1.袋式除尘用脉冲阀的喷吹性能研究

发布时间:2020-10-20 浏览量:535

姚宇平  寿志毅  刘美玲

(浙江菲达环保科技股份有限公司)


摘   要:脉冲阀是袋式除尘器的核心部件之一,如何判别脉冲阀的喷吹性能是一个非常具有现实意义的课题。本文基于实验室试验,考察了脉冲阀喷吹过程中滤料发生的位移、加速度与差压的变化情况,提出了有效输出压力的概念。同时,测试了14个不同厂家与规格的膜片式及活塞式脉冲阀,比较了不同类型脉冲阀的喷吹性能特点,提出了膜片式脉冲阀的性能改善方向。

关键词:脉冲阀 最大反向加速度 有效输出压力


1 前言

袋式除尘器与电袋复合除尘器都是用途非常广泛的高效除尘器,作为除尘核心部件的滤袋其清灰方式及有效性对除尘器的性能影响极大。采用脉冲阀用压缩空气进行喷吹清灰是目前最有效的清灰技术,不少研究人员对脉冲清灰作了相关研究,但如何判别脉冲阀的喷吹性能仍然是一个非常具有现实意义的课题。


2 脉冲清灰机理

2.1 脉冲阀的性能参数

脉冲清灰的原动力是经由脉冲阀喷吹而出的压缩空气,显然,脉冲阀的喷吹性能对脉冲清灰的效果有着直接的影响。评价脉冲阀的喷吹性能一般有这样一些指标:Cv值、Kv值,喷吹量、喷吹流量、输出压力、峰值压力、输出压力上升速度等。

脉冲阀的样本常常给出Cv值和Kv值,用来表示其喷吹性能。这2个参数的定义是阀门在全开情况下,阀前后压差保持在某一定值,单位时间内通过阀的流体体积。它们表示了脉冲阀阀体的流通阻力,反映的是一种静态性能,不能反映脉冲清灰时阀门开启瞬间压缩空气释放的动态效果。

一般认为,滤袋的清灰效果取决于清灰时它受到的最大反向加速度。喷吹量是指在脉冲阀在开启时间内,通过阀门释放的压缩空气体积。喷吹量与脉冲阀的口径、设定的喷吹时间有关,也与阀的启动与关闭的响应速度有关。喷吹时间的延长可以明显增加喷吹量,但不会提高清灰时的反向加速度。即使设定了相同的喷吹时间,也因脉冲阀的响应速度不同而使喷吹量产生较大的差异,因此喷吹量不能作为脉冲阀清灰能力大小的衡量指标。喷吹流量是单位时间的压缩空气喷吹量,它在一定程度上体现了脉冲阀的开启与关闭性能,反映了脉冲阀的清灰能力,但更多的是表示了脉冲阀在全开状态下的流量特性。

输出压力表示的是喷吹过程中经脉冲阀后喷吹管出口压缩空气的压力变化情况。脉冲阀打开瞬间,随着压缩空气的喷出,输出压力急速上升,但随着气包内压力的降低,输出压力在到达最大值后就逐渐减小,输出压力的最大值即是峰值压力。峰值压力反映的是脉冲阀在全开状态下的输出压力。从喷吹开始至到达峰值压力时,输出压力的平均上升速度称之为压力上升速率。

多位研究者指出了脉冲阀产生的峰值压力与压力上升速率对清灰效果的重要性,但峰值压力与压力上升速率与最大反向加速度存在怎样的相关性,这是本文要探讨的主要问题。


2.2 清灰时滤袋的瞬间运动

2.2.1 滤料动态过滤性能试验台

本文在滤料动态过滤性能试验台上测试了脉冲喷吹时滤料两侧的压差变化与滤料的运动过程。

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图1  滤料动态过滤性能试验台                                                             图2 滤料试样固定器


试验台如图1所示。粉尘供给系统定量供给的粉尘经压缩空气进行分散、混合后在原烟气管道内形成均匀、稳定的含尘气流。含尘气流通过测试滤料时,气流中的绝大部分粉尘被截留于滤料表面,滤料的阻力随之增加。当滤料的阻力达到某一设定值后,控制系统自动启动脉冲喷吹程序,通过清灰系统(脉冲阀)喷吹的压缩空气清除滤料上堆积的粉尘,滤料阻力降低,系统随之又自动进行下一循环的过滤—清灰过程。

滤料试样固定器如图2所示,用于夹持试样。固定器中间有3根直径3mm的支撑钢丝,分担过滤时滤料承担的压力,起着相当于袋笼框架中竖筋的作用。加速度传感器固定于滤料试样上,为了尽可能不因此影响滤料的运动,选用的超小型加速度传感器的重量仅为0.15g。

激光位移传感器的测量点处于加速度传感器对称的位置上。

测试结果如图3、图4所示。

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图3 喷吹瞬间滤料的位移与两侧差压                                                                                 图4 喷吹瞬间滤料的加速度与两侧差压


图3中①点表明此刻脉冲阀开始打开,随着压缩空气的喷出,滤料内侧压力升高,两侧的差压急剧减小,滤料的位移曲线表明此时滤料开始快速运动。当差压减小到曲线上的②点时,可以看到在很短的时间内,差压发生了一个快速的波动。对应位移曲线,这点正好是滤料快速运动的结束点。同时,在图4上可以看到,这一点也正好是反向加速度最大的时刻。综合上述现象可以认为,这一点就是粉饼层脱离滤料表面的时刻。

在压缩空气喷吹之前,滤料受过滤负压作用,紧贴在滤料固定器的支撑钢丝上。①点之后,滤料受压缩空气作用,使滤料产生与过滤气流方向相反的快速运动,由于滤料的整体变形受滤料固定器限制,到达②点时,滤料的运动突然受限,因此产生了一个大的反向加速度,滤料上附着的粉饼层就在惯性力的作用下,脱离滤料表面。由于粉饼层的瞬间剥离,穿透滤料的气流阻力立刻减小,②点的压差变化上正反映了这一情况。②点之后,由于压缩空气喷吹量的不断增加,滤料内侧的压力不断增加,直至达到最大值③。对脉冲阀来说,③点就是压力峰值。

滤料试样的位移、加速度及两侧的差压三者相互参照,可很好地描述压缩空气喷吹瞬间滤料的运动与清灰机理。

在本试验中,最大反向加速度出现在喷吹开始后21ms(①~②的时间),压力峰值出现在喷吹开始后43ms(①~③的时间),若将前者称之为最大反向加速度时间,则最大反向加速度时间和压力峰值的时间点并不重合。最大反向加速度取决于在它出现前能达到的压力而非压力峰值,压力上升速率越大,则在最大反向加速度时间点上的压力就越高,因此压力上升速率是表征脉冲阀喷吹性能的一个极其重要的参数。


2.2.2 滤袋的喷吹加速度试验

滤料动态过滤性能试验台测定的是周边固定的平面状滤料在脉冲清灰时的运动特性,本文同时也测定了筒状滤袋在脉冲清灰时的加速度变化情况。

试验系统如图5所示。滤袋直径130 mm,长度6m,袋笼外径125mm;3个加速度传感器分别胶粘在滤袋的中间位置及距袋口0.6m与距袋底0.5m处,3个差压传感器胶粘在加速度传感器的滤袋中心轴对称位置上。

滤袋置于大气环境中,该试验系统不能测试过滤状态下滤袋的运动。系统喷吹采用市售的某公司3吋淹没式脉冲阀,喷吹压力0.3MPa,设定的喷吹持续时间为200ms。滤袋各点的加速度测试结果如图6所示。


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图5  滤袋加速度测试系统


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图6  滤袋各点的加速度


图6中的①、②、③分别表示袋口、袋中及袋底3个加速度传感器测到的反向加速度峰值。测试结果表明,在这套测试系统中,某点从开始运动到出现最大反向加速度的时间为16ms,3个不同点的加速度传感器测试值均是如此。差压传感器的测试结果则表明压力峰值出现的时间在喷吹开始20ms后。对照图4的试验结果可知,出现最大反向加速度后,尽管滤料两侧的负压还在继续增加,但加速度表现为一个振荡值,且其振荡幅度迅速减小,对清灰效果的影响也就迅速减小。换言之,若以最大反向加速度时间为基准,对清灰效果而言,在此之前喷吹的压缩空气是有效压缩空气,此后喷吹的压缩空气则可基本认为是无效的。

从图6还可得到两个有意义的结果。一是加速度的峰值是从袋口向袋底移动的,这实际上就代表了压缩空气的运动。以前有的研究者认为,清灰时的压缩空气在到达袋底后发生反射,反射过程中袋内压力进一步增高,从而振动滤袋并清除粉尘,这种清灰机理的解释与本试验观察到的结果不符。二是根据最大反向加速度的出现的时间点及传感器的安装位置,可以计算压缩空气在滤袋中的运动速度,在本试验中,该速度为230m/s。


3 脉冲阀性能测试平台与测试结果

3.1试验装置及方法

本试验在上海尚泰环保配件有限公司的脉冲阀性能测试平台上进行。试验装置包括喷吹机构(图7)及控制台(图8)两大部分,喷吹机构由脉冲阀试样、储气罐、喷吹管等组成;控制台上可方便地设定喷吹压力及喷吹持续时间。喷吹结束后,试验结果由系统自动记录、计算。


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图7  测试平台的喷吹机构


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图8  测试平台的控制台


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图9  输出压力曲线图


试验得到的典型输出压力变化曲线如图9所示。电脉冲是指给脉冲阀的电信号时间,气脉冲是脉冲阀的实际开启与关闭时间,后者因机械机构存在的滞后效应,故起始时间要晚于电脉冲,持续时间则要长于电脉冲,不同的脉冲阀在这方面表现有较大的差异。

从图9可见,输出压力可分为①快速上升、②缓慢下降与③快速下降三个阶段。在第一阶段,脉冲阀从开始开启,压缩空气喷出,直至阀门全开,输出压力曲线表现为从0快速上升至压力峰值;在第二阶段,脉冲阀处于全开状态,但在此阶段压缩空气大量喷出,储气罐内压力逐渐降低,故输出压力随之降低,输出压力曲线表现为从峰值缓慢降至T点;在第三阶段,脉冲阀从开始关闭直至完全关闭,输出压力则快速从T点回复至0,。


3.2 测试结果

本试验选取了不同厂家、不同规格的3″膜片式脉冲阀7只,4″膜片脉冲阀3只,3″与4″活塞式脉冲阀各2只,设定的喷吹压力为0.3MPa,喷吹持续时间即电脉冲时间为100ms。为减小试验误差,在相同条件下重复试验3次,结果取平均值。试验结果见表1。


表1 喷吹性能测试结果

(储气罐压力0.3MPa,电脉冲宽度100ms)

脉冲阀

规格

气脉冲宽度(ms)

喷吹量(L)

喷吹

流量(L/s)

输出压力峰值(MPa)

输出输入压力比(%)

压力峰值时间(ms)

输出压力

上升速率(kPa/ms)

A

3″膜片阀

183

378

2.07

0.265

86.8

13

19.9

B

3″膜片阀

126

253

2.01

0.243

80.0

6

41.9

C

3″膜片阀

164

329

2.01

0.255

83.2

21

12.4

D

3″膜片阀

180

364

2.02

0.258

83.9

10

25.3

E

3″膜片阀

117

263

2.25

0.264

86.0

8

34.5

F

3″膜片阀

193

402

2.08

0.260

84.2

15

17.8

G

3″膜片阀

167

360

2.16

0.260

82.2

10

26.7

H

4″膜片阀

214

533

2.49

0.245

79.7

13

18.3

I

4″膜片阀

287

670

2.33

0.239

77.4

21

11.5

J

4″膜片阀

227

569

2.51

0.238

77.6

20

11.7

K

3″活塞阀

553

928

1.68

0.276

91.0

7

41.6

L

3″活塞阀

146

312

2.14

0.280

91.6

7

42.7

M

4″活塞阀

475

1043

2.20

0.287

93.4

11

26.2

N

4″活塞阀

357

872

2.44

0.291

94.3

8

37.5

 

3.3 结果分析 

在表1中可见,对最常用的3"膜片式脉冲阀(A~G)来说,尽管设定的电脉冲时间都是100ms,但气脉冲时间最长的F阀比最短的E阀长65%,由此造成的喷吹量差异达到53%。但就喷吹流量而言,不同阀之间的差异并不大,喷吹流量最大的E阀比最小的B、C阀大12%。输出压力峰值的差异更小,最大仅相差为9%。

压力峰值时间与输出压力上升速率在不同阀之间的差异较大,如C阀的压力峰值时间是B阀的3.5倍,输出压力上升速率B阀是C阀的3.4倍。因为喷吹流量尤其是输出压力峰值主要反映的是脉冲阀在全开状态下的情况,而压力峰值时间与输出压力上升速率则反映了脉冲阀在开启过程中的动态性能,这表明本次试验的7只3"膜片式脉冲阀,在阀门全开状态下,性能差异不大,但其开启速度差异较大,这一点也体现在在其他规格的膜片阀与活塞阀性能上。

4"膜片式脉冲阀与3"的相比,因为压缩空气通道面积的增加,喷吹流量大致增加了10%~20%。令人不解的是输出压力峰值反而略有下降,这肯定与脉冲阀阀体中压缩空气流通的通道阻力有关,或许是因为喷吹流量的增加使通道中的气体流速增加,从而导致通道阻力增加所致。另外,就总体而言,4"膜片式脉冲阀的输出压力上升速率也要低于3"膜片式脉冲阀。这可以理解为因为膜片尺寸的增加,它的运动速度降低了。

市场上的活塞式脉冲阀生产厂家较少,本文仅对3"和4"各2只活塞式脉冲阀进行了试验。比较同规格膜片式脉冲阀平均测试值,3"活塞式脉冲阀的压力峰值时间要短41%,压力上升速度则要大65%。4"脉冲阀的差异更大,活塞式脉冲阀的压力峰值时间要短89%,压力上升速度则要大1.3倍,显然活塞式脉冲阀具有更好的动态性能。

对比其他的测试项目,同样就平均值而言,活塞式脉冲阀具有更高的峰值压力,3"脉冲阀相比高8%,4"脉冲阀相比高40%,这显然与两种阀内部不同的气流通道结构有关。两种脉冲阀同口径的喷吹流量相差不大,但气脉冲宽度则是活塞式的明显长于膜片式的,这或许是因为在阀门开始关闭时,膜片是在弹簧力的作用下实施关闭,而活塞是依赖其自重下落实施关闭,前者比较迅捷而后者迟缓,从而造成了两者在关闭速度上的较大差异。

需要特别说明的是,上述结果仅是平均值的比较,膜片式脉冲阀各个厂家之间的产品性能参差不齐,如压力上升速率较大的B阀和E阀,阀门的开启速度基本上与活塞式脉冲阀没有差异。

如前所述,最大反向加速度时间之后喷吹的压缩空气对清灰效果影响不大。在图4给出的试验系统中,滤袋的直径比袋笼大5mm,符合常规的的针刺毡滤料与袋笼的匹配要求,喷吹压力0.3MPa也是常规采用的,此时最大反向加速度时间为16ms;如玻纤滤袋与袋笼的匹配比较紧密,可以想象最大反向加速度的出现时间一定会更短。假若以本文试验系统的最大反向加速度时间16ms来评判表1中各脉冲阀的性能,部分脉冲阀的最大输出压力实际上是没有意义的。

 

4 结语 

通过在脉冲清灰过程中,滤料的两侧的差压及运动过程的分析,结合脉冲阀的性能测试,得到以下结论:

1) 脉冲清灰效果主要取决于滤料的最大反向加速度,最大反向加速度时间与滤料两侧最大差压时间这两者并不重合。

2) 在最大反向加速度时间之前的输出压力是有效压力,如果输出压力峰值时间大于最大反向加速度时间,则该脉冲阀的输出压力峰值不能反映其清灰能力。

3) 压力上升速率是表征脉冲阀清灰性能最重要的参数,

4) 反映脉冲阀全开时的性能参数如输出压力峰值各厂家同规格样品之间的差异不大,但反映阀门开启速度的压力峰值时间与压力上升速率各样品之间有较大的差异。

5) 活塞式脉冲阀具有更高的输出压力峰值与压力上升速率,但少数性能优异的膜片式脉冲阀也表现出同样的压力上升速率,如何提高膜片式脉冲阀的开启速度是一个有意义的课题。


摘自“全国袋式除尘技术研讨会”论文集 2018 武汉  (P556)

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