閆  雪  劉興成   沈恒根
東華大學環境科學與工程學院

       【摘  要】針對電力行業含塵煙氣凈化問題，選取2種袋式除塵濾料，通過實驗研究，探索分析5種濾料（1號PPS進口纖維濾料、2號PPS國產纖維濾料、3號P84+PPS（PTFE基布）混紡濾料、4號PPS（PTFE乳液浸漬）濾料、5號P84濾料）間性能的差異。結果表明：5種濾料緯向斷裂強力，5號濾料＞1號濾料＞4號濾料＞2號濾料＞3號濾料，其值在1209N～2219N之間；經向斷裂強力相當，其值在910N～1122N之間；PPS濾料在180-220℃下處理24h后經、緯向斷裂強力提升6.98%-13.88%；P84濾料在180-220℃下處理24h后經、緯向斷裂強力提升0.52%~16.94%；不同風速下 5種濾料對PM2.5的過濾效率，5號濾料＞3號濾料＞4號濾料＞1號濾料＞2號濾料，其值在33.20%～74.12%之間。

       【關鍵詞】電力行業  袋式除塵濾料  力學性能  耐溫特性  過濾性能

0 引  言

       我國的電力、鋼鐵等重工業發展迅速，重工業產生的大量高溫含塵氣體若直接排放，會造成嚴重的環境污染，因此我國對各工業爐窯已經制定了嚴格的污染物的排放限值，由“超低排放”全面轉向“近零排放”。在此背景下，袋式除塵器作為一種對煙塵類顆粒物的控制效果好、構造簡單并且運行投資低的除塵設備，普遍應用于各工業領域。[1]在袋式除塵系統中，濾袋是系統的心臟，濾袋所選用的濾料，很大程度上決定著濾袋的壽命和捕集效率。根據電廠袋式除塵用濾料的演變清況，對燃煤電廠鍋爐袋式除塵器使用的各種濾料進行測試及分析。所選濾料包括：PPS+P84混紡濾料、PPS濾料、PTFE乳液浸漬處理后的PPS濾料以及P84濾料。對5種濾料的力學特性、耐溫特性和過濾特性進行分析和對比試驗研究，為PPS濾料（國產PPS纖維）性能的提高和防治工業PM2.5以及為電力行業超低排放用袋式除塵濾料的設計選用提供一定的參考。

1 實驗部分

       1.1 實驗材料

       選用5種電力行業用袋式除塵器常用濾料，編號為1號～5號，如表1所示。

表1 實驗材料

       1.2 實驗裝置和方法

       1.2.1 耐溫特性實驗

       1）濾料的熱尺寸穩定性。熱尺寸穩定性測試使用的實驗儀器為DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱。按國家標準GB/T6719-2009《袋式除塵器技術要求》剪取200mm×200mm 試樣若干塊，并標明經向和緯向。分別放置在180，200，220 ℃恒溫干燥箱內加熱24h后取出，然后置于相對濕度60%、20 ℃的環境中冷卻24h后分別測定試樣的經、緯向長度，每種濾料取3塊樣品經、緯向測量3次數據的算術平均值，計算熱尺寸收縮率γ，見式（1）：

       γ=（L₀-L₁）/L₀×100%    （1）

       式中：γ為經過熱處理后濾料的經、緯向熱尺寸收縮率，%; L₀為未經熱處理濾料的經、緯向長度，mm; L₁為經過熱處理后濾料的經、緯向長度，mm。

       2）濾料的耐溫力學性能。耐溫力學性能測試使用的的實驗儀器為DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱，YG065CT電子式織物強力儀。按國家標準GB/T 3923.1-2013《紡織品　織物拉伸性能　第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定　條樣法》，剪取經、緯向濾料300mm50mm試樣若干條。分別放置在180，200，220 ℃恒溫干燥箱內加熱24h后取出，然后放置在相對濕度60%、20 ℃的環境中24h后測定經、緯向斷裂強力，取測試3組數據的算術平均值，計算其斷裂強力的保持率λ，見式（2）。

       λ=F_i/F_20℃×100% （2）

       式中：λ為經過熱處理后濾料經、緯向的斷裂強力保持率，%；F_20℃為濾料常溫下經、緯向斷裂強力，N；F_i為經過熱處理后濾料的經、緯向斷裂強力，N；i=180,200,220 ℃。

       1.2.2 過濾效率測試

       實驗材料為剪取直徑為11.3cm的圓形濾料一塊，分別測定風速為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m·min-1時其前后側的顆粒物質量濃度，每組測20個數據取平均值，并計算過濾效率，見式（3）。

       η=(n₁-n₂)/n₁×100%    （3）

       式中：η為過濾效率，%；n₁為濾料過濾前側含有該粒徑范圍的顆粒物質量濃度平均值，μg·m^-3；n₂為濾料過濾后側含有該粒徑范圍的顆粒物質量濃度平均值，μg·m^-3。

       圖1為濾料靜態過濾性能測試裝置，其工作原理為:將待測圓形濾料放置到測試管道上，通過實驗裝置上的夾持裝置器固定，開啟真空泵抽取穩定的氣流運動，通過轉子流量計進行調整進入管道的氣體流量，管道的內徑為80 mm，濾料過濾風速即為轉子流量計調節的氣體流量與測試管道橫截面積的比值。實驗開始后，實驗房間內的氣體通過集流器進入管道，自上而下通過被測濾料，而后經轉子流量計再由真空泵排出^[2]。按照GB /T 6719-2009《袋 式 除 塵 器 技 術 要 求》 進行測試，用Grimm便攜式顆粒物監測儀分別在進氣側采樣口和凈氣側采樣口測定不同粒徑顆粒物的質量濃度。

2 結果與分析

       2.1 濾料的力學性能

       超低排放用袋式除塵濾袋能否長期高效的使用，與濾料的力學性能有直接的關系，某些工藝場合對濾料的撞擊磨損程度很大，如果濾料的強力很低，則容易造成纖維破壞，從而導致濾料發生破損。

       圖2為常溫下5種濾料的斷裂強力對比，5種濾料緯向斷裂強力有明顯差異，且均大于經向，可能是在濾料克重相差不多時，濾料在制備過程中對緯向的梳理會使緯向強力有明顯的提升。按照標準GB/T 6719-2009《袋式除塵器技術要求》對普通型濾料和高強型濾料斷裂強力和斷裂伸長的分類，普通型非織造濾料的經向強力≥900，緯向強力≥1200，可以判定本次測試5種濾料均為普通型濾料。由圖可知2號濾料的經、緯向斷裂強力分別為1076N、1189N，1號濾料的經、緯向斷裂強力分別比2號濾料的大778N、46N。4號濾料是經過PTFE乳液浸漬的PPS濾料，比2號的緯向斷裂強力提高26.32%，經向斷裂強力與2號濾料基本相同，說明PTFE乳液浸漬后，加強了纖網表面纏結，有利于PPS濾料的力學性能提高，但強力提高率并不是很高，這是因為基布是為濾料提供強力的主要部分，纖網所提供的強力占次要地位，而PTFE乳液對于處于濾料中部的基布作用相對較少，所以強力提高率并不高^[3]。P84纖維是不規則的纖維截面其內應力分布不同,纖維自然曲卷,因此纖維之間具有比較強的抱合力和纏結力^[4]，5號濾料的經、緯向斷裂強力分別為868N、2219N，緯向強力是5種濾料種最高的，但經向斷裂強力遠小于緯向斷裂強力，經向受力易損壞。3號濾料雖然與強力較大的P84濾料混紡，但3號濾料是以強力較小的PTFE纖維作為基布的，而基布又是為濾料提供強力的主要部分，因此P84+PPS（PTFE基布）混紡濾料與PPS濾料的力學性能相差不大。

       2.2 濾料耐溫特性

       2.2.1 濾料的熱尺寸穩定性

       在燃煤電廠中，由于工藝的要求，濾料一般都需要在較高溫度條件下進行除塵。因此，濾料的熱尺寸穩定性與濾料的使用壽命有很大的關系[5]。圖3為5種濾料在180，200，220 ℃下連續處理24h后，經、緯向的熱收縮率變化圖。

       國標GB/T6719—2009《袋式除塵器技術要求》對濾料加熱后熱收縮需要達到的條件是持續在一定溫度下工加熱24h，濾料的經向尺寸變化應≤1.5%，緯向尺寸變化≤1.0%。實驗結果表明，180、200、220 ℃下持續加熱24h之后1號濾料具有良好的熱尺寸穩定性，經向尺寸變化都為0%，緯向尺寸變化分別為0%、0.56%、0.83%，2號經3種溫度下加熱后的經向尺寸變化分別為0.4%、0.78%、1.11%，緯向尺寸變化均為0%，由此看出1號濾料的經向經加熱處理后的尺寸穩定性優于2號而緯向則劣于2號。4號濾料在3種實驗條件下經向、緯向的尺寸變化小于2號濾料，利用PTFE乳液浸漬處理提高了2號濾料的熱尺寸穩定性，可見后處理是改變濾料熱穩定性的因素之一。5號濾料在三種溫度下加熱后，經向、緯向都未發生變化，具有很好的尺寸保持性，P84纖維和PTFE纖維擁有極好的耐熱特性，因此3號濾料比2號濾料的熱尺寸保持性有所提升，其經向、緯向的熱尺寸收縮率為0%。說明纖維本身的耐熱特性，是影響濾料熱穩定特性的重要因素。若濾料在加熱后尺寸有較大的改變則后使濾袋變形，從而使濾袋長時間受力，增加濾袋的破損的幾率，削弱濾袋的耐久性^[6]。本次測試的5種濾料經熱處理后收縮率都較小，由于實際運行中袋式除塵器采用濾袋的長度約6～8米，濾袋微小的尺寸變化量依舊是不可忽略的。因此在設計袋式除塵器時，應注意高溫煙氣對濾袋尺寸的改變，在國標要求下合理設計袋籠，保證當濾袋尺寸有所改變時過時，濾袋保有一定的預留長度。

       2.2.2 濾料的耐溫力學性能

       圖4、圖5分別是5種濾料在180，200，220 ℃時連續處理24h后的經、緯向的斷裂強力保持率和斷裂伸長保持率的變化圖。

       1）由圖4可以看出2號濾料的斷裂強力保持率高于1號濾料，2號濾料在180，200，220 ℃這三個溫度下持續加熱24h后的經向、緯向斷裂強力保持率分別為108.46%~109.11%、106.98%~113.88%。而1號濾料在180 ℃下持續加熱24h后的經向、緯向斷裂強力保持率分別為99.73%、96.44% ，可以看出國產PPS濾料的耐熱力學特性強于進口PPS濾料。4號濾料的經、緯向斷裂強力保持率分別為101.42%~104.64%、102.99~106.00%，5號濾料的經、緯向斷裂強力保持率分別為112.33%~116.94%、100.52%~104.91%?？梢?號、4號和5號濾料有優異的耐溫力學性能。3號PPS+P84混紡濾料在3個溫度下經向、緯向斷裂強力保持率分別為100.00%~104.7%，95.62%~118.57%，3號濾料在溫度為180℃的環境下處理24小時后斷裂強力有所衰減。

       2）由圖5可知2號濾料在實驗條件下經向斷裂伸長保持率大于1號濾料，二者差值基本維持在10%以內，而2號是濾料的緯向伸長保持率小于1號濾料，二者差值基本維持在20%左右。5號濾料的經向伸長保持率最小，在180，200，220 ℃這3個溫度下持續加熱24h后分別為71.53%，70.59%，74.49%。3號混紡濾料在經向、緯向伸長保持率隨溫度的增高呈下降的趨勢，其值分別為75.58%~90.25%、89.67%~95.16%。4號濾料的經向、緯向伸長保持率基本維持在90%以上，說明4號濾料在實驗條件下拉伸韌性和彈性不錯。

2.3 濾料的過濾特性

       圖6為1m/min過濾風速下1號～5號清潔狀態下濾料對不同粒徑顆粒物的分級效率。由圖可知5種濾料在1m/min過濾風速下對顆粒物的分級過濾效率是隨著顆粒物粒徑的增大而增大。這是因為在低風速下，主要依靠濾料的攔截效應和擴散效應捕集微細顆粒，對直徑越大的顆粒物，濾料的捕集效率越高。

       從變化圖來看，5種濾料對與粒徑≥0.25μm的塵粒的分級過濾效率在分別為1號濾料≥42.91%，2號濾料≥36.04%，3號濾料≥61.83%，4號濾料≥44.53%，5號濾料≥68.92%。粒徑在0.25～4μm范圍內的塵粒，3號濾料對其的效率為61.83%～76.63%，3號濾料在此粒徑范圍內分級過濾效率比1號濾料高4.07%～20.23%，相比2號濾料高19.14%~30.24%，相比4號濾料高6.15%~19.41%，相比5號濾料低0.25%~9.73%。由于P84纖維是一種不規則三葉瓣型截面的纖維，比表面積相比一般纖維截面的更大，因此捕集顆粒的概率更大，過濾效果好，純P84濾料效率高于PPS+P84混紡濾料，而PPS+P84混紡濾料的過濾效率又高于純PPS濾料。經過PTFE浸漬的4號濾料相對純PPS纖維的2號濾料，過濾效果也有所提升，出現這種現象是由于PTFE浸漬會使普通纖維的表面產生一種的聚合物結構，這中改變較大程度的減小了PPS濾料表面的孔隙率，使得滲透至濾料內部的顆粒物減少，有效的改善了PPS濾料的過濾效率，可見后處理是提高濾料過濾效率的方法之一。

       圖7 為0.5m/min，1m/min，1.5m/min，2m/min，2.5m/min，3m/min風速下1號～5號 濾料對環境氣溶膠中PM2.5的過濾效果圖。結果顯示，除1號、2號與4號濾料對PM2.5過濾效率由于風速的增加有所降低，其他2種濾料對PM2.5的過濾性能隨著風速的變化并不是特別明顯，整體變化趨勢較為穩定。在實驗條件下5種濾料在0.5 m/min～3 m/min的過濾風速下，對 PM2.5的過濾效率分別是1號濾料處于39.80%～51.25%之間，2號在33.20%～46.10%之間，3號濾料在51.88%～61.20%之間，4號濾料在40.06%～57.50%之間，5號濾料在70.36%～74.12%之間。

       2.4 過濾阻力特性

       圖8為5種濾料在不同過濾風速下的過濾阻力變化趨勢圖，由圖可知5種濾料的過濾阻力變化趨勢均為過濾風速越大則過濾阻力越大^[7]。當風速為0.5m/min時，1號～5號濾料的過濾阻力分別為3.1、3、3.9、2.5和5.1 Pa。當風速為3m/min時，1號～5號濾料的過濾阻力分別為13.6、11、13.9、11.2和15.3 Pa，5種濾料的過濾阻力在各風速下較為接近。

3 結論

       1）PTFE乳液浸漬是增強PPS濾料斷裂強力的方法之一，PPS濾料在180-220℃下處理24h后經、緯向斷裂強力提升6.98%-13.88%；P84濾料在180-220℃下處理24h后經、緯向斷裂強力提升0.52%~16.94%。    

       2）過濾風速為1m/min時，對于粒徑≥0.25的顆粒物，1號濾料分級過濾效率比2號濾料高2.44%～26.07%；經PTFE乳液浸漬處理的4號濾料的分級過濾效率比2號濾料提升6.27%～18.98%；P84纖維具有不規則的纖維截面，因此纖維表面積大，過濾效率優異，因此與P84混紡的3號濾料相比2號濾料的分級過濾效率提升了17.10%～28.48%；5號濾料具有較強的阻塵與捕塵能力分級過濾效率最高，為68.92%～83.82%；可見PTFE浸漬能夠提升濾料的過濾性能，但濾料本身的異性纖維構造對濾料的過濾性能影響更大。

       3）在不同風速下1號濾料對PM2.5的過濾效率略大于2號濾料，4號濾料和3號濾料相比2號濾料對PM2.5的過濾效率均有所提升，5號濾料對PM2.5的過濾效率對PM2.5的過濾效率＞66%，高于其他四種濾料。

參考文獻

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。