预涂层技术对滤料除尘性能的改进特性研究

马德刚，郑琪琪，林伟强，郭铭玉

（1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 天津市市政工程设计研究院，天津 300051）

预涂层技术对滤料除尘性能的改进特性研究

马德刚1，郑琪琪1，林伟强2，郭铭玉1

（1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 天津市市政工程设计研究院，天津 300051）

普通针刺滤料在除尘器工作初期对粉尘的捕集效率较低，无法实现对细颗粒物的有效去除.为了提高其在工作初期的去除效率，以TPU颗粒作为预涂层颗粒，对普通针刺滤料进行预涂层处理，并通过滤料过滤性能实验装置对经过预涂层处理的滤料的除尘效率、压差等过滤性能进行实验研究.结果表明：TPU作为预涂层颗粒对滤料表面进行涂层，可以有效地改进普通针刺滤料的过滤性能，特别地，当预涂层厚度 L=0.4 mm时，普通针刺滤料工作初期对粉尘的捕集效率得到明显提升；虽然经过处理的滤料初阻力上升约200 Pa，但是能够有效地阻止粉尘进入滤料内部，防止滤料堵塞，使滤料的残余阻力能够保持相对稳定的状态，可以有效地延长滤料的使用寿命.

袋式除尘器；预涂层技术；滤料；去除率；压差

现阶段，我国正处于工业化中后期，工业污染占总污染的70%，以上，大气环境面临严重的威胁.相关研究表明［1］，引起雾霾天气的可吸入颗粒物 PM10，尤其是 PM2.5上附着大量有害化学物质，长期暴露其中会增加肺部、呼吸道以及心脑血管方面疾病的发病率，严重影响身体健康.国家加大雾霾治理力度，不断提高标准要求，同时“两会”的关注，使雾霾治理处于举足轻重的地位.在多种除尘方法中，袋式除尘器在宽阔的粒径范围具有稳定高效的除尘效果，并对PM2.5也有很高的去除效率，使其成为治理工业生产过程中大气颗粒污染物排放的主要除尘设备［2］.

袋式除尘器主要依靠滤料本身以及被截留在滤料表面的粉尘层实现对粉尘的捕集.但是由于普通针刺滤料在除尘器工作初期没有形成稳定的粉尘初层，对粉尘的去除效率较低，并且无法实现对细颗粒物的有效去除，远远低于排放标准.随着过滤的进行，最初与普通过滤针刺材料接触的粉尘会滞留在滤料迎尘面形成粉尘初层，使滤料孔径率减少、过滤效率提高，但是粉尘会顺着气流不断地渗透进滤料，导致滤料运行阻力不断上升、总体能耗增加、系统处理风量下降，并导致滤袋的工作寿命大大缩短［3］.

预涂层技术是在普通针刺滤料表面人工预涂一层特定粒径的粉剂，使滤料在未投入使用之前就形成稳定的粉尘初层，从而达到较高的除尘效率［4］；同时，经过预涂层处理的滤料能够有效地阻止细颗粒物进入滤料内部，防止滤料堵塞，使滤料的运行阻力保持相对稳定的状态，从而延长滤料的寿命.本文拟对涤纶普通针刺过滤毡进行预涂层处理，验证预涂层滤料能够大大提高滤料在投入使用初期的效率；并研究其在涂附不同厚度的预涂层颗粒条件下的除尘效率以及压差特性，选出最优的预涂层厚度.

1　实验部分

1.1实验材料

滤料为某厂家生产的涤纶普通针刺过滤毡.预涂层颗粒选用德国某公司生产的热塑性聚氨酯弹性体（TPU）颗粒，该颗粒硬度范围宽、机械强度高，并具有耐磨、耐油、耐水、再生利用性好的优点.该TPU颗粒熔点为 180，℃，满足袋式除尘对滤材强力高、耐磨性好、再生利用性好的要求.其基本物理性能如表1所示.

表1　TPU基本物理性能Tab.1 Basic physical property of TPU

实验粉尘采用天津军粮城电站的燃煤飞灰，飞灰的密度为2，500，kg/m3.经过300目标准筛筛滤后，用马尔文粒度仪MASTER SIZER 2000测得飞灰颗粒的粒径分布，如图1所示，飞灰颗粒的中位径为11.076，μm.

图1　飞灰颗粒初始粒径分布Fig.1 Initial size distribution of fly ash

1.2预涂层处理

将 500，g/m3的涤纶普通针刺过滤毡置于平板上，将 TPU颗粒放置在过滤毡上，用刮刀进行刮涂，通过控制涂层刮刀的刀口与针刺过滤材料的距离，使涂层颗粒均匀地分布在整个表面上，确保涂层厚度均匀稳定［5］.再将覆有 TPU颗粒的过滤毡放入烘箱中定温加热一定时间后取出.TPU颗粒在一定温度下发生软化变形，熔融黏附在滤料表面，并且在交错的纤维之间产生不完全的粘连，形成大小不一的微孔，从而改善原有基布表面空隙大的缺陷［6］，有效地阻止粉尘穿透滤料，从而可以改善滤料在投入使用初期过滤效率较低的缺点.

1.3过滤性能实验装置

参考美国 ASTM（American Society for Testing and Materials）标准方法D6830-02以及ISO （International Organization for Standardization）方法 11057［7］搭建滤料过滤性能测试装置，如图2所示.

图2　实验装置示意Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus

实验中气流在真空泵的作用下进入实验系统，并与通过螺旋给料器进入系统的粉尘在过滤管路中混合均匀.大粒径粉尘在重力作用下落入灰斗，未落入灰斗的粉尘随气流进入直径为100，mm的后续管路，经滤料过滤后，再经过绝对过滤器过滤后随气流排出系统.细颗粒物在滤料上不断沉积，滤料两侧压差不断增加，当压差达到一定程度后，脉冲阀开启，气包中经过净化的高压气体由喷嘴高速喷出，将附着在滤料上的粉尘层吹落，然后进行下一个过滤周期.

滤料两侧的数字压差计自动实时记录纤维滤料两侧的压差，通过间隔固定时间读取数字压力计的示数来绘制纤维滤料压差变化曲线.激光粉尘仪可以连续监测经过滤料过滤后的粉尘浓度.脉冲阀的开闭由脉冲控制仪控制，当滤料两侧压差达到1，500，Pa，脉冲阀开闭一次，脉冲宽度可设定，控制在200，ms.实验风量通过调节阀门实现，调节不同风量可以获得不同风速.通过调节螺旋给料机的转动频率，改变单位时间输入系统的粉尘量，达到控制粉尘入口浓度的效果.

1.4实验方法

1.4.1TPU最佳加热温度的确定

将均匀涂覆 TPU颗粒的过滤毡放入 DGG-9246A烘箱，固定时间加热6，min，改变加热温度，通过滤料过滤性能实验装置测定预涂层滤料的过滤初阻力（洁净空气作用下滤料两侧的压降）；并进行脉冲喷吹实验，通过称量实验前后滤料的质量，计算 TPU颗粒的黏附程度，以确定最适加热温度.

1.4.2预涂层滤料过滤性能的测定

通过滤料过滤性能实验装置进行实验，LD-6S多功能激光粉尘仪测定清洁滤料以及不同 TPU厚度（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，mm）预涂层的滤料过滤效率，滤料两侧的压差通过数字压差计实时记录测量.

滤料的厚度计算式为

2　实验结果与分析

2.1加热温度对TPU颗粒预涂层的影响

已知TPU颗粒的软化点为 100，℃，熔点为180，℃.在涤纶普通针刺过滤毡上均匀涂覆 2，g，TPU颗粒，设定加热时间为 6，min，改变加热温度，对滤料进行预涂层处理.经过脉冲喷吹实验，称量实验前后滤料的质量，得到TPU颗粒的黏附程度曲线；过滤阻力随着滤速的增大而呈直线性的递增［8-10］，选定风速为1，m/min，通过滤料过滤性能实验装置测定预涂层滤料的过滤初阻力，实验结果如图3所示.

图3　加热温度对TPU颗粒预涂层的影响Fig.3　Influence of heating temperature on TPU particles precoating layer

从图3（a）可以看出，当加热温度低于120，℃时，随着加热温度的升高，TPU颗粒在滤料表面的黏附程度近乎呈线性增加.当温度升高至 120，℃时，TPU颗粒的黏附程度接近100%，即当滤料经过喷吹实验时几乎无 TPU颗粒脱落.初阻力是正式测试前过滤材料进风口与出风口之间的静压差［11］.由图3（b）可知，当温度低于 125，℃时，滤料的初阻力随加热温度的升高缓慢增加；当温度高于 125，℃时，经过预涂层处理的滤料的初阻力随加热温度的升高呈急剧上升的趋势.这是由于当加热温度较低时，TPU颗粒的熔融程度较小，颗粒处于良好的颗粒状，使得颗粒与颗粒间、颗粒与滤料表面间不完全的粘连形成的孔隙相对较大，所以经过预涂层处理的滤料的初阻力处于相对较低的水平；当加热温度高于125，℃时，由于TPU颗粒的熔融程度较大，颗粒之间的黏结容易堵塞孔隙，初阻力急剧升高.

较低的初阻力可以使滤料保持稳定较长的过滤周期［12］，当加热温度为120，℃时，TPU颗粒的黏附程度接近 100%，同时滤料又具有相对较低的初阻力，初阻力为 90，Pa，所以实验中选取 120，℃作为加热温度对普通涤纶针刺过滤毡进行预涂层处理.

2.2预涂层厚度对滤料过滤效率的影响

为了确定预涂层滤料涂层的最适厚度，在风速为1，m/min、飞灰质量浓度为4，000，mg/m3条件下对滤料进行实验，采用激光粉尘仪对不同厚度涂层滤料过滤后的粉尘质量浓度进行连续监测，直接读取并记录粉尘质量浓度，并对前 250，s的监测数据绘图进行分析，如图4所示.

图4　不同预涂层厚度滤料滤后粉尘总质量浓度变化曲线Fig.4 Changes of total dust mass concentration with different precoating thicknesses

如图4所示，由于涤纶普通针刺毡在过滤初期，针刺过程使滤料具有较大的孔径，部分粉尘颗粒直接穿透滤料［13］，在滤料投入使用初期，过滤后粉尘质量浓度高达 959.25，mg/m3；随着过滤的进行，被截留的粉尘在滤料表面形成粉尘初层，使滤料孔隙率减小，过滤后粉尘的质量浓度逐渐降低至500，mg/m3左右，但是平均过滤效率依然很低，只有80%，左右.而滤料经过表面预涂层后，预涂层颗粒与纤维间、颗粒与颗粒间产生不完全的粘连，形成大小不一的微孔，使经过预涂层处理的滤料的孔隙率大大降低，粉尘颗粒被截留，过滤后的粉尘质量浓度相对较低，特别地当 L=0.5，mm时，滤料工作初期过滤后粉尘质量浓度降至约 300，mg/m3，随着过滤的进行，最后质量浓度稳定在150，mg/m3左右，滤料的平均过滤效率得到极大的提高.

从图4可以看出，经过预涂层处理的滤料降低了过滤后的粉尘质量浓度，并且随着预涂层厚度的增加，滤料投入使用初期的平均过滤效率从 82.14%，逐步提高到 94.85%，滤料对粉尘的捕集效率相对涤纶普通针刺滤料有很大程度的提高，如表2所示.

表2　不同预涂层厚度滤料的平均过滤效率Tab.2　Average filtration efficiencies of filter material with different precoating thicknesses

2.3预涂层厚度对过滤过程的影响

图5为不同预涂层厚度的滤料10个过滤周期的清灰特性曲线，图6显示的是不同预涂层厚度的滤料10个过滤周期的残余阻力变化曲线.实验中过滤速度为 1，m/min，随着过滤的进行，当滤料两侧的压力达到1，500，Pa时进行脉冲清灰操作.

图5　不同预涂层厚度滤料的清灰特性曲线Fig.5 Dust removal characteristic curves of filter material with different precoating thicknesses

由图5可见，涤纶普通针刺毡的清灰周期相对较长，但是随着过滤过程的进行，清灰周期明显减小.这是由于普通滤料在开始使用时阻力一般较低，随着过滤与清灰过程的进行，一些粉尘进入滤料内部，导致其阻力逐渐上升［14］，从而引起周期的变化.经过预涂层处理的滤料清灰周期相对普通滤料有所缩短.特别地，随着预涂层厚度的增加，清灰周期逐渐减小，当预涂层厚度L=0.4，mm和L=0.5，mm时，滤料的孔隙率减小，粉尘不易进入滤料内部堵塞滤料，使滤料在每个过滤周期的过滤过程中阻力上升较为稳定，从而清灰周期趋于稳定，分别保持在2.3，min和0.8，min.

图6　不同预涂层厚度的滤料10个过滤周期的残余阻力Fig.6 Residual resistances of 10 filtration cycles of filter material with different precoating thicknesses

由图5和图6可以看出，随着预涂层厚度的增加，滤料的残余阻力逐渐提高.普通涤纶针刺毡、L=0.1，mm 和 L=0.2，mm的滤料初阻力分别为 48，Pa、65，Pa和 99，Pa，随着过滤的进行，过滤后期残余阻力明显提升，第 10个周期的残余阻力达到了 500，Pa、420，Pa和 360，Pa.这是由于过滤后期部分粉尘进入到滤料内部，导致滤料阻力上升较快［9］.当 L=0.3，mm、L=0.4，mm和L=0.5，mm时，滤料纤维之间的孔隙减小，大部分粉尘被截留在滤料表面，喷吹后期滤料阻力基本不变［9］，滤料的残余阻力基本稳定在255，Pa、300，Pa和 491，Pa.但是当 L=0.5，mm时，滤料的残余阻力较高，会导致系统处理风量下降、系统的总能耗增加，从而导致滤料的工作寿命缩短.

3　结　语

采用预涂层技术，在普通针刺滤料表面涂覆一层TPU颗粒，并通过滤料过滤性能实验装置进行实验，主要研究了其在涂覆不同厚度的预涂层颗粒条件下的除尘效率以及压差特性.实验结果表明，预涂层技术能够有效地提高滤料在投入使用初期对粉尘的捕集效率，并且随着预涂层厚度的增加，对粉尘的捕集效率越高；L=0.4，mm作为最佳的预涂层厚度，使滤料投入使用初期的过滤效率达到 92.95%，并且使滤料的残余阻力能够保持相对稳定的状态.以 TPU颗粒作为预涂层颗粒的预涂层技术，虽然使得经过处理的滤料的过滤阻力有所提高，但是在长期稳定的过滤过程中，该技术从提高过滤效率、保持滤料稳定的残余阻力、延长滤料的过滤时间等滤料除尘性能方面有一定的研究意义.

［1］ Pui D Y H，Chen S C，Zuo Z. PM2.5,in China：Measurements，sources，visibility and health effects，and mitigation［J］. Particuology，2014，13（2）：1-26.

［2］ 陶 晖. 论我国袋式除尘器滤料技术的发展［J］. 中国环保产业，2013（7）：28-38. Tao Hui. On development of filter material technology of bag-hose precipitator in China［J］. China Environmental Protection Industry，2013（7）：28-38（in Chinese）.

［3］ 孙 宏. 表面过滤技术在焚烧厂烟气脱酸净化中的作用［J］. 中国环保产业，2007（8）：5-7. Sun Hong. Function of surface filtration technology in purification of incinerators flue gas de-acidification in incineration plant［J］. China Environmental Protection industry，2007（8）：5-7（in Chinese）.

［4］ 陆茂成，葛飞池. 人造粉尘初层在袋式除尘中的应用［J］. 粉体技术，1996，2（4）：29-35. Lu Maocheng，Ge Feichi. Application of artificialimposed dust layer technology on bag filter［J］. Powder Science and Technology，1996，2（4）：29-35（in Chinese）.

［5］ 黄学亮. 高效低阻空气过滤材料的制备与性能研究［D］. 杭州：浙江理工大学材料与纺织学院，2012. Huang Xueliang. The Preparation and Properties of Air Filter Materials with High Filtering Efficiency and Low Filtering Resistance［D］. Hangzhou：College of Materials and Textiles，Zhejiang Sci-Tech University，2012（in Chinese）.

［6］ 黄学亮，张华鹏，朱海霖，等. 针刺过滤材料的表面精细化处理［J］. 浙江理工大学学报，2012，29（5）：646-650. Huang XueLiang，Zhang Huapeng，Zhu Hailin，et al. Surface treatment of a needle-punched filter material by foam coating［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2012，29（5）：646-650（in Chinese）.

［7］ Pham M，Clark C，Mckenna J. The evolution and impact of testing baghouse filter performance［J］. Journal of Air & Waste Management Association，2012，62（8）：916-923.

［8］ 刘晓培，郑 琰，邱乾胜，等. 常用过滤材料对微细颗粒过滤性能的研究［J］. 中国环保产业，2013（8）：41-43. Liu Xiaopei，Zheng Yan，Qiu Qiansheng，et al. Study of filtering materials most in use on filtering performance of minute particulate［J］. China Environmental Protection Industry，2013（8）：41-43（in Chinese）.

［9］ 简小平. 非织造布空气过滤材料过滤性能的研究［D］.上海：东华大学纺织学院，2014. Jian Xiaoping. A Study on Filtration Performance of Nonwoven Air Filtering Material［D］. Shanghai：College of Textiles，Donghua University，2014（in Chinese）.

［10］ 杜柳柳. 袋式除尘器用 PTFE复合滤料性能的测试研究［D］. 上海：东华大学纺织学院，2008. Du Liuliu. Experimental Research on the Performance of PTFE Compound Filtration Medium of Bag Filter［D］. Shanghai：College of Textiles，Donghua University，2008（in Chinese）.

［11］ 吴湘济. 过滤材料的应用及其测试指标［J］. 合成纤维，2006，35（4）：26-29. Wu Xiangji. The application of filter materials and analysis of the performance index［J］. Synthetic Fiber in China，2006，35（4）：26-29（in Chinese）.

［12］ Schiller S，Schmid H J. Ultrafine dust filtration using precoat materials considering the influence of filter media［J］. Chemical Engineering Technology，2014，37（6）：1009-1020.

［13］ 阳建军，刘建祥，夏前军. 表面涂层过滤材料的生产及性能［J］. 纺织导报，2010（10）：61-62. Yang Jianjun，Liu Jianxiang，Xia Qianjun. Production of coating filter media and its performance［J］. China Textile Leader，2010（10）：61-62（in Chinese）.

［14］ 柳静献，谢 越，常德强，等. 除尘滤料对微细颗粒捕集性能的研究［J］. 过滤与分离，2012，22（4）：21-25. Liu Jingxian，Xie Yue，Chang Deqiang，et al. Research on fine particle capture of baghouse filter media［J］. Journal of Filtration & Separation，2012，22（4）：21-25（in Chinese）.

（责任编辑：田 军）

Modification of Dust Removal Performance of Filter Media by Precoating Technology

Ma Degang1，Zheng Qiqi1，Lin Weiqiang2，Guo Mingyu1
（1.School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin 300051，China）

The dust capture efficiency of needle-punched filter material is low at initial working stage，which makes it impossible to effectively remove fine particulate matters.To increase initial dust removal efficiency of filter media，TPU particles as precoating material were coated on the needle felts surface and an experimental apparatus was established to study the precoating filter media performance such as dust removal efficiency and pressure drop across the filter materials.The results indicate that this highly efficient technology can effectively improve filtration performance of ordinary needle-punched filter material，and especially when precoating layer thickness L is 0.4，mm，the initial dust removal efficiency of filter material is effectively increased.It also shows that although initial pressure of the filter media increases by 200，Pa，it helps to prevent clogging of filter material and delay the blockage of filter material，which can keep residual resistance relatively stable and extend the operating lifetime of filter material.

bag filter；precoating technology；filter media；removal efficiency；pressure drop

X513

A

0493-2137（2016）08-0869-06

10.11784/tdxbz201503082

2015-03-27；

2015-05-19.

马德刚（1975— ），男，博士研究生，副教授.

马德刚，dgma@tju.edu.cn.

网络出版时间：2015-07-14. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150714.1456.005.html.