吕维宁 邓 翔
（中铝国际贵阳铝镁设计研究院）
摘 要 本文简略的介绍了袋除尘器的除尘效率的发展情况，详细介绍了袋除尘器内部流场试验研究过程中发现的问题，并对半工业性试验除尘器内部同一水平面速度场作了测定。根据测试的数据和现场观察到的现象以及除尘器滤袋上的粉尘分布情况，通过计算机模拟试验综合分析，确定以在除尘器灰斗内加隔板的形式，控制除尘器内气固两相流的流动，改善除尘器内部流场，而且使除尘器内滤袋上的粉尘分布也更加均匀，试验系统除尘器出口干管内的排尘浓度已经控制在5mg/Nm3以下。
关键词 流场 气固两相流 冲刷 回流 粉尘 净化效率
1 前言
袋除尘器在高效收尘系统中是必不可少的收尘设备，同时又是高效率的干法净化系统中的主要设备。先前的除尘或净化系统的除尘效率一般达到99%～99.5%就是比较高效的设备，最近几年代表国际先进水平的除尘器净化效率远远高于这个数值，从最近了解到的数据来看，Alstom的电解烟气净化系统除尘器的入口浓度达到1kg/m3以上，而出口浓度在5mg/m3以下，净化效率在99.9995%以上；从我们最新的研究结果来看，入口粉尘浓度为150g/m3, 出口浓度在5mg/m3以下，净化效率在99.9967%以上。以上数据说明袋除尘器的除尘效率已经不能用传统的百分效率来考核，考核袋除尘器的除尘效率或者净化效率的指标已经变成了mg/Nm3，入口浓度对新技术而言已经不再是影响排放浓度的因素。设备的设计制造水平、除尘器内部流场控制才是真正影响设备效率的因素。对除尘器内部流场进行研究，改善除尘器内部气固两相流流场的分布，改善除尘器滤袋上的粉尘分布，从而提高除尘设备的效率和延长设备、滤袋的使用寿命，是我们对袋除尘器进行研究的目的。一些高校已经开始着手对除尘器研究，并发现现有除尘器内部流场分布很不均匀，除尘器中箱体内气相速度差最大可以达到10倍以上，这样的流场分布不但不利于除尘或净化，而且会由于负荷分布不均、局部过高速度冲刷和磨损等原因严重影响除尘器的使用寿命。笔者通过对试验系统除尘器内部流场的测试和观察发现，由于除尘器本体结构的原因，除尘器内部流场分布存在极大的差异，这种差异是导致除尘器干法净化效率和除尘效率无法提高的重要原因。
2 现有除尘器内部流场的分布情况
在进行除尘器研究过程中，笔者先后共建立了两个试验系统：实验室试验系统——小试试验系统和半工业化试验系统——中试试验系统。
小试试验系统的除尘器广泛应用于各工业工程的收尘系统中，除尘器型号为SD－42型，进风口设在灰斗中上部（见图2），进风口气流动压波动范围：150～200Pa，含尘气流进入除尘器灰斗以后，直接冲到对侧的灰斗壁板上，然后向两侧和上方散流，在两侧形成高速斜向气流，气流在高速水平运动的同时以较低的速度上升。除尘器内实际气流速率远远高于除尘器的理论计算上升气流速度值，除尘器内的气流运动状况与大多数设计者的理想上升状态是不相符的。
中试试验系统的除尘器是根据工程实际应用按1：1的比例制造的，试验设备按照铝电解烟气净化圆形袋式除尘器的单箱体结构尺寸进行设计，单箱体过滤面积1017m2，该除尘器广泛应用于国内的铝电解烟气净化系统，具有很强的代表性和工程实际应用意义。该设备进风口设在除尘器中箱体的侧面，中箱体内设有进风通道，气固两相流通过进风通道进入除尘器灰斗（见图1）。试验过程中发现气固两相流进入到除尘器的灰斗以后，直接冲到进风侧的对面，由于灰斗呈锥状结构，气流集中到进风侧对面的中部，形成强劲的高速上升气流，对除尘器内形成很大的局部冲刷作用。气流在进风通道对侧上升后，在整个箱体中形成一个很大的回流区域，到进风通道侧，中箱体内袋间气流已经变成向下流动的气流。与小型袋除尘器（小试系统除尘器）相比，由于气流规模和运动空间更大，大型袋除尘器内的流场相对稳定有序，流场分布不均的情况也更加明显。
 
图1 除尘器内流场示意图 图2 小试试验除尘器进风位置
1－进风口，2－进风通道，3－灰斗，
4－中箱体，5－滤袋，6－上箱体，
7－气固两相流的迹线和方向
3 现有除尘器内部流场的测试结果
为了较为准确的确定现有除尘器内的流场分布情况，笔者对除尘器滤袋下部中箱体内同一水平面进行了风速测试，测试设备采用风速仪（量程：0～20m/s），测点分布如下图（见图3）：
图3 除尘器内测点分布图
上图中风道即为进风通道，进风通道内的风速分布比较均匀，进风通道对侧（C面）测得的风速分布如下（见图4）：
图4 进风通道对侧气流速度分布图
①－第一排测点风速，②－第二排测点分速
由于测试条件限制，风速仪测到的测试结果只能反映气流速度的大小，不能反映气流速度的方向，从现场观察到的情况来看，进风通道对侧的气流方向整体比较一致，从该侧测到的风速结果基本上是表示上升气流的速度大小。由于气流中存在很强的湍流和比较大的涡，因此在测定风速时，风速仪测到的读数在同一个测点的变化比较大，上表中测到的结果是风速仪读数的平均值，测试时中间位置（C6，C7）的读数最大值在10m/s以上，仪表读数极值大于13m/s，气固两相流以同样的高速冲向除尘器中箱体中的局部滤袋，而两端的最小读数在1m/s左右。
4 现有除尘器滤袋上的粉尘分布
在对试验系统较长时间的加料（粉尘）试验之后，除尘器滤袋上粉尘形成了稳定分布，粉尘在除尘器滤袋上的粉尘分布说明，除尘器内部流场分布不均不仅仅影响滤袋或设备的使用寿命问题，还直接关系到系统的除尘效率和净化效率。众所周知：除尘器滤袋的使用初期，滤袋的过滤阻力较小，除尘效率都很低，滤袋除尘效率的提高，主要依靠积累粉尘在滤袋纤维之间搭桥，形成滤袋的粉尘初尘层，并依靠初尘层来阻挡粉尘通过滤袋，相应的提高滤袋的过滤阻力。从试验系统除尘器滤袋的粉尘分布来看（见图5，试验现场照片），图中滤袋左侧的粉尘黏附很少，基本上还可以看到滤布的纤维结构；右侧的粉尘黏附很多，在风机停机时由于粉尘太多，黏附力不能支持粉尘的自重而跨掉，显而易见，由于除尘器内的流场分布不均，导致了滤袋上的粉尘分布不均。图中左侧为滤袋迎风面，由于气流速度过高，滤袋迎风面无法沉积粉尘，一部分粉尘由于气流速度过高，沉积于滤袋表面以后被吹走，另外一部分粉尘由于局部气流的冲击，直接穿透滤袋进入到除尘器上箱体（净气室）被排入到大气中；图中右侧为背风面，由于气流流速较低，气流绕过滤袋后在背风面形成小型涡，在气流穿透滤袋时，粉尘被过滤沉降在滤袋的袋面上，并在滤袋上不断累积，形成了图(图5)中滤袋上粉尘分布不均的现象。
滤袋上粉尘的均匀分布，是指整个箱体内所有滤袋袋面上的均匀分布，只有使除尘器内部气固两相流流场均匀分布，才能使粉尘在整个箱体内的滤袋上均匀分布。
图5 现有除尘器滤袋粉尘分布
5 除尘器内部流场的改进和改进后滤袋上的粉尘分布
通过对除尘器运行情况的仔细观察，对内部流场的测试结果分析，以及对国际上拥有先进净化技术公司的除尘设备结构分析，并通过计算机模拟试验，确定在除尘器灰斗内加隔板的形式，控制除尘器内气固两相流的运动，改善除尘器内部流场。通过试验证明，该改进方案切实可行，改进后的除尘器内部流场测试结果见下图（图6），测点位置与改进前（图3）测点位置相同。从测试的结果来看，除尘器内气流分布不均匀的程度已经大大减小，设备内部已经没有局部流速过大的情况，在同一水平面上的气流分布已经得到很大的改善。
图6 改进后除尘器内进风通道对侧气流速度分布图
①－第一排测点风速，②－第二排测点分速
试验现场观察到的情况表明，除尘器内已经没有较大的涡流或较大的回流区域出现，但是由于气流处于紊流状态，局部区域内的小型涡依然存在，但是这些小型涡已经不可能引起除尘器内不同区域内的粉尘分布不均了。从滤袋上粉尘的附着情况来看，流场改进后的滤袋上粉尘分布已经比较均匀(如图7)。
通过对除尘器内部流场的改进，使除尘器的除尘效率得到大大的改进，当试验系统运行阻力为1700Pa～1900Pa时，经测定除尘器出口干管的粉尘浓度分别为：0.8mg/Nm3、1.7mg/Nm3、2.5mg/Nm3、4.4mg/Nm3、1.7mg/Nm3，测定环境温度为36℃，粉尘排放浓度均在5mg/Nm3以下。
图7 改进后除尘器滤袋粉尘分布
6 小结
对除尘器内部流场的改进在最近几年一直有高校在研究，研究怎样延长除尘器或滤袋的使用寿命，把提高除尘效率和净化效率的研究方向放在改善滤袋的滤料材质方面，综合滤袋的过滤特性及试验的情况，改善除尘器内的气固两相流流场实际上更有利于提高除尘器的除尘效率和净化效率，即使滤袋的性能很好，如果滤袋上不能黏附粉尘，或者粉尘分布不均匀，除尘效率和净化效率都是难以提高的。目前的研究改进只是初步的，除尘器内部的气固两相流流场还有待于进一步改进和优化。在试验的过程中笔者观察到，加料量比较小时，滤袋上部的袋间气流的粉尘含量很少，它一方面说明大颗粒的粉尘已经沉降，不能随气流一道运动附着在滤袋上，有利于除尘效率的提高，但是袋间气流的流速过低不利于净化效率的提高；另外一方面也说明，目前使用的净化除尘设备还存在滤袋垂直方向上粉尘分布不均的问题。此外，除尘器压缩空气清灰压力、脉冲宽度、脉冲间隙等都是影响除尘器除尘效率和净化效率的重要因素。因此对除尘器的清灰控制，根据粉尘的性质确定袋长、袋直径、袋间距等的最佳组合将是下一步研究工作的方向。
参考文献
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[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] 关义杰，星占雄. 干法净化用氧化铝粒度测定. 环境科技, 1991.1 P22-25,43
[4] 邓翔，吕维宁. 提高铝电解烟气净化效率的探讨. 轻金属, 2006.11 P75-77,80
选自2009全国袋式除尘技术研讨会论文集 |
