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        預(yù)濾棉對(duì)濾芯過(guò)濾性能的影響研究

        2019-10-15 08:13:52司丹丹
        燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:顆粒物復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)

        余 嬌,司丹丹,梁 云,唐 敏

        (1. 華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510640; 2. 深圳華盛過(guò)濾系統(tǒng)有限公司,廣東 深圳 518109)

        環(huán)境大氣作為燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣來(lái)源,空氣純凈度是提高燃?xì)廨啓C(jī)性能和可靠性的前提,越先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī),對(duì)于吸入空氣的潔凈度越敏感[1]。燃?xì)廨啓C(jī)吸入污染物會(huì)造成壓氣機(jī)和渦輪機(jī)部件的侵蝕、沖蝕、結(jié)垢、冷卻通道堵塞、腐蝕等,因此,必須使用空氣過(guò)濾器避免外來(lái)物質(zhì)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)造成損害,防止燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行性能降低。由于空氣中的污染物復(fù)雜多樣,如果使用單級(jí)高效過(guò)濾器,大、小固體顆粒的堆積會(huì)造成過(guò)濾器阻力快速上升而達(dá)到終止阻力,導(dǎo)致單級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)的濾芯使用壽命嚴(yán)重縮短,因此可以采用預(yù)過(guò)濾器來(lái)捕獲較大的固體顆粒而延長(zhǎng)下游高效過(guò)濾器的壽命[1-2]。根據(jù)過(guò)濾理論,具有更細(xì)小纖維的過(guò)濾材料可以提供小孔徑和大的比表面積捕獲小顆粒,而由粗纖維組成的過(guò)濾材料過(guò)濾效率低,透氣度大,攔截大顆粒時(shí)阻力緩慢增長(zhǎng)[3]。此外,預(yù)濾棉價(jià)格便宜且更換方便,必要時(shí)可在機(jī)組運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)拆除,同時(shí),采用低阻力的預(yù)過(guò)濾材料捕獲空氣中的大顆粒,阻擋楊、柳絮等雜物,可以為過(guò)濾系統(tǒng)增加額外的過(guò)濾階段[4-5],減少主過(guò)濾材料捕獲的灰塵量,延長(zhǎng)主過(guò)濾材料的使用壽命,從而降低過(guò)濾系統(tǒng)能耗和運(yùn)行成本。

        濾芯容塵量是過(guò)濾器的重要性能參數(shù),在給定污染物的條件下,容塵量高則意味著過(guò)濾材料使用壽命長(zhǎng)。王迪等[6]以A2灰(ISO 12103-A2細(xì)灰)探究預(yù)濾棉對(duì)濾芯容塵性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明增加預(yù)濾棉可以使濾芯容塵量提高46.46%,Tian等[4]則以A2灰和亞微米KCl顆粒研究?jī)杉?jí)過(guò)濾系統(tǒng)顆粒負(fù)載特性,結(jié)果表明在主過(guò)濾器前增加預(yù)過(guò)濾器可以顯著降低主過(guò)濾器的壓降增長(zhǎng)速度,有效提高整個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)的容塵量,延長(zhǎng)主過(guò)濾器的使用壽命。然而,空氣中含有大量的固體顆粒物及油性液滴[7],楊家喜[8]和司丹丹[9]收集使用后的濾芯進(jìn)行污染物成分分析,研究顯示使用后的濾紙中油灰比例接近1∶ 1。因此,在實(shí)驗(yàn)室中僅使用單一的固體顆粒物無(wú)法合理評(píng)估濾芯的使用壽命。Fising等[10]通過(guò)將固液兩種發(fā)塵器聯(lián)用,探究了癸二酸二異辛酯 (英文簡(jiǎn)稱DEHS)含量對(duì)濾材容塵過(guò)程壓差變化的影響,但該實(shí)驗(yàn)中使用的是單一粒徑的顆粒物,與大氣環(huán)境中多分散氣溶膠存在一定差異。目前還未有文獻(xiàn)系統(tǒng)地探究A2灰與DEHS質(zhì)量濃度比例為1∶ 1混合時(shí)預(yù)濾棉對(duì)濾芯過(guò)濾性能的影響。

        本研究通過(guò)將固體顆粒物發(fā)塵器和液體氣溶膠發(fā)塵器聯(lián)合使用,將產(chǎn)生的固體顆粒物和液體氣溶膠均勻混合后加載到包覆預(yù)濾棉的濾芯上,探究A2灰與DEHS質(zhì)量濃度比例為1∶ 1時(shí)預(yù)濾棉對(duì)濾芯過(guò)濾性能的影響,同時(shí)也對(duì)比了不同材料在相同實(shí)驗(yàn)條件下的過(guò)濾性能,為濾芯增加預(yù)濾棉的次數(shù)提供一定的參考。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

        精密電子天平:FA2004N,上海精密科學(xué)儀器有限公司;掃描電子顯微鏡:G2 Pro Y,荷蘭Phenom-World公司;環(huán)境掃描電鏡:NOVA NANOSEM 430,荷蘭;厚度儀:YG142型手提式測(cè)厚儀,寧波紡織儀器廠;透氣度儀:FX-3300-Ⅳ,瑞士TEXTEST AG公司;單張濾材效率試驗(yàn)臺(tái):MFP3000,德國(guó)PALAS公司。

        1.2 實(shí)驗(yàn)材料

        預(yù)過(guò)濾及濾芯材料的基本性能如表1所示。熔噴復(fù)合材料透氣度和平均孔徑是靜電紡復(fù)合材料的2倍,且厚度大于后者,而靜電紡復(fù)合材料平均孔徑3.9 μm,透氣度低,說(shuō)明濾材結(jié)構(gòu)較為致密。M5棉是EN779:2012標(biāo)準(zhǔn)中的M5級(jí),平均孔徑61.0 μm,透氣度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主濾芯過(guò)濾材料。

        表1 過(guò)濾材料基本性能

        本文實(shí)驗(yàn)負(fù)荷粉塵使用ISO12103-1 A2細(xì)灰,粒徑范圍為0.5~60 μm,主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O,購(gòu)買(mǎi)自PTI Powder Technology Inc.公司。

        采用DEHS產(chǎn)生的氣溶膠模擬大氣中的油性物質(zhì),其物理性能滿足EN1822-2:2009中DEHS的要求,購(gòu)買(mǎi)自阿拉丁試劑(上海)有限公司。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        1.3.1 純?yōu)V芯阻力上升曲線及容塵性能研究

        在氣溶膠總質(zhì)量濃度1 000 mg/m3,濾芯面流速1.59 cm/s,A2灰與DEHS比例1∶ 1的條件下,分別對(duì)褶高為55 mm的靜電紡復(fù)合材料濾芯、熔噴復(fù)合材料濾芯進(jìn)行混合塵容塵實(shí)驗(yàn),濾芯壓差到達(dá)200 Pa停止實(shí)驗(yàn)。

        1.3.2 預(yù)濾棉對(duì)濾芯阻力上升曲線及容塵性能研究

        在氣溶膠總質(zhì)量濃度1 000 mg/m3,濾芯面流速1.59 cm/s,A2灰與DEHS比例1∶ 1的條件下進(jìn)行下述步驟:

        (1) 在濾芯上游包覆一層預(yù)濾棉,進(jìn)行加載A2灰和DEHS的容塵實(shí)驗(yàn),達(dá)到終止壓差200 Pa后拆下預(yù)濾棉。

        (2) 在濾芯外包覆新的預(yù)濾棉,重復(fù)步驟1。

        (3) 重復(fù)步驟2。

        (4) 拆下預(yù)濾棉的濾芯繼續(xù)加載A2灰和DEHS至壓差為200 Pa 終止實(shí)驗(yàn)。

        2 結(jié)果分析與討論

        2.1 容塵測(cè)試前后濾芯與預(yù)濾棉的電鏡分析

        加載油灰混合塵前后過(guò)濾材料的電鏡圖如圖1~圖3所示。圖1為容塵前后預(yù)濾棉的電鏡圖。由圖1(a)、(b)可知,潔凈預(yù)濾棉的纖維直徑20~30 μm,纖維之間孔隙大。由于A2灰的密度為2.65 g/cm3,DEHS的密度為0.912 g/cm3,在質(zhì)量相同的條件下,固/液顆粒體積比為3∶ 1,因此容塵過(guò)程液體氣溶膠占主導(dǎo)作用[8],使混合塵體系黏度增大,易聚集形成顆粒團(tuán)堵塞預(yù)濾棉孔隙,時(shí)間充裕條件下可堵塞大孔隙,混合塵在預(yù)濾棉層中的分布情況如圖1(c)、(e)所示。在圖1(d)、(f)中,第2塊預(yù)濾棉上則由于容塵時(shí)間比第1塊預(yù)濾棉的短,混合塵顆粒黏附在纖維上,還未形成大的顆粒團(tuán)填充在纖維間的孔隙中。其中靜電紡復(fù)合材料濾芯加載時(shí)間更短,因此纖維上攔截的顆粒物量更少。更換第3塊棉后,靜電紡復(fù)合材料濾芯與預(yù)濾棉總壓差已超過(guò)實(shí)驗(yàn)終止壓差,因此未進(jìn)行加載氣溶膠實(shí)驗(yàn),而此時(shí)熔噴復(fù)合材料濾芯與預(yù)濾棉的總壓差接近終止壓差,濾芯上已經(jīng)形成濾餅,壓差增長(zhǎng)快,加載混合塵時(shí)間短,所以看到圖1(f)中纖維上黏附有小顆粒的物質(zhì),纖維間的孔隙并未被堵塞。綜上所述可知,隨著預(yù)濾棉換棉次數(shù)增加,濾芯與預(yù)濾棉總壓差增大,后換上的預(yù)濾棉到達(dá)終止壓差所需時(shí)間短,棉上的顆粒物攔截量也減少。

        由圖2(a)可知,靜電紡復(fù)合濾芯表面是由一層致密的靜電紡纖維薄層(纖維直徑150~300 nm)構(gòu)成,纖維間的孔隙較小。實(shí)驗(yàn)條件下的混合氣溶膠以液體氣溶膠為主導(dǎo),容易在材料表面形成液膜,導(dǎo)致濾材阻力增長(zhǎng)快。從圖2 (c)、 (d)中看出靜電紡層的納米纖維截了很多細(xì)小顆粒物,表面孔隙幾乎被填滿,且混合顆粒物形成的結(jié)構(gòu)較為緊密。

        (a) 實(shí)驗(yàn)前預(yù)濾棉入流面

        (b) 實(shí)驗(yàn)前預(yù)濾棉截面

        (c) 實(shí)驗(yàn)后靜電紡預(yù)濾棉第1塊棉

        (d) 實(shí)驗(yàn)后靜電紡預(yù)濾棉第2塊棉

        (e) 實(shí)驗(yàn)后熔噴預(yù)濾棉第1塊棉

        (f) 實(shí)驗(yàn)后熔噴預(yù)濾棉第2塊棉

        (g) 實(shí)驗(yàn)后熔噴預(yù)濾棉第3塊棉

        圖3(a)、(b)中熔噴復(fù)合材料入流面的熔噴纖維直徑為1~2 μm,濾材結(jié)構(gòu)較疏松,與靜電紡復(fù)合材料相比該材料的平均孔徑較小,透氣度較低。由圖3(c)可知,進(jìn)行容塵實(shí)驗(yàn)后,油灰混合塵顆粒在濾材表面形成顆粒團(tuán)并堵塞纖維之間的孔隙,部分孔隙大的區(qū)域還未被堵塞,可看到表面纖維,且熔噴層表面顆粒物散落的較有層次,形成液膜所需時(shí)間長(zhǎng),因此相同實(shí)驗(yàn)條件下容塵量較大。

        (a) 實(shí)驗(yàn)前入流面

        (b) 實(shí)驗(yàn)前截面

        (c) 實(shí)驗(yàn)后入流面

        (d) 實(shí)驗(yàn)后截面

        (a) 實(shí)驗(yàn)前入流面

        (b) 實(shí)驗(yàn)前截面

        (c) 實(shí)驗(yàn)后入流面

        (d) 實(shí)驗(yàn)后截面

        綜上所述,靜電紡復(fù)合材料的納米纖維層比熔噴層致密,且薄而平整,實(shí)驗(yàn)條件下以液體氣溶膠占主導(dǎo)作用的容塵過(guò)程會(huì)快速在濾材表面形成液膜,導(dǎo)致濾芯阻力迅速增長(zhǎng),使其容塵量比熔噴復(fù)合材料的低。蓬松熔噴層形成液膜較緩慢,因此容塵量大。濾芯更換預(yù)濾棉容塵實(shí)驗(yàn)中,濾芯壓差越來(lái)越高,預(yù)濾棉容塵到達(dá)終止壓差時(shí)間縮短,因此預(yù)濾棉上的容塵量呈下降趨勢(shì)。在濾芯實(shí)際使用中,可根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)置較為合適的換棉次數(shù)。

        2.2 預(yù)濾棉對(duì)濾芯阻力的影響

        靜電紡復(fù)合材料濾芯更換第三次棉后總壓差超過(guò)實(shí)驗(yàn)壓差200 Pa,因此實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行了兩次換棉。圖4是靜電紡復(fù)合材料濾芯加載A2灰與DEHS的混合塵的阻力曲線圖,其中步驟1和步驟2的初始?jí)翰顬闉V芯與預(yù)濾棉總壓差,因此步驟1中壓差比濾芯單獨(dú)加載混合塵的初始?jí)翰罡?,步驟4的初始?jí)翰顒t為去除預(yù)濾棉后濾芯壓差。從圖4可以看出,純?yōu)V芯加載混合塵329 s后的濾芯達(dá)到終止壓差,而在濾芯外增加一層預(yù)濾棉后,濾芯到達(dá)終止壓差時(shí)間為880 s,是單純?yōu)V芯所用時(shí)間的2.7倍,由此可知增加預(yù)濾棉可以有效延長(zhǎng)濾芯到達(dá)終止壓差的時(shí)間,即延長(zhǎng)濾芯的使用壽命。濾芯直接加載混合顆粒物初始階段濾芯壓差上升緩慢,但此階段時(shí)間短,隨后濾芯壓差快速上升,這是因?yàn)殪o電紡復(fù)合材料制備的濾芯在容塵過(guò)程中的過(guò)濾形式主要是表面過(guò)濾。加載混合塵初期,纖維間的孔隙還未被堵塞。隨著混合塵的繼續(xù)加載,液體氣溶膠的存在使固體氣溶膠黏度增大,容易在材料表面粘結(jié)形成大顆粒堵塞濾芯表面孔隙,造成后期壓差急速上升直到終止壓差。而濾芯外包預(yù)濾棉時(shí),由于預(yù)濾棉孔隙大,以深層過(guò)濾為主,形成的大顆粒堵塞孔隙的速度慢,混合顆粒物經(jīng)預(yù)過(guò)濾后到達(dá)濾芯的量較少,因此在步驟1中濾芯壓差上升緩慢,加載時(shí)間長(zhǎng)。步驟2加載混合塵時(shí),經(jīng)過(guò)前面的容塵過(guò)程濾芯表面已經(jīng)沉積了一定量的混合顆粒物,而此時(shí)預(yù)濾棉為潔凈棉,對(duì)顆粒物的過(guò)濾效率較低,混合塵穿過(guò)預(yù)濾棉層進(jìn)入濾芯,因此濾芯壓差急劇上升。步驟4是去掉預(yù)濾棉后直接加載混合塵,由于前期加載實(shí)驗(yàn)使濾芯表面形成顆粒堵塞孔隙,因此壓差增長(zhǎng)快。

        圖4 靜電紡復(fù)合材料濾芯容塵過(guò)程的阻力曲線

        圖5為熔噴復(fù)合材料制備的濾芯加載A2灰和DEHS的混合塵過(guò)程阻力曲線圖,其中步驟1、步驟2、步驟3的初始?jí)翰顬闉V芯與預(yù)濾棉總壓差,步驟4的初始?jí)翰顒t為去除預(yù)濾棉后濾芯壓差。從圖中可以看出,濾芯直接加載混合塵時(shí),壓差在過(guò)濾初期緩慢增長(zhǎng),后期快速增長(zhǎng)。無(wú)預(yù)過(guò)濾棉時(shí),濾芯1436 s達(dá)到終止壓差,增加預(yù)過(guò)濾后,濾芯3935 s達(dá)到終止壓差,時(shí)間是前者的2.7倍。此外,步驟1中濾芯首次外包預(yù)濾棉時(shí)預(yù)濾棉和濾芯對(duì)整個(gè)加載過(guò)程的容塵量貢獻(xiàn)最大,壓差增長(zhǎng)緩慢,由于在步驟1的容塵過(guò)程中濾芯表面已沉積了油灰混合顆粒物,在步驟2和步驟3中濾芯繼續(xù)加載時(shí)顆粒物濾材孔隙易堵塞,壓差增長(zhǎng)加快。經(jīng)歷三次換棉加載實(shí)驗(yàn)后,濾芯表面已經(jīng)開(kāi)始形成濾餅,因此拆掉預(yù)濾棉后濾芯加載混合塵的壓差增長(zhǎng)比前三次的快。

        對(duì)比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn),不論是濾芯直接加載混合塵,還是在濾芯外增加預(yù)濾棉,加載混合塵時(shí)其阻力上升趨勢(shì)相同。但熔噴復(fù)合材料制備的濾芯達(dá)到終止壓差時(shí)間長(zhǎng),這與濾芯的材料本身結(jié)構(gòu)相關(guān)。熔噴復(fù)合材料表面孔隙大,混合塵形成大顆粒堵塞孔隙需要的時(shí)間較長(zhǎng),因此達(dá)到終止壓差時(shí)間長(zhǎng)。

        圖5 熔噴復(fù)合材料濾芯容塵過(guò)程的阻力曲線

        2.3 預(yù)濾棉對(duì)濾芯容塵性能的影響

        表2是濾芯及預(yù)濾棉容塵質(zhì)量變化結(jié)果表。從表中可以看出,靜電紡復(fù)合材料濾芯直接加載A2灰和DEHS的混合塵時(shí),其容塵量?jī)H為0.90 g,而增加預(yù)濾棉后濾芯總?cè)輭m量為2.60 g,是前者的2.9倍,在3次更換的預(yù)濾棉中,步驟1的預(yù)濾棉容塵量最大,為1.52 g,占整個(gè)換棉實(shí)驗(yàn)容塵的58%。熔噴復(fù)合材料濾芯直接加載A2灰和DEHS混合塵時(shí),容塵量為3.46 g,而增加預(yù)濾棉后,預(yù)濾棉和濾芯總?cè)輭m量為10.44 g,是不加預(yù)濾棉的3.0倍。在3次更換的預(yù)濾棉中,步驟1的預(yù)濾棉容塵量最大,為5.40 g,占整個(gè)換棉實(shí)驗(yàn)容塵的52%。由此可見(jiàn),增加預(yù)濾棉可以有效延長(zhǎng)濾芯的使用壽命,且第一次包覆的預(yù)濾棉對(duì)整個(gè)濾芯的容塵量影響很大。

        從表中也可以看出,熔噴復(fù)合材料濾芯在實(shí)驗(yàn)的每一過(guò)程的容塵量均大于靜電紡復(fù)合材料濾芯,濾芯與預(yù)濾棉結(jié)合使用后,熔噴復(fù)合材料濾芯的總?cè)輭m量10.44 g,是靜電紡復(fù)合材料濾芯總?cè)輭m量2.60 g的4倍。除此之外,靜電紡復(fù)合材料比熔噴復(fù)合材料對(duì)含油霧粉塵更敏感,實(shí)驗(yàn)室壽命明顯低于熔噴復(fù)合材料。而預(yù)濾棉價(jià)格便宜,更換簡(jiǎn)單、方便,采用在濾芯外增加預(yù)濾棉的方式,是提高濾芯容塵量的有效方法。

        表2 濾芯及M5預(yù)濾棉的容塵質(zhì)量

        3 總結(jié)

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究可知,對(duì)于同種材料制備的濾芯,加載A2灰和DEHS混合塵時(shí),增加預(yù)濾棉后濾芯整體容塵量大大提升,靜電紡復(fù)合材料濾芯有預(yù)濾棉的容塵量是無(wú)預(yù)濾棉的2.9倍,熔噴復(fù)合材料濾芯有預(yù)濾棉的容塵量是無(wú)預(yù)濾棉的3.0倍,且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中第一塊預(yù)濾棉的容塵量最大,分別占濾芯及預(yù)濾棉總?cè)輭m量的58%和52%。在濾芯上增加預(yù)濾棉的過(guò)濾方式可以有效延長(zhǎng)濾芯的使用壽命,選擇合適的預(yù)濾棉對(duì)濾芯與預(yù)濾棉總?cè)輭m量影響很大。在實(shí)驗(yàn)條件下,靜電紡復(fù)合材料比熔噴復(fù)合材料對(duì)油灰混合塵更敏感,阻力上升快,實(shí)驗(yàn)室壽命低于熔噴復(fù)合材料。

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