高温气体过滤除尘脉冲反吹再生过程的研究进展

1、分析了脉冲反吹过程中所涉及的传递现象数值模拟，以 期更为深入地了解反吹再生过程的气流流动与能量传递 规律，以指导和优化过滤装置的操作参数和结构设计。 在现代工业生产过程中， 涉及含尘气体在高温下直接净化除尘和应用的领域十分 广泛，如整体煤气化联合循环发电系统的高温煤气净化 石油催化裂解装置中高温气体过滤及催化剂的回收汽车 尾气净化焚烧炉的高温废 气净化金属工业玻璃陶瓷工业等高温烟气净化等等13.由 于高温工业气体中含有大量的显热或潜热以及可供回收 重复利用的物质如石化工业中的固体催化剂，它的合理 利用具有十分巨大的 经济价值。高温气体除尘技术的核心是保护后续工艺设 备的顺利运行和气体净化。在诸

2、多高温气体净化除尘工 艺技术中，介质过滤净化除尘技术有许多显著的优点34. 在实际操作中，多采 用圆柱型过滤器，过滤器的滤芯般米用刚性陶瓷或金属 多孔材料。介质过滤除尘工艺过程主要分为含尘气体的 过滤净化和过滤材料介质的再生两个阶段。目前，国内 外开发的介质过滤净化除 尘装置中，滤材再生大多采用与过滤方向相反的脉冲反 吹气流对滤芯进行在线反吹，使滤饼脱落进入集灰室， 以实现过滤元件的再生。在线脉冲反吹再生技术对维持 滤芯正常工作和设备的连 续运行起着重要作用，脉冲反吹再生条件的变化对滤芯 寿命有很大影响。为增加系统的稳定性，提高滤芯的使 用寿命，许多研宄者对过滤元件脉冲反吹再生机理开展 了大量

3、的实验和模型研宄 ，本文主要从实验和理论研究两个方面综述国内外高温 气体过滤除尘脉冲反吹再生过程的研宄进展。1介质过滤 净化除尘技术的装置结构工业上应用的介质过滤净化除 尘装置通常在内部安装 有陶瓷或金属材料制成的圆柱型多孔滤芯，其端封闭， 另端开口，装置总体结构及内部滤芯结构如渗透性的滤 芯外部沿径向流入滤芯，灰尘被拦截而沉积在滤芯的外 面上，并逐渐形成滤饼， 含尘气体得到净化。随着过滤过程的进行，滤饼层逐渐 增厚，导致过滤阻力增加，压差增大，透过性降低。当 过滤压差增大到定值时，就需要采用适当的方法把沉积 下来的滤饼层除去，即滤 芯再生阶段。目前，国内外基本上都采用与过滤过程气 体流动方向

4、相反的高压脉冲气体自滤管内部向外脉冲反 吹，吹落滤饼层，使滤芯的过滤性能得到恢复。2脉冲反 吹过程滤饼猜除及其影 响因素的实验研究迸展脉冲反吹再生过程是对单个或数 个过滤元件分组逐次进行，其特点是能够实现在线再生， 使过滤器能够基金项目国家自然科学基金资助项目 0.50074027反吹 氮气脉冲反吹闲净化后的烟气入口烟气过滤器金，过滤 元件排灰口，过滤装置总体结构1滤芯结构和反吹过程嘴 能够引导气体沿过滤管长度方向前进，实现沿滤管工况 条件下，脉冲喷嘴与过 滤管之间的喷吹距离非常重要若喷吹距离太短，脉冲气 体喷入后，在过滤管的前部会产生负压，由此导致对该 处过滤管外部含尘气体产生次卷吸，降低滤

5、饼脱除效果； 而喷吹距离过长，从脉 冲喷嘴喷出的气体将不能全部进入滤管，导致不能充分 利用高压反吹气体，必然浪费了高压气体的清除潜力。 他们在实验中确定了配有不同结构文氏嘴佳文氏嘴形状 是确保所有脉冲动量都进 入过滤管内，但又不至于造成次卷吸。尺，出，613提出 对喷嘴与文氏嘴之间的距离以及连续工作在线反吹面临 的困难是如何避免已吹脱的粉尘的再吸附即对滤管外含 尘气体的次卷吸。为 此，人们提出多种避免次卷吸的方法741315，其中主要 考虑了喷吹压力喷吹距离和喷嘴直径及喷嘴形状2.1喷吹 压力对滤饼清除效果的影响研究在脉冲反吹过程中，由 于过滤和反吹 是联系在起的，所以研宄过滤过程中形成滤饼的

6、孔隙率 就成为研究过滤与反吹过程的关键。反330等通过测量压 降和灰尘厚度等来研究被捕捉的灰尘在刚性陶瓷过滤元 件上的积累过程，指 出过滤速度越大，形成滤饼的孔隙率越小，滤饼的清除 效率越低12，越需要更强的反吹力。但是反吹压力并不 能无限制地升高，压力太高，容易造成次卷吸。姬忠礼 等7研究了陶瓷滤芯最 优反吹压力和如何避免次卷吸的发生。他们采用压电式 压力传感器测得沿滤芯的不同位置的动态压力信号，发 现上中下个位置的滤管内壁处的动态压力波形都经历了 零压段正压段和负压段。 提高喷吹压力，正压峰值提高，有利于清灰，但同时负 压段的峰值也增加。负压的存在对脉冲反吹的效果非常 不利，滤管外气体会迅

7、速流入滤管，容易造成反吹后气 体的再吸附。因此应选择 个合适的喷吹压力，使负压较小，并能减小反吹气体的 耗量。2.2喷吹距离对滤饼清除效果的影响研究0，等8提 出如何控制喷吹距离，以防止次卷吸的发生。他们采用 编织的金属网状物 插入低密度陶瓷过滤管的喉部充当文氏嘴，这样做主要 作用如下增加反吹气体吸入量，借此以改善滤饼的去除 率，减少系统剩余压降和总压降；与陶瓷元件对中不佳 文氏嘴喉部的尺寸进行设 计，可以改善初始冲击力，峰压平均压力以及瞬时脉冲 压力。在脉冲反吹过程中，在喷嘴直径定的情况下，反 吹喷嘴与文氏嘴间的距离对压力的影响非常明显。随着 喷吹距离的增大，压力峰 值变大，喷吹距离增大到定

8、程度时压力峰值又回落。喷 吹距离对于反吹过程中压力的影响可以归结为对反吹效 果的影响。2.3喷嘴直径和喷嘴形状对滤饼清除效果的影 响研究，扭崔小兰等 实验研究了喷嘴结构对陶瓷滤管脉冲反吹过程的影响， 指出喷嘴结构对滤管内压力波形影响较大。对于直管式 喷嘴，直径应尽可能选择小些的，原因在于喷嘴直径越 大，从集气室卷吸的洁净 气体的量相对于自喷嘴喷出的气体量来说越小，在喷嘴 直径高于某值时，滤管内的压力甚至开始减小，这对于 清灰不利；文献，还指出，对于同喉径的直管渐缩以及 缩放式喷嘴，缩放式喷嘴 的喷吹效果最好。3脉冲反吹再生过程滤饼清除规律的理 论研究进展如上所述，在过滤过程中，当滤管两侧压差

9、增大到某定值时，采用脉冲反吹将滤芯再生。其后，操 作又进入过滤阶段，开 始下个过滤循环。滤管再生后的压降称之为剩余压降。 剩余压降的大小，可以征反吹后残留在过滤介质上的粉 尘的多少。经过多次过滤循环，剩余压降直增大2，剩余 压降同时也依赖于过滤 介质内部粉尘的可压缩性。另外，含尘气体在过滤过程 中沿不同滤管及各个滤管外面不同部位的流速分布存在 较大差别。而在脉冲反吹过程中，沿轴向方向速度分布 也存在不均匀性，导致滤 管面粉尘层分布不均匀。国外研究者建立了些模型并结 合实验来研究滤饼结构和清灰过程。4给出了不均匀清灰 现象的意。0出161考虑到介质本身的厚度和阻力，采用 维紊流模型来预测 压降并

10、把压降作为衡量再生效率的参数。在计算过程中， 根据滤饼与介质的厚度按比例划分了若干个均匀网格。 他们建立的模型得出再生效率越低，循环周期越短，但 再生效率低于85时， 再生效率和循环周期并非呈线性关系。他还指出气体在 脉冲反吹再生后的滤管面高速流动，导致滤饼快速生成 和过滤压降迅速增长。对于这问，Snyder19提出了与0诎 枕等18不同 的观点。3町认为，压降的快速增长起因于从过滤介质中 去除的颗粒又再次卷吸到介质面。其后，出120进步把模 拟结果和实验结果做了对比，验证了文献18清灰模型的 正确性，显粘附 力和垂直线代粘附力，水平线代团聚力，深灰色的长方 形代新沉淀的滤饼。团聚力以及再生参

11、数对于清灰方式 再生频率以及经过系列循环后总的再生效率具有较大的 影响。0出16指出他们 将通过进步考虑错流以及滤饼的可压缩性对滤饼厚度和 滤饼层孔隙率的影响来完善现有的模型。4对脉冲反吹过 程传递现象的数值模拟研究根据国内外所报导的研究成 果来看，脉冲反吹过程 的压力变化滤饼的脱除再生都与滤管内的流体流动密切 相关，而现有的实验研宄基本上难以反映流动这问逐步 获得解决。相对于实验研究，数值模拟研究能提供更详 尽和精细结构的信息，加 深对过程的理解，在此基础上以达到设备改进的目的， 近年来已经有许多研究者采用不同计算模型致力于这方 面的研宄5.下文对这些模型加以描述。4.1维的模型研究 公开文

12、献中有多个 研宄者采用维气体动力学方程来描述包括脉冲反吹区域 卷吸区域和过滤元件内部区域在内的流体流动。1切51指 出，在脉冲反吹周期为200的情况下，50内过滤元件内部 的流动就达到 了稳定状态，因此，可以用维稳态方程来计算连续方程 动量和能量方程。，计算了维稳态情况下过滤管内及滤 管多孔壁内的流动情形。在喷嘴高速喷出算出文氏嘴喉 部进气的速度压力以及密 度，并以此为初始条件，顺序计算滤管内的流动，直可 以获得滤管末端的轴向速度，再改变引射比进行计算， 直到末端轴向速度变为零。计算时多孔介质中的流动采 用层流达西定律来描述， 模拟结果显反吹压力在滤管末端的值比入口附近的压力 值大，这与实验结

13、果符合较好。但点4进行数值模拟的结 果与实验值的对比反吹过程的结构参数和操作参数如喷 嘴结构喷嘴位置文氏管 结构喷吹压力喷射气流速度等对再生效果的影响，为高 温除尘装置的设计和操作参数的优化提供依据，以指导 进步的研究开发工作。基础模拟数据与CROSS所报导的文 献结果符合较好。 对于实际的装置，己经得出最佳的喷嘴距离在2.57.51之 间的结论26.可以预料，随着研究的逐步深入，数值模拟 研究将获得更广泛的应用。在线脉冲反吹再生技术对保 证高温除尘 装置内的滤芯正常工作和设备的连续运行起着重要的作 用。脉冲反吹再生条件的变化对滤芯寿命有很大的影响。 为增加系统的稳定性，改善滤芯的使用寿命，仍

14、需要对 过滤元件的脉冲反吹再 生机理做大量的研究。过滤和反吹过程都可能导致滤管 面粉尘层清灰的随机理论模型，反映粉尘层厚度和压降 在过滤反吹循环操作过程中的变化，对于深入理解过滤 反吹循环操作过程，具有 重要的意义。是，对整个过滤系统都采用维气体动力学 模型要求做相当多的简化，因此描述喷射气体与集气室 气体混合过程以及非等温维卷吸现象的准确度就受到了 怀疑。4.2基于计算流 体力学方法的数值模拟研究近年来，以计算流体力学， 为基础的数值模拟方法，由于成本低效快，可以提供细 微的流场信息22，所以得到了越来越多的重视，并得到 了长足的发展。3瓜2 3分，24等采用通用00软件，1肥进行了脉冲反吹

15、过程的 流体流动和传热的计算。叫等建立了维轴对称隹稳态模 型无讨论了滤管中的强湍流流动，又考虑了多孔介质中 的层流，用达西定 律计算多孔介质中的压降，计算了滤管内的速度场和温 度场，并与实验值相比较，除温度场外，都符合较好，5. 温度场存在差异是因为在对温度场数值模拟的过程中， 尚难以建立能够良好 反映处于高温环境下的多孔滤管与射入的低温脉冲气体 之间的热辐射模型，所以在传热过程模拟上尚难以获得 良好的结果。如何建立相应的辐射传热模型来更好地模 拟温度场的变化，对于降 低低温脉冲气体对滤管的热冲击，延长滤管的使用寿命， 将成为下步工作的方向。姬忠礼等将过滤器单根滤管内 外流场假定为维轴对称可压

16、缩非稳态的流动模型，计算 了脉冲反吹全过程中， 文氏嘴区域和滤管内瞬变速度场和温度场，结果之间存 在个过渡过程，其特征是滤管内气体向引射空间流动， 管外气体会穿过滤管壁流向管内，最大回流速度远大于 正常过滤速度。北京化工 大学采用30算法模拟在线脉冲对于高温气体除尘，进步 理解脉冲反吹机理，避免已吹脱粉尘的再吸附，以及如 何通过实验和数值模拟相结合的方法优化结构参数和操 作参数喷嘴结构喷嘴位 置文氏嘴结构，反吹压力以及喷射气流速度等将成为今 后研究发展的重点。由于数值模拟研究能够提供更详尽 的信息，加深对过程的理解和达到设备改进的目的，所 以数值模拟研宄将越来越 受到重视。时铭显。高温气体除尘技术的现代发展第届 全国非均项分离学术讨论会论文集。北京1997，14.况春 江，方玉诚，刘立新，等。高温气体介质过滤除尘技术 和材料的研究第 十届中国国际过滤材料研讨会。上海2000，7176.黄晓卫， 吴发信，夏兴祥。高温条件下超高效面过滤除尘技术的 研究10.第六届全国非均相分离学术交流会暨均相分离新 型技术