覆膜滤料过滤性能分析*

张倩 刘志强 柳静献 毛宁 林秀丽

(东北大学 沈阳110004)

0 引言

20世纪80年代美国Gore公司成功研制了聚四氟乙烯(PTFE)覆膜滤料，该滤料由聚四氟乙烯微孔薄膜与各种基材复合而成[1-2]。覆膜滤料不仅可以高效过滤微细粒子，而且可以保证设备阻力长期稳定运行，因此成为理想的过滤材料[3-5]。刘培杰等[6]制得了具有良好力学性能和热稳定性的芳纶纳米纤维覆膜滤料，其初始过滤效率可以达到92.9%。郗天琦等[7]指出，玻纤布覆膜后的滤料可以达到与PPS滤料一致的除尘效率，并且更耐高温，不易被氧化，价格也更为低廉，可以用来代替PPS滤料用于电力行业袋式除尘器，非常具有市场前景。刘锋等[8]对比了玻纤复合毡覆膜滤料和玻纤复合毡滤料得出，在过滤效率、滤料寿命、运行阻力等方面，玻纤复合毡覆膜滤料都要更加优越，可以降低炭黑生产的烟尘排放, 满足了客户的排放要求, 使用效果良好。前人的研究大多数倾向于单一覆膜滤料的过滤性能研究，或者覆膜与非覆膜滤料性能对比，研究也显示覆膜滤料的过滤性能都比较良好[9-12]。

近年来，随着我国环保要求的日趋严格，颗粒物排放标准提高。为实现达标排放，滤料产品变得多样化，出现了多种覆膜滤料。本文选取由聚四氟乙烯微孔薄膜与常用基材复合而成的4种滤料，即芳纶覆膜滤料、PPS/PTFE混纺(5/5)覆膜滤料、玻纤复合毡覆膜滤料、玻纤布覆膜滤料，通过对比4种覆膜滤料对微细粒子的捕集效率和动态过滤性能参数，系统地从全尘效率、残余阻力和清灰周期、PM2.5过滤效率等方面对覆膜滤料的性能进行综合分析，为覆膜滤料的实际应用提供指导，也为覆膜滤料产品的评价和改进提供参考。

1 实验方法

1.1 实验样品

本实验所用样品分为4种，分别为芳纶覆膜滤料、PPS/PTFE混纺(5/5)覆膜滤料、玻纤复合毡覆膜滤料、玻纤布覆膜滤料。滤料的具体参数见表1，滤料结构电镜扫描如图1所示。

表1 滤料基本特征参数

(a)芳纶覆膜滤料

1.2 实验过程

1.2.1 静态过滤实验

通过静态过滤实验，研究4种覆膜滤料样品对0.3～0.5、0.5～1、1～2.5、2.5～5、5～10 μm和>10 μm粒径的细颗粒物的计数效率。静态过滤的装置如图2所示。

图2 静态过滤实验装置

计数效率实验中, 用TSI 9306粒子计数器分别测定滤料样品上游及下游不同粒径颗粒的浓度。以空气尘为尘源，剪取直径为70 mm的圆形滤料放入滤料夹持器里，检查装置的气密性，开启真空泵，调节流量计到指定流量，待流量稳定后，用粒子激光计数器分别在上游和下游取样(靠近集流器一侧为上游，远离集流器一侧为下游)每次采样取5组数据，采样时间为30 s，采样时间间隔为3 s。在上游和下游交替进行采样。

1.2.2 动态过滤实验

通过动态过滤实验，研究4种覆膜滤料样品在清洁阶段和稳定阶段的清灰周期和残余阻力、全尘效率和粉尘剥离率、PM2.5过滤效率。动态过滤的装置如图3所示。

图3 动态过滤实验装置

动态过滤性能测试采用的粉尘为氧化铝(Al2O3)粉尘，粒径分布和电镜扫描如图4所示。过滤风速为3 m/min，入口粉尘质量浓度为5 g/m3。将采样滤纸放入滤料夹具内，调整发尘器的转速使发尘量在实验风速下达到5 g/m3。气流在真空泵的抽吸作用下通过滤料时, 粉尘被捕集。随着过程的进行, 滤料两侧的压差增大, 当压差达到一定数值时, 系统控制脉冲阀开启, 高压空气从净气侧喷出, 粉尘层在高压气体作用下脱落。

(a)粒径分布

在清洁阶段，当滤料两侧的压差达到1 000 Pa时，进行喷吹清灰，喷吹后阻力会急剧下降，再进行下一个周期，一共进行30次喷吹过程。在第30次喷吹完成后，对滤料和绝对滤膜进行称重，计算这一阶段滤料的全尘效率。稳定阶段的测试过程和洁净阶段的一致，定压喷吹30次。稳定阶段是滤料在工作现场使用时的常用工作状态。实验装置是东北大学滤料检测中心研发的符合《袋式除尘器技术要求》(GB/T 6719—2009)[13]的滤料动态性能测试实验装置。

为了更直观地评价各种滤料的PM2.5排放情况，在整个实验过程中对滤料下游的PM2.5质量浓度进行监测，在清洁阶段和稳定阶段的每个周期内用仪器监测PM2.5质量浓度，设置3～5个采样时间点，在每个周期开始1 min后采样，采样时间为1 min，然后每隔1 min采样一次。

2 实验结果及分析

2.1 计数效率实验

4种不同滤料在1、2 m/min风速下的计数效率如图5所示。总体上看，PPS/PTFE 混纺覆膜滤料的过滤效率最高，其他3种滤料的过滤效率之间存在交叉，玻纤布覆膜滤料对<0.5 μm的颗粒物过滤效率要大于芳纶覆膜滤料和玻纤复合毡覆膜滤料，对0.5～1 μm的颗粒物过滤效率介于二者之间。

(a)风速1 m/min

2.2 动态过滤实验

(1)清灰周期

4种覆膜滤料清洁阶段的清灰周期随喷吹次数的变化如图6(a)所示，从图中可以看出，整体上清灰周期呈递减的趋势，并主要集中在前20个周期。这是因为喷吹过后残留在滤料内的颗粒物使滤料阻力略高于之前阻力，所以滤料阻力到达1 000 Pa所用时间减少。经过20个周期后，粉尘在膜内部的分布已基本达到饱和，再附集的粉尘只能在滤料表面，经喷吹操作后脱离滤料，所以后10个喷吹周期的变化很小。喷吹次数是5次时，滤料的清灰周期相差在15 min之内，而到20个喷吹周期以后，滤料的清灰周期相差在5 min之内，即随着喷吹次数的进行，清灰周期趋于稳定。

4种覆膜滤料稳定阶段的清灰周期随喷吹次数的变化如图6(b)所示，从图中可以看出，稳定阶段的过滤周期随着喷吹次数的增加而减少。相比较清洁阶段滤料的喷吹周期，稳定阶段4种覆膜滤料喷吹周期比较接近，这是因为稳定阶段的滤料内部充满粉尘颗粒物，滤料阻力的增长主要靠滤料表面形成的“粉饼”，滤料本身特性对滤料阻力的增长没有清洁阶段大，所以过滤周期比较接近。

(a)清洁阶段

(2)残余阻力

4种滤料在清洁阶段和稳定阶段的残余阻力变化如图7所示。设阻力增长率等于某喷吹次数下阻力值与初始阻力的比值，可以计算得出4种滤料的阻力增长率。为了更好地具体说明滤料阻力增长随喷吹次数的变化，对图7中的数据进行了拟合。通过曲线拟合给出特定的函数，判断滤料阻力的变化趋势，得出4种滤料阻力增长的变化规律。从图7(a)中可以看出，随着喷吹次数的增加，4种滤料的残余阻力越来越高，先快速增长，后增速缓慢。因为进入内部的颗粒物经过喷吹无法脱离纤维，造成滤料阻力的增长。

值得注意的是，玻纤布覆膜滤料的残余阻力在前期的增长速率并没有其他3种滤料快。造成这种现象的原因是玻纤布覆膜滤料为机织布滤料，在覆膜过程中基底滤料纤维和薄膜接触面积较大，导致滤料初始阻力大，但是粉尘不易进入滤料内部对滤料造成严重堵塞，所以阻力增长率最慢，曲线最低。芳纶覆膜和PPS/PTFE混纺覆膜滤料均为水刺滤料，厚度、克重、纤维直径等参数接近，阻力增长速率也趋于一致，阻力增长速度高；玻纤复合毡为针刺滤料，厚度和克重均较芳纶覆膜和PPS/PTFE混纺覆膜滤料大，纤维直径也更细，阻力增长较二者低。

由图7(b)可以看出，相对清洁阶段的残余阻力增长，稳定阶段的残余阻力增长要缓慢得多，增长率曲线变化比较平缓。稳定阶段4种覆膜滤料的阻力增长率基本接近，相差均在5%以内。说明稳定阶段覆膜的材料类型对阻力增长率的影响较小，即阻力增长率与材料相关性不大。结合粉尘剥离率分析，经过清洁阶段和稳定阶段的滤料表面会形成一层薄薄的粉尘层，所以在稳定阶段的过滤方式为“尘滤尘”，而“尘滤尘”的粉尘剥离率要大于初期过滤时的剥离率，不会有更多的粉尘滞留在滤料表面，所以滤料的残余阻力变化很小。

(a)清洁阶段

(3)全尘效率和粉尘剥离率

4种覆膜滤料在两个阶段的全尘效率和粉尘剥离率如表2和图8所示。4种覆膜滤料全尘效率均达到了99%以上，芳纶覆膜滤料和玻纤复合毡覆膜滤料在两个阶段的全尘效率最高。清洁阶段4种覆膜滤料粉尘剥离率的平均值为83.217 4%，最大偏差为2.32%。而到稳定阶段4种覆膜滤料粉尘剥离率的平均值为95.448 5%，最大偏差为0.55%。说明随着喷吹过程进行，4种覆膜滤料的剥离率增大，且到了稳定阶段后，4种滤料的粉尘剥离率偏差很小，基本趋于稳定。

表2 滤料部分参数实验结果 %

(a)全尘效率

(4)PM2.5质量浓度变化

滤料喷吹清灰后，滤料下游PM2.5质量浓度变化如图9所示。从图中可以看出，芳纶覆膜和玻纤复合毡覆膜滤料在清洁阶段PM2.5的排放浓度要高于稳定阶段的排放浓度，稳定阶段趋于零排放，说明两种滤料稳定阶段的过滤效果非常好。玻纤布覆膜滤料在稳定阶段的PM2.5排放浓度比较高，此结果与玻纤布覆膜滤料全尘效率在稳定阶段较清洁阶段有所降低是一致的。造成这种结果的原因是玻纤布滤料较其他3种滤料薄，在清灰过程中，滤料内的粉尘易穿透滤料，造成下游PM2.5质量浓度的增加。PPS/PTFE混纺覆膜滤料在稳定阶段PM2.5排放浓度比清洁阶段略高，滤料的全尘效率在清洁阶段较稳定阶段高，二者的变化趋势也是一致的。通过对比发现，PPS/PTFE混纺覆膜滤料所附薄膜质量相对较差，实验过程中高压气体喷吹对滤料薄膜造成了机械损伤，导致效率下降，PM2.5排放浓度升高。

(a)芳纶覆膜滤料

3 结论

(1)洁净滤料的计数效率测试结果表明，PPS/PTFE混纺(5/5)覆膜滤料的过滤效率最高，但是从清洁阶段和稳定阶段的全尘效率及PM2.5排放浓度看，过滤效率并没有一直保持优势。而玻纤布覆膜滤料在稳定阶段的PM2.5排放浓度明显高于清洁阶段。因此选择和评估覆膜滤料需要综合考虑清洁阶段和稳定阶段全过程的PM2.5过滤效率。

(2)4种覆膜滤料在清洁阶段残余阻力增长率高，稳定阶段残余阻力增长率低，且稳定阶段4种覆膜滤料的阻力增长率基本接近，相差均在5%以内，说明稳定阶段覆膜滤料的材料类型对阻力增长率的影响较小。

(3)4种覆膜滤料稳定阶段粉尘剥离率均高于清洁阶段。在稳定阶段，4种滤料的粉尘剥离率平均值为95.448 5%，最大偏差仅为0.55%，说明覆膜滤料类型对于稳定阶段滤料粉尘剥离率的影响较小。