DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.047
一种新型硬化波纹滤料的研制及其滤尘性能测定
李刚1, 2, 3，吴超1
(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司 安全与环保工程研究所，安徽 马鞍山，243000；
3. 金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山，243000)
摘要：基于袋式除尘器运行过程中具有容易黏袋、滤料使用寿命短等缺点，从基础原料选用和滤料加工处理方式等方面出发，对涤纶针刺毡滤料进行优化，研制一种采用特殊滤料加工工艺和表面处理技术的新型高效硬化波纹滤料。对该滤料结构进行电镜微观分析，对滤料性能指标进行试验研究。研究结果表明：该滤料的表面有细密的微孔，孔隙的直径与呼吸性粉尘的粒径非常接近，且孔隙率达到80%以上，能起到透气、防水憎水的作用。同时该滤料强度高，运行阻力小，使用寿命长，对微细粉尘的过滤效率高，对其总粉尘的过滤效率达到99.7%，对2 μm呼吸性粉尘的过滤效率达到91.8%。硬化波纹滤料的过滤效率均高于覆膜滤料和针刺毡滤料，在工业生产系统中具有广阔的推广应用前景。
关键词：硬化波纹滤料；针刺毡；微观分析；运行阻力；清灰效果；过滤效率
中图分类号：X513 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)04-1441-06
Study and filtration performance determination of a new type of hardening corrugated filter media
LI Gang1, 2, 3, WU Chao1
(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Institute of Safety & Environmental Engineering,Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co., Ltd., Maanshan 243000, China;
3. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine, Maanshan 243000, China)
Abstract: Given that bag dust filter was easy to stick bag, and the service life of filter media was short in the process of its operation, the polyester needle felt filter material was optimized and a new efficient hardening corrugated filter was researched with special material processing technology and surface treatment technology in aspects of basic raw material selection and filter processing methods etc. The electron microscopic analysis of the filter structure, and the performance of the filter material were studied. The results show that the surface of the filter material has the fine pores. And pore diameter and dust particle size are very close. The porosity is above 80%. It has the effect of waterproof breathable, and hydrophobic. And also the filter material has the advantages of high intensity, small resistance and long service life, high filtration efficiency of fine dust, the filtration efficiency of full dust can reach 99.7% and the filtration efficiency of 2 μm respirable dust can reach 91.8%. Filtration efficiency of the hardening corrugated filter material is higher than coated filter material and needled felt filter material, and it has widespread application prospect in industrial production system.
Key words: hardening corrugated filter; needle punched felt; microcosmic analysis; running resistance; effect of cleaning dust; filtration efficiency
在大气污染治理技术发展过程中，袋式除尘器是被公认的高效干式除尘设备，其优点是运行稳定、处理效率高、费用相对低廉，应用范围广泛，是冶金、矿山、化工、水泥、电力等行业首选的除尘设备。袋式除尘器必须依靠相应的过滤介质和一定结构形式的过滤设备来净化粉尘，因此，袋式除尘器主要由框架、箱体、滤料和清灰装置组成。从结构组成来看，框架、箱体是袋式除尘器的基础；清灰装置用来清除积附在滤料表面粉尘，使滤料得到再生，确保滤料正常使用。目前，袋式除尘器的清灰技术已非常成熟，滤料是袋式除尘器的关键部件，针对滤料的结构、材质以及滤料后处理等方面，国内外研究者开展了大量的研究，从而扩大了袋式除尘器的使用条件和应用范围。因此，对滤料性能参数的优化，是确保袋式除尘器正常稳定运行、延长滤料使用寿命的重要技术手段之一。理想的滤料应具备如下特点：结构合理，孔隙小且分布均匀，捕尘率高；剥离率高，不易黏袋；透气性好，阻力小；机械强度高；耐温、耐磨、耐腐蚀；原料来源广，价格低廉，且使用寿命长[1-3]。本文作者基于袋式除尘器达到较好的清灰效果的前提下，对滤料的结构和后处理方面进行研究，研制出一种采用特殊加工工艺和表面处理技术的硬化波纹过滤材料，使袋式除尘设备体积减少，除尘效率高、憎水性好且运行阻力低。运用电镜分析硬化波纹滤料，从微观角度探究滤料的捕尘能力，并通过实验室试验对该滤料的性能指标进行研究与分析。
1 新型除尘滤料的设计与制备
滤料对袋式除尘器的过滤性能具有关键性作用，需要根据粉尘气流的特性(如温度、湿度、腐蚀性、可燃性以及粉尘的粒径分布、附着性和含尘质量浓度等)正确选择和使用。
过滤材料的构成要素包括纤维、纱线和织法，袋式除尘器滤料的基本材料是纤维，通过不同的织法和纱线连接纤维层制作而成。纤维对过滤材料性能具有决定性影响，选择纤维时，必须考虑不同特性烟气要求的耐热性、抗化学腐蚀性、耐磨性以及抗拉强度、抗折强度等物理和力学性能。另外，对过滤效率、过滤阻力和清灰效果而言，过滤材料的充填率和间隙直径也是不可忽视的影响因素。
本文研制的新型除尘滤料选择合适的基础过滤原料，选用合乎要求的胶黏剂，对过滤材料的表面进行处理，形成硬化过滤材料，进一步制作成多褶滤料，然后用多褶滤料制作成过滤元件，即相当于袋式除尘器的滤袋。因为过滤元件采用硬化滤料制成，所以无需用骨架支撑。
1.1 滤料的基料选择
按不同制作工艺方法，将过滤材料分为非织造滤料、织造滤料和复合滤料3种类型[4-6]。
非织造滤料通常不经过织造纺纱过程，该类型滤料使用于袋式除尘器内的主要为针刺毡，针刺毡包括无基布和有基布2种类型。有基布针刺毡是指在滤料上下纤维网之间放置提前织好的基布，先后通过针刺工艺加固和后处理技术形成了需要的针刺毡滤料，从而提高了滤料的强度。纤维在针刺毡滤料中排列成立体交错状态，没有产生直通的间隙，有利于在滤料表面形成粉尘层，其过滤效率高于织造滤料。由于针刺毡滤料的孔隙率为70%~80%，所以，其阻力较低、透气性好[7]。
织造滤料是采用单线或合股加捻的经、纬纱线相互交织而成。织造滤料孔隙分布有2种，即纱线之间的孔隙和组成纱线的纤维之间的孔隙，其中起过滤作用的为纱线间的孔隙，其孔隙率为30%~40%，含尘气体在交织的纱线间隙中进行过滤，实现粉尘分离。织造滤料的强度较非织造滤料大，耐磨性也较强，由于其空隙率较低，因此，滤料本身的阻力较高[8-10]。
复合滤料综合了非织造滤料和织造滤料的各自优异性能，采用2种及以上不同的过滤材料制作加工而成。例如对非织造滤料表面覆膜后，由于粉尘附着在滤料表面，剥离性能好，易于清灰，运行阻力较低且使用寿命也较长[11-12]。同时，由于实现了表面过滤作用，进一步提高了非织造滤料的过滤效率，且滤料间隙不易被粉尘颗粒堵塞。
结合非织造滤料和织造滤料的各自特点，由于非织造滤料具有阻力较低、透气性能好、过滤风速较高等优点[13-14]，本文研制的新型除尘滤料基料采用使用较广的针刺毡滤料(即属于非织造滤料)，通过特殊加工制作而成。
1.2 滤料的硬化和过滤元件的加工
1.2.1 滤料的硬化
选择厚度为1.5~2.0 mm、面密度为350~500 g/m2的针刺毡过滤材料，按照设计要求的制作尺寸对滤料进行剪裁，然后去除边缘多余的毛边，最后卷成一团备用。
将剪裁好的针制毡滤料放进主要成分为硅酸盐的硬化剂的液槽中，使其被硬化剂充分浸透，并不断缓慢平移滤料，最后对其进行干燥。此时，滤料的硬化过程完成。
1.2.2 过滤元件的加工制造
把干燥好的硬化滤料剪裁成宽度为94.5 mm、长度为1 280 mm的生料，然后人工卷制成滤管，在搭接处涂胶黏剂，晾干10 min后合拢，加压片刻即可。固化24 h后即可装过滤元件。过滤元件试验成型流程如图1所示。
图1 过滤材料成型流程图
Fig. 1 Flow chart of filter material molding
硬化波纹滤料的加工制作过程非常复杂，必须采用专用设备经热蒸压制而成[15-16]，加工出的成型硬化波纹滤料如图2所示。
图2 成型硬化波纹过滤材料
Fig. 2 Hardening ripple filter materials
2 滤料的微观结构分析
衡量滤料性能的主要指标有经济性、允许的过滤风速、过滤效率和滤料本身的阻力等。不同性能指标之间具有一定的关联性，滤料本身阻力小、允许的过滤风速较大，则滤料的经济性越好，过滤风速的大小同时又影响到过滤效率。滤料的阻力和过滤风速直接受滤料透气性能的影响，而滤料的透气性与滤料的孔隙率成比例关系，孔隙率越大，滤料的透气性能越好。借助电镜对研制的硬化波纹滤料进行微观分析，研究该滤料的理论捕尘能力[17]。
图3所示为硬化波纹滤料的电镜扫描图像。从图3可以看出：硬化波纹滤料在空间上是一种由单纤维层层交错排列构成的三维立体型结构滤料，在单根纤维之间均匀分布着细密的孔隙且孔隙直径小。由于滤料是多层错位叠加制成的，使得滤料的表面形成细密的微孔(也称为微孔滤料)，孔径在8 μm以内。水蒸气可以透过此微孔，但直径为100~300 μm的水滴分子却无法通过，因此发挥了透气、防水憎水的效果。同时滤料的孔隙与呼吸性粉尘的粒径非常接近，对微细粉尘的过滤效率高。
滤料的过滤机理主要有扩散效应、惯性拦截、重力沉降、静电吸引等。滤料之所以能把气体中尘粒分离出来，一是靠纤维层对尘粒的捕集，纤维层间孔隙越小捕集率越高；二是更主要取决于1次粉尘层对尘粒的捕集，部分粉尘附着在滤料表面，形成1层稳定的粉尘层[18-19]，其稳定性又取决于滤料的孔隙直径和孔隙率。在电镜下观察出，此滤料的表面有细密的微孔，滤料孔隙分布较均匀，且孔隙率高，高达80%以上，因此具有良好的透气性。总而言之，从理论上来说，该滤料的过滤效率高，且可以设计较高的过滤风速，而且工作稳定，不受生产工艺设备运行情况变化的影响。因此，该滤料的经济性非常好。
图3 硬化波纹滤料的电镜扫描图像
Fig. 3 SEM images of hardening corrugated filter
3 滤料的滤尘性能测试
3.1 测试原理及方法
实验的滤料为硬化波纹滤料，实验前需对滤料的形态、力学性能、流体动力性能和物理化学性能进行检测。滤料的滤尘性能首先要求滤料本身具有一定的机械强度，不易损坏；其次滤料要具有良好的过滤性能。过滤性能指标主要包括滤料阻力、过滤效率及粉尘剥离率等。过滤性能分为滤料静态性能和滤料动态性能，动态性能能够真实反映滤料在工作情况下的过滤性能。由于滤料对含尘气流的过滤效果不仅取决于滤料本身的特性，更关键的是靠滤料表面形成的粉尘层的阻留，且粉尘层的滤尘能力大于滤料本身的滤尘能力，因此滤料的动态过滤效率要比静态过滤效率更高。
在实验室开展滤料的滤尘试验工作。由于实验发尘系统产生的含尘气流无法长时间不间断运转，且难以反映工业生产系统实际工况，因此，滤尘性能试验结果与现场实际应用效果可能存在一点偏差，但通过实验室滤尘性能试验可以反映硬化波纹过滤材料的基本特性。实验装置采用由发尘装置(圆盘发尘器、射流均尘装置、空压机)、实验风硐、风机、控制装置(变频控制器)组成。
具体测定步骤如下：1) 制备直径为65 mm的滤料试验样品，将制备好的滤料样品于实验装置过滤段安装好；2) 在一定过滤风速(v=1.0 m/min)情况下，按预先指定的发尘浓度进行发尘，同时记录发尘过程中滤料的阻力变化情况，直至阻力趋于稳定状态；3) 按测定管道的风速等动力采样，加工配置等速采样头，采样流量为25~30 L/min，采样时间为10~15 min。过滤效率由滤膜称质量法计算。
3.2 实验粉尘物化特性
采集安徽马钢罗河矿业有限责任公司破碎车间粉尘作为实验粉尘。为了掌握实验粉尘的性质，首先需要了解粉尘本身固有的各种物理、化学性质，主要有颗粒形态、化学成分及其质量分数、粒径分布情况等。采用电镜扫描实验粉尘。粉尘形状图如图4所示。
从图4可以看出：粉尘本身就是由众多尺寸不同、形状各异的颗粒组成，有片状、块状、圆形、针状、球状等。大部分颗粒在不同方向上具有不同的尺寸。粉尘颗粒的这种不规则性，有利于在滤料表面形成稳定的粉尘初层。
粉尘的化学成分及分散度情况如表1和表2所示。
由表1可知：此样品的成分非常复杂，铁矿粉尘
表1 粉尘的化学成分(质量分数)
Table 1 Chemical composition of dust(mass fraction) %
表2 粉尘颗粒分散度测定结果
Table 2 Measurement results of dust particles dispersion
图4 实验粉尘形状图
Fig. 4 Shape figure of the experimental dust
样含Fe的质量分数最大，Ca和S质量分数也较高，均超过10%。
由表2可知：粉尘的粒径主要集中在10~50 μm范围。
3.3 滤料的机械特性测试
作为滤料，拉伸强度是重要的基本性能。滤料的抗拉伸率越小、抗拉强度越大，则滤料的机械特性越好，滤袋尺寸越长，这种机械特性要求愈高。硬化波纹滤料的基料(基料为涤纶针刺毡)其本身强度较高，采取硬化处理后，经测试，其各项指标有了进一步提高。滤料机械特性测试结果如表3所示。
表3 滤料机械特性测试结果
Table 3 Testing data of filter material mechanical properties
3.4 滤料阻力和过滤效率试验
试验滤料采用波纹滤料、覆膜滤料、针刺毡滤料，洁净滤料的阻力采用滤料静态性能测试仪进行测定，通过调节其过滤风速，测定不同过滤风速下的静态阻力，如表4所示。同时，在一定的过滤风速下(v=1.0 m/min)，对3种试验滤料的运行状态阻力和过滤效率进行测定，测定结果如表5和表6所示。
表4 洁净滤料的静态阻力
Table 4 Static resistance of clean filter material
表5 滤料运行阻力测试结果
Table 5 Test results of running resistance of filter material
由表4可知：覆膜滤料的初始静态阻力比波纹滤料和针刺毡滤料均大，波纹滤料和针刺毡滤料的静态阻力基本相当，因此，波纹滤料初始静态阻力比其他采用表面处理滤料的初始静态阻力小。从表5可以看出：在过滤风速v=1.0 m/min时，随着滤料表面粉尘负荷的增加，3种试验滤料的运行阻力相应增大，波纹滤料的运行阻力略低于另外2种过滤材料的运行阻力。但波纹滤料连续运行一段时间后，清灰后的阻力较初始静态阻力未发生较大变化，与初始阻力基本接近。说明波纹滤料表面的清灰能力强，滤料不堵塞，在多次清灰状态下运行阻力基本不变，从而延长了滤料的使用寿命。
同时，根据试验滤料清灰前后阻力和滤料初始阻力，可以计算出滤料的粉尘剥离率。经计算，针刺毡滤料的粉尘剥离率较差，波纹滤料的粉尘剥离率最高，达到97.6%左右。
表6 过滤效率比较
Table 6 Comparison of filtration efficiency
由表6可知：经过硬化处理的波纹滤料兼具了覆膜滤料和针刺毡滤料各自的优点，过滤效率略比过滤性能较好的覆膜滤料的高。对于呼吸性粉尘的过滤，具有代表性的技术指标是考察滤料的分级过滤效率。针刺毡滤料对2 μm粉尘过滤效率为55.1%，覆膜滤料对2 μm粉尘过滤效率为84.7%，波纹滤料对2 μm粉尘过滤效率为91.8%。因此，波纹滤料和覆膜滤料对总尘和呼吸性粉尘的过滤效率均明显比针刺毡滤料的高，而且波纹滤料的呼吸性粉尘过滤效率明显比覆膜滤料的高。
4 结论
1) 新型硬化波纹过滤材料采用波纹成型模具对涤纶针刺毡滤料热蒸压制成波纹形状，较常规过滤材料在结构上不同，内无骨架，无磨损，阻力较低，滤料使用寿命长。
2) 滤料表面孔隙率高且孔隙直径小，过滤速度增大，在同样的处理风量情况下，缩小了袋式除尘器的体积，设备的制造成本和运行维护费用均下降；同时均匀分布的微细孔隙使滤料表面有利于形成粉尘层，提高了粉尘的过滤效率。
3) 硬化波纹滤料适用于潮湿吸水粉尘，具有强度高、憎水、抗污性能，清灰容易，粉尘剥离率达到97.6%左右，克服了常规过滤材料容易阻塞、清灰困难的 问题。
4) 波纹滤料对总粉尘的过滤效率达到99.7%，对2 μm粉尘的分级过滤效率为91.8%，波纹滤料的过滤效率均比覆膜滤料和针刺毡滤料的高，而且整体过滤效率相对比较稳定。
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(编辑 罗金花)
收稿日期：2015-04-13；修回日期：2015-06-11
基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2012CB724207)；马鞍山市2014年科技计划项目(JN-2014-02)(Project (2012CB724207) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project (JN-2014-02) supported by Science and Technology of Ma’anshan City in 2014)
通信作者：李刚，博士研究生，高级工程师，从事安全环保与职业卫生工程技术研究；E-mail：hunankedaligang@163.com
