除尘器

滤筒除尘器空气滤清器过滤机理和过滤压力损失分析

作者:广州新瑞环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2019-01-10 16:26:23

摘要:通过对滤筒除尘器中空气滤清器的过滤机理和空气滤清器过滤压力损失进行分析,研究空气滤清器过滤压力损失随时间变化规律,最后综合分析得出清洁和含尘空气滤清器压力损失。

关键词:滤筒除尘器;空气滤清器;过滤机理;压力损失;过滤式除尘器

0引言

煤矿井下巷道掘进和短壁机械化采煤,均需要进行锚杆支护。近年来,矿用钻车作为一种先进的支护装备,得到了快速发展。钻车钻孔时产生粉尘,粉尘不及时清除,易导致卡钻,钻杆不能持续推进;同时,粉尘也会污染矿井巷道环境。矿用钻车采用机载式除尘系统为矿用钻车钻孔的有效作业提供保障,并将钻孔产生的粉尘及时收集、处理,保护作业环境。

矿用钻车机载干式除尘系统主要有重力除尘器、旋风除尘器、过滤除尘器3种。对于直径小于10μm的微粒,旋风除尘器不能满足环保要求,最经济最有效的方法是过滤除尘,过滤除尘主要适用于多级综合除尘中的最后一级。

空气滤清器(简称空滤)作为过滤除尘器的核心部件,常使用经过树脂处理的微孔滤纸压制而成。在实际工况中,利用粉尘惯性、滤纸吸附和微孔介质等过滤方式,可过滤掉含尘气体中的粉尘,以减少粉尘对环境的污染。

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1空滤纸过滤过程和机理分析

过滤式除尘器工作时,含尘气流进入滤芯,穿过滤纸微孔或褶皱通道,粉尘多次被碰撞,被拦截粘附在滤纸上。过滤式除尘器的核心滤芯由外层、内层和中间层构成。外层和内层为金属网,中间层为褶皱型滤料,它是决定滤芯压力损失的主要部件,滤料的性能关系到空滤的使用效果。

过滤除尘是利用多孔介质进行的,含尘气流穿过滤芯时,粉尘粘附在滤纸上,粉尘被分离,沉降下来的粉尘累积起来,介质的孔隙率不可避免地要减少,最终会严重地阻止气体的流动此,必须清除粘附在介质上的粉尘,使介质重新使用或把堵塞了的过滤介质,替换成新介质。过滤除尘就是要周期性地或连续性地清理或者更换过滤介质。

(1)滤料

通常把一层超薄纤维粘附在一般滤料上形成滤芯滤纸,空滤纸由纤维和树脂组成纤维(见图1)是滤纸的主体,而树脂则是包在纤维上的皮肤,起到增强纤维之间结合、在一定程度上保护纤维的作用。滤纸纤维的分布决定滤纸的结构和滤纸的过滤特性。

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矿用钻车空滤采用美国唐纳森滤芯,滤纸采用合成纤维基材,表层覆纳米纤维层(见图2),滤材采用纳米纤维技术。矿用钻车使用的空滤滤材有一层亚微米级直径的纤维粘附在一般的滤料上,该纤维间的空隙只有底层纤维的1%。滤材极微小的筛孔将大部分亚微米级颗粒阻挡在空滤表面,使渗入底层的颗粒减少至最低限。

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(2)过滤过程和机理分析

矿用钻车使用的空滤(见图3)是一种含尘气流径向向内流动(见图4),当含尘气流经过滤纸时,速度是逐渐减慢的,大颗粒粉尘先沉降下来,依靠扩散作用捕集的小颗粒在圆环的外围沉降。在阻力增加得最快的部分,粉尘积累的比较多。

空滤滤纸的过滤分3阶段(见图5):洁净滤纸的稳态过滤、含尘滤纸的非稳态过滤和滤纸表面有粉尘层时的表面非稳态过滤。

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①洁净滤纸的稳态过滤

初始阶段,滤纸是清洁的,其材质结构形状相对不变,起过滤作用的主要是滤纸。滤纸通过组成滤纸的纤维之间的孔隙来实现过滤。滤纸纤维是捕捉粉尘的主体。影响滤纸过滤精度的是纤维直径。滤纸通过迎风面的几层纤维来实现过滤,当含尘气流通过滤纸的孔隙处时,在拦截和惯性机理的作用下,粉尘粘附在内孔表面和迎风面被分离出来。此阶段,气流速度、滤纸阻力相对稳定,这阶段时间短暂,会很快结束;

②含尘滤纸的非稳态过滤

在实际空滤过滤中,初始稳态过滤是短暂的,随着粉尘的沉积,较大的滤料孔隙被粉尘逐渐堵塞,使微孔的分布变均匀,同时也使微孔的尺寸变得更小,滤纸结构发生变化,进入非稳态过滤阶段,是过滤的主要阶段。

随着捕集粉尘量的提高,当滤纸孔隙小到一定程度时,粉尘的尺寸大于孔隙尺寸,粉尘随着气流穿过滤纸的过程中在孔隙上被截流。滤纸就开始通过筛分机理捕集粉尘,筛分的粉尘会迅速堵塞孔隙。滤料的空隙率逐渐变小,当滤料的孔隙率等于粉尘层孔隙率时,粉尘开始在滤料表面沉积形成很薄的粉尘层;

③滤纸表面有粉尘层时的表面非稳态过滤

随着粉尘在滤料表面沉积,滤料表面形成较薄的粉尘层,随着过滤时间延续,所捕集的粉尘直接导致粉尘层增厚,沉积在滤料表面的粉尘层将参与过滤作用。此阶段,含尘气流要同时经受粉尘层和滤料的双重过滤,过滤效率得到极大的提高。

这时,粉尘过滤属尘滤尘机理。尘滤尘机理和颗粒层过滤过程相似,可应用球形颗粒层过滤理论。沉积的粉尘一般不是均匀分布在滤料表面上,而是形成一个链状网,链状网就像颗粒层一样也起着捕集粉尘的作用

随着过滤时间增加,除尘效率也提高:在达到容尘量最大时,除尘效率达到最高;沉积粉尘量再继续增加,阻力达到极限,除尘效率反而降低。此时,必须对滤料进行清灰,来恢复滤料正常过滤性能。清灰要清落沉积粉尘层,但不要破坏初始粉尘层,使滤纸仍保持较高的除尘效率。清灰对滤筒保持高效是一项必不可少的工序。

在整个过滤过程,含尘气体通过洁净滤纸。起过滤作用的是滤纸;截留在滤纸内部的粉尘和滤纸共同过滤;随着滤纸的容尘量达到极限,后续粉尘沉积在滤纸表面,滤纸表面所形成的粉尘层起过滤作用;粉尘层过滤就是尘滤尘机理。

2空滤压力损失分析

空滤除尘器压力损失一般用空滤的进、出口全压差表示。空滤的压力损失等于滤纸阻力和空滤的阻力之和。滤纸阻力主要是含尘气体穿过滤纸时产生的摩擦力,空滤的阻力则是在气体进、出空滤时,由于气体与壁板摩擦、折流、合流和扩散时产生的漩涡所引起。

将空滤的过滤滤纸制成褶状,该结构可以增大过滤面积,增加容尘量;另外,可使含尘气流通过滤纸时速度下降,从而减小过滤压损。空滤的总压损由气流通过过滤滤纸压损和通过褶状结构压损构成。空滤的压力损失主要包括过滤滤纸引起的压损、滤纸褶状结构引起的压损和滤纸表面粉尘层引起的压损。

(1)空滤纸过滤介质压力损失

含尘气流通过滤纸时形成的纤维迎面阻力是形成滤料阻力的主要原因。纤维层气流是层流还是紊流对滤纸阻力的影响都极大由于纤维很细,滤速极低,雷诺数很小,因此纤维层内的气流是层流。因过滤速度极低,常采用达西定律,气流穿过斜滤纸时产生的压力损失可表示为

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式中,μ--空气动力学黏滞系数,PΔ·s;H--纤维过滤介质厚度,m;υ--过滤速度,m/s;K--过滤介质的渗透系数,m2;p--气体密度,g/cm3;φ--夹角,(°)。

(2)空滤褶状结构压力损失

褶状结构压力损失主要来自气流的沿程压力损失,取决于气流的流动速度、含尘浓度等因素。褶状滤芯的基本结构参数如图6所示。

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假定,褶角出口压力为零,L与H相差较大,则褶角宽度方向上出入口的平均压差就是气流通过褶状结构引起的压损,即

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故,气流通过滤芯时由于褶状结构引起的压损

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(3)空滤表面粉尘层压力损失

过滤初期,含尘气流进入滤纸内部,滤纸内部空隙不断被阻塞,压力损失逐渐增大。当滤纸内部空隙达到极限时,粉尘开始在滤纸表面沉积,压力损失继续增大。

随着过滤时间增加,滤纸表面的粉尘层增厚,当新增粉尘自重大于粉尘间粘附力时,沉积粉尘层便会在自重和气流作用下脱离滤纸,只有部分粉尘沉积量会造成空滤压力损失增大。

3清洁和含尘空滤压力损失理论计算

清洁空滤的压损主要由结构压损ΔPg和滤纸压损ΔPm两部分组成;含尘空滤的压损由结构压损ΔPg、含尘滤纸压损ΔPm’、表面粉尘层过滤压损ΔPp三部分组成。

(1)清洁空滤压损的理论研究

通过对空滤压力损失进行分析表明,压损与过滤速度成正比,而大褶高、小褶宽结构的空滤压损则随速度变化相对缓慢;通过采用增大褶高和增加褶数的方式来增大过滤面积,从而降低压损的效果并不理想,需综合考虑,选取出最优结构参数。

气流通过滤芯由褶状结构引起的压损ΔPg和气流通过过滤滤纸引起的压力损失ΔPm构成,空气滤清器褶状滤芯的总压力损失ΔP。

(2)含尘空滤压损的理论研究

含尘空滤的过滤过程,以滤纸内部粉尘接近极限状态为区分点,可以将含尘过滤分为含尘滤纸过滤及含尘滤纸与粉尘层共同作用2个阶段。

①含尘滤纸过滤

沉积在滤芯上的粉尘全部均匀分布于滤纸内部,且在滤纸内部沉积,引起滤纸孔隙率减小,含尘滤芯的过滤压力损失为

ΔP=ΔPg+ΔPm   (4)

②含尘滤纸过滤“+”粉尘层过滤

对于含尘空滤的过滤过程。以滤纸内部粉尘接近相对饱和状态为区分点,可以分为含尘滤纸过滤及含尘滤纸与粉尘层共同作用的2个过滤阶段,含尘空滤的压损计算可表示:

滤纸内部粉尘未接近相对饱和状态时

ΔP=ΔPg+ΔPm   (5)

滤纸内部粉尘接近相对饱和状态时

ΔP=ΔPg+ΔPg'+ΔPm   (6)

4结语

本文对除尘系统中空滤的压力损失进行研究,研究空滤过滤压力损失与其结构参数、滤纸特性的关系,及过滤效率随时间变化规律,对降低过滤压损,优化空滤结构参数及降低能耗都至关重要。

除尘器的压力损失是普遍在在的,不能消除,只能通过合理的方式方法,优化除尘器本身参数和运行工况。尽量减少压力损失,减小能耗,降低成本,达到除尘系统的最优化。

有关更多滤筒除尘器中空气滤清器的过滤机理和空气滤清器过滤压力损失的分析,请联系广州新瑞环保的工程师13322814846。