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袋式除尘滤料过滤性能检测及应用的探讨

摘 要 对常用的几种除尘滤料的过滤性能进行测试，得到过滤效率在不同粉尘负荷条件下与过滤速度的关系，并采用回归分析法对所得数据进行处理，得到滤料两侧过滤阻力随过滤时间、粉尘层厚度变化的二次曲线关系，结合工程应用中清灰压力设定值及相关影响因素即可明确清灰周期。
关键词 袋式除尘 除尘滤料 滤料阻力 除尘效率 清灰周期

1 引言
目前袋式除尘器常用滤料的检测参数主要包括滤料的透气性、清洁状态下总效率及阻力，这些参数难以满足工程的要求。近年来，袋式除尘器较突出的矛盾是清灰，该技术决定了滤料性能的周期性变化。从过滤性能上来看，对一定浓度入口含尘气量，粉尘厚度大效率高，但其薄弱环节在于清灰之后，滤料性能差异较大，尤其是对微细尘的除尘效率存在不利工况。本文利用测试滤料所得的压力损失、过滤效率、粉尘层的形成时间及厚度等参数，试图探讨找出其内在变化规律用于指导工程应用。

2 研究对象及方法
2.1 实验仪器及方法
滤料性能测试装置[1]如图1，可进行洁净及发尘状态下的滤料过滤性能测试。环境空气由测试管道入口进入管道，经过被测滤料，流量计，由吸气泵抽吸排除。

1－发尘器；2、3－Grimm便携式尘粒监测仪[2]；4—被测滤料；
5—数字式微压计； 6－转子流量计；7－无油真空泵
图1 滤料发尘阻力测试装置
2.2 测试参数
2.2.1 过滤速度
过滤风速ν是指过滤材料面积上通过气流的速度，m/s。但是常用的滤袋的过滤速度一般用m/min计算。
（1）
式中：Q—经过测试过滤器的风量，m3/h；f —过滤器的过滤有效面积，m2。
2.2.2 分级过滤效率
分级过滤效率ηi是指过滤器从空气流中除去的某个粒径的颗粒个数，除以进入此过滤器的该粒径的颗粒总数，所得商即为捕集效率，求出过滤材料分级效率。
（2）
式中：ηi—PM x的分级计数效率（％）；N1i—上风侧某粒径段计数浓度的平均值(粒/L)；N2i—下风侧某粒径段计数浓度的平均值(粒/L)。
2.2.3 过滤阻力
过滤阻力是指被测滤料前后的全压差,假设测试管道气流流速均匀,且无漏气,由于过滤速度较低，动压较小，可将过滤阻力近似看作滤料前后的静压差。
2.2.4 粉尘层厚度
测试发尘采用医用滑石粉，真密度为2.75kg/m3，测量容积密度为0.60 kg/m3。测量粉尘质量采用BS224型电子天平。
在稳态过滤条件下，粉尘沉积层厚度是时间的函数，在一段时间内，滤料表面粉尘沉积质量表示为，
（3）
式中：m —粉尘质量浓度，kg；C－烟气粉尘浓度,g/m3；f—有效过滤面积，m2；—过滤速度，m/min；t－时间，s；ρν—粉尘的容积密度，kg /m3；δ－过滤介质厚度，m。
2.3 测试对象
袋式除尘器滤料按过滤方式可分为：表面过滤、表层过滤和深层过滤三种。覆膜滤料属于表面过滤，梯度纤维复合滤料属于表层过滤[3]，普通针刺毡滤料多为深层过滤材料。选取具有代表性的滤料进行测试：梯度纤维复合滤料(A)、普通针刺毡(B)、覆膜滤料（C）。
2.4 数据处理方法
利用数据回归分析[4]根据已获得的观测值采用拟合方法得到相关曲线，分析获得一些有意义的结论，并可以根据给定的自变量得出相应的预报值（拟合值或回归值）。回归分析的估计精度问题反应了拟合曲线满意程度。
将实际观测值关于其均值的方差（即校正平方和）分解为两部分，前一部分是由回归线引起的，后一部分是由于实际观测值没有落在回归线上引起的（否则残差平方和为零）。

3 测试结果及回归分析
3.1 清洁滤料回归分析
环境参数为：标准大气压，温度为18℃，相对湿度为68％，空气密度为1.21kg/m3。清洁状态下改变气流速度得到各滤料的气流速度与压力损失的关系，见图2。

图2 清洁状态下，过滤速度与压力损失的关系
线性回归分析得出的拟合直线为：。模型参数a、b及反应回归拟合程度好坏的见表1，表2。
表1 不同滤料线型回归的模型参数
滤料名称拟合系数
A
B
C
a
-3.00
-0.58
-2.43
b
2732
12.8
32.93
表2 拟合曲线的R2
滤料
残差SS
回归SS
校正SS

A
10.958
2996.725
3007.684
0.996
B
1.978
657.818
660.000
0.997
C
9.342
4353.805
4363.875
0.998
从表2中可以看出，回归分析得到在清洁状态下，各滤料的过滤速度与阻力呈线型关系，由拟合曲线的R2表明对直线拟合感到满意。
3.2 发尘状态下滤料的回归分析
回归分析拟合曲线形式为：Y = A + B1X + B2X2。改变过滤风速，压力损失与时间及粉尘层厚度的关系分别见下图。
滤料A：

图3 压力损失与时间 图4 压力损失与厚度
表3 滤料A，二次拟合曲线模型参数
v（m/min）
拟合系数　
0.80
1.00
1.20
1.50
1.80
2.00
2.50
3.00
A
4.74
13.90
20.19
38.10
36.83
40.07
50.88
59.38
B1
40.30
45.36
52.89
50.29
73.77
83.16
98.63
118.36
B2
-0.28
0.49
0.97
2.65
1.93
228
2.99
3.51
滤料B：

图5 压力损失与时间 图6 压力损失与厚度
表4滤料B，二次拟合曲线模型参数
v（m/min）
拟合系数
0.80
1.00
1.20
1.50
1.80
2.00
2.50
3.00
A
16.70
12.70
7.40
1.40
-7.00
4.90
-5.50
-15.40
B1
4.18
9.73
16.16
23.44
32.25
30.45
42.31
55.72
B2
2.75
3.09
3.79
4.60
5.20
6.22
7.30
8.37
滤料C：

图7 压力损失与时间 图8 压力损失与厚度
表5 滤料C，二次拟合曲线模型参数
v（m/min）
拟合系数
0.80
1.00
1.20
1.50
1.80
2.00
2.50
3.00
A
6.07
6.79
7.93
5.18
7.96
7.64
10.68
14.50
B1
1.99
2.71
4.88
12.38
11.23
13.70
15.32
16.77
B2
1.78
2.26
2.71
2.62
3.65
3.99
5.17
6.51
表6 不同过滤速度下，不同滤料拟合曲线的值
v（m/min）
滤料名称
0.80
1.0
1.2
1.5
1.8
2.0
2.5
3.0
A
0.912
0.941
0.959
0.985
0.978
0.976
0.977
0.975
B
0.997
0.996
0.997
0.992
0.996
0.942
0.995
0.995
C
1.000
0.999
1.000
1.000
1.000
1.000
0.999
0.999
表6得到在发尘状态下，各滤料的在不同过滤速度下，阻力损失与过滤时间及粉尘厚度的关系呈二次曲线。由拟合曲线的R2可知，对该回归分析得到的拟合曲线感到满意。

4 综合分析
粉尘层越厚，布袋阻力越大，过滤速度越小，反之亦成立。实际运行中由于气流组织不均匀、袋间距的影响、布袋各处清灰性能差异等因素导致过滤速度的波动性，因此通常意义下的过滤速度1m/min是指整个除尘器箱体风速的平均值。本文主要为了说明各相关因素之间的内在联系，因此以1m/min平均过滤风速为例来讨论。
4.1 滤料A

图9 清洁状态下分级效率 图10 速度为1.0m/min条件下的分级效率
滤料A的梯度结构具有良好的透气性和高捕集效率，在清洁状态下压力损失介于覆膜滤料和普通滤料之间（图2）；实验得到[2]梯度结构滤料具有接近覆膜滤料的效率和P84异形纤维滤料的阻力。随着粉尘面积密度增加、粉尘层增厚，对于颗粒物的捕集效率上升明显。该滤料在工程中得到了良好的应用，具有过滤效率高，运行阻力小，性能稳定，耐磨损，耐高温磨损腐蚀，使用寿命长等有点。
4.2 滤料B

图11 清洁状态下分级效率 图12 速度为1.0m/min条件下的分级效率
滤料的捕集机理中，一般认为惯性作用、拦截作用和扩散作用起主要作用，一般来说对粒径小于1微米粒子，扩散作用起主要作用；微粒大于1微米的粒子惯性和拦截作用占主导。图11中，深层滤料B在微粒粒径0.4μm～0.8μm的分级过滤效率出现最低点，主要是由于这个粒径段的粒子处在拦截作用的下限、扩散作用的上限，所以较难捕集，是该滤料的最不利工况点。在未形成粉尘层前，过滤效率很低仅为45%~65%，要达到较高的效率必须形成完整的粉尘层后才能实现，而此时的过滤阻力是清洁态时的几到几十倍。
4.3 滤料C

图13 清洁状态下分级效率 图14 速度为1.0m/min条件下的分级效率
清洁状态下覆膜滤料的阻力较高，随着粉尘层的加厚，阻力变化小而效率高，这主要因为覆膜滤料表面为微孔膜结构。对覆膜滤料及其基布的过滤效率测试表明基布的效率很低，对粉尘过滤基本没有作用，因此覆膜滤料一旦膜破裂，滤料的效率会迅速下降。因此对于覆膜滤料，覆膜技术是关键，覆膜质量和膜的寿命是滤料的关键问题。
梯度滤料A和覆膜滤料C随过滤时间的增加，粉尘层的增厚，阻力上升速率较慢，普通滤料B在阻力上升的同时过滤效率迅速上升，原因是粉尘层起到了过滤介质的作用，但阻力上升明显，与覆膜、梯度滤料相当甚至超过覆膜、梯度滤料。

5 应用分析
一般滤料测试得到的是冷态性能参数，与工程应用是存在差异的，用于指导实际工程需要将冷态性能参数修正为热态，即根据温度不同进行密度修正转换。
如果工况条件温度140℃，粉尘浓度为46.97g/m3，一般布袋两侧设计阻力为900～1200Pa。测试条件为温度18℃，通过气体密度修正阻力，相当冷态的阻力值为1277～1703Pa。可以通过前述试验计算公式获取热态阻力。
目前袋式除尘器清灰周期大多由经验确定，采用定压差清灰或定时清灰。结合清灰压力设定值及综合考虑清灰后的残余阻力、收尘二次返混影响等因素，可以提出布袋的清灰周期控制的参考值。
在实际工程应用中，粉尘层形成的影响因素众多，除了滤料结构决定的过滤方式不同，还有进口风量、粉尘浓度、气流组织、袋间距、清灰技术等，可通过分析影响因素确定负荷系数来进一步修正清灰周期。

6 结论
综上分析得到：根据已知入口粉尘浓度，结合回归分析可对工程采用的布袋进行测试，得到烟尘过滤时间与阻力关系结合工程应用条件即可确定清灰周期。选择布袋时，应选择压力损失小、过滤效率高、粉尘剥落性好、清灰周期长的滤料，一般更趋于选择表面过滤和表层过滤方式的滤料，综合考虑滤料优劣、性价比及其使用寿命等问题。

参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准GB1262590.袋式除尘器用滤料及滤袋技术条件.
[2] 严长勇，沈恒根.袋式除尘器用过滤材料的性能测试与对比.工业安全与环保，2006，32（1）：3--5
[3] 王学仁.应用回归分析.重庆：重庆大学出版社，1991:8-9.
[4] 沈恒根.燃煤锅炉袋式除尘器用新型滤料的研发及其应用.建筑热能通风空调,2006，2（5）：30-33.