預(yù)涂層技術(shù)對(duì)濾料除塵性能的改進(jìn)特性研究

馬德剛，鄭琪琪，林偉強(qiáng)，郭銘玉

（1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051）

預(yù)涂層技術(shù)對(duì)濾料除塵性能的改進(jìn)特性研究

馬德剛1，鄭琪琪1，林偉強(qiáng)2，郭銘玉1

（1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051）

普通針刺濾料在除塵器工作初期對(duì)粉塵的捕集效率較低，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)顆粒物的有效去除.為了提高其在工作初期的去除效率，以TPU顆粒作為預(yù)涂層顆粒，對(duì)普通針刺濾料進(jìn)行預(yù)涂層處理，并通過濾料過濾性能實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)經(jīng)過預(yù)涂層處理的濾料的除塵效率、壓差等過濾性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明：TPU作為預(yù)涂層顆粒對(duì)濾料表面進(jìn)行涂層，可以有效地改進(jìn)普通針刺濾料的過濾性能，特別地，當(dāng)預(yù)涂層厚度 L=0.4 mm時(shí)，普通針刺濾料工作初期對(duì)粉塵的捕集效率得到明顯提升；雖然經(jīng)過處理的濾料初阻力上升約200 Pa，但是能夠有效地阻止粉塵進(jìn)入濾料內(nèi)部，防止濾料堵塞，使濾料的殘余阻力能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，可以有效地延長濾料的使用壽命.

袋式除塵器；預(yù)涂層技術(shù)；濾料；去除率；壓差

現(xiàn)階段，我國正處于工業(yè)化中后期，工業(yè)污染占總污染的70%，以上，大氣環(huán)境面臨嚴(yán)重的威脅.相關(guān)研究表明［1］，引起霧霾天氣的可吸入顆粒物 PM10，尤其是 PM2.5上附著大量有害化學(xué)物質(zhì)，長期暴露其中會(huì)增加肺部、呼吸道以及心腦血管方面疾病的發(fā)病率，嚴(yán)重影響身體健康.國家加大霧霾治理力度，不斷提高標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)“兩會(huì)”的關(guān)注，使霧霾治理處于舉足輕重的地位.在多種除塵方法中，袋式除塵器在寬闊的粒徑范圍具有穩(wěn)定高效的除塵效果，并對(duì)PM2.5也有很高的去除效率，使其成為治理工業(yè)生產(chǎn)過程中大氣顆粒污染物排放的主要除塵設(shè)備［2］.

袋式除塵器主要依靠濾料本身以及被截留在濾料表面的粉塵層實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵的捕集.但是由于普通針刺濾料在除塵器工作初期沒有形成穩(wěn)定的粉塵初層，對(duì)粉塵的去除效率較低，并且無法實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)顆粒物的有效去除，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn).隨著過濾的進(jìn)行，最初與普通過濾針刺材料接觸的粉塵會(huì)滯留在濾料迎塵面形成粉塵初層，使濾料孔徑率減少、過濾效率提高，但是粉塵會(huì)順著氣流不斷地滲透進(jìn)濾料，導(dǎo)致濾料運(yùn)行阻力不斷上升、總體能耗增加、系統(tǒng)處理風(fēng)量下降，并導(dǎo)致濾袋的工作壽命大大縮短［3］.

預(yù)涂層技術(shù)是在普通針刺濾料表面人工預(yù)涂一層特定粒徑的粉劑，使濾料在未投入使用之前就形成穩(wěn)定的粉塵初層，從而達(dá)到較高的除塵效率［4］；同時(shí)，經(jīng)過預(yù)涂層處理的濾料能夠有效地阻止細(xì)顆粒物進(jìn)入濾料內(nèi)部，防止濾料堵塞，使濾料的運(yùn)行阻力保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而延長濾料的壽命.本文擬對(duì)滌綸普通針刺過濾氈進(jìn)行預(yù)涂層處理，驗(yàn)證預(yù)涂層濾料能夠大大提高濾料在投入使用初期的效率；并研究其在涂附不同厚度的預(yù)涂層顆粒條件下的除塵效率以及壓差特性，選出最優(yōu)的預(yù)涂層厚度.

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料

濾料為某廠家生產(chǎn)的滌綸普通針刺過濾氈.預(yù)涂層顆粒選用德國某公司生產(chǎn)的熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）顆粒，該顆粒硬度范圍寬、機(jī)械強(qiáng)度高，并具有耐磨、耐油、耐水、再生利用性好的優(yōu)點(diǎn).該TPU顆粒熔點(diǎn)為 180，℃，滿足袋式除塵對(duì)濾材強(qiáng)力高、耐磨性好、再生利用性好的要求.其基本物理性能如表1所示.

表1　TPU基本物理性能Tab.1 Basic physical property of TPU

實(shí)驗(yàn)粉塵采用天津軍糧城電站的燃煤飛灰，飛灰的密度為2，500，kg/m3.經(jīng)過300目標(biāo)準(zhǔn)篩篩濾后，用馬爾文粒度儀MASTER SIZER 2000測(cè)得飛灰顆粒的粒徑分布，如圖1所示，飛灰顆粒的中位徑為11.076，μm.

圖1　飛灰顆粒初始粒徑分布Fig.1 Initial size distribution of fly ash

1.2預(yù)涂層處理

將 500，g/m3的滌綸普通針刺過濾氈置于平板上，將 TPU顆粒放置在過濾氈上，用刮刀進(jìn)行刮涂，通過控制涂層刮刀的刀口與針刺過濾材料的距離，使涂層顆粒均勻地分布在整個(gè)表面上，確保涂層厚度均勻穩(wěn)定［5］.再將覆有 TPU顆粒的過濾氈放入烘箱中定溫加熱一定時(shí)間后取出.TPU顆粒在一定溫度下發(fā)生軟化變形，熔融黏附在濾料表面，并且在交錯(cuò)的纖維之間產(chǎn)生不完全的粘連，形成大小不一的微孔，從而改善原有基布表面空隙大的缺陷［6］，有效地阻止粉塵穿透濾料，從而可以改善濾料在投入使用初期過濾效率較低的缺點(diǎn).

1.3過濾性能實(shí)驗(yàn)裝置

參考美國 ASTM（American Society for Testing and Materials）標(biāo)準(zhǔn)方法D6830-02以及ISO （International Organization for Standardization）方法 11057［7］搭建濾料過濾性能測(cè)試裝置，如圖2所示.

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)中氣流在真空泵的作用下進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并與通過螺旋給料器進(jìn)入系統(tǒng)的粉塵在過濾管路中混合均勻.大粒徑粉塵在重力作用下落入灰斗，未落入灰斗的粉塵隨氣流進(jìn)入直徑為100，mm的后續(xù)管路，經(jīng)濾料過濾后，再經(jīng)過絕對(duì)過濾器過濾后隨氣流排出系統(tǒng).細(xì)顆粒物在濾料上不斷沉積，濾料兩側(cè)壓差不斷增加，當(dāng)壓差達(dá)到一定程度后，脈沖閥開啟，氣包中經(jīng)過凈化的高壓氣體由噴嘴高速噴出，將附著在濾料上的粉塵層吹落，然后進(jìn)行下一個(gè)過濾周期.

濾料兩側(cè)的數(shù)字壓差計(jì)自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄纖維濾料兩側(cè)的壓差，通過間隔固定時(shí)間讀取數(shù)字壓力計(jì)的示數(shù)來繪制纖維濾料壓差變化曲線.激光粉塵儀可以連續(xù)監(jiān)測(cè)經(jīng)過濾料過濾后的粉塵濃度.脈沖閥的開閉由脈沖控制儀控制，當(dāng)濾料兩側(cè)壓差達(dá)到1，500，Pa，脈沖閥開閉一次，脈沖寬度可設(shè)定，控制在200，ms.實(shí)驗(yàn)風(fēng)量通過調(diào)節(jié)閥門實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)不同風(fēng)量可以獲得不同風(fēng)速.通過調(diào)節(jié)螺旋給料機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，改變單位時(shí)間輸入系統(tǒng)的粉塵量，達(dá)到控制粉塵入口濃度的效果.

1.4實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1TPU最佳加熱溫度的確定

將均勻涂覆 TPU顆粒的過濾氈放入 DGG-9246A烘箱，固定時(shí)間加熱6，min，改變加熱溫度，通過濾料過濾性能實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定預(yù)涂層濾料的過濾初阻力（潔凈空氣作用下濾料兩側(cè)的壓降）；并進(jìn)行脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)，通過稱量實(shí)驗(yàn)前后濾料的質(zhì)量，計(jì)算 TPU顆粒的黏附程度，以確定最適加熱溫度.

1.4.2預(yù)涂層濾料過濾性能的測(cè)定

通過濾料過濾性能實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，LD-6S多功能激光粉塵儀測(cè)定清潔濾料以及不同 TPU厚度（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，mm）預(yù)涂層的濾料過濾效率，濾料兩側(cè)的壓差通過數(shù)字壓差計(jì)實(shí)時(shí)記錄測(cè)量.

濾料的厚度計(jì)算式為

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1加熱溫度對(duì)TPU顆粒預(yù)涂層的影響

已知TPU顆粒的軟化點(diǎn)為 100，℃，熔點(diǎn)為180，℃.在滌綸普通針刺過濾氈上均勻涂覆 2，g，TPU顆粒，設(shè)定加熱時(shí)間為 6，min，改變加熱溫度，對(duì)濾料進(jìn)行預(yù)涂層處理.經(jīng)過脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)，稱量實(shí)驗(yàn)前后濾料的質(zhì)量，得到TPU顆粒的黏附程度曲線；過濾阻力隨著濾速的增大而呈直線性的遞增［8-10］，選定風(fēng)速為1，m/min，通過濾料過濾性能實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定預(yù)涂層濾料的過濾初阻力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3　加熱溫度對(duì)TPU顆粒預(yù)涂層的影響Fig.3　Influence of heating temperature on TPU particles precoating layer

從圖3（a）可以看出，當(dāng)加熱溫度低于120，℃時(shí)，隨著加熱溫度的升高，TPU顆粒在濾料表面的黏附程度近乎呈線性增加.當(dāng)溫度升高至 120，℃時(shí)，TPU顆粒的黏附程度接近100%，即當(dāng)濾料經(jīng)過噴吹實(shí)驗(yàn)時(shí)幾乎無 TPU顆粒脫落.初阻力是正式測(cè)試前過濾材料進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口之間的靜壓差［11］.由圖3（b）可知，當(dāng)溫度低于 125，℃時(shí)，濾料的初阻力隨加熱溫度的升高緩慢增加；當(dāng)溫度高于 125，℃時(shí)，經(jīng)過預(yù)涂層處理的濾料的初阻力隨加熱溫度的升高呈急劇上升的趨勢(shì).這是由于當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，TPU顆粒的熔融程度較小，顆粒處于良好的顆粒狀，使得顆粒與顆粒間、顆粒與濾料表面間不完全的粘連形成的孔隙相對(duì)較大，所以經(jīng)過預(yù)涂層處理的濾料的初阻力處于相對(duì)較低的水平；當(dāng)加熱溫度高于125，℃時(shí)，由于TPU顆粒的熔融程度較大，顆粒之間的黏結(jié)容易堵塞孔隙，初阻力急劇升高.

較低的初阻力可以使濾料保持穩(wěn)定較長的過濾周期［12］，當(dāng)加熱溫度為120，℃時(shí)，TPU顆粒的黏附程度接近 100%，同時(shí)濾料又具有相對(duì)較低的初阻力，初阻力為 90，Pa，所以實(shí)驗(yàn)中選取 120，℃作為加熱溫度對(duì)普通滌綸針刺過濾氈進(jìn)行預(yù)涂層處理.

2.2預(yù)涂層厚度對(duì)濾料過濾效率的影響

為了確定預(yù)涂層濾料涂層的最適厚度，在風(fēng)速為1，m/min、飛灰質(zhì)量濃度為4，000，mg/m3條件下對(duì)濾料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用激光粉塵儀對(duì)不同厚度涂層濾料過濾后的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，直接讀取并記錄粉塵質(zhì)量濃度，并對(duì)前 250，s的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪圖進(jìn)行分析，如圖4所示.

圖4　不同預(yù)涂層厚度濾料濾后粉塵總質(zhì)量濃度變化曲線Fig.4 Changes of total dust mass concentration with different precoating thicknesses

如圖4所示，由于滌綸普通針刺氈在過濾初期，針刺過程使濾料具有較大的孔徑，部分粉塵顆粒直接穿透濾料［13］，在濾料投入使用初期，過濾后粉塵質(zhì)量濃度高達(dá) 959.25，mg/m3；隨著過濾的進(jìn)行，被截留的粉塵在濾料表面形成粉塵初層，使濾料孔隙率減小，過濾后粉塵的質(zhì)量濃度逐漸降低至500，mg/m3左右，但是平均過濾效率依然很低，只有80%，左右.而濾料經(jīng)過表面預(yù)涂層后，預(yù)涂層顆粒與纖維間、顆粒與顆粒間產(chǎn)生不完全的粘連，形成大小不一的微孔，使經(jīng)過預(yù)涂層處理的濾料的孔隙率大大降低，粉塵顆粒被截留，過濾后的粉塵質(zhì)量濃度相對(duì)較低，特別地當(dāng) L=0.5，mm時(shí)，濾料工作初期過濾后粉塵質(zhì)量濃度降至約 300，mg/m3，隨著過濾的進(jìn)行，最后質(zhì)量濃度穩(wěn)定在150，mg/m3左右，濾料的平均過濾效率得到極大的提高.

從圖4可以看出，經(jīng)過預(yù)涂層處理的濾料降低了過濾后的粉塵質(zhì)量濃度，并且隨著預(yù)涂層厚度的增加，濾料投入使用初期的平均過濾效率從 82.14%，逐步提高到 94.85%，濾料對(duì)粉塵的捕集效率相對(duì)滌綸普通針刺濾料有很大程度的提高，如表2所示.

表2　不同預(yù)涂層厚度濾料的平均過濾效率Tab.2　Average filtration efficiencies of filter material with different precoating thicknesses

2.3預(yù)涂層厚度對(duì)過濾過程的影響

圖5為不同預(yù)涂層厚度的濾料10個(gè)過濾周期的清灰特性曲線，圖6顯示的是不同預(yù)涂層厚度的濾料10個(gè)過濾周期的殘余阻力變化曲線.實(shí)驗(yàn)中過濾速度為 1，m/min，隨著過濾的進(jìn)行，當(dāng)濾料兩側(cè)的壓力達(dá)到1，500，Pa時(shí)進(jìn)行脈沖清灰操作.

圖5　不同預(yù)涂層厚度濾料的清灰特性曲線Fig.5 Dust removal characteristic curves of filter material with different precoating thicknesses

由圖5可見，滌綸普通針刺氈的清灰周期相對(duì)較長，但是隨著過濾過程的進(jìn)行，清灰周期明顯減小.這是由于普通濾料在開始使用時(shí)阻力一般較低，隨著過濾與清灰過程的進(jìn)行，一些粉塵進(jìn)入濾料內(nèi)部，導(dǎo)致其阻力逐漸上升［14］，從而引起周期的變化.經(jīng)過預(yù)涂層處理的濾料清灰周期相對(duì)普通濾料有所縮短.特別地，隨著預(yù)涂層厚度的增加，清灰周期逐漸減小，當(dāng)預(yù)涂層厚度L=0.4，mm和L=0.5，mm時(shí)，濾料的孔隙率減小，粉塵不易進(jìn)入濾料內(nèi)部堵塞濾料，使濾料在每個(gè)過濾周期的過濾過程中阻力上升較為穩(wěn)定，從而清灰周期趨于穩(wěn)定，分別保持在2.3，min和0.8，min.

圖6　不同預(yù)涂層厚度的濾料10個(gè)過濾周期的殘余阻力Fig.6 Residual resistances of 10 filtration cycles of filter material with different precoating thicknesses

由圖5和圖6可以看出，隨著預(yù)涂層厚度的增加，濾料的殘余阻力逐漸提高.普通滌綸針刺氈、L=0.1，mm 和 L=0.2，mm的濾料初阻力分別為 48，Pa、65，Pa和 99，Pa，隨著過濾的進(jìn)行，過濾后期殘余阻力明顯提升，第 10個(gè)周期的殘余阻力達(dá)到了 500，Pa、420，Pa和 360，Pa.這是由于過濾后期部分粉塵進(jìn)入到濾料內(nèi)部，導(dǎo)致濾料阻力上升較快［9］.當(dāng) L=0.3，mm、L=0.4，mm和L=0.5，mm時(shí)，濾料纖維之間的孔隙減小，大部分粉塵被截留在濾料表面，噴吹后期濾料阻力基本不變［9］，濾料的殘余阻力基本穩(wěn)定在255，Pa、300，Pa和 491，Pa.但是當(dāng) L=0.5，mm時(shí)，濾料的殘余阻力較高，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)處理風(fēng)量下降、系統(tǒng)的總能耗增加，從而導(dǎo)致濾料的工作壽命縮短.

3　結(jié)　語

采用預(yù)涂層技術(shù)，在普通針刺濾料表面涂覆一層TPU顆粒，并通過濾料過濾性能實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要研究了其在涂覆不同厚度的預(yù)涂層顆粒條件下的除塵效率以及壓差特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)涂層技術(shù)能夠有效地提高濾料在投入使用初期對(duì)粉塵的捕集效率，并且隨著預(yù)涂層厚度的增加，對(duì)粉塵的捕集效率越高；L=0.4，mm作為最佳的預(yù)涂層厚度，使濾料投入使用初期的過濾效率達(dá)到 92.95%，并且使濾料的殘余阻力能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).以 TPU顆粒作為預(yù)涂層顆粒的預(yù)涂層技術(shù)，雖然使得經(jīng)過處理的濾料的過濾阻力有所提高，但是在長期穩(wěn)定的過濾過程中，該技術(shù)從提高過濾效率、保持濾料穩(wěn)定的殘余阻力、延長濾料的過濾時(shí)間等濾料除塵性能方面有一定的研究意義.

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（責(zé)任編輯：田 軍）

Modification of Dust Removal Performance of Filter Media by Precoating Technology

Ma Degang1，Zheng Qiqi1，Lin Weiqiang2，Guo Mingyu1
（1.School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin 300051，China）

The dust capture efficiency of needle-punched filter material is low at initial working stage，which makes it impossible to effectively remove fine particulate matters.To increase initial dust removal efficiency of filter media，TPU particles as precoating material were coated on the needle felts surface and an experimental apparatus was established to study the precoating filter media performance such as dust removal efficiency and pressure drop across the filter materials.The results indicate that this highly efficient technology can effectively improve filtration performance of ordinary needle-punched filter material，and especially when precoating layer thickness L is 0.4，mm，the initial dust removal efficiency of filter material is effectively increased.It also shows that although initial pressure of the filter media increases by 200，Pa，it helps to prevent clogging of filter material and delay the blockage of filter material，which can keep residual resistance relatively stable and extend the operating lifetime of filter material.

bag filter；precoating technology；filter media；removal efficiency；pressure drop

X513

A

0493-2137（2016）08-0869-06

10.11784/tdxbz201503082

2015-03-27；

2015-05-19.

馬德剛（1975— ），男，博士研究生，副教授.

馬德剛，dgma@tju.edu.cn.

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-07-14. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150714.1456.005.html.