均勻設(shè)計法在濾料過濾性能研究中的應(yīng)用

許慧萍 金 偉 紀(jì)民舉 趙英杰

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0 前言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和綜合國力水平的提高，人們對環(huán)境保護的意識不斷增強。但我國的大氣環(huán)境污染問題仍十分嚴(yán)重，尤其是大氣中煙塵、粉塵的污染問題日趨嚴(yán)峻。究其原因，主要就是自然因素和人為排放因素。其中，自然因素包括風(fēng)揚塵土、火山灰、森林火災(zāi)、植物花粉等；人為排放因素包括煤炭、石油及其他礦物燃燒產(chǎn)生的工業(yè)廢氣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的秸稈燃燒以及機動車產(chǎn)生的粉塵煙氣等等。因此，粉塵和煙塵污染物的治理已成為我國大氣污染控制和工業(yè)廢氣治理的重中之重[1-4]。

目前，國內(nèi)外主要的除塵技術(shù)有旋風(fēng)分離、濕式除塵、電除塵、袋式除塵和過濾分離等。其中，旋風(fēng)分離器造價低、分離效率較高，但需要有一定的速度，如果設(shè)計不當(dāng)，容易產(chǎn)生上渦流，降低分離效率，通常只對粒徑大于20 μm的粉塵 （液滴）具有較好的脫除效果。濕式除塵器除塵效率高，投資相對低，可處理高溫廢氣及黏性的塵粒和液滴，但存在能耗大，廢泥和泥漿需要處理，金屬設(shè)備易被腐蝕等問題。電除塵器過濾精度高，消耗功率少，適用范圍廣，但設(shè)備造價偏高，鋼材消耗量大，過濾效率受粉塵比電阻的影響大，且需要高壓變電和整流設(shè)備。袋式除塵器的分離性能不受塵源濃度、粒度和廢氣量變化的影響，對粒徑0.5 μm的塵粒捕集效率可高達(dá)98%～99%，但運行阻力變化大，濾袋易損壞，在高溫高濕及腐蝕性氣體場合下對濾袋要求高。濾芯/濾筒式過濾器分離性能優(yōu)越，但設(shè)備容塵量小，耐受性差，濾筒易損壞，需要經(jīng)常更換。高效纖維過濾器主要用于分離粒徑在10 μm以下的粉塵，過濾精度可以做得很高，但壓力損失相對較大，對過濾介質(zhì)的運行工況要求較高，一般適用于分離精度要求較高的場合[5-8]。

通過以上幾種除塵設(shè)備的比較，結(jié)合本試驗的特點，選用過濾精度相對較高的高效纖維過濾器作為研究對象，考察不同型號的濾料在不同條件下的過濾性能 （包括阻力降、過濾效率），獲得濾料的優(yōu)化工藝條件。

1 試驗部分

1.1 試驗粉塵的選取

為客觀評價過濾介質(zhì)的各項過濾性能，選用合適的試驗粉塵是非常必要的。本試驗選用滑石粉作為試驗粉塵，密度約為2600 kg/m3，其中滑石含量大于92%。采用MASTERSIZER 2000粒度儀對其粒度分布進行測定，結(jié)果如圖1所示，其中平均粒徑為 2.83 μm。

圖1 試驗粉塵粒度分布曲線

1.2 過濾介質(zhì)的選取

過濾介質(zhì)是過濾器的主要部件之一，過濾器的過濾效率、運行阻力以及維護管理等都與過濾介質(zhì)的材質(zhì)、性能和使用壽命有密切的關(guān)系。本試驗采用1#、3#中空纖維濾料作為過濾介質(zhì)，其采用的纖維具有很大的孔隙率，即粉塵在特制濾材中呈立體分布，阻力小，并具有很大的操作彈性，不會因氣量的巨大波動及總阻力的增大而遭到破壞。1#、3#濾料的材料性能如表1所示。

表1 濾料材料性能

1.3 試驗流程

本試驗所用的氣體為空氣，高效纖維過濾器的直徑選用?150 mm，具體試驗工藝流程如圖2所示。

圖2 試驗流程

首先，在過濾器內(nèi)裝填1#濾料17片或3#濾料15片 （兩種濾料在完全松散、無壓縮的情況下填入到過濾箱內(nèi)，且高度相同）。啟動風(fēng)機，按試驗要求由流量計調(diào)節(jié)風(fēng)量，試驗粉塵按一定濃度由加料器定量地加入過濾器進行濾料，在不同的工況下進行過濾試驗。其阻力降由過濾器進、出口的差壓計直接讀出；過濾效率可根據(jù)氣體進、出口的含塵濃度計算獲得，其中進口含塵濃度由加料器控制，出口含塵濃度由濃度測定儀測得。

2 濾料過濾性能優(yōu)化試驗

為保證試驗結(jié)果的可靠性、代表性，減少試驗次數(shù)，采用均勻設(shè)計法進行試驗[9]。試驗數(shù)據(jù)采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件進行逐步回歸分析[10]。

本試驗分別考察了1#、3#兩種濾料在不同的氣體含塵濃度、過濾風(fēng)速、濾料壓縮率和過濾時間條件下的阻力降及過濾效率?？疾鞐l件的范圍如下：

x1——氣體含塵濃度，為0.5～4 g/m3；

x2——過濾風(fēng)速， 為0.5～1.5 m/s；

x3——濾料壓縮率，為15%～50%;

x4——過濾時間，為3～30 min。

表2 1#濾料均勻設(shè)計試驗方案及結(jié)果

由表2中的數(shù)據(jù)可知，阻力降隨某一因素的變化規(guī)律不明顯，各影響因素之間存在交互作用。將表2數(shù)據(jù)用DPS軟件中的 “二次多項式逐步回歸”命令，以Y為考察目標(biāo)進行分析，對回歸系數(shù)顯著性進行檢驗。在α=0.05顯著水平下剔除不顯著項后得到回歸方程：

表3 3#濾料均勻設(shè)計試驗方案及結(jié)果

該方程P=0.0001＜0.05，相關(guān)系數(shù)R=0.9997，調(diào)整后的相關(guān)系數(shù) Ra=0.9994；Df(4,3)， F=1483.31＞F0.05(4,3)=9.12，相關(guān)性顯著；最大擬合誤差的絕對值為0.5465，與剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=0.5404的比值為1.01，可以認(rèn)為該回歸方程非常顯著。阻力降影響因素的主次順序為：

依據(jù)回歸方程，結(jié)合各因素的約束條件，DPS軟件預(yù)測回歸方程極值點，得出最佳操作條件為：x1=0.6785， x2=0.5000， x3=16.6592， x4=10.3213，即1#濾料在氣體含塵濃度0.68 g/m3，過濾風(fēng)速0.5 m/s，濾料壓縮率16.7%，過濾時間10.3 min時，阻力降為178 Pa。

根據(jù)上述優(yōu)化條件，對試驗結(jié)果進行驗證，得出 1#濾料試驗值Δp=172 Pa，過濾效率為99.993%，模型阻力降預(yù)測值與試驗值相對誤差為3.49%，說明試驗值與預(yù)測值基本符合，回歸方程在試驗范圍內(nèi)有意義。

由表3中的數(shù)據(jù)可知，阻力降隨某一因素的變化規(guī)律不明顯，各影響因素之間存在交互作用。將表3數(shù)據(jù)用DPS軟件中的 “二次多項式逐步回歸”命令，以Y為考察目標(biāo)進行分析，對回歸系數(shù)顯著性進行檢驗。在α=0.05顯著水平下剔除不顯著項后得到回歸方程：

該方程P=0.0027＜0.05；相關(guān)系數(shù)R=1.0000，調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)Ra=1.0000；Df(6,1)，F(xiàn)=83333.2＞F0.05(6,1)=234.0，相關(guān)性顯著；最大擬合誤差的絕對值為0.0035，與剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=0.0071的比值為0.5，可以認(rèn)為該回歸方程非常顯著。阻力降影響因素的主次順序為：

依據(jù)回歸方程，結(jié)合各因素的約束條件，DPS軟件預(yù)測回歸方程極值點，得出最佳操作條件為：x1=0.5001， x2=0.5000， x3=15.4304， x4=3.0000，即3#濾料在氣體含塵濃度0.5 g/m3，過濾風(fēng)速0.5 m/s，濾料壓縮率15.4%，過濾時間3 min時，阻力降為502 Pa。

根據(jù)上述優(yōu)化條件，對試驗結(jié)果進行驗證，得出 3#濾料試驗值Δp=493 Pa，過濾效率為99.992%，模型阻力降預(yù)測值與試驗值相對誤差為1.83%，說明試驗值與預(yù)測值基本符合，回歸方程在試驗范圍內(nèi)有意義。

將1#濾料和3#濾料的試驗結(jié)果進行對比可知：在其各自優(yōu)化工藝條件下，兩者的過濾效率相當(dāng)，但3#濾料的阻力降是1#濾料的近3倍。因此，在阻力降要求較高的場合，選用1#濾料比3#濾料更合適。

3 結(jié)論

（1）采用均勻設(shè)計法，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，確定了試驗范圍內(nèi)的優(yōu)化工藝條件：對于1#濾料，在氣體含塵濃度0.68 g/m3，過濾風(fēng)速0.5 m/s，濾料壓縮率16.7%，過濾時間10.3 min時，阻力降為172 Pa，過濾效率為99.993%；對于3#濾料，在氣體含塵濃度0.5 g/m3，過濾風(fēng)速0.5 m/s，濾料壓縮率15.4%，過濾時間3 min時，阻力降為493 Pa，過濾效率為99.992%。

（2）在阻力降要求較高的場合，選用1#濾料比3#濾料更合適。

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