荷尘速率对非高效过滤材料阻力特性的影响

2022-08-09林秀丽赵一璇柳静献

东北大学学报（自然科学版） 2022年7期

林秀丽，赵一璇，柳静献

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819)

随着科技发展和对颗粒物危害认识水平的提高，越来越多的行业和场所需要用过滤设备控制颗粒物，以改善空气质量、保证人员健康和正常工业生产.过滤材料是过滤设备的核心，表征过滤材料性能的主要参数有阻力和过滤效率.滤料在使用过程中，随颗粒的捕集，阻力增加且变化幅度较大，直接影响通风系统的能耗，同时影响过滤器的使用寿命[1-2]，因此需要充分关注过滤材料在荷尘过程中阻力变化情况.非高效过滤材料指高效过滤等级以下的过滤材料，相比于高效过滤材料，非高效过滤材料价格较低，初始阻力较小，在工业和民用建筑中的应用更加广泛.然而在不同的使用条件下，非高效过滤材料应用场所的粉尘浓度和过滤风量不同，即荷尘速率不同，这将影响过滤材料阻力的变化情况，进而影响滤料的使用寿命.因此，对非高效过滤材料在不同荷尘速率下的阻力变化进行研究，对于正确认识荷尘速率对阻力的影响并预测材料的寿命、合理确定更换周期，以及经济有效地使用过滤材料具有重要的意义.

1993年Brown[3]指出过滤材料的荷尘过程一般包括三个阶段：深度过滤阶段，荷尘初期颗粒被捕集于滤料内部，阻力增加缓慢；过渡阶段，随荷尘量的增加，材料内部大量空间被占据，阻力增长速率增大；表面过滤阶段，颗粒在材料表面堆积形成滤饼，阻力迅速增加.滤料荷尘过程阻力的变化受诸多使用条件及环境因素的影响，包括粉尘类型、粒径分布、温度、湿度等[4-7].学者对滤料荷尘阻力变化规律的研究较多[8-13]，但是在荷尘速率对过滤材料阻力变化影响方面的研究较少.

与荷尘速率相关的研究主要来自以下文献.Thomas等[14]研究了亚微米颗粒对高效滤料的负载特性，并分析了风速、粒径和浓度等的影响，实验结果表明风速和浓度对颗粒沉积和阻力增长均无明显影响，而颗粒尺寸增大，阻力增长速率降低.Saleem等[7]研究了表面速度和粉尘浓度对中试喷吹袋式除尘器粉尘层形成的影响，发现在质量浓度较低的条件下，滤饼的密度和阻力较高，同时过滤速度对滤饼阻力的影响大于粉尘浓度的影响.Cheng等[15]在实验中使用高效过滤材料对3种粉尘在不同风速下进行荷尘实验，研究过滤风速对滤饼阻力和孔隙率的影响，结果表明过滤风速越高，滤饼孔隙度越小，滤饼被压实阻力越大.Chen等[16]使用粉煤灰针对高效滤料研究了过滤速度对于滤饼形成的影响，认为滤饼在形成的过程中随沉积颗粒质量的增加而被压缩，过滤风速越大，颗粒的动能越大，使得粒子堆积速度越快，能产生更强的压缩性.Wang等[17]第一次系统研究了荷尘速率对高效过滤材料阻力变化的影响，结果表明，滤料表面达到相同荷尘量时，滤料阻力随粉尘质量浓度的增加而减小，而过滤风速在此实验中的影响可忽略.

综上可知，目前针对荷尘速率对荷尘过程中阻力变化影响的研究主要集中在高效过滤材料方面，对于非高效过滤材料，由于其结构较高效过滤材料疏松，荷尘时阻力变化情况会与高效滤料不同，而荷尘速率对非高效过滤材料阻力变化的影响研究尚未见系统性报道.

本文通过实验研究4种非高效过滤材料在荷尘过程中的阻力变化，获得荷尘质量浓度以及过滤风速对不同等级过滤材料阻力变化的影响，为认识荷尘速率对过滤材料阻力的影响提供依据，为进一步预测滤料使用寿命提供基础.

1 理论分析

荷尘过程中过滤材料的阻力变化主要来自两个方面，一是洁净滤料自身结构产生的阻力ΔP1，二是颗粒物沉积所产生的阻力ΔP2，两者之和构成了荷尘滤料的总阻力.其中，颗粒物沉积所产生的阻力ΔP2包括沉积在滤料内部颗粒所产生的阻力ΔP21与沉积在滤料表面颗粒物所形成的滤饼的阻力ΔP22两部分.因此，荷尘滤料阻力公式如下：

ΔP=ΔP1+ΔP2=ΔP1+(ΔP21+ΔP22).

(1)

洁净滤料阻力的计算主要基于达西定律，其中Davies[8]经验公式最为常用：

(2)

式中：μ为空气动力学黏度，N·s/m2；v为过滤风速，m/s；αf为滤料的填充率；H为滤料厚度，m；df为纤维直径，μm.

而沉积在滤料内部颗粒物所产生的阻力ΔP21，目前尚未有针对性的公式表达，简化处理方法是将进入滤料的颗粒视为纤维的一部分，利用式(2)进行阻力分析.

在对沉积于滤料表面滤饼引起的阻力ΔP22的计算中，Endo等[11]在已有公式的基础上考虑了颗粒的多分散性和形状，推导出可广泛应用的公式：

(3)

式中：ε为孔隙率；f(ε)为孔隙率函数；κ为颗粒动态形状因子；dvg为被测颗粒几何平均直径，μm；σg为几何标准差.

由式(2)可知，洁净滤料的阻力随着过滤风速、滤料厚度、填充率的增大而增大，随着纤维直径的增大而减小.由式(3)可知，沉积颗粒产生的阻力除了受到过滤风速、粉尘层厚度的影响外，还要受到颗粒平均粒径、几何标准差，以及所形成粉尘层孔隙率的影响.荷尘过程中形成的粉尘层孔隙率越大，阻力增长会越慢.

高效滤料由于纤维较细且内部排列紧密，滤料内部空间较小，荷尘时绝大部分颗粒沉积于滤料表面形成滤饼，ΔP2主要为所形成的滤饼阻力ΔP22.而对于非高效过滤材料而言，由于其内部结构较为疏松，存在较大孔隙，在荷尘初期能容纳较多颗粒进入滤料内部，填补纤维间的空隙，会经历较长的深度过滤和过渡阶段，使得滤料总阻力增大；此阶段，能够进入滤料内部的颗粒物量影响了滤料阻力的增长，而进入滤料内部颗粒物数量受洁净滤料结构的影响较大.之后，颗粒会在滤料表面沉积形成滤饼，这时，粉尘的特性及粉尘层的孔隙率对阻力增长的影响将变得显著.

2 实验方案

本研究测试装置如图1所示，该装置由三部分组成，即发尘部分、滤料测试部分和空气流量控制部分.在发尘部分，粉尘通过发尘器进入测试管道，管道顶部装有2个高效过滤器，为测试管道补充洁净空气.在滤料测试部分，使用定制的过滤材料夹具夹持测试滤料，滤料的有效过滤直径为100 mm，实验过程中阻力变化由微差压变送器(JYB-DW-A-5k，昆仑海岸)进行实时监测.使用孔板流量计测量管道内流量，孔板阻力由微差压变送器(JYB-DW-A-1k，昆仑海岸)测得，并由自制的可反馈孔板流量的控制软件对风机变频器进行调控，使测试管道内流量稳定于所需流量，相对误差小于2%.

图1 滤料荷尘测试系统图

使用ISO 12103-1，A2粉尘作为测试粉尘，每次实验前在烘箱内以120 ℃烘干2 h备用，以保证粉尘干燥，粉尘的粒径分布详见文献[18].使用4种玻璃纤维空气过滤材料进行实验，表1为过滤材料的基本性能，通过测试可知，1#，2#，3#，4#滤料等级依次递增，根据《气体净化用纤维层滤料》(GB/T 355754—2017)[19]，在过滤风速为20 cm/s、颗粒粒径为0.4 μm测试条件下，1#滤料略低于中效过滤材料等级，2#和3#滤料属于中效过滤材料，4#滤料达到了亚高效过滤材料等级.图2为4种过滤材料的SEM图像.实验过程中，A2粉尘随气流进入管道，加载在滤料上.荷尘速率指单位时间向单位面积滤料加载的粉尘量，过滤风速相同时，含尘气体中粉尘的质量浓度(即荷尘质量浓度)可反映荷尘速率的差异.实验首先在同一过滤风速(分别为20，40 cm/s)下研究荷尘质量浓度对不同等级过滤材料阻力变化的影响，然后分析在相同荷尘速率下，过滤风速对阻力的影响.由于仪器误差，在过滤风速为20 cm/s时，荷尘质量浓度难以准确调整到固定值，所以在进行不同等级滤料对比时，只能用相近的荷尘质量浓度值进行对比.实验中，单次实验全过程荷尘速率可以看作基本不变.实验初期使用计重浓度测试仪(8533，TSI)测试滤料下游粉尘质量浓度，结果总尘质量浓度均在0.1 mg/m3以下，表明测试滤料对该粉尘过滤效率较高，实验中下游粉尘量相对于上游收集在滤料上的粉尘量可忽略，因此可在实验结束后对测试滤料进行称重，利用滤料增重作为总的荷尘量，并由此计算荷尘质量浓度.

表1 过滤材料基本性能

图2 4种洁净滤料的扫描电子图像

3 结果与讨论

3.1 不同等级过滤材料荷尘过程阻力变化

本文首先研究了4种不同等级滤料分别在荷尘质量浓度约为2.2 g/m3、过滤风速为20和40 cm/s 条件下阻力变化，如图3、图4所示.

由图3a、图4a可知，各滤料在荷尘实验中阻力变化规律基本相同，均存在较长的深度过滤和过渡阶段，最后达到表面过滤阶段.但由于各滤料基本参数不同，初始阻力不同，使得其阻力随单位面积荷尘量变化曲线呈现不同的趋势.为便于比较，使用阻力(ΔP)/初始阻力(ΔP0)，即归一化阻力作为纵坐标，分析阻力增长倍数随单位面积荷尘量的变化，结果如图3b，3c，图4b，4c所示.通过分析可知，在荷尘全过程1#滤料阻力增长最快，而4#滤料阻力增长最为缓慢.这是由于1#滤料等级较低，纤维排列较为疏松、内部空间大，填充率较小，纤维平均直径大，在荷尘初期，荷尘量相同时能容纳较多的小颗粒进入滤料内部，使内部空间迅速被填充，因此在深度过滤和过渡阶段阻力增长最快，并为表面过滤阶段阻力的增长奠定了基础，在后续的荷尘过程中，继续保持了归一化阻力值较高的特点.2#滤料和3#滤料的等级高于1#滤料，纤维更细，填充率较1#滤料高，内部空间较1#滤料小，滤料内部可容纳的颗粒物更少，所以归一化阻力的增长较1#滤料缓慢.2#滤料和3#滤料相比，虽然2#滤料填充率略高于3#滤料，但2#滤料的纤维平均直径约为3#滤料的1.7倍，初期进入滤料的颗粒可以更深入分散，可容纳较多颗粒进入滤料内部，故2#滤料归一化阻力增长在过滤初期与3#滤料相差不大，但随着荷尘过程的进行，逐渐高于3#滤料.而4#滤料等级更高，纤维更细，填充率在4种滤料中最大，内部空间最小，荷尘初期仅有少量小颗粒进入滤料内部空隙处，大部分粉尘颗粒沉积于滤料表面并较快转为表面过滤阶段，而荷尘初期粉尘在表面的沉积量少且分散，对阻力增长的影响相对较小，因此在深度过滤和过渡阶段归一化阻力增长最慢；初期阻力的低增长速率影响了表面过滤阶段的阻力，使得表面过滤阶段归一化阻力仍维持在较低的值.进一步考察1#和4#滤料由深度过滤和过渡阶段向表面过滤阶段转化的过程，由图3b，图4b可知，1#和4#滤料进入表面过滤的单位面积荷尘量分别约为40，20 mg/cm2(图3b)和35，20 mg/cm2(图4b).可以看出，4#滤料达到表面过滤所需荷尘量较少，这与4#滤料纤维较细、内部空间较小，相比于1#滤料需要较少荷尘量即进入表面过滤有关，与前文的分析一致.因此对于非高效过滤材料，相同荷尘量时，等级越低的滤料其归一化阻力越高.

图3 过滤风速20 cm/s条件下滤料等级对荷尘过程中滤料阻力的影响

图4 过滤风速40 cm/s条件下滤料等级对荷尘过程中滤料阻力的影响

3.2 荷尘质量浓度对阻力变化的影响

图5为各滤料在过滤风速20 cm/s条件下，以不同荷尘质量浓度加载A2粉尘时，阻力随单位面积荷尘量的变化曲线.可以看出，对于同种滤料，当粉尘浓度高时，阻力随单位面积荷尘量的增长速度慢，而粉尘浓度低时，阻力增长速度快；对于不同等级的滤料，3#和4#滤料阻力增长受荷尘质量浓度的影响明显比1#和2#滤料要小.以1#滤料为例，当其分别以荷尘质量浓度为1.1，2.4，4.4 g/m3荷尘时，其表面过滤阶段阻力增长斜率分别为149，135，125 Pa·cm2·mg-1，呈递减规律；达到表面过滤的单位面积荷尘量分别为30，35，40 mg/cm2，可以看出，荷尘质量浓度较低时达到表面过滤所需的荷尘量较小.

分析原因，可能是当以低浓度荷尘时，单位体积内颗粒物数量少、间隙大，粉尘在进入滤料时有较多的时间和空间进行稳定、紧密地排列，在一定荷尘量时能容纳较多的颗粒进入滤料内部，相同荷尘量时阻力增长较快，达到表面过滤阶段所需荷尘量也较少.在表面过滤阶段，同样由于浓度低时颗粒物的间隙较大，有时间进行稳定紧密地排列，所形成的滤饼更为致密，而使此阶段阻力增长速率较大，这与文献[17]中荷尘质量浓度对高效滤料影响的规律相同.

对比4种滤料在不同荷尘质量浓度时的阻力变化关系，如图5所示，可以看出，滤料在荷尘初期阻力缓慢增长阶段，荷尘质量浓度对于等级较低的1#和2#滤料阻力变化的影响较为明显，而对等级较高的3#和4#滤料影响不大.荷尘前期，各滤料在不同荷尘质量浓度条件下荷尘量为20和30 mg/cm2时所对应阻力值如图6所示.1#和2#滤料在单位面积荷尘量为20 mg/cm2时，荷尘质量浓度为4.3 g/m3时的阻力较1.2 g/m3时分别减小约50%，而3#滤料仅减小约20%，4#滤料在各浓度下的阻力基本相同.1#和2#滤料在单位面积荷尘量为30 mg/cm2时，荷尘质量浓度为4.3 g/m3时的阻力较1.2 g/m3时分别减小约55%，而对于3#和4#滤料则均减小20%.

图5 荷尘质量浓度对滤料阻力的影响

图6 不同荷尘量的阻力分布情况

在荷尘初期，等级较高的滤料内部空间较小，荷尘时粉尘颗粒排列的自主性较低，不同质量浓度时排列紧密程度大致相同，因而在深度过滤阶段荷尘质量浓度对于滤料阻力的影响不明显.到表面过滤阶段，粉尘颗粒分布的影响突出，荷尘质量浓度对等级较高滤料阻力的影响才会显现.

3.3 过滤风速对荷尘过程阻力变化的影响

使用相同的荷尘速率对不同过滤风速下阻力变化情况进行比较.图7为4种滤料在过滤风速为20和40 cm/s时的阻力变化曲线，由达西定律可知，过滤材料的初始阻力与过滤风速呈线性关系，为研究荷尘过程中粉尘加载量对阻力变化的影响情况，纵坐标仍采用阻力与初始阻力的比值.由图7可知，当荷尘速率一定时，不同风速下阻力增长规律一致，阻力增长曲线基本重合.由此可知，在本实验条件下，过滤风速对于荷尘过程中阻力变化的影响不大.

图7 过滤风速对滤料阻力的影响

4 数据分析

为描述荷尘过程阻力变化规律，采用经验公式拟合所得的实验数据.对于式(1)，假设颗粒物沉积所产生的阻力与洁净滤料阻力的比为ΔP2/ΔP1=C1MC2，其中M为单位面积荷尘量，则式(1)可改写为式(4)，在模型中将C1，C2视为荷尘速率的函数.

(4)

图8、图9为各滤料的C1，C2变化情况.由图8可知，各滤料在相同的荷尘条件下，C1值随荷尘速率的增加均略有减小，C2值则略有增加，4种滤料C1，C2值的变化趋势一致，1#和2#滤料的C1，C2值随荷尘速率的变化较3#和4#更大.由图9可知在20和40 cm/s两个过滤风速下，随荷尘速率的增加，C1，C2值仍分别表现为减小和增大，且同种滤料两个风速的C1，C2值差距不大，过滤风速对其影响不显著.此公式可表达出荷尘速率对阻力变化的影响情况.