清灰方式对纤维束过滤器除尘性能的影响

2019-03-22亓海燕刘新波

四川冶金 2019年1期

房杰，亓海燕，刘新波

(山东泰山钢铁集团有限公司，山东莱芜，271199)

常规微细粒颗粒物净化器多为编织纤维过滤器，即依靠纤维编织的高效滤网脱除空气中的颗粒物，但是滤网不易重复利用，并且压降较大、能耗高[1]。纤维束过滤器能够依赖摩擦静电吸附作用净化微细颗粒物，具有压降低、清灰简单易于循环使用的优点，在可吸入颗粒物的净化方面具有潜在的应用价值。Park和Li等[2-3]研究了聚丙烯纤维束过滤器的除尘性能，结果表明：纤维束过滤器对亚微米级气溶胶具有较高的过滤效率，并且其压降明显低于具有相同捕获效率的传统机械过滤器。有效的清灰是除尘器高效运行的保障，清灰方式的优劣可能会影响除尘器的除尘效率[4]，其中电除尘器的主要清灰方式包括机械清灰、湿式清灰和声波清灰[5],袋式除尘器的清灰方式主要有行喷吹清灰、回转喷吹清灰和机械清灰三种[6]，但是国内外对纤维束除尘器的清灰方式研究报道甚少。

为了考察纤维束过滤器清灰后性能的变化情况，本文采用聚丙烯腈纤维束作为滤材，对城市路面扬尘制备的可吸入颗粒物进行了研究。主要考查了清灰对纤维束过滤器除尘效率的影响，为该类型过滤器在空气净化领域的应用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 目标污染物

收集城市路面扬尘，模拟实验中的可吸入颗粒物，将收集后的路面扬尘经标准筛(0.074 mm)筛分，抛去筛上物；筛下物经立式行星球磨机粉磨90 min；将粉磨后的粉尘混匀、缩分成每份500 g后放在100 ℃的电热鼓风干燥箱内干燥5 h，取出放入干燥器内备用。

对处理后的路面扬尘用空气动力学粒径谱仪进行粒度分析，图1为其动力学粒径分布图。从图中可以得出，颗粒物的粒度范围为0.1～17 μm，其中空气动力学直径小于10 μm的颗粒占总颗粒数的93%，属于可吸入颗粒物。

图1 试验颗粒物粒径分布Fig.1 The size distributions of experimental particles

将处理后的路面扬尘进行XRD分析，结果如图2。从XRD图中可以得出，路面扬尘的矿物组成主要为二氧化硅(SiO2)和钠长石(NaAlSi3O8)。

图2 试验颗粒物的XRD图Fig.2 XRD patterns of the experimental particles

1.2 纤维束

纤维束作为净化系统中的过滤单元，起到吸附去除可吸入颗粒物的作用。本实验中采用聚丙烯腈纤维制成长度 12 cm 的纤维束，研究纤维束清灰后其除尘性能的变化。

1.3 实验装置及方法

1.3.1 实验装置

测试装置如图 3 所示，路面扬尘或对比颗粒物由给料机进行均匀给料，然后颗粒物进入中压鼓风机，在气流的作用下进入管道，含尘气流经过纤维束过滤单元后，最终排出管道，在过滤单元上下两端分别存在一个取样口，用于测定过滤单元两端颗粒物浓度及压降的变化情况。

图3 用于测试纤维束性能的实验系统示意图Fig.3 Schematic of the experimental system for testing the performance of a fiber bundle

1.3.2 除尘效率的测定

用自动烟尘/烟气分析仪测量纤维束过滤单元前后两端颗粒物的浓度。纤维束除尘效率η按式(1)计算：

(1)

式中：C进—纤维束进口颗粒物质量浓度(g/m3)；C出—纤维束出口颗粒物质量浓度(g/m3)。

1.3.3 扫描电镜测试

选取试验前后纤维束，将其剪成2 mm长的试样，将试样烘干恒重后粘在载片上，在表面喷金，然后放入扫描电镜，观测纤维束的表面结构。

2 结果与讨论

为了验证纤维束过滤器是否具有重复使用的特点，本文选取自来水，自来水+洗涤剂，强吹风三种清灰方式探讨纤维束的除尘效率，分析清灰方式对纤维束过滤器除尘性能的影响。

2.1 不同清灰方式对纤维束除尘效率的影响

图4为不同清灰方式对纤维束除尘效率的影响规律，图中空白样品为聚丙烯腈纤维束在风速1.0 m/s、纤维束入口颗粒物浓度0.58 g/m3、填充率1.06%下的除尘效率，其余三组试验分别取此条件试验后的纤维束进行清灰处理。从图中可以看出，不同清灰方式下，纤维束除尘效率较空白样均降低，说明不同清灰方式对纤维束除尘效率都有影响。空白样品的除尘效率范围在72%～86%，用自来水清洗后的纤维束除尘效率范围为70%～84%，自来水+洗涤剂体系处理后的纤维束除尘效率在71%～85%，强吹风处理后的纤维束除尘效率为67%～77%，其最大除尘效率较其余两组减少了8%左右，而其余两组的除尘效率相似，与空白样的除尘效率差别不大。因此，强风体系对纤维束的除尘效率影响较大，这是因为纤维束表面仍残留一部分颗粒物，未清灰干净，其余两组体系，纤维束表面清灰较干净，见图5；其次强风系统对实验中纤维束造成一定的损耗，见表1。

图4 不同清灰方式下纤维束过滤器的除尘效率Fig.4 Dust removal efficiency of fiber bundle filter under different cleaning methods

清灰方式自来水自来水+洗涤剂强吹风质量损耗△m(g)0.100.120.46

图5 不同清灰方式后纤维束的SEM图，(a)清水，(b)清水+洗涤剂，(c)强吹风Fig.5 The SEM images of fiber bundles after different cleaning methods, (a)water，(b) water+ Detergent，(c)Strong wind

2.2 不同清灰次数对纤维束除尘效率的影响

由上述数据可得，强吹风体系并不适合纤维束的清灰，选取自来水、自来水+洗涤剂系统进行多次清洗，验证纤维束多次清洗后除尘效率的变化，在风速1.0 m/s、纤维束入口颗粒物浓度为0.58 g/m3、填充率1.06%条件下进行试验。

图6为第二次清洗后纤维束除尘效率的变化结果，图中空白样品为聚丙烯腈纤维束在最佳条件下的除尘效率，其余两组试验分别选取各自清洗第一次后的纤维束进行清灰处理。从图中可以看出自来水系统第二次清洗后除尘效率的范围为68%～83%，自来水+洗涤剂系统第二次清洗后除尘效率范围在70%～84%，较第一次清洗后最大效率下降1%左右，清灰次数对纤维束除尘效率基本无影响，这是因为纤维束表面清灰效果明显，见图7。

图6 第二次清灰后纤维束除尘效率Fig.6 Dust removal efficiency of fiber bundle after second cleaning

图7 第二次清灰后纤维束的SEM图，(a)清水，(b)清水+洗涤剂 Fig.7 The SEM images of fiber bundles after second cleaning, (a)water，(b) water+ Detergent

图8为第三次清洗后纤维束除尘效率的变化结果，图中空白样品为聚丙烯腈纤维束在风速1.0 m/s、纤维束入口颗粒物浓度为0.58 g/m3、填充率1.06%下的除尘效率，其余两组试验分别选取各自清洗第二次后的纤维束进行清灰处理。从图中可以看出自来水系统第二次清洗后除尘效率的范围为68%～82%，自来水+洗涤剂系统第二次清洗后除尘效率范围在70%～84%，清灰次数对纤维束除尘效率基本无影响，这是因为纤维束表面清灰效果明显，见图9。