空氣過濾材料自潔反吹性能的初步研究

趙 晨 王 宜 曾靖山

(華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640)

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·自潔反吹性能·

空氣過濾材料自潔反吹性能的初步研究

趙 晨 王 宜*曾靖山

(華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640)

采用工業除塵領域濾袋材料的清灰檢測方法對兩種擁有不同表面能的空氣過濾材料自潔反吹性能進行了檢測。結果表明,在初期過濾階段,相比100%植物纖維制備的濾材,含有60%低表面能纖維的濾材的不粘灰性能明顯；在深層過濾階段,濾材孔徑會影響濾材的自潔反吹性能。

空氣過濾材料；自潔反吹性能；低表面能

內燃機車發動機作為動力部件,通常在高轉速、高機械負荷和熱負荷下運行,其工作狀況直接關系到機車功率的發揮和經濟性能的好壞。氣缸非正常磨損、功率下降、經濟性能降低主要是由進氣中含沙塵造成的。而空氣濾清器對進氣質量起著決定性的作用?？諝鉃V清器的作用是阻攔或濾除進氣中的灰塵和雜質,以減少氣缸套、活塞環、活塞及氣門等主要零部件的磨損和故障,從而延長發動機的使用壽命。為了減少發動機磨損,有必要改善空氣的濾清效果。

目前內燃機空氣濾清器多采用紙質折疊加工的濾芯,利用濾材中的纖維和孔隙攔截、阻擋細小的灰塵。濾材在使用過程中由于灰塵的累積,使纖維間的孔隙減小或堵塞,造成濾材壽命終止[1]。一些重載荷車輛的工作場合工況惡劣,空氣中沙塵含量高,導致空氣過濾器使用壽命較短。由此,具有自清潔功能的濾清器應運而生,該濾清器所用的過濾材料(以下簡稱濾材)表面不易被灰塵穩固黏附,可以通過反吹保養使其表面捕捉的灰塵掉落,減少進入濾材內部的灰塵量,從而有效延長濾清器達到終止阻力的時間,延長濾清器使用壽命。

可見,濾材的自潔反吹性能是影響濾清器自潔反吹性能的關鍵[2-3]。然而,目前內燃機行業還沒有針對空氣過濾材料自潔反吹性能測試的標準,導致新產品的研發驗證周期較長、研發成本較高。本實驗通過借鑒工業除塵領域濾袋材料的清灰檢測技術標準,對空氣濾清器濾材自潔反吹性能的檢測進行了初步研究,以期為內燃機用空氣過濾材料自潔反吹性能測試方法的建立提供依據。

1 濾材清灰性能的檢測

1.1 清灰性能檢測裝置

目前在工業除塵領域,袋式除塵器用濾材性能的測試標準主要有德國的VDI/DIN3926、美國的ASTMD 6830、日本的JIS Z 8909和中國的GB/T 6719袋式除塵器技術要求4種,對應的檢測裝置分別如圖1(a)～圖1(d)所示[4-7]。

圖1 4個國家標準中關于袋式除塵器用濾材性能檢測實驗裝置

從圖1可以看出,各檢測裝置構造相似,均由豎向管道和橫向管道組成,受試濾材被安裝在橫向管道中檢測。各國(日本除外)實驗裝置下端還有一抽氣管道,以引導粉塵向下運動,從而更好地通過受試濾材；就組成部件而言,各實驗裝置均由發塵器、濾材固定裝置、差壓傳感器、脈沖清灰裝置、末端過濾器和抽氣泵組成。各裝置檢測原理也相似：發塵器產生一定濃度和粒徑分布的人工塵,粉塵進人橫向管道并經過受試濾材,差壓傳感器實時檢測受試濾材前后壓差變化,當壓差達到一定值時,差壓傳感器控制脈沖清灰裝置進行反吹清灰,清灰后濾材又重新濾塵。

1.2 清灰檢測粉塵

檢測所用粉塵的物理化學特性(如粉塵濃度、粒徑分布、化學成分、黏度和密度等)對濾材性能檢測結果有較大影響。表1為4個國家標準中關于除塵濾材性能測試實驗臺所用塵源的規定。由表1可知,德國和日本所用粉塵的中值粒徑較接近,而美國粉塵的中值粒徑很小(1.5 μm),中國只給出了粉塵粒徑分布范圍,<4 μm的顆粒物質量分數占50%；化學組分方面,德國、美國和中國均使用氧化鋁粉塵而日本使用的是煤灰粉,主要化學成分為SiO2；德國、日本和中國檢測時粉塵質量濃度均為5 g/m3,而美國標準中規定粉塵質量濃度為18.4 g/m3,遠大于其他3個國家標準。

總體而言,4個國家標準使用的粉塵都以細顆粒為主,這樣能保證有足夠多的粉塵均勻地擴散到受試濾材表面,同時,細顆粒物能更深入到濾材內部,使濾材阻力快速上升,對于測試循環要求較高的條件有利于減少實驗時間。粉塵的化學成分以Al2O3為主。粉塵的類型、粒徑分布、化學組分和發塵濃度會對受試濾材的過濾效率、阻力、過濾周期以及出口粉塵濃度大小有影響,從而導致對濾材性能的評估存在偏差,因此選擇合適的粉塵對準確評價濾材性能非常重要。

表1 4個國家標準關于除塵濾材性能測試實驗臺用粉塵的規定

1.3 清灰檢測流程

盡管各國標準實驗裝置有很多相似之處,但在檢測流程上存在一定區別,以美國標準差異最為明顯。具體測試流程如表2所示。美國標準檢測實驗流程與其他3個國家檢測流程存在的差異主要有：老化處理期與恢復期的順序發生了變化,且美國標準中沒有規定初始性能測試期；美國標準前兩個階段不需要記錄任何數據,主要測試數據由第3階段正式測試獲得,而其他國家標準中則規定每個階段都需要記錄相關數據。

表2 4個國家標準測試流程

圖2 樣品A和樣品B的掃描電鏡照片

1.4 清灰測試性能指標

測試性能指標將直接或間接反映產品的質量,從4個國家標準的規范要求中可以看出,濾材的阻力(或壓降)、效率(或出口粉塵濃度)是濾材最重要的兩個性能指標。其中具體的測試性能指標如表3所示。從表3中可以發現美國標準與其他標準相比有一些顯著的不同：①僅測試出口粉塵濃度而不測試過濾效率,這是因為在固定的發塵濃度下,出口粉塵濃度的大小即可以反映除塵效率的高低,且目前各種排放標準規定的都是粉塵濃度值,因此測試濾材出口粉塵濃度能更直觀地表述濾材的性能；②增加了更細小顆粒物PM2.5出口濃度的測試,這也更符合工業排放環保要求；③增加了過濾周期的測試,過濾周期反映了過濾器的壽命,與清灰次數有關,清灰越頻繁,濾材的清灰變形可能性越大,過濾器壽命就可能越短。因此,選擇合理的性能指標進行測試能夠有利于更科學地評價濾料的性能。

表3 4個國家標準測試性能指標對照表

注 剝離率的計算公式為K=(P-Pi)/(P-P0)×100%；P為清灰阻力(1000 Pa),Pi為第i次清灰后阻力,P0為潔凈濾料阻力。

在工業除塵濾袋的檢測標準中,主要關注的是產品老化前后的阻力增加、效率變化以及出口粉塵濃度等相關指標,關于清灰性能的評價指標只有剝離率,而剝離率的計算公式只適用于定壓清灰的檢測模式。因此,在定時清灰的檢測模式中,需要新的衡量指標來對過濾材料清灰性能做出評價。

綜上所示,通過將各國的檢測標準綜合比較可以發現,塵源、檢測參數以及檢測流程對濾材性能的評價非常重要,針對不同的應用場所制定相應的檢測方法是客觀反映濾材性能的關鍵。因此,在以上檢測標準的基礎上,筆者對各參數進行了調整,摸索用于檢測內燃機空氣過濾材料自潔反吹性能的可行性。

2 濾材反吹自潔性能的檢測

2.1 實驗原料

濾材能夠實現反吹自潔性能的根本原因是由于濾材表面光滑、表面能低,可降低其與灰塵顆粒之間結合力,從而使表面的灰塵能在氣體反吹的作用力下從濾材表面脫落,實現清灰自潔[8]。本實驗用的濾紙為樣品A和樣品B,其中樣品A由100%植物纖維制備,定量為100 g/m2,樣品B是60%低表面能纖維+40%植物纖維,定量為100 g/m2。圖2所示為樣品A和樣品B的掃描電鏡照片。

2.2 實驗儀器

本實驗采用TOPAS公司根據德國VDI 3926標準制造的AFC-133實驗裝置進行測試,其外觀如圖3所示。

圖3 反吹清灰實驗裝置

AFC-133濾材測試臺主要由測試通道(包括過濾器夾具)、流量控制單元、粉塵發散器、光學粒子計數器等部件以及控制和數據獲取軟件構成。水平裝置實驗灰塵管道,符合VDI-3926測試標準。流量控制單元設計了一個質量流量控制器,使流量常數在整個測試中處于設定值的±2%以內。

粉塵通過進料器控制輸送,在分散器及旋轉刷的作用下使氣流中的含塵濃度均勻不變,含塵氣流在泵的抽吸作用下形成豎直方向的主氣流,主氣流經過袋式除塵器凈化后被泵抽出,而在主氣流中垂直地分離出一水平方向的支流穿過需測試的過濾元件,過濾元件由1個圓環和3根桿支撐,過濾時粉塵層就在該元件上形成。由于泵對主氣流管道的抽吸作用,大量的含塵氣流均通過主氣流管道后凈化排出，形成了通過過濾元件的水平方向的均勻支流。濾布兩側的壓差通過壓力傳感器來測量,兩個測量點分別位于測試元件的兩側,可同時測量得到粉塵側、噴吹側的壓力和兩側的壓差。在給定的過濾速度下,過濾清灰的周期由預先設定的臨界壓差值或時間控制,當濾布壓差達到設定臨界壓差或時間時,壓縮空氣則通過開啟的脈沖閥對濾布進行噴吹清灰。

表4 兩樣品在循環噴吹過程中阻力值變化表

注 清灰率=(反吹后阻力降值/反吹前阻力增值)×100%。

2.3 實驗參數及實驗流程確定

2.3.1 實驗用粉塵

由于實驗設備來自某濾袋企業,其長期使用我國國家標準規定的氧化鋁粉塵為實驗用粉塵。且由于氧化鋁粉塵的主要成分為Al2O3,粒徑5.5 μm以下的占50%左右,基本符合空氣濾清器實驗規范中的要求。因此,在本實驗中選用我國國家標準規定的氧化鋁粉塵為實驗用粉塵。

2.3.2 實驗參數

首先,在實驗灰塵濃度的選擇方面,工業空氣濾清器標準規定單級空濾形式的實驗粉塵濃度為1 g/m3。但是同時考慮到測試時間、測試裝置的測試精度以及相關的測試慣性,將實驗粉塵濃度調整為工業除塵濾袋標準規定的5 g/m3。

在流速方面,考慮到紙張的物理指標及參考平時在測試濾紙容塵性能時的條件,將通過測試樣的含灰氣體流量控制在1.85 m3/h,測試氣體流速為3 cm/s。

噴吹氣體壓力方面,考慮到紙張的耐破度多數在200～300 kPa之間,因此選擇較為安全的200 kPa作為實驗參數。

2.3.3 實驗流程

自潔式過濾設備的自潔控制方式一般包括3種：①定時定位,可任意設定間隔時間和自潔時間；②壓差自潔,當壓差超過指標時,進入自動連續自潔；③手動清潔,當電控箱不工作或粉塵較多時,采用手動方式確定。

由于兩個測試樣在原料性能方面的差異,可能導致其終點壓差有較大差異,難以預估壓差達到何值時對其進行連續自潔更為有效。因此本實驗采用第一種定時定位的自潔方式進行實驗。其中,間隔時間設定為120 s,噴嘴開啟時間為60 ms,進行10次完整的循環測試。綜上本次實驗的所有參數為：實驗粉塵氧化鋁,通過濾料試樣的總粉塵濃度5 g/m3,通過濾紙的粉塵流量1.85 m3/h,氣艙壓強0.2 MPa,噴吹壓力200 kPa,脈沖間隔時間120 s,噴嘴開啟時間60 ms。

2.4 實驗結果分析

通過實驗,在10次噴吹循環前后分別對樣品A和樣品B的壓差進行了記錄和整理,樣品A和樣品B的阻力變化如表4所示。實驗結果對比如圖4所示。其中樣品A和樣品B的初始阻力P0分別為15.754、6.015 Pa。

圖4 實驗樣品自潔反吹實驗結果對比圖

圖5 樣品A孔徑分布圖

圖6 樣品B孔徑分布圖

從表4結合圖4不難發現,在第1～第3次循環中,反吹前樣品A的阻力增值均比樣品B的阻力增值大。尤其在第1次循環中,樣品A的阻力增加了88.033 Pa,而樣品B的則只增加了29.217 Pa。之前在對樣品A和樣品B的最易穿透粒徑效率測試中,樣品A和樣品B的最易穿透粒徑效率分別為22.9%、23.7%。也就是說在樣品A和樣品B的過濾效率相近、加灰塵條件一致的情況下,前3次循環中樣品B的不粘灰性能更為明顯,體現出了樣品B的低表面能。也就是說在實驗初期過濾階段樣品B的自潔性能要明顯優于樣品A的。

但是隨著實驗的進行,樣品B的阻力增加從第4次循環后逐漸超過樣品A的。并且樣品A的反吹后阻力降值一直都比樣品B的更為明顯,出現該現象的可能原因是樣品B中含有的低表面能纖維直徑比植物纖維大,且纖維間結合力弱。從而導致了樣品B結構中孔徑較大(樣品A孔徑分布如圖5所示,樣品B孔徑分布如圖6所示)。其中樣品A的最大孔徑為40.4809 μm,而主要孔徑分布集中在10～30 μm之間。樣品B的最大孔徑為72.6863 μm,主要孔徑分布則集中在25～45 μm之間。所以在過濾過程中隨著時間的累積,灰塵進入到樣品B的內部,深層過濾占據主導地位,因此難以達到反吹清潔的目的。從而大大削弱了樣品B表面能較低的優勢,未能表現出較好的清灰性能。

3 結 論

本實驗對兩種擁有不同表面能的空氣濾清器濾材自潔性能進行了檢測。結果表明,在初期過濾階段,相比100%植物纖維制備的濾材,含有60%低表面能纖維的濾材的不粘灰性能明顯。在深層過濾階段,濾材孔徑會影響濾材的自潔反吹性能。借鑒工業除塵濾料的檢測方法,通過實驗參數的修改和調整,一定程度上可以對濾清器自潔式濾料的自潔反吹性能做出評價。

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(責任編輯：董鳳霞)

Study on the Dust Cleaning Performance of Air Filter Material

ZHAO Chen WANG Yi*ZENG Jing-shan

(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640)

(*E-mail: wangyi@scut.edu.cn)

In this paper, the test methods for dust cleaning performance of air filter material was studied by referring to the standards of dust cleaning test methods in the field of industrial dust filter bag, in order to establish the methods for testing the dust cleaning performance of air filter material, which is used in internal combustion engine. The results showed that the surface properties of air filter material affected its dust cleaning performance. Air filter material with low surface energy showed better dust cleaning performance when surface filtration is dominated.

air filter material; dust cleaning performance; low surface property

趙 晨先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：造紙技術與特種紙。

2016- 05-10(修改稿)

TS762.9

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.09.007

*通信作者：王 宜先生，E-mail:wangyi@scut.edu.cn。