覆膜濾料過濾性能分析*

張倩 劉志強 柳靜獻 毛寧 林秀麗

(東北大學 沈陽110004)

0 引言

20世紀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合而成[1-2]。覆膜濾料不僅可以高效過濾微細粒子，而且可以保證設備阻力長期穩定運行，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性能和熱穩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濾料用于電力行業袋式除塵器，非常具有市場前景。劉鋒等[8]對比了玻纖復合氈覆膜濾料和玻纖復合氈濾料得出，在過濾效率、濾料壽命、運行阻力等方面，玻纖復合氈覆膜濾料都要更加優越，可以降低炭黑生產的煙塵排放, 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，隨著我國環保要求的日趨嚴格，顆粒物排放標準提高。為實現達標排放，濾料產品變得多樣化，出現了多種覆膜濾料。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種覆膜濾料對微細粒子的捕集效率和動態過濾性能參數，系統地從全塵效率、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用提供指導，也為覆膜濾料產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、玻纖復合氈覆膜濾料、玻纖布覆膜濾料。濾料的具體參數見表1，濾料結構電鏡掃描如圖1所示。

表1 濾料基本特征參數

(a)芳綸覆膜濾料

1.2 實驗過程

1.2.1 靜態過濾實驗

通過靜態過濾實驗，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粒徑的細顆粒物的計數效率。靜態過濾的裝置如圖2所示。

圖2 靜態過濾實驗裝置

計數效率實驗中, 用TSI 9306粒子計數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，調節流量計到指定流量，待流量穩定后，用粒子激光計數器分別在上游和下游取樣(靠近集流器一側為上游，遠離集流器一側為下游)每次采樣取5組數據，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 動態過濾實驗

通過動態過濾實驗，研究4種覆膜濾料樣品在清潔階段和穩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。動態過濾的裝置如圖3所示。

圖3 動態過濾實驗裝置

動態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。過濾風速為3 m/min，入口粉塵質量濃度為5 g/m3。將采樣濾紙放入濾料夾具內，調整發塵器的轉速使發塵量在實驗風速下達到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, 濾料兩側的壓差增大, 當壓差達到一定數值時, 系統控制脈沖閥開啟, 高壓空氣從凈氣側噴出, 粉塵層在高壓氣體作用下脫落。

(a)粒徑分布

在清潔階段，當濾料兩側的壓差達到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。穩定階段的測試過程和潔凈階段的一致，定壓噴吹30次。穩定階段是濾料在工作現場使用時的常用工作狀態。實驗裝置是東北大學濾料檢測中心研發的符合《袋式除塵器技術要求》(GB/T 6719—2009)[13]的濾料動態性能測試實驗裝置。

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質量濃度進行監測，在清潔階段和穩定階段的每個周期內用儀器監測PM2.5質量濃度，設置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 實驗結果及分析

2.1 計數效率實驗

4種不同濾料在1、2 m/min風速下的計數效率如圖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)風速1 m/min

2.2 動態過濾實驗

(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。經過20個周期后，粉塵在膜內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。噴吹次數是5次時，濾料的清灰周期相差在15 min之內，而到20個噴吹周期以后，濾料的清灰周期相差在5 min之內，即隨著噴吹次數的進行，清灰周期趨于穩定。

4種覆膜濾料穩定階段的清灰周期隨噴吹次數的變化如圖6(b)所示，從圖中可以看出，穩定階段的過濾周期隨著噴吹次數的增加而減少。相比較清潔階段濾料的噴吹周期，穩定階段4種覆膜濾料噴吹周期比較接近，這是因為穩定階段的濾料內部充滿粉塵顆粒物，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定階段的殘余阻力變化如圖7所示。設阻力增長率等于某噴吹次數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的變化，對圖7中的數據進行了擬合。通過曲線擬合給出特定的函數，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律。從圖7(a)中可以看出，隨著噴吹次數的增加，4種濾料的殘余阻力越來越高，先快速增長，后增速緩慢。因為進入內部的顆粒物經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，導致濾料初始阻力大，但是粉塵不易進入濾料內部對濾料造成嚴重堵塞，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、纖維直徑等參數接近，阻力增長速率也趨于一致，阻力增長速度高；玻纖復合氈為針刺濾料，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，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。說明穩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性不大。結合粉塵剝離率分析，經過清潔階段和穩定階段的濾料表面會形成一層薄薄的粉塵層，所以在穩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，且到了穩定階段后，4種濾料的粉塵剝離率偏差很小，基本趨于穩定。

表2 濾料部分參數實驗結果 %

(a)全塵效率

(4)PM2.5質量濃度變化

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

(a)芳綸覆膜濾料

3 結論

(1)潔凈濾料的計數效率測試結果表明，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勢。而玻纖布覆膜濾料在穩定階段的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，穩定階段殘余阻力增長率低，且穩定階段4種覆膜濾料的阻力增長率基本接近，相差均在5%以內，說明穩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種覆膜濾料穩定階段粉塵剝離率均高于清潔階段。在穩定階段，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定階段濾料粉塵剝離率的影響較小。