高溫?zé)煔庥脧?fù)合型陶瓷材料的過(guò)濾特性研究

劉劍剛李攀刁永發(fā)邱燃

1沈陽(yáng)天一冷熱源技術(shù)有限公司

2東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

高溫?zé)煔庥脧?fù)合型陶瓷材料的過(guò)濾特性研究

劉劍剛1李攀2刁永發(fā)2邱燃2

1沈陽(yáng)天一冷熱源技術(shù)有限公司

2東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

由于燃煤電廠排放大量可吸入顆粒物和重金屬的高溫?zé)煔猓槍?duì)日益嚴(yán)重的高溫?zé)煔馕廴締?wèn)題，常規(guī)的除塵方法必須經(jīng)降溫冷卻處理后，才能夠進(jìn)行除塵凈化處理。但煙氣在經(jīng)過(guò)降溫冷卻處理階段，損失了大量的能量，熱利用率較低，耗能巨大，而且對(duì)細(xì)顆粒的脫除效果不好。利用多孔陶瓷除去可吸入顆粒物及其重金屬等有毒物質(zhì)的過(guò)濾方法愈來(lái)愈受到人們的重視。本文主要介紹陶瓷纖維布的過(guò)濾性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)儀器、各個(gè)測(cè)量指標(biāo)的測(cè)試方法和原理以及試驗(yàn)結(jié)果分析。

高溫?zé)煔?陶瓷纖維布 過(guò)濾

0 引言

為了詳細(xì)深入了解和掌握陶瓷纖維制品的過(guò)濾性能，以微細(xì)顆粒為主要過(guò)濾控制對(duì)象，設(shè)計(jì)必要的實(shí)驗(yàn)裝置和采用相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器，測(cè)試在清潔狀態(tài)下，不同過(guò)濾速度時(shí)，不同過(guò)濾方式對(duì)不同粒徑粉塵的過(guò)濾阻力和過(guò)濾效率。同時(shí)根據(jù)測(cè)試條件下陶瓷纖維制品的測(cè)試結(jié)果，采用數(shù)據(jù)回歸法擬合不同過(guò)濾方式下陶瓷纖維布的壓力損失計(jì)算式,為工程應(yīng)用提供參考。

1 陶瓷纖維制品過(guò)濾性能測(cè)試的主要參數(shù)

1）過(guò)濾風(fēng)速

過(guò)濾風(fēng)速v（m/s）是指氣體通過(guò)陶瓷纖維制品過(guò)濾材料的速度，即式中：Q為經(jīng)過(guò)陶瓷纖維制品過(guò)濾材料的風(fēng)量，m3/h；A為陶瓷纖維制品過(guò)濾材料的過(guò)濾面積，m2。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)濾速度是由濾料種類、粉塵粒徑的大小、物理化學(xué)性質(zhì)及其清灰方式等確定的。在試驗(yàn)操作過(guò)程中，過(guò)濾速度過(guò)大，會(huì)使濾料兩側(cè)的壓差增加，也使得已附在陶瓷纖維布上的細(xì)小粉塵穿透陶瓷纖維層或者嵌入陶瓷纖維空隙中，同時(shí)也有可能使得陶瓷纖維布內(nèi)部微小纖維顆粒在較大的過(guò)濾風(fēng)速下脫落，導(dǎo)致過(guò)濾效率降低達(dá)不到規(guī)定的排放值甚至得到負(fù)的過(guò)濾效率。一般應(yīng)根據(jù)粉塵種類及過(guò)濾器的清灰方式來(lái)選定合適的過(guò)濾速度[1～5]。

2）面風(fēng)速

面風(fēng)速v（0m/s）是指經(jīng)過(guò)陶瓷纖濾材料斷面上通過(guò)氣流的速度，即

式中：Q為經(jīng)過(guò)陶瓷過(guò)濾器的風(fēng)量，m3/h；F為陶瓷過(guò)濾器的迎風(fēng)面積，m2。

3）過(guò)濾效率

過(guò)濾效率η（%）指陶瓷纖濾過(guò)濾材料或陶瓷過(guò)濾器捕集顆粒物的能力，用陶瓷纖濾過(guò)濾材料或者陶瓷過(guò)濾器前后環(huán)境氣溶膠顆粒的計(jì)重濃度來(lái)表示，即

式中：y1為過(guò)濾前的環(huán)境氣溶膠顆粒的計(jì)重濃度，mg/m3；y2為過(guò)濾后的環(huán)境氣溶膠顆粒的計(jì)重濃度，mg/m3。

4）過(guò)濾阻力

過(guò)濾阻力△P（Pa）指陶瓷纖維過(guò)濾材料或陶瓷過(guò)濾設(shè)備前后的全壓差。在陶瓷纖維過(guò)濾材料或陶瓷過(guò)濾設(shè)備的過(guò)濾層過(guò)程中，過(guò)濾風(fēng)速一般是比較小的，故通過(guò)陶瓷纖維過(guò)濾材料或陶瓷過(guò)濾設(shè)備前后管路中氣流為均勻流，因此過(guò)濾阻力等于兩端的靜壓差，計(jì)算公式如下：

式中：Ps1為過(guò)濾前的管路中的靜壓力，Pa；Ps2為過(guò)濾后的管路中的靜壓力，Pa。

氣流通過(guò)被測(cè)陶瓷纖維過(guò)濾材料產(chǎn)生的壓力損失為進(jìn)、出口管中氣流的平均全壓之差，由清潔濾料的壓力損失和陶瓷纖維過(guò)濾材料表面粉塵層的壓力損失組成。當(dāng)進(jìn)、出口管的斷面面積相等時(shí)，由質(zhì)量守恒定律得到進(jìn)出口的過(guò)濾風(fēng)速也是相等的，應(yīng)用動(dòng)壓計(jì)算公式可以知道其進(jìn)、出口的動(dòng)壓是相等的，由于全壓等于動(dòng)壓與靜壓之和，故可采用其進(jìn)出口管中氣體的平均靜壓之差計(jì)算。測(cè)試中陶瓷纖維布的壓力損失，即過(guò)濾阻力為其進(jìn)出口管中氣體的平均靜壓之差，根據(jù)數(shù)字式微壓計(jì)直接讀出得到過(guò)濾阻力。

2 過(guò)濾特性的實(shí)驗(yàn)裝置

過(guò)濾特性測(cè)試裝置圖如圖所示，其中圖1為潔凈陶瓷纖維布過(guò)濾性能特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，圖2為測(cè)試發(fā)塵條件下陶瓷纖維布過(guò)濾性能特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。氣流由裝置上部集氣口進(jìn)入測(cè)試管道，采用Grilnln1.108型氣溶膠監(jiān)測(cè)儀測(cè)試濾料前后環(huán)境氣溶膠粒徑PM10、PM2.5、PM1.0的顆粒物質(zhì)量濃度，該儀器可以測(cè)量大于0.30/0.40/0.50/0.65/0.80/1.0/1.6/ 2.0/3.0/4.0/5.0/7.5/10/15/20μm的粉塵微粒濃度；采用SERIES475 MARKⅡ型數(shù)字微壓計(jì)測(cè)量數(shù)字微壓計(jì)測(cè)試濾料前后壓降；采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)流量并控制過(guò)濾風(fēng)速。

為使發(fā)塵器發(fā)出的粉塵能夠在進(jìn)口管道內(nèi)充分?jǐn)U散，并防止粉塵在進(jìn)口管道內(nèi)沉積，故將實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)為縱向。實(shí)驗(yàn)中被測(cè)濾料的過(guò)濾風(fēng)速通過(guò)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制，發(fā)塵量由發(fā)塵器調(diào)節(jié)，采用的粉塵為滑動(dòng)性好、粘附性差的滑石粉。濾料的阻力由差壓計(jì)直接讀取，濾料的過(guò)濾效率則由設(shè)置在濾料前后的顆粒物分析儀讀出的前后粉塵濃度計(jì)算而得。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)改變風(fēng)速、發(fā)塵量等來(lái)得出濾料過(guò)濾風(fēng)速、阻力、過(guò)濾效率之間的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)裝置根據(jù)GB12218-89對(duì)測(cè)試裝置要求，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)的，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、2所示，風(fēng)道系統(tǒng)的制作與安裝要求符合GBJ243[2]。

圖1 潔凈陶瓷纖維布過(guò)濾特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 發(fā)塵條件下陶瓷纖維布過(guò)濾特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置

3 陶瓷纖維布的過(guò)濾效率測(cè)試

通過(guò)對(duì)陶瓷纖維布過(guò)濾效率的測(cè)試，可以全面認(rèn)識(shí)陶瓷纖維制品作為高溫過(guò)濾材料的必要性和可能性。一方面由于目前常用的干法除塵和濕法除塵方法和技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，尤其是對(duì)于高溫環(huán)境下的除塵領(lǐng)域，常規(guī)除塵技術(shù)受到限制，而采用耐高溫、耐酸堿的陶瓷纖維制品可以脫除高溫環(huán)境下的污染物；另一方面，具有豐富三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維制品可以作為過(guò)濾材料，能夠應(yīng)用于高溫除塵領(lǐng)域。

通過(guò)采用冷態(tài)實(shí)驗(yàn)法對(duì)疊加和縫制兩種不同的過(guò)濾方式來(lái)研究陶瓷纖維制品的過(guò)濾效率，以此比較和分析兩種不同實(shí)驗(yàn)條件下陶瓷纖維制品的過(guò)濾效果。其中疊加方式是直接將制作好的陶瓷纖維布放在一起，而縫制方式是采用金屬軟絲直接將準(zhǔn)備好的陶瓷纖維制品縫制在一起，經(jīng)過(guò)縫制處理后的陶瓷纖維制品肯定比疊加方式的厚實(shí)度，孔隙度也有較大的變化，大的孔隙度減少，小的孔隙度增加，小顆粒被捕集的幾率增加，分級(jí)效率增加，總過(guò)濾效率也得到提高。圖3、圖4所示分別為兩層和三層疊加方式下不同厚度陶瓷纖維布過(guò)濾阻力與粒徑關(guān)系，從圖中可以看出，在不同厚度的疊加方式下，過(guò)濾效率是不同的，但是總體相差不大。從圖上可以看出在不同厚度的2層疊加方式下最高的過(guò)濾效率不超過(guò)18%；在不同厚度的3層疊加方式下最高的過(guò)濾效率不超過(guò)20%。

圖3 兩層疊加方式下不同厚度陶瓷纖維布圖過(guò)濾效率與粒徑關(guān)系

圖4 三層疊加方式下不同厚度陶瓷纖維布圖過(guò)濾效率與粒徑關(guān)系

圖5、圖6所示分別為兩層和三層縫制方式下不同厚度陶瓷纖維布過(guò)濾阻力與粒徑關(guān)系，從圖中可以看出，在不同厚度的縫制方式下，過(guò)濾效率是不同的，但是總體相差不大。從圖上可以看出在不同厚度的兩層縫制方式下最高的過(guò)濾效率不超過(guò)20%，在不同厚度的三層縫制方式下最高的過(guò)濾效率不超過(guò)22%。

圖5 兩層縫制方式下不同厚度陶瓷纖維布圖過(guò)濾效率與粒徑關(guān)系

圖6 三層縫制方式下不同厚度陶瓷纖維布圖過(guò)濾效率與粒徑關(guān)系

從上述兩種不同的過(guò)濾方式下陶瓷纖維布的過(guò)濾效率的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在顆粒粒徑為0.5μm附近的過(guò)濾效率均為7%左右。而在顆粒粒徑為4.0μm附近的過(guò)濾效率均為20%左右，從總體過(guò)濾效果來(lái)說(shuō)，縫制方式的過(guò)濾效果要優(yōu)于疊加方式。再改進(jìn)生產(chǎn)工藝，采用孔隙率較小的陶瓷纖維布作為高溫除塵用過(guò)濾材料將會(huì)達(dá)到更好的過(guò)濾效果[4]。

通過(guò)對(duì)陶瓷纖維布的過(guò)濾效率測(cè)試，總體效果還是滿足高溫除塵的要求，但是得到了個(gè)別負(fù)過(guò)濾效率數(shù)據(jù)。分析其原因是由于陶瓷纖維布內(nèi)部含有大量的微小結(jié)晶顆粒和微細(xì)陶瓷纖維，在一定的過(guò)濾風(fēng)速下少量的顆粒和纖維從陶瓷纖維布中脫落出來(lái)，導(dǎo)致陶瓷纖維布出口的顆粒物濃度大于進(jìn)口顆粒物的濃度。為了避免負(fù)過(guò)濾效率的出現(xiàn)，應(yīng)該對(duì)陶瓷纖維布進(jìn)行預(yù)處理，減少陶瓷纖維布中存在的結(jié)晶小顆粒物和細(xì)陶瓷纖維。

4 結(jié)論

在參照相關(guān)過(guò)濾器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了陶瓷纖維布過(guò)濾特性的試驗(yàn)裝置，對(duì)陶瓷纖維布進(jìn)行了過(guò)濾阻力和過(guò)濾效率的測(cè)試，對(duì)比分析了不同過(guò)濾方式下的過(guò)濾阻力和過(guò)濾效率，同時(shí)還采用回歸分析擬合法得到了不同過(guò)濾方式下的過(guò)濾阻力的擬合曲線，為陶瓷纖維布的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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The Pe rform a nc e Re s e a rc h of Ce ra m ic Fibe rs Filtra tion Com pos ite Ma te ria l Applie d in High Te m pe ra ture Dus t-re m oving Fie ld

LIU Jian-gang1,LI Pan2,DIAO Yong-fa2,QIU Ran2
1 Shenyang Tianyi Cold and Heat Source Technique Co.Ltd.
2 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

Due to lots of inhaled Particles and heavy metals in the high temperature gas dusts were emitted from coal fired Power generation plants,it became increasingly serious air pollution of high temperature gas dusts.It must be reduced the temperature and cooling treated,then these high temperature gas dusts could be dust-removing and cleaned. At this moment,heat was lost,heat-utilizing was low,energy consuming was huge,and dust cleaning effect was bad. Using porous ceramics to clean inhaled particles and heavy metals toxicants of new filtering ways had quite recognized. This paper mainly introduces the filtration performance of the ceramic fiber cloth when testing the experimental device, experimental apparatus,the test method,principle of the measurement and analysis of test results.

high temperature gas,ceramic fiber cloth,filtration

1003-0344（2015）01-094-4

2013-10-25

劉劍剛（1956～），男，工程師；沈陽(yáng)市皇姑區(qū)寧山中路5號(hào)6088室（110031）；E-mail:foxchang@163.com