荷塵速率對非高效過濾材料阻力特性的影響

林秀麗， 趙一璇， 柳靜獻(xiàn)

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

隨著科技發(fā)展和對顆粒物危害認(rèn)識水平的提高，越來越多的行業(yè)和場所需要用過濾設(shè)備控制顆粒物，以改善空氣質(zhì)量、保證人員健康和正常工業(yè)生產(chǎn).過濾材料是過濾設(shè)備的核心，表征過濾材料性能的主要參數(shù)有阻力和過濾效率.濾料在使用過程中，隨顆粒的捕集，阻力增加且變化幅度較大，直接影響通風(fēng)系統(tǒng)的能耗，同時(shí)影響過濾器的使用壽命[1-2]，因此需要充分關(guān)注過濾材料在荷塵過程中阻力變化情況.非高效過濾材料指高效過濾等級以下的過濾材料，相比于高效過濾材料，非高效過濾材料價(jià)格較低，初始阻力較小，在工業(yè)和民用建筑中的應(yīng)用更加廣泛.然而在不同的使用條件下，非高效過濾材料應(yīng)用場所的粉塵濃度和過濾風(fēng)量不同，即荷塵速率不同，這將影響過濾材料阻力的變化情況，進(jìn)而影響濾料的使用壽命.因此，對非高效過濾材料在不同荷塵速率下的阻力變化進(jìn)行研究，對于正確認(rèn)識荷塵速率對阻力的影響并預(yù)測材料的壽命、合理確定更換周期，以及經(jīng)濟(jì)有效地使用過濾材料具有重要的意義.

1993年Brown[3]指出過濾材料的荷塵過程一般包括三個(gè)階段：深度過濾階段，荷塵初期顆粒被捕集于濾料內(nèi)部，阻力增加緩慢；過渡階段，隨荷塵量的增加，材料內(nèi)部大量空間被占據(jù)，阻力增長速率增大；表面過濾階段，顆粒在材料表面堆積形成濾餅，阻力迅速增加.濾料荷塵過程阻力的變化受諸多使用條件及環(huán)境因素的影響，包括粉塵類型、粒徑分布、溫度、濕度等[4-7].學(xué)者對濾料荷塵阻力變化規(guī)律的研究較多[8-13]，但是在荷塵速率對過濾材料阻力變化影響方面的研究較少.

與荷塵速率相關(guān)的研究主要來自以下文獻(xiàn).Thomas等[14]研究了亞微米顆粒對高效濾料的負(fù)載特性，并分析了風(fēng)速、粒徑和濃度等的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明風(fēng)速和濃度對顆粒沉積和阻力增長均無明顯影響，而顆粒尺寸增大，阻力增長速率降低.Saleem等[7]研究了表面速度和粉塵濃度對中試噴吹袋式除塵器粉塵層形成的影響，發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量濃度較低的條件下，濾餅的密度和阻力較高，同時(shí)過濾速度對濾餅阻力的影響大于粉塵濃度的影響.Cheng等[15]在實(shí)驗(yàn)中使用高效過濾材料對3種粉塵在不同風(fēng)速下進(jìn)行荷塵實(shí)驗(yàn)，研究過濾風(fēng)速對濾餅阻力和孔隙率的影響，結(jié)果表明過濾風(fēng)速越高，濾餅孔隙度越小，濾餅被壓實(shí)阻力越大.Chen等[16]使用粉煤灰針對高效濾料研究了過濾速度對于濾餅形成的影響，認(rèn)為濾餅在形成的過程中隨沉積顆粒質(zhì)量的增加而被壓縮，過濾風(fēng)速越大，顆粒的動能越大，使得粒子堆積速度越快，能產(chǎn)生更強(qiáng)的壓縮性.Wang等[17]第一次系統(tǒng)研究了荷塵速率對高效過濾材料阻力變化的影響，結(jié)果表明，濾料表面達(dá)到相同荷塵量時(shí)，濾料阻力隨粉塵質(zhì)量濃度的增加而減小，而過濾風(fēng)速在此實(shí)驗(yàn)中的影響可忽略.

綜上可知，目前針對荷塵速率對荷塵過程中阻力變化影響的研究主要集中在高效過濾材料方面，對于非高效過濾材料，由于其結(jié)構(gòu)較高效過濾材料疏松，荷塵時(shí)阻力變化情況會與高效濾料不同，而荷塵速率對非高效過濾材料阻力變化的影響研究尚未見系統(tǒng)性報(bào)道.

本文通過實(shí)驗(yàn)研究4種非高效過濾材料在荷塵過程中的阻力變化，獲得荷塵質(zhì)量濃度以及過濾風(fēng)速對不同等級過濾材料阻力變化的影響，為認(rèn)識荷塵速率對過濾材料阻力的影響提供依據(jù)，為進(jìn)一步預(yù)測濾料使用壽命提供基礎(chǔ).

1 理論分析

荷塵過程中過濾材料的阻力變化主要來自兩個(gè)方面，一是潔凈濾料自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻力ΔP1，二是顆粒物沉積所產(chǎn)生的阻力ΔP2，兩者之和構(gòu)成了荷塵濾料的總阻力.其中，顆粒物沉積所產(chǎn)生的阻力ΔP2包括沉積在濾料內(nèi)部顆粒所產(chǎn)生的阻力ΔP21與沉積在濾料表面顆粒物所形成的濾餅的阻力ΔP22兩部分.因此，荷塵濾料阻力公式如下：

ΔP=ΔP1+ΔP2=ΔP1+(ΔP21+ΔP22).

(1)

潔凈濾料阻力的計(jì)算主要基于達(dá)西定律，其中Davies[8]經(jīng)驗(yàn)公式最為常用：

(2)

式中：μ為空氣動力學(xué)黏度，N·s/m2；v為過濾風(fēng)速，m/s；αf為濾料的填充率；H為濾料厚度，m；df為纖維直徑，μm.

而沉積在濾料內(nèi)部顆粒物所產(chǎn)生的阻力ΔP21，目前尚未有針對性的公式表達(dá)，簡化處理方法是將進(jìn)入濾料的顆粒視為纖維的一部分，利用式(2)進(jìn)行阻力分析.

在對沉積于濾料表面濾餅引起的阻力ΔP22的計(jì)算中，Endo等[11]在已有公式的基礎(chǔ)上考慮了顆粒的多分散性和形狀，推導(dǎo)出可廣泛應(yīng)用的公式：

(3)

式中：ε為孔隙率；f(ε)為孔隙率函數(shù)；κ為顆粒動態(tài)形狀因子；dvg為被測顆粒幾何平均直徑，μm；σg為幾何標(biāo)準(zhǔn)差.

由式(2)可知，潔凈濾料的阻力隨著過濾風(fēng)速、濾料厚度、填充率的增大而增大，隨著纖維直徑的增大而減小.由式(3)可知，沉積顆粒產(chǎn)生的阻力除了受到過濾風(fēng)速、粉塵層厚度的影響外，還要受到顆粒平均粒徑、幾何標(biāo)準(zhǔn)差，以及所形成粉塵層孔隙率的影響.荷塵過程中形成的粉塵層孔隙率越大，阻力增長會越慢.

高效濾料由于纖維較細(xì)且內(nèi)部排列緊密，濾料內(nèi)部空間較小，荷塵時(shí)絕大部分顆粒沉積于濾料表面形成濾餅，ΔP2主要為所形成的濾餅阻力ΔP22.而對于非高效過濾材料而言，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，存在較大孔隙，在荷塵初期能容納較多顆粒進(jìn)入濾料內(nèi)部，填補(bǔ)纖維間的空隙，會經(jīng)歷較長的深度過濾和過渡階段，使得濾料總阻力增大；此階段，能夠進(jìn)入濾料內(nèi)部的顆粒物量影響了濾料阻力的增長，而進(jìn)入濾料內(nèi)部顆粒物數(shù)量受潔凈濾料結(jié)構(gòu)的影響較大.之后，顆粒會在濾料表面沉積形成濾餅，這時(shí)，粉塵的特性及粉塵層的孔隙率對阻力增長的影響將變得顯著.

2 實(shí)驗(yàn)方案

本研究測試裝置如圖1所示，該裝置由三部分組成，即發(fā)塵部分、濾料測試部分和空氣流量控制部分.在發(fā)塵部分，粉塵通過發(fā)塵器進(jìn)入測試管道，管道頂部裝有2個(gè)高效過濾器，為測試管道補(bǔ)充潔凈空氣.在濾料測試部分，使用定制的過濾材料夾具夾持測試濾料，濾料的有效過濾直徑為100 mm，實(shí)驗(yàn)過程中阻力變化由微差壓變送器(JYB-DW-A-5k，昆侖海岸)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測.使用孔板流量計(jì)測量管道內(nèi)流量，孔板阻力由微差壓變送器(JYB-DW-A-1k，昆侖海岸)測得，并由自制的可反饋孔板流量的控制軟件對風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行調(diào)控，使測試管道內(nèi)流量穩(wěn)定于所需流量，相對誤差小于2%.

圖1 濾料荷塵測試系統(tǒng)圖

使用ISO 12103-1，A2粉塵作為測試粉塵，每次實(shí)驗(yàn)前在烘箱內(nèi)以120 ℃烘干2 h備用，以保證粉塵干燥，粉塵的粒徑分布詳見文獻(xiàn)[18].使用4種玻璃纖維空氣過濾材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表1為過濾材料的基本性能，通過測試可知，1#，2#，3#，4#濾料等級依次遞增，根據(jù)《氣體凈化用纖維層濾料》(GB/T 355754—2017)[19]，在過濾風(fēng)速為20 cm/s、顆粒粒徑為0.4 μm測試條件下，1#濾料略低于中效過濾材料等級，2#和3#濾料屬于中效過濾材料，4#濾料達(dá)到了亞高效過濾材料等級.圖2為4種過濾材料的SEM圖像.實(shí)驗(yàn)過程中，A2粉塵隨氣流進(jìn)入管道，加載在濾料上.荷塵速率指單位時(shí)間向單位面積濾料加載的粉塵量，過濾風(fēng)速相同時(shí)，含塵氣體中粉塵的質(zhì)量濃度(即荷塵質(zhì)量濃度)可反映荷塵速率的差異.實(shí)驗(yàn)首先在同一過濾風(fēng)速(分別為20，40 cm/s)下研究荷塵質(zhì)量濃度對不同等級過濾材料阻力變化的影響，然后分析在相同荷塵速率下，過濾風(fēng)速對阻力的影響.由于儀器誤差，在過濾風(fēng)速為20 cm/s時(shí)，荷塵質(zhì)量濃度難以準(zhǔn)確調(diào)整到固定值，所以在進(jìn)行不同等級濾料對比時(shí)，只能用相近的荷塵質(zhì)量濃度值進(jìn)行對比.實(shí)驗(yàn)中，單次實(shí)驗(yàn)全過程荷塵速率可以看作基本不變.實(shí)驗(yàn)初期使用計(jì)重濃度測試儀(8533，TSI)測試濾料下游粉塵質(zhì)量濃度，結(jié)果總塵質(zhì)量濃度均在0.1 mg/m3以下，表明測試濾料對該粉塵過濾效率較高，實(shí)驗(yàn)中下游粉塵量相對于上游收集在濾料上的粉塵量可忽略，因此可在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對測試濾料進(jìn)行稱重，利用濾料增重作為總的荷塵量，并由此計(jì)算荷塵質(zhì)量濃度.

表1 過濾材料基本性能

圖2 4種潔凈濾料的掃描電子圖像

3 結(jié)果與討論

3.1 不同等級過濾材料荷塵過程阻力變化

本文首先研究了4種不同等級濾料分別在荷塵質(zhì)量濃度約為2.2 g/m3、過濾風(fēng)速為20和40 cm/s 條件下阻力變化，如圖3、圖4所示.

由圖3a、圖4a可知，各濾料在荷塵實(shí)驗(yàn)中阻力變化規(guī)律基本相同，均存在較長的深度過濾和過渡階段，最后達(dá)到表面過濾階段.但由于各濾料基本參數(shù)不同，初始阻力不同，使得其阻力隨單位面積荷塵量變化曲線呈現(xiàn)不同的趨勢.為便于比較，使用阻力(ΔP)/初始阻力(ΔP0)，即歸一化阻力作為縱坐標(biāo)，分析阻力增長倍數(shù)隨單位面積荷塵量的變化，結(jié)果如圖3b，3c，圖4b，4c所示.通過分析可知，在荷塵全過程1#濾料阻力增長最快，而4#濾料阻力增長最為緩慢.這是由于1#濾料等級較低，纖維排列較為疏松、內(nèi)部空間大，填充率較小，纖維平均直徑大，在荷塵初期，荷塵量相同時(shí)能容納較多的小顆粒進(jìn)入濾料內(nèi)部， 使內(nèi)部空間迅速被填充，因此在深度過濾和過渡階段阻力增長最快，并為表面過濾階段阻力的增長奠定了基礎(chǔ)，在后續(xù)的荷塵過程中，繼續(xù)保持了歸一化阻力值較高的特點(diǎn).2#濾料和3#濾料的等級高于1#濾料，纖維更細(xì)，填充率較1#濾料高，內(nèi)部空間較1#濾料小，濾料內(nèi)部可容納的顆粒物更少，所以歸一化阻力的增長較1#濾料緩慢.2#濾料和3#濾料相比，雖然2#濾料填充率略高于3#濾料，但2#濾料的纖維平均直徑約為3#濾料的1.7倍，初期進(jìn)入濾料的顆?？梢愿钊敕稚ⅲ扇菁{較多顆粒進(jìn)入濾料內(nèi)部，故2#濾料歸一化阻力增長在過濾初期與3#濾料相差不大，但隨著荷塵過程的進(jìn)行，逐漸高于3#濾料.而4#濾料等級更高，纖維更細(xì)，填充率在4種濾料中最大，內(nèi)部空間最小，荷塵初期僅有少量小顆粒進(jìn)入濾料內(nèi)部空隙處，大部分粉塵顆粒沉積于濾料表面并較快轉(zhuǎn)為表面過濾階段，而荷塵初期粉塵在表面的沉積量少且分散，對阻力增長的影響相對較小，因此在深度過濾和過渡階段歸一化阻力增長最慢；初期阻力的低增長速率影響了表面過濾階段的阻力，使得表面過濾階段歸一化阻力仍維持在較低的值.進(jìn)一步考察1#和4#濾料由深度過濾和過渡階段向表面過濾階段轉(zhuǎn)化的過程，由圖3b，圖4b可知，1#和4#濾料進(jìn)入表面過濾的單位面積荷塵量分別約為40，20 mg/cm2(圖3b)和35，20 mg/cm2(圖4b).可以看出，4#濾料達(dá)到表面過濾所需荷塵量較少，這與4#濾料纖維較細(xì)、內(nèi)部空間較小，相比于1#濾料需要較少荷塵量即進(jìn)入表面過濾有關(guān)，與前文的分析一致.因此對于非高效過濾材料，相同荷塵量時(shí)，等級越低的濾料其歸一化阻力越高.

圖3 過濾風(fēng)速20 cm/s條件下濾料等級對荷塵過程中濾料阻力的影響

圖4 過濾風(fēng)速40 cm/s條件下濾料等級對荷塵過程中濾料阻力的影響

3.2 荷塵質(zhì)量濃度對阻力變化的影響

圖5為各濾料在過濾風(fēng)速20 cm/s條件下，以不同荷塵質(zhì)量濃度加載A2粉塵時(shí)，阻力隨單位面積荷塵量的變化曲線.可以看出，對于同種濾料，當(dāng)粉塵濃度高時(shí)，阻力隨單位面積荷塵量的增長速度慢，而粉塵濃度低時(shí)，阻力增長速度快；對于不同等級的濾料，3#和4#濾料阻力增長受荷塵質(zhì)量濃度的影響明顯比1#和2#濾料要小.以1#濾料為例，當(dāng)其分別以荷塵質(zhì)量濃度為1.1，2.4，4.4 g/m3荷塵時(shí)，其表面過濾階段阻力增長斜率分別為149，135，125 Pa·cm2·mg-1，呈遞減規(guī)律；達(dá)到表面過濾的單位面積荷塵量分別為30，35，40 mg/cm2，可以看出，荷塵質(zhì)量濃度較低時(shí)達(dá)到表面過濾所需的荷塵量較小.

分析原因，可能是當(dāng)以低濃度荷塵時(shí)，單位體積內(nèi)顆粒物數(shù)量少、間隙大，粉塵在進(jìn)入濾料時(shí)有較多的時(shí)間和空間進(jìn)行穩(wěn)定、緊密地排列，在一定荷塵量時(shí)能容納較多的顆粒進(jìn)入濾料內(nèi)部，相同荷塵量時(shí)阻力增長較快，達(dá)到表面過濾階段所需荷塵量也較少.在表面過濾階段，同樣由于濃度低時(shí)顆粒物的間隙較大，有時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)定緊密地排列，所形成的濾餅更為致密，而使此階段阻力增長速率較大，這與文獻(xiàn)[17]中荷塵質(zhì)量濃度對高效濾料影響的規(guī)律相同.

對比4種濾料在不同荷塵質(zhì)量濃度時(shí)的阻力變化關(guān)系，如圖5所示，可以看出，濾料在荷塵初期阻力緩慢增長階段，荷塵質(zhì)量濃度對于等級較低的1#和2#濾料阻力變化的影響較為明顯，而對等級較高的3#和4#濾料影響不大.荷塵前期，各濾料在不同荷塵質(zhì)量濃度條件下荷塵量為20和30 mg/cm2時(shí)所對應(yīng)阻力值如圖6所示.1#和2#濾料在單位面積荷塵量為20 mg/cm2時(shí)，荷塵質(zhì)量濃度為4.3 g/m3時(shí)的阻力較1.2 g/m3時(shí)分別減小約50%，而3#濾料僅減小約20%，4#濾料在各濃度下的阻力基本相同.1#和2#濾料在單位面積荷塵量為30 mg/cm2時(shí)，荷塵質(zhì)量濃度為4.3 g/m3時(shí)的阻力較1.2 g/m3時(shí)分別減小約55%，而對于3#和4#濾料則均減小20%.

圖5 荷塵質(zhì)量濃度對濾料阻力的影響

圖6 不同荷塵量的阻力分布情況

在荷塵初期，等級較高的濾料內(nèi)部空間較小，荷塵時(shí)粉塵顆粒排列的自主性較低，不同質(zhì)量濃度時(shí)排列緊密程度大致相同，因而在深度過濾階段荷塵質(zhì)量濃度對于濾料阻力的影響不明顯.到表面過濾階段，粉塵顆粒分布的影響突出，荷塵質(zhì)量濃度對等級較高濾料阻力的影響才會顯現(xiàn).

3.3 過濾風(fēng)速對荷塵過程阻力變化的影響

使用相同的荷塵速率對不同過濾風(fēng)速下阻力變化情況進(jìn)行比較.圖7為4種濾料在過濾風(fēng)速為20和40 cm/s時(shí)的阻力變化曲線，由達(dá)西定律可知，過濾材料的初始阻力與過濾風(fēng)速呈線性關(guān)系，為研究荷塵過程中粉塵加載量對阻力變化的影響情況，縱坐標(biāo)仍采用阻力與初始阻力的比值.由圖7可知，當(dāng)荷塵速率一定時(shí)，不同風(fēng)速下阻力增長規(guī)律一致，阻力增長曲線基本重合.由此可知，在本實(shí)驗(yàn)條件下，過濾風(fēng)速對于荷塵過程中阻力變化的影響不大.

圖7 過濾風(fēng)速對濾料阻力的影響

4 數(shù)據(jù)分析

為描述荷塵過程阻力變化規(guī)律，采用經(jīng)驗(yàn)公式擬合所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).對于式(1)，假設(shè)顆粒物沉積所產(chǎn)生的阻力與潔凈濾料阻力的比為ΔP2/ΔP1=C1MC2，其中M為單位面積荷塵量，則式(1)可改寫為式(4)，在模型中將C1，C2視為荷塵速率的函數(shù).

(4)

圖8、圖9為各濾料的C1，C2變化情況.由圖8可知，各濾料在相同的荷塵條件下，C1值隨荷塵速率的增加均略有減小，C2值則略有增加，4種濾料C1，C2值的變化趨勢一致，1#和2#濾料的C1，C2值隨荷塵速率的變化較3#和4#更大.由圖9可知在20和40 cm/s兩個(gè)過濾風(fēng)速下，隨荷塵速率的增加，C1，C2值仍分別表現(xiàn)為減小和增大，且同種濾料兩個(gè)風(fēng)速的C1，C2值差距不大，過濾風(fēng)速對其影響不顯著.此公式可表達(dá)出荷塵速率對阻力變化的影響情況.

圖8 各濾料在過濾風(fēng)速20 cm/s條件下C1，C2值

圖9 1#和2#濾料在過濾風(fēng)速20，40 cm/s時(shí)C1，C2值

5 結(jié) 論

1) 4種過濾材料在荷塵時(shí)阻力有明顯的三段式變化，濾料等級越低，深度過濾和過渡階段越長.當(dāng)過濾風(fēng)速和荷塵質(zhì)量濃度相同時(shí)，等級越低的濾料其歸一化阻力隨單位面積荷塵量的增長越快，等級越高則越慢.

2) 在本實(shí)驗(yàn)條件下，荷塵速率對濾料阻力增長有明顯影響.在相同過濾風(fēng)速下，荷塵質(zhì)量濃度較低時(shí)，濾料阻力隨單位面積荷塵量的增長速率更快.不同等級濾料受荷塵質(zhì)量濃度影響不同，等級較低的濾料，荷塵質(zhì)量濃度在荷塵初期對阻力即有明顯的影響；而對于等級較高的濾料，影響主要表現(xiàn)在表面過濾階段.

3) 在相近的荷塵速率下，過濾風(fēng)速為20，40 cm/s時(shí)，4種濾料的歸一化阻力隨單位面積荷塵量的變化基本相同，過濾風(fēng)速對于濾料阻力變化的影響不大.

4) 濾料荷塵過程的阻力變化公式可表達(dá)出荷塵速率對不同等級過濾材料荷塵阻力變化的影響情況.