趙 晨 王 宜 曾靖山

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

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·自潔反吹性能·

空氣過(guò)濾材料自潔反吹性能的初步研究

趙 晨 王 宜*曾靖山

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

采用工業(yè)除塵領(lǐng)域?yàn)V袋材料的清灰檢測(cè)方法對(duì)兩種擁有不同表面能的空氣過(guò)濾材料自潔反吹性能進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明,在初期過(guò)濾階段,相比100%植物纖維制備的濾材,含有60%低表面能纖維的濾材的不粘灰性能明顯；在深層過(guò)濾階段,濾材孔徑會(huì)影響濾材的自潔反吹性能。

空氣過(guò)濾材料；自潔反吹性能；低表面能

內(nèi)燃機(jī)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力部件,通常在高轉(zhuǎn)速、高機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷下運(yùn)行,其工作狀況直接關(guān)系到機(jī)車(chē)功率的發(fā)揮和經(jīng)濟(jì)性能的好壞。氣缸非正常磨損、功率下降、經(jīng)濟(jì)性能降低主要是由進(jìn)氣中含沙塵造成的。而空氣濾清器對(duì)進(jìn)氣質(zhì)量起著決定性的作用?？諝鉃V清器的作用是阻攔或?yàn)V除進(jìn)氣中的灰塵和雜質(zhì),以減少氣缸套、活塞環(huán)、活塞及氣門(mén)等主要零部件的磨損和故障,從而延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損,有必要改善空氣的濾清效果。

目前內(nèi)燃機(jī)空氣濾清器多采用紙質(zhì)折疊加工的濾芯,利用濾材中的纖維和孔隙攔截、阻擋細(xì)小的灰塵。濾材在使用過(guò)程中由于灰塵的累積,使纖維間的孔隙減小或堵塞,造成濾材壽命終止[1]。一些重載荷車(chē)輛的工作場(chǎng)合工況惡劣,空氣中沙塵含量高,導(dǎo)致空氣過(guò)濾器使用壽命較短。由此,具有自清潔功能的濾清器應(yīng)運(yùn)而生,該濾清器所用的過(guò)濾材料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)濾材)表面不易被灰塵穩(wěn)固黏附,可以通過(guò)反吹保養(yǎng)使其表面捕捉的灰塵掉落,減少進(jìn)入濾材內(nèi)部的灰塵量,從而有效延長(zhǎng)濾清器達(dá)到終止阻力的時(shí)間,延長(zhǎng)濾清器使用壽命。

可見(jiàn),濾材的自潔反吹性能是影響濾清器自潔反吹性能的關(guān)鍵[2-3]。然而,目前內(nèi)燃機(jī)行業(yè)還沒(méi)有針對(duì)空氣過(guò)濾材料自潔反吹性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致新產(chǎn)品的研發(fā)驗(yàn)證周期較長(zhǎng)、研發(fā)成本較高。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)借鑒工業(yè)除塵領(lǐng)域?yàn)V袋材料的清灰檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)空氣濾清器濾材自潔反吹性能的檢測(cè)進(jìn)行了初步研究,以期為內(nèi)燃機(jī)用空氣過(guò)濾材料自潔反吹性能測(cè)試方法的建立提供依據(jù)。

1 濾材清灰性能的檢測(cè)

1.1 清灰性能檢測(cè)裝置

目前在工業(yè)除塵領(lǐng)域,袋式除塵器用濾材性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有德國(guó)的VDI/DIN3926、美國(guó)的ASTMD 6830、日本的JIS Z 8909和中國(guó)的GB/T 6719袋式除塵器技術(shù)要求4種,對(duì)應(yīng)的檢測(cè)裝置分別如圖1(a)～圖1(d)所示[4-7]。

圖1 4個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于袋式除塵器用濾材性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置

從圖1可以看出,各檢測(cè)裝置構(gòu)造相似,均由豎向管道和橫向管道組成,受試濾材被安裝在橫向管道中檢測(cè)。各國(guó)(日本除外)實(shí)驗(yàn)裝置下端還有一抽氣管道,以引導(dǎo)粉塵向下運(yùn)動(dòng),從而更好地通過(guò)受試濾材；就組成部件而言,各實(shí)驗(yàn)裝置均由發(fā)塵器、濾材固定裝置、差壓傳感器、脈沖清灰裝置、末端過(guò)濾器和抽氣泵組成。各裝置檢測(cè)原理也相似：發(fā)塵器產(chǎn)生一定濃度和粒徑分布的人工塵,粉塵進(jìn)人橫向管道并經(jīng)過(guò)受試濾材,差壓傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)受試濾材前后壓差變化,當(dāng)壓差達(dá)到一定值時(shí),差壓傳感器控制脈沖清灰裝置進(jìn)行反吹清灰,清灰后濾材又重新濾塵。

1.2 清灰檢測(cè)粉塵

檢測(cè)所用粉塵的物理化學(xué)特性(如粉塵濃度、粒徑分布、化學(xué)成分、黏度和密度等)對(duì)濾材性能檢測(cè)結(jié)果有較大影響。表1為4個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于除塵濾材性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用塵源的規(guī)定。由表1可知,德國(guó)和日本所用粉塵的中值粒徑較接近,而美國(guó)粉塵的中值粒徑很小(1.5 μm),中國(guó)只給出了粉塵粒徑分布范圍,<4 μm的顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)占50%；化學(xué)組分方面,德國(guó)、美國(guó)和中國(guó)均使用氧化鋁粉塵而日本使用的是煤灰粉,主要化學(xué)成分為SiO2；德國(guó)、日本和中國(guó)檢測(cè)時(shí)粉塵質(zhì)量濃度均為5 g/m3,而美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定粉塵質(zhì)量濃度為18.4 g/m3,遠(yuǎn)大于其他3個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

總體而言,4個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)使用的粉塵都以細(xì)顆粒為主,這樣能保證有足夠多的粉塵均勻地?cái)U(kuò)散到受試濾材表面,同時(shí),細(xì)顆粒物能更深入到濾材內(nèi)部,使濾材阻力快速上升,對(duì)于測(cè)試循環(huán)要求較高的條件有利于減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間。粉塵的化學(xué)成分以Al2O3為主。粉塵的類(lèi)型、粒徑分布、化學(xué)組分和發(fā)塵濃度會(huì)對(duì)受試濾材的過(guò)濾效率、阻力、過(guò)濾周期以及出口粉塵濃度大小有影響,從而導(dǎo)致對(duì)濾材性能的評(píng)估存在偏差,因此選擇合適的粉塵對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)濾材性能非常重要。

表1 4個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于除塵濾材性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)用粉塵的規(guī)定

1.3 清灰檢測(cè)流程

盡管各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置有很多相似之處,但在檢測(cè)流程上存在一定區(qū)別,以美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)差異最為明顯。具體測(cè)試流程如表2所示。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)流程與其他3個(gè)國(guó)家檢測(cè)流程存在的差異主要有：老化處理期與恢復(fù)期的順序發(fā)生了變化,且美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定初始性能測(cè)試期；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)前兩個(gè)階段不需要記錄任何數(shù)據(jù),主要測(cè)試數(shù)據(jù)由第3階段正式測(cè)試獲得,而其他國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定每個(gè)階段都需要記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2 4個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程

圖2 樣品A和樣品B的掃描電鏡照片

1.4 清灰測(cè)試性能指標(biāo)

測(cè)試性能指標(biāo)將直接或間接反映產(chǎn)品的質(zhì)量,從4個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求中可以看出,濾材的阻力(或壓降)、效率(或出口粉塵濃度)是濾材最重要的兩個(gè)性能指標(biāo)。其中具體的測(cè)試性能指標(biāo)如表3所示。從表3中可以發(fā)現(xiàn)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與其他標(biāo)準(zhǔn)相比有一些顯著的不同：①僅測(cè)試出口粉塵濃度而不測(cè)試過(guò)濾效率,這是因?yàn)樵诠潭ǖ陌l(fā)塵濃度下,出口粉塵濃度的大小即可以反映除塵效率的高低,且目前各種排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的都是粉塵濃度值,因此測(cè)試濾材出口粉塵濃度能更直觀地表述濾材的性能；②增加了更細(xì)小顆粒物PM2.5出口濃度的測(cè)試,這也更符合工業(yè)排放環(huán)保要求；③增加了過(guò)濾周期的測(cè)試,過(guò)濾周期反映了過(guò)濾器的壽命,與清灰次數(shù)有關(guān),清灰越頻繁,濾材的清灰變形可能性越大,過(guò)濾器壽命就可能越短。因此,選擇合理的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試能夠有利于更科學(xué)地評(píng)價(jià)濾料的性能。

表3 4個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試性能指標(biāo)對(duì)照表

注 剝離率的計(jì)算公式為K=(P-Pi)/(P-P0)×100%；P為清灰阻力(1000 Pa),Pi為第i次清灰后阻力,P0為潔凈濾料阻力。

在工業(yè)除塵濾袋的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中,主要關(guān)注的是產(chǎn)品老化前后的阻力增加、效率變化以及出口粉塵濃度等相關(guān)指標(biāo),關(guān)于清灰性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)只有剝離率,而剝離率的計(jì)算公式只適用于定壓清灰的檢測(cè)模式。因此,在定時(shí)清灰的檢測(cè)模式中,需要新的衡量指標(biāo)來(lái)對(duì)過(guò)濾材料清灰性能做出評(píng)價(jià)。

綜上所示,通過(guò)將各國(guó)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)綜合比較可以發(fā)現(xiàn),塵源、檢測(cè)參數(shù)以及檢測(cè)流程對(duì)濾材性能的評(píng)價(jià)非常重要,針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)所制定相應(yīng)的檢測(cè)方法是客觀反映濾材性能的關(guān)鍵。因此,在以上檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,筆者對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整,摸索用于檢測(cè)內(nèi)燃機(jī)空氣過(guò)濾材料自潔反吹性能的可行性。

2 濾材反吹自潔性能的檢測(cè)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

濾材能夠?qū)崿F(xiàn)反吹自潔性能的根本原因是由于濾材表面光滑、表面能低,可降低其與灰塵顆粒之間結(jié)合力,從而使表面的灰塵能在氣體反吹的作用力下從濾材表面脫落,實(shí)現(xiàn)清灰自潔[8]。本實(shí)驗(yàn)用的濾紙為樣品A和樣品B,其中樣品A由100%植物纖維制備,定量為100 g/m2,樣品B是60%低表面能纖維+40%植物纖維,定量為100 g/m2。圖2所示為樣品A和樣品B的掃描電鏡照片。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)采用TOPAS公司根據(jù)德國(guó)VDI 3926標(biāo)準(zhǔn)制造的AFC-133實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試,其外觀如圖3所示。

圖3 反吹清灰實(shí)驗(yàn)裝置

AFC-133濾材測(cè)試臺(tái)主要由測(cè)試通道(包括過(guò)濾器夾具)、流量控制單元、粉塵發(fā)散器、光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器等部件以及控制和數(shù)據(jù)獲取軟件構(gòu)成。水平裝置實(shí)驗(yàn)灰塵管道,符合VDI-3926測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。流量控制單元設(shè)計(jì)了一個(gè)質(zhì)量流量控制器,使流量常數(shù)在整個(gè)測(cè)試中處于設(shè)定值的±2%以?xún)?nèi)。

粉塵通過(guò)進(jìn)料器控制輸送,在分散器及旋轉(zhuǎn)刷的作用下使氣流中的含塵濃度均勻不變,含塵氣流在泵的抽吸作用下形成豎直方向的主氣流,主氣流經(jīng)過(guò)袋式除塵器凈化后被泵抽出,而在主氣流中垂直地分離出一水平方向的支流穿過(guò)需測(cè)試的過(guò)濾元件,過(guò)濾元件由1個(gè)圓環(huán)和3根桿支撐,過(guò)濾時(shí)粉塵層就在該元件上形成。由于泵對(duì)主氣流管道的抽吸作用,大量的含塵氣流均通過(guò)主氣流管道后凈化排出，形成了通過(guò)過(guò)濾元件的水平方向的均勻支流。濾布兩側(cè)的壓差通過(guò)壓力傳感器來(lái)測(cè)量,兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別位于測(cè)試元件的兩側(cè),可同時(shí)測(cè)量得到粉塵側(cè)、噴吹側(cè)的壓力和兩側(cè)的壓差。在給定的過(guò)濾速度下,過(guò)濾清灰的周期由預(yù)先設(shè)定的臨界壓差值或時(shí)間控制,當(dāng)濾布?jí)翰钸_(dá)到設(shè)定臨界壓差或時(shí)間時(shí),壓縮空氣則通過(guò)開(kāi)啟的脈沖閥對(duì)濾布進(jìn)行噴吹清灰。

表4 兩樣品在循環(huán)噴吹過(guò)程中阻力值變化表

注 清灰率=(反吹后阻力降值/反吹前阻力增值)×100%。

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)流程確定

2.3.1 實(shí)驗(yàn)用粉塵

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)自某濾袋企業(yè),其長(zhǎng)期使用我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氧化鋁粉塵為實(shí)驗(yàn)用粉塵。且由于氧化鋁粉塵的主要成分為Al2O3,粒徑5.5 μm以下的占50%左右,基本符合空氣濾清器實(shí)驗(yàn)規(guī)范中的要求。因此,在本實(shí)驗(yàn)中選用我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氧化鋁粉塵為實(shí)驗(yàn)用粉塵。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

首先,在實(shí)驗(yàn)灰塵濃度的選擇方面,工業(yè)空氣濾清器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單級(jí)空濾形式的實(shí)驗(yàn)粉塵濃度為1 g/m3。但是同時(shí)考慮到測(cè)試時(shí)間、測(cè)試裝置的測(cè)試精度以及相關(guān)的測(cè)試慣性,將實(shí)驗(yàn)粉塵濃度調(diào)整為工業(yè)除塵濾袋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5 g/m3。

在流速方面,考慮到紙張的物理指標(biāo)及參考平時(shí)在測(cè)試濾紙容塵性能時(shí)的條件,將通過(guò)測(cè)試樣的含灰氣體流量控制在1.85 m3/h,測(cè)試氣體流速為3 cm/s。

噴吹氣體壓力方面,考慮到紙張的耐破度多數(shù)在200～300 kPa之間,因此選擇較為安全的200 kPa作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)流程

自潔式過(guò)濾設(shè)備的自潔控制方式一般包括3種：①定時(shí)定位,可任意設(shè)定間隔時(shí)間和自潔時(shí)間；②壓差自潔,當(dāng)壓差超過(guò)指標(biāo)時(shí),進(jìn)入自動(dòng)連續(xù)自潔；③手動(dòng)清潔,當(dāng)電控箱不工作或粉塵較多時(shí),采用手動(dòng)方式確定。

由于兩個(gè)測(cè)試樣在原料性能方面的差異,可能導(dǎo)致其終點(diǎn)壓差有較大差異,難以預(yù)估壓差達(dá)到何值時(shí)對(duì)其進(jìn)行連續(xù)自潔更為有效。因此本實(shí)驗(yàn)采用第一種定時(shí)定位的自潔方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中,間隔時(shí)間設(shè)定為120 s,噴嘴開(kāi)啟時(shí)間為60 ms,進(jìn)行10次完整的循環(huán)測(cè)試。綜上本次實(shí)驗(yàn)的所有參數(shù)為：實(shí)驗(yàn)粉塵氧化鋁,通過(guò)濾料試樣的總粉塵濃度5 g/m3,通過(guò)濾紙的粉塵流量1.85 m3/h,氣艙壓強(qiáng)0.2 MPa,噴吹壓力200 kPa,脈沖間隔時(shí)間120 s,噴嘴開(kāi)啟時(shí)間60 ms。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn),在10次噴吹循環(huán)前后分別對(duì)樣品A和樣品B的壓差進(jìn)行了記錄和整理,樣品A和樣品B的阻力變化如表4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示。其中樣品A和樣品B的初始阻力P0分別為15.754、6.015 Pa。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣品自潔反吹實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

圖5 樣品A孔徑分布圖

圖6 樣品B孔徑分布圖

從表4結(jié)合圖4不難發(fā)現(xiàn),在第1～第3次循環(huán)中,反吹前樣品A的阻力增值均比樣品B的阻力增值大。尤其在第1次循環(huán)中,樣品A的阻力增加了88.033 Pa,而樣品B的則只增加了29.217 Pa。之前在對(duì)樣品A和樣品B的最易穿透粒徑效率測(cè)試中,樣品A和樣品B的最易穿透粒徑效率分別為22.9%、23.7%。也就是說(shuō)在樣品A和樣品B的過(guò)濾效率相近、加灰塵條件一致的情況下,前3次循環(huán)中樣品B的不粘灰性能更為明顯,體現(xiàn)出了樣品B的低表面能。也就是說(shuō)在實(shí)驗(yàn)初期過(guò)濾階段樣品B的自潔性能要明顯優(yōu)于樣品A的。

但是隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,樣品B的阻力增加從第4次循環(huán)后逐漸超過(guò)樣品A的。并且樣品A的反吹后阻力降值一直都比樣品B的更為明顯,出現(xiàn)該現(xiàn)象的可能原因是樣品B中含有的低表面能纖維直徑比植物纖維大,且纖維間結(jié)合力弱。從而導(dǎo)致了樣品B結(jié)構(gòu)中孔徑較大(樣品A孔徑分布如圖5所示,樣品B孔徑分布如圖6所示)。其中樣品A的最大孔徑為40.4809 μm,而主要孔徑分布集中在10～30 μm之間。樣品B的最大孔徑為72.6863 μm,主要孔徑分布則集中在25～45 μm之間。所以在過(guò)濾過(guò)程中隨著時(shí)間的累積,灰塵進(jìn)入到樣品B的內(nèi)部,深層過(guò)濾占據(jù)主導(dǎo)地位,因此難以達(dá)到反吹清潔的目的。從而大大削弱了樣品B表面能較低的優(yōu)勢(shì),未能表現(xiàn)出較好的清灰性能。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種擁有不同表面能的空氣濾清器濾材自潔性能進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明,在初期過(guò)濾階段,相比100%植物纖維制備的濾材,含有60%低表面能纖維的濾材的不粘灰性能明顯。在深層過(guò)濾階段,濾材孔徑會(huì)影響濾材的自潔反吹性能。借鑒工業(yè)除塵濾料的檢測(cè)方法,通過(guò)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的修改和調(diào)整,一定程度上可以對(duì)濾清器自潔式濾料的自潔反吹性能做出評(píng)價(jià)。

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(責(zé)任編輯：董鳳霞)

Study on the Dust Cleaning Performance of Air Filter Material

ZHAO Chen WANG Yi*ZENG Jing-shan

(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640)

(*E-mail: wangyi@scut.edu.cn)

In this paper, the test methods for dust cleaning performance of air filter material was studied by referring to the standards of dust cleaning test methods in the field of industrial dust filter bag, in order to establish the methods for testing the dust cleaning performance of air filter material, which is used in internal combustion engine. The results showed that the surface properties of air filter material affected its dust cleaning performance. Air filter material with low surface energy showed better dust cleaning performance when surface filtration is dominated.

air filter material; dust cleaning performance; low surface property

趙 晨先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：造紙技術(shù)與特種紙。

2016- 05-10(修改稿)

TS762.9

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.09.007

*通信作者：王 宜先生，E-mail:wangyi@scut.edu.cn。