清灰方式對纖維束過濾器除塵性能的影響

房 杰，亓海燕，劉新波

(山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 萊蕪，271199)

常規微細粒顆粒物凈化器多為編織纖維過濾器，即依靠纖維編織的高效濾網脫除空氣中的顆粒物，但是濾網不易重復利用，并且壓降較大、能耗高[1]。纖維束過濾器能夠依賴摩擦靜電吸附作用凈化微細顆粒物，具有壓降低、清灰簡單易于循環使用的優點，在可吸入顆粒物的凈化方面具有潛在的應用價值。Park和Li等[2-3]研究了聚丙烯纖維束過濾器的除塵性能，結果表明：纖維束過濾器對亞微米級氣溶膠具有較高的過濾效率，并且其壓降明顯低于具有相同捕獲效率的傳統機械過濾器。有效的清灰是除塵器高效運行的保障，清灰方式的優劣可能會影響除塵器的除塵效率[4]，其中電除塵器的主要清灰方式包括機械清灰、濕式清灰和聲波清灰[5],袋式除塵器的清灰方式主要有行噴吹清灰、回轉噴吹清灰和機械清灰三種[6]，但是國內外對纖維束除塵器的清灰方式研究報道甚少。

為了考察纖維束過濾器清灰后性能的變化情況，本文采用聚丙烯腈纖維束作為濾材，對城市路面揚塵制備的可吸入顆粒物進行了研究。主要考查了清灰對纖維束過濾器除塵效率的影響，為該類型過濾器在空氣凈化領域的應用提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 目標污染物

收集城市路面揚塵，模擬實驗中的可吸入顆粒物，將收集后的路面揚塵經標準篩(0.074 mm)篩分，拋去篩上物；篩下物經立式行星球磨機粉磨90 min；將粉磨后的粉塵混勻、縮分成每份500 g后放在100 ℃的電熱鼓風干燥箱內干燥5 h，取出放入干燥器內備用。

對處理后的路面揚塵用空氣動力學粒徑譜儀進行粒度分析，圖1為其動力學粒徑分布圖。從圖中可以得出，顆粒物的粒度范圍為0.1～17 μm，其中空氣動力學直徑小于10 μm的顆粒占總顆粒數的93%，屬于可吸入顆粒物。

圖1 試驗顆粒物粒徑分布Fig.1 The size distributions of experimental particles

將處理后的路面揚塵進行XRD分析，結果如圖2。從XRD圖中可以得出，路面揚塵的礦物組成主要為二氧化硅(SiO2)和鈉長石(NaAlSi3O8)。

圖2 試驗顆粒物的XRD圖Fig.2 XRD patterns of the experimental particles

1.2 纖維束

纖維束作為凈化系統中的過濾單元，起到吸附去除可吸入顆粒物的作用。本實驗中采用聚丙烯腈纖維制成長度 12 cm 的纖維束，研究纖維束清灰后其除塵性能的變化。

1.3 實驗裝置及方法

1.3.1 實驗裝置

測試裝置如圖 3 所示，路面揚塵或對比顆粒物由給料機進行均勻給料，然后顆粒物進入中壓鼓風機，在氣流的作用下進入管道，含塵氣流經過纖維束過濾單元后，最終排出管道，在過濾單元上下兩端分別存在一個取樣口，用于測定過濾單元兩端顆粒物濃度及壓降的變化情況。

圖3 用于測試纖維束性能的實驗系統示意圖Fig.3 Schematic of the experimental system for testing the performance of a fiber bundle

1.3.2 除塵效率的測定

用自動煙塵/煙氣分析儀測量纖維束過濾單元前后兩端顆粒物的濃度。纖維束除塵效率η按式(1)計算：

(1)

式中：C進—纖維束進口顆粒物質量濃度(g/m3)；C出—纖維束出口顆粒物質量濃度(g/m3)。

1.3.3 掃描電鏡測試

選取試驗前后纖維束，將其剪成2 mm長的試樣，將試樣烘干恒重后粘在載片上，在表面噴金，然后放入掃描電鏡，觀測纖維束的表面結構。

2 結果與討論

為了驗證纖維束過濾器是否具有重復使用的特點，本文選取自來水，自來水+洗滌劑，強吹風三種清灰方式探討纖維束的除塵效率，分析清灰方式對纖維束過濾器除塵性能的影響。

2.1 不同清灰方式對纖維束除塵效率的影響

圖4為不同清灰方式對纖維束除塵效率的影響規律，圖中空白樣品為聚丙烯腈纖維束在風速1.0 m/s、纖維束入口顆粒物濃度0.58 g/m3、填充率1.06%下的除塵效率，其余三組試驗分別取此條件試驗后的纖維束進行清灰處理。從圖中可以看出，不同清灰方式下，纖維束除塵效率較空白樣均降低，說明不同清灰方式對纖維束除塵效率都有影響。空白樣品的除塵效率范圍在72%～86%，用自來水清洗后的纖維束除塵效率范圍為70%～84%，自來水+洗滌劑體系處理后的纖維束除塵效率在71%～85%，強吹風處理后的纖維束除塵效率為67%～77%，其最大除塵效率較其余兩組減少了8%左右，而其余兩組的除塵效率相似，與空白樣的除塵效率差別不大。因此，強風體系對纖維束的除塵效率影響較大，這是因為纖維束表面仍殘留一部分顆粒物，未清灰干凈，其余兩組體系，纖維束表面清灰較干凈，見圖5；其次強風系統對實驗中纖維束造成一定的損耗，見表1。

圖4 不同清灰方式下纖維束過濾器的除塵效率Fig.4 Dust removal efficiency of fiber bundle filter under different cleaning methods

清灰方式自來水自來水+洗滌劑強吹風質量損耗△m(g)0.100.120.46

圖5 不同清灰方式后纖維束的SEM圖，(a)清水，(b)清水+洗滌劑，(c)強吹風Fig.5 The SEM images of fiber bundles after different cleaning methods, (a)water，(b) water+ Detergent，(c)Strong wind

2.2 不同清灰次數對纖維束除塵效率的影響

由上述數據可得，強吹風體系并不適合纖維束的清灰，選取自來水、自來水+洗滌劑系統進行多次清洗，驗證纖維束多次清洗后除塵效率的變化，在風速1.0 m/s、纖維束入口顆粒物濃度為0.58 g/m3、填充率1.06%條件下進行試驗。

圖6為第二次清洗后纖維束除塵效率的變化結果，圖中空白樣品為聚丙烯腈纖維束在最佳條件下的除塵效率，其余兩組試驗分別選取各自清洗第一次后的纖維束進行清灰處理。從圖中可以看出自來水系統第二次清洗后除塵效率的范圍為68%～83%，自來水+洗滌劑系統第二次清洗后除塵效率范圍在70%～84%，較第一次清洗后最大效率下降1%左右，清灰次數對纖維束除塵效率基本無影響，這是因為纖維束表面清灰效果明顯，見圖7。

圖6 第二次清灰后纖維束除塵效率Fig.6 Dust removal efficiency of fiber bundle after second cleaning

圖7 第二次清灰后纖維束的SEM圖，(a)清水，(b)清水+洗滌劑 Fig.7 The SEM images of fiber bundles after second cleaning, (a)water，(b) water+ Detergent

圖8為第三次清洗后纖維束除塵效率的變化結果，圖中空白樣品為聚丙烯腈纖維束在風速1.0 m/s、纖維束入口顆粒物濃度為0.58 g/m3、填充率1.06%下的除塵效率，其余兩組試驗分別選取各自清洗第二次后的纖維束進行清灰處理。從圖中可以看出自來水系統第二次清洗后除塵效率的范圍為68%～82%，自來水+洗滌劑系統第二次清洗后除塵效率范圍在70%～84%，清灰次數對纖維束除塵效率基本無影響，這是因為纖維束表面清灰效果明顯，見圖9。

圖8 第三次清洗后纖維束除塵效率的變化Fig.8 Dust removal efficiency of fiber bundle after third cleaning

圖9 第三次清灰后纖維束的SEM圖，(a)清水，(b)清水+洗滌劑Fig.9 The SEM images of fiber bundles after third cleaning, (a)water，(b) water+ Detergent

3 結論

(1)纖維束清灰方式宜采用自來水+洗滌劑清洗，效率變化趨勢較小；強吹風體系不適合纖維束的清灰。

(2)清洗次數對纖維束除塵效率影響不大，纖維束過濾單元可以多次重復使用。