袋除尘器脉冲喷吹系统的试验研究
2019-08-1018:02:50
目前，在工业烟气粉尘污染治理，袋除尘器以其除尘，适应范围广，逐渐替代电除尘器成为主导技术。脉冲喷吹系统是影响袋除尘器除尘效率的关键因素之一，也是影响滤袋寿命和除尘器运行阻力的重要因素。由于袋除尘器用脉冲阀的性能存在较大差异，使得工程应用中的袋除尘器脉冲喷吹系统性能存在差异，并影响到除尘器除尘效率和滤袋寿命。本文利用脉冲喷吹试验台开展脉冲喷吹试验，探索不同规格型号的脉冲阀和喷吹管等参数的关系以及滤袋袋口、袋中和袋底喷吹压力变化规律。为袋除尘技术特别是喷吹技术的优化设计提供依据，也利于指导袋除尘工程设计。
1试验
1.1试验设备
一套脉冲喷吹试验台（见图1），包括脉冲喷吹系统的物理本体及数据采集系统。
图1脉冲喷吹试验台
1.供气系统；2.分气箱；3.脉冲阀；4.喷吹管；5.数据采集点；6.滤袋组件；7.PLC数据采集系统；8.计算机
其中本体包含袋除尘器喷吹系统的主要部件：供气系统、分气箱、脉冲阀、喷吹管和滤袋组件（包含滤袋及袋笼），试验台的物理本体有关参数与产品参数相同，并按照试验需要设计为可调节，如喷吹管可以进行换、喷吹管长度和喷吹管直径可调节及分气箱上可以安装4种以上脉冲阀（包括3英寸淹没阀以及柱塞阀）；脉冲喷吹试验台数据采集系统包含：压力变送器、屏蔽电缆、PLC数据采集系统和进行数据输出显示的计算机，并安装具有数据记录功能的试验控制软件（见图2）。根据试验需要，在试验台上设置若干数据采集点，以满足试验需要。
图2试验参数实时监控界面
1.2试验过程
按照试验大纲，调试好脉冲喷吹试验台，选定待测脉冲阀，接好喷吹管；接通PLC数据采集系统以及控制软件，在控制软件上设置好脉冲时间、喷吹压力等参数。启动供气系统，脉冲喷吹试验台开始工作，待分气箱中压力达到控制软件设定压力，试验台自动喷吹，各采集点的数据通过PLC数据采集系统传输到计算机控制软件中，并以数据库形式保存。依次按照试验大纲，对脉冲阀、喷吹压力、脉冲时间和喷吹管参数进行调整，并记录相关试验数据，完成脉冲喷吹试验数据采集工作。
2试验数据分析
2.1脉冲阀耗气量对比
选取4个厂家脉冲阀进行耗气量对比试验，其中B、C、D脉冲阀均为3英寸双膜片淹没式脉冲阀，为水泥行业袋除尘器常用脉冲阀，B脉冲阀出气口公称通径76mm，C、D脉冲阀出气口公称通径75mm。淹没式脉冲阀结构见图3[2]。
A脉冲阀为国产柱塞阀，也称作活塞式脉冲阀，与同规格膜片淹没式脉冲阀相比，具有大的喷吹气量，可以带多条滤袋，在电力行业应用较多。本次试验用柱塞阀的活塞直径105mm，结构见图4[3]。
图3淹没式脉冲阀结构
图4柱塞式脉冲阀结构
图5为A、B、C、D4个阀在相同的气源、储气罐及试验条件，相同的喷吹压力和脉冲时间下，喷吹过程中分气箱压力值变化曲线。
图5喷吹过程中4个脉冲阀充气箱压力峰值变化曲线
由分气箱压力变化曲线可以看出，4个脉冲阀耗气量的对比关系为：A阀＞C阀＞B阀＞D阀。其中A阀耗气量大，而B、C、D阀的耗气量较为接近，主要原因为柱塞阀的结构与膜片阀不同所致[2]。
脉冲阀每阀次的耗气量可根据公式（1）计算得出（计算结果略）：
式中：
ΔQ——脉冲阀每阀次喷吹耗气量，m3；
P0——系统初压，kPa；
Q——系统容积，m3；
Pa——标准大气压，kPa；
P1——系统末压，kPa；
K——定压比热与定容比热之比，K=1.4。
2.2脉冲阀喷吹效果对比
喷吹效果是判定脉冲阀性能的重要指标，本组对比试验选用滤袋上压力峰值以及选定压力值区间作用时间作为判定喷吹效果的指标。图6为相同参数下采用4个阀进行喷吹试验，测量到的滤袋袋口压力变化曲线。
图64个阀对袋口的喷吹压力峰值变化曲线
从图6所测试验数据可以看出，4个脉冲阀对滤袋压力峰值对比结果：B阀＞A阀＞C阀＞D阀。试验数据表明滤袋袋口压力峰大差值339.7Pa，大差值率21.8%。
以＞1000Pa为选定压力值区间，从作用时间方面对比，4个阀喷吹性能顺序依次为：B阀＞C阀＞A阀＞D阀。
从滤袋清灰角度，峰值压力的影响因子比作用时间的影响因子大一些。因此，综合两项对比，4个阀的喷吹性能对比结果为：B阀＞A阀＞C阀＞D阀。
2.3喷吹管前、中、后端喷吹压力对比
喷吹管前、中、后端喷吹压力对比试验在脉冲阀、喷吹孔直径、喷吹压力和脉冲时间一样的情况下，测量喷吹管近分气箱端到远分气箱端各喷吹孔位出口压力峰值见图7。
图7各喷吹孔压力峰值曲线
由图7可以看出，18孔喷吹管压力峰值从近分气箱端到远分气箱端依次增加，其中：1～6孔位和7～18孔位的压力峰值增长趋势近似为两条斜率不同的直线，其喷吹压力峰值近似为平面直角坐标系直线方程式：
y=knx+b（2）
式中：
y——各孔位压力峰值；
x——孔位；
kn——斜率值。
由图7可以看出，斜率k1＞k2。即1～6孔位（近分气箱端）喷吹压力峰值变化较大，而7～18孔位（远分气箱端）则变化较小。
这表明：喷吹管中每个喷嘴的流量分布不均匀，沿着喷吹方向，前端喷嘴的气体质量流量小，后端的气体质量流量大[4]。因此，在工程设计时，需要通过改变喷嘴直径来合理分配喷吹气流，沿着喷吹方向，喷嘴直径逐渐减小[5]。实际工程应用中，考虑到加工问题，通常近分气箱端3～5个喷吹孔直径相同，而远分气箱端喷吹孔直径相同，并且后者小于前者。
2.4滤袋袋口、袋中以及袋底喷吹压力对比
本组对比试验在脉冲喷吹系统进行喷吹时，同时采集同一条滤袋袋口、袋中以及袋底受到的气流喷吹压力数值来三个位置喷吹压力变化规律。具体试验数据见图8。
图8滤袋各部位压力峰值变化
由图8可以看到，滤袋各部位受到的喷吹气流压力峰值大小关系为：袋口＞袋底＞袋中。这是由于高压气流由喷吹孔喷出后，到达袋口，高压气流未扩散，故压力大；气流高速到达袋底过程中不断向四周扩散，到达袋底后在滤袋底部形成的压力，然后气流在袋笼底板反冲向上，加强了袋底区域滤袋压力，压力峰值沿着轴线向上逐渐衰减。
因此，袋除尘器喷吹时，滤袋袋底压力不是小的，滤袋压力峰值的小值在袋中某个区域。
2.5脉冲阀大滤袋喷吹数量喷吹效果的对比
如果单个脉冲阀可以带多的滤袋和长的滤袋，这样，袋除尘器的成本及钢耗比小，设备占地面积小，产品具竞争力。所以，探索单个脉冲阀大喷吹滤袋数量具有重要意义。
本组对比试验以B脉冲阀为例，采用18孔喷吹管和23孔喷吹管进行对比试验，试验数据见图9。
图9B阀不同喷吹孔数量的压力峰值曲线
通过两组对比试验可以看出：23个喷吹孔时滤袋压力峰值低于18个喷吹孔时的压力峰值。主要是由于在脉冲阀耗气量的情况下，喷吹孔增加，每个滤袋喷入的高压气流量相对减少，使滤袋上压力峰值降低。但也可以看出：23孔相比18孔喷吹管，喷吹孔数量增加27%，而B阀在23个喷吹孔时的作用效果比18个孔的喷吹效果降低幅度在10%以内；同时，对比C阀18孔喷吹管的喷吹压力（见图10），试验数据表明B阀23个喷吹孔的喷吹压力与C阀18个喷
吹孔喷吹压力接近，显示了B阀的良好喷吹性能，并说明B阀具备带23条滤袋的能力。
图10B阀23喷吹孔和C阀18喷吹孔的压力峰值对比试验
3结论
1）从耗气量上来看，4个脉冲阀的耗气量大小排序为：A阀＞C阀＞B阀＞D阀。
2）从脉冲阀对滤袋上作用压力峰值来看，作用效果大小排序为：B阀＞A阀＞C阀＞D阀。综合对比，4个阀的性能对比结果为：B阀＞A阀＞C阀＞D阀。
3）喷吹管近分气箱端和远分气箱端喷吹效果对比，相同喷吹孔直径下，对滤袋喷吹效果排序为：远分气箱端＞近分气箱端，其中近分气箱端喷吹孔的喷吹压力变化较大。因此，在喷吹管设计时，应该调整喷吹孔的直径，使各喷吹孔喷出气流对滤袋的喷吹效果相近。
4）从滤袋袋口、袋中以及袋底喷吹效果来看：袋口＞袋底＞袋中，袋底的压力峰值不是低的，低值应该在滤袋中部某个部位。
目前国内的袋除尘器还是以长度小于8m滤袋为主，脉冲阀普遍选用3英寸膜片式淹没阀，柱塞阀在电力行业应用较多。水泥厂为降低采购成本，在招标时往往指定脉冲阀及型号。但由于其对脉冲阀性能的不了解，其制定的脉冲阀与除尘器设计厂家的袋除尘器匹配性不好，使袋除尘器无法达到佳除尘性能，影响出口排放浓度。而通过本次试验可以很明显对各类型、脉冲阀的性能进行比较，不仅对设计人员起到参考作用，也可以让水泥厂业主直观地了解脉冲阀性能，做出正确选择。
此外，袋除尘技术正向8m以上滤袋技术方向发展，滤袋技术可降低袋除尘器占地面积和单位钢耗。欧洲厂家已完成了10m滤袋技术，并在水泥厂窑尾废气系统改造工程中应用，达到了理想的效果[6]。目前，我国水泥厂正在进行大规模的电除尘器改袋除尘器技术改造，电除尘器电场高度达12m以上，而采用滤袋袋除尘技术进行改造具有的技术优势。
本次试验结论4表明：喷吹时，滤袋袋底的压力不是小的，压力小的位置在袋底上方某一位置，因此采用滤袋技术不会对袋底清灰产生大的影响。但需要注意的是，采用滤袋技术时，不仅需要保持喷吹时滤袋上受到较大的峰值压力，还要有较大的喷吹气量以满足滤袋长度增加后清灰需要，而试验结论1和结论2表明：柱塞阀不较高的峰值压力作用效果，其较淹没阀有大的耗气量，可以满足滤袋清灰需要。因此，在设计人员进行滤袋技术、水泥厂进行电除尘器改袋除尘器时，柱塞阀是一个理想的选择。
