机械铸造用袋式除尘器滤料的性能试验研究

丁佰权 沈恒根

东华大学环境科学与工程学院

随着工业污染物的排放对环境和气候的破坏日益严重，全国各地经常会出现雾霾现象。随着环保意识的增强，我国近年来连续颁布《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准[1（]GB 28662-2012）》、《炼铁工业大气污染物排放标准[2（]GB 28663-2012）》、《炼钢工业大气污染物排放标准[3（]GB 28664-2012）》等标准，并要求各工业企业严格执行排放限值，其中，无完整车间排放浓度限值低至5 mg/m3，超低排放、近零排放已成为工业企业的目标。袋式除尘器是一种除尘效率高、结构简单、运行投资低的除尘设备，在工业企业的末端治理上得到广泛的应用。滤料的选择也是判断袋式除尘器效率高低的核心技术参数。目前机械铸造袋式除尘器主要采用涤纶滤料。涤纶滤料在常温下具有良好的力学性能，但在较高温度下，其对水气敏感，易发生水解作用，使其强力大幅下降。难以长时间保证其对烟气净化效率。高硅氧玻璃纤维滤料是近年来针对高温粉尘过滤专业研制的一种除尘滤料，此种高硅氧除尘布袋代替了原来的涤纶滤料，具有更高的工作温度并且具有抗氧化性能强的特点，逐渐代替涤纶滤料用于袋式除尘器中。聚四氟乙烯PTFE 浸渍及表面PTFE 覆膜处理，将耐酸高硅氧的特点与PTFE 的耐温耐腐、柔韧性好、易清灰等特点有机结合，滤袋的使用寿命等各项性能得到大幅度的提升本文就两种滤料的力学特性，耐腐蚀特性，耐温力学特性和过滤特性进行了分析和对比实验研究。

1 测试及结果

1.1 滤料

本实验选用同一厂家生产的高硅氧和（PTFE）覆膜高硅氧滤料以及普通涤纶滤料进行测试，以保证实验中2 种高硅氧滤料只存在覆膜和未覆膜的差别。滤料的基本参数测试结果如表1 所示。

表1 三种滤料基本参数测试结果

1.2 测试方法

1.2.1 滤料的克重

根据标准《单位长度质量和单位面积质量的测定（GB/T 4669—2008）》对两种滤料分别取样，大小为100 cm2的方形滤料各5 块，用精度为0.001 g 的电子天平对各样品进行测定，不少于三次计算平均值。

1.2.2 滤料的厚度

将测量克重用的个样品放置在厚度仪上进行测量，计算平均值。

1.2.3 滤料的透气性

根据标准《纺织品织物透气性的测定[4（]GB/T 5453-2013）》，分别对两种滤料取20 cm2（为方便测试取正方形）大小的滤料各10 块，给其200 Pa 大小的压差，分别对每块滤料进行透气量的测定3 次，计算平均值和CV 值，CV 值的计算方式见式（1）。

式中：σ 为透气量测量值的标准差，m3/(m2·min)；μ 为透气量测量值的均值，m3/(m2·min)。

1.2.4 滤料的耐温性能

按参考标准《纺织品织物拉伸性能（GB/T 3923.1-2013》剪取两种滤料经、纬向滤料样品10 条，分别置于120 ℃，140℃，160 ℃，180 ℃，200 ℃恒温干燥箱内加热24 h 后取出，再分别放置于相对湿度60%、干球温度20 ℃的环境中24 h 后测定经纬向断裂强力、伸长量，每条样品各测3 组数据计算其平均值，并计算其断裂强力保持率和断裂伸长保持率，其计算公式见式（2）、式（3）：

式中：λ 为热处理后滤料的经向、纬向断裂强力保持率，%；F 为滤料初始的经纬向断裂强力，N；Fi为热处理后滤料的经纬向断裂强力，N；i 为测试时不同恒温干燥箱内不同温度，i=120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃、

200 ℃。

式中：λ1为热处理后滤料的径向、纬向断裂伸长保持率，%；Li为滤料初始经纬向断裂伸长量，mm；L 为处理后的经纬向断裂伸长量，mm。

1.2.5 滤料的耐腐蚀性能

本次对两种滤料耐腐蚀性能测试时，选用浓硫酸和NaOH 溶液，分别配制20%、40%的NaOH 溶液和20%、40%的硫酸溶液。按上述方式对两种滤料取样，分别剪取经、纬向滤料样品分别放在4 种溶液中浸泡24 h 后，用清水冲洗滤料，然后放置于恒温干燥箱内进行烘干，最后测定其经向、纬向断裂强力，同样测3 组数据计算平均值。

1.2.6 滤料的过滤效率

滤料的过滤效率有两种：静态除尘效率和动态除尘效率。因动态除尘效率的测试要在袋式除尘器模拟真实工作环境下进行的，并且测试结果差距不明显。故本次测试主要测试静态除尘效率[5]，即利用环境中气溶胶颗粒物代替实际工程上的含尘气流进行过滤效率测试。静态过滤性能测试装置见图1，测试前对两种滤料进行取样，剪取直径为8 cm 的圆形滤料1 块，调整装置中的转子流量计使得过滤风速分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3 m/min，测定前后浓度，每组取10 个数据取平均值求得两种滤料的过滤效率。过滤效率计算式为：

图1 静态过滤效率测试台

式中：η 为过滤效率，%；η1前侧浓度平均值，μg/m3；η2为后侧浓度平均值，μg/m3。

1.3 主要测试仪器

本次测试的主要仪器及其型号见表2。

表2 主要测试仪器及参数

2 测试结果及分析

2.1 滤料的耐温力学性能

机械铸造生产过程中，由于工艺特性，散发出的污染物温度较高，使得袋式除尘器对含尘气流净化时通常在高温情况下进行。因此，滤料的耐温性能往往影响其适宜的工作温度及使用寿命。图2、图3 分别给出了两种滤料在120 ℃，140 ℃，160 ℃，180 ℃及200 ℃下的24 h 后的经、纬向的断裂强力保持率和断裂伸长保持率的变化趋势图。

图2 三种滤料经向的断裂强力保持率变化趋势图

图3 三种滤料纬向的断裂强力保持率变化趋势图

根据国标GB/T 6719-2009 中关于滤料热处理后经纬向断裂强度保持率的考核标准知，滤料需要保证在连续工作温度下24 h 的断裂强力保持率≥100%。由图2、图3 可知:未覆膜的高硅氧玻璃滤料和经PTFE 覆膜后的高硅氧滤料都能在较高温度下保证纬向的断裂强力保持率大于100%；PTFE 覆膜滤料径向断裂强度保持率随温度的变化趋势为先上升后缓缓下降，温度达到200 ℃时也能保证在95%～99%之间；未覆膜的高硅氧滤料径向断裂强度保持率随温度升高缓缓下降，在200 ℃高温时仍能保持在95%以上；在温度低于180 ℃工作时纬向的断裂强度保持率在100%以上，并且当温度高于180℃后，其经纬向断裂强度仍在95%以上。这是由于高硅氧纤维中二氧化硅（SiO2）含量高于96%。

相比于玻璃纤维制成的高硅氧滤料，普通未覆膜涤纶滤料在所测温度下不满足国标要求，随着温度的升高纬向断裂强度保持率甚至下降到85%以下。因此覆膜高硅氧滤料和未覆膜的高硅氧滤料具有良好的耐温性能，适合在过滤烟气温度较高的场和下使用且可以稳定的过滤；而普通涤纶耐温性查，因为涤纶分子中含有46%的酯基[6]，在高温时会发生水解、热裂解，普通涤纶适宜在烟气温度低于140 ℃以下的场合。

2.2 滤料的耐腐蚀性能

在机械铸造生产过程会借助到气刨机等设备，在对铸件清理过程中除了散发处高温粉尘以外，还会产生一些腐蚀性的气体，若滤料本身没有良好的耐酸碱耐腐蚀性，将会大大降低滤料的使用寿命。图4、图5分别表示三种滤料在20%、40%的浓硫酸和20%、40%NaOH 溶液中经纬向断裂强度保持率。

图4 三种滤料在不同溶液中径向断裂强度保持图

图5 三种滤料在不同溶液中纬向断裂强度保持图

1）三种滤料在20%、40%H2SO4溶液浸泡24 h 后经、纬向断裂强力保持率均能维持在90%以上，进一步的，高硅氧滤料由于含有超过96%二氧化硅，随着溶液酸性的增加，经纬向断裂强度保持率在95%以上，且PTFE 覆膜的滤料经纬向几乎没有发生断裂。

2）高硅氧滤料以及覆膜高硅氧滤料在20%、40%NaOH 溶液中经纬向断裂强度保持率基本在80%以上，而普通涤纶滤料的径向断裂强度保持率在20%NaOH 溶液只有65%，在40%NaOH 溶液仅有40%左右，且纬向断裂强度保持率均在40%以下。与酸性溶液中相比，碱性溶液中涤纶滤料经纬向断裂强度保持率差值在50%左右。

3）综上，相比于普通涤纶滤料，高硅氧滤料的耐酸性耐碱性都很强，并且经PTFE 覆膜后的高硅氧滤料在强酸强碱工作条件下都能长期稳定的进行过滤，其经纬向基本不会出现断裂。涤纶滤料具有良好的耐酸性，很差的耐碱性，这是由于涤纶遇碱后皂解，使聚合度降低而不适合在强碱性的情况下工作。

2.3 滤料的过滤效率

普通的滤料与覆膜后的滤料最大的区别就是其过滤机理不同。聚四氟乙烯(PTFE)薄膜表面光滑且耐化学腐蚀，是一种具有多微孔性的薄膜，可以将将粉尘全部截留在膜的表面，实现“表面过滤”；普通的滤料是依靠滤料纤维的捕集作用，即先在滤料表面形成一次粉尘层，再通过这层粉饼过滤后续粉尘。图6、图7、图8 分别是三种滤料分别在过滤风速在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/min 的分级粒径静态过滤效率。

图6 PTFE 高硅氧滤料静态过滤效率

图7 未覆膜高硅氧滤料静态过滤效率

图8 普通涤纶滤料静态过滤效率

1）从图6～8 中可以发现，这三种滤料都出现了随着过滤风速的增加过滤效率下降的情况，这是因为当过滤风速增加时会使部分颗粒物穿透滤料。图6 中PTFE 覆膜后的过滤效率绝大部分能够轻易达到90%以上，仅有过滤风速变大时，少许粉尘的过滤效率在85%以下。其次未覆膜的高硅氧过滤效率大部分在85%以上，从图7 中可得未覆膜的高硅氧滤料对1.0 μm 粒径以下的粉尘过滤效率较差，PTFE 覆膜的高硅氧滤料表面的薄膜对细小粉尘阻挡作用明显，未覆膜的高硅氧滤料容易被小于1.0 μm 粒径以下的粉尘击穿。

2）三种滤料中，普通的涤纶滤料过滤效率最低，对各种粒径下的粉尘过滤效率几乎难以达到100%，甚至有部分的过滤效率低于50%，这是相对于高硅氧玻璃纤维滤料而言，普通涤纶滤料为机制布，内部的缝隙较大，难以对粒径小于3.0 μm 以下的粉尘取得良好的效果。

3）经覆膜后的高硅氧滤料与未覆膜相比，在同一过滤风速下过滤污染物，覆膜后的滤料的过滤效率远高于未覆膜的过滤效率，尤其是对于1.0 μm 以下粒径粉尘，覆膜的高硅氧滤料过滤效率比未覆膜的高出25%，由此可见PTFE 覆膜能够有效地增加滤料的过滤效率。这主要是由于PTFE 覆膜表面的微孔结构使其具有表面过滤的除尘机理，有效地阻挡了微小颗粒物穿透滤料，在目前企业排放标准日益严格的背景下覆膜滤料的高效除尘机理应该得到关注。

3 结论

本文通过对三种滤料进行实验研究，测试了各自滤料的力学特性、耐腐蚀特性以及过滤性能。基本结论如下：

1）经PTFE 覆膜的高硅氧滤料过滤效率远高于未覆膜的过滤效率，尤其是对于1.0 μm 以下粒径粉尘，覆膜的高硅氧滤料过滤效率比未覆膜的高出25%。这对于在目前企业排放标准日益严格的背景下覆膜滤料的高效除尘机理应该得到关注。

2）相比于普通涤纶滤料，高硅氧滤料的耐酸性耐碱性都很强，并且经PTFE 覆膜后的高硅氧滤料在强酸强碱工作条件下都能长期稳定的进行过滤，其经纬向基本不会出现断裂。涤纶滤料具有良好的耐酸性，很差的耐碱性，这是由于涤纶遇碱后皂解，使聚合度降低而不适合在强碱性的情况下工作。

3）未覆膜的高硅氧玻璃滤料和经PTFE 覆膜后的高硅氧滤料都能在较高温度下保证纬向的断裂强力保持率大于100%，覆膜高硅氧滤料和未覆膜的高硅氧滤料具有良好的耐温性能，适合在过滤烟气温度较高的场和下使用且可以稳定的过滤。而普通涤纶耐温性查，因为涤纶分子中含有46%的酯基，在高温时能发生水解、热裂解，普通涤纶适宜在烟气温度低于140 ℃以下的场合。