粒子的作用是有限的。滤料能把粉尘从空气中分离出来，截留、惯性碰撞和 扩散效应是主要原因，其次静电力和重力也起到一定的作用。如图2 - 1 所示。 青岛科技大学研究生学位论文 图2 - 1 经典过滤机理 f i g 2 - 1t y p i c a lf i l t r a t i n gm e c h a n i s m ( 1 ) 重力沉降作用：含尘气体进入布袋除尘器时，颗粒大、比重大粉尘，在重 力作用沉降下来，这和沉降室的作用完全相同。 ( 2 ) 筛滤作用：当粉尘的颗粒直径较滤料的纤维间的或滤料粉尘问的间隙大时 粉尘在气流通过时即被阻留下来，此即称为筛滤作用。当滤料上积存粉尘增多时， 这种作用就比较显著起来。 ( 3 ) 惯性力作用：气流通过滤料时，可绕纤维而过，而较大的粉尘颗粒在惯性 力的作用下，仍按原方向运动，遂于滤料相撞而被捕获。 ( 4 ) 热运动作用：质轻体小的粉尘( 1 微米以下) ，随气流运动，非常接近气 流流线，能绕过纤维。但它们受到作热运动气体分子的碰撞之后，改变原来的运 动方向，这就增加了粉尘与纤维的接触机会，使粉尘能够被捕获。当滤料纤维直 径越细，孔隙率越小，其捕获率就越高，所以越有利于除尘。 一般说来，各种除尘机理并不是同时有效，许多研究者认为是一种或几种共 同起作用。而且，随着滤料的空隙、气流流速、粉尘粒径以及其他因素的变化， 各种机理对不同滤料的过滤性能的影响也不同。事实上，新滤料在开始滤尘的时 侯除尘效率不高。在滤料使用一段时间后，颗粒较粗的粉尘会在滤布表面形成一 层粉尘初始层。由于粉尘初始层好以后在其上逐渐堆积的粉尘层的滤尘作用，滤 料的过滤效率不断的提高，同时阻力也相应增强，阻力增大到一定程度后就要对 袋式除尘器进行清灰。注意在清灰时不能破坏粉尘初始层，否则除尘效率会下降。 粉尘初始层的结构对袋式除尘器的除尘效率、阻力和清灰的效果起着非常重要的 作用【1 羽。 2 2 2 影响过滤效率的主要因素 1 、滤料的过滤速度 过滤速度是代表袋式除尘器处理气体能力的重要技术经济指标，同时滤速对 7 袋式除尘器喷吹清灰系统及气流流场研究 捕集效率也有显著的影响。实验证明，过滤速度增大一倍，粉尘通过率可能增加 2 倍到4 倍以上。滤袋刚清灰后由于滤料上的粉尘大部分被清除，致使捕集效率 短期迅速下降，随着积累的粉尘量的增加，效率和压降不断增加，到清狄前效率 最高。过滤速度高还会导致滤料上迅速形成粉尘层，引起清灰频繁因此通常总是 希望过滤速度选择得低一些。 2 、滤料的选用 滤袋是袋式除尘器的重要组成部分之一，滤料的选用直接影响到设备的除尘 效率。应根据粉尘的温度、湿度、腐蚀性等性质，在不同的使用工况下选择滤料 以获得最佳的除尘效率。 除尘器的过滤风速和处理风量在参考除尘器样本时一定注意，样本中给出的 过滤风速和处理风量是一般性粉尘( 比如沙尘、煤灰等) ，由于这些粉尘粘性小， 倾注密度大，颗粒尺寸大，清灰容易过滤风速和风量较大，一般过滤风速可取2 4 m m i n ，例如对于橡胶厂使用的炭黑，由于其粘性大，容易产生静电，倾注密度 小，粉尘细，它的除尘、清灰比较困难。要求过滤风速较小。一般炭黑脉冲袋式 除尘器气力输送用过滤风速0 8 - - 1 1 m m i n ，车间总除尘过滤风速 1 8 m m i n 振 打、风机清灰过滤风速l m m i n 以下。 3 、除尘器内部气流的分布 除尘器内的气流有喷吹系统和除尘器内部气流之分。除尘器的气流分布直接 关系到除尘器的过滤效率。在实际生产中发现，气流分布不均匀，会加重部分滤 袋的负担，甚至有的滤袋起不到过滤作用而有的滤袋提f j 损坏。这样必然会使除 尘效率降低，减少滤袋寿命。如何合理的分布气流，来提高滤袋的使用寿命和过 滤效率成为研究的热点。这也是本文研究的重点内容。 2 3 脉冲滤袋除尘器清灰系统结构组成及清灰机理 2 3 1 脉冲滤袋除尘器清灰系统结构组成 脉冲清灰袋式除尘器是目前国际、国内应用最广泛的一种高效清灰袋式除尘 器，清灰系统是脉冲袋式除尘器的核心，也是其技术的关键所在，清灰系统的设 计是否合理决定着除尘器设计的成败，有些除尘器厂就是由于清灰系统设计的偏 差导致除尘器的“失效”。如图2 2 ，一般脉冲除尘器的清灰系统由气包、喷吹管、 脉冲阀等组成【1 9 1 。 8 青岛科技人学研究生学位论文 c 也 l 图2 - 2 典型的脉冲喷吹清灰系统 f i g 2 - 2t y p i c a ld u s tc l e a n i n go ft h ep u l s e - j e tb a g h o u s e ( 1 ) 气包 气包的容量必须足够，一般要满足一次脉冲喷吹后气包内的压力降要小于初 始压力的3 0 ；气包的进气口直径要尽量大；为了满足补气速度，大容量气包可 设置多个迸气输入管路。阀门安装在气包的上面或侧面，以避免气包内的油污、 水分经过脉冲阀喷嘴进入滤袋。如果气包按压力容器的标准设计并有足够大的容 积，其本身就是一个稳压气罐，不需另外安装储罐。当气包前另设稳压罐时，稳 压罐应尽量靠近气包安装，以防止压缩气经过细长管道而损耗压力。 ( 2 ) 喷吹管 根据滤袋数量确定喷吹管长度。喷吹管的壁厚应根据其长度和材质( 硬度) 确 定，保证不会由于自重而弯曲变形。高效率清灰系统必须在喷吹管上安装超音速 引流喷嘴，防止喷吹气流的偏中心现象发生。如果不安装引流喷嘴，只在喷吹孔 下焊接一节短管，不能克服喷吹气流的偏中心现象，而且会由于超音速喷吹气流 与管道之间的摩擦而产生阻力。 喷射管的长度根据过滤袋的数量确定，壁厚则由其长度和材质硬度确定，以 确保不会因喷射管自重而弯曲变形。 ( 3 ) 喷嘴 喷嘴一般焊接在喷吹管喷吹孔下，起着引导喷吹气流的方向的作用。传统的 喷嘴都是圆管式的，目前国内外都发明了多种新式喷嘴，在喷嘴侧面开孔或设置 导流管，以加强喷嘴的引流作用，提高清灰的效果。 ( 4 ) 电磁脉冲阀 电磁脉冲阀一端与压缩空气包相连，电磁脉冲阀另一端与喷吹管相接。当脉 冲控制仪没有信号输入时，脉冲阀的充气1 2 1 被封住，脉冲阀是关闭的状态；当脉 9 袋式除尘器喷吹清灰系统及气流流场研究 冲控制仪发出信号时，控制阀将脉冲阀开启，压缩空气由气包通过脉冲阀经喷吹 管的喷嘴进入滤袋中，进行清灰操作。 ( 5 ) 滤袋 滤袋在长度，直径有各种不同的配套参数，滤料的材料和性质很大程度上影 响着清灰的效果，现在出现的滤料品种及性能，其主要方向也是提高滤袋的过滤 性能，抗酸性，耐腐蚀性等等1 2 0 ，2 。 2 3 2 脉冲滤袋除尘器清灰机理 袋式除尘器过滤过程实际分成两个阶段：首先是含尘气体通过清洁滤料， 此时起过滤作用的主要是滤料；当滤料上捕获的粉尘不断增加时，一些粉尘嵌 入到滤料的内部，一些附着在滤料的表面形成粉尘层，此后含尘气体的过滤主要 是依靠粉尘层进行的，粉尘层起着比滤料更为重要的作用，此时补集效率大为提 高。所以，靠滤料上形成的粉尘层的过滤作用是袋式除尘器捕集效率高的主要原 因，滤料的作用是起着形成及支撑粉尘层，而且清灰时应保留粉尘初始层，过度 清灰会引起效率显著下降，加快滤袋损伤。 脉冲喷吹清灰的基本原理是：当滤袋的内外的压力达到设定的上限，或者时 间间隔达到设定值时，脉冲阀开启，将压缩空气在极短暂的时间内( 不超过0 2s ) 高速喷向滤袋，同时诱导5 - - 一7 倍的二次气流形成空气波，在滤袋口至底部产生 急剧的膨胀和冲击振动，使滤袋在短促的时间内进行“鼓一瘪一鼓”地往复变形， 其粉尘层也随之发生变形、断裂，以块团状脱离滤布并受重力作用下落。清狄时， 清灰气流在使滤袋膨胀变形的同时也穿过袋壁和粉尘层，其过程演示见图2 3 1 2 2 2 3 1 。 图2 - 2 脉冲清灰气团在袋内移动过程 f i g 2 - 3a i rm a s sm o v i n gp r o c e s si nb a g 一些学者提出了几种脉冲袋式除尘器的清灰机理，如加速度、剪切、屈曲一 拉伸、扭曲和逆向气流等。目前绝大多数研究者认为滤袋膨胀到极限位置时的最 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 大反向加速度起主要作用。也有一些学者认为喷吹时逆向穿过滤袋的气流对清灰 起作用。脉冲喷吹清狄同爆破过程有相似之处，清灰三要素是：反向加速度、滤 袋内的压力峰值、内压力上升速度。以这三项指标衡量清灰效果不仅适用于脉冲 袋式除尘器，也适用灰的于反吹清袋式除尘器。有人【冽通过研究指出，清灰气流 要吹掉沉积在滤袋上的粉尘，其速度必须比过滤气流高得多。f l o f f e r l 2 5 】曾测得， 在大多数情况下将尘粒从纤维上吹落的气流速度至少要达到l o - 2 0 m s 1 ，而 e l l e n b e e k e r 和l e i t h l 2 6 1 在试验室测得脉冲喷吹时的气流速度仅为0 3 - 0 5 m s ；因 此可以认为，脉冲喷吹气流对粉尘剥落所起的作用很小。 对于清灰机理有多种说法，主要有以下几种作用结果。 ( 1 ) 反吹气流作用。js i e v e r t 和fl o e f f l e r 2 7 1 t 酱研究了反吹气流和加速度对 清除尘粒的作用。结论说明在滤袋下部，通过反吹气流作用实现清灰是完全有可 能的。随着清灰前黏附粉尘密度的增加，清灰效率在升高。这是因为，对于薄的 粉尘层，气流量较小时，大部分反吹气流从粉尘之间的裂缝或空袭穿过，所以， 要想获得较高的清灰效率则需要较大的气流量，厚粉尘层所受的力就大，清灰效 率就高。实践中也常常看到，较厚粉尘被清灰时，常常是大片大片的从滤袋表面 剥落。 ( 2 ) 惯性作用。清灰效率与黏附的粉尘密度有关。对于较厚的粉尘层，较 小的加速度就可以获得较好的清灰效果。这是因为，粉尘所获得惯性力不仅与粉 尘的加速度有关，而且与粉尘的质量有关。当加速度增加到一定值后，在增加加 速度的值，清灰效率变化不大。 ( 3 ) 弹性作用。当惯性或者反吹气流起主要清灰作用时，滤料的弹性对清 灰效果的都有一定影响。对于非弹性滤料，要想获得和弹性滤料相同的清灰效果， 需要远大于弹性滤料的加速度和反吹气流。 2 4 脉冲滤袋除尘器滤料类型 滤料是袋式除尘器的主要组成部分，通过滤料的过滤，使含尘气体净化。在 除尘器的阻力中，滤料的阻力占有相当大的比重，有时高达7 5 。袋式除尘器的 性能在很大程度上取决于滤料的性能。滤料的性能主要包括过滤效率、透气性和 强度。这些都和滤料的材质和结构有关【捌。 按滤料的制造方法可分为： 织造滤料是在相互垂直排列的两个系统中，将事先纺制的( 经，纬) 纱线， 按一定规律沉浮交错( 即交织) 而成的滤料。 非织造滤料不经过一般的纺纱和织造过程，直接使纤维成网再用机械的、 化学的或其他方法，将它固结在一起的纤维结构滤料。 袋式除尘器喷吹清灰系统及气流流场研究 热塑成型滤料将聚合物热压成多孔型过滤元件，再涂以防腐材料而成的滤 料。 多孔陶瓷滤料利用陶瓷纤维或其他耐高温材料加粘结剂及成孔剂烧结而 成的滤料，具有耐高温特性。 纸质滤料利用湿式造纸法制成的薄形滤料，这种滤料便于折叠制成过滤 筒，可