袋除塵器脈沖噴吹系統的試驗研究
目前，在工業煙氣粉塵污染治理領域，袋除塵器以其除塵效率高，適應范圍廣，逐漸替代電除塵器成為主導技術。脈沖噴吹系統是影響袋除塵器除塵效率的關鍵因素之一，也是影響濾袋壽命和除塵器運行阻力的重要因素。由于袋除塵器用脈沖閥的性能存在較大差異，使得工程應用中的袋除塵器脈沖噴吹系統性能存在差異，并影響到除塵器除塵效率和濾袋壽命。本文利用脈沖噴吹試驗臺開展脈沖噴吹試驗，探索不同規格型號的脈沖閥和噴吹管等參數的關系以及濾袋袋口、袋中和袋底噴吹壓力變化規律。為袋除塵技術特別是噴吹技術的優化設計提供依據，也利于指導袋除塵工程設計。
1試驗
1.1試驗設備
開發一套脈沖噴吹試驗臺（見圖1），包括脈沖噴吹系統的物理本體及數據采集系統。
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圖1脈沖噴吹試驗臺
1.供氣系統；2.分氣箱；3.脈沖閥；4.噴吹管；5.數據采集點；6.濾袋組件；7.PLC數據采集系統；8.計算機
其中本體包含袋除塵器噴吹系統的主要部件：供氣系統、分氣箱、脈沖閥、噴吹管和濾袋組件（包含濾袋及袋籠），試驗臺的物理本體有關參數與產品參數相同，并按照試驗需要設計為可調節，如噴吹管可以進行更換、噴吹管長度和噴吹管直徑可調節及分氣箱上可以安裝4種以上脈沖閥（包括3英寸淹沒閥以及柱塞閥）；脈沖噴吹試驗臺數據采集系統包含：壓力變送器、屏蔽電纜、PLC數據采集系統和進行數據輸出顯示的計算機，并安裝具有數據記錄功能的試驗控制軟件（見圖2）。根據試驗需要，在試驗臺上設置若干數據采集點，以滿足試驗需要。
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圖2試驗參數實時監控界面
1.2試驗過程
按照試驗大綱，調試好脈沖噴吹試驗臺，選定待測脈沖閥，接好噴吹管；接通PLC數據采集系統以及控制軟件，在控制軟件上設置好脈沖時間、噴吹壓力等參數。啟動供氣系統，脈沖噴吹試驗臺開始工作，待分氣箱中壓力達到控制軟件設定壓力，試驗臺自動噴吹，各采集點的數據通過PLC數據采集系統傳輸到計算機控制軟件中，并以數據庫形式保存。依次按照試驗大綱，對脈沖閥、噴吹壓力、脈沖時間和噴吹管參數進行調整，并記錄相關試驗數據，完成脈沖噴吹試驗數據采集工作。
2試驗數據分析
2.1脈沖閥耗氣量對比
選取4個廠家脈沖閥進行耗氣量對比試驗，其中B、C、D脈沖閥均為進口3英寸雙膜片淹沒式脈沖閥，為水泥行業袋除塵器常用脈沖閥，B脈沖閥出氣口公稱通徑76mm，C、D脈沖閥出氣口公稱通徑75mm。淹沒式脈沖閥結構見圖3[2]。
A脈沖閥為國產柱塞閥，也稱作活塞式脈沖閥，與同規格膜片淹沒式脈沖閥相比，具有更大的噴吹氣量，可以帶更多條濾袋，在電力行業應用較多。本次試驗用柱塞閥的活塞直徑105mm，結構見圖4[3]。
圖3淹沒式脈沖閥結構
圖4柱塞式脈沖閥結構
圖5為A、B、C、D4個閥在相同的氣源、儲氣罐及試驗條件，相同的噴吹壓力和脈沖時間下，噴吹過程中分氣箱壓力值變化曲線。
圖5噴吹過程中4個脈沖閥充氣箱壓力峰值變化曲線
由分氣箱壓力變化曲線可以看出，4個脈沖閥耗氣量的對比關系為：A閥＞C閥＞B閥＞D閥。其中A閥耗氣量最大，而B、C、D閥的耗氣量較為接近，主要原因為柱塞閥的結構與膜片閥不同所致[2]。
脈沖閥每閥次的耗氣量可根據公式（1）計算得出（計算結果略）：
式中：
ΔQ——脈沖閥每閥次噴吹耗氣量，m3；
P0——系統初壓，kPa；
Q——系統容積，m3；
Pa——標準大氣壓，kPa；
P1——系統末壓，kPa；
K——定壓比熱與定容比熱之比，K=1.4。
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2.2脈沖閥噴吹效果對比
噴吹效果是判定脈沖閥性能的重要指標，本組對比試驗選用濾袋上壓力峰值以及選定壓力值區間作用時間作為判定噴吹效果的指標。圖6為相同參數下采用4個閥進行噴吹試驗，測量到的濾袋袋口壓力變化曲線。
圖64個閥對袋口的噴吹壓力峰值變化曲線
從圖6所測試驗數據可以看出，4個脈沖閥對濾袋壓力峰值對比結果：B閥＞A閥＞C閥＞D閥。試驗數據表明濾袋袋口壓力峰最大差值339.7Pa，最大差值率21.8%。
以＞1000Pa為選定壓力值區間，從作用時間方面對比，4個閥噴吹性能順序依次為：B閥＞C閥＞A閥＞D閥。
從濾袋清灰角度，峰值壓力的影響因子比作用時間的影響因子更大一些。因此，綜合兩項對比，4個閥的噴吹性能對比結果為：B閥＞A閥＞C閥＞D閥。
2.3噴吹管前、中、后端噴吹壓力對比
噴吹管前、中、后端噴吹壓力對比試驗在脈沖閥、噴吹孔直徑、噴吹壓力和脈沖時間一樣的情況下，測量噴吹管近分氣箱端到遠分氣箱端各噴吹孔位出口壓力峰值見圖7。
圖7各噴吹孔壓力峰值曲線
由圖7可以看出，18孔噴吹管壓力峰值從近分氣箱端到遠分氣箱端依次增加，其中：1～6孔位和7～18孔位的壓力峰值增長趨勢近似為兩條斜率不同的直線，其噴吹壓力峰值近似為平面直角坐標系直線方程式：
y=knx+b（2）
式中：
y——各孔位壓力峰值；
x——孔位；
kn——斜率值。
由圖7可以看出，斜率k1＞k2。即1～6孔位（近分氣箱端）噴吹壓力峰值變化較大，而7～18孔位（遠分氣箱端）則變化較小。
這表明：噴吹管中每個噴嘴的流量分布不均勻，沿著噴吹方向，前端噴嘴的氣體質量流量小，后端的氣體質量流量大[4]。因此，在工程設計時，需要通過改變噴嘴直徑來合理分配噴吹氣流，沿著噴吹方向，噴嘴直徑逐漸減小[5]。實際工程應用中，考慮到加工問題，通常近分氣箱端3～5個噴吹孔直徑相同，而遠分氣箱端噴吹孔直徑相同，并且后者小于前者。
2.4濾袋袋口、袋中以及袋底噴吹壓力對比
本組對比試驗在脈沖噴吹系統進行噴吹時，同時采集同一條濾袋袋口、袋中以及袋底受到的氣流噴吹壓力數值來研究三個位置噴吹壓力變化規律。具體試驗數據見圖8。
圖8濾袋各部位壓力峰值變化
由圖8可以看到，濾袋各部位受到的噴吹氣流壓力峰值大小關系為：袋口＞袋底＞袋中。這是由于高壓氣流由噴吹孔噴出后，到達袋口，高壓氣流未擴散，故壓力最大；氣流高速到達袋底過程中不斷向四周擴散，到達袋底后在濾袋底部形成一定的壓力，然后氣流在袋籠底板反沖向上，加強了袋底區域濾袋壓力，壓力峰值沿著軸線向上逐漸衰減。
因此，袋除塵器噴吹時，濾袋袋底壓力不是最小的，濾袋壓力峰值的最小值在袋中某個區域。
2.5脈沖閥最大濾袋噴吹數量噴吹效果的對比
如果單個脈沖閥可以帶更多的濾袋和更長的濾袋，這樣，袋除塵器的成本及鋼耗比更小，設備占地面積更小，產品更具競爭力。所以，探索單個脈沖閥最大噴吹濾袋數量具有重要意義。
本組對比試驗以B脈沖閥為例，采用18孔噴吹管和23孔噴吹管進行對比試驗，試驗數據見圖9。
圖9B閥不同噴吹孔數量的壓力峰值曲線
通過兩組對比試驗可以看出：23個噴吹孔時濾袋壓力峰值低于18個噴吹孔時的壓力峰值。主要是由于在脈沖閥耗氣量一定的情況下，噴吹孔增加，每個濾袋噴入的高壓氣流量相對減少，使濾袋上壓力峰值降低。但也可以看出：23孔相比18孔噴吹管，噴吹孔數量增加27%，而B閥在23個噴吹孔時的作用效果比18個孔的噴吹效果降低幅度在10%以內；同時，對比C閥18孔噴吹管的噴吹壓力（見圖10），試驗數據表明B閥23個噴吹孔的噴吹壓力與C閥18個噴
吹孔噴吹壓力接近，顯示了B閥的良好噴吹性能，并說明B閥具備帶23條濾袋的能力。
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圖10B閥23噴吹孔和C閥18噴吹孔的壓力峰值對比試驗
3結論
1）從耗氣量上來看，4個脈沖閥的耗氣量大小排序為：A閥＞C閥＞B閥＞D閥。
2）從脈沖閥對濾袋上作用壓力峰值來看，作用效果大小排序為：B閥＞A閥＞C閥＞D閥。綜合對比，4個閥的性能對比結果為：B閥＞A閥＞C閥＞D閥。
3）噴吹管近分氣箱端和遠分氣箱端噴吹效果對比，相同噴吹孔直徑下，對濾袋噴吹效果排序為：遠分氣箱端＞近分氣箱端，其中近分氣箱端噴吹孔的噴吹壓力變化較大。因此，在噴吹管設計時，應該調整噴吹孔的直徑，使各噴吹孔噴出氣流對濾袋的噴吹效果相近。
4）從濾袋袋口、袋中以及袋底噴吹效果來看：袋口＞袋底＞袋中，袋底的壓力峰值不是最低的，最低值應該在濾袋中部某個部位。
目前國內的袋除塵器還是以長度小于8m濾袋為主，脈沖閥普遍選用3英寸膜片式淹沒閥，柱塞閥在電力行業應用較多。水泥廠為降低采購成本，在招標時往往指定脈沖閥品牌及型號。但由于其對脈沖閥性能的不了解，其制定的脈沖閥與除塵器設計廠家的袋除塵器匹配性不好，使袋除塵器無法達到最佳除塵性能，影響出口排放濃度。而通過本次試驗可以很明顯對各類型、品牌脈沖閥的性能進行比較，不僅對設計人員起到參考作用，也可以讓水泥廠業主更直觀地了解脈沖閥性能，做出正確選擇。
此外，袋除塵技術正向8m以上超長濾袋技術方向發展，超長濾袋技術可有效降低袋除塵器占地面積和單位鋼耗。歐洲廠家已完成了10m超長濾袋技術開發，并在水泥廠窯尾廢氣系統改造工程中應用，達到了理想的效果[6]。目前，我國水泥廠正在進行大規模的電除塵器改袋除塵器技術改造，電除塵器電場高度達12m以上，而采用超長濾袋袋除塵技術進行改造具有很強的技術優勢。
本次試驗結論4表明：噴吹時，濾袋袋底的壓力不是最小的，壓力最小的位置在袋底上方某一位置，因此采用超長濾袋技術不會對袋底清灰產生大的影響。但需要注意的是，采用超長濾袋技術時，不僅需要保持噴吹時濾袋上受到較大的峰值壓力，還要有較大的噴吹氣量以滿足濾袋長度增加后清灰需要，而試驗結論1和結論2表明：柱塞閥不僅有較高的峰值壓力作用效果，其較淹沒閥有更大的耗氣量，可以滿足超長濾袋清灰需要。因此，在設計人員進行超長濾袋技術開發、水泥廠進行電除塵器改袋除塵器時，柱塞閥是一個理想的選擇。
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