張倩 劉志強 柳靜獻 毛寧 林秀麗

(東北大學(xué) 沈陽110004)

0 引言

20世紀(jì)80年代美國Gore公司成功研制了聚四氟乙烯(PTFE)覆膜濾料，該濾料由聚四氟乙烯微孔薄膜與各種基材復(fù)合而成[1-2]。覆膜濾料不僅可以高效過濾微細(xì)粒子，而且可以保證設(shè)備阻力長期穩(wěn)定運行，因此成為理想的過濾材料[3-5]。劉培杰等[6]制得了具有良好力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的芳綸納米纖維覆膜濾料，其初始過濾效率可以達到92.9%。郗天琦等[7]指出，玻纖布覆膜后的濾料可以達到與PPS濾料一致的除塵效率，并且更耐高溫，不易被氧化，價格也更為低廉，可以用來代替PPS濾料用于電力行業(yè)袋式除塵器，非常具有市場前景。劉鋒等[8]對比了玻纖復(fù)合氈覆膜濾料和玻纖復(fù)合氈濾料得出，在過濾效率、濾料壽命、運行阻力等方面，玻纖復(fù)合氈覆膜濾料都要更加優(yōu)越，可以降低炭黑生產(chǎn)的煙塵排放, 滿足了客戶的排放要求, 使用效果良好。前人的研究大多數(shù)傾向于單一覆膜濾料的過濾性能研究，或者覆膜與非覆膜濾料性能對比，研究也顯示覆膜濾料的過濾性能都比較良好[9-12]。

近年來，隨著我國環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)提高。為實現(xiàn)達標(biāo)排放，濾料產(chǎn)品變得多樣化，出現(xiàn)了多種覆膜濾料。本文選取由聚四氟乙烯微孔薄膜與常用基材復(fù)合而成的4種濾料，即芳綸覆膜濾料、PPS/PTFE混紡(5/5)覆膜濾料、玻纖復(fù)合氈覆膜濾料、玻纖布覆膜濾料，通過對比4種覆膜濾料對微細(xì)粒子的捕集效率和動態(tài)過濾性能參數(shù)，系統(tǒng)地從全塵效率、殘余阻力和清灰周期、PM2.5過濾效率等方面對覆膜濾料的性能進行綜合分析，為覆膜濾料的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)，也為覆膜濾料產(chǎn)品的評價和改進提供參考。

1 實驗方法

1.1 實驗樣品

本實驗所用樣品分為4種，分別為芳綸覆膜濾料、PPS/PTFE混紡(5/5)覆膜濾料、玻纖復(fù)合氈覆膜濾料、玻纖布覆膜濾料。濾料的具體參數(shù)見表1，濾料結(jié)構(gòu)電鏡掃描如圖1所示。

表1 濾料基本特征參數(shù)

(a)芳綸覆膜濾料

1.2 實驗過程

1.2.1 靜態(tài)過濾實驗

通過靜態(tài)過濾實驗，研究4種覆膜濾料樣品對0.3～0.5、0.5～1、1～2.5、2.5～5、5～10 μm和>10 μm粒徑的細(xì)顆粒物的計數(shù)效率。靜態(tài)過濾的裝置如圖2所示。

圖2 靜態(tài)過濾實驗裝置

計數(shù)效率實驗中, 用TSI 9306粒子計數(shù)器分別測定濾料樣品上游及下游不同粒徑顆粒的濃度。以空氣塵為塵源，剪取直徑為70 mm的圓形濾料放入濾料夾持器里，檢查裝置的氣密性，開啟真空泵，調(diào)節(jié)流量計到指定流量，待流量穩(wěn)定后，用粒子激光計數(shù)器分別在上游和下游取樣(靠近集流器一側(cè)為上游，遠(yuǎn)離集流器一側(cè)為下游)每次采樣取5組數(shù)據(jù)，采樣時間為30 s，采樣時間間隔為3 s。在上游和下游交替進行采樣。

1.2.2 動態(tài)過濾實驗

通過動態(tài)過濾實驗，研究4種覆膜濾料樣品在清潔階段和穩(wěn)定階段的清灰周期和殘余阻力、全塵效率和粉塵剝離率、PM2.5過濾效率。動態(tài)過濾的裝置如圖3所示。

圖3 動態(tài)過濾實驗裝置

動態(tài)過濾性能測試采用的粉塵為氧化鋁(Al2O3)粉塵，粒徑分布和電鏡掃描如圖4所示。過濾風(fēng)速為3 m/min，入口粉塵質(zhì)量濃度為5 g/m3。將采樣濾紙放入濾料夾具內(nèi)，調(diào)整發(fā)塵器的轉(zhuǎn)速使發(fā)塵量在實驗風(fēng)速下達到5 g/m3。氣流在真空泵的抽吸作用下通過濾料時, 粉塵被捕集。隨著過程的進行, 濾料兩側(cè)的壓差增大, 當(dāng)壓差達到一定數(shù)值時, 系統(tǒng)控制脈沖閥開啟, 高壓空氣從凈氣側(cè)噴出, 粉塵層在高壓氣體作用下脫落。

(a)粒徑分布

在清潔階段，當(dāng)濾料兩側(cè)的壓差達到1 000 Pa時，進行噴吹清灰，噴吹后阻力會急劇下降，再進行下一個周期，一共進行30次噴吹過程。在第30次噴吹完成后，對濾料和絕對濾膜進行稱重，計算這一階段濾料的全塵效率。穩(wěn)定階段的測試過程和潔凈階段的一致，定壓噴吹30次。穩(wěn)定階段是濾料在工作現(xiàn)場使用時的常用工作狀態(tài)。實驗裝置是東北大學(xué)濾料檢測中心研發(fā)的符合《袋式除塵器技術(shù)要求》(GB/T 6719—2009)[13]的濾料動態(tài)性能測試實驗裝置。

為了更直觀地評價各種濾料的PM2.5排放情況，在整個實驗過程中對濾料下游的PM2.5質(zhì)量濃度進行監(jiān)測，在清潔階段和穩(wěn)定階段的每個周期內(nèi)用儀器監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度，設(shè)置3～5個采樣時間點，在每個周期開始1 min后采樣，采樣時間為1 min，然后每隔1 min采樣一次。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 計數(shù)效率實驗

4種不同濾料在1、2 m/min風(fēng)速下的計數(shù)效率如圖5所示。總體上看，PPS/PTFE 混紡覆膜濾料的過濾效率最高，其他3種濾料的過濾效率之間存在交叉，玻纖布覆膜濾料對<0.5 μm的顆粒物過濾效率要大于芳綸覆膜濾料和玻纖復(fù)合氈覆膜濾料，對0.5～1 μm的顆粒物過濾效率介于二者之間。

(a)風(fēng)速1 m/min

2.2 動態(tài)過濾實驗

(1)清灰周期

4種覆膜濾料清潔階段的清灰周期隨噴吹次數(shù)的變化如圖6(a)所示，從圖中可以看出，整體上清灰周期呈遞減的趨勢，并主要集中在前20個周期。這是因為噴吹過后殘留在濾料內(nèi)的顆粒物使濾料阻力略高于之前阻力，所以濾料阻力到達1 000 Pa所用時間減少。經(jīng)過20個周期后，粉塵在膜內(nèi)部的分布已基本達到飽和，再附集的粉塵只能在濾料表面，經(jīng)噴吹操作后脫離濾料，所以后10個噴吹周期的變化很小。噴吹次數(shù)是5次時，濾料的清灰周期相差在15 min之內(nèi)，而到20個噴吹周期以后，濾料的清灰周期相差在5 min之內(nèi)，即隨著噴吹次數(shù)的進行，清灰周期趨于穩(wěn)定。

4種覆膜濾料穩(wěn)定階段的清灰周期隨噴吹次數(shù)的變化如圖6(b)所示，從圖中可以看出，穩(wěn)定階段的過濾周期隨著噴吹次數(shù)的增加而減少。相比較清潔階段濾料的噴吹周期，穩(wěn)定階段4種覆膜濾料噴吹周期比較接近，這是因為穩(wěn)定階段的濾料內(nèi)部充滿粉塵顆粒物，濾料阻力的增長主要靠濾料表面形成的“粉餅”，濾料本身特性對濾料阻力的增長沒有清潔階段大，所以過濾周期比較接近。

(a)清潔階段

(2)殘余阻力

4種濾料在清潔階段和穩(wěn)定階段的殘余阻力變化如圖7所示。設(shè)阻力增長率等于某噴吹次數(shù)下阻力值與初始阻力的比值，可以計算得出4種濾料的阻力增長率。為了更好地具體說明濾料阻力增長隨噴吹次數(shù)的變化，對圖7中的數(shù)據(jù)進行了擬合。通過曲線擬合給出特定的函數(shù)，判斷濾料阻力的變化趨勢，得出4種濾料阻力增長的變化規(guī)律。從圖7(a)中可以看出，隨著噴吹次數(shù)的增加，4種濾料的殘余阻力越來越高，先快速增長，后增速緩慢。因為進入內(nèi)部的顆粒物經(jīng)過噴吹無法脫離纖維，造成濾料阻力的增長。

值得注意的是，玻纖布覆膜濾料的殘余阻力在前期的增長速率并沒有其他3種濾料快。造成這種現(xiàn)象的原因是玻纖布覆膜濾料為機織布濾料，在覆膜過程中基底濾料纖維和薄膜接觸面積較大，導(dǎo)致濾料初始阻力大，但是粉塵不易進入濾料內(nèi)部對濾料造成嚴(yán)重堵塞，所以阻力增長率最慢，曲線最低。芳綸覆膜和PPS/PTFE混紡覆膜濾料均為水刺濾料，厚度、克重、纖維直徑等參數(shù)接近，阻力增長速率也趨于一致，阻力增長速度高；玻纖復(fù)合氈為針刺濾料，厚度和克重均較芳綸覆膜和PPS/PTFE混紡覆膜濾料大，纖維直徑也更細(xì)，阻力增長較二者低。

由圖7(b)可以看出，相對清潔階段的殘余阻力增長，穩(wěn)定階段的殘余阻力增長要緩慢得多，增長率曲線變化比較平緩。穩(wěn)定階段4種覆膜濾料的阻力增長率基本接近，相差均在5%以內(nèi)。說明穩(wěn)定階段覆膜的材料類型對阻力增長率的影響較小，即阻力增長率與材料相關(guān)性不大。結(jié)合粉塵剝離率分析，經(jīng)過清潔階段和穩(wěn)定階段的濾料表面會形成一層薄薄的粉塵層，所以在穩(wěn)定階段的過濾方式為“塵濾塵”，而“塵濾塵”的粉塵剝離率要大于初期過濾時的剝離率，不會有更多的粉塵滯留在濾料表面，所以濾料的殘余阻力變化很小。

(a)清潔階段

(3)全塵效率和粉塵剝離率

4種覆膜濾料在兩個階段的全塵效率和粉塵剝離率如表2和圖8所示。4種覆膜濾料全塵效率均達到了99%以上，芳綸覆膜濾料和玻纖復(fù)合氈覆膜濾料在兩個階段的全塵效率最高。清潔階段4種覆膜濾料粉塵剝離率的平均值為83.217 4%，最大偏差為2.32%。而到穩(wěn)定階段4種覆膜濾料粉塵剝離率的平均值為95.448 5%，最大偏差為0.55%。說明隨著噴吹過程進行，4種覆膜濾料的剝離率增大，且到了穩(wěn)定階段后，4種濾料的粉塵剝離率偏差很小，基本趨于穩(wěn)定。

表2 濾料部分參數(shù)實驗結(jié)果 %

(a)全塵效率

(4)PM2.5質(zhì)量濃度變化

濾料噴吹清灰后，濾料下游PM2.5質(zhì)量濃度變化如圖9所示。從圖中可以看出，芳綸覆膜和玻纖復(fù)合氈覆膜濾料在清潔階段PM2.5的排放濃度要高于穩(wěn)定階段的排放濃度，穩(wěn)定階段趨于零排放，說明兩種濾料穩(wěn)定階段的過濾效果非常好。玻纖布覆膜濾料在穩(wěn)定階段的PM2.5排放濃度比較高，此結(jié)果與玻纖布覆膜濾料全塵效率在穩(wěn)定階段較清潔階段有所降低是一致的。造成這種結(jié)果的原因是玻纖布濾料較其他3種濾料薄，在清灰過程中，濾料內(nèi)的粉塵易穿透濾料，造成下游PM2.5質(zhì)量濃度的增加。PPS/PTFE混紡覆膜濾料在穩(wěn)定階段PM2.5排放濃度比清潔階段略高，濾料的全塵效率在清潔階段較穩(wěn)定階段高，二者的變化趨勢也是一致的。通過對比發(fā)現(xiàn)，PPS/PTFE混紡覆膜濾料所附薄膜質(zhì)量相對較差，實驗過程中高壓氣體噴吹對濾料薄膜造成了機械損傷，導(dǎo)致效率下降，PM2.5排放濃度升高。

(a)芳綸覆膜濾料

3 結(jié)論

(1)潔凈濾料的計數(shù)效率測試結(jié)果表明，PPS/PTFE混紡(5/5)覆膜濾料的過濾效率最高，但是從清潔階段和穩(wěn)定階段的全塵效率及PM2.5排放濃度看，過濾效率并沒有一直保持優(yōu)勢。而玻纖布覆膜濾料在穩(wěn)定階段的PM2.5排放濃度明顯高于清潔階段。因此選擇和評估覆膜濾料需要綜合考慮清潔階段和穩(wěn)定階段全過程的PM2.5過濾效率。

(2)4種覆膜濾料在清潔階段殘余阻力增長率高，穩(wěn)定階段殘余阻力增長率低，且穩(wěn)定階段4種覆膜濾料的阻力增長率基本接近，相差均在5%以內(nèi)，說明穩(wěn)定階段覆膜濾料的材料類型對阻力增長率的影響較小。

(3)4種覆膜濾料穩(wěn)定階段粉塵剝離率均高于清潔階段。在穩(wěn)定階段，4種濾料的粉塵剝離率平均值為95.448 5%，最大偏差僅為0.55%，說明覆膜濾料類型對于穩(wěn)定階段濾料粉塵剝離率的影響較小。