（机械设计及理论专业论文）袋式除尘器除尘技术试验研究.pdf

摘要 袋式除尘器是_ 种应用十分广泛的除尘设备，具有除尘效率高、适应性强、使用灵 活、结构简单、工作稳定等特点，是公路工程中沥青拌合站除尘设备的重要组成部分， 近年来我国公路建设发展很快，因此对拌合站用袋式除尘器的研究具有重要的意义。 本文首先介绍了袋式除尘器的分类、工作原理和过滤效率的影响因素。在此基础上 对袋式除尘器试验台进行了结构设计。该试验台是参考小型袋式除尘器设计而成的，可 以进行不同工况下的试验。设计的内容包括滤袋、箱体的设计，风管阻力计算及管道结 构设计、风机的选择、反吹清灰机构设计和派回输送装置的设计等。 本文介绍了袋式除尘器主要性能参数的试验测量方法。以水泥作为实验粉尘，使 用织布滤袋进行了试验，试验参数参考实际工况，使试验结果尽量与实际情况相吻合， 并对所得到的实验结果进行了分析。 利用国际上比较流行的计算流体力学( c f d ) 软件f l u e n t 对袋式除尘器内部流场 进行了模拟。f l u e n t 具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能， 在许多领域有着广泛的应用。分别针对单滤袋和四滤袋两种袋式除尘器模型，进行了内 部压力场和速度场的模拟，得到了十分直观和具体的结果，并对结果进行了分析，为进 一步对袋式除尘器的研究和改进提过了依据。 关键词：袋式除尘器，过滤机理，结构设计，除尘试验，数值模拟 a b s t r a c t b a gf i l t e ri sak i n do fw i d e l yu s e dg a sc l e a n i n ge q u i p m e n t w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i 曲e 衔c i e n c yo fc l e a n i n g ，h i 曲a d 印t a b i l i 劬f l e x i b i l i 吼s i n l p l es t r u c t u r ea n ds t a b i l i t y ，i t b e c o m e sav e r ) ri m p o n a n tp a no fg a sc l e a j l i n ge q u i p m e n ti nh i 曲w a yc o n s t r u c t i o n b e c a u s e h i g h w a yc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r yh a sav e 巧f 如td e v e l o p m e n ti nt h e s ey e a r s ，t 1 1 er e s e a r c h o fb a gf i l t e rh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h ec l a s s m c a t i o n ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h en l c t o r so ff i l t r a t i o ne 所c i e n c ya b o u tb a g f i l t e ra r ei n t r o d u c e di nt h ef i r s tp l a c e a n dt h ec o n s t i r l i c t i o no fb a g6 l t e rt e s t - b e di sd e s i g n e d o n 伽sf o u n d a t i o n t h et e s tb e di sar e f e r e n c ed e s i g n 丘o mas m a l lb a g 矗l t e rc a nb ec a r r i e do u t u n d e rd i f r e r e n tc o n d i t i o n so ft h et e s t t h ed e s i g ni n c l u d e sf i l t r a t i o nb a 吕b o x ，w i n dr e s i s t a n c e c a l c u l a t i o na n ds t m c t u r a ld e s i g no fp i p e l i n e s ，f hs e l e c t i o n ，c l e a l l i n ga n dc l e a n i n gm e c h a l l i s m d e s i g na n dd i s t r i b u t e dd e s i g no fd e l i v e r yd e v i c e s t h em e a s u r e m e n tm e t h o do ft h em a i np e r f o n 】1 a n c ep a r a m e t e r so fb a gf i l t e rh a sb e e n i n t r o d u c e d c e m e n ti su s e da st e s tp o w d e ra 1 1 dc l o t hb a gi su s e di nt h et e s t t e s tp a r 锄e t e r s r e f e rt ot h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n ss ot h er e s u l t so ft h et e s ta r ec o n s i s t e n ta sf 打a sp o s s i b l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e di nt h ee n d f l u e n t ，ai m e m a t i o n a l l yp o p u l a rc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o r w a r e ，i su s e d i nt h en 啪e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei n t e m a ln o wf i e l do ft h eb a gf i l t e r f l u e n th a saw e a l t ho f p h y s i c a lm o d e l s ，a d v a n c e dn u m e n c a lm e t h o d s ，a s 、e l la sp o w e r m lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t y ，i t h 2 l saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nm a l l ya r e a s t h ei n t e m a lp r e s s u r ef i e l da n dv e l o c i 够f i e l d h a v eb e e ns i m u l a t e di nb o t hs i n 9 1 eb a gm o d e la 1 1 df o u rb a g sm o d e lo fb a gf i l t e r t h ei n t u i t i v e a 1 1 dc o n c r e t er e s u l t sh a v eb e e nr e c e i v e da n da n a l y z e d ，p r o v i d i n gar e f e r e n c ef o r 如r t h e r i m p r o v e m e n to fb a gf i l t e r k e yw o r d s ：b a gf i l t e r ，f i l t e rm e c h a n i s m ，s t m c t u r a ld e s i g n ，d u s tt e s t i n g ，m l m e r i c a ls i m u l a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者签名：；少诱- 牛 论文知识产权权属声明 2 哆年多月湘 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： ；少f ! | ；伟 机人甲 l 长安人学硕士学位论文 第一章绪论弟一早 三百t 匕 本章介绍了论文选题的背景和意义以及国内外的研究现状，提出了本课题的研究内 容和研究方法。 1 1 选题的背景和意义 粉尘污染是大气污染的主要形式之一，不仅污染环境，而且危害人的健康。据统计， 全球每年排放的粉尘量达到1 亿吨，我国的粉尘排放达到o 2 8 万吨。对于排入大气中的 粉尘，颗粒粒径大于1 0um 的称作降尘，能够在一段时间后沉降到地面，对植物、作物 等造成污染，并可能再次扬尘。粒径小于1 0pm 的称作飘尘，能够长时间的悬浮在大气 中，并可能被人吸入，造成中毒或疾病【。另外，大气中的粉尘还可能造成太阳辐射强 度减弱、大气污染烟雾的形成、酸雨及大气能见度降低等环境危害【2 1 。 对于公路施工建设而言，沥青拌合站烘干矿料时所排放的含尘废气是主要的可能污 染形式，必须严格控制。含尘废气中粉尘主要成分是细小的土、石颗粒。以及燃油燃烧 不完全的产物。对此主要的治理措施是安装两级除尘装置，即第一级旋风除尘器和第二 级袋式除尘器。旋风除尘器主要利用固体颗粒的惯性力进行除尘，只能除去颗粒较大的 粉尘颗粒，而对颗粒较小的粉尘颗粒，这部分粉尘所占比例较大，且包涵大量对人体有 害的粒径小于2 5um 的颗粒，是靠袋式除尘器来进行除尘的。 袋式除尘器是控制大气污染广泛使用的高效除尘设备，在钢铁工业、炭黑、机械、 交通筑路、粮食加工等十几个行业中有着广泛的应用，具有运行稳定、效果良好的特点。 近些年来过滤材料品种、数量不断增加，使用寿命得到了延长。随着我国修订了大气污 染控制法，排放浓度标准更加严格，另外公众的环保意识不断增强，执法力度不断加大， 手段日趋先进，袋式除尘器和过滤材料，尤其是高温袋式除尘器，防腐蚀、耐高温的过 滤材料得到了快速的发展【3 一。 袋式除尘器的最大优点就是除尘效率高，在实验室试验高达9 9 9 9 ，在实际应用中 也达到很高的除尘效率，粉尘排放浓度可以达到5 0m g n m 3 以下，甚至达到l o m g n m 3 。 这就是袋式除尘的机理所决定的，即过滤的机理，使过滤粉尘附着在滤袋上形成一层粉尘 层，用粉尘来过滤粉尘【3 】。 和其他类型的除尘器相比，袋式除尘器具有以下优点【5 】： 除尘效率高特别是对微细粉尘也有较高的效率。如果在设计和维护管理时给予充 1 第一章绪论 分注意，除尘效率不难达到9 9 9 以上。 适应性强可以捕集不同性质的粉尘。例如对于高比电阻粉尘，采用袋式除尘器就 比电除尘器优越。此外，入口含尘浓度在一个相当大的范围内变化时，对除尘器效率和 阻力的影响都不大。 使用灵活处理风量可由每小时数百立方米到每小时数十万立方米，甚至更大。可 以做成直接设于室内、机床附近的小型机组，也可做成大型除尘器室，即所谓的“袋房 。 结构简单可以因地制宜采用简单的布袋除尘。在条件允许时可采用效率更高的脉 冲喷吹袋式除尘器。 工作稳定便于回收干粉尘，没有污泥处理、腐蚀等问题，维护简单。 总上所述，对袋式除尘器的研究具有重要的理论和现实意义。 1 2 国内外研究动态 6 7 ，8 ，3 3 1 1 2 1 袋式除尘器及其清灰技术的发展 袋式除尘器或者说袋式除尘技术在工业上的应用有着悠久的历史。袋式除尘器最早 进行商业化是在1 8 8 1 年，当时德国的b e t c h 工厂生产了机械振动清灰的袋式除尘器， 该技术获得了德国的专利。 1 9 5 4 年出现了逆喷型吹气环清灰技术，使得袋式除尘器实现了除尘、清灰连续操作， 处理风量得到了很大的提高，滤袋压力损失及设备阻力也较为稳定。 1 9 5 7 年r e i n a u e r 发明的脉冲喷吹清灰袋式除尘器，具有重要的意义，这种除尘器除 尘、清灰连续操作，滤袋压力损失及设备阻力更趋于稳定，处理风量进一步得到了增大，而 且除尘器内部无运动部件，滤布寿命更长而且结构简单。 2 0 世纪7 0 年代以后，袋式除尘器的应用向大型化发展。欧、美、日等发达国家相继 开发了大型袋式除尘器应用于多个领域。单台除尘器的过滤面积超过l o o o om 2 的不在少 数。 袋式除尘器及清灰技术的发展概况见表1 1 。 目前，反吹风大布袋除尘器、回转反吹扁袋除尘器和脉冲喷吹袋除尘器等大型袋式 除尘器应用广、市场占有率高。表1 2 为这3 种大型设备的结构性能对比。 2 长安大学硕士学位论文 表1 1 袋式除尘器的发展概况 清灰技术滤料 说明 机械振动清灰式袋式除尘器首 1 8 8 1 年出现机械振动清灰 先在德国出现，这项技术获得了 德国的专利，进而它开始了商业 化的生产，袋式除尘器开始越来 1 9 2 1 年出现反吹风清灰越受到人们的关注。反吹风技术 自然界纤中的纤维材 和机械振动技术的结合是清灰 料，如毛呢材料、棉布 技术发展的关键一步。 材料等 逆喷型吹气环清灰技术使得袋 1 9 5 4 年出现逆喷型吹气环清 式除尘器实现了除尘、清灰连续 操作，处理风量得到了很大的提 灰 高，滤袋压力损失及设备阻力也 较为稳定。 这种除尘器除尘、清灰连续操 作，滤袋压力损失及设备阻力更 趋于稳定，处理风量进一步得到 1 9 5 7 年出现脉冲喷吹清灰 了增大，而且除尘器内部无运动 部件，滤布寿命更长而且结构简 人工合成的纤维材料如 单。 2 0 8 型绒布、7 2 9 型织布、玻这项清灰技术应用到袋式除尘 璃纤维材料、针刺毡式的滤料器上，使它非常适合中小型除尘 1 9 6 2 年出现回转反吹清灰 和1 9 9 0 年代后出现的表面覆作业的应用。日本首先出现了这 膜滤料个技术，美国也有相应的开发。 大型脉冲、大型反吹风清灰袋式 1 9 7 年后出现大型脉冲、大型 除尘器相应的出现，它们广泛应 用于燃煤电厂等多个领域，有很 反吹风清灰 多这样的除尘器的单台过滤面 积都不小于l o 0 0 0 m ? 表1 2 大型袋式除尘器结构性能对比 项目反吹风大布袋除尘器脉冲喷吹袋除尘器同转反吹扁袋除尘器 过滤面积密度m 2 m 3约l o约8l l 1 3 滤袋形状圆袋圆袋、扁袋端面多梯形 滤袋直径巾咖 1 5 0 一3 0 01 3 0 1 6 0 滤袋长径比 4 0 4 5滤袋长一般不超过6 m 钢耗k g m 。2 4 0 约3 0 2 2 3 0 处理量m 3 h 1 1 x 1 0 6 约1 x 1 0 5 约l x l 0 5 3 第一章绪论 表1 2 大型袋式除尘器结构性能对比( 续) 过滤风速m m i n 。0 5 1l 一1 8 o 5 1 5 过滤阻力m p ao 1 5 0 2 5o 1 5 0 2 5o 3 5 0 4 5 能耗 高 低中 1 2 2 滤料的发展 袋式除尘器所用的滤袋是除尘器结构当中关键的组成部分，它的使用性能和质量， 直接影响到除尘系统的运行状况和除尘性能，因此滤料的发展往往伴随着除尘器技术的 发展和飞跃。另外，就目前而言，袋式除尘器的清灰技术是比较成熟和先进的，能够满 足目前各个领域的使用要求，现在除尘器领域的研究重点在于滤料。滤料要想满足工业 上的使用要求，必须满足以下条件：必须具有合理的结构，无论是织物还是非织物材料； 必须具备很高的除尘效率，这是能够使用的关键；滤料上面的粉尘层应能比较容易的剥 离下来，使其不形成尘垢，否则对性能影响很大；滤料要具有较小的阻力，否则会增加 设备运行的成本，也会影响寿命；滤料的刚度、强度必须达到一定得要求，在安装、调 试、维修、清灰时不容易损坏；滤料要具有很好的高温性能，现在除尘器已经广泛的应 用于各种高温作业场合，沥青拌合站的含尘废气也具有很高的温度；滤料要能防止被腐 蚀性物质腐蚀，如二氧化硫等；为降低使用的成本，滤料应该具有较低的价格，需要时 应该很容易购买到，并且使用寿命应该足够长。最近这些年来，滤料在我国作为一个产 业得到了长足的发展，其使用性能和个方面的质量都有很大程度的提高，并且应用场合 更加的广泛，这就为整个袋式除尘器产业的发展和理论及技术的不断深入研究和发展创 造了良好的条件。 在二十世纪五十年代，我国还没有专门生产袋式除尘器滤料的企业，也就是说袋式 除尘器所用的滤料还没有发展成为一个独立的产业。这种情况下，滤料大都是从其他的 行业借鉴而来或者说使用其他的材料，比如白素布就常作为滤料被使用，但它只能用于 常温的场合，对于高温或者含酸的使用条件，常用毛呢类织物来代替。等到了二十世纪 六十年代，玻纤布被用到了袋式除尘器上，使用性能有所加强，但是寿命较短，不耐用。 由于以上所述的材料都不是专用的袋式除尘器滤料，因此各方面性能都差强人意：使用 寿命较短，除尘的效率也不高，而且由于其织物结构的特点，滤料的阻力很大，因此运 行成本较高，另外当时的清灰方式主要为机械振打清灰，这种方式效果不甚理想且对滤 料损伤大，所以当时袋式除尘器发展受到一定得局限。 4 长安人学硕士学位论文 到了二十世纪七十年代末，袋式除尘器专用滤料在我国得到了发展，涤纶绒布的出 现及其在行业内的大范围使用，具有重要的意义，当时的市场占有率非常高，也推动了 各种清灰方式袋式除尘器的发展。 针刺毡材料是由东北大学等多个单位研制成功的首次专门为袋式除尘器或者说过 滤除尘而设计的滤料。这种过滤材料具有运行阻力低，过滤效率高，使用寿命长，具有 良好的经济效益，这是由它的结构特点决定的。它是在基底上三维交错且随机排列着短 纤维，然后利用针刺制造出来，这样就没有了直接的空隙，所以不容易漏尘。在高含尘 量场合、使用初期和清灰过后都具有很好的使用性能。 玻璃纤维针刺毡材料是在二十世纪八十年代研制成功的，与早前出现的合纤针刺毡 材料相比，过滤效率和材料阻力方面较为相似，但它可以用于高温的作业场合，在2 0 0 到2 6 0 的场合都可以使用，成功解决了玻璃纤维针刺成型以及相关的后处理技术是 这种材料能够被成功使用的关键，但是由于这种材料比较容易折损，因此在安装、调试、 维修、运送、使用时必须采取一定得措施。 上海火炬工业用布厂和上海宝钢设计研究院与1 9 8 5 年共同研制成功了7 2 9 筒形聚 酯机织滤料，这种滤料是专门为上海宝钢研制的。对于低能清灰的使用场合，这种材料 是十分适合的，因此被广泛的使用。这种材料有反织法和正织法两种成型方式，正织法 是后来出现的，由于这种材料综合考虑了原材料纤维、过滤性能、使用阻力、以及相应 的后处理技术，以及过滤和清灰两种工作状态的需要。 上文提及，玻璃纤维滤料是在二十世纪六十年代研制成功并投入使用的，但是很长 时间内由于其机构特点导致纱材料之间的距离较大，孔隙率较小，所以很难达到较高的 捕集率，并且气布比也往往差强人意。这些年来，国内的一些研究院所和企业利用膨体 纱织成玻纤膨体纱滤料，这种材料和以前的玻纤滤料比较而言具有以下优点：具有较好 的透气性，过滤阻力比较低，孔隙率较高，材料比较蓬松；纤维覆盖的效果较好，对于 除尘过程中起重要作用的粉尘层的形成和保持很有益处，所以除尘效果好；这种材料可 以在较高的过滤速度下使用。 防静电材料，顾名思义，可以控制电荷的不断聚积以致放电的现象，用在袋式除尘 器上可以用来收集能够产生爆炸的一类粉尘。这类材料使用之前必须进行详细的检测， 才能确保安全性。 5 第一章绪论 1 2 3 滤料后处理技术的研究 当滤料被制造成型以后，对其进行后处理是十分必要的，后处理可以改善滤料多方 面的性能，包括化学性能，物理性能和机械性能等，而且对于提高滤料的使用性能也大 有裨益，无论这种材料是采用何种成型方式成型的。下面对一般的后处理技术进行一下 介绍： ( 1 ) 进行化学处理 上面提到，玻纤材料很容易折损，在使用的各个环节如操作不但就会造成损失，这 是由于玻纤材料的材质非常脆，在高温状态下使用硅材料对玻纤滤料进行处理可以使玻 纤材料具有一定得润滑性能，从而使玻纤材料不太容易折损，另外也可以使滤料和粉尘 更容易剥离，使清灰更容易。 玻纤材料可以用于高温作业条件下，如果进行适当的化学处理，可以使其工作温度 进一步提高，达到2 8 0 。 普遍来讲，进行化学处理对于提高滤料，尤其是玻纤过滤材料的强度、刚度、高温 性能、防腐蚀性能以及过滤性能都具有良好的效果。 ( 2 ) 热定型 滤袋在工作当中会随着过滤和清狄的操作而不断地向不同方向拉伸，时间长了容易 发生松散，尤其是高温时，影响了材料的尺寸稳定性，对化纤材料进行热定型，可以使 其具有良好的尺寸稳定性。 ( 3 ) 起绒 起绒这种后处理的目的是使滤料更容易形成一层粉尘层，从而提高材料的过滤效 率，进行起绒后处理要使用专门的起绒机械，可以再材料的表面形成一层短线，这层短 线会覆盖织物的空隙。在各种过滤材料中，利用涤纶短纤维织造成型的斜纹布通常要进 行起绒。 ( 4 ) 热熔压延加工 在使用袋式除尘器进行过滤时，如果滤料更趋向于进行表面过滤，这样的效果会更 高，因为这样就会有较少的粉尘进入到滤料材料的内部，所以粉尘层与滤料在清灰时就 更容易剥离，这样对于提高过滤效率，减小设备的阻力和提高材料的使用寿命都有益处。 对针刺毡进行热熔压延加工，即可以使材料的密度提高，减小表面的孔隙率，使绒 毛发生热熔，是材料的表面更加平整，更加光滑，达到使其更接近表面过滤的目的。 6 长安大学硕士学位论文 ( 5 ) 预涂层处理 预涂层处理就是为了使滤料表面形成一层粉尘层，从而提高过滤效率，在滤料的表 面预先粘附一定粒度分布的微细粉尘。 预涂层处理是把预先调配好的粉尘溶剂，溶入到滤料当中，这需要采用特殊的方法， 然后用粘结剂固定。 清洁滤料刚开始进行除尘时，过滤效率不高，因为过滤关键是在滤料表面形成粉尘 层，用粉尘来过滤粉尘，进行预涂层处理就可以克服新滤料或者清洁滤料的这一缺点， 同时这个粉尘层和自然形成的粉尘层相比稳定性更好，更为固定，这样就可以使系统的 压力更为稳定，使压降的波浪形变化更小。 ( 6 ) 表面覆膜 表面过滤的益处在热熔压延加工后处理中已经提及，这里不再累述，利用表面覆膜， 就可以使滤料更趋近于表面过滤，使含尘气体中的粉尘几乎全都被材料的表面过滤，使 用这种表面覆膜的滤料，过滤材料可以达到9 9 9 9 以上，这样就可以使滤料能够应用于 更大的范围。 表面覆膜后处理的实质是在过滤材料的表面喷涂上一层树脂材料形成薄膜。现在一 般的表面覆膜处理都是聚四氟乙烯薄膜。聚四氟乙烯 p t f e ，f 4 是当今世界上耐腐蚀性 能最佳材料之一，因此得塑料之王之美称。它能在任何种类化学介质长期使用，它的产 生解决了我国诸多领域的许多问题。聚四氟乙烯密封件、垫圈、垫片聚四氟乙烯密封 件、垫片、密封垫圈是选用悬浮聚合聚四氟乙烯树脂模塑加工制成。聚四氟乙烯与其他 塑料相比具有耐化学腐蚀与耐温优异的特点，它己被广泛地应用作为密封材料和填充材 料。 聚四氟乙烯材料形成的薄膜可是滤料表面上的细小空隙的数目很多并且空隙很细 小，这样就更容易实现表面过滤。这种材料具有很小的摩擦系数，并且具有良好的化学 性质，具有很好的稳定性，能够使表面很光滑。并且材料表面覆膜之后可以延长使用寿 命。 1 3 论文的研究内容和研究方法 ( 1 ) 介绍除尘器的分类、特点及用途，说明袋式除尘器的工作原理以及影响除尘 效率的主要因素。 ( 2 ) 根据给定的主要技术参数，进行袋式除尘试验台的结构设计。确定管道的尺 7 第一章绪论 寸，计算管道内各段的阻力，并据此选择风机。 ( 3 ) 采用不同的滤料进行试验。观察在各种工况下粉尘浓度变化情况、粒子分布 情况和滤袋的压降变化情况，由此可以了解到滤料的过滤效率和设备的阻力等情况。 ( 4 ) 使用f l u e n t 软件对所设计的试验台进行内部流场的仿真模拟，观察除尘器箱 体内部的压力和速度的分布情况，为设备的进一步改进提供数据基础。 8 长安大学硕士学位论文 第二章袋式除尘器的工作原理 2 1 除尘器的分类、特点及用途【9 l o ，1 1 ，佗】 袋式除尘器的分类方法很多，可以按照清灰方式分类，按照滤袋的形状分类，按照 滤尘的方向分类，按照通风的方式分类，按照进气口的位置分类，等等。袋式除尘器的 种类在所有类型的除尘器中是最多的，下文将结合袋式除尘器的分类，对各种类型除尘 器的特点及用途进行介绍。 2 1 1 按清灰方式分类 按照清灰方式分类是袋式除尘器分类的主要方式。清灰操作是袋式除尘器工作中的 关键步骤和决定性技术要素。简单的说，清灰就是把积聚在滤袋上的粉尘清除下来，要 求清灰过后滤袋上依然保有一层初始粉尘层，清灰操作必须迅速，同时滤袋受力必须均 匀，滤袋不能受到损伤以及需要消耗的动力要小。 按照不同种类的清灰方式，袋式除尘器可以分为以下几种：机械振打清灰式袋式除 尘器、逆气流清灰式袋式除尘器、脉冲清灰式袋式除尘器、气环清灰式袋式除尘器及复 合清灰式袋式除尘器。 ( 1 ) 机械振打式 机械振打式清灰式最早出现的清灰方式，它的结构一般是使用某些装置来对滤袋的 框架结构进行振打或摇晃，通过滤袋的振动来达到清落灰尘的目的。这种清灰方式结构 非常简单，甚至人工都可以完成，一般高频率振动清灰和机械振打比较常见，但总体来 讲，机械振打式已经越来越少了。 如图2 1 所示，为机械振打式清灰的几种操作方式，第一种是沿水平方向的，下部 较为固定，上部摇晃，水平振打的部位主要是滤袋的上部和中部。第二种是沿竖直方向 振打，这种方式对于滤袋的损害比较大，尤其是袋口处，容易出现损坏。所以常常利用 一个高速旋转地偏心轮来让滤袋产生频率很高的振动，从而实现清灰，这样对滤袋损害 较小，但清灰效果也较差。第三种是利用振动来实现清灰，振动的频率一般比较高。或 者综合前两种方式，叠加在一起。第四种是利用偏心轴上的摇杆，这个偏心轴是不停转 动的。这样通过振动圆管，滤袋就会在各个方向上产生摇动。 一般的机械振打式清灰都必须在除尘停止时进行，所以为了保证除尘器的运转连 9 第= 章袋式除尘器的i 作慷理 续，一般是将除尘器份为很多个分室，清完一一个袋室，再清下一个，不停地运转。 潮耪 oo 嚣张 舌苫舌苫 j 蹦；j r j j 日臼 圈2 2 逆气流清衷方式 与机械振打式类似，逆气流靖灰的袋式除尘器一般也是划分成多个袋室的，并且通 过使用阀门，来对袋室进行逐个的提供反向的气流。这个反向气流既可以由专门的风机 来提供，也可以由系统的主风机来提供。为了增强逆气流清灰装置的清灰效果，常常会 通过安装一些自动阀门来使反向气流产生脉冲。 逆气流清灰式的清灰效果必须在过滤的气流速度较低时才会体现出来，因为它本身 的清灰作用就比较弱。但是它的优点是清灰比较均匀，对滤袋的损坏比较小，而且也不 ，白i+二二h“凳 效瀑 l ，柑 长安大学硕+ 学位论文 会产生剧烈的振动。 ( 3 ) 脉冲喷吹清灰 如图2 3 所示，为脉冲清灰原理示意图。当进行清灰操作时，将压缩空气喷射入滤 袋，气流的速度非常高，而且持续的时间非常短，一般不超过0 2 秒，于此同时，引导 大量的空气进入滤袋，这样就会使滤袋产生急剧的膨胀并发生振动，从而使粘附在滤袋 上的粉尘脱离并清落下去。 图2 3 脉冲清灰原理示意图 一般脉冲喷吹机构的引导大量气流的引射器为文氏管，有的除尘器也不安装文氏 管，而是直接从袋口引射。 根据脉冲喷吹气流与净化气流前方向异同，有逆喷与顺喷两种方式。逆喷式为两种 气流方向相反，净化后的气流由袋口排出；顺喷式为两种气流方向一致，净化后的气流 由滤袋的底部排出。 喷吹时，因为是依次逐排地对滤袋清灰，而且喷吹时间很短，被清灰的滤袋虽然不 起过滤作用，但其占总滤袋的比例很小，几乎可以将过滤看作是连续的，因此通常不采 取分室结构。 脉冲喷吹清灰作用很强，而且其强度和频率都可以调节，清灰效果很好，可以允许 采用较高过滤风速。 脉冲喷吹清灰也有作成分室结构，称作气箱脉冲喷吹。其特点是将滤袋分成若干组， 第二章袋式除尘器的工作原理 将滤袋上方的净气箱按各组分隔形成分室。袋口不射引射器。清灰时，关闭排气口阀门， 从一侧向分室喷吹脉冲气流，气流从分室进入滤袋，达到清灰目的，清灰按室顺序逐次 进行。 ( 4 ) 喷嘴反吹清灰 2 1 2 按滤袋形状分类 ( 1 ) 扁袋 扁袋通常呈平板型，且内部需要安装框架，或者安装弹簧，用以支撑滤袋。一般扁 袋的结构尺寸为：宽度最小o 5 米，最大1 5 米，长度最小l 米，最大2 两米，厚度为 2 5 5 0 米，滤袋间距为2 5 5 0 米。 由于扁袋的结构特点，滤袋之间的空隙可以留的很小，所以就在一定的空间内增大 了过滤面积，或者说节省了空间。但是这种滤袋的制作要求比圆袋要高，而且由于滤袋 之间空隙较小，所以容易被粉尘阻塞，并且扁袋的结构比圆袋要复杂。 ( 2 ) 圆袋 沥青拌合站的袋式除尘器大多用的是圆形滤袋，即使在其他行业，圆袋也是最被广 泛使用的。圆袋的特点是受力比较均匀，结构比较简单，清灰操作需要的动力比较小， 而且在维修或检查时更为方便。 圆形滤袋的直径通常为中1 2 0 由3 0 0 嘞，本论文第三章所设计的除尘器试验台的滤 袋直径为2 0 0 i i l i n 。袋长一般为2 1 0 m ，长度的变化比较大，主要根据使用的场合。 如何选择滤袋的尺寸，必须要考虑使用的场合，滤袋的材料等因素。如果滤袋袋径 过大的话，将会受到滤料幅宽和加工制作的限制。袋径过小的话，气流的流动将会受到 影响。 除尘器的占地面积可以随着滤袋的增长而有所减小，但是滤袋的长度不是越长越 好，如果滤袋太长的话，将会影响清灰的效果，尤其是反吹清灰和脉冲清灰方式，另外， 滤袋的袋口也会更容易损坏。 2 1 3 按滤尘方向分类 ( 1 ) 内滤式 这种除尘器的特点是含尘气体从滤袋的内部向外面流动，粉尘被捕集在滤袋的内部 表面。这样滤袋的外面就是清洁的气体，所以在所过滤气体对人体无害时可以在不停机 1 2 长安人学硕士学位论文 的情况下对除尘器进行检修等作业。相比于外滤式，这种除尘器的滤袋袋口处的气流速 度会更大，所以粉尘颗粒较粗的话会加剧滤袋的磨损。内滤式结构常见匹配的清灰方式 是逆气流、气环反吹式或机械振打式。 ( 2 ) 外滤式 这种除尘器的特点是含尘气体从滤袋的外部向里面流动，粉尘被捕集在滤袋的外部 表面，沥青拌和站袋式除尘器多采用这种形式。这种除尘器滤袋的里面要有骨架支撑， 防止滤袋被吸瘪。外滤式结构常见匹配的清灰方式是高压气流反吹或脉冲喷吹等。 2 1 4 按通风方式分类 ( 1 ) 正压式，也叫压入式 从过滤气流的流动方向看，风机位于除尘器的前面，即除尘器位于风机风压为正的 管段，因此，风机中流过的气体是含尘气体。这样很容易想到，风机相比负压式机构会 更容易磨损，尤其是风机的叶片。另外系统的密闭性不及负压式，所以对于粉尘具有较 强腐蚀性或粘附性，高湿和有毒气体或者粉尘浓度较大的情况都不宜使用。这种结构的 优点是由于干净的气体不需要采用密封的结构，所以结构比较简单，造价比负压式要低 2 0 3 0 。 ( 2 ) 负压式，也叫吸出式 从过滤气流的流动方向看，风机位于除尘器的后面，即除尘器位于风机风压为负， 的管段，除尘系统内的气体是被风机吸出来的，如图2 4 所示。 袋式除尘器 触锵卜 袋式除尘器 图2 4 吸入式和压入式流程图 1 3 大气 ( 压入式) 大气 ( 吸入式) 第二章袋式除尘器的t 作原理 负压式除尘器必须采取密闭结构，气体经过净化之后才会进入到风机，所以风机的 叶片磨损是比较小的，和正压式相比，由于结构的区别，更适合处理有毒或者高温的气 体，因为它更容易采取相应的措施。 2 1 5 按进气口位置分类 ( 1 ) 下进风 这种除尘器的进气口位于除尘器的下部，结构比较简单，在沥青拌合站袋式除尘器 通常采用的是这种形式。 下进风除尘器的缺点是从进气口进入除尘器的含尘气体的气流方向与粉尘被清落 的方向是相反的，这样就会造成一些本来被清落的粉尘又重新回到滤袋上，加重系统的 负担，增大系统的阻力。 ( 2 ) 上进风 这种除尘器的进气口位于除尘器的上部，结构相对比较复杂，气流从除尘器的上面 进入箱体，滤袋的安装花板必须在上下各安装一块，并且滤袋的张紧力不容易调节。这 种除尘器的优点是进气方向与粉尘清落的方向一致，有利于除尘。 2 2 袋式除尘器的工作原理【1 3 】 利用袋式除尘器进行除尘作业时，相对而言，滤料材料的空隙是比较大的，而粉尘 粒子的直径是比较小的，因此，紧靠滤料的筛滤作用是很难达到要求的清灰效果的。事 实上，袋式除尘器的过滤主要依靠的是扩散作用、惯性作用以及拦截作用，除此之外还 有热泳力作用、重力作用以及静电力的作用。 如图2 5 所示，这是过滤除尘作用微观的工作机理示意图。在图中，各种不同的作 用方式都表现了出来，对于介质在滤料中的流动的流畅，通常是按照势流和黏性流这两 种情况来考虑的，而对于一般的常见的袋式除尘过滤的情况，按照黏性流来考虑更为理 想一此。 1 4 长安大学硕士学位论文 2 2 1 拦截效应 图2 5 经典过滤机理 袋式除尘器过滤过程中拦截效应是以拦截机理为基础的，这个机理的内容为：粉尘 粒子没有质量，但是有粒径的大小，在这种情况下，粉尘粒子尽管有粒径上的区别，但 都随除尘器内的气流的轨迹运动。 如图2 6 所示，对于在流体中其中一条流线上的粉尘粒子，如果粒子的中心点刚刚 能够使d ，2 能够与滤料相接触，那么这个粉尘粒子就会被拦截。如图所示的这一条曲线 即为这个例子的运动路径，位于这条流线下面包括面积为b 粒径为d 。所有粉尘粒子都将 会被拦截下来。所以，这一条轨迹曲线即距离滤料距离最大的地方可以被阻拦下来的粉 尘粒子的运动路径，称为极限轨迹。 出 一。一 、 i 、o 柚 。百卜觯7 f 燃：一 ， 图2 6 拦截效应 设纤维为直径d 。= 2 a 的圆柱体，对于绕静止圆柱体的势流，其流函数由式( 2 1 ) 给 甲= v o ，一( 詈) 2 厂s t n 9 ( 2 1 ) 第_ 二章袋式除尘器的工作原理 当p ：要时，：口+ 冬，代入流线方程，有 22 一 一 ( 2 2 ) v 。 t 一( 詈) 2 r s ；n p = v 。 - 一 赤 2 ( 口+ d p 2 ) 当，。o 。时，有r s i n 8 = 6 ，代入上式后，两端同除以纤维半径a ，立即得到拦截效率 盯鲁一南小犬一击 弦3 ， 式中r 拦截参数，r = d p d 。 式( 2 3 ) 应满足o 叩j r l ，于是有 1 1 + 肛志揶，1 蝴一志g ( 2 4 ) 1 + r 1 + r 解不等式，有 。孚舢孚皿 ( 2 5 ) 在实际问题的分析中，以 d c ，所以基本上总能满足式( 2 5 ) 的条件。故在下 面的效率分析中，不再讨论粒子大小的适用范围。 对于绕静止圆柱体的黏性流，用上述同样的推导方法得出拦截效率 ”扑调h 叶妒涨 泣6 ， 式中，l a = 2 0 0 2 一l nr e 。，r e 。为绕直径眈圆柱体流动的雷诺数，r e 。：监。 芦 如果捕集体为直径砬的球体，其效率为 6 2 t 7 r2 了 ( 2 7 ) 对于绕静止球体的势流，由流函数表达式( 1 5 6 ) ，得出球体对粒子的拦截效率 = ( 1 + 砰一击 1 6 ( 2 8 ) 长安大学硕十学位论文 对于绕静止球体的黏性流，由流函数表达式( 1 5 8 ) ，得出球体对粒子的拦截效率 叩月2 ( 1 + 尺) 2 一丢( 1 + r ) + 互石 丽 2 9 ) 这里，有两个地方需要引起注意：第一，通常对于实际情况而言，由于除尘器的过 滤速度相对而言比较低，所以使用黏性流假设进行研究比较可行的，在这个假设的基础 上得到的拦截效率的计算方程更为合理。而对于势流的假设，它使用的条件是除尘器的 过滤速度比较高，因而在实际情况中并不合适。第二，孤立体模型是描述绕静止圆柱体 和静止球体的流场最为广泛使用也是最为方便的一种模型。而对于一些比较复杂的模型 而言，它们的建立是对于除尘器内部的气流流场具有影响的相林静的捕集体有所考虑 的。相比其他几种作用方式，拦截效应对于研究者而言是相对轻松地，因为不管所建立 的模型有多么的繁琐，如果流函数表达式能够建立起来，那么拦截效率理论计算式就会 很方便的得到。 2 2 2 惯性碰撞效应 如图2 7 所示，在除尘进行的初期，粉尘粒子是沿着气流的运动轨迹运动的，在捕 集体出气流绕流时，气流流线会发生弯曲。对于一个具有一定质量的粉尘粒子，由于受 到惯性的作用所以在绕流时就会偏离出流线，并会与捕集体发生接触和碰撞而被阻截。 最大的范围内能够被阻截的粉尘粒子，它的运动轨迹被称为是极限轨迹。 卫6 鹣一 6o j 瞄 7 l 人 一 擒集体 图2 7 惯性碰撞效应 求惯性碰撞效率的方法是建立粒子的运动过程，有运动方程求极限轨迹，再求出偏 轴距b ，然后分别由b a 和b 2 a 2 求得绕圆柱体和的惯性碰撞效率。但由于求解轨迹方 程十分困难，难以确定偏轴距b ，故无法得到惯性碰撞效率的分析解。理论与试验分析 发现，斯托克斯数s 。是表征惯性碰撞效应的重要参数，其定义为 瓯钉甍= 筹茜 亿 1 7 第二章袋式除尘器的丁作原理 式中r 张弛时间，s ； 来流速度，m s ； 皿圆柱体或球体直径，m ； 如粉尘真密度，k g m 3 ； 吒粉尘直径，m ； 气体动力黏度，p a s 。 绕圆柱体和球体的惯性碰撞效率随着方根斯托克斯数得增大而升高。可见惯性碰撞 效率是雷诺数r e 。和斯托克斯数s 。耙的函数。 由于很难给出分析解，实际应用中，常给出数值解或经验表达式。如在0 5 1 2 1 3 时，对黏性流，n i e l s e n 和h i l l 给出对球体的惯性碰撞效率经验式 旷南 1 8 ( 2 1 4 ) 长安大学硕士学位论文 式中，参数卢。有下式计算 卢4 = o 2 4 5 3 ( 一1 2 13 ) o 9 5 5 2 2 - 3 扩散效应 ( 2 1 5 ) 如果粉尘粒子非常小时( 以 l p 聊) ， 当气溶胶粒子很小( 以 l p 所) ，这些粒子在随气流运动时就不再沿流线绕流捕集 体，此时，扩散效应将起作用。 粉尘粒子在滤料组织中的扩散效应是非常复杂的过程，它可以用一个函数来表示， 这个函数有两个变量分别是捕集体绕流雷诺数r e d 和粒子贝克莱特( p e c l e t ) 数p e 。贝 克莱特数p e 定义为 r ：监( 2 1 6 ) 式中，常数d 为扩散系数，掰2 s 。对于嘭 1 p 聊粒子的布朗扩散，由斯托克斯一 一爱因斯坦公式给出 d = 形“3 掣d 。 ( 2 1 7 ) 式中c u 库宁汉修正系数 波尔兹曼常数，= 1 3 8 1 0 彩，k 。 当以 九( 分子平均自由程) 时，兰格米尔( l a n g m u i r ) 给出 d ：黑( 婴) 抛 ( 2 1 8 ) 3 丌d ：p 、万聊7 式中i 一绝对温度，k 。 r 气体常数，j ( k g k ) ； r 气体摩尔质量，k g ； r 气体压力，p a 。 对圆柱体的扩散效率，根据雷诺数r e d 和贝克莱特数p e 分3 种情况： ( 1 ) r e d 1 ，n 1 纤维过滤器常处于这一范围。l a n g m u i r 给出 铲击卜一+ 爿 亿2 。， 式中，x = 1 + 1 3 0 8 ( l a p e ) ( 三口n ) 1 仃，三口= 2 0 0 2 一l n r e d 这里顺便给出s t e c h k i n a 考虑其他圆柱体存在并有孔隙率s 影响时扩散效率的理论 解 7 7 d = 2 9 1 乃户p t 乃+ o 6 2 4 尸p 一1 ( 2 21 ) 式中，恕= 一三l n ( 1 一s ) + ( 1 一s ) 一言。 ( 2 ) r e d l ，心 l 这属于势流范围，在烟尘净化中较少遇到这种情况。s t a i r m e n d 给出 厅 2 、瓦 对球体的扩散效率，在r e d 1 ，n 1 的黏性流中，c r a w f o r d 给出 ( 2 2 2 ) = 4 1 8 r e 名6 心圳3 ( 2 2 3 ) 在考虑周围有其他球体存在时，p f e f f e r 给出 7 7 j 9 = 4 4 侣p p 圳3 ( 2 2 4 ) 其中： 4 ：三业，：2 3 妒+ 3 9 s 一2 9 s ，9 ：( 1 一s ) 一，s ( 2 2 5 ) 式中s 床层孔隙率。 式( 2 2 4 ) 适用于雷诺数r e d 较大的颗粒层除尘器的扩散效率估算，结果略偏大。 而式( 2 2 3 ) 则适用于雷诺数r e d 较小( 过滤速度小) 的颗粒层除尘器的扩散效率估算。 2 n 长安人学硕士学位论文 粒子问的相互扩散和粒子向捕集体的扩散行为是极为复杂的物理现象，直到现在仍 是气溶胶科学的重要研究内容之一。特别是表面有相互作用