高溫氣體過濾除塵脈沖反吹再生過程的研究進展

1、分析了脈沖反吹過程中所涉及的傳遞現(xiàn)象數(shù)值模擬，以期更為深入地了解反吹再生過程的氣流流動與能量傳遞規(guī)律，以指導(dǎo)和優(yōu)化過濾裝置的操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，涉及含塵氣體在高溫下直接凈化除塵和應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣泛，如整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的高溫煤氣凈化石油催化裂解裝置中高溫氣體過濾及催化劑的回收汽車尾氣凈化焚燒爐的高溫廢氣凈化金屬工業(yè)玻璃陶瓷工業(yè)等高溫?zé)煔鈨艋鹊?3.由于高溫工業(yè)氣體中含有大量的顯熱或潛熱以及可供回收重復(fù)利用的物質(zhì)如石化工業(yè)中的固體催化劑，它的合理利用具有十分巨大的經(jīng)濟價值。高溫氣體除塵技術(shù)的核心是保護后續(xù)工藝設(shè)備的順利運行和氣體凈化。在諸多高溫氣體凈化除塵工藝技術(shù)

2、中，介質(zhì)過濾凈化除塵技術(shù)有許多顯著的優(yōu)點34.在實際操作中，多采用圓柱型過濾器，過濾器的濾芯般米用剛性陶瓷或金屬多孔材料。介質(zhì)過濾除塵工藝過程主要分為含塵氣體的過濾凈化和過濾材料介質(zhì)的再生兩個階段。目前，國內(nèi)外開發(fā)的介質(zhì)過濾凈化除塵裝置中，濾材再生大多采用與過濾方向相反的脈沖反吹氣流對濾芯進行在線反吹，使濾餅脫落進入集灰室，以實現(xiàn)過濾元件的再生。在線脈沖反吹再生技術(shù)對維持濾芯正常工作和設(shè)備的連續(xù)運行起著重要作用，脈沖反吹再生條件的變化對濾芯壽命有很大影響。為增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高濾芯的使用壽命，許多研宄者對過濾元件脈沖反吹再生機理開展了大量的實驗和模型研宄，本文主要從實驗和理論研究兩個方面綜述

3、國內(nèi)外高溫氣體過濾除塵脈沖反吹再生過程的研宄進展。1介質(zhì)過濾凈化除塵技術(shù)的裝置結(jié)構(gòu)工業(yè)上應(yīng)用的介質(zhì)過濾凈化除塵裝置通常在內(nèi)部安裝有陶瓷或金屬材料制成的圓柱型多孔濾芯，其端封閉，另端開口，裝置總體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部濾芯結(jié)構(gòu)如滲透性的濾芯外部沿徑向流入濾芯，灰塵被攔截而沉積在濾芯的外面上，并逐漸形成濾餅，含塵氣體得到凈化。隨著過濾過程的進行，濾餅層逐漸增厚，導(dǎo)致過濾阻力增加，壓差增大，透過性降低。當(dāng)過濾壓差增大到定值時，就需要采用適當(dāng)?shù)姆椒ò殉练e下來的濾餅層除去，即濾芯再生階段。目前，國內(nèi)外基本上都采用與過濾過程氣體流動方向相反的高壓脈沖氣體自濾管內(nèi)部向外脈沖反吹，吹落濾餅層，使濾芯的過濾性能得到恢復(fù)。2

4、脈沖反吹過程濾餅猜除及其影響因素的實驗研究迸展脈沖反吹再生過程是對單個或數(shù)個過濾元件分組逐次進行，其特點是能夠?qū)崿F(xiàn)在線再生，使過濾器能夠基金項目國家自然科學(xué)基金資助項目0.50074027反吹氮氣脈沖反吹閑凈化后的煙氣入口煙氣過濾器金，過濾元件排灰口，過濾裝置總體結(jié)構(gòu)1濾芯結(jié)構(gòu)和反吹過程嘴能夠引導(dǎo)氣體沿過濾管長度方向前進，實現(xiàn)沿濾管工況條件下，脈沖噴嘴與過濾管之間的噴吹距離非常重要若噴吹距離太短，脈沖氣體噴入后，在過濾管的前部會產(chǎn)生負壓，由此導(dǎo)致對該處過濾管外部含塵氣體產(chǎn)生次卷吸，降低濾餅脫除效果；而噴吹距離過長，從脈沖噴嘴噴出的氣體將不能全部進入濾管，導(dǎo)致不能充分利用高壓反吹氣體，必然浪費了

5、高壓氣體的清除潛力。他們在實驗中確定了配有不同結(jié)構(gòu)文氏嘴佳文氏嘴形狀是確保所有脈沖動量都進入過濾管內(nèi)，但又不至于造成次卷吸。尺，出，613提出對噴嘴與文氏嘴之間的距離以及連續(xù)工作在線反吹面臨的困難是如何避免已吹脫的粉塵的再吸附即對濾管外含塵氣體的次卷吸。為此，人們提出多種避免次卷吸的方法741315，其中主要考慮了噴吹壓力噴吹距離和噴嘴直徑及噴嘴形狀2.1噴吹壓力對濾餅清除效果的影響研究在脈沖反吹過程中，由于過濾和反吹是聯(lián)系在起的，所以研宄過濾過程中形成濾餅的孔隙率就成為研究過濾與反吹過程的關(guān)鍵。反330等通過測量壓降和灰塵厚度等來研究被捕捉的灰塵在剛性陶瓷過濾元件上的積累過程，指出過濾速度越

6、大，形成濾餅的孔隙率越小，濾餅的清除效率越低12，越需要更強的反吹力。但是反吹壓力并不能無限制地升高，壓力太高，容易造成次卷吸。姬忠禮等7研究了陶瓷濾芯最優(yōu)反吹壓力和如何避免次卷吸的發(fā)生。他們采用壓電式壓力傳感器測得沿濾芯的不同位置的動態(tài)壓力信號，發(fā)現(xiàn)上中下個位置的濾管內(nèi)壁處的動態(tài)壓力波形都經(jīng)歷了零壓段正壓段和負壓段。提高噴吹壓力，正壓峰值提高，有利于清灰，但同時負壓段的峰值也增加。負壓的存在對脈沖反吹的效果非常不利，濾管外氣體會迅速流入濾管，容易造成反吹后氣體的再吸附。因此應(yīng)選擇個合適的噴吹壓力，使負壓較小，并能減小反吹氣體的耗量。2.2噴吹距離對濾餅清除效果的影響研究0，等8提出如何控制噴

7、吹距離，以防止次卷吸的發(fā)生。他們采用編織的金屬網(wǎng)狀物插入低密度陶瓷過濾管的喉部充當(dāng)文氏嘴，這樣做主要作用如下增加反吹氣體吸入量，借此以改善濾餅的去除率，減少系統(tǒng)剩余壓降和總壓降；與陶瓷元件對中不佳文氏嘴喉部的尺寸進行設(shè)計，可以改善初始沖擊力，峰壓平均壓力以及瞬時脈沖壓力。在脈沖反吹過程中，在噴嘴直徑定的情況下，反吹噴嘴與文氏嘴間的距離對壓力的影響非常明顯。隨著噴吹距離的增大，壓力峰值變大，噴吹距離增大到定程度時壓力峰值又回落。噴吹距離對于反吹過程中壓力的影響可以歸結(jié)為對反吹效果的影響。2.3噴嘴直徑和噴嘴形狀對濾餅清除效果的影響研究，扭崔小蘭等實驗研究了噴嘴結(jié)構(gòu)對陶瓷濾管脈沖反吹過程的影響，指

8、出噴嘴結(jié)構(gòu)對濾管內(nèi)壓力波形影響較大。對于直管式噴嘴，直徑應(yīng)盡可能選擇小些的，原因在于噴嘴直徑越大，從集氣室卷吸的潔凈氣體的量相對于自噴嘴噴出的氣體量來說越小，在噴嘴直徑高于某值時，濾管內(nèi)的壓力甚至開始減小，這對于清灰不利；文獻，還指出，對于同喉徑的直管漸縮以及縮放式噴嘴，縮放式噴嘴的噴吹效果最好。3脈沖反吹再生過程濾餅清除規(guī)律的理論研究進展如上所述，在過濾過程中，當(dāng)濾管兩側(cè)壓差增大到某定值時，采用脈沖反吹將濾芯再生。其后，操作又進入過濾階段，開始下個過濾循環(huán)。濾管再生后的壓降稱之為剩余壓降。剩余壓降的大小，可以征反吹后殘留在過濾介質(zhì)上的粉塵的多少。經(jīng)過多次過濾循環(huán)，剩余壓降直增大2，剩余壓降同

9、時也依賴于過濾介質(zhì)內(nèi)部粉塵的可壓縮性。另外，含塵氣體在過濾過程中沿不同濾管及各個濾管外面不同部位的流速分布存在較大差別。而在脈沖反吹過程中，沿軸向方向速度分布也存在不均勻性，導(dǎo)致濾管面粉塵層分布不均勻。國外研究者建立了些模型并結(jié)合實驗來研究濾餅結(jié)構(gòu)和清灰過程。4給出了不均勻清灰現(xiàn)象的意。0出161考慮到介質(zhì)本身的厚度和阻力，采用維紊流模型來預(yù)測壓降并把壓降作為衡量再生效率的參數(shù)。在計算過程中，根據(jù)濾餅與介質(zhì)的厚度按比例劃分了若干個均勻網(wǎng)格。他們建立的模型得出再生效率越低，循環(huán)周期越短，但再生效率低于85時，再生效率和循環(huán)周期并非呈線性關(guān)系。他還指出氣體在脈沖反吹再生后的濾管面高速流動，導(dǎo)致濾餅

10、快速生成和過濾壓降迅速增長。對于這問，Snyder19提出了與0詘枕等18不同的觀點。3町認為，壓降的快速增長起因于從過濾介質(zhì)中去除的顆粒又再次卷吸到介質(zhì)面。其后，出120進步把模擬結(jié)果和實驗結(jié)果做了對比，驗證了文獻18清灰模型的正確性，顯粘附力和垂直線代粘附力，水平線代團聚力，深灰色的長方形代新沉淀的濾餅。團聚力以及再生參數(shù)對于清灰方式再生頻率以及經(jīng)過系列循環(huán)后總的再生效率具有較大的影響。0出16指出他們將通過進步考慮錯流以及濾餅的可壓縮性對濾餅厚度和濾餅層孔隙率的影響來完善現(xiàn)有的模型。4對脈沖反吹過程傳遞現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究根據(jù)國內(nèi)外所報導(dǎo)的研究成果來看，脈沖反吹過程的壓力變化濾餅的脫除再生

11、都與濾管內(nèi)的流體流動密切相關(guān)，而現(xiàn)有的實驗研宄基本上難以反映流動這問逐步獲得解決。相對于實驗研究，數(shù)值模擬研究能提供更詳盡和精細結(jié)構(gòu)的信息，加深對過程的理解，在此基礎(chǔ)上以達到設(shè)備改進的目的，近年來已經(jīng)有許多研究者采用不同計算模型致力于這方面的研宄5.下文對這些模型加以描述。4.1維的模型研究公開文獻中有多個研宄者采用維氣體動力學(xué)方程來描述包括脈沖反吹區(qū)域卷吸區(qū)域和過濾元件內(nèi)部區(qū)域在內(nèi)的流體流動。1切51指出，在脈沖反吹周期為200的情況下，50內(nèi)過濾元件內(nèi)部的流動就達到了穩(wěn)定狀態(tài)，因此，可以用維穩(wěn)態(tài)方程來計算連續(xù)方程動量和能量方程。，計算了維穩(wěn)態(tài)情況下過濾管內(nèi)及濾管多孔壁內(nèi)的流動情形。在噴嘴高

12、速噴出算出文氏嘴喉部進氣的速度壓力以及密度，并以此為初始條件，順序計算濾管內(nèi)的流動，直可以獲得濾管末端的軸向速度，再改變引射比進行計算，直到末端軸向速度變?yōu)榱?。計算時多孔介質(zhì)中的流動采用層流達西定律來描述，模擬結(jié)果顯反吹壓力在濾管末端的值比入口附近的壓力值大，這與實驗結(jié)果符合較好。但點4進行數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗值的對比反吹過程的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)如噴嘴結(jié)構(gòu)噴嘴位置文氏管結(jié)構(gòu)噴吹壓力噴射氣流速度等對再生效果的影響，為高溫除塵裝置的設(shè)計和操作參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)，以指導(dǎo)進步的研究開發(fā)工作?；A(chǔ)模擬數(shù)據(jù)與CROSS所報導(dǎo)的文獻結(jié)果符合較好。對于實際的裝置，己經(jīng)得出最佳的噴嘴距離在2.57.51之間的結(jié)

13、論26.可以預(yù)料，隨著研究的逐步深入，數(shù)值模擬研究將獲得更廣泛的應(yīng)用。在線脈沖反吹再生技術(shù)對保證高溫除塵裝置內(nèi)的濾芯正常工作和設(shè)備的連續(xù)運行起著重要的作用。脈沖反吹再生條件的變化對濾芯壽命有很大的影響。為增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善濾芯的使用壽命，仍需要對過濾元件的脈沖反吹再生機理做大量的研究。過濾和反吹過程都可能導(dǎo)致濾管面粉塵層清灰的隨機理論模型，反映粉塵層厚度和壓降在過濾反吹循環(huán)操作過程中的變化，對于深入理解過濾反吹循環(huán)操作過程，具有重要的意義。是，對整個過濾系統(tǒng)都采用維氣體動力學(xué)模型要求做相當(dāng)多的簡化，因此描述噴射氣體與集氣室氣體混合過程以及非等溫維卷吸現(xiàn)象的準(zhǔn)確度就受到了懷疑。4.2基于計算

14、流體力學(xué)方法的數(shù)值模擬研究近年來，以計算流體力學(xué)，為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬方法，由于成本低效快，可以提供細微的流場信息22，所以得到了越來越多的重視，并得到了長足的發(fā)展。3瓜23分，24等采用通用00軟件，1肥進行了脈沖反吹過程的流體流動和傳熱的計算。叫等建立了維軸對稱隹穩(wěn)態(tài)模型無討論了濾管中的強湍流流動，又考慮了多孔介質(zhì)中的層流，用達西定律計算多孔介質(zhì)中的壓降，計算了濾管內(nèi)的速度場和溫度場，并與實驗值相比較，除溫度場外，都符合較好，5.溫度場存在差異是因為在對溫度場數(shù)值模擬的過程中，尚難以建立能夠良好反映處于高溫環(huán)境下的多孔濾管與射入的低溫脈沖氣體之間的熱輻射模型，所以在傳熱過程模擬上尚難以獲得良好

15、的結(jié)果。如何建立相應(yīng)的輻射傳熱模型來更好地模擬溫度場的變化，對于降低低溫脈沖氣體對濾管的熱沖擊，延長濾管的使用壽命，將成為下步工作的方向。姬忠禮等將過濾器單根濾管內(nèi)外流場假定為維軸對稱可壓縮非穩(wěn)態(tài)的流動模型，計算了脈沖反吹全過程中，文氏嘴區(qū)域和濾管內(nèi)瞬變速度場和溫度場，結(jié)果之間存在個過渡過程，其特征是濾管內(nèi)氣體向引射空間流動，管外氣體會穿過濾管壁流向管內(nèi)，最大回流速度遠大于正常過濾速度。北京化工大學(xué)采用30算法模擬在線脈沖對于高溫氣體除塵，進步理解脈沖反吹機理，避免已吹脫粉塵的再吸附，以及如何通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)噴嘴結(jié)構(gòu)噴嘴位置文氏嘴結(jié)構(gòu)，反吹壓力以及噴射氣流速度等將成為今后研究發(fā)展的重點。由于數(shù)值模擬研究能夠提供更詳盡的信息，加深對過程的理解和達到設(shè)備改進的目的，所以數(shù)值模擬研宄將越來越受到重視。時銘顯。高溫氣體除塵技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展第屆全國非均項分離學(xué)術(shù)討論會論文集。北京1997，14.況春江，方玉誠，劉立新，等。高溫氣體介質(zhì)過濾除塵技術(shù)和材料的研究第十屆中國國際過濾材料研討會。上海2000，7176.黃曉衛(wèi)，吳發(fā)信，夏興祥。高溫條件下超高效面過濾除塵技術(shù)的研究10.第六屆全國非均相分離學(xué)術(shù)交流會暨均相分離新型技