塑燒板與濾筒除塵器收集黏附性粉體性能對比

張明星1,， 黃 梅， 李 楊， 吳建新1， 李佩悅1， 顏翠平， 陳海焱

（1. 蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院浮法玻璃新技術(shù)國家重點實驗室， 安徽蚌埠340300；2.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室， 四川綿陽621010）

袋式除塵器利用纖維性的濾袋對粉塵進行捕集，適應(yīng)性強，屬于傳統(tǒng)高效除塵器[1-2]，但是，在工業(yè)使用中發(fā)現(xiàn)濾袋的過濾面積較小，設(shè)備占地面積大，于是提出一種褶皺式濾筒，褶皺形狀提高過濾面積，保證過濾效率[3-4]。纖維性的濾袋在工業(yè)使用過程中存在2個不容忽視的問題：一是濾料的表面會逐漸粗糙， 纖維掉落， 導(dǎo)致粉體收集的純度降低； 二是除塵器過濾時粉體會透過濾料逃逸[5]， 導(dǎo)致排放濃度增加。柔性濾料在使用中容易變形破損，使用壽命短[6-7]，收集潮解、黏附性粉體時濾料糊袋造成除塵器堵塞[8]。目前，對耗損濾袋的處理是焚燒填埋，污染環(huán)境，頻繁更換濾袋也使經(jīng)濟成本增加。

與傳統(tǒng)濾袋材質(zhì)不同， 塑燒板是由特殊的高分子復(fù)合材料， 經(jīng)過篩選相容性配對， 再由特殊的高溫爐燒結(jié)而成， 成型后的基體具有全貫通的微米級微孔， 這些微孔只容氣體通過， 微顆粒粉塵被攔截在其表面， 達到除塵過濾效果。 塑燒板除塵器具有除塵效率高、 壓力損失穩(wěn)定、 清灰效果好、 強耐濕性、 耐高溫、 使用壽命長、 占地面積小等特點，對于粒徑大于1 μm粉塵的捕集效率高達99.99%，粉塵排放質(zhì)量濃度小于1 mg/m3，能實現(xiàn)超低排放[9]。同時，在塑燒板的表層，覆蓋有增強型的聚四氟乙烯（poly tetra fluoroethylene，PTFE）樹脂膜，這種樹脂膜具有極強的自清潔功能，有效防止工作時的粉塵粘結(jié)，并可利用脈沖噴吹技術(shù)進行自動清灰，保持穩(wěn)固的風(fēng)阻損失[10-12]。這種特殊的覆膜材料使得塑燒板表面光滑，能有效收集吸水性黏附粉體[13-15]。因為塑燒板的剛性結(jié)構(gòu)，消除了纖維織物濾袋因骨架磨損引起的壽命問題，附著在板上的粉塵成塊狀豎直掉落的，所以不會發(fā)生由形變帶來二次揚塵。它的使用壽命是布袋的10倍以上，另外，濾板無需維護與保養(yǎng)。即使濾板損壞，也可用特殊的膠水重新粘合后繼續(xù)使用，不會受到絲毫影響。塑燒板的結(jié)構(gòu)形狀一般為長方形，過濾部位為波浪形板式結(jié)構(gòu)，設(shè)計成波浪形是為增大其除塵過濾有效面積。基于以上特性，塑燒板多用于貴重粉質(zhì)的回收以及高濕煙塵等特殊作業(yè)場所[16-17]。由于其價格昂貴，工業(yè)穩(wěn)定運行參數(shù)尚未明確，因此其使用性能有待探索。

國內(nèi)文獻中有學(xué)者通過物理實驗和數(shù)值模擬對塑燒板的材料結(jié)構(gòu)特征、 清灰性能等做了研究，劉鵬[18]通過對塑燒板數(shù)值模擬表明， 噴射間距（X）、噴嘴直徑（d）、脈沖壓力（P）的最優(yōu)組合值為66 mm、 8 mm、 0.6 MPa；蔡龍[19]指出塑燒板除塵器擁有更低的粉塵出口質(zhì)量濃度（≤1 mg/m3），除塵設(shè)備阻力非常穩(wěn)定，壓力損失幾乎保持不變。李建[20]采用正交試驗法對常用的直徑為325mm，高為660 mm 規(guī)格的濾筒進行脈沖噴吹實驗，得到最佳清灰參數(shù)： 噴吹距離為512 mm， 噴吹壓力為0.6 MPa， 噴吹孔徑為20 mm， 脈沖寬度為0.08 s。目前，塑燒板和濾筒除塵器在收集吸水黏附性粉體的性能差異還未得知，若塑燒板除塵器處理高含水、 含油量粉塵效果很好，將能夠解決傳統(tǒng)濾袋在收集此類粉體時發(fā)生糊袋、 破損造成環(huán)境污染和資源浪費的問題，故此，自主搭建濾筒除塵器和塑燒板除塵器實驗平臺，以除塵器阻力、 粉塵排放濃度作為評價清灰效果指標(biāo)，探究塑燒板除塵器和濾筒除塵器收集黏附性粉體的性能。

1 實驗

1.1 實驗平臺

除塵器實驗平臺如圖1所示，其中1（a）為濾筒除塵器，容納6個尺寸為130 mm×1 000 mm褶皺式濾筒；1（b）為塑燒板除塵器，容納4個尺寸為560 mm×52 mm×1 200 mm塑燒板。2個實驗平臺除過濾介質(zhì)不同外其他條件相同，由供氣設(shè)備、 除塵器箱體、 噴吹裝置、進料裝置組成。其中，供氣設(shè)備包括WW-0.9/10B-Q型全無潤滑空氣壓縮機、 HAD-1SNF型冷凍式干燥機、 減壓閥以及氣包； 噴吹裝置由型號為DMF-Z-20的直角型脈沖閥、 SXC-8A1脈沖控制儀、 4根DN25型噴吹管（每根噴吹管開9個孔，孔徑為6 mm）；進料裝置包括振動下料機、 下料漏斗以及電控器。另外，選用2個風(fēng)機并聯(lián)以滿足設(shè)計過濾風(fēng)速需求，漩渦氣泵式風(fēng)機型號 XFC-7500（最大處理風(fēng)量為520 m3/h）、 RingBlowerRB100型環(huán)形鼓風(fēng)機（最大處理風(fēng)量為630 m3/h）。通過稱取粉塵質(zhì)量，控制下料速度以控制進料口粉塵質(zhì)量濃度，在進行粉塵收集全過程中對其除塵器阻力、 粉塵排放質(zhì)量濃度以及風(fēng)機出口風(fēng)速進行檢測與記錄。其他實驗儀器有稱重儀、 風(fēng)速儀、 粉塵質(zhì)量濃度儀和U型管。8533EP環(huán)境監(jiān)測儀器可同時測量5個不同粒徑段的質(zhì)量濃度分布，分別有PM1、 PM2.5、 PM4、 PM10，測量的質(zhì)量濃度值為0.001～150 mg/m3，將粉塵排放質(zhì)量濃度儀放于風(fēng)機出口進行監(jiān)控，可實時觀察每秒的粉塵排放質(zhì)量濃度，每隔 5 s系統(tǒng)自動儲存一組數(shù)據(jù)。

1.2 實驗設(shè)計

（a）濾筒

（b）塑燒板

實驗選用高嶺土粉體和勃姆石粉體進行工業(yè)覆粉，2種粉體的部分參數(shù)對比如表1所示。從顆粒粒徑來看，實驗選用的2種粉體粒徑都非常小， 勃姆石粉體屬于超細(xì)粉體， 顆粒粒徑越小， 其比表面積越大， 越容易發(fā)生顆粒團聚現(xiàn)象， 造成顆粒間的黏附作用越強，并且超細(xì)粉體顆粒更易穿過濾料發(fā)生逃逸， 使得粉塵排放質(zhì)量濃度增加； 從實驗前后高嶺土、 勃姆石的含水率來看， 高嶺土相比勃姆石更易吸水， 因此高嶺土粉體的液橋力較大； 比較2種粉體的安息角， 高嶺土粉體屬于中等流動性，勃姆石粉體的流動性較差， 說明勃姆石粉體附著在物體表面不易流動， 勃姆石粉體的黏附性更強。 綜上所述， 高嶺土粉體所受的黏附力包括負(fù)壓力、 液橋力、 范德華力， 勃姆石粉體所受的黏附力包括負(fù)壓力、 液橋力（小于高嶺土）、 范德華力以及弱流動性引起的黏附力， 因此， 2種粉體都擁有一定強度的黏附作用力， 屬于黏附性粉體。

表1 2種粉體的部分參數(shù)對比

為了保證實驗的可對比性，在保證其他實驗條件相同的情況下，分別將褶皺濾筒（A組）和塑燒板（B組）安裝到除塵器箱體中，分別對高嶺土粉體和勃姆石粉體進行粉塵收集的模擬實驗，實驗參數(shù)條件如表2所示，在表中參數(shù)下分別進行A、 B組實驗（A1、 A2、 A3、 A4、 B1、 B2、 B3、 B4），例如A1表示在濾筒除塵器實驗平臺上，以過濾風(fēng)速為0.8 m/min，粉塵質(zhì)量濃度為45 g/m3，噴吹壓力0.4 MPa和脈沖間隔10 s的條件下進行高嶺土粉體收集的模擬實驗。

表2 實驗參數(shù)

在A、 B組實驗中固定的參數(shù)值包括： 脈沖寬度為0.08 s， 4支噴吹孔徑為6 mm的噴吹管， 噴吹距離為45 mm， DMF-Z-20直角式脈沖閥。 實驗中隨清灰效果改變的噴吹參數(shù)包括： 初始噴吹壓力為0.4 MPa， 初始脈沖間隔為10 s。若除塵器阻力較大即清灰效果不好時則考慮增加噴吹壓力，若除塵器阻力穩(wěn)定則考慮增加脈沖間隔以節(jié)約能源。

以A1組實驗為例， 實驗前按圖1所示將實驗儀器鏈接， 檢驗各儀器示數(shù)是否正常。 打開引風(fēng)機， 記錄U型管初始讀數(shù)。 調(diào)節(jié)參數(shù)包括： 脈沖寬度為0.08 s， 脈沖間隔為10 s， 脈沖周期為0， 脈沖回路為4， 氣包脈沖壓力為0.4 MPa。 調(diào)節(jié)風(fēng)機變頻器和振動加料機以滿足A1組實驗設(shè)計的過濾風(fēng)速與粉塵濃度值， 每組實驗重復(fù)5次， 每次進行50 min， 每隔5 min讀取1次U型管壓力示數(shù)以及2個風(fēng)機出口風(fēng)速儀的測量示數(shù)， 每組實驗結(jié)束后， 立即保存引風(fēng)機出口粉塵排放濃度示數(shù)。 取5次實驗結(jié)果的平均值進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 除塵器系統(tǒng)阻力對比分析

（a）高嶺土粉體

（b）勃姆石粉體

濾筒除塵器、塑燒板除塵器收集高嶺土和勃姆石粉體的系統(tǒng)阻力隨時間的變化如圖2所示。由圖可知，塑燒板除塵器在收集高嶺土和勃姆石粉體時的系統(tǒng)阻力比濾筒除塵器的小且穩(wěn)定，其值穩(wěn)定在340～520 Pa之間，而褶皺式濾筒在收集這2種黏附性粉體時，系統(tǒng)阻力隨實驗時間增加不斷增大，很難達到穩(wěn)定。

褶皺式濾筒在收集高嶺土粉體時，除塵器阻力會持續(xù)增大。濾筒2組實驗過濾風(fēng)速為1.0 m/min時，在15 min內(nèi)系統(tǒng)阻力直線增加至6 kPa左右，濾筒1組實驗在0.8 m/min過濾風(fēng)速下，30 min時系統(tǒng)阻力也到達6 kPa，濾筒1、 2組實驗都提前終止，說明高嶺土粉體的吸水黏附性質(zhì)在褶皺濾筒上的體現(xiàn)較突出。另外，濾筒除塵器在收集勃姆石粉體時的系統(tǒng)阻力增加較高嶺土粉體緩慢。由濾筒4組實驗折線圖可以看出，除塵器阻力在實驗進行到50 min時開始突增，表示清灰失效。而濾筒3組的折線圖顯示，濾筒除塵器在收集勃姆石粉體的系統(tǒng)阻力值逐漸增大，且實驗至75 min時仍未達到平衡，這是因為濾筒4組的過濾風(fēng)速比濾筒3組的大，濾筒3組的阻力值后期增大較快，勃姆石粉體較差的流動黏附性在濾筒上的表現(xiàn)較塑燒板突出。

濾筒覆粉實驗結(jié)束后，將濾筒取出拍照、 清灰、 稱量。結(jié)果表明，高嶺土粉體和勃姆石粉體在褶皺式濾筒上的黏附情況都較嚴(yán)重，圖3為褶皺濾筒的粉塵殘余情況圖。由圖可知，1—4組的粉塵殘余量依次為1.9、 2.21、 0.82、 2.38 kg，其大小與系統(tǒng)阻力相對應(yīng)。從單位時間黏附的粉體量來看，高嶺土粉體對濾筒的黏附作用力比勃姆石粉體大。綜上所述，濾筒除塵器對高嶺土、 勃姆石粉體的收集都出現(xiàn)了不同程度的糊袋現(xiàn)象，其中對吸水性相對強的高嶺土粉體收集更困難，而塑燒板除塵器對高嶺土、 勃姆石粉體的清灰效果明顯好于濾筒除塵器。

（a）高嶺土

（b）勃姆石

圖4為塑燒板正面和側(cè)面的粉塵殘留情況圖。由圖可知，在塑燒板除塵器穩(wěn)定運行的條件下，其濾板表面所附著的粉體較少，清灰過程中塑燒板褶皺縫隙沒有明顯的卡粉現(xiàn)象，濾板各個部位粉體附著情況與脈沖清灰后的都比較均勻，不存在清灰困難的區(qū)域。

（a）正面

（b）側(cè)面

綜上所述，對比濾筒除塵器對高嶺土和勃姆石粉體的過濾清灰效果，塑燒板除塵器具有較小且穩(wěn)定的系統(tǒng)阻力；濾筒除塵器收集高嶺土粉體阻力增大比勃姆石快，塑燒板除塵器收集勃姆石粉體的穩(wěn)定阻力大于高嶺土；塑燒板除塵器能有效解決濾筒除塵器在收集黏附性粉體時粉體黏結(jié)，除塵器堵塞以及濾料糊袋等系列清灰困難的問題。

2.2 粉塵排放質(zhì)量濃度對比分析

圖5為不同濾料除塵器收集2種粉體的排放質(zhì)量濃度對比。由圖可以看出，濾筒除塵器的排放濃度值波動較大，塑燒板除塵器的數(shù)據(jù)則非常平穩(wěn)。其中濾筒除塵器1—4組實驗的平均粉塵排放質(zhì)量濃度分別為1.61、 5.02、 1.19、 1.34 mg/m3，數(shù)據(jù)均大于1 mg/m3；對應(yīng)的塑燒板除塵器的平均排放質(zhì)量濃度分別為0.155、 0.157、 0.186、 0.212 mg/m3，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 mg/m3。由此表明，塑燒板除塵器能實現(xiàn)超低排放的目標(biāo)。

濾筒除塵器在收集高嶺土粉體時粉塵排放質(zhì)量濃度逐漸增大， 由除塵器系統(tǒng)阻力分析可知， 濾筒1、 2組實驗都出現(xiàn)系統(tǒng)阻力不斷增加直至除塵器不能運行， 對應(yīng)最高排放質(zhì)量濃度分別達到了14.9、 29.3 mg/m3， 均超過了一般車間最高粉塵質(zhì)量濃度允許值（10 mg/m3）。 在塑燒板除塵器收集高嶺土粉體的這2組實驗中， 除塵器運行穩(wěn)定， 系統(tǒng)阻力值較低且平穩(wěn)， 對應(yīng)的除塵器平均排放質(zhì)量濃度分別為0.157、 0.155 mg/m3， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濾筒除塵器。

（a）高嶺土

（b）勃姆石

濾筒除塵器在收集勃姆石粉體時，除塵器平均排放質(zhì)量濃度分別為1.19、 1.34 mg/m3，粉塵排放質(zhì)量濃度在實驗前期波動較大， 3、 4組參數(shù)下的實驗在濾筒非常潔凈的基礎(chǔ)上進行，加上本文中選用的濾筒是廠里使用過的非全新濾筒，表面存在一定程度的細(xì)微磨損，破壞了濾筒表面的覆膜。濾筒需要先形成粉塵初塵后才能使清灰效果增加，在此期間的初塵效率相對較低。對應(yīng)實驗前期較高的粉塵排放質(zhì)量濃度，當(dāng)濾筒表面的粉塵層較穩(wěn)定后，粉塵排放質(zhì)量濃度有所下降。從收集勃姆石粉體的800～1 000 s時間區(qū)間粉塵排放質(zhì)量濃度放大圖可以看出， 濾筒3、 4組的值在1.0 mg/m3上下波動，對比塑燒板3、 4組可發(fā)現(xiàn)塑燒板除塵器的排放質(zhì)量濃度非常穩(wěn)定，這與塑燒板的剛性結(jié)構(gòu)有關(guān)，在脈沖噴吹時，塑燒板未發(fā)生膨脹變形，因此不會出現(xiàn)排放質(zhì)量濃度突增導(dǎo)致除塵器運行不穩(wěn)定的問題，顯示出塑燒板除塵器在粉塵排放質(zhì)量濃度穩(wěn)定性的優(yōu)勢。

綜上所述，對比濾筒除塵器對高嶺土和勃姆石粉體收集過程的排放質(zhì)量濃度，塑燒板除塵器具有超低且穩(wěn)定的粉塵排放質(zhì)量濃度，既能有效收集黏附性超細(xì)粉體，又能實現(xiàn)超低排放。

3 結(jié)論

通過對濾筒和塑燒板這2種除塵器收集黏附性粉體時的系統(tǒng)阻力和粉塵排放質(zhì)量濃度進行對比分析， 得出以下結(jié)論： 塑燒板除塵器在收集高嶺土和勃姆石粉體時， 設(shè)備穩(wěn)定阻力值的范圍分別為155～520、 325～500 Pa， 粉塵排放質(zhì)量濃度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 mg/m3， 能實現(xiàn)超低排放。 濾筒除塵器收集高嶺土粉體30 min內(nèi)阻力增大至6 kPa， 收集勃姆石粉體70 min也未能達到穩(wěn)定， 排放質(zhì)量濃度最大可達29.3 mg/m3。 由此可見， 塑燒板除塵器能解決濾筒除塵器收集黏附性粉體清灰困難的問題。