預濾棉對濾芯過濾性能的影響研究

余 嬌，司丹丹，梁 云，唐 敏

(1. 華南理工大學 制漿造紙工程國家重點實驗室， 廣州 510640; 2. 深圳華盛過濾系統有限公司，廣東 深圳 518109)

環境大氣作為燃氣輪機的進氣來源，空氣純凈度是提高燃氣輪機性能和可靠性的前提，越先進的燃氣輪機，對于吸入空氣的潔凈度越敏感[1]。燃氣輪機吸入污染物會造成壓氣機和渦輪機部件的侵蝕、沖蝕、結垢、冷卻通道堵塞、腐蝕等，因此，必須使用空氣過濾器避免外來物質進入燃氣輪機造成損害，防止燃氣輪機運行性能降低。由于空氣中的污染物復雜多樣，如果使用單級高效過濾器，大、小固體顆粒的堆積會造成過濾器阻力快速上升而達到終止阻力，導致單級過濾系統的濾芯使用壽命嚴重縮短，因此可以采用預過濾器來捕獲較大的固體顆粒而延長下游高效過濾器的壽命[1-2]。根據過濾理論，具有更細小纖維的過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濾材料過濾效率低，透氣度大，攔截大顆粒時阻力緩慢增長[3]。此外，預濾棉價格便宜且更換方便，必要時可在機組運行條件下實現拆除，同時，采用低阻力的預過濾材料捕獲空氣中的大顆粒，阻擋楊、柳絮等雜物，可以為過濾系統增加額外的過濾階段[4-5]，減少主過濾材料捕獲的灰塵量，延長主過濾材料的使用壽命，從而降低過濾系統能耗和運行成本。

濾芯容塵量是過濾器的重要性能參數，在給定污染物的條件下，容塵量高則意味著過濾材料使用壽命長。王迪等[6]以A2灰(ISO 12103-A2細灰)探究預濾棉對濾芯容塵性能的影響，實驗結果表明增加預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顆粒研究兩級過濾系統顆粒負載特性，結果表明在主過濾器前增加預過濾器可以顯著降低主過濾器的壓降增長速度，有效提高整個過濾系統的容塵量，延長主過濾器的使用壽命。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，在實驗室中僅使用單一的固體顆粒物無法合理評估濾芯的使用壽命。Fising等[10]通過將固液兩種發塵器聯用，探究了癸二酸二異辛酯 (英文簡稱DEHS)含量對濾材容塵過程壓差變化的影響，但該實驗中使用的是單一粒徑的顆粒物，與大氣環境中多分散氣溶膠存在一定差異。目前還未有文獻系統地探究A2灰與DEHS質量濃度比例為1∶ 1混合時預濾棉對濾芯過濾性能的影響。

本研究通過將固體顆粒物發塵器和液體氣溶膠發塵器聯合使用，將產生的固體顆粒物和液體氣溶膠均勻混合后加載到包覆預濾棉的濾芯上，探究A2灰與DEHS質量濃度比例為1∶ 1時預濾棉對濾芯過濾性能的影響，同時也對比了不同材料在相同實驗條件下的過濾性能，為濾芯增加預濾棉的次數提供一定的參考。

1 實驗

1.1 實驗儀器

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

1.2 實驗材料

預過濾及濾芯材料的基本性能如表1所示。熔噴復合材料透氣度和平均孔徑是靜電紡復合材料的2倍，且厚度大于后者，而靜電紡復合材料平均孔徑3.9 μm，透氣度低，說明濾材結構較為致密。M5棉是EN779：2012標準中的M5級，平均孔徑61.0 μm，透氣度遠遠大于主濾芯過濾材料。

表1 過濾材料基本性能

本文實驗負荷粉塵使用ISO12103-1 A2細灰，粒徑范圍為0.5～60 μm，主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O，購買自PTI Powder Technology Inc.公司。

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

1.3 實驗方法

1.3.1 純濾芯阻力上升曲線及容塵性能研究

在氣溶膠總質量濃度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，分別對褶高為55 mm的靜電紡復合材料濾芯、熔噴復合材料濾芯進行混合塵容塵實驗，濾芯壓差到達200 Pa停止實驗。

1.3.2 預濾棉對濾芯阻力上升曲線及容塵性能研究

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

(1) 在濾芯上游包覆一層預濾棉，進行加載A2灰和DEHS的容塵實驗，達到終止壓差200 Pa后拆下預濾棉。

(2) 在濾芯外包覆新的預濾棉，重復步驟1。

(3) 重復步驟2。

(4) 拆下預濾棉的濾芯繼續加載A2灰和DEHS至壓差為200 Pa 終止實驗。

2 結果分析與討論

2.1 容塵測試前后濾芯與預濾棉的電鏡分析

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

由圖2(a)可知，靜電紡復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)構成，纖維間的孔隙較小。實驗條件下的混合氣溶膠以液體氣溶膠為主導，容易在材料表面形成液膜，導致濾材阻力增長快。從圖2 (c)、 (d)中看出靜電紡層的納米纖維截了很多細小顆粒物，表面孔隙幾乎被填滿，且混合顆粒物形成的結構較為緊密。

(a) 實驗前預濾棉入流面

(b) 實驗前預濾棉截面

(c) 實驗后靜電紡預濾棉第1塊棉

(d) 實驗后靜電紡預濾棉第2塊棉

(e) 實驗后熔噴預濾棉第1塊棉

(f) 實驗后熔噴預濾棉第2塊棉

(g) 實驗后熔噴預濾棉第3塊棉

圖3(a)、(b)中熔噴復合材料入流面的熔噴纖維直徑為1～2 μm，濾材結構較疏松，與靜電紡復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，進行容塵實驗后，油灰混合塵顆粒在濾材表面形成顆粒團并堵塞纖維之間的孔隙，部分孔隙大的區域還未被堵塞，可看到表面纖維，且熔噴層表面顆粒物散落的較有層次，形成液膜所需時間長，因此相同實驗條件下容塵量較大。

(a) 實驗前入流面

(b) 實驗前截面

(c) 實驗后入流面

(d) 實驗后截面

(a) 實驗前入流面

(b) 實驗前截面

(c) 實驗后入流面

(d) 實驗后截面

綜上所述，靜電紡復合材料的納米纖維層比熔噴層致密，且薄而平整，實驗條件下以液體氣溶膠占主導作用的容塵過程會快速在濾材表面形成液膜，導致濾芯阻力迅速增長，使其容塵量比熔噴復合材料的低。蓬松熔噴層形成液膜較緩慢，因此容塵量大。濾芯更換預濾棉容塵實驗中，濾芯壓差越來越高，預濾棉容塵到達終止壓差時間縮短，因此預濾棉上的容塵量呈下降趨勢。在濾芯實際使用中，可根據實際使用情況設置較為合適的換棉次數。

2.2 預濾棉對濾芯阻力的影響

靜電紡復合材料濾芯更換第三次棉后總壓差超過實驗壓差200 Pa，因此實驗僅進行了兩次換棉。圖4是靜電紡復合材料濾芯加載A2灰與DEHS的混合塵的阻力曲線圖，其中步驟1和步驟2的初始壓差為濾芯與預濾棉總壓差，因此步驟1中壓差比濾芯單獨加載混合塵的初始壓差高，步驟4的初始壓差則為去除預濾棉后濾芯壓差。從圖4可以看出，純濾芯加載混合塵329 s后的濾芯達到終止壓差，而在濾芯外增加一層預濾棉后，濾芯到達終止壓差時間為880 s，是單純濾芯所用時間的2.7倍，由此可知增加預濾棉可以有效延長濾芯到達終止壓差的時間，即延長濾芯的使用壽命。濾芯直接加載混合顆粒物初始階段濾芯壓差上升緩慢，但此階段時間短，隨后濾芯壓差快速上升，這是因為靜電紡復合材料制備的濾芯在容塵過程中的過濾形式主要是表面過濾。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。而濾芯外包預濾棉時，由于預濾棉孔隙大，以深層過濾為主，形成的大顆粒堵塞孔隙的速度慢，混合顆粒物經預過濾后到達濾芯的量較少，因此在步驟1中濾芯壓差上升緩慢，加載時間長。步驟2加載混合塵時，經過前面的容塵過程濾芯表面已經沉積了一定量的混合顆粒物，而此時預濾棉為潔凈棉，對顆粒物的過濾效率較低，混合塵穿過預濾棉層進入濾芯，因此濾芯壓差急劇上升。步驟4是去掉預濾棉后直接加載混合塵，由于前期加載實驗使濾芯表面形成顆粒堵塞孔隙，因此壓差增長快。

圖4 靜電紡復合材料濾芯容塵過程的阻力曲線

圖5為熔噴復合材料制備的濾芯加載A2灰和DEHS的混合塵過程阻力曲線圖，其中步驟1、步驟2、步驟3的初始壓差為濾芯與預濾棉總壓差，步驟4的初始壓差則為去除預濾棉后濾芯壓差。從圖中可以看出，濾芯直接加載混合塵時，壓差在過濾初期緩慢增長，后期快速增長。無預過濾棉時，濾芯1436 s達到終止壓差，增加預過濾后，濾芯3935 s達到終止壓差，時間是前者的2.7倍。此外，步驟1中濾芯首次外包預濾棉時預濾棉和濾芯對整個加載過程的容塵量貢獻最大，壓差增長緩慢，由于在步驟1的容塵過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中濾芯繼續加載時顆粒物濾材孔隙易堵塞，壓差增長加快。經歷三次換棉加載實驗后，濾芯表面已經開始形成濾餅，因此拆掉預濾棉后濾芯加載混合塵的壓差增長比前三次的快。

對比圖4和圖5可以發現，不論是濾芯直接加載混合塵，還是在濾芯外增加預濾棉，加載混合塵時其阻力上升趨勢相同。但熔噴復合材料制備的濾芯達到終止壓差時間長，這與濾芯的材料本身結構相關。熔噴復合材料表面孔隙大，混合塵形成大顆粒堵塞孔隙需要的時間較長，因此達到終止壓差時間長。

圖5 熔噴復合材料濾芯容塵過程的阻力曲線

2.3 預濾棉對濾芯容塵性能的影響

表2是濾芯及預濾棉容塵質量變化結果表。從表中可以看出，靜電紡復合材料濾芯直接加載A2灰和DEHS的混合塵時，其容塵量僅為0.90 g，而增加預濾棉后濾芯總容塵量為2.60 g，是前者的2.9倍，在3次更換的預濾棉中，步驟1的預濾棉容塵量最大，為1.52 g，占整個換棉實驗容塵的58%。熔噴復合材料濾芯直接加載A2灰和DEHS混合塵時，容塵量為3.46 g，而增加預濾棉后，預濾棉和濾芯總容塵量為10.44 g，是不加預濾棉的3.0倍。在3次更換的預濾棉中，步驟1的預濾棉容塵量最大，為5.40 g，占整個換棉實驗容塵的52%。由此可見，增加預濾棉可以有效延長濾芯的使用壽命，且第一次包覆的預濾棉對整個濾芯的容塵量影響很大。

從表中也可以看出，熔噴復合材料濾芯在實驗的每一過程的容塵量均大于靜電紡復合材料濾芯，濾芯與預濾棉結合使用后，熔噴復合材料濾芯的總容塵量10.44 g，是靜電紡復合材料濾芯總容塵量2.60 g的4倍。除此之外，靜電紡復合材料比熔噴復合材料對含油霧粉塵更敏感，實驗室壽命明顯低于熔噴復合材料。而預濾棉價格便宜，更換簡單、方便，采用在濾芯外增加預濾棉的方式，是提高濾芯容塵量的有效方法。

表2 濾芯及M5預濾棉的容塵質量

3 總結

通過實驗研究可知，對于同種材料制備的濾芯，加載A2灰和DEHS混合塵時，增加預濾棉后濾芯整體容塵量大大提升，靜電紡復合材料濾芯有預濾棉的容塵量是無預濾棉的2.9倍，熔噴復合材料濾芯有預濾棉的容塵量是無預濾棉的3.0倍，且實驗過程中第一塊預濾棉的容塵量最大，分別占濾芯及預濾棉總容塵量的58%和52%。在濾芯上增加預濾棉的過濾方式可以有效延長濾芯的使用壽命，選擇合適的預濾棉對濾芯與預濾棉總容塵量影響很大。在實驗條件下，靜電紡復合材料比熔噴復合材料對油灰混合塵更敏感，阻力上升快，實驗室壽命低于熔噴復合材料。