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金属纤维滤袋阻力特性的实验研究

2021-03-22 274 上传者：管理员

摘要：金属纤维作为一种耐高温、耐酸碱腐蚀的材料，可用于制作滤袋结构，并满足特殊工况的炉窑除尘净化要求。但金属纤维滤袋除尘器技术目前尚处于初始研究阶段，在工业烟气除尘领域并无太多应用，且缺乏对这一类除尘技术的机理性研究，尤其是缺少系统阻力特性对除尘器性能影响的探讨。本文借助实验平台，研究分析了常规涤纶针刺毡滤袋与金属纤维滤袋的空载阻力特性和加载阻力特性差异，以及金属纤维滤袋的空载清灰阻力特性等，得出金属纤维滤袋在除尘过程中的阻力变化规律，为金属滤袋的推广应用提供参考。

关键词：
材料科学
金属纤维滤袋
阻力特性
除尘领域
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在工业烟气除尘领域，为了满足国家超低排放的要求，很多工业炉窑将原有的电除尘器更换为除尘效率高、性能稳定的袋式除尘器[1]。传统袋式除尘器对低温、低酸碱度的烟气除尘有很好的工程应用，但由于滤袋材料的限制，当长期处于较高温环境时，会影响滤袋的再生利用，同时出现烧袋和糊袋现象。因此高温烟气或腐蚀性烟气除尘一直是环保除尘技术的攻关方向。

金属纤维滤袋由不锈钢材质制备，具有耐高温、耐酸碱腐蚀、高精度除尘、使用寿命长等特性[2]。但由于金属纤维滤袋在过滤粉尘过程中的阻力特性和脉冲清灰效果存在很多不确定因素，影响了其在工业烟气除尘领域的推广应用。

本研究对比分析了常规涤纶针刺毡滤袋与金属纤维滤袋在空载阻力、加载阻力和空载清灰阻力等方面的差异，探究了金属纤维滤袋在除尘和脉冲清灰过程中的阻力特性，为金属滤袋的后续研究提供参考。

1、实验装置及方法

1.1实验装置

图1为搭建的滤袋阻力特性实验平台。在引风机作用下，由喂料机输入到进口管道内的粉尘与气流充分混合形成实验烟气。烟气流经滤袋区时，通过碰撞、凝聚、过滤拦截等作用，实现滤袋对粉尘的捕集，过滤除尘后的清洁气体则通过净气室、出口管道，最终从烟囱排出。滤袋区可交替更换使用涤纶针刺毡滤袋和金属纤维滤袋。

图1滤袋阻力特性实验平台示意图

引风机最大风量9800m3/h，全压2500Pa;涤纶针刺毡滤袋(以下简称“布袋”)66条(Φ160mm×1900mm×30条、Φ160mm×2100mm×36条)，总过滤面积66.62m2;金属纤维滤袋(以下简称“金属滤袋”)66条(Φ160mm×2000mm)，总过滤面积66.35m2。

1.2实验方法

实验选用的粉尘是1250目滑石粉，其物化性质见表1。

表1粉尘性质

分别使用布袋和金属滤袋进行阻力特性实验。实验过程中，利用温湿度计测试并记录环境空气温度和湿度;利用崂应3012H自动烟尘分析仪，在进出口管道采样孔通过采样获得动压、静压、采样粉尘质量等参数，并计算得出系统流量、烟气含尘浓度，进而得到除尘装置的除尘效率[3,4];利用进出口压力变送器采集进出口静压，相互印证数据。由于不同工况下采样孔处的烟气温度相同(即环境温度)，且测点标高相差不大，烟气流速也基本相同(管道直径一致)，即系统动压基本相等。因此可将系统进出口静压的差值看作为装置本体阻力。

2、结果与讨论

2.1空载阻力特性

本文选用的风机共4个风门档位，调节不同档位时风机的风量不同(1档风量最小，4档风量最大)，同时还可通过调节风机变频器的频率，实现对风量的控制。在不同风机档位和变频器频率的工况下，通过观察滤袋区使用布袋和金属滤袋时的空载阻力特性曲线，可以看出:(1)金属滤袋的阻力系数ζ(曲线斜率)小于布袋阻力系数ζ';(2)随着风机频率达到最高(对应过滤风速升高至2～2.3m3/m2·min)，金属滤袋与布袋的压差基本相同。

这是由于金属滤袋材质较硬，在引风机作用下，金属滤袋表面虽然承受负压，但金属纤维所形成孔隙的变形较小;而布袋材质较软，涤纶纤维所形成孔隙受挤压力的变形较大，导致透气性变差。因此当风机频率升高、负压增大时，布袋阻力比金属滤袋阻力升高更快，即空载状态下布袋阻力系数高于金属滤袋阻力系数，同时也反映出金属滤袋比布袋的抵抗变形能力更强。

2.2加载不清灰阻力特性

加载实验时，停止脉冲清灰，分别标定布袋和金属滤袋的过滤风速为1.2m3/m2·min、1.6m3/m2·min和1.8m3/m2·min，并使用喂料机进行持续均匀给料，保证入口粉尘浓度在15g/m3左右。同时利用花板上下的压力变送器进行压力数据采集，并实时传输至DCS系统进行记录。实验持续时间为1.5～2小时，各工况条件下的花板上下压差变化情况见图2。

图2加载不清灰阻力特性曲线

由图3可知，在加载不清灰工况下，花板压差随时间逐渐增大。其中，当过滤风速相同时，花板压差在使用金属滤袋比使用布袋时的上升速度更快，表现为金属滤袋在捕集粉尘后的阻力变化比布袋更明显。分析原因如下:

(1)在以往实验中，由于金属滤袋材质较硬，金属纤维孔在正常脉冲清灰作用下的膨胀变形较小，一些超细粉尘不能被完全清除而残留在滤袋，造成孔隙阻塞;布袋则由于材质较软，在正常清灰压力作用下会有一定膨胀变形，孔隙内的大部分超细粉尘可被清除;

(2)布袋的孔隙率比金属滤袋高，当粉尘在滤袋表面逐渐堆积时，金属滤袋的孔隙更容易被封堵，布袋的孔隙则不易被封堵或者仅有部分被封堵。

综上可知，金属滤袋在粉尘堆积后的透气性明显变差，而布袋由于自身材质结构等原因，比金属滤袋的透气性好很多。

为了尽可能地排除其他影响因素，并将布袋和金属滤袋的阻力特性进行量化对比，本文重复进行加载不清灰阻力特性实验，在结合给粉时间、给粉量并估算扣除管道内沉积、灰斗内自然沉降、以及壳体粘附的粉尘后，认为喂料机添加的粉尘已基本全部到达滤袋表面，并由此得出除尘器花板上下压差随滤袋表面粉尘层厚度的变化曲线，如图3所示。该图可作为布袋和金属滤袋在不同粉尘浓度和过滤风速下，调整喷吹周期的参考依据。

图3布袋和金属滤袋的阻力-积灰厚度特性曲线

表2所示为同等积灰厚度时的滤袋阻力特性对比。由表可知，在相同的积灰厚度和过滤风速下，金属滤袋的阻力是布袋的2～4倍，且金属滤袋的阻力随积灰厚度增大时的上升速度更快。

表2同等灰层厚度阻力对比

2.3空载清灰阻力特性

为验证超细粉尘是否残留在金属纤维中，造成孔隙堵塞、阻力上升等问题，本文在加载实验结束后，将喂料机关闭、引风机提速至全风量，进行了金属滤袋的空载清灰阻力特性实验分析。

结果表明，当以0.35Mpa压力进行两个周期的脉冲清灰后，花板上下压差由1850pa降至250pa，而实验前测试的洁净金属滤袋空载压差约150pa(全风量时)，可见此时金属滤袋的压差上升约100pa。当以0.55Mpa压力继续喷吹两个周期后，花板上下压差稳定在240pa左右，说明金属滤袋在正常清灰后确实存在部分超细粉尘阻塞在金属纤维孔隙内，在正常喷吹压力下无法被清除。当以0.6Mpa压力继续喷吹两个周期后，花板上下压差仍然变化不大，基本稳定在240pa左右。最后以0.65Mpa压力喷吹两个周期，花板上下压差逐步降至190pa左右。而布袋实验中，当以0.2～0.3Mpa压力喷吹后，花板上下压差即可稳定在初始压差范围内。故金属滤袋清灰机理与布袋清灰机理存在一定差异，本次实验可为实际应用中金属滤袋的喷吹压力设置提供参考。

3、结论

(1)空载工况下，布袋比金属滤袋的阻力系数大;加载覆灰后，金属滤袋的压差上升很快，对比相同条件下两种滤袋的阻力特性，金属滤袋阻力是布袋的2～4倍;(2)为了保证布袋除尘器的阻力不至于过高，通常在积灰厚度达2～3mm时就开始清灰。同样为了保证金属滤袋除尘器的阻力不至于过高，可适当缩短脉冲清灰周期，使沉积在金属滤袋表面的粉尘尽快被清除。建议当积灰厚度达0.5～0.8mm时即开始清灰，可有效解决金属滤袋阻力高的问题;(3)金属滤袋和布袋在持续加载喷吹后，最终花板上下压差有相同的稳态趋势，表明金属滤袋也拥有较好的重生性能，不会出现堵袋的问题;(4)金属滤袋的柔性效果不明显，为了防止超细粉尘阻塞金属纤维孔，可加大脉冲清灰压力，保证滤袋的过滤性能。

参考文献：

[1]苏娜,杨延安,左彩霞,等.金属纤维毡滤袋在高温烟气除尘领域的优势[J].中国环保产业,2016,(2):35-36.

[2]秦文茜,张明星,康彦,等.脉冲喷吹金属滤袋的压力分布影响因素分析[J].环境工程学报,2020,2(14):465-472.

[3]GB/T16157-1996固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法[S].

何西荣,李凌霄,吴涛,曹春,胡绪升.金属纤维滤袋阻力特性的实验研究[J].科技风,2021(08):186-187.