郗 元 ，舒奕晖 ，李冰璇 ，代 岩 ，3

（1.大连理工大学盘锦产业技术研究院，辽宁 盘锦 124221；2.吉林大学机械与航空航天工程学院，吉林 长春 130012；3.西安交通大学化学工程与技术学院，陕西 西安 710049）

1 引言

袋式除尘器是目前使用最广泛的除尘器类型之一，具有除尘效率高等显著的优点[1]。脉冲喷吹清灰由于阻力稳定、过滤速度高等优势已经成为了除尘器在工程选型时首选的清灰方式[2]。现今，袋式除尘器依然存在滤袋寿命短、喷吹气流不均匀等问题[3]，尤其是反向清灰过程，该过程直接决定过滤的稳定性。目前对于除尘器有许多实验针对喷吹压力，滤袋长度对除尘器清灰效率的影响进行的研究[4-6]。但是实验研究常常需要耗费较多人力和物力，为减少实验成本缩短设计周期，现常采用数值模拟方法进行研究[7]。关于滤袋长度对除尘器清灰效率的影响，目前研究主要针对长滤袋，而极少涉及短滤袋。

因此针对短滤袋进行模拟，选取喷吹压力，喷吹距离，滤袋材料以及滤袋长度为影响因素，以滤袋壁面峰值压力作为评价指标[6-8]，对滤袋压差分布特性进行分析。

2 计算模型与参数设定

袋式除尘器内部有数十条滤袋同时进行工作。滤袋内部压力场通常不受滤袋之间相互作用影响[8]，因此在研究滤袋内外压差变化情况时，简化模型为单条滤袋模型，如图1（a）所示。

图1 滤袋计算模型Fig.1 Geometry Model and Grid Verification

使用前处理软件ICEM CFD 对网格模型进行绘制，由于该结构呈现轴对称形状，可采取2D 模型。采用结构网格进行划分，如图1（b）所示。对于数值模拟，网格的质量及数量直接影响模拟结果的精确度和收敛性。本研究主要观察滤袋内外压差变化情况，因此选取滤袋某一特定位置处的滤袋内外压差进行网格无关性验证，网格模型及无关性验证结果，如图2 所示。

当网格从19292 增加至36234，滤袋壁面峰值压力随网格数变化情况几乎不变，可认为此时网格数量已经对结果不产生影响。此过程中，控制条件设置为滤袋表面渗透率2.26e-11，滤袋厚度3mm，压力跳跃系数4.39e6，喷吹压力4MPa，出口压力为大气压。选择测点分别为距离袋口1m，2m 处。

图2 网格模型及无关性验证Fig.2 Grid Independence Verification

滤袋内外流场简化情况如下：滤袋内外空间、上箱体以及中箱体为流体计算域，流体假定为不可压缩流体。因为脉冲宽度很小，一个脉冲周期内的温度变化很小，所以本研究忽略温度对于流体的影响，按照常温进行模拟运算。忽略滤袋壁面的纵向位移，将滤袋简化为薄膜。

3 模拟运算结果分析

3.1 滤袋长度的影响

控制喷嘴直径为26mm，喷嘴长度40mm，喷吹距离200mm，箱体直径300mm，滤袋直径160mm 不变。滤袋长度分别选取2m，2.5m，3m，3.5m 进行对比模拟。模拟结果，如图3 所示。2m 滤袋峰值压力达到2100Pa，当滤袋长度增加至2.5m 时，峰值压力锐减至1600Pa。继续增加滤袋长度至3m 时，较2.5m 滤袋压差变化不大。当滤袋长度增加至3.5m 又发生峰值压力的下降，但是下降幅度相较2m 与2.5m 滤袋的变化较小。

图3 滤袋内外压差随滤袋长度变化曲线Fig.3 Influence of Length to the Pressure Drop

由于短滤袋的运行阻力较长滤袋小，对于短滤袋来说滤袋长度是影响滤袋内外峰值压差的一个主导因素。随着滤袋长度增加，滤袋长度对峰值压差的影响逐渐削弱。虽然滤袋长度较短的滤袋能够提供较高的滤袋内外压差，但是根据文献[9]的实验表面几百帕的滤袋压差就能提供足够的清灰效率，而过短的除尘器往往无法提供足够的过滤面积，从而需要增加除尘器数量，造成成本增高。因此需要根据工程实际的过滤需求选择合适的滤袋长度。

3.2 喷吹距离对滤袋内外压差影响

为了探究喷吹距离对滤袋内外压差影响，控制喷嘴直径为26mm，喷嘴长度40mm，喷吹压力0.4MPa 不变，针对直径D=160mm，长度L=3m 的针刺毡材料滤袋进行模拟运算。控制变量喷吹距离设置为100、200 及300mm 进行对比，结果如图4 所示。

图4 滤袋压差随喷吹距离变化曲线Fig.4 Influence of Distance to the Pressure Drop

喷吹距离为100mm 时能够提供最大的峰值压差2000Pa，高于200mm 和300mm 喷吹距离的峰值压力1600Pa 和1500Pa。但100mm 喷吹距离造成了滤袋口附近的负压过高，大于300mm 喷吹距离的负压，越大的负压虽然能够更好促使诱导气流进入滤袋，但是根据文献[9]，本模拟中涉及的三组数据的滤袋内外压差都能达到500Pa 以上，在粉尘密度为400g/m2的情况下清灰效率能达到70%以上，当粉尘密度达到1000g/m2时，清灰效率能保证在90%以上，此时过高的滤袋压差反而会减少滤袋的使用寿命[10]。

此外随着喷吹距离的增加，滤袋口处负压区范围减少。30mm喷吹距离在距离袋口138mm 处进入正压区，200mm 喷吹距离数据在距离袋口206mm 处进入正压区，100mm 喷吹距离在距离袋口253mm 处进入正压区。这是由于随着喷吹距离增加，上箱体的体积增加，相同的脉冲气流从喷嘴进入体积不同的上箱体，诱导上箱体进入滤袋的气流的速度和压力也随之变化，越小的上箱体能诱导出速度更高的气流。不同喷吹距离对于滤袋内外压差峰值产生的位置有所影响。100mm 喷吹距离产生的压差峰值点最远，距离滤袋口0.5m 处。这是因为因为其诱导气流初始速度最大，初始动能最大，在相当的运行阻力下，静压增加的距离也最长。

3.3 喷吹压力对滤袋内外压差的影响

为了探究喷吹压力对滤袋内外压差的影响，控制喷嘴直径为26mm，喷嘴长度40mm，喷吹距离200mm 不变，针对直径D=160mm，长度L=3m 的针刺毡材料滤袋进行模拟运算，模拟结果，如图5 所示。

图5 喷吹压力对滤袋压差的影响Fig.5 Influence of Pulse-Jet Pressure to the Pressure Drop

喷吹压力变化对滤袋顶部负压区的影响。喷吹压力变化对于负压区的范围无明显变化，三条曲线几乎在同一点经过x 轴，因此喷吹压力的变化不会影响滤袋实际工作区域的范围。但是随着喷吹压力的上升，负压峰值上升也十分明显，当喷吹压力为0.2MPa 时，其负压峰值为（-2500）Pa，当喷吹压力上升至0.3MPa时，负压峰值已经变为-5000Pa，当喷吹压力达到0.5MPa 时，负压峰值更是达到了（-10000）Pa。负压峰值的提高说明诱导气流更易从上箱体进入滤袋，有助于清灰，但是过大的负压往往会减少滤袋的使用寿命，造成滤袋顶部出现撕裂。

随着喷吹压力的上升峰值压差有明显增加。喷吹压力为0.5MPa 时，滤袋峰值压差为1500Pa，当喷吹压力变为0.3MPa 时，峰值压差降低至740Pa，喷吹压力变为0.2MPa 时，喷吹压力继续降低至500Pa。喷吹压力从0.2MPa 上升至0.5MPa，滤袋内外压差的峰值从500Pa 上升至1500Pa。滤袋峰值压差随喷吹压力增加而增加的幅度巨大，可见喷吹压力对于滤袋峰值压差变化是起主导性作用的。

3.4 滤袋材料对滤袋内外压差的影响

常用的滤袋材料包括天然纤维、化学合成纤维、玻璃纤维、金属纤维或其他材料[11]。为了探究滤袋材料对滤袋内外压差的影响，本节控制喷嘴直径为26mm，喷嘴长度40mm，喷吹距离200mm 不变，针对直径D=160mm，长度L=3m 的不同材料滤袋进行模拟运算。主要选用最常见的PPS 材料、PTFE 细纤维滤布、覆膜滤布进行分析比对。PPS 材料表面渗透率为2.26e-11，压力跳跃系数为4.38×106；PTFE 细纤维表面渗透率为6.56e-11，压力跳跃系数为7.1×106；覆膜材料表面渗透率为1.688e-11，压力跳跃系数为3.8×106；三种材料厚度均设置为3mm，模拟结果，如图6 所示。

图6 压差随滤袋材料变化曲线Fig.6 Influence of Material to the Pressure Drop

由滤袋顶端负压区变化可知，三种材料的负压区范围基本相当。PTFE 材料和覆膜材料的负压峰值相当，负压曲线重合，因此可以判断这两类材料对于诱导气流的阻碍作用相当。而PPS针刺毡材料滤袋负压峰值远高于另外两类滤袋。观察滤袋中下部变化曲线，三种材料出现压差峰值位置相当。PPS 材料的压差峰值最大，为1500Pa，覆膜材料次之，PTFE 材料压差峰值最小。

PTFE 材料在滤袋中下部压差下降幅度最大，并且在滤袋底部压差无明显回升趋势。PPS 针刺毡材料滤袋模拟中气流下行过程中压差有略微的下降，并且在滤袋底部有明显的压差回升现象。覆膜材料在中下段压差曲线最为平稳。

PTFE 材料渗透率最大，造成气流在下行过程中通过滤袋泄露至滤袋外部的最多；PPS 针刺毡材料渗透率次之，因此在下行过程，PPS 材料压差降低幅度排第二；覆膜材料渗透率最小，其压差降低幅度最小。可以得到以下结论：材料渗透率决定了诱导气流在滤袋内部下行过程中从滤袋壁面泄露情况，对于滤袋内外压差的减小幅度有巨大影响。

PPS 针刺毡材料的数据压差最大，覆膜材料次之，PTFE 材料压差最低。主要考虑针刺毡滤料的阻滞系数最大，造成诱导气流在袋内流动运行阻力大。阻力系数越大，滤袋内外形成的压差也越大。

3.5 脉冲周期内滤袋压力场变化情况

一个脉冲周期主要分为三个阶段，三个阶段的时间开度主要由脉冲阀的程序控制。本节主要探究在脉冲周期内的不同阶段滤袋内外压差的变化情况。

选取喷嘴直径为26mm，喷嘴长度40mm，喷吹距离200mm，直径D=160mm，长度L=3m 的PPS 针刺毡滤袋进行模拟实验，脉冲周期内不同时刻压力变化云图，如图7 所示。

在脉冲周期的起始阶段，滤袋的上部压力最早开始上升，出现压差峰值。同时因为诱导气流未充分展开，且速度快，滤袋内部压力低，滤袋中部局部区域出现负压区域，造成灰尘再吸附现象。随着脉冲气流在上箱体充分展开，进入滤袋内部的诱导气流趋于均匀，滤袋口处出现稳定的负压区促使上箱体诱导气流进入，同时滤袋内外形成基本稳定的压差，气流在滤袋内下行过程中出现压力损失，造成压差在中部开始下降；在底部由于回流以及动压转化会静压，形成压差的回升。当脉冲周期进入开度减小阶段时，由于脉冲阀开度减小，造成喷嘴处压力开始下降，诱导气流量开始下降，滤袋口处负压值开始趋于零，滤袋中上部压差下降。滤袋内部压力呈现上部小，底部大的现象。

图7 脉冲周期内不同时刻压力变化云图Fig.7 Pressure Variation at Different Times

4 结论

（1）增加喷吹压力对滤袋内外压差的影响具有十分明显。喷吹压力越大，压差峰值越大，喷吹压力从0.3MPa 变化为0.5MPa，峰值压差增加幅度达到600Pa。虽然较大的喷吹压力会增加滤袋的压差，进而提高除尘器的清灰效率，但是喷吹压力的增大也导致滤袋口处负压峰值明显增大，造成设备使用寿命减少。

（2）喷吹距离主要影响上箱体的诱导气流从而引起滤袋内外压差变化。喷吹距离从100mm 增加至300mm，峰值压差随之从2000Pa 减少至1500Pa，同时峰值压差出现的位置上移，正压区间范围增加了200mm，虽然喷吹距离的增加导致清灰强度的降低，但是增大了实际工作区域。因此在设计阶段应当综合考虑工程实际选取合适喷吹距离。

（3）滤料的变化也会对峰值压差产生影响，同时还会影响压差在轴向距离上的变化趋势。在滤袋中下部的轴向距离上，PTFE材料压差下降幅度最大，峰谷差距达到500Pa；覆膜材料压差下降幅度最小为100Pa。三种材料中，PPS 材料峰值压差最大为1500Pa，PTFE 材料最小为 700Pa。

（4）滤袋长度的增加会造成峰值压差的降低，并且降低的幅度逐渐减少。在短滤袋工况下，滤袋长度对于滤袋峰值压差影响起着主导作用。当长度从2m 减少至2.5m 时，峰值压差降低幅度达到700Pa；当长度从3m 减少到3.5m 时，降低幅度变为200Pa；当滤袋达到4m 长度时，峰值压差已趋于不变。