杨志红 武汉理工大学
刘四喜 武汉运鹏石材有限公司
摘要：提出了确定除尘器设计参数的计算方法，包括：滤袋的选择、过滤速度、过滤面积、清灰方式等，分析了这些参数对袋式除尘器长期稳定而有效运行的重要性，为正确设计、使用和维护袋式除尘器提供了依据。
关键词：除尘器设计参数过滤
石材生产粉尘污染较重，通风除尘是石材生产中的重要环节，它对确保生产环境洁净，保护生产者身心健康具有重要意义。袋式除尘器是一种利用有机纤维或无机纤维过滤材料将含尘气体中的粉尘滤出的除尘设备。它不仅对粉尘有很好的捕集效果，而且辅以必要的措施还可以处理一些有毒有害的气体，因而在石材工业中得到了广泛的应用，已成为防止大气污染、改善劳动条件、回收有用物料以及保护机电设备等方面的有效装置。但是通过调查也发现，有些袋式除尘器的应用效果不够理想，如粉尘排放浓度超标、设备阻力过大、维护任务繁重；有的装置使用不久就弃而不用，更为严重的是有些袋式除尘器还曾发生过爆炸事故。通过分析，认为只有针对不同的具体情况，正确地设计袋式除尘器，选择合理的设计参数，方可取得高效、低耗、安全可靠的运行效果。袋式除尘器比较重要的设计参数包括：滤袋选择、过滤速度、过滤面积、清灰方法等，下面就这些设计参数的选择计算方法作一些分析。
1滤袋的选择
滤布必须有合适的孔隙，允许空气顺利通过而阻挡细小的粉尘进入滤布内部。细小颗粒的粉尘一旦进入滤布内部，就无法将其清除，造成滤布透气性能大大下降，除尘阻力增大，甚至滤袋无法再使用。这也是为什么除尘器滤袋纤维直径要求较细、滤布较“密实”的原因。虽然细纤维制成的滤布价格较高，刚开始使用时过滤阻力较大，但在整个使用期比较稳定，使用寿命长。当然，现在已有了防止粉尘进入滤布内部而透气性能又不降低的新型材料，比如在滤袋与粉尘接触表面喷涂或覆盖一层超薄氟化树脂微孔膜。惰性树脂是完全疏水的，光滑的表面不但不会粘上粉尘，而且对含水率较高的粉尘也会大大降低由粘附产生糊袋现象。也有用专用处理粉剂喷涂滤袋表面，使之表面形成极薄的滤饼，使孔隙度比较均匀、细小。对滤布表面进行压光或烧结等特殊工艺处理，也可以达到同样的目的。二防(防油、防水、防静电)滤布在建材企业除尘行业得到较广泛的应用。总之，在选择滤袋材料时，最好参考相关资料或请教专业生产厂和专家。现在滤袋生产厂很多，品种差异大.价格差异也大。在选择滤袋时要综合考虑价格、使用寿命和处理物料的物性。特别是外购除尘器时不能单纯考虑价格，还必须考虑其配置和材料。有的滤袋处理某种粉尘有效，但对其他粉尘可能不是最佳。滤布结构可以是毡制的或编织的。大多数毡制品由于纤维间的毛细作用会吸潮，但一些特殊的毡制品比如玻璃纤维针织毡可以在一定程度上防潮。毡制品纤维的不规则排列，孔隙均匀，同时为了保证其强度，滤袋厚度较厚，除尘效率高。在一些重要场合或粉尘细的物料，特别是具有较高表面气流速度的除尘器滤袋经常采用。编织的纤维织品是用纺纱编织而成的。纺纱间有各种花纹的孔隙，表面光洁，容易设计成可以保持或脱离滤饼的滤布。为了进一步提高表面性能，可以用硅酮树脂喷涂，获得耐磨表面、改进滤饼的脱离或降低滤袋的吸潮能力。对熔点低、粘附性大的各种化学药品最好采用编织纤维的滤袋。
2过滤速度
袋式除尘器的过滤速度V是被过滤的气体流量(m3/min)和过滤织物面积(m2)的比值。过滤速度是决定除尘器性能的一个重要参数，其大小直接影响到袋式除尘器的一次性投资、运行费用、除尘效率等。过滤速度太高会造成压力损失过大，降低除尘效率，使滤袋堵塞以至快速损坏。但是，提高过滤速度可以减少过滤面积，以较小的设备来处理同样流量的气体。过滤速度小会提高除尘效率，延长滤袋使用寿命，但会造成除尘器过于庞大，一次性投资加大。目前尚无可利用的理论计算公式计算过滤速度，主要靠经验确定。但就定性而言，它与粉尘性质、气体含尘浓度、滤袋材质和清灰方式等因素有关。一般若含尘浓度高、粉尘颗粒小，过滤速度应取小值，反之则取高值。在橡塑工业中，一般含尘浓度高、粉细，而且气体中含有一定的水分，过滤速度可用如下经验公式进行计算：
v=2.35a•b•c•d(1)
式中：a－尘源系数，当尘源为转运点、破碎机、输送机等时，a=1.0；当尘源为包装机、气力输送等时，a=0.9；
b—粉尘分散度系数，见表1；
c—气体含尘浓度系数，见图1；
d－温度系数，见图2。
表1 粉尘分散度系数
|
粉尘平均料度/µm |
>100 |
500-100 |
10-50 |
3-10 |
<3 |
|
系数b |
1.2 |
1.1 |
1.0 |
0.9 |
0.8 |
3过滤面积
3.1滤袋规格
滤袋规格(长度L和直径D)与进入滤袋的入口速度Vi(m/s)有关，当含尘气体进入每条滤袋时，如入口速度Vi过快，一方面会加速清灰降尘的二次飞扬，另一方面会由于粉尘的摩擦使滤袋的磨损急剧增加，一般Vi不能大于2m/s。滤袋的长径比(I/D)可用过滤速度V和入口速度V表示：设单袋气体的流量为q(m3/s)。
因为：q=πD•L•V/60(2)
q=πD2•Vi/4(3)
所以：πD•L•V/60=πD2•Vi/4
即：L/D=15Vi/
从式(4)可看出，当过滤速度V较高时，L/D在一个较小的范围内；当过滤速度V较低时，L/D在一个较大的范围内。据此，袋式除尘器滤袋的长径比L/D一般为10-35。因而，滤袋的直径可在150-300mm，滤袋长度可在1.5-l0m内选择。
3.2过滤面积的确定
根据需过滤的气体流量和过滤速度即可确定除尘器的过滤面积，计算公式如下：
A=(Q+QL)/V(5)
式中：A—过滤面积，m2；
Q—需过滤的气体流量，m3/min；
QL—通风除尘系统漏风量，m3/min，一般按需过滤气体流量的15%-30%选取；
V—过滤速度，m/min。
3.3滤袋数量
滤袋数量N是总过滤面积A除以单个滤袋的表面积Ai(m2}。对圆袋：
Ai=-πD•L(6)
N=A/A(7)
4清灰
袋式除尘器依靠滤袋对含尘气体进行过滤。含尘气体穿过滤袋时，随着它们深入滤料内部，使纤维间空隙逐渐减小，最终形成附着在滤袋表面的粉尘层，即所谓的初层。袋式除尘器的过滤作用主要是依靠这个初层以及逐渐堆积起来的粉尘层进行的，即使过滤很微细(1µ，m左右)的粉尘也能获得较高的除尘效率(>99%)。随着粉尘在初层基础上不断积聚，使其透气性变坏，除尘器的阻力增加，虽然此时滤袋的除尘效率也增大，但阻力过大会使滤袋极易损坏或因滤袋两侧的压差过大，使空气通过滤袋孔眼的速度(过滤速度)过高，将已粘附的粉尘带走，反而使除尘效率下降。因此，袋式除尘器运行一定时间后要及时清灰，清灰时又不能破坏初层，以免除尘效率下降。袋式除尘器的清灰方法有三种：机械摇动清灰，逆气流反吹和振动联合清灰，脉冲喷吹清灰。
4.1机械摇动清灰
机械摇动清灰(见图3)是先关闭除尘风机，然后通过一台摇动电机的往复摇动给滤袋一个轴线方向的往复力，滤袋又将这一往复力转换成径向的抖动运动，使附在滤袋上的粉尘下落。显然在过滤状态时，由于滤袋受气流的压力而成柱状，摇动轴的往复运动就不能转换成滤袋的径向抖动，这就是必须停机清灰的原因。为了充分利用粉尘层的过滤作用，选择的过滤速度较低，清灰时间间隔较长(当阻力达到400-600Pa时清灰为宜)，即使用普通的棉布做滤料，也会有较高的除尘效率。这种清灰方法的除尘器结构简单、性能稳定，适合小风量、低浓度和分散的扬尘点的除尘，但不适合除尘器连续长时间工作的场合。
4.2逆气流反吹清灰
从相反方向反吹空气通过滤袋和粉尘层，利用气流使粉尘从滤袋上脱落(见图4)。采用气流清灰时，滤袋内必须有支撑结构，如撑环或网架，以避免把滤袋压扁、粘连，破坏初层。
反吹空气可以有专门的风机供给，也可以利用除尘器本身的负压从外部吸入，采用后者时，除尘器本身的负压值不得小于500Pa。清灰过程是分组进行的，某一组滤袋清灰时，反吹空气阀门自动打开，同时净化空气出口阀门处于关闭状态。对于利用大气反吹的除尘器，当阻力达到600-1000Pa时清灰为宜；对于利用风机反吹的除尘器，当阻力达到800-1200Pa时清灰为宜，清灰时间约为30-60s，清灰的时间间隔约为3-8min。这种清灰力一法的除尘器处理风量大，因采用分室结构，故可在不停机的条件下维修检查。清灰机构简单，维护方便。如滤袋采用内滤式，粉尘均集聚在滤袋的内表面上，检查人员或换袋人员的劳动条件大为改善。
4.3脉冲喷吹清灰
含尘气体通过滤袋时，粉尘阻留在滤袋外表面，净化后的气体经文丘里管从上部排出。
每排滤袋上方设一根喷吹管，喷吹管上设有与每个滤袋相对应的喷嘴，喷吹管前端装设脉冲阀，通过程序控制机构控制脉冲阀的启闭(见图5)。脉冲阀开启时，压缩空气从喷嘴高速射出，带着比自身体积大5-7倍的诱导空气一起经文丘里管进入滤袋。滤袋急剧膨胀引起冲击振动，使附在滤袋外的粉尘脱落。当阻力达到1-1.5kPa时清灰为宜。压缩空气的喷吹压力为500-600kPa，脉冲周期(喷吹的时间间隔)为60s左右，脉冲宽度(喷吹一次的时间)为0.1-0.2s。脉冲喷吹清灰的优点是清灰过程不中断滤料工作，能实现粘附性强的粉尘脱落，清灰时间间隔短，可选用较高的过滤速度。缺点是脉冲喷吹需要有压缩空气源。
4.3.1喷吹压力
喷吹压力是指脉冲喷吹的压缩空气压力，喷吹压力越大，诱导的二次气流越多，形成的反吹气速越大，清灰效果越好，袋滤器压降下降越明显。图5为对由QMF-100型脉冲阀组成的喷吹系统的测定结果。由图5可见，在袋式除尘器压降限定后，喷吹压力越高，处理能力越大。在喷吹间隔及喷吹时间不变的情况下，喷吹压力增加，允许入口含尘浓度可以相应提高。但喷吹压力过高，也会出现过度清灰现象，反而影响净化效率，即袋式除尘器出现瞬间“冒灰”现象，同时耗气量增加，浪费能源。由此可见，喷吹压力过低或过高都会影响过滤效果。试验表明，压缩空气的压力相当大的一部分消耗在克服喷吹系统本身的阻力上，其数值可达0.2MPa以上，其中脉冲阀的阻力占很大部分。近年来出现几种低阻脉冲阀，如直通脉冲阀和双膜片低压脉冲阀等，由于其内阻降低很多，也使喷吹压力相应降低，即低压喷吹系统。喷吹压力最低可达0.2-0.3MPa。此外，加大气包及喷吹管直径，以喷嘴代替喷孔等均可降低喷吹压力。DMF-F属于低压脉冲阀，而DMF-Z为高压脉冲阀，它们本身的压力损失不同，要求喷吹压力也应不同。喷吹压力除了考虑脉冲阀阻力外，还应考虑滤袋长度，短滤袋采用低的喷吹压力，长滤袋喷吹压力要相应增大。对于滤袋长为2000mm、低压直通脉冲阀，喷吹压力0.45-0.55MPa。扁袋除尘器一般采用高压角式脉冲阀，喷吹压力可适当提高到0.6MPa。
4.3.2喷吹间隔
喷吹间隔的长短直接影响到除尘器的压降。对采用定时控制的脉冲袋式除尘器，喷吹间隔由脉冲控制仪设定，定时喷吹(开环控制)。通过调整脉冲间隔，可使除尘器压降基本保持稳定状态下运行。在不影响正常运行的条件下，应尽量延长脉冲间隔，这样可以减少压缩空气耗量，还可以减少脉冲阀膜片及滤袋的损坏，延长使用寿命。延长喷吹间隔，喷吹系统耗电量虽然少了，但由于除尘器压降增加过多，会增加引风机的耗电量。
4.3.3喷吹时间
喷吹时间(又称脉冲宽度)即脉冲阀开启喷吹的时间。一般喷吹时间越长，喷人滤袋内的压缩空气量也越多，清灰效果好。但喷吹时间增加到一定值后，对清灰效果的影响并不明显。图6为QMF-100型脉冲阀在过滤速度和入口含尘浓度一定时，不同喷吹压力下，喷吹时间和除尘器压降的关系。由图6可见，开始，随喷吹时间的增加，除尘器压降下降很快，而喷吹时间达到一定值时，压降下降很少，但压缩空气量却成倍增加。因此想通过调节喷吹时间来降低除尘器的压降是有限的，一般喷吹时间在0.1-0.2s，通常取0.15s。
4.3.4压缩空气耗量
压缩空气耗量主要取决于喷吹压力、喷吹周期、喷吹时间、脉冲阀型式和口径以及滤袋数等因素。图7为QMF-100型脉冲阀在过滤风速一定而喷吹压力不同时，喷吹时间与耗气量的关系。除尘器的总耗气量Q可按下式计算：
Q=a•n•q/T(8)
式中：Q—除尘器耗气量，m3/min；
a一附加系数(包括管道漏气)取1.2；
n—脉冲阀数量，个；。
q—每个脉冲阀喷吹一次耗气量m3；一般喷吹时间0.15s；
T一脉冲周期，min。
如对于QMF-100型脉冲阀，当喷吹压力为0.5--0.7MPa，喷吹时间为0.1-0.2s时，每个脉冲阀喷吹一次的耗气量0.01-0.034m3；当喷吹压力为0.4--0.57MPa，喷吹时间为0.2-0.3s时，每个脉冲阀喷吹一次的耗气量0.025--0.036m3。
5结语
石材工业中的粉尘对生产空间的内外环境的危害是众所周知的，也是当前迫切需要解决的问题。除了配置合适的除尘设备外，尚需用户了解除尘器的除尘机理、操作条件和影响因素。正确使用和维护除尘设备，既可使其发挥最大的除尘效果，还可以延长使用寿命。当然，与除尘器配套的风机风压和风量等参数也会直接影响除尘效果，在设计、使用过程中亦应一起考虑。除尘效率与过滤速度、气体的含尘浓度和连续运行的时间有关。过滤速度、气体的含尘浓度和连续运行的时间又是相互制约的。处理含尘浓度高的气体时，清灰时间间隔应尽量缩短；进口含尘浓度低、清灰时间间隔短、清灰效果好的除尘器，可以选用较高的过滤速度；相反，则应选择较低的过滤速度。随着袋式除尘器在石材工业中的长期应用和理论研究的不断深人，如设计参数、过滤机理、滤料性能、设备结构和清灰方法等工作的进一步研究，袋式除尘器在石材工业的生产和环境保护中将发挥更大的作用。
