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袋式除尘器清灰后除尘空间浓度场分析 陈红超沈恒根 东华大学环境科学与工程学院， 上海 201620 摘要 通过动量守恒方程建立袋式除尘器滤袋清灰后滤袋周围浓度场的数学模型， 并应用该模型分别对粗细粉尘， 通 过改变气流上升速度、 袋间距， 来计算除尘空间浓度场随时间的变化。结果表明 较细的颗粒物基本悬浮在袋口下 0. 5 ～ 2. 5 m 滤袋长度 8. 3 ～ 41. 7 的除尘空间中， 而较粗的颗粒物沉积到滤袋的中下部被过滤; 袋间距越小， 其 过滤浓度越大， 相应的过滤速度也比较大; 随着上升速度的增大， 粒子悬浮的空间离袋口越近， 其平均浓度也相应的越 低 重新被过滤的颗粒物也越多 。 关键词 袋式除尘器; 浓度场; 上升速度 THE ANALYSIS OF PARTICLE DISPERSION IN DUST REMOVAL SPACING AFTER BAG FILTERS ASH CLEANING Chen HongchaoShen Henggen College of Environmental Sciences and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China Abstractthe mathematical model of particle concentration distribution around the filterbag was established through momentum conservation equation after the bag filter’s ash cleaning．this model was applied to calculate the particle dispersion by changing the size of particle、 updraft speed and bag spacing with time varying． The calculation results show that the fine particles are floating under the pocket about 0. 5 m to 2. 5m 8. 3 ～ 41. 7 of bag length，on the other hand the coarse particles are suspended in the lower part of filterbag spacing;the smaller the bag spacing ，the higher the filtration concentration as well as the filtration speed ;the higher updraft speed ，the closer to the top of filterbag with particle suspended in filtration spacing ，and the lower average concentrations． Keywordsbag filter; particle dispersion; updraft speed 1背景 随着新型特殊滤料的出现以及袋式除尘器技术 不断改进， 袋式除尘器广泛的应用于燃煤电厂、 冶金、 垃圾焚烧、 水泥等各个领域， 并取得很好的效果。实 际应用中， 部分袋式除尘器运行过程中滤袋长期处于 高浓度状态， 致使除尘器清灰频繁， 这样大大减少了 滤袋的使用寿命。 除尘器清灰时， 吸附在滤袋表面的颗粒物受反吹 或脉冲喷吹气流的作用， 大部分从滤袋表面脱落， 之 后在对流、 重力和扩散作用下向灰斗沉积或被重新过 滤。粒径较小的颗粒物， 受上升气流的作用， 被重新 卷吸， 造成“二次返混” ， 周而复始， 使除尘空间的浓 度越来越高， 达到进口浓度的数倍之多。本文通过对 清灰后除尘空间浓度场分析和研究， 能为优化除尘空 间结构起到借鉴和参考作用。 2物理原型的简化 在除尘器清灰时， 颗粒物从滤袋表面脱落， 受横 向气流和纵向气流作用， 被重新过滤或向灰斗沉积。 假设过滤时颗粒物均匀吸附在滤袋表面上， 即清灰后 浓度沿 X， Y 方向的浓度一样， 简化结果见图 1a， 再假 设浓度沿 X 方向不变， 因此模型又可以简化为沿纵 向的一维模型， 见图 1b。 3数学模型的建立 假设粉尘沉降过程中不发生生长和凝并。取 Z 轴垂直向下， 原点在袋口， 在这种情况下只需考虑一 维对流扩散方程， 粒子的通量密度方程见式 1 Jz － D dn dz Csn － nuz 1 因此粒子的对流扩散方程见式 2 97 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 a浓度沿 X， Y 方向; b浓度沿 X 方向不变 图 1简化图形 n t － Δ Jz D  2n z 2 － Cs n z uz n z 2 0 ≤ z ≤ ht ＞ 0 4初始条件和边界条件的确定 4. 1初始条件的确定 脉冲袋式除尘器清灰是一个很复杂的过程， 喷吹 时间很短， 为 80 ～ 150 ms， 袋内的流场变化很快。关 于脉冲袋式除尘清灰机理主要有三种 反吹气流作 用、 惯性作用、 弹性作用。图 2 显示了滤袋两侧压差 与清灰效率的关系 ［1］， 从图 2 中可以看出当粉尘负荷 超过400 g/m2时， 200 Pa以上的清灰压差的清灰效率 高达 90 。 图 2清灰效率和滤袋两侧压差的关系 田玮 ［1］通过正交实验测出滤袋不同位置的峰值 压力 不 同。 实 验 在 冷 态 下 测 定 的，滤 袋 直 径 为 160 mm， 袋长为6 000 mm， 喷吹压力为0. 4 MPa、 喷吹 时间为100 ms、4 号喷嘴、 喷嘴距袋口200 mm。测点 距袋口的距离分别为 0. 1， 0. 3， 0. 5， 1. 0， 1. 8， 2. 6， 3. 4， 4. 2，5. 0，5. 8 m，测 出 结 果 最 低 压 力 峰 值 4. 2 m是 3. 05 kPa， 最 高 峰 值 压 力 为 15. 23 kPa 1. 0 m 。王以飞 ［2］在标准大气压、 温度18 ℃ 下， 通 过实验测得 pps 滤料在过滤风速为1. 04 m/min时， 尘 量为0. 5 g/min 折算成标准浓度95. 7 g/m3 不同的 粉尘负荷对应的压力损失见表 1。 表 1不同粉尘负荷下的压力损失 Pa 洁净态 粉尘负荷 / g m － 2 2004006008001 0001 200 清灰一清灰二 1021334669891051815 注 实验用的粉尘真密度 2. 75 g/mL; 实验条件的过滤风速为 1. 04 m/min。 根据表 1 数据可以拟合出二次方程见式 3 Y 2. 53 10 －5x2 0. 05x 9. 38 R2 0. 9 3 燃煤电厂除尘器运行工况烟尘温度为 120 ～ 160 ℃ ， 一般滤袋两侧的设计阻力为 800 ～ 1 500 Pa， 假设除尘器的运行温度为140 ℃ ， 折算压力修正值为 634 ～ 1 057 Pa。根据公式 3 计算冷态下当滤袋两 侧压 差 为 423 Pa， 密 度 换 算 后， 计 算 出 粉 尘 负 荷 3 157 g/m2。喷吹时滤袋两侧的压差 ΔP≥3 kPa， 再 从图 3 中可以看出清灰效率约为 90 ， 考虑到清灰 后由于滤袋清灰后滤袋透气性的增强， 假设有 5 的 粉尘重吸附在滤袋的表面， 99 粉尘凝并成大颗粒落 入灰斗中， 可以计算袋间距为240 mm时的初始浓度 为 nt 359 g/m3。表 2 为不同袋间距的初始浓度。 表 2不同袋间距的初始浓度 袋间距 /mm 大颗粒沉积后 初始浓度 / g m － 3 220476 230411 240359 250318 260284 4. 2边界条件的确定 含尘气流进入除尘器分为横向气流和纵向气流， 当气流到达花板顶部的时候横向气流和纵向气流都 变成零， 颗粒物受扩散重力作用必然向下沉积， 故可 以认为靠近花板的浓度近似为零， 见式 4 。 n0| z 0 0 4 假设袋底的初始速度为 u0由于纵向气流不断的 转化为横向气流透过滤料， 纵向速度也逐渐减少， 到 花板的时候为零，可以认为纵向速度在在纵向上呈线 性分布见式 5 uz z h u0 0 ≤ z ≤ h 5 在袋底时， 烟尘的浓度主要取决气体的上升速度 08 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 和颗粒物的沉降速度， 当上升速度大于沉降速度时， 开始的瞬时袋底的浓度梯度等于气体流量的梯度， 见 式 6 n z z h， t→0 － u z|z h 6 之后由于气流向上作用， 使得袋底处于进口浓度 状态， 假设进口浓度见式 7 n0| z 0 12 7 当上升速度小于沉降速度时， 粒子沉积属于平衡 状态， 袋底的浓度梯度等于零， 见式 8 n z z h 0 8 5影响除尘空间浓度场因素分析 利用公式 1 ， 一般对于粒径 d ＞ 1 μm 的颗粒 物， 其扩散的影响可以忽略。见式 9 Jz n Cs－ uz n π σ d3 p ρ p － ρ g 3πudp － u         z n d2 p ρ p － ρ g 28u － Q － Q1 A1－ A 2 9 其中 uz Q － Q1 / A1－ A2 式中Q 除尘器处理的烟气量; Q1 横向烟气量; A1 花板面积; A2 滤袋的底面积总和。 从式 9 可以看出， 使粒子的沉积通量 Jz与粒 径、 密度、 动力黏度、 横向烟气量、 袋底的总面积等因 素有关。粒径、 密度与处理粒子本身的物理属性有 关， 横向烟气量和袋底总面积与除尘器的设计有关。 6浓度场分析 6. 1两种粗细粒子浓度场分析 以燃煤电厂飞灰和铁合金的烟气粉尘称为微硅 粉为例计算不同粒径的浓度分布。 测得电厂飞灰的几何平均粒径 dcj为 17. 2 μm， 几何标准偏差 σ 3. 45。孙军军 ［3］等对于某铁合金 厂的 3 台半封闭硅铁电炉的除尘系统进行改造， 其使 用的是低压脉冲袋式除尘器， 离线清灰， 微硅粉的粒 径分布见表 3。 从表 3 可以看出烟尘粒径小于 1 μm 的粒子占据 了很大的比例高达 83. 8 ， 可见粒子很细。 不同粗细的粒子， 沉降速度不同。对比燃煤飞灰 和微硅粉， 分析不同粒径的浓度的空间分布状态。在 过滤风速1. 0 m/min， 滤袋透气性一致的情况下。根 据方程式 2 和微硅粉和飞灰的粒径分布， 计算两种 粒子的浓度场分布如图 3、 图 4 所示。 表 3微硅粉的粒径分布 粒径范围 /μm 质量分数 / 0 ～ 0. 576. 6 0. 5 ～ 1. 07. 2 1 ～ 512. 5 5 ～ 101. 4 ＞ 102. 3 图 3除尘空间微硅粉的浓度分布 图 4除尘空间飞灰的浓度分布 从图 3、 图 4 可以看出两种粒子空间分布趋势相 同， 随着时间变化， 从袋底往上， 浓度逐渐恢复到进口 浓度， 对比微硅粉和飞灰的清灰后5 s的浓度分布， 可 以看出， 在相同的时间内飞灰减少更快， 其平均浓度 更低。图 5 清灰后5 s除尘空间的浓度场分布， 从图 5 18 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 可以看出从袋口到袋口下0. 3 m呈线形y 1 200 x增 加， 之后增 长率放 缓， 微硅粉浓度在袋口 下 0. 3 ～ 0. 5 m达到最大浓度 为359 g/m3， 而 飞 灰到袋 口下 1. 8 m也达到最大浓度。接着在袋口2. 0 m处过滤浓 度呈线性下降， 一直下降到进口浓度为12 g/m3。可 以看出微硅粉在整个除尘空间的浓度都高于飞灰， 它 们基本悬浮在袋口下 0. 5 ～ 2. 5 m的除尘空间中， 计 算其平均浓度分别为 151， 129 g/m3， 其吸附率分别 为 58 、 64 ， 可见细粒子先随气流悬浮在滤袋上部 然后被过滤， 而粗粒子沉积到滤袋的中下部被过滤。 设计除尘器的时候重点关注袋口下 0. 5 ～ 3. 0 m 滤 袋长度为 5 ～ 50 的部位， 这个部位的过滤浓度 最高。 图 5清灰后 5 s 除尘空间的浓度场分布 6. 2不同袋间距浓度场分析 根据前面的第 5 节的分析， 除尘器的浓度与袋底 总面积有关， 而袋间距越大， 则袋底总面积越小。本 节选用三种不同间距为 200， 240， 260 mm来观察除尘 空间浓度场的变化。 图 6 是清灰后 5 s 时三种不同的袋间距下除尘 空间浓度场分布， 通过前面的计算， 袋间距分别 220， 240， 260 mm的初始浓度分别为 479， 359， 284 g/m3， 从图 7 可以看出袋间距越小， 除尘空间的浓度减少越 快， 当袋间距为220 mm， 袋口下2. 1 m以下的除尘空 间的浓 度 已 经 降 为 初 始 浓 度， 而 袋 间 距 为 240， 260 mm时， 在袋口下2. 1 m时浓度才降为初始浓度， 通过 计 算 三 种 袋 间 距 的 平 均 浓 度 为 124， 129， 129 g/m3， 计算其吸附率分别为 74 、 64 、 54 ， 可 知袋间距越小， 其过滤浓度越大， 相应的过滤速度也 比较大， 这样对滤袋的寿命有影响。 图 6清灰后 5 s 除尘空间浓度场变化 6. 3不同上升速度浓度场分析 当过滤风速为 0. 5， 1. 0， 2. 0 m/min时， 采用下进 风方式时算出的最大上升速度分别为 0. 67， 1. 34， 2. 68 m/s， 清灰后5 s时其浓度场的分布见图 7。 图 7不同上升速度下对应的除尘空间的浓度分布 从图 7 可以看出 上升速度为 2. 64 m/s 过滤速 度为2. 0 m/min时， 除尘空间的浓度最小， 计算其平 均浓度为37. 13 g/m3， 其颗粒物悬浮在袋口下0. 3 ～ 0. 7 m的除尘空间; 而上升速度为0. 67 m/s 过滤速度 为0. 5 m/min ， 其除尘空间浓度最大， 计算得平均浓 度为257 g/m3， 其颗粒物悬浮在整个除尘空间中， 但 主要集中在袋口下 0. 3 ～ 4. 0 m。可知当上升速度越 大， 颗粒物悬浮的除尘空间的位置存在较大差别， 总 的来说必须控制好袋口下 0. 3 ～ 4. 0 m， 特别是袋口 下 0. 3 ～ 1. 0 m， 避免此区间的浓度过大。 图 8 表示上升速度分别为 0. 67， 1. 34， 2. 68 m/s， 对应的除尘空间悬浮粒子的粒径， 可以看出， 当上升 速度为 0. 67， 1. 34， 2. 68 m/s时， 对应的悬浮粒径为 28 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 100， 201，370 μm。可见在下进风状态下， 上升速度 直接影响到粒子的沉积， 对于燃煤电厂的飞灰基本不 能沉积。 图 8不同上升速度对应除尘空间悬浮粒子的粒径分布 7结论 通过对袋式除尘器滤袋空间的物理原型的简化， 并建立数学模型和确定其初始条件和边界条件， 可以 用此模型来研究袋式除尘器除尘空间的浓度分布。 1 粒径分布直接影响到除尘空间浓度的分布， 较细的颗粒物它们基本悬浮在袋口下 0. 5 ～ 2. 5 m的 除尘空间中， 细粒子先随气流向上运动， 悬浮在滤袋 上部被过滤， 而粗粒子沉积到滤袋的中下部被过滤。 设计除尘器的重点关注袋口下 0. 5 ～ 3. 0 m 滤袋长 度为 5 ～ 50 的部位， 该部位的过滤浓度最高。 2 通过计算袋间距为 220， 240， 260 mm的平均浓 度分别为 124， 129， 129 g/m2， 其相应的吸附率分别为 74 、 64 、 54 ， 可知袋间距越小， 其过滤浓度越大， 相应的过滤速度也比较大， 这样对滤袋的寿命有影响。 3 随着上升速度的增大， 粒子悬浮的空间离袋 口越近， 其平均浓度也越低 重新被过滤的粒子也越 大 。要使粒子快速沉积， 可以减少上升速度， 减少 到接近为零， 甚至为负。 参考文献 ［1］田玮． 脉冲喷吹袋式除尘器清灰的研究［D］． 西安 西安建筑科 技大学， 2005 24， 45- 47． ［2］王以飞． 大型袋式除尘器流场的模拟分析与应用［D］． 上海 东 华大学， 2010． ［3］孙军军， 杨来怡，常丽． 低压脉冲袋式除尘器在硅铁电炉烟气 中的应用［J］． 工业安全与环保， 2010， 36 1 6． 作者通信处陈红超201620上海市松江区人民北路 2999 号东 华大学环境科学与工程学院 E- mailchenhongchao1115 163. com 2010 － 08 － 17 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 36 页 水处理后， 蚕豆微核率较大麦明显。 4结论 经生化处理后 COD 符合 GB 1345692 中焦化 行业一级、 二级标准的焦化废水， 其对蚕豆和大麦的 毒性效应仍然存在， 可引起蚕豆和大麦细胞的遗传损 伤， 诱导蚕豆根尖细胞微核率增加， 破坏细胞的遗传 稳定性。对于焦化废水的毒性效应来说， 大麦和蚕豆 存在着种属差异， 与大麦相比， 蚕豆能更敏感的指示 焦化废水的毒性效应。 参考文献 ［1］Fisher R． Progress in pollution abatement in European cokemaking industry ［J］． Ironmaking and Steelmaking，1992， 19 6 449- 456． ［2］HJ/T1262003炼焦行业清洁生产标准［S］． ［3］Lungen Hans Bodo． The situation of the Chinese coke making industry ［J］． Stahl und Eisen，2005，125 11 72- 74． ［4］Ning P，Bart H J，Jiang Y J，et al． Treatment of organic pollutants in coke plant wastewater by the of ultrasonic irradiation， catalytic oxidationandactivatedsludge ［J］． Separationand Purification Technology，2005， 41 2 133- 139． ［5］卢永， 申世峰． 焦化废水生化处理研究新进展［J］ 环境工程， 2009， 27 4 13- 16． ［6］金文杰， 左宇， 于群． 混凝吸附法深度处理焦化废水［J］． 环境 工程， 2009， 27 1 3- 4． ［7］成泽伟， 苍大强， 唐卓， 等． 超声-微电解法预处理焦化废水［J］． 环境工程， 2008， 26 增刊 27- 29． ［8］刘剑平， 赵娜， 肖林， 等． BAF 处理焦化尾水和钢厂杂排水的研 究［J］． 环境工程， 2010， 28 4 13- 17． ［9］GB 1345692钢铁工业水污染物排放标准［S］． ［ 10］Kanaya N， Gill B S， Grover I S，et al． Vicia faba chromosomal aberration assays［J］． Mutat Res， 1994， 310 231- 247． ［ 11］金波， 陈光荣． 遗传毒理与环境检测［M］． 武汉 华中师范大学 出版社， 1998 276- 278． ［ 12］Rivetta A，Negrini N， Cocucci M． Involvement of Ca2 -calmodulin in Cd2 toxicity during the early phases of radish Raphanus sativus L． seed germination［J］． Plant Cell Environment， 1997， 20 600- 608． 作者通信处董轶茹030027山西省太原市兴华街 11 号山西省环 境监测中心站 E- maildyr- 613 163． com2011 － 01 － 30 收稿 38 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期