空气过滤材料自洁反吹性能的初步研究

赵 晨 王 宜 曾靖山

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)



·自洁反吹性能·

空气过滤材料自洁反吹性能的初步研究

赵 晨 王 宜*曾靖山

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

采用工业除尘领域滤袋材料的清灰检测方法对两种拥有不同表面能的空气过滤材料自洁反吹性能进行了检测。结果表明,在初期过滤阶段,相比100%植物纤维制备的滤材,含有60%低表面能纤维的滤材的不粘灰性能明显；在深层过滤阶段,滤材孔径会影响滤材的自洁反吹性能。

空气过滤材料；自洁反吹性能；低表面能

内燃机车发动机作为动力部件,通常在高转速、高机械负荷和热负荷下运行,其工作状况直接关系到机车功率的发挥和经济性能的好坏。气缸非正常磨损、功率下降、经济性能降低主要是由进气中含沙尘造成的。而空气滤清器对进气质量起着决定性的作用。空气滤清器的作用是阻拦或滤除进气中的灰尘和杂质,以减少气缸套、活塞环、活塞及气门等主要零部件的磨损和故障,从而延长发动机的使用寿命。为了减少发动机磨损,有必要改善空气的滤清效果。

目前内燃机空气滤清器多采用纸质折叠加工的滤芯,利用滤材中的纤维和孔隙拦截、阻挡细小的灰尘。滤材在使用过程中由于灰尘的累积,使纤维间的孔隙减小或堵塞,造成滤材寿命终止[1]。一些重载荷车辆的工作场合工况恶劣,空气中沙尘含量高,导致空气过滤器使用寿命较短。由此,具有自清洁功能的滤清器应运而生,该滤清器所用的过滤材料(以下简称滤材)表面不易被灰尘稳固黏附,可以通过反吹保养使其表面捕捉的灰尘掉落,减少进入滤材内部的灰尘量,从而有效延长滤清器达到终止阻力的时间,延长滤清器使用寿命。

可见,滤材的自洁反吹性能是影响滤清器自洁反吹性能的关键[2-3]。然而,目前内燃机行业还没有针对空气过滤材料自洁反吹性能测试的标准,导致新产品的研发验证周期较长、研发成本较高。本实验通过借鉴工业除尘领域滤袋材料的清灰检测技术标准,对空气滤清器滤材自洁反吹性能的检测进行了初步研究,以期为内燃机用空气过滤材料自洁反吹性能测试方法的建立提供依据。

1 滤材清灰性能的检测

1.1 清灰性能检测装置

目前在工业除尘领域,袋式除尘器用滤材性能的测试标准主要有德国的VDI/DIN3926、美国的ASTMD 6830、日本的JIS Z 8909和中国的GB/T 6719袋式除尘器技术要求4种,对应的检测装置分别如图1(a)～图1(d)所示[4-7]。

图1 4个国家标准中关于袋式除尘器用滤材性能检测实验装置

从图1可以看出,各检测装置构造相似,均由竖向管道和横向管道组成,受试滤材被安装在横向管道中检测。各国(日本除外)实验装置下端还有一抽气管道,以引导粉尘向下运动,从而更好地通过受试滤材；就组成部件而言,各实验装置均由发尘器、滤材固定装置、差压传感器、脉冲清灰装置、末端过滤器和抽气泵组成。各装置检测原理也相似：发尘器产生一定浓度和粒径分布的人工尘,粉尘进人横向管道并经过受试滤材,差压传感器实时检测受试滤材前后压差变化,当压差达到一定值时,差压传感器控制脉冲清灰装置进行反吹清灰,清灰后滤材又重新滤尘。

1.2 清灰检测粉尘

检测所用粉尘的物理化学特性(如粉尘浓度、粒径分布、化学成分、黏度和密度等)对滤材性能检测结果有较大影响。表1为4个国家标准中关于除尘滤材性能测试实验台所用尘源的规定。由表1可知,德国和日本所用粉尘的中值粒径较接近,而美国粉尘的中值粒径很小(1.5 μm),中国只给出了粉尘粒径分布范围,<4 μm的颗粒物质量分数占50%；化学组分方面,德国、美国和中国均使用氧化铝粉尘而日本使用的是煤灰粉,主要化学成分为SiO2；德国、日本和中国检测时粉尘质量浓度均为5 g/m3,而美国标准中规定粉尘质量浓度为18.4 g/m3,远大于其他3个国家标准。

总体而言,4个国家标准使用的粉尘都以细颗粒为主,这样能保证有足够多的粉尘均匀地扩散到受试滤材表面,同时,细颗粒物能更深入到滤材内部,使滤材阻力快速上升,对于测试循环要求较高的条件有利于减少实验时间。粉尘的化学成分以Al2O3为主。粉尘的类型、粒径分布、化学组分和发尘浓度会对受试滤材的过滤效率、阻力、过滤周期以及出口粉尘浓度大小有影响,从而导致对滤材性能的评估存在偏差,因此选择合适的粉尘对准确评价滤材性能非常重要。

表1 4个国家标准关于除尘滤材性能测试实验台用粉尘的规定

1.3 清灰检测流程

尽管各国标准实验装置有很多相似之处,但在检测流程上存在一定区别,以美国标准差异最为明显。具体测试流程如表2所示。美国标准检测实验流程与其他3个国家检测流程存在的差异主要有：老化处理期与恢复期的顺序发生了变化,且美国标准中没有规定初始性能测试期；美国标准前两个阶段不需要记录任何数据,主要测试数据由第3阶段正式测试获得,而其他国家标准中则规定每个阶段都需要记录相关数据。

表2 4个国家标准测试流程

图2 样品A和样品B的扫描电镜照片

1.4 清灰测试性能指标

测试性能指标将直接或间接反映产品的质量,从4个国家标准的规范要求中可以看出,滤材的阻力(或压降)、效率(或出口粉尘浓度)是滤材最重要的两个性能指标。其中具体的测试性能指标如表3所示。从表3中可以发现美国标准与其他标准相比有一些显著的不同：①仅测试出口粉尘浓度而不测试过滤效率,这是因为在固定的发尘浓度下,出口粉尘浓度的大小即可以反映除尘效率的高低,且目前各种排放标准规定的都是粉尘浓度值,因此测试滤材出口粉尘浓度能更直观地表述滤材的性能；②增加了更细小颗粒物PM2.5出口浓度的测试,这也更符合工业排放环保要求；③增加了过滤周期的测试,过滤周期反映了过滤器的寿命,与清灰次数有关,清灰越频繁,滤材的清灰变形可能性越大,过滤器寿命就可能越短。因此,选择合理的性能指标进行测试能够有利于更科学地评价滤料的性能。

表3 4个国家标准测试性能指标对照表

注 剥离率的计算公式为K=(P-Pi)/(P-P0)×100%；P为清灰阻力(1000 Pa),Pi为第i次清灰后阻力,P0为洁净滤料阻力。

在工业除尘滤袋的检测标准中,主要关注的是产品老化前后的阻力增加、效率变化以及出口粉尘浓度等相关指标,关于清灰性能的评价指标只有剥离率,而剥离率的计算公式只适用于定压清灰的检测模式。因此,在定时清灰的检测模式中,需要新的衡量指标来对过滤材料清灰性能做出评价。

综上所示,通过将各国的检测标准综合比较可以发现,尘源、检测参数以及检测流程对滤材性能的评价非常重要,针对不同的应用场所制定相应的检测方法是客观反映滤材性能的关键。因此,在以上检测标准的基础上,笔者对各参数进行了调整,摸索用于检测内燃机空气过滤材料自洁反吹性能的可行性。

2 滤材反吹自洁性能的检测

2.1 实验原料

滤材能够实现反吹自洁性能的根本原因是由于滤材表面光滑、表面能低,可降低其与灰尘颗粒之间结合力,从而使表面的灰尘能在气体反吹的作用力下从滤材表面脱落,实现清灰自洁[8]。本实验用的滤纸为样品A和样品B,其中样品A由100%植物纤维制备,定量为100 g/m2,样品B是60%低表面能纤维+40%植物纤维,定量为100 g/m2。图2所示为样品A和样品B的扫描电镜照片。

2.2 实验仪器

本实验采用TOPAS公司根据德国VDI 3926标准制造的AFC-133实验装置进行测试,其外观如图3所示。

图3 反吹清灰实验装置

AFC-133滤材测试台主要由测试通道(包括过滤器夹具)、流量控制单元、粉尘发散器、光学粒子计数器等部件以及控制和数据获取软件构成。水平装置实验灰尘管道,符合VDI-3926测试标准。流量控制单元设计了一个质量流量控制器,使流量常数在整个测试中处于设定值的±2%以内。

粉尘通过进料器控制输送,在分散器及旋转刷的作用下使气流中的含尘浓度均匀不变,含尘气流在泵的抽吸作用下形成竖直方向的主气流,主气流经过袋式除尘器净化后被泵抽出,而在主气流中垂直地分离出一水平方向的支流穿过需测试的过滤元件,过滤元件由1个圆环和3根杆支撑,过滤时粉尘层就在该元件上形成。由于泵对主气流管道的抽吸作用,大量的含尘气流均通过主气流管道后净化排出，形成了通过过滤元件的水平方向的均匀支流。滤布两侧的压差通过压力传感器来测量,两个测量点分别位于测试元件的两侧,可同时测量得到粉尘侧、喷吹侧的压力和两侧的压差。在给定的过滤速度下,过滤清灰的周期由预先设定的临界压差值或时间控制,当滤布压差达到设定临界压差或时间时,压缩空气则通过开启的脉冲阀对滤布进行喷吹清灰。

表4 两样品在循环喷吹过程中阻力值变化表

注 清灰率=(反吹后阻力降值/反吹前阻力增值)×100%。

2.3 实验参数及实验流程确定

2.3.1 实验用粉尘

由于实验设备来自某滤袋企业,其长期使用我国国家标准规定的氧化铝粉尘为实验用粉尘。且由于氧化铝粉尘的主要成分为Al2O3,粒径5.5 μm以下的占50%左右,基本符合空气滤清器实验规范中的要求。因此,在本实验中选用我国国家标准规定的氧化铝粉尘为实验用粉尘。

2.3.2 实验参数

首先,在实验灰尘浓度的选择方面,工业空气滤清器标准规定单级空滤形式的实验粉尘浓度为1 g/m3。但是同时考虑到测试时间、测试装置的测试精度以及相关的测试惯性,将实验粉尘浓度调整为工业除尘滤袋标准规定的5 g/m3。

在流速方面,考虑到纸张的物理指标及参考平时在测试滤纸容尘性能时的条件,将通过测试样的含灰气体流量控制在1.85 m3/h,测试气体流速为3 cm/s。

喷吹气体压力方面,考虑到纸张的耐破度多数在200～300 kPa之间,因此选择较为安全的200 kPa作为实验参数。

2.3.3 实验流程

自洁式过滤设备的自洁控制方式一般包括3种：①定时定位,可任意设定间隔时间和自洁时间；②压差自洁,当压差超过指标时,进入自动连续自洁；③手动清洁,当电控箱不工作或粉尘较多时,采用手动方式确定。

由于两个测试样在原料性能方面的差异,可能导致其终点压差有较大差异,难以预估压差达到何值时对其进行连续自洁更为有效。因此本实验采用第一种定时定位的自洁方式进行实验。其中,间隔时间设定为120 s,喷嘴开启时间为60 ms,进行10次完整的循环测试。综上本次实验的所有参数为：实验粉尘氧化铝,通过滤料试样的总粉尘浓度5 g/m3,通过滤纸的粉尘流量1.85 m3/h,气舱压强0.2 MPa,喷吹压力200 kPa,脉冲间隔时间120 s,喷嘴开启时间60 ms。

2.4 实验结果分析

通过实验,在10次喷吹循环前后分别对样品A和样品B的压差进行了记录和整理,样品A和样品B的阻力变化如表4所示。实验结果对比如图4所示。其中样品A和样品B的初始阻力P0分别为15.754、6.015 Pa。

图4 实验样品自洁反吹实验结果对比图

图5 样品A孔径分布图

图6 样品B孔径分布图

从表4结合图4不难发现,在第1～第3次循环中,反吹前样品A的阻力增值均比样品B的阻力增值大。尤其在第1次循环中,样品A的阻力增加了88.033 Pa,而样品B的则只增加了29.217 Pa。之前在对样品A和样品B的最易穿透粒径效率测试中,样品A和样品B的最易穿透粒径效率分别为22.9%、23.7%。也就是说在样品A和样品B的过滤效率相近、加灰尘条件一致的情况下,前3次循环中样品B的不粘灰性能更为明显,体现出了样品B的低表面能。也就是说在实验初期过滤阶段样品B的自洁性能要明显优于样品A的。

但是随着实验的进行,样品B的阻力增加从第4次循环后逐渐超过样品A的。并且样品A的反吹后阻力降值一直都比样品B的更为明显,出现该现象的可能原因是样品B中含有的低表面能纤维直径比植物纤维大,且纤维间结合力弱。从而导致了样品B结构中孔径较大(样品A孔径分布如图5所示,样品B孔径分布如图6所示)。其中样品A的最大孔径为40.4809 μm,而主要孔径分布集中在10～30 μm之间。样品B的最大孔径为72.6863 μm,主要孔径分布则集中在25～45 μm之间。所以在过滤过程中随着时间的累积,灰尘进入到样品B的内部,深层过滤占据主导地位,因此难以达到反吹清洁的目的。从而大大削弱了样品B表面能较低的优势,未能表现出较好的清灰性能。

3 结 论

本实验对两种拥有不同表面能的空气滤清器滤材自洁性能进行了检测。结果表明,在初期过滤阶段,相比100%植物纤维制备的滤材,含有60%低表面能纤维的滤材的不粘灰性能明显。在深层过滤阶段,滤材孔径会影响滤材的自洁反吹性能。借鉴工业除尘滤料的检测方法,通过实验参数的修改和调整,一定程度上可以对滤清器自洁式滤料的自洁反吹性能做出评价。

[1] LIU Yi. Effect and Solution of Air Filter to the Life of Internal Combustion Engine[J]. Vehicle Engine,1999, 27(2): 53.

刘 毅. 空气滤清器对内燃机使用寿命的影响及解决方法[J]. 车用发动机, 1999, 27(2): 53.

[2] KANG Ding-xue. ULPA Filter Paper[J]. China Pulp & Paper, 1997, 16(2): 15.

康定学. 超细微粒空气过滤纸[J]. 中国造纸, 1997, 16(2): 15.

[3] YANG Jun. Preparation of the Fire-retardant Air Filter Paper for Internal Combustion Engine[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(6): 6.

杨 军. 内燃机用阻燃型空气过滤纸的研制[J]. 中国造纸, 2010, 29(6): 6.

[4] VDI 3926, Part 2-2004 Testing of Filter Media for Cleanable Filter under Operational Conditions[S].

[5] ASTM D 6830- 02-2008, Standard Test Method for Characterizing the Pressure Drop and Filtration Performance of Cleanable Filter Media[S].

[6] JIS Z 8909-1(Japan)-2005, Test Method for Dust-collecting Filter Properties-First Part: Dust Collection Properties[S].

JIS Z 8909-1(日本)-2005, 集尘用滤布性能试验方法-第一部分:集尘性能[S].

[7] ISO 11057-2011, Air quality—Test method for filtration characterization of cleanable filter media[S].

[8] XU Hai Wei, LI Bing Qing, SONG Qiang, et al. Effect of Particle Deposition on Fine Granular Bed Dust and Cleaning Efficiency[J]. Journal of Process Engineering, 2009, 9(5): 848.

(责任编辑：董凤霞)

Study on the Dust Cleaning Performance of Air Filter Material

ZHAO Chen WANG Yi*ZENG Jing-shan

(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640)

(*E-mail: wangyi@scut.edu.cn)

In this paper, the test methods for dust cleaning performance of air filter material was studied by referring to the standards of dust cleaning test methods in the field of industrial dust filter bag, in order to establish the methods for testing the dust cleaning performance of air filter material, which is used in internal combustion engine. The results showed that the surface properties of air filter material affected its dust cleaning performance. Air filter material with low surface energy showed better dust cleaning performance when surface filtration is dominated.

air filter material; dust cleaning performance; low surface property

赵 晨先生，在读硕士研究生；主要研究方向：造纸技术与特种纸。

2016- 05-10(修改稿)

TS762.9

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.09.007

*通信作者：王 宜先生，E-mail:wangyi@scut.edu.cn。