脉冲喷吹装置的清灰特性及相关技术

1 前言
在20世纪80年代走入低谷，并经过不断发展进步之后，脉冲袋式除尘技术在最近十几年中以其全新的面貌和良好的技术经济指标，逐渐成为烟气净化和工业除尘工程中的首选袋式除尘设备。关心这一技术的人们，围绕设计和应用提出了许多问题。对这些问题的深入了解，有利于脉冲袋式除尘技术的正确应用，可能避免或减少工程实践中出现技术和经济方面的失误。因此，拟借此文就有关问题与同行探讨。
2脉冲袋式除尘器的清灰机理衡量指标
(1) 脉冲喷吹清灰的实际过程可以描述为：在脉冲喷吹时，清灰气流使滤袋内的压力急速上升，滤袋迅速向外膨胀，当袋壁膨胀到极限位置时，很大的张力使其受到强烈的冲击振动，并获得最大反向加速度从而开始向内收缩；但附着在滤袋表面的粉尘层不受张力作用，由于惯性力的作用而从滤袋上脱落。
  (2) 袋壁的最大反向加速度与清灰效果是一致的，就是说，最大反向加速度越高，清灰效果就越好。
  (3) 在研究脉冲袋式除尘器清灰机理的过程中，一些学者曾认为机械振打袋式除尘器的几种清灰机理(诸如加速度、剪切、屈曲-拉伸、扭曲和逆向气流等)，也是脉冲袋式除尘器的清灰机理。目前，绝大多数研究者认为滤袋在喷吹时膨胀到极限位置时的最大反向加速度起主要作用，而另一些学者则认为喷吹时逆向穿过滤袋的气流对清灰起作用。
为了研究逆向气流的清灰作用，一些学者进行了有益的试验。结果证明，逆向气流要将尘粒从滤袋表面吹落，其速度至少需要10~20m/s；粒子越小，其粘附力对拉力的比值越大，越难吹落，因而需要更高风速。
实际情况下，脉冲袋式除尘器清灰时逆向气流远远达不到上述速度：一位研究者估算，脉冲喷吹时的逆向气流平均速度为150mm/s，无论无何也不会超过610mm/s；而另外两位研究者在实验室测得的逆向气流速度仅30~50mm/s。由此可以认为，在脉冲喷吹时，逆向气流对粉尘剥离所起作用非常小，任何粉尘从滤袋表面的脱落都是由于滤袋面运动的结果。
一项试验支持了上述观点。研究者将袋笼的直径稍微缩小，并在袋笼上楔入圆棒来缩小滤袋与袋笼之间的空隙，同时尽量保持气脉冲的恒定，以使逆向气流不发生大的变化。结果表明，在逆向气流不变的条件下，通过限制滤袋壁面的运动，清灰后的剩余压差显著增加了。工程应用的脉冲袋式除尘器，也曾发现由于滤袋在袋笼上绷得过紧而清灰不良的情况，而此时脉冲喷吹的逆向气流并末减少，只是滤袋被绷紧后袋壁的运动大大受限，因而其膨胀到极限位置时受到的冲击振动大为减弱。
至于反吹清灰袋式除尘器，由于逆向气流的速度更小，通常只有16~30mm/s，所以更难以将粉尘从滤袋表面吹落。
(4) 国内研究者的结论与上述相同。实际上，脉冲喷吹清灰同爆破过程有相似之处。除了最大反向加速度外，清灰时滤袋内的压力峰值和压力上升速度也是衡量清灰效果重要指标。
(5) 以滤袋内的压力峰值、压力上升速度和滤袋壁的最大反向加速度这三项指标衡量清灰效果，不仅适用于脉冲袋式除尘器，也适用于反吹清灰的袋式除尘器。
图1是菱形扁袋式除尘器清灰时滤袋的压力和加速度波形。可以看出，不但压力峰值低(仅55Pa)，而且压力上升速度特别小(0.85Pa/ms)，只有脉冲喷吹(294.93Pa/ms)的2.88‰，其最大反向加速度基本为零。这与该类除尘器在实际运行中清灰效果不佳、阻力偏高的情况完全吻合。


图1 菱形扁袋除尘器滤袋内压力波形和加速度波形
（反吹风速V=2m/min时）

(6) 以前人们曾认为，清灰时，脉冲喷吹气流从袋口冲向滤袋底部，在由底部被反射回来的过程中，滤袋内的压力进一步增高，使袋壁受到冲击振动，从而将滤袋表面的粉尘清落。
试验观察到的脉冲清灰过程与此不同。图2显示的波形清楚地表明，最大反向加速度与第一个压力波峰同时出现；其后，尽管压力峰值大大高于第一个波峰，但反向加速度却很小，并随着时间的推移而迅速趋于零。这一事实说明，脉冲喷吹气流在滤袋内的清灰作用是由第一次冲击所产生的：高压气团在从袋口冲向袋底的过程中，依次将滤袋表面的粉尘清落。


图2 Ⅱ型环隙脉冲喷吹系统袋中测点的压力和加速度波形
（Pt=0.55MPa）

(7)对滤袋不同部位进行的测试表明，其最大反向加速度出现的时间，是从袋口向袋底推移的：最先是袋口，最后是袋底。这也说明，清灰气流对滤袋的第一次冲击对于清灰来说起着决定性的作用。
3脉冲袋式除尘器的滤袋长度
（1）脉冲袋式除尘器的滤袋长度与其所喷吹装置的型式有关，不同型式的喷吹装置有不同的喷吹压力，也有与之相适应的滤袋长度。
（2）美国一些学者将脉冲袋式除尘器按压力的高低分为三类，其压力范围和相应的袋长列于表1。
表1  美国学者对脉冲袋式除尘器的分类
名称压力（kg/cm2）滤袋长度/m
高压脉冲≤6.53.0～4.5
中压脉冲≤4.04.5～6.0
低压脉冲≤2.16.0～8.0

（3）就长袋低压脉冲袋式除尘器而言，滤袋长度6～8m是正常的，实际应用中6m袋长已经非常普遍，7～8m长的滤袋也较多。
（4）常有人担心长达6～8m的滤袋能否获得良好的清灰效果，事实证明这种担心是不必要的。我们曾进行高炉出铁场烟气净化半工业试验，滤袋长度8m。在连续一年的工作期间，在过滤风速1.45m/min条件下，试验样机的阻力始终低于1200Pa ，说明清灰效果良好。通过观察门定期查看滤袋，结果是，底部2m滤袋表面并不比上部积灰更多。
大量的长袋低压脉冲袋式除尘器被应用于炉窑烟气的净化（例如炼钢电炉等），滤袋长度6～7m。这些炉窑烟尘的颗粒细、粘性强、清灰困难，但事实表明，只要设计选型得当，制作安装保证质量，长滤袋在这样难以清灰的烟尘条件下也能获得良好的清灰效果。并将设备阻力长期保持在1400 Pa以下，说明长滤袋不是清灰的障碍。
从实验室试验结果来看，脉冲袋式除尘器滤袋获得的清灰强度，最薄弱的部位不是袋底，而是袋口。袋底的清灰强度稍低于滤袋中部，但却远高于袋口。说明不需要为长滤袋的清灰效果而担心。
4 关于袋笼竖筋的数量
（1）袋笼竖筋的数量在最近的十年中逐渐增多。最早滤袋直径为Φ120～130mm，袋笼竖筋的数量为8根；后来出现Φ160mm的滤袋，袋笼竖筋为12根。现在滤袋的尺寸多样化，从Φ120mm到Φ170mm都有，而袋笼的竖筋被要求做成12到24根不等，更有甚者，个别的袋笼竟被要求更多的竖筋。
（2）这种情况的出现，重要原因之一在于滤料厂商提出的要求。随着袋式除尘器应用的增多，业主越来越关注滤袋的长寿命，滤料和滤袋厂商为了使自己的产品更有吸引力，采取了措施之一就是期望增加袋笼的竖筋数量，以求降低滤袋表面的受力。
（3）从延长滤袋使用寿命的角度而言，增加袋笼的坚筋确有好处。但不能不注意这样做的负面影响。
其一，如前所述，滤袋的清灰效果与滤袋自由变形的程度有很大关系，在横筋和竖筋所处的位置，是清灰的薄弱环节。筋的数量（特别是竖筋的数量）越多，清灰不良的面积就越大，另一方面，由筋构成的面积减小，使得滤袋变形的程度降低，也削弱清灰效果。
其二，筋的数量过多将减小滤袋的有效过滤面积。横筋所占滤袋面积相对较小，对于6m 长滤袋，如果横筋Φ4mm,间距160mm，按贴合横筋的周长50%计算，滤袋与横筋贴合的总长为157mm，滤袋有效面积将被占去2.62%。但竖筋的影响则大得多，例如，对Φ150mm的滤袋，采用16根筋的袋笼，竖筋直径Φ3.2mm，筋与滤袋的贴合部分占筋周长的1/3，则竖筋与滤袋贴合的总周长为53.6mm，亦即滤袋有效过滤面积的11.36% 将被占去。如果竖筋的数量增至22根，则这一数字将上升为15.62%。
滤袋的有效面积被过多地占据，将导致实际过滤风速显著提高。以上述情况为例，如果设计过滤风速为1.2m/min，在过滤面积被占去11.36%和15.62%时，实际过滤风速将分别变为1.35m/min和1.42m/min，这会提高袋式除尘器的阻力，对延长滤袋的寿命也会起到反面作用。
5 “低压脉冲”是对“高压脉冲”的进步
通常称脉冲袋式除尘器的“低压”或“高压”，系指脉冲喷吹装置要求的气源压力，这同清灰气流在滤袋内的压力“低”或“高”完全是两回事。
传统的脉冲袋式除尘器（国内以MC型中心喷吹为代表）都是“高压脉冲”，其喷吹装置要求的气源压力0.6～0.7MPa。“低压脉冲”是在“高压脉冲”的基础上经不断改进而形成的，是对“高压脉冲”的一种进步。
存在一种误解，“高压脉冲清灰力量大，低压脉冲清灰力量小”。实际上，压缩空气的压力不可能全部消耗在滤袋上，滤袋绝对承受不了那样高压气流的冲击。在“高压脉冲”袋式除尘器中，压气的压力大部分被喷吹装置所消耗。
国外目前还有众多类型的脉冲袋式除尘器仍是高压脉冲，原因之一是使用这些袋式除尘器的工厂配有压力充足的压气管网。
经测试，“高压脉冲”在压力0.6 MPa条件下，2m长滤袋底部的压力峰值为1682Pa（表2）。鉴于高压脉冲袋式除尘器曾获得广泛应用，其清灰能力强的特点已被公认，可以确定，无论何种喷吹装置，只要使袋底压力峰值达到此水平，在实际应用中便可获得良好的清灰效果。长袋低压脉冲袋式除尘器的开发便是以上述清灰强度为标准而确定清灰气源的最低压力。由表2的数据可以看出，压力0.15 MPa时，其6mm长滤袋便获得这种清灰强度。在其实际应用中额定的喷吹压力（0.2MPa）下，袋底压力峰值为1940～2341Pa，比高压脉冲袋式除尘器0.7 MPa条件下的清灰强度还要高。

表2  低压脉冲和高压脉冲喷吹装置的性能
型式喷吹压力/MPa喷吹时间/ms袋底压力峰值/Pa喷吹压力量/（m3/阀·次）压力耗量/（L/m2阀·次）
低压脉冲0.1556～961452～18860.099～0.1972.92～5.81
0.2068～911938～23380.166～0.2234.90～6.58
高压脉冲0.60130～1401682～17440.0249～0.02675.53～5.93
0.70130～1401823～18980.0257～0.02775.71～6.16

由此可知，“低压脉冲”是以保持甚至适当提高滤袋所获清灰强度为前提，实现大幅度降低喷吹（气源）压力的目标，而其途径，是用自身阻力低的直通式脉冲阀取代压力消耗高达0.2～0.3MPa的直角式脉冲阀，同时尽量降低喷吹系统每一部件的阻力，并且使脉冲阀的启闭变得更加快速。它所降底的是脉冲喷吹系统自身的消耗，由此而降低所需的气源压力，使能耗下降，适应性更强，而清灰强度却反而提高。因此，这是对“高压脉冲”的一种进步。
气源压力大幅度降低，而清灰强度不削弱甚至还得以增加，是否靠提高耗气量来弥补？由表2可见，答案是否定的：同高压脉冲除尘器相比，CD型低压脉冲袋式除尘器的耗气量大致相同。
6 管式喷吹和箱式喷吹
   （1）脉冲喷吹装置有“管式”和“箱式”喷吹两种形式。
前者是在每排滤袋上方设喷吹管，通过管上的喷嘴向滤袋内输送清灰气流。喷嘴孔径各不相同，可保证各条滤袋清灰强度均匀。
后者则不设喷吹管，清灰气流喷入上箱体并使之增压，进而将能量传递至滤袋以实现清灰。
（2）对箱式脉冲喷吹的试验表明，处于不同部位的各条滤袋之间，清灰强度存在较大差异。
试验对象是一种带有集中引射器的喷吹装置，每排12条滤袋。当引射器出口距第一条滤袋中心线110mm时，首、末两端滤袋的袋底压力峰值之比为1比4.94～13.44(表3)。将引射器位置移向远处，此种差距可以缩小，当其出口距第一条滤袋中心线470mm时，上述比值为1：（1.93～2.20）。即使如此，位置靠前的滤袋仍嫌清灰能力不足，而且给整体结构增加了困难。
（3）实际应用的箱式喷吹袋式除尘器还存在以下不足之处：压气耗量较大；滤袋长度受到限制；清灰效果对停风（离线）阀的气密性依赖较大。
(4 )箱式喷吹的优点是换袋操作省去了拆、装喷吹管的工序。
（5）综上所述，在清灰效果、耗气量、滤袋长度等长期起作用的因素方面，箱式喷吹存在着明显的缺点；而其换袋操作更简便的优点，只在一年至数年才出现一次的换袋时体现出来。因此，采用管式喷吹更为合理。

表3  箱式喷吹装置的清灰性能
序  号引射器出口与第一条滤袋的距离/mm袋底压力峰值/Pa
1#袋3#袋6#袋12#袋
111029582210751475
21101124519201508
347061092010101345
447067093010701295

7 文丘里管的“功”与“过”
(1) 由喷吹管喷出的压缩气体具有很高的速度，其能量主要以动压的形式存在。由于动压只作用于气流前进的方向，因而对位于其垂直方向的滤袋壁面不起作用，只有当其转换成静压时，才能起到清灰作用。
文丘里管的作用在于，促进喷出的压缩气体与被其诱导的二次气流尽快进行能量交换。
(2) 文丘里管的负面影响不容忽视
其一，增加设备阻力。被净化的含尘气体进入滤袋内部，自下而上流向袋口时，先经过文丘里管。通常滤袋直径≥120mm，而文丘里管喉口直径仅46mm，气流经过时，速度将增加至滤袋内的6.8倍，从而增加阻力。曾对长度2000mm滤袋进行测试，该阻力约150Pa。当滤袋更长时，阻力将更高。
其二，削弱清灰效果。良好清灰效果的获得，只有在最大的清灰气量以最短的时间内进入滤袋的条件下才能实现。显然，这就要求清灰高压气团的通道尽量通畅，阻力尽可能的小。文丘里管的存在，恰恰导致相反的效果，它使气流的通道大大缩小，形成瓶颈，延长了清灰气量进入滤袋的时间，使高压气团变得细长，从而显著削弱了对滤袋袋壁的冲击力，袋内压力波形的峰值被降低、时间被拉长，使原应“高”而“陡”的压力波形变成“低”而“平”的波形，最大反向加速度显著降低。
其三，减少了部分过滤面积。文丘里管长度范围内的滤袋得不到有效的清灰，该部分滤袋表面积灰很厚，因而不起过滤作用。
(3) 对比试验
  曾进行加文丘里管和不加文丘里管的对比试验。滤袋直径Ф120mm，长度3m。采用直通式快速脉冲阀，一个脉冲阀负担16条滤袋。脉冲时间56～72ms。分别在加和不加文丘里管两种条件下测试滤袋底部的压力峰值。试验结果列于表4。


表4 加和不加文丘里管条件下的性能参数
喷吹压力/MPa0.40.30.2
袋底压力/Pa加文丘里管1310～1560970～1170720～900
不加文丘里管1450～18701030～1370650～920

从试验结果看出，除个别数据外，不加文丘里管条件下的袋底压力普遍较高。说明文丘里管确有削弱清灰效果的作用。
(4)工程应用中，也曾发现文丘里管影响清灰，而将文丘里管拆除，代之以一段直管时，清灰效果有所改善。
(5)笔者认为，对于长度3m以下的滤袋，加文丘里管较为适宜；而对于长度较长的滤袋，则不宜加文丘里管。
8 喷吹管的孔径相同与不同
(1)对于喷吹管的孔径，有两种不同的做法：其一，每个孔径的直径都相同；其二，各个喷孔的直径不相同。
(2)为了确定哪种做法更有利于清灰，进行了试验。
滤袋长度3m，以16条为一排。两根直径相同的喷吹管，其中一根喷吹管上的16个喷孔直径完全相同，而另一条喷吹管则将喷孔分成几组，各组之间孔径不同。
分别在三种喷吹压力下进行试验，在滤袋底部设压力传感器，测试袋底压力峰值。试验结果列于表达5  

表5  喷管直径相同和不同的比较
孔径相同喷吹压力/MPa0.40.30.2
袋底压力峰值/Pa袋115601340980
袋16183015201190
压气耗量/（m3/阀·次）0.0620.0500.031
孔径不同袋底压力峰值/Pa袋117001330970
袋16216017201200
压气耗量/(m3/阀·次)0.0600.0500.030

(3)从表5可见，在喷吹压力0.2MPa时，两种情况的袋底压力相当；而在喷吹压力0.3～0.4MPa条件下，喷孔直径不同的清灰强度更高。
在三种喷吹压力下，喷吹气量基本相同。
9 喷吹气流能否达到超音速
(1)从理论上讲，压缩气体的压力超过0.1MPa，而且将其瞬间释放时，就可能产生激波，既流速达到声速。
为了考察脉冲喷吹时气流能否达到声速，在研制长袋低压脉冲袋式除尘器过程中，曾用两种方法考察喷吹气流的速度：①以专用仪器对喷吹管内和喷嘴处的流速进行测试；②根据喷吹管上不同部位传感器的时间差进行计算。结果表明，在不同的压力下，无论喷吹管内或是喷嘴出口处，都末达到声速，而是亚音速，最高为300～310m/s。
 （2）要达到声速，除了压力之外，关键的问题是“瞬间释放”。如果压缩空气的释放速度不够快，仅仅压力高是没有用的。人们在开启压气系统的阀门时，尽管管内压力高，但气流速度远远不能达到声速。脉冲阀膜片的开启速度虽然快，但离“瞬间”的要求仍有距离，这是其达不到声速的原因。