薛 峰,李 朋,黃琬嵐,胡 敏,顏翠平,陳海焱,楊 剛,b

(西南科技大學 a.環(huán)境與資源學院;b.固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室; c.四川省非金屬礦粉體改性與高質(zhì)化利用技術(shù)工程實驗室，四川 綿陽 621010)

電焊作業(yè)、粉體輸送、室內(nèi)裝修以及木材加工等領(lǐng)域，工業(yè)粉塵排放超標，對人類身體健康造成嚴重危害[1-2]。其中亟待解決的是可呼吸性粉塵的排放問題，如PM10、PM2.5。可呼吸性粉塵的過量吸入是塵肺病和其他呼吸道疾病的主要誘因[3-4]。

傳統(tǒng)的袋式除塵器具有占地面積大、運行維護成本高等缺陷[5-7]。褶皺式濾筒過濾精度高，結(jié)實耐用不易破損，運行維護成本大大降低，因此被廣泛使用[8-9]。褶皺式濾筒的結(jié)構(gòu)特點會導致除塵器運行阻力增大，難以維持長時間的穩(wěn)定運行，因此為了保障褶皺式濾筒除塵器的運行阻力維持在合理的工況范圍內(nèi)，常采用脈沖噴吹的方式對褶皺式濾筒進行清灰處理，以降低運行阻力，但在使用普通的噴吹管對褶皺式濾筒進行脈沖噴吹時會出現(xiàn)清灰不均勻、不徹底的問題，主要表現(xiàn)為濾筒中上部清灰效果差，粉餅難剝落等現(xiàn)象[10-12]，從而導致除塵器的運行阻力升高，風機能耗增加，制約了褶皺式濾筒的推廣使用。李世航等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，在除塵器過濾較細的粉塵粒徑d50=0～15 μm時，采取定阻清灰運行模式能確保每次脈沖清灰更有效，實現(xiàn)更佳的清灰效果。

為了提高褶皺式濾筒除塵器的清灰效果，降低除塵器的運行阻力，有許多學者進行了噴嘴設(shè)計與改善方面的研究[14-17]。劉東等[18]通過噴吹平臺實驗得出，在相同的0.4 MPa噴吹壓力下，相較于使用普通噴嘴，采用上部開口散射器對直徑×高為325 mm×1 000 mm的褶皺式濾筒進行脈沖噴吹時，濾筒上部側(cè)壁壓力峰值增大98%以上，下部側(cè)壁壓力峰值減少33.6%以上，有效改善了清灰的均勻性。張情等[19]通過采用誘導噴嘴即超音速引流噴嘴和氣流散射器，對直徑×高為325 mm×660 mm褶皺式濾筒進行噴吹實驗，并與普通噴吹孔實驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)采用誘導噴嘴時側(cè)壁壓力峰值平均值是普通噴吹孔的1.465倍，采用誘導噴嘴時各測點基本在同一時刻達到正峰值，確保了濾筒內(nèi)壁清灰壓力的均勻性。對于噴嘴改善清灰效果的研究多集中在獨立的濾筒脈沖噴吹實驗，通過壓力傳感器測量側(cè)壁壓力峰值來進行評判。

在此基礎(chǔ)上，本文中進一步開展實際的除塵器工業(yè)粉塵過濾實驗，通過除塵器運行阻力等工業(yè)參數(shù)來表征不同類型噴嘴的實際清灰效果。以優(yōu)化工業(yè)車間內(nèi)除塵器的可持續(xù)運行狀態(tài)為出發(fā)點，采用褶皺式濾筒作為過濾材料，自主設(shè)計了柜式工業(yè)除塵器，以此作為實驗平臺，以普通噴嘴、上部開口散射器、誘導噴嘴為研究對象，分別進行實際的工業(yè)粉塵過濾實驗。噴吹形式均為定阻力清灰，通過除塵器的噴吹剩余壓降，清灰間隔時長等參數(shù)來表征噴嘴的清灰效果。

1 實驗

1.1 裝置與材料

圖1所示為柜式工業(yè)除塵器的實驗平臺結(jié)構(gòu)。主要包括：4-72-3.2A型離心風機(四川省川西風機有限公司)；2個褶皺式覆膜濾筒(廣東省美凈濾清器有限公司)，具體參數(shù)見表1；氣包；2個直角DMF-Z-25型電磁脈沖閥(協(xié)昌環(huán)保科技有限公司)；SXC-X8A1-L型脈沖控制儀(河北永鑫環(huán)保設(shè)備有限公司)；TSI-8533EP型氣溶膠監(jiān)測儀(美國TSI有限公司)；U型管壓力計(量程為±6 000 Pa(合肥杜威儀表科技有限公司)；ZXC-2型振動下料器(河北喬達環(huán)?？萍加邢薰?。

圖1 柜式工業(yè)除塵器Fig.1 Cabinet industry dust collector

表1 濾筒尺寸參數(shù)表Tab.1 Parameters of filter cartridge

粉煤灰作為工業(yè)粉塵過濾實驗的粉體顆粒，粒徑分別為d10=2.45 μm,d50=9.4 μm,d90=26.67 μm。

1.2 噴嘴與噴吹條件

利用2根直徑為25 mm的噴吹管分別負責2個濾筒的噴吹，噴吹孔直徑為16 mm，脈沖寬度均為0.08 s，每種噴嘴的樣式與噴吹條件參考了之前研究的最優(yōu)結(jié)果[18-19]，見圖2，具體噴吹條件參數(shù)見表2。

圖2 不同噴嘴樣式與尺寸Fig.2 Size and type of different kinds of nozzles

表2 噴吹條件參數(shù)Tab.2 Parameters of pulse-jet cleaning conditions mm

1.3 方法

通過工業(yè)粉塵過濾過程中除塵器運行阻力的變化與定阻清灰間隔時長來表征3種不同類型噴嘴對褶皺式濾筒的清灰效果。由于設(shè)備氣包容積的限制，實驗平臺無法滿足長時間進行噴吹壓力為0.5 MPa以上的噴吹清灰。同時考慮到較高的噴吹壓力會對濾筒下部造成損耗，實驗變量為不同的噴吹壓力(0.2、0.3、0.4 MPa)和不同的噴嘴型式(普通噴嘴、上部開口散射器、誘導噴嘴)，交叉組合出9組工業(yè)粉塵過濾實驗。實驗的其他運行參數(shù)均保持統(tǒng)一，即通過變頻器調(diào)整風機頻率，設(shè)定過濾風速為1.4 m/min。通過預(yù)設(shè)的處理風量提前計算并稱量出入口粉塵質(zhì)量濃度達到40 g/m3時除塵器每運行5 min所需的進口粉塵質(zhì)量，由振動加料器在額定時間內(nèi)均勻地送入除塵器進口，從而盡量均勻地將除塵器的入口粉塵質(zhì)量濃度控制為40 g/m3；設(shè)定每組實驗運行時間為100 min，全程用氣溶膠監(jiān)測儀持續(xù)記錄除塵器出口粉塵質(zhì)量濃度，并通過U型管讀數(shù)記錄除塵器運行阻力的變化情況。

采用定阻噴吹的脈沖清灰形式，需先測量除塵器空載時即入口處不吸入粉塵的初始運行阻力Δp0，在除塵器過濾風速穩(wěn)定在1.4 m/min時，通過U型管讀數(shù)測得系統(tǒng)的初始運行阻力Δp0=30 Pa，參考李世航等[20]的研究，本實驗中設(shè)定當除塵器運行阻力達到8倍的Δp0時(240 Pa)進行一次脈沖噴吹。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種噴嘴在不同噴吹壓力下的清灰效果比較

圖3所示為除塵器使用普通直角噴嘴，在0.2、0.3、0.4 MPa 3種噴吹壓力下進行定阻力240 Pa脈沖清灰的運行阻力變化情況。

由圖3中紅色標識可知，當除塵器運行阻力達到240 Pa，即8倍的Δp0時，進行1次脈沖噴吹過后的瞬間，除塵器阻力下降到最低點的阻力值，記作剩余壓降值pR(Pa)；從第1次脈沖噴吹開始，到下一次脈沖噴吹進行的間隔時間，記作清灰間隔時間t(s)。剩余壓降值pR越小，清灰間隔時間t越大，表明除塵器在定阻清灰模式下的清灰效果越好[21]。

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，當使用普通直角噴嘴進行定阻清灰時，隨著噴吹壓力的增大，平均清灰間隔時間也隨之增大。當噴吹壓力從0.2 MPa提升到0.3 MPa后，平均清灰間隔時間增加了172 s；當噴吹壓力從0.3 MPa提升到0.4 MPa時，平均清灰間隔時間增加了14.6 s，變化不顯著。另一方面，隨著噴吹壓力的增大，平均剩余壓降先減小后增大。當噴吹壓力從0.2 MPa升高到0.3 MPa時，平均剩余壓降顯著減小，減少了50.45 Pa；當噴吹壓力從0.3 MPa提高到0.4 MPa時，平均剩余壓降略微增大了9.3 Pa。

圖4所示為除塵器使用上部開口散射器在0.2、0.3、0.4 MPa噴吹壓力下進行定阻力240 Pa脈沖清灰的運行阻力變化情況。由圖可知，當采用上部開口散射器進行定阻清灰時，隨著噴吹壓力的增加，平均清灰間隔時間也隨之顯著增加。當噴吹壓力從0.2 MPa提升至0.3 MPa時，平均清灰間隔時間增加了171.5 s；當噴吹壓力從0.3 MPa升高到0.4 MPa后，平均清灰間隔時間依然大幅增加，增加了180.8 s。另一方面，隨著噴吹壓力的增大，平均剩余壓降的變化并不顯著。當噴吹壓力從0.2 MPa增加到0.3 MPa時，平均剩余壓降僅增加了3.3 Pa；當噴吹壓力從0.3 MPa進一步升高到0.4 MPa時，平均剩余壓降也只是增加了3.84 Pa。

觀察圖3與圖4可知，在相同的噴吹壓力下，使用上部開口散射器時的除塵器平均清灰間隔時間均比使用普通直角噴嘴時更長，即有效減少了維持除塵器穩(wěn)定運行所需的脈沖噴吹次數(shù)。這一現(xiàn)象主要歸結(jié)于上部開口散射器對于噴吹氣流流場的改變，開口散射器的錐形結(jié)構(gòu)在降低了噴吹氣流的流速同時又卷吸誘導了部分流體，既降低了濾筒下部承受的噴吹壓力，又提高了濾筒上部的噴吹壓力，使整個噴吹過程更加均勻，提高了濾筒上部的粉餅剝落效率。在0.2 MPa噴吹壓力下使用上部開口散射器的平均剩余壓降顯著低于使用普通直角噴嘴，在其他噴吹壓力下則略高于普通直角噴嘴。

圖5所示為除塵器使用誘導噴嘴，在0.2、0.3、0.4 MPa噴吹壓力下進行定阻力240 Pa脈沖清灰的運行阻力變化情況。由圖可知，當使用誘導噴嘴進行定阻清灰時，隨著噴吹壓力的增加，平均清灰間隔時間也隨之增加。當噴吹壓力從0.2 MPa提高到0.3 MPa之后，平均清灰間隔時間由187.88 s大幅增加到了466 s；當噴吹壓力從0.3 MPa增長到0.4 MPa之后，平均清灰間隔時間僅增加了87.7 s。隨著噴吹壓力的增大，平均剩余壓降在逐漸減小。當噴吹壓力從0.2 MPa升高到0.3 MPa時，平均剩余壓降減小了13.88 Pa；當噴吹壓力從0.3 MPa進一步升高到0.4 MPa時，平均剩余壓降從144 Pa減小到了116.25 Pa，減少了27.75 Pa。

對比圖3與圖5可知，在0.2 MPa的噴吹壓力下，使用誘導噴嘴時的除塵器平均清灰間隔時間要少于使用普通直角噴嘴時。在0.3、0.4 MPa的噴吹壓力下，使用誘導噴嘴時的平均清灰間隔時間比使用普通直角噴嘴時更長，即同樣運行時間內(nèi)只需更少的脈沖噴吹次數(shù)，這一改善效果源于誘導噴嘴上半部分的引流噴嘴可通過側(cè)孔誘導大量氣體并在出口處再次形成卷吸，使更多氣體進入濾筒內(nèi)部，之后通過氣流散射器使氣流分散，進而大面積、低速度地進入濾筒內(nèi)部，動壓轉(zhuǎn)換為靜壓，有利于加大清灰力度。在0.2、0.4MPa噴吹壓力下使用誘導噴嘴時的平均剩余壓降同使用普通直角噴嘴時差別不大，在0.3 MPa噴吹壓力下則高于普通直角噴嘴。

2.2 除塵器出口粉塵濃度以及質(zhì)量參數(shù)

每組工業(yè)粉塵過濾實驗的運行期間都使用氣溶膠監(jiān)測儀對除塵器的出口粉塵質(zhì)量濃度度進行了監(jiān)測記錄，結(jié)果見圖6—8。

由圖可以看出，在除塵器入口粉塵質(zhì)量濃度統(tǒng)一為40 g/m3，運行時間為100 min的條件下，使用普通噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa下進行脈沖噴吹時，除塵器的平均出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.2、0.18、0.31 mg/m3；使用上部開口散射器在0.2、0.3、0.4 MPa下進行脈沖噴吹時，除塵器的平均出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.18、0.16、0.13 mg/m3；使用誘導噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa下進行脈沖噴吹時，除塵器的平均出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.13、0.15、0.15 mg/m3。以上每組實驗除塵器過濾效率均達到了99.9%以上，實現(xiàn)了良好的除塵器實際運行效果。

針對定阻清灰模式下除塵器的清灰效果評判，李建龍等[21]在研究中提出了質(zhì)量因數(shù)Fq(J-1)來表征定阻清灰模式下除塵器的清灰效果，認為Fq值越大，則代表清灰效果越好。Fq的計算公式為

(1)

式中：ρout和ρin分別為除塵器的平均出口和入口粉塵質(zhì)量濃度，mg/m3；Δp為運行時間內(nèi)除塵器平均阻力，Pa；Q代表過濾風率，m3/s；p0和p1分別為脈沖噴吹前和噴吹后氣包的壓力，Pa；Vt為氣包的體積，m3；t為除塵器運行時間,s；n代表運行時間內(nèi)進行的脈沖噴吹次數(shù)。

實驗數(shù)據(jù)帶入Fq公式，計算得到，使用普通噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下噴吹時的Fq分別為0.072、0.078、0.072 J-1；使用上部開口散射器時的Fq=0.086、0.089、0.093 J-1；使用誘導噴嘴時的Fq=0.082、0.091、0.087 J-1。每組實驗的平均出口粉塵質(zhì)量濃度與Fq變化情況如圖9所示。由圖可知，相較于使用普通噴嘴在不同噴吹壓力下進行脈沖清灰，使用上部開口散射器時除塵器的平均出口粉塵質(zhì)量濃度更低，F(xiàn)q更大，即脈沖清灰效果與過濾效率更佳。使用誘導噴嘴在不同噴吹壓力下進行脈沖噴吹時，除塵器的平均出口粉塵質(zhì)量濃度也比使用普通噴嘴時的更低，F(xiàn)q比使用普通噴嘴時更高。

圖9 平均出口粉塵質(zhì)量濃度與Fq值變化情況Fig.9 Variation tendency of dust emission concentration and Fq

3 結(jié)論

1)在入口粉塵質(zhì)量濃度為40 g/m3，運行時間為100 min，噴吹壓力0.2、0.3、0.4 MPa的條件下，使用上部開口散射器對褶皺式濾筒進行定阻脈沖清灰的平均清灰間隔時間分別為326.5、498、678.8 s，使用普通直角噴嘴時的分別為272、444、458.6 s，使用誘導噴嘴時的分別為187.88、466、553.7 s。使用上部開口散射器有效改善了噴吹流場，開口的錐形結(jié)構(gòu)既保證了噴吹氣流向下作用于濾筒底部，同時又卷吸誘導了部分環(huán)境流體，使濾筒內(nèi)部的脈沖氣流均勻分布，整體加強了噴吹清灰效果，表現(xiàn)為平均清灰間隔時間最長，即噴吹次數(shù)更少，代表每次脈沖清灰更為有效，節(jié)約了能源消耗的同時維持了除塵器的持續(xù)運行。

2)在0.2、0.3、0.4 MPa的噴吹壓力下，使用普通直角噴嘴時的出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.2、0.18、0.31 mg/m3，質(zhì)量因數(shù)Fq=0.072、0.078、0.072 J-1；使用上部開口散射器時的出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.18、0.16、0.13 mg/m3，質(zhì)量因數(shù)Fq=0.086、0.089、0.093 J-1；使用誘導噴嘴時的出口粉塵質(zhì)量濃度分別為0.13、0.15、0.15 mg/m3，質(zhì)量因數(shù)Fq=0.082、0.091、0.087 J-1。

綜上所述，由于設(shè)備氣包容積的限制，實驗平臺無法滿足長時間進行0.5 MPa以上的噴吹清灰，同時工業(yè)上長時間的高壓噴吹運行也容易導致濾筒損耗，因此在0.2、0.3、0.4 MPa的噴吹壓力中，位于0.4 MPa噴吹壓力下使用上部開口散射器時除塵器的出口粉塵質(zhì)量濃度最低，F(xiàn)q值也最大，說明除塵器的清灰更加有效，清灰效果更好。