高中效過濾器對細顆粒物過濾及容塵性能研究

成澤林，王 宇，李艷菊，王馨雨

（天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

近年來，我國室外空氣污染嚴(yán)重，尤其是以細顆粒物PM2.5污染為主[1-2].人們約90%時間是在建筑物內(nèi)工作和生活，有30%~70%的建筑室內(nèi)空氣污染狀況出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)情況[3-5].辦公建筑人員密集工作時間長，室內(nèi)空氣質(zhì)量好壞與人員健康和工作效率有直接關(guān)系.目前辦公建筑室內(nèi)凈化PM2.5的主要技術(shù)是過濾和靜電，而且過濾技術(shù)使用率更高，過濾器是空氣凈化設(shè)備及新風(fēng)凈化系統(tǒng)中的主要配件.在空氣處理系統(tǒng)中加裝過濾器，可以過濾大氣中的細顆粒物，降低室內(nèi)細顆粒物濃度，為室內(nèi)提供處理過的潔凈空氣[6-7].高效空氣過濾器雖然能夠滿足要求，但是在成本和運行維護等方面要付出高昂的費用，經(jīng)濟方面不夠合理.目前眾多學(xué)者都對高中效過濾器進行了研究[8-10]，其中劉亮等人對F7-F9級空氣過濾器進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)新風(fēng)比在10%~15%范圍內(nèi)，室外濃度≤300μg/m3時，F(xiàn)8級過濾器去除PM2.5效率達到60%，可滿足室內(nèi)PM2.5濃度要求[11-12].因此本文對F8級兩種型式的過濾器展開實驗，通過空氣過濾器性能實驗臺對過濾器容塵過程中的阻力、效率特性進行相關(guān)研究，為后期新風(fēng)系統(tǒng)及空氣凈化設(shè)備選型以及能耗運行分析提供一些數(shù)據(jù)支持.

1 實驗系統(tǒng)與方法

1.1 實驗系統(tǒng)

參照GB/T14295—2019《空氣過濾器》[13]、EN779：2012[14]、ANSI/ASHRAE 52.2—2012[15]搭建了空氣過濾器性能實驗臺，主要用于檢測一般通風(fēng)用空氣過濾器及其他凈化裝置的過濾性能（風(fēng)量、阻力、效率和容塵量）.

實驗臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括：風(fēng)道系統(tǒng)、污染物發(fā)生裝置、采樣和測試系統(tǒng).實驗臺在正壓狀態(tài)下運行，空氣通過變頻風(fēng)機經(jīng)過粗效過濾器和高效過濾器后進入測試風(fēng)道.人工塵發(fā)生系統(tǒng)為負(fù)荷塵發(fā)塵器，發(fā)塵量在4~250 g/h范圍內(nèi).阻力測試系統(tǒng)包括靜壓環(huán)、壓差傳感器.通過壓力傳感器測試待測過濾器前后兩端的靜壓差即為受試過濾器的阻力.顆粒物采樣儀器選用8530粉塵儀，用來測量受試過濾器上下游的PM2.5濃度.實驗臺具體參數(shù)見表1.

圖1 空氣過濾器性能實驗臺系統(tǒng)

表1 空氣過濾器實驗臺技術(shù)能力指標(biāo)

參照GB/T14295—2019《空氣過濾器》[13]標(biāo)準(zhǔn)的要求，對空氣過濾器性能實驗臺進行實驗段空氣阻力和風(fēng)速均勻性調(diào)試實驗.首先進行實驗段空氣阻力調(diào)試，在系統(tǒng)風(fēng)量為3 400 m3/h時，不安裝受試空氣過濾器的情況下測得空氣阻力值在0 Pa附近，符合GB/T14295—2019[13]所規(guī)定的要求.

對風(fēng)速均勻性調(diào)試采用9點法（將風(fēng)道斷面分成9份，取各份中心點為測點，各點分布如圖2示），測量各點風(fēng)速結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，待測過濾器截面的速度場分布均勻，依據(jù)GB/T14295—2019《空氣過濾器》[13]要求的風(fēng)量（900，3 600，5 400 m3/h）下測得受試過濾器截面風(fēng)速變異系數(shù)＜10%，符合GB/T14295—2019所規(guī)定的要求.這是因為該實驗臺為正壓系統(tǒng)，并且在噴嘴后面設(shè)置了穿孔板，使其在到達過濾器前，空氣已經(jīng)充分混合.

圖2 采樣點位置及風(fēng)速測試結(jié)果

從調(diào)試結(jié)果可知，空氣過濾器性能實驗臺各項性能參數(shù)滿足GB/T 14295—2019《空氣過濾器》[13]的要求.

1.2 實驗方法

實驗流程如圖3所示.參照EN779：2012[14]對被測過濾器進行容塵實驗，將ISO 12103-1-A2精細粉塵置于負(fù)荷塵發(fā)塵器中，粉塵以70 mg/m3的濃度吹向被測過濾器.每次發(fā)塵量約為30 g，經(jīng)電子天平稱量，同時利用電子天平對被測過濾器、末端過濾器和發(fā)塵器中殘留的人工塵進行稱量，發(fā)塵結(jié)束后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計算得到每次發(fā)塵過程的過濾器容塵量和計重效率.每次發(fā)塵結(jié)束時，用8530粉塵儀對被測過濾器的上下游PM2.5濃度進行測試，用于評價過濾器對細顆粒物的過濾能力.被測過濾器的前后安裝了壓力傳感器用來測量被測過濾器前后的壓差，通過操作軟件導(dǎo)出.參照EN779：2012[14]提出的容塵實驗終止條件，即當(dāng)出現(xiàn)計重效率低于75%計重效率峰值時，或出現(xiàn)兩個低于85%計重效率峰值時，終止實驗.

圖3 容塵實驗流程

1.2.1 實驗塵源及過濾器

根據(jù)相關(guān)研究[10-11]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室內(nèi)PM2.5濃度≤300μg/m3時，F(xiàn)8級過濾器可有效去除PM2.5.因此本實驗選用F8級袋式化纖和板式化纖過濾器，具體參數(shù)見表2，所用實驗塵ISO 12103-1-A2粉塵的主要成分是二氧化硅，伴有少量其他混合物，其密度為900 kg/m3，粒徑分布見圖4.

表2 空氣過濾器參數(shù)

圖4 A2塵組分

1.2.2 性能分析指標(biāo)[13]

（1）計重效率

對于任一發(fā)塵過程中的計重效率計算式為

式中：Ai為任一發(fā)塵過程結(jié)束時的計重效率，%；W1i為在該發(fā)塵過程中待測過濾器的質(zhì)量增量，g；Wi為在該發(fā)塵過程中實驗塵發(fā)塵量，g.

（2）PM2.5計重效率

對于顆粒物粒徑≤2.5μm的計重效率計算式為

式中：G1為上游采樣段小于或等于2.5μm質(zhì)量濃度的平均值，μg/m3；G2為下游采樣段小于或等于2.5μm質(zhì)量濃度的平均值，μg/m3.

（3）平均計重效率

人工塵平均計重效率計算式為

式中：A為計重效率，%；W1i為每次發(fā)塵過程中待測過濾器的質(zhì)量增量，g；W為發(fā)塵的總質(zhì)量，，g；為任意一個發(fā)塵過程的平均計重效率，.

（4）容塵量

過濾器容塵量計算式為

式中：C為容塵量，g；A為平均計重效率，%；W為發(fā)塵的總質(zhì)量，g.

2 實驗結(jié)果

2.1 清潔狀態(tài)時初阻力變化

本實驗臺在風(fēng)道系統(tǒng)中設(shè)有靜壓環(huán)，通過測量被測試的過濾器前后的靜壓差來獲得阻力值.首先對F8級袋式化纖過濾器和F8級板式化纖過濾器分別在850，1 700，2 550，3 400，4 250 m3/h風(fēng)量下進行初阻力測試，即在沒有發(fā)塵時對兩種過濾器的阻力進行測試，得到初阻力隨風(fēng)量的變化測試結(jié)果（見圖5）.如圖5所示：兩種過濾器的阻力均隨著風(fēng)量的增大而增加，但是二者并不是成正比例增加的，這個結(jié)果與沈恒根[8]等學(xué)者研究得出的結(jié)論也是一致的.兩種過濾器都是F8級，無論是在哪種測試風(fēng)量下，袋式過濾器的阻力均比板式過濾器的阻力大.當(dāng)風(fēng)量為850 m3/h時，袋式過濾器的阻力比板式過濾器的阻力大40%，隨著風(fēng)量的增大，板式過濾器的阻力也逐漸在增加，兩者之間的差值逐漸變小；當(dāng)風(fēng)量為3 400 m3/h時，板式過濾器的阻力比袋式過濾器的阻力大7%；當(dāng)風(fēng)量為4 250 m3/h時，板式過濾器的阻力比袋式過濾器的阻力大11%.

圖5 清潔狀態(tài)兩種過濾器初阻力對比

2.2 荷塵過程中阻力變化

過濾器的過濾特性主要取決于過濾材料，依靠濾料本身以及附著在濾料表面的粉塵層進行過濾，截留空氣中不同粒徑的粉塵.濾料對顆粒物的過濾機理主要包括攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)、擴散效應(yīng)、重力效應(yīng)及靜電效應(yīng).對于不同粒徑段的顆粒物、不同的截面風(fēng)速，各種效應(yīng)所起的作用大小不一樣，也有各種效應(yīng)的聯(lián)合作用[15].

圖6為容塵過程中兩種過濾器阻力隨積塵量的變化.從圖6中可以看出，阻力隨著容塵量的增加而增加.其中板式化纖過濾器初阻力是108.3 Pa，當(dāng)達到其2倍初阻力（216.6 Pa）時，過濾器的計重效率為97.8%，積塵量為33 g；當(dāng)阻力增加至終阻力269.9 Pa（此時為初阻力2.5倍）時，計重效率為94.7%，積塵量為61 g.袋式化纖過濾器初阻力是97.4 Pa，當(dāng)達到其2倍初阻力（194.8 Pa）時，過濾器的計重效率為96.1%，積塵量為342 g；當(dāng)阻力增加至終阻力314.6 Pa（此時為初阻力3.3倍）時，計重效率為88.7%，積塵量為456 g.

通過實驗發(fā)現(xiàn)，這兩種過濾器的終阻力分別為初阻力的2.5倍和3.3倍，與過濾器終阻力達到2倍初阻力值時需更換過濾器[16]的結(jié)果不同，說明這兩種過濾器的實際使用壽命高于GB/T 14295—2019[13]中規(guī)定的使用壽命.

兩種過濾器從初始清潔時到容塵實驗結(jié)束，板式化纖過濾器容塵量為80 g，袋式化纖過濾器容塵量為511 g.袋式化纖過濾器容塵量為板式化纖過濾器的6.4倍，這是由于兩種過濾器有效過濾面積不同，其中板式化纖過濾器有效過濾面積為1.60 m2，袋式化纖過濾器有效過濾面積為5.58 m2.

圖6 荷塵過程中過濾器阻力隨積塵量變化

圖7是兩個過濾器容塵過程中單位濾速阻力變化.考慮到不同類型的過濾器具有不同的過濾面積和過濾速度，為了便于比較，分別對流動阻力和容塵量進行了歸一化處理.為了從阻力變化率的角度分析不同類型過濾器在運行過程中的阻力變化情況，對不同類型過濾器的阻力與容塵量進行線性擬合，得到擬合直線的斜率.從圖7可知，板式化纖過濾器的阻力增長率高于袋式化纖過濾器，是袋式化纖過濾器的1.41倍.說明在相同的風(fēng)量下，袋式化纖過濾器到達到終阻力前的工作時間更長，壽命要高于板式化纖過濾器.

2.3 分級效率對比分析

本實驗對不同風(fēng)量下兩種過濾器的分級效率進行了測試，在不同實驗風(fēng)量下，每次調(diào)整氣溶膠發(fā)生器的KCL發(fā)生量至產(chǎn)生穩(wěn)定濃度的氣溶膠，然后測量過濾效率，即在受試過濾器的上、下游切換采樣，待粒子濃度穩(wěn)定后讀數(shù)，總共需要至少13次計數(shù)，每次不少于20 s.測試結(jié)果如圖8所示，由圖8可知：袋式化纖過濾器和板式化纖過濾器在相同的實驗風(fēng)量下，粒徑范圍越小過濾器過濾效率越低；由于兩種過濾器都是化纖濾料，當(dāng)過濾效率達到一定值時，風(fēng)量增大，過濾效率增長越緩慢.

圖7 荷塵過程中兩種過濾器阻力增長率對比

圖8 兩種過濾器分級效率變化

2.4 荷塵過程中全粒徑顆粒物計重效率結(jié)果分析

圖9是兩個過濾器在荷塵過程中計重效率的變化.從圖9中可以看出，過濾器在容塵的情況下，過濾效率會隨著容塵量的增加發(fā)生變化.過濾器在容塵階段性能表現(xiàn)大致可分為三個階段：初始內(nèi)部過濾階段、中間過渡階段和最終表面過濾階段.

對于剛積塵的過濾器，效率逐漸增加，這是由于在過濾器纖維表面沉積的顆?？梢猿洚?dāng)后到顆粒的捕集體，即出現(xiàn)了“塵濾塵”過濾現(xiàn)象，之前的纖維具有過濾的功能，后面被捕集的塵也落在了纖維上，所形成捕集網(wǎng)空隙變小，密度變大，濾料填充率增大[16].

兩個都是化纖過濾器，計重效率出現(xiàn)了先升高再降低再升高的現(xiàn)象，是由于二次揚塵（沉積在收塵極上的粉塵，因黏附力不夠，受氣流沖刷或振動清灰等因素的影響，使粉塵重新返回氣流中的現(xiàn)象）的原因.同時由于化纖濾料本身就帶有靜電作用，當(dāng)粉塵粒子到達收塵極后就開始輸送它所帶的負(fù)電荷，由于感應(yīng)作用，粉塵粒子又獲得和濾料電極相同的正電荷，并受到使它離開電極的斥力；另一方面，氣體負(fù)離子流又不斷地為粉塵粒子提供負(fù)電荷，這將使粉塵粒子又受到吸引力.當(dāng)負(fù)離子流小，或者粉塵粒子的電阻率小，則斥力大于吸引力，這種斥力就會使沉積粉塵粒子重返氣流，從而使效率降低，而當(dāng)負(fù)離子流相當(dāng)大，或者粉塵的電阻率大，則吸引力大于斥力，效率又在逐漸增高.當(dāng)積塵一段時間后，由于濾料表面形成了密實塵餅，纖維間的空隙變小，對小粒徑的顆粒物的過濾效率逐漸下降[17-19].

圖9 荷塵過程過濾器計重效率變化

2.5 荷塵過程PM2.5計重效率結(jié)果分析

圖10為板式化纖和袋式化纖過濾器對PM2.5細顆粒物的捕集效率隨容塵量的變化.由圖10可以看出，容塵過程中，板式化纖過濾器和袋式化纖過濾器對PM2.5的平均計重效率分別是94.8%和93.9%，對PM2.5的過濾效果明顯，表明這兩種過濾器對PM2.5濃度能夠達到有效控制.

圖10 容塵過程中PM2.5計重效率變化

3 結(jié)論

（1）當(dāng)風(fēng)量在850~4 250 m3/h范圍內(nèi)，袋式化纖和板式化纖兩種過濾器的阻力均隨著風(fēng)量的增大而增加，袋式化纖過濾器的阻力均大于板式化纖過濾器的阻力；隨著風(fēng)量的增大，化纖過濾器的分級效率逐漸減??；兩種過濾器對PM2.5細顆粒物去除平均計重效率分別是94.8%和93.9%，能夠?qū)M2.5濃度進行有效控制.

（2）容塵過程中，當(dāng)兩種過濾器單位面積容塵量相同時，板式化纖過濾器的阻力增長率是袋式化纖過濾器的1.41倍.兩種過濾器從初始清潔狀態(tài)到容塵實驗結(jié)束，袋式化纖過濾器的容塵量為511 g，板式化纖過濾器的容塵量為80 g.

（3）板式化纖過濾器初阻力為108.3 Pa，終阻力為269.9 Pa，為初阻力（108.3 Pa）的2.5倍；袋式為化纖過濾器初阻力為97.4 Pa，終阻力為314.6 Pa，初阻力（97.4 Pa）的3.3倍.

（4）通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)量相同時，袋式化纖過濾器的壽命要高于板式化纖過濾器，并且兩種過濾器的實際使用壽命均高于過濾器使用壽命的經(jīng)驗值，這為后續(xù)在辦公環(huán)境凈化設(shè)備中選用空氣過濾器提供了理論依據(jù)，同時在空氣過濾器的運行和維護方面，可以適當(dāng)考慮增大終阻力限值，延長過濾器使用壽命，提高過濾器的經(jīng)濟性.