丁志敏 王巖 陳宜華 張濤 陳思

(1.金平長安礦業(yè)有限公司 云南金平661500； 2.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 安徽馬鞍山243002；3.安徽省金建工程技術(shù)有限公司 安徽馬鞍山243002)

0 引言

隨著綠色礦山建設(shè)的推進(jìn)，我國冶金工業(yè)顆粒物排放限值不斷降低，選礦中產(chǎn)生的顆粒物排放質(zhì)量濃度已經(jīng)降至20 mg/m3。礦山粉塵可以長時間懸浮在產(chǎn)塵點，難以沉降，收集有很大難度[1]。雖然袋式除塵器運行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，但其核心部件濾袋存在粘袋、易堵塞、難清灰、易磨損等問題[2]。盡管近年來在礦井除塵系統(tǒng)中使用了一些高性能的除塵設(shè)備，但大多依靠進(jìn)口，對于袋式除塵器的問題還沒有根本的解決方案[3]。

為解決粉塵黏性、濕度等對袋式除塵器的影響，本文以抗水性強(qiáng)的有機(jī)高分子聚合物為基材，經(jīng)過胚胎、煅燒、熔融等方法制成憎水性強(qiáng)、表面光滑的PTFE無纖維微孔膜濾料，并對其實驗及現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行探究。

1 PTFE無纖維微孔膜濾料特點及過濾機(jī)理

1.1 PTFE微孔過濾材料特點

粉塵的理化性質(zhì)決定了濾料的選擇和使用[4]。PTFE微孔膜濾料抗水性能好、耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高，性能優(yōu)異，適用于礦山粉塵治理。具體體現(xiàn)在以下3個方面。

(1)機(jī)械強(qiáng)度。礦山在生產(chǎn)及運輸過程中產(chǎn)塵量大，粉塵濃度高。濾袋在清灰的過程中與骨架有很大的摩擦力，需要其具有較高的機(jī)械強(qiáng)度[5]。本研究中，PTFE無纖維微孔膜濾料采用特殊工藝制成，濾料強(qiáng)度經(jīng)濾料檢測中心檢測：徑向155 N/cm，緯向88 N/cm，濾料強(qiáng)度滿足要求。

(2)抗水防污性能。以有機(jī)高分子聚合物為基材制成的濾料具有親水性差、表面光滑的特點，潮濕性粉塵不易粘結(jié)，因此該濾料是處理礦山潮濕性粉塵好的選擇。

(3)濾料的過濾性能。以有機(jī)高分子聚合物為基料，對加工制作工藝、配方等方面進(jìn)行優(yōu)化研究，最終生產(chǎn)的濾料富含微孔，有良好的透氣性；粉塵層不易粘結(jié)，一定厚度時可依自重降落，清灰后阻力穩(wěn)定，有良好的再生性。

1.2 PTFE微孔膜過濾材料的過濾機(jī)理

除塵器正常工作時，濾料表面被過濾的粉塵可直接輸送到濾料內(nèi)部，并沉積在濾料深層，甚至堵塞、板結(jié)濾料孔隙，導(dǎo)致除塵器效率降低，圖1為纖維膜過濾機(jī)理，圖2為PTFE無纖維微孔膜過濾機(jī)理。PTFE濾料結(jié)構(gòu)獨特，內(nèi)部沒有直通孔隙，形成的是微孔交錯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。首先，大部分的粉塵顆粒物由于攔截作用被捕集在PTFE表面，不能直接輸送到濾料深層，利用其交錯、質(zhì)密的微孔，實現(xiàn)了濾料表面過濾；其次，該濾料表面具有的特殊的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)充當(dāng)了“一次粉塵層”的角色，在過濾初期就具有良好的捕集效率。不僅有效防止磨損，增加其使用時間，而且被捕集的顆粒物可依靠自身重力脫落，清灰效果顯著。

圖1 纖維膜過濾機(jī)理

2 PTFE微孔膜濾料的過濾性能

過濾材料性能的好壞，會直接影響到除塵器對粉塵顆粒物的捕集效率，主要影響因素為反復(fù)清灰次數(shù)、過濾材料特性、粉塵粒徑等。

濾料試驗裝置與常規(guī)布袋濾料基本相同，主要包括發(fā)塵器、風(fēng)管、濾料試驗裝置、風(fēng)機(jī)以及控制系統(tǒng)組成，見圖3。發(fā)塵器采用螺旋輸送試驗風(fēng)管內(nèi)，輸灰機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，控制發(fā)塵量；設(shè)計小型的除塵器試驗樣機(jī)，將濾料制作濾筒裝入除塵器箱體內(nèi)，清灰方式采用壓氣脈沖清灰；濾料性能檢測孔設(shè)置在除塵樣機(jī)出風(fēng)、進(jìn)風(fēng)風(fēng)管上，測量儀器采用LG型數(shù)字式粉塵采樣器(精度0.01 mg/m3)、WY型數(shù)字壓力計檢測(精度0.1 Pa)和DJ30智能風(fēng)速測定儀(精度0.05 m/s)。

圖2 微孔膜過濾機(jī)理

1—發(fā)塵器；2—風(fēng)筒；3—檢測孔(粉塵、阻力、風(fēng)速)；

試驗粉塵采用燒結(jié)廠布袋除塵器收集粉塵，由圓盤發(fā)塵器發(fā)塵，通過調(diào)節(jié)發(fā)塵器轉(zhuǎn)速控制發(fā)塵量；風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速控制風(fēng)量；制作濾筒裝入除塵器試驗裝置內(nèi)，清灰采用上部噴吹管壓氣噴吹，噴吹壓力0.3～0.5 MPa；粉塵濃度、風(fēng)速及阻力通過試驗裝置的進(jìn)出風(fēng)管取樣口取樣，計算效率和阻力，粉塵剝離率計算式為

式中，△p1為濾料清灰前的阻力，Pa；△p2為濾料清灰后的阻力，Pa；△p0為潔凈濾料的阻力，Pa。

2.1 潔凈濾料的靜態(tài)阻力特性

按照相應(yīng)尺寸將潔凈的3種濾料制成試驗樣品，采用螺旋發(fā)塵器進(jìn)行發(fā)塵(發(fā)塵量為0 g)，通過改變過濾風(fēng)速大小，通過濾料靜態(tài)性能測試儀分別測出在不同過濾風(fēng)速(0.5、1.0、1.5、2.0 m/min)下的靜態(tài)阻力值。試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4顯示，3種不同潔凈濾料的靜態(tài)阻力與過濾風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系。潔凈狀態(tài)下與常規(guī)濾料比較，PTFE濾料靜態(tài)阻力與針刺氈濾料的靜態(tài)阻力及增加幅度大致相同，而覆膜濾料靜態(tài)阻力與增加幅度始終最大，與其他2種覆膜濾料相比，PTFE微孔膜濾料的靜態(tài)阻力值相對較小，這是由于其經(jīng)過特殊加工制作及表面處理后，表面光滑，透氣性好。

圖4 潔凈濾料靜態(tài)阻力特性曲線

2.2 濾料的運行阻力特性

將3種不同性質(zhì)的濾料樣品分別放置在粉塵動態(tài)性能測試儀內(nèi)，測定不同條件下濾料的運行阻力。在一定風(fēng)速(v=1.0 m/min)條件下，通過改變發(fā)塵量(650、700、750、800、850、900 g)，使用數(shù)字壓差計測量濾料阻力值，并分析發(fā)塵量與濾料阻力之間的關(guān)系，見圖5。運行一段時間后，分別對3種不同濾料進(jìn)行逆氣流反吹清灰，通過改變清灰次數(shù)(0、1、2、3、4次)，測得各自阻力大小，不同濾料清灰次數(shù)、運行阻力之間變化關(guān)系見圖6。

圖5 濾料阻力與發(fā)塵量的關(guān)系

圖6 濾料阻力與清灰次數(shù)的關(guān)系

圖5顯示，發(fā)塵量與運行阻力呈正相關(guān)關(guān)系，但PTFE濾料相較于其他2種濾料運行阻力始終最小。圖6顯示，經(jīng)4次清灰后，各自的運行阻力變化范圍相差較多，相較于PTFE濾料，另外2種濾料運行阻力變化范圍相對較大，分別增大33.20%、13.20%；PTFE濾料運行阻力變化最小，約增加了4.30%。主要是由于PTFE濾料大量無直通微孔的獨特結(jié)構(gòu)，可以避免濾料被堵塞、粘結(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)濾料面過濾。

微孔膜濾料阻力400～800 Pa，運行穩(wěn)定，再生性好，見圖7。微孔膜濾料連續(xù)運行數(shù)十小時，在噴吹壓力0.3 MPa，空氣相對濕度10%～15%，濾料表面容塵量達(dá)到3.8 g/cm2，清灰后的阻力幾乎恢復(fù)到原始狀態(tài)。該濾料在馬鋼張莊鐵礦等單位連續(xù)使用3 a以上，未發(fā)生堵塞、糊袋現(xiàn)象。

圖7 濾料清灰阻力特性對比

2.3 濾料的除塵效果

分別測得過濾前后的阻力和不同粒徑顆粒物的進(jìn)出口濃度，計算出各材料的粉塵剝離率與除塵效率，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 粉塵剝離率與清灰次數(shù)的關(guān)系

圖9 不同粒徑去除效率

圖8顯示，PTFE過濾材料的粉塵剝離率在一次清灰后就基本穩(wěn)定在95%以上，最高達(dá)到98.40%。PTFE濾料表面累積顆粒易清除，表面清灰能力強(qiáng)，濾料內(nèi)部不易堵塞，再生性能好。圖9顯示，PTFE濾料對粒徑在10 μm以下的粉塵具有相當(dāng)高的去除效率，達(dá)到98.40%，相較于覆膜濾料及針刺氈濾料86.10%和57.20%的去除效率，優(yōu)勢相當(dāng)明顯。這是由于PTFE濾料的結(jié)構(gòu)特殊，大量的顆粒物可以在其表面被捕集。PTFE濾料過濾性能優(yōu)異，對呼吸性粉塵的治理以及職業(yè)病的預(yù)防有著重要意義。

3 PTFE微孔膜的實際應(yīng)用

某礦業(yè)股份有限公司選礦廠在生產(chǎn)過程中有多處產(chǎn)塵點，會釋放出大量粉塵，原設(shè)計采用的濕式除塵器，由于除塵效率低，于2018—2019年改造為2臺PTFE除塵器。經(jīng)過運行調(diào)試后，測定其捕集效率、運行阻力等，數(shù)據(jù)表明該除塵器運行狀態(tài)良好，粉塵排放濃度及排放速率均達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見表1、表2。

表1 除塵性能參數(shù)檢測結(jié)果

表2 作業(yè)環(huán)境職業(yè)接觸限值檢測 mg/m3

由表1、表2得出，新型PTFE除塵器在實際運行中，出口最大排出粉塵質(zhì)量濃度小于10 mg/m3，崗位接觸呼吸性粉塵為0.25～0.78 mg/m3，總粉塵為0.88～9.26 mg/m3，除塵效率均在99.90%以上，最好的效率為99.98%。該設(shè)備的運行阻力在1 300～1 500 Pa，運行時阻力穩(wěn)定，性能優(yōu)良，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

4 結(jié)論

(1)除塵效率高。PTFE高分子微孔膜濾料，對粒徑小于10 μm的顆粒物脫除率為98.40%，總塵的脫除率為99.97%，排放濃度和崗位職業(yè)接觸限值滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)改變過濾風(fēng)速、粉塵發(fā)塵量、清灰次數(shù)等條件，PTFE微孔膜濾料的靜態(tài)阻力和運行阻力均小于其他2種濾料，且小于500 Pa。

(3)濾料具有較強(qiáng)的抗水性。工業(yè)應(yīng)用表明，除塵器2018年使用至今，除塵濾料未堵塞，適用地下礦山礦石潮濕環(huán)境的除塵工程。

(4)濾料的運行阻力穩(wěn)定。現(xiàn)場的應(yīng)用結(jié)果表明，用該濾料構(gòu)建的除塵設(shè)備運行阻力穩(wěn)定，維持在1 300～1 500 Pa之間，且濾袋磨損小，使用壽命長，運行成本低，值得廣泛運用于礦山除塵。