趙 楊， 鐘圣俊， 苗 楠， 鐘明君

（東北大學(xué) 冶金學(xué)院， 沈陽(yáng)110819）

超細(xì)粉塵一般指粒徑小于10 μm 的粉塵，主要來(lái)自焊接與激光切割等加工過(guò)程［1］.焊接與激光切割技術(shù)在粉末冶金、汽車制造和光伏等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用［2］.近年來(lái)，焊接技術(shù)的發(fā)展取得了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，但隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重.例如，激光焊接時(shí)會(huì)釋放氮氧化物和氟化物等有毒有害物質(zhì)，其粒徑小于1 μm.有毒有害的焊接粉塵會(huì)進(jìn)入人體呼吸道，對(duì)作業(yè)人員健康產(chǎn)生危害，如引發(fā)塵肺病和咽炎等疾病.不僅如此，無(wú)限制地排放焊接煙塵也會(huì)導(dǎo)致PM2.5超標(biāo)［3］.因此，開(kāi)展降低超細(xì)粉塵排放的研究十分迫切.

傳統(tǒng)濾筒的過(guò)濾介質(zhì)為普通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，無(wú)論粉塵粒徑大小，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間過(guò)濾后，都會(huì)出現(xiàn)濾料堵塞的情況，從而縮短濾筒壽命，提高成本和系統(tǒng)能耗.對(duì)此，現(xiàn)代工業(yè)除塵中采用覆膜濾筒替代傳統(tǒng)濾筒.覆膜濾筒是指在過(guò)濾介質(zhì)表面覆一層聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，使得粒徑小于1 μm的粉塵能有效地被濾筒捕集.因此，覆膜濾筒對(duì)降低超細(xì)粉塵的排放具有重要的實(shí)際意義.

過(guò)濾風(fēng)速是指氣體通過(guò)單位面積濾料的平均速度，是反映除塵器除塵能力的重要技術(shù)指標(biāo).過(guò)濾風(fēng)速直接影響除塵器的過(guò)濾效率和壓力損失［4］.林莉君等［1］利用濾筒除塵器對(duì)粒徑分布為0.5 ～5 μm 的三種粉塵在過(guò)濾風(fēng)速為0.4 ～2.8 m／min 時(shí)進(jìn)行了過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了合適的過(guò)濾風(fēng)速下濾筒除塵器具有高除塵效率、低壓力損失等優(yōu)點(diǎn).李慧芳［5］利用普通濾筒除塵器和內(nèi)部添加錐體結(jié)構(gòu)的濾筒除塵器，通過(guò)改變過(guò)濾風(fēng)速對(duì)平均粒徑為23.04 μm 的滑石粉進(jìn)行了過(guò)濾測(cè)試，結(jié)果表明，新型濾筒除塵器過(guò)濾效率高于常規(guī)濾筒除塵器，壓力損失也有所降低.在測(cè)試清灰性能方面，Simon 及Humphries 等［6-7］通過(guò)研究得出結(jié)論：壓力峰值可以作為評(píng)價(jià)除塵器清灰效果的重要指標(biāo)，濾筒側(cè)壁壓力峰值越大，除塵器清灰效果越好.郭小永［8］利用Φ325 mm×1 000 mm的覆膜濾筒研究了噴吹孔徑、噴吹距離的改變對(duì)除塵器清灰性能的影響，確定了不同噴吹孔徑下的最佳噴吹距離.目前，對(duì)濾筒除塵器過(guò)濾性能的研究主要集中在結(jié)構(gòu)、濾料等方面，對(duì)覆膜濾筒除塵器超細(xì)粉塵過(guò)濾性能研究較少.在當(dāng)今工業(yè)用除塵器中，短濾筒得到普遍應(yīng)用（如玻璃除塵），直徑分為324 和351 mm 兩種，長(zhǎng)度分為660 和711 mm兩種.而目前關(guān)于清灰性能方面的研究主要集中于代替濾袋的1 000 mm長(zhǎng)濾筒［9］，對(duì)短濾筒的清灰性能研究較少.

因此，本文中利用Φ325 mm×660 mm 的PTFE 覆膜濾筒對(duì)超細(xì)粉塵進(jìn)行了過(guò)濾與清灰實(shí)驗(yàn)，利用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，從而改變過(guò)濾風(fēng)速，最終獲得不同過(guò)濾風(fēng)速對(duì)除塵器過(guò)濾效率和壓力損失的影響；通過(guò)改變清灰參數(shù)獲得其對(duì)濾筒側(cè)壁壓力峰值的影響，最終確定本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的最優(yōu)清灰參數(shù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)

過(guò)濾性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示，主要包括箱體、PTFE 覆膜濾筒、振動(dòng)喂料器、壓力傳感器等.出風(fēng)口連接風(fēng)量為805 ～1 677 m3／h 的可變頻離心風(fēng)機(jī).進(jìn)風(fēng)口橫截面尺寸為150 mm×150 mm，出風(fēng)口橫截面尺寸為250 mm×250 mm.

圖1 過(guò)濾性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 The test platform for filter performance

清灰性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示，主要包括空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、噴吹閥、壓電式傳感器等.沿濾筒方向布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，傳感器分別置于距濾筒頂端110，330，550 mm 處，記為1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)測(cè)點(diǎn).

圖2 清灰性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 The test platform for cleaning performance

1.2 粉塵粒徑測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)中將滑石粉過(guò)篩后作為超細(xì)粉塵的代表，進(jìn)行了粒徑分布的測(cè)定，如圖3 所示.超細(xì)粉塵具體定義為粒徑100%小于30 μm 的粉塵［10］.由圖3 可知，粒徑大于30 μm 的顆粒占整體的比例小于0.7%.因此，本實(shí)驗(yàn)中的粉塵可以作為超細(xì)粉塵進(jìn)行后續(xù)研究.

圖3 粒徑分布圖Fig.3 The distribution map of particle size

中位徑是指累計(jì)粒徑分布為50%時(shí)的顆粒物直徑大小，一般用D50表示［11］.實(shí)際應(yīng)用中，一般用中位徑來(lái)表示平均粒徑大小.因此，為了獲得更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)粉塵參數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)粉塵進(jìn)行5 次測(cè)量，以獲得平均粒徑大小.測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所列，最終求得50＝5.99 μm.

表1 滑石粉中位徑測(cè)量Table 1 The measurement of median diameter of talc powder μm

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

1.3.1 漏風(fēng)率測(cè)定

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究之前，對(duì)除塵器進(jìn)行漏風(fēng)率測(cè)試：控制變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，采用風(fēng)速儀測(cè)量管道內(nèi)除塵器進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口前后100 mm 處中心位置的風(fēng)速.

1.3.2 壓力損失測(cè)定

根據(jù)不同的含塵濃度選擇對(duì)應(yīng)的過(guò)濾風(fēng)速.一般情況下，入口粉塵濃度為10 g／m3時(shí)，過(guò)濾風(fēng)速控制在0.8～1.4 m／min［5］.因此，本實(shí)驗(yàn)中在過(guò)濾風(fēng)速為0.8 ，1.0，1.2，1.4 m／min 時(shí)，對(duì)濾筒除塵器進(jìn)行壓力損失測(cè)試.采用振動(dòng)喂料器加入粉塵，設(shè)置入口粉塵濃度為10 g／m3.在設(shè)備貼近濾筒進(jìn)出口處分別設(shè)置壓力測(cè)量點(diǎn)，將測(cè)壓點(diǎn)連接在差壓傳感器上，利用控制箱采集到的電壓值獲得濾筒測(cè)壓點(diǎn)處的壓力差；每隔5 min 記錄一次壓差，取3 次結(jié)果的平均值作為最終測(cè)試到的壓力損失.

壓力損失計(jì)算公式如下：

式中：ΔP 為除塵器的壓力損失，Pa；ΔP前為粉塵通過(guò)濾筒之前測(cè)點(diǎn)的壓力，Pa；ΔP后為粉塵通過(guò)濾筒之后測(cè)點(diǎn)的壓力，Pa.

1.3.3 過(guò)濾效率測(cè)定

探究不同過(guò)濾風(fēng)速（0.8，1，1.2，1.4 m／min）對(duì)濾筒除塵器過(guò)濾效率的影響.在其他條件不變的情況下，過(guò)濾同樣的時(shí)間后停止過(guò)濾.過(guò)濾效率采用稱重法，提前用電子秤稱量潔凈濾筒的質(zhì)量，過(guò)濾完成后拆下濾筒，用電子秤稱量含塵濾筒的質(zhì)量，最后將箱體內(nèi)的粉塵掃凈再稱其質(zhì)量，從而計(jì)算過(guò)濾效率.

過(guò)濾效率計(jì)算公式如下：

式中：η 為過(guò)濾效率，%；m前為粉塵放入總量，g；m箱體為過(guò)濾后箱體內(nèi)粉塵質(zhì)量，g；m潔凈濾筒為潔凈濾筒質(zhì)量，g；m含塵濾筒為含塵濾筒質(zhì)量，g.

1.3.4 清灰側(cè)壁壓力峰值測(cè)定

在清灰效果實(shí)驗(yàn)中，過(guò)濾風(fēng)速為1.4 m／min，入口粉塵濃度為10 g／m3，當(dāng)壓力損失達(dá)到300 Pa時(shí)，控制箱開(kāi)啟一次脈沖噴吹.考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)現(xiàn)象，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5 次，取所獲數(shù)據(jù)的平均值.

根據(jù)實(shí)際工業(yè)清灰參數(shù)可知，清灰參數(shù)設(shè)置得過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響除塵效果.本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)脈沖寬度為100 ms，其余參數(shù)設(shè)定如下：

（1）用調(diào)壓閥調(diào)節(jié)噴吹壓力，噴吹壓力分別設(shè)置為0.4，0.5，0.6 MPa.此時(shí)其他參數(shù)設(shè)置為噴吹孔徑33 mm，噴吹距離0.

（2）用不同直徑的噴嘴改變噴吹孔徑，噴吹孔徑分別設(shè)置為33，46，56 mm.此時(shí)其他參數(shù)設(shè)置為噴吹距離0，噴吹壓力0.5 MPa.

（3）用短管改變噴吹距離（噴吹距離指噴吹口到濾筒口的距離），噴吹距離依次取值為0，50，100 mm.此時(shí)其他參數(shù)設(shè)置為噴吹孔徑33 mm，噴吹壓力0.5 MPa.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 漏風(fēng)率

由表2 可知，此臺(tái)濾筒除塵器漏風(fēng)率在5%以內(nèi)，說(shuō)明可以用此臺(tái)除塵器進(jìn)行正常的實(shí)驗(yàn)研究.

表2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)漏風(fēng)率測(cè)試Table 2 The air leakage rate test of the experimental platform

2.2 壓力損失

圖4 所示為不同過(guò)濾風(fēng)速（v）對(duì)覆膜濾筒除塵器壓力損失的影響，圖中的誤差棒代表3 次實(shí)驗(yàn)的誤差.由圖可知，相同過(guò)濾時(shí)間內(nèi)，覆膜濾筒除塵器的壓力損失隨著過(guò)濾風(fēng)速的增大而升高.由達(dá)西定律可知，過(guò)濾介質(zhì)的壓力損失與迎面風(fēng)速成正比［5］.另外，在相同過(guò)濾風(fēng)速下，隨著過(guò)濾時(shí)間的增加，濾筒除塵器壓力損失的增長(zhǎng)速率先增大后降低.這是因?yàn)殡S著過(guò)濾的進(jìn)行，在過(guò)濾介質(zhì)上會(huì)形成粉塵層，導(dǎo)致除塵器壓力損失迅速增大，但隨著粉塵層逐漸增厚，過(guò)濾介質(zhì)對(duì)超細(xì)粉塵的捕集作用已經(jīng)越來(lái)越接近其捕集能力的極限，所以壓力損失趨于平緩.

圖4 不同過(guò)濾風(fēng)速對(duì)覆膜濾筒除塵器壓力損失的影響Fig.4 The influence of different filtration wind speeds on the pressure loss of the membrane cartridge dust collector

2.3 過(guò)濾效率

圖5 所示為不同過(guò)濾風(fēng)速對(duì)覆膜濾筒除塵器過(guò)濾效率的影響，圖中的誤差棒代表3 次實(shí)驗(yàn)的誤差.由圖可知，隨著過(guò)濾風(fēng)速的增大，過(guò)濾效率逐漸降低.這說(shuō)明過(guò)濾風(fēng)速低有利于超細(xì)粉塵被過(guò)濾介質(zhì)捕集.過(guò)濾風(fēng)速過(guò)快會(huì)使本已被吸附在濾料縫隙中的粉塵又被吹入氣流中，從而導(dǎo)致過(guò)濾效率降低.由于超細(xì)粉塵具有粒徑小、容重小等特點(diǎn)，對(duì)于過(guò)濾超細(xì)粉塵來(lái)說(shuō)，適當(dāng)降低過(guò)濾風(fēng)速可提高過(guò)濾效率.

圖5 不同過(guò)濾風(fēng)速對(duì)覆膜濾筒除塵器效率的影響Fig.5 The influence of different filtration wind speeds on the filtration efficiency of the membrane cartridge dust collector

2.4 不同噴吹壓力下的濾筒側(cè)壁壓力峰值

圖6 所示為不同噴吹壓力下的濾筒側(cè)壁壓力峰值，圖中的誤差棒代表5 次實(shí)驗(yàn)的誤差.由圖可知，隨著噴吹壓力的增大，各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值也逐漸增大.這是因?yàn)閲姶祲毫υ龃?，噴吹口處的壓力也隨之增大，主導(dǎo)氣流誘導(dǎo)的周圍氣流增多，形成的反吹氣流速度變大，使得各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值也逐漸增大.但是，1 號(hào)測(cè)點(diǎn)隨著噴吹壓力的增大，壓力峰值增大得不明顯，原因是1 號(hào)測(cè)點(diǎn)距噴吹口較近，氣流在到達(dá)此處時(shí)還未得到完全膨脹就向下運(yùn)動(dòng).雖然噴吹壓力為0.6 MPa 時(shí)3 號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力峰值超過(guò)了4 kPa，但并不代表噴吹壓力越大，清灰效果就越好.如果噴吹壓力過(guò)大，濾筒下部清灰徹底，在下一次過(guò)濾時(shí)會(huì)有更大流量的含塵氣體通過(guò)，導(dǎo)致濾筒下部的過(guò)濾負(fù)荷增大；設(shè)備在運(yùn)行一定時(shí)間后，濾筒下部濾料會(huì)提前破損，從而縮短濾筒壽命［12］.因此，實(shí)驗(yàn)中考慮到清灰的均勻性，噴吹壓力為0.4 MPa 時(shí)各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值相比于其他噴吹壓力下的壓力峰值更均勻.所以在本實(shí)驗(yàn)條件下，選定0.4 MPa 為最佳噴吹壓力.

圖6 不同噴吹壓力下濾筒側(cè)壁壓力峰值變化曲線Fig.6 The peak pressure variation curves of inner side wall of the cartridge variation under different injection pressures

2.5 不同噴吹孔徑下的濾筒側(cè)壁壓力峰值

圖7 所示為不同噴吹孔徑下的濾筒側(cè)壁壓力峰值，圖中的誤差棒代表5 次實(shí)驗(yàn)的誤差.由圖可知，隨著噴吹孔徑的增大，各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值也逐漸增大.這是因?yàn)閲姶悼讖皆龃螅诿}沖噴吹時(shí)單位時(shí)間內(nèi)壓縮氣體的氣流量也會(huì)隨之增大，氣流的擴(kuò)散現(xiàn)象越發(fā)顯著.考慮到清灰的均勻性，噴吹孔徑為46 和56 mm 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值均滿足清灰要求；但考慮到能耗和濾筒壽命，噴吹孔徑為46 mm 時(shí)能耗更少，壓力峰值更均勻.因此，46 mm為本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)噴吹孔徑.

圖7 不同噴吹孔徑下濾筒側(cè)壁壓力峰值變化曲線Fig.7 The peak pressure variation curves of inner side wall of the cartridge under different injection diameters

2.6 不同噴吹距離下的濾筒側(cè)壁壓力峰值

圖8 所示為不同噴吹距離下的濾筒側(cè)壁壓力峰值，圖中的誤差棒代表5 次實(shí)驗(yàn)的誤差.由圖可知，隨著噴吹距離的增大，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力峰值總體呈先增大后減小的趨勢(shì).這是因?yàn)殡S著噴吹距離的增大，壓縮氣體在經(jīng)過(guò)1 號(hào)、2號(hào)、3 號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)速度降低.根據(jù)流體力學(xué)能量方程可知，當(dāng)能量不變、速度降低時(shí)，壓強(qiáng)增大［8］.但當(dāng)噴吹距離超過(guò)一個(gè)極值時(shí)，噴吹氣流會(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中卷入過(guò)多外部氣流，導(dǎo)致速度迅速降低，同時(shí)噴吹距離的延長(zhǎng)導(dǎo)致脈沖氣流到達(dá)濾筒測(cè)點(diǎn)時(shí)已損耗大部分能量.各測(cè)點(diǎn)在噴吹距離為100 mm 時(shí)壓力峰值減小，說(shuō)明單純?cè)黾訃姶稻嚯x不一定會(huì)加強(qiáng)清灰效果，只有適當(dāng)增加噴吹距離才能改善清灰性能.這與Lo、王玉鑫等［13-14］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合.在遵循清灰均勻性的基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)中噴吹距離為50 mm時(shí)，壓力峰值更均勻，因此選定實(shí)驗(yàn)最優(yōu)噴吹距離為50 mm.

圖8 不同噴吹距離下濾筒側(cè)壁壓力峰值變化曲線Fig.8 The peak pressure variation curves of inner side wall of the cartridge under different injection distances

2.7 清灰側(cè)壁壓力峰值變化

在對(duì)濾筒內(nèi)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓力峰值測(cè)定的同時(shí)，記錄了濾筒側(cè)壁壓力實(shí)時(shí)變化曲線.以噴吹壓力0.5 MPa、噴吹孔徑33 mm、噴吹距離50 mm 為例，濾筒側(cè)壁壓力實(shí)時(shí)變化曲線如圖9 所示.由圖可知，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力在達(dá)到峰值后會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的負(fù)壓狀態(tài).這是因?yàn)槊}沖氣流經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)速度較快并迅速向下運(yùn)動(dòng)，這樣一來(lái)，就會(huì)在氣流過(guò)后的區(qū)域形成負(fù)壓區(qū).此外，由圖可知，濾筒側(cè)壁壓力峰值沿濾筒口向下不斷增大.這是由于脈沖氣流從噴吹口噴出后在濾筒上部沒(méi)有得到充分膨脹就迅速向下運(yùn)動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中繼續(xù)膨脹和擴(kuò)散，同時(shí)誘導(dǎo)更多的氣流進(jìn)入濾筒，使得濾筒側(cè)壁壓力增大.但壓縮氣流不能一直處于膨脹狀態(tài)，氣流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也會(huì)與濾筒內(nèi)壁發(fā)生摩擦，消耗一部分能量，濾筒內(nèi)的氣流速度會(huì)越來(lái)越小，靜壓逐漸升高.當(dāng)氣體運(yùn)動(dòng)到濾筒底部區(qū)域時(shí)，會(huì)受到濾筒底部封閉結(jié)構(gòu)的阻礙，從而對(duì)側(cè)壁產(chǎn)生正壓，誘導(dǎo)氣流和主導(dǎo)氣流兩種因素共同作用使濾筒底部區(qū)域的壓力峰值達(dá)到最大［7］.由此可知，濾筒側(cè)壁上部的壓力峰值最小，中部的壓力峰值次之，底部的壓力峰值最大.

圖9 濾筒側(cè)壁壓力實(shí)時(shí)變化曲線Fig.9 The real-time change curves of the inner side wall pressure of the cartridge

3 結(jié) 論

（1）過(guò)濾性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著過(guò)濾風(fēng)速的增大，除塵器過(guò)濾效率逐漸降低，而壓力損失逐漸升高.單位面積的過(guò)濾風(fēng)速為0.8 ～1.4 m／min時(shí)，除塵器的壓力損失為99 ～300 Pa，過(guò)濾效率為98.02%～99.12%.

（2）清灰性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同條件下，濾筒側(cè)壁底部的壓力峰值最大，中部的壓力峰值次之，上部的壓力峰值最小.隨著噴吹壓力和噴吹孔徑的增大，濾筒側(cè)壁壓力峰值也逐漸增大；隨著噴吹距離的增大，濾筒側(cè)壁壓力峰值先增大后減小.

（3）根據(jù)濾筒側(cè)壁壓力峰值的變化規(guī)律，確定本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最優(yōu)清灰參數(shù)如下：噴吹壓力為0.4 MPa，噴吹孔徑為46 mm，噴吹距離為50 mm.

（4）合理設(shè)計(jì)過(guò)濾風(fēng)速和相關(guān)清灰參數(shù)有利于覆膜濾筒在超細(xì)粉塵除塵工藝中的應(yīng)用.