呂維寧 鄧 翔
（中鋁國際貴陽鋁鎂設計研究院）
摘 要 本文簡略的介紹了袋除塵器的除塵效率的發展情況，詳細介紹了袋除塵器內部流場試驗研究過程中發現的問題，并對半工業性試驗除塵器內部同一水平面速度場作了測定。根據測試的數據和現場觀察到的現象以及除塵器濾袋上的粉塵分布情況，通過計算機模擬試驗綜合分析，確定以在除塵器灰斗內加隔板的形式，控制除塵器內氣固兩相流的流動，改善除塵器內部流場，而且使除塵器內濾袋上的粉塵分布也更加均勻，試驗系統除塵器出口干管內的排塵濃度已經控制在5mg/Nm3以下。
關鍵詞 流場 氣固兩相流 沖刷 回流 粉塵 凈化效率
1 前言
袋除塵器在高效收塵系統中是必不可少的收塵設備，同時又是高效率的干法凈化系統中的主要設備。先前的除塵或凈化系統的除塵效率一般達到99%～99.5%就是比較高效的設備，最近幾年代表國際先進水平的除塵器凈化效率遠遠高于這個數值，從最近了解到的數據來看，Alstom的電解煙氣凈化系統除塵器的入口濃度達到1kg/m3以上，而出口濃度在5mg/m3以下，凈化效率在99.9995%以上；從我們最新的研究結果來看，入口粉塵濃度為150g/m3, 出口濃度在5mg/m3以下，凈化效率在99.9967%以上。以上數據說明袋除塵器的除塵效率已經不能用傳統的百分效率來考核，考核袋除塵器的除塵效率或者凈化效率的指標已經變成了mg/Nm3，入口濃度對新技術而言已經不再是影響排放濃度的因素。設備的設計制造水平、除塵器內部流場控制才是真正影響設備效率的因素。對除塵器內部流場進行研究，改善除塵器內部氣固兩相流流場的分布，改善除塵器濾袋上的粉塵分布，從而提高除塵設備的效率和延長設備、濾袋的使用壽命，是我們對袋除塵器進行研究的目的。一些高校已經開始著手對除塵器研究，并發現現有除塵器內部流場分布很不均勻，除塵器中箱體內氣相速度差最大可以達到10倍以上，這樣的流場分布不但不利于除塵或凈化，而且會由于負荷分布不均、局部過高速度沖刷和磨損等原因嚴重影響除塵器的使用壽命。筆者通過對試驗系統除塵器內部流場的測試和觀察發現，由于除塵器本體結構的原因，除塵器內部流場分布存在極大的差異，這種差異是導致除塵器干法凈化效率和除塵效率無法提高的重要原因。
2 現有除塵器內部流場的分布情況
在進行除塵器研究過程中，筆者先后共建立了兩個試驗系統：實驗室試驗系統——小試試驗系統和半工業化試驗系統——中試試驗系統。
小試試驗系統的除塵器廣泛應用于各工業工程的收塵系統中，除塵器型號為SD－42型，進風口設在灰斗中上部（見圖2），進風口氣流動壓波動范圍：150～200Pa，含塵氣流進入除塵器灰斗以后，直接沖到對側的灰斗壁板上，然后向兩側和上方散流，在兩側形成高速斜向氣流，氣流在高速水平運動的同時以較低的速度上升。除塵器內實際氣流速率遠遠高于除塵器的理論計算上升氣流速度值，除塵器內的氣流運動狀況與大多數設計者的理想上升狀態是不相符的。
中試試驗系統的除塵器是根據工程實際應用按1：1的比例制造的，試驗設備按照鋁電解煙氣凈化圓形袋式除塵器的單箱體結構尺寸進行設計，單箱體過濾面積1017m2，該除塵器廣泛應用于國內的鋁電解煙氣凈化系統，具有很強的代表性和工程實際應用意義。該設備進風口設在除塵器中箱體的側面，中箱體內設有進風通道，氣固兩相流通過進風通道進入除塵器灰斗（見圖1）。試驗過程中發現氣固兩相流進入到除塵器的灰斗以后，直接沖到進風側的對面，由于灰斗呈錐狀結構，氣流集中到進風側對面的中部，形成強勁的高速上升氣流，對除塵器內形成很大的局部沖刷作用。氣流在進風通道對側上升后，在整個箱體中形成一個很大的回流區域，到進風通道側，中箱體內袋間氣流已經變成向下流動的氣流。與小型袋除塵器（小試系統除塵器）相比，由于氣流規模和運動空間更大，大型袋除塵器內的流場相對穩定有序，流場分布不均的情況也更加明顯。
 
圖1 除塵器內流場示意圖 圖2 小試試驗除塵器進風位置
1－進風口，2－進風通道，3－灰斗，
4－中箱體，5－濾袋，6－上箱體，
7－氣固兩相流的跡線和方向
3 現有除塵器內部流場的測試結果
為了較為準確的確定現有除塵器內的流場分布情況，筆者對除塵器濾袋下部中箱體內同一水平面進行了風速測試，測試設備采用風速儀（量程：0～20m/s），測點分布如下圖（見圖3）：
圖3 除塵器內測點分布圖
上圖中風道即為進風通道，進風通道內的風速分布比較均勻，進風通道對側（C面）測得的風速分布如下（見圖4）：
圖4 進風通道對側氣流速度分布圖
①－第一排測點風速，②－第二排測點分速
由于測試條件限制，風速儀測到的測試結果只能反映氣流速度的大小，不能反映氣流速度的方向，從現場觀察到的情況來看，進風通道對側的氣流方向整體比較一致，從該側測到的風速結果基本上是表示上升氣流的速度大小。由于氣流中存在很強的湍流和比較大的渦，因此在測定風速時，風速儀測到的讀數在同一個測點的變化比較大，上表中測到的結果是風速儀讀數的平均值，測試時中間位置（C6，C7）的讀數最大值在10m/s以上，儀表讀數極值大于13m/s，氣固兩相流以同樣的高速沖向除塵器中箱體中的局部濾袋，而兩端的最小讀數在1m/s左右。
4 現有除塵器濾袋上的粉塵分布
在對試驗系統較長時間的加料（粉塵）試驗之后，除塵器濾袋上粉塵形成了穩定分布，粉塵在除塵器濾袋上的粉塵分布說明，除塵器內部流場分布不均不僅僅影響濾袋或設備的使用壽命問題，還直接關系到系統的除塵效率和凈化效率。眾所周知：除塵器濾袋的使用初期，濾袋的過濾阻力較小，除塵效率都很低，濾袋除塵效率的提高，主要依靠積累粉塵在濾袋纖維之間搭橋，形成濾袋的粉塵初塵層，并依靠初塵層來阻擋粉塵通過濾袋，相應的提高濾袋的過濾阻力。從試驗系統除塵器濾袋的粉塵分布來看（見圖5，試驗現場照片），圖中濾袋左側的粉塵黏附很少，基本上還可以看到濾布的纖維結構；右側的粉塵黏附很多，在風機停機時由于粉塵太多，黏附力不能支持粉塵的自重而跨掉，顯而易見，由于除塵器內的流場分布不均，導致了濾袋上的粉塵分布不均。圖中左側為濾袋迎風面，由于氣流速度過高，濾袋迎風面無法沉積粉塵，一部分粉塵由于氣流速度過高，沉積于濾袋表面以后被吹走，另外一部分粉塵由于局部氣流的沖擊，直接穿透濾袋進入到除塵器上箱體（凈氣室）被排入到大氣中；圖中右側為背風面，由于氣流流速較低，氣流繞過濾袋后在背風面形成小型渦，在氣流穿透濾袋時，粉塵被過濾沉降在濾袋的袋面上，并在濾袋上不斷累積，形成了圖(圖5)中濾袋上粉塵分布不均的現象。
濾袋上粉塵的均勻分布，是指整個箱體內所有濾袋袋面上的均勻分布，只有使除塵器內部氣固兩相流流場均勻分布，才能使粉塵在整個箱體內的濾袋上均勻分布。
圖5 現有除塵器濾袋粉塵分布
5 除塵器內部流場的改進和改進后濾袋上的粉塵分布
通過對除塵器運行情況的仔細觀察，對內部流場的測試結果分析，以及對國際上擁有先進凈化技術公司的除塵設備結構分析，并通過計算機模擬試驗，確定在除塵器灰斗內加隔板的形式，控制除塵器內氣固兩相流的運動，改善除塵器內部流場。通過試驗證明，該改進方案切實可行，改進后的除塵器內部流場測試結果見下圖（圖6），測點位置與改進前（圖3）測點位置相同。從測試的結果來看，除塵器內氣流分布不均勻的程度已經大大減小，設備內部已經沒有局部流速過大的情況，在同一水平面上的氣流分布已經得到很大的改善。
圖6 改進后除塵器內進風通道對側氣流速度分布圖
①－第一排測點風速，②－第二排測點分速
試驗現場觀察到的情況表明，除塵器內已經沒有較大的渦流或較大的回流區域出現，但是由于氣流處于紊流狀態，局部區域內的小型渦依然存在，但是這些小型渦已經不可能引起除塵器內不同區域內的粉塵分布不均了。從濾袋上粉塵的附著情況來看，流場改進后的濾袋上粉塵分布已經比較均勻(如圖7)。
通過對除塵器內部流場的改進，使除塵器的除塵效率得到大大的改進，當試驗系統運行阻力為1700Pa～1900Pa時，經測定除塵器出口干管的粉塵濃度分別為：0.8mg/Nm3、1.7mg/Nm3、2.5mg/Nm3、4.4mg/Nm3、1.7mg/Nm3，測定環境溫度為36℃，粉塵排放濃度均在5mg/Nm3以下。
圖7 改進后除塵器濾袋粉塵分布
6 小結
對除塵器內部流場的改進在最近幾年一直有高校在研究，研究怎樣延長除塵器或濾袋的使用壽命，把提高除塵效率和凈化效率的研究方向放在改善濾袋的濾料材質方面，綜合濾袋的過濾特性及試驗的情況，改善除塵器內的氣固兩相流流場實際上更有利于提高除塵器的除塵效率和凈化效率，即使濾袋的性能很好，如果濾袋上不能黏附粉塵，或者粉塵分布不均勻，除塵效率和凈化效率都是難以提高的。目前的研究改進只是初步的，除塵器內部的氣固兩相流流場還有待于進一步改進和優化。在試驗的過程中筆者觀察到，加料量比較小時，濾袋上部的袋間氣流的粉塵含量很少，它一方面說明大顆粒的粉塵已經沉降，不能隨氣流一道運動附著在濾袋上，有利于除塵效率的提高，但是袋間氣流的流速過低不利于凈化效率的提高；另外一方面也說明，目前使用的凈化除塵設備還存在濾袋垂直方向上粉塵分布不均的問題。此外，除塵器壓縮空氣清灰壓力、脈沖寬度、脈沖間隙等都是影響除塵器除塵效率和凈化效率的重要因素。因此對除塵器的清灰控制，根據粉塵的性質確定袋長、袋直徑、袋間距等的最佳組合將是下一步研究工作的方向。
參考文獻
[1] 岑可發,樊建人. 工程氣固兩相流動的理論及計算. 杭州：浙江大學出版社，1990
[2] Heiberg, Anders B., Wedde, Geir, Bockman, Ole K., Strommen, Svein Ole. Pot gas fume as a source of HF emission from aluminum smelters - laboratory and field investigations. Minerals, Metals and Materials Society, Warrendale, PA, USA 1999 P255-261
[3] 關義杰，星占雄. 干法凈化用氧化鋁粒度測定. 環境科技, 1991.1 P22-25,43
[4] 鄧翔，呂維寧. 提高鋁電解煙氣凈化效率的探討. 輕金屬, 2006.11 P75-77,80
選自2009全國袋式除塵技術研討會論文集 |
