機械鑄造用袋式除塵器濾料的性能試驗研究

丁佰權 沈恒根

東華大學環境科學與工程學院

隨著工業污染物的排放對環境和氣候的破壞日益嚴重，全國各地經常會出現霧霾現象。隨著環保意識的增強，我國近年來連續頒布《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準[1（]GB 28662-2012）》、《煉鐵工業大氣污染物排放標準[2（]GB 28663-2012）》、《煉鋼工業大氣污染物排放標準[3（]GB 28664-2012）》等標準，并要求各工業企業嚴格執行排放限值，其中，無完整車間排放濃度限值低至5 mg/m3，超低排放、近零排放已成為工業企業的目標。袋式除塵器是一種除塵效率高、結構簡單、運行投資低的除塵設備，在工業企業的末端治理上得到廣泛的應用。濾料的選擇也是判斷袋式除塵器效率高低的核心技術參數。目前機械鑄造袋式除塵器主要采用滌綸濾料。滌綸濾料在常溫下具有良好的力學性能，但在較高溫度下，其對水氣敏感，易發生水解作用，使其強力大幅下降。難以長時間保證其對煙氣凈化效率。高硅氧玻璃纖維濾料是近年來針對高溫粉塵過濾專業研制的一種除塵濾料，此種高硅氧除塵布袋代替了原來的滌綸濾料，具有更高的工作溫度并且具有抗氧化性能強的特點，逐漸代替滌綸濾料用于袋式除塵器中。聚四氟乙烯PTFE 浸漬及表面PTFE 覆膜處理，將耐酸高硅氧的特點與PTFE 的耐溫耐腐、柔韌性好、易清灰等特點有機結合，濾袋的使用壽命等各項性能得到大幅度的提升本文就兩種濾料的力學特性，耐腐蝕特性，耐溫力學特性和過濾特性進行了分析和對比實驗研究。

1 測試及結果

1.1 濾料

本實驗選用同一廠家生產的高硅氧和（PTFE）覆膜高硅氧濾料以及普通滌綸濾料進行測試，以保證實驗中2 種高硅氧濾料只存在覆膜和未覆膜的差別。濾料的基本參數測試結果如表1 所示。

表1 三種濾料基本參數測試結果

1.2 測試方法

1.2.1 濾料的克重

根據標準《單位長度質量和單位面積質量的測定（GB/T 4669—2008）》對兩種濾料分別取樣，大小為100 cm2的方形濾料各5 塊，用精度為0.001 g 的電子天平對各樣品進行測定，不少于三次計算平均值。

1.2.2 濾料的厚度

將測量克重用的個樣品放置在厚度儀上進行測量，計算平均值。

1.2.3 濾料的透氣性

根據標準《紡織品織物透氣性的測定[4（]GB/T 5453-2013）》，分別對兩種濾料取20 cm2（為方便測試取正方形）大小的濾料各10 塊，給其200 Pa 大小的壓差，分別對每塊濾料進行透氣量的測定3 次，計算平均值和CV 值，CV 值的計算方式見式（1）。

式中：σ 為透氣量測量值的標準差，m3/(m2·min)；μ 為透氣量測量值的均值，m3/(m2·min)。

1.2.4 濾料的耐溫性能

按參考標準《紡織品織物拉伸性能（GB/T 3923.1-2013》剪取兩種濾料經、緯向濾料樣品10 條，分別置于120 ℃，140℃，160 ℃，180 ℃，200 ℃恒溫干燥箱內加熱24 h 后取出，再分別放置于相對濕度60%、干球溫度20 ℃的環境中24 h 后測定經緯向斷裂強力、伸長量，每條樣品各測3 組數據計算其平均值，并計算其斷裂強力保持率和斷裂伸長保持率，其計算公式見式（2）、式（3）：

式中：λ 為熱處理后濾料的經向、緯向斷裂強力保持率，%；F 為濾料初始的經緯向斷裂強力，N；Fi為熱處理后濾料的經緯向斷裂強力，N；i 為測試時不同恒溫干燥箱內不同溫度，i=120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃、

200 ℃。

式中：λ1為熱處理后濾料的徑向、緯向斷裂伸長保持率，%；Li為濾料初始經緯向斷裂伸長量，mm；L 為處理后的經緯向斷裂伸長量，mm。

1.2.5 濾料的耐腐蝕性能

本次對兩種濾料耐腐蝕性能測試時，選用濃硫酸和NaOH 溶液，分別配制20%、40%的NaOH 溶液和20%、40%的硫酸溶液。按上述方式對兩種濾料取樣，分別剪取經、緯向濾料樣品分別放在4 種溶液中浸泡24 h 后，用清水沖洗濾料，然后放置于恒溫干燥箱內進行烘干，最后測定其經向、緯向斷裂強力，同樣測3 組數據計算平均值。

1.2.6 濾料的過濾效率

濾料的過濾效率有兩種：靜態除塵效率和動態除塵效率。因動態除塵效率的測試要在袋式除塵器模擬真實工作環境下進行的，并且測試結果差距不明顯。故本次測試主要測試靜態除塵效率[5]，即利用環境中氣溶膠顆粒物代替實際工程上的含塵氣流進行過濾效率測試。靜態過濾性能測試裝置見圖1，測試前對兩種濾料進行取樣，剪取直徑為8 cm 的圓形濾料1 塊，調整裝置中的轉子流量計使得過濾風速分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3 m/min，測定前后濃度，每組取10 個數據取平均值求得兩種濾料的過濾效率。過濾效率計算式為：

圖1 靜態過濾效率測試臺

式中：η 為過濾效率，%；η1前側濃度平均值，μg/m3；η2為后側濃度平均值，μg/m3。

1.3 主要測試儀器

本次測試的主要儀器及其型號見表2。

表2 主要測試儀器及參數

2 測試結果及分析

2.1 濾料的耐溫力學性能

機械鑄造生產過程中，由于工藝特性，散發出的污染物溫度較高，使得袋式除塵器對含塵氣流凈化時通常在高溫情況下進行。因此，濾料的耐溫性能往往影響其適宜的工作溫度及使用壽命。圖2、圖3 分別給出了兩種濾料在120 ℃，140 ℃，160 ℃，180 ℃及200 ℃下的24 h 后的經、緯向的斷裂強力保持率和斷裂伸長保持率的變化趨勢圖。

圖2 三種濾料經向的斷裂強力保持率變化趨勢圖

圖3 三種濾料緯向的斷裂強力保持率變化趨勢圖

根據國標GB/T 6719-2009 中關于濾料熱處理后經緯向斷裂強度保持率的考核標準知，濾料需要保證在連續工作溫度下24 h 的斷裂強力保持率≥100%。由圖2、圖3 可知:未覆膜的高硅氧玻璃濾料和經PTFE 覆膜后的高硅氧濾料都能在較高溫度下保證緯向的斷裂強力保持率大于100%；PTFE 覆膜濾料徑向斷裂強度保持率隨溫度的變化趨勢為先上升后緩緩下降，溫度達到200 ℃時也能保證在95%～99%之間；未覆膜的高硅氧濾料徑向斷裂強度保持率隨溫度升高緩緩下降，在200 ℃高溫時仍能保持在95%以上；在溫度低于180 ℃工作時緯向的斷裂強度保持率在100%以上，并且當溫度高于180℃后，其經緯向斷裂強度仍在95%以上。這是由于高硅氧纖維中二氧化硅（SiO2）含量高于96%。

相比于玻璃纖維制成的高硅氧濾料，普通未覆膜滌綸濾料在所測溫度下不滿足國標要求，隨著溫度的升高緯向斷裂強度保持率甚至下降到85%以下。因此覆膜高硅氧濾料和未覆膜的高硅氧濾料具有良好的耐溫性能，適合在過濾煙氣溫度較高的場和下使用且可以穩定的過濾；而普通滌綸耐溫性查，因為滌綸分子中含有46%的酯基[6]，在高溫時會發生水解、熱裂解，普通滌綸適宜在煙氣溫度低于140 ℃以下的場合。

2.2 濾料的耐腐蝕性能

在機械鑄造生產過程會借助到氣刨機等設備，在對鑄件清理過程中除了散發處高溫粉塵以外，還會產生一些腐蝕性的氣體，若濾料本身沒有良好的耐酸堿耐腐蝕性，將會大大降低濾料的使用壽命。圖4、圖5分別表示三種濾料在20%、40%的濃硫酸和20%、40%NaOH 溶液中經緯向斷裂強度保持率。

圖4 三種濾料在不同溶液中徑向斷裂強度保持圖

圖5 三種濾料在不同溶液中緯向斷裂強度保持圖

1）三種濾料在20%、40%H2SO4溶液浸泡24 h 后經、緯向斷裂強力保持率均能維持在90%以上，進一步的，高硅氧濾料由于含有超過96%二氧化硅，隨著溶液酸性的增加，經緯向斷裂強度保持率在95%以上，且PTFE 覆膜的濾料經緯向幾乎沒有發生斷裂。

2）高硅氧濾料以及覆膜高硅氧濾料在20%、40%NaOH 溶液中經緯向斷裂強度保持率基本在80%以上，而普通滌綸濾料的徑向斷裂強度保持率在20%NaOH 溶液只有65%，在40%NaOH 溶液僅有40%左右，且緯向斷裂強度保持率均在40%以下。與酸性溶液中相比，堿性溶液中滌綸濾料經緯向斷裂強度保持率差值在50%左右。

3）綜上，相比于普通滌綸濾料，高硅氧濾料的耐酸性耐堿性都很強，并且經PTFE 覆膜后的高硅氧濾料在強酸強堿工作條件下都能長期穩定的進行過濾，其經緯向基本不會出現斷裂。滌綸濾料具有良好的耐酸性，很差的耐堿性，這是由于滌綸遇堿后皂解，使聚合度降低而不適合在強堿性的情況下工作。

2.3 濾料的過濾效率

普通的濾料與覆膜后的濾料最大的區別就是其過濾機理不同。聚四氟乙烯(PTFE)薄膜表面光滑且耐化學腐蝕，是一種具有多微孔性的薄膜，可以將將粉塵全部截留在膜的表面，實現“表面過濾”；普通的濾料是依靠濾料纖維的捕集作用，即先在濾料表面形成一次粉塵層，再通過這層粉餅過濾后續粉塵。圖6、圖7、圖8 分別是三種濾料分別在過濾風速在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/min 的分級粒徑靜態過濾效率。

圖6 PTFE 高硅氧濾料靜態過濾效率

圖7 未覆膜高硅氧濾料靜態過濾效率

圖8 普通滌綸濾料靜態過濾效率

1）從圖6～8 中可以發現，這三種濾料都出現了隨著過濾風速的增加過濾效率下降的情況，這是因為當過濾風速增加時會使部分顆粒物穿透濾料。圖6 中PTFE 覆膜后的過濾效率絕大部分能夠輕易達到90%以上，僅有過濾風速變大時，少許粉塵的過濾效率在85%以下。其次未覆膜的高硅氧過濾效率大部分在85%以上，從圖7 中可得未覆膜的高硅氧濾料對1.0 μm 粒徑以下的粉塵過濾效率較差，PTFE 覆膜的高硅氧濾料表面的薄膜對細小粉塵阻擋作用明顯，未覆膜的高硅氧濾料容易被小于1.0 μm 粒徑以下的粉塵擊穿。

2）三種濾料中，普通的滌綸濾料過濾效率最低，對各種粒徑下的粉塵過濾效率幾乎難以達到100%，甚至有部分的過濾效率低于50%，這是相對于高硅氧玻璃纖維濾料而言，普通滌綸濾料為機制布，內部的縫隙較大，難以對粒徑小于3.0 μm 以下的粉塵取得良好的效果。

3）經覆膜后的高硅氧濾料與未覆膜相比，在同一過濾風速下過濾污染物，覆膜后的濾料的過濾效率遠高于未覆膜的過濾效率，尤其是對于1.0 μm 以下粒徑粉塵，覆膜的高硅氧濾料過濾效率比未覆膜的高出25%，由此可見PTFE 覆膜能夠有效地增加濾料的過濾效率。這主要是由于PTFE 覆膜表面的微孔結構使其具有表面過濾的除塵機理，有效地阻擋了微小顆粒物穿透濾料，在目前企業排放標準日益嚴格的背景下覆膜濾料的高效除塵機理應該得到關注。

3 結論

本文通過對三種濾料進行實驗研究，測試了各自濾料的力學特性、耐腐蝕特性以及過濾性能。基本結論如下：

1）經PTFE 覆膜的高硅氧濾料過濾效率遠高于未覆膜的過濾效率，尤其是對于1.0 μm 以下粒徑粉塵，覆膜的高硅氧濾料過濾效率比未覆膜的高出25%。這對于在目前企業排放標準日益嚴格的背景下覆膜濾料的高效除塵機理應該得到關注。

2）相比于普通滌綸濾料，高硅氧濾料的耐酸性耐堿性都很強，并且經PTFE 覆膜后的高硅氧濾料在強酸強堿工作條件下都能長期穩定的進行過濾，其經緯向基本不會出現斷裂。滌綸濾料具有良好的耐酸性，很差的耐堿性，這是由于滌綸遇堿后皂解，使聚合度降低而不適合在強堿性的情況下工作。

3）未覆膜的高硅氧玻璃濾料和經PTFE 覆膜后的高硅氧濾料都能在較高溫度下保證緯向的斷裂強力保持率大于100%，覆膜高硅氧濾料和未覆膜的高硅氧濾料具有良好的耐溫性能，適合在過濾煙氣溫度較高的場和下使用且可以穩定的過濾。而普通滌綸耐溫性查，因為滌綸分子中含有46%的酯基，在高溫時能發生水解、熱裂解，普通滌綸適宜在煙氣溫度低于140 ℃以下的場合。