过滤式除尘器.doc

4 过滤式除尘器 过滤可定义为借助于多孔介质将气溶胶粒子从气流中分离的过程。用纤维层(滤布、滤纸、金属绒、袋式除尘器等)、颗粒层(矿渣、石英砂、活性炭粒等)或液滴对气体进行净化都属于同样的过滤机理。过滤方法对微细粒子有较高的捕集效率，所以，其应用非常广泛，它是目前烟尘净化的主要方法之一。4.1 过滤机理气体中的粒子往往比过滤层中的空隙要小得多，因此通过筛滤效应收集粒子的作用是有限的。尘粒之所以能从气流中分离出来，主要是拦截、惯性碰撞和扩散效应。其次还有静电力、重力和热泳力作用等。如图4.1所示，分析过滤机理时，需知道绕捕集体流动的介质的流场。通常按两种情况考虑：黏性流和势流。在我们经常遇到的过滤过程，黏性流假设往往更接近实际。 图 4.1 经典过滤机理4.1.1 拦截效应拦截机理认为：粒子有大小而无质量，因此，不同大小的粒子都跟着气流的流线而流动，如图4.2所示如果在某一流线上的粒子中心点正好使能接触到捕集体(又称“靶”)，则该粒子被拦截。这根流线就是该粒子的运动轨迹，在此流线以下范围为b大小同为的所有粒子均被拦截。于是，这根流线是离捕集体最远处能被拦截粒子的运动轨迹，即极限轨迹。 图4.2 拦截效应设纤维为直径Dc=2的圆柱体，对于绕静止圆柱体的势流，其流函数由式(1.50)给当时，代人流线方程，有当时，有，代人上式后，两端同除以纤维半径，立即得到拦截效率式中 R拦截参数，。式（4.2）应满足于是有解不等式，有在实际问题的分析中，所以基本上总能满足式（4.4）的条件。故在下面的效率分析中，不再讨论粒子大小的适用范围。 对于绕静止圆柱体的黏性流，由式（1.53），用上述同样的推倒方法得到拦截效率式中，为绕直径圆柱体流动的雷诺数，如果捕集为直径的球体，其效率为对于绕静止球体的势流，由流函数表达式（1.56），得出球体对粒子的拦截效率 对于绕静止球体的黏性流，由流函数表达式（1.58），得出球体对粒子的拦截效率在此，有两点需要说明：（1）应用拦截效率计算式时，当过滤速度很大时，才能用势流假设，但在实际应用中，通常过滤速度很低，如纤维过滤速度0.1ms。因此用黏性流假设下的拦截效率计算式较合理。(2)关于绕静止圆柱体和静止球体的流场描述有很多种模型，本书介绍的是最简单、最常用的模型孤立体模型。一些较复杂的模型主要考虑了相邻捕集体的存在对流场的影响，如哈佩尔(Happel)模型、库韦巴拉(Kuwabara)模型、布林克曼(Brinkman)模型等。值得庆幸的是，对于拦截效应，无论模型多么复杂，只要给出流函数表达式，总能很容易地得到拦截效率理论计算式。其他过滤效应却没有如此幸运，往往只能得到经验式、半经验式或数值解。4.1.2 惯性碰撞效应开始时，粒子沿流线运动，绕流时，流线弯曲。有质量为m的粒子由于惯性作用而偏离流线，与捕集体相撞而被捕集。最远处能被捕集的粒子的运动轨迹是极限轨迹。如图4.3中的虚线所示。 图 4.3 惯性碰撞效应求惯性碰撞效率的方法是建立粒子的运动方程，由运动方程求极限轨迹，再求出偏轴距b，然后分别由和。求得绕圆柱体和球体的惯性碰撞效率。但由于求解轨迹方程十分困难，难以确定偏轴距b，故无法得到惯性碰撞效率的分析解。评论与实验分析发现，斯托克斯数足表征惯性碰撞效应的重要参数，其定义为式中 张弛时间，s： 来流速度，ms； 圆柱体或球体直径，m； 粉尘真密度，kgrn3； 粉尘直径，m； 气体动力黏度，Pas。绕圆柱体和球体的惯性碰撞效率如图4.4所示。可见惯性碰撞效率是雷诺数和斯托克斯数的函数。图4.4 惯性碰撞效率与雷诺数和斯托克斯数的关系对圆柱体的惯性碰撞效率；对球体的惯性碰撞 由于很难给出分析解，实际应用中，常给出数值解或经验表达式。如在0.5 0.3时，对势流，Herne给出下式当1.213时，对黏性流，Nielsen和Hill给出对球体的惯性碰撞效率经验式式中，参数由下式计算4.1.3 扩散效应当气溶胶粒子很小(1)，这些粒子在随气流运动时就不再沿流线绕流捕集体，此时，扩散效应将起作用。粒子向捕集体的扩散过程十分复杂，其扩散效率通常是捕集体绕流雷诺数和粒子贝克莱特(Peclet)数Pe的函数。贝克莱特数Pe定义为式中，常数D为扩散系数，m2s。对于1粒子的布朗扩散，由斯托克斯一爱因斯坦公式给出式中 库宁汉修正系数； 玻耳兹曼常数， =1.3810-23JK。当 (分子平均自由程)时，兰格米尔(Langmuir)给出式中 T绝对温度，K； R气体常数，J(kgK)。 m气体摩尔质量，虹； p气体压力，Pa。 对圆柱体的扩散效率，根据雷诺数和贝克莱特数Pe分3种情况：(1) 1，Pel在小Pe的黏性流中，Stechkina导出扩散效率(2) 1，Pel纤维过滤器常处于这一范围。Langmuir给出式中， 这里顺便给出Stechkina考虑其他圆柱体存在并有孔隙率影响时扩散效率的理论解轴。式中，。(2) 1，Pel这属于势流范围，在烟尘净化中较少遇到这种情况。Stairmend给出对球体的扩散效率，在1，Pe1的黏性流中，Crawford给出 当考虑周围有其他球体存在时，Pfeffer给出其中式中 床层孔隙卒。 式(4.23)适用于雷诺数较大的颗粒层除尘器的扩散效率估算，结果略偏大。而式(4.22)则适用于雷诺数较小(过滤速度小)的颗粒层除尘器的扩散效率估算。 粒子间的相互扩散和粒子向捕集体的扩散行为是极为复杂的物理现象，直到现在仍是气溶胶科学的重要研究内容之一。特别是表面有相互作用力存在时，其扩散机理更加复杂。这里将不做进一步讨论。但有一点必须明确：当如1时，可忽略扩散效应。 4.1.4 重力沉降作用 重力沉降效率的推导和其他几种捕集机理相比甚为简单，若重力机降方向与气流方向一致，无论对圆柱体还是球体，显然有式中，G称为重力参数，。若是水平流，则若是上升流，则 在上升流中，重力起负作用。除非粒子很大，在大多数情况下，重力沉降效率很小，故分析中常忽略重力沉降作用。4.1.5 静电力作用 气溶胶粒子和捕集体通常带有电荷，这会影响粒子的沉积。粒子和捕集体的自然带电量是很少的，此时静电力可以忽略不计。但如果有意识地人为给粒子和捕集体荷电，以增强净化效果时，静电力作用将非常明显。粒子和捕集体间的静电力主要有4种：库仑力、象力(感应力)、空间电荷力和外加电场力。 对于粒子在圆柱体上的电力沉降，Pich做过较系统的理论分析40。表4.1列出了主要的静电捕集效率的理论结果。表4.1 不同电力作用下静电捕集效率的理论结果带电情况静电捕集效率式中参数粒子带电q圆柱体带电(库仑力) 粒子中性圆柱体带电(感应力)势流： 黏性流： 粒子带电q圆柱体带电中性(感应力)势流： 黏性流： 外加电场力41势流： 黏性流： 注：拦截效率；、无量纲参数，即某种电力与斯托克斯阻力之比；粉尘介电常数；通虑材料的介电常数； 其他符号意义同前。对于球形捕集体上的电力沉降，Nielsen和Hill提出一种“粒子流函数”的简化方法41。当只有库仑力时，静电收集效率为当粒子和捕集体(无论是圆柱体还是球体)带异性电荷时，Kc为负，0。只有外加电场力作用时，静电收集效率为式中，、为无量纲参数，其定义是某种电力与斯托克斯阻力（）之比。如表4.2所示。对于球形捕集体，为求感应电荷力的收集效率，可将式(4.28)中的用，或用代替，即可得感应电荷力的收集效率。和的计算式见表4.2。表4.2 粒子与球形捕集体间的电力带电情况力式中参数粒子带电q圆柱体带电(库仑力)粒子中性圆柱体带电(感应力)粒子带电q圆柱体带电中性(感应力)外加电场力41备注一粒子与圆柱体之间的距离；圆柱体直径；库宁汉修正系数；远处来流速度；平均场强；真空介电常数；球体相对介电常数前面讨论的都是单一电力的收集效率。不同电力同时作用的效率推导较复杂，且多种电力联合作用的效率不一定高于单一电力的收集效率。理论研究表明，对于大多数具有重要物理意义的情况，得到的结果是惊人的：效率与流场无关。 上面较系统地讨论了各种过滤机理的捕集效率。为对各机理捕集作用的大小有一个宏观的认识，现将效率随粒径的变化关系定性地绘于图4.5中。(设静电作用时，粒子和捕集体均带电)。从图中看出，粒径在0.5微米左右，综合过滤效率最低。粒径在0.011.0微米之间的颗粒物称为亚微米粒子，关于亚微米粒子收集是气溶胶科学领域的一个重要研究方向。 众多的研究者对孤立捕集体对粒子的拦截、惯性碰撞、扩散、静电力、重力等各效应同时作用时的捕集机理，进行过大量的理论研究和试验，建立了许多繁难的数理模型42。但到目前为止，还没有得到较普遍认可的令人满意的理论结果。许多研究者认为各效应同时作用时可直接用叠加原理，但理论研究发现这种简单的叠加是不合理的，而且误差很大(有的计算结果会大到难以置信的程度，如效率接近1，甚至高于1)。于是，近似地把各效应同时作用下的综合效率用串联模式来处理较符合实际43。图 4.5 各机理的捕集效率随粒径的变化关系 （4.30） 式中 拦截效率；静电捕尘效率。 惯性碰撞效率；扩散效率； 显然，这种处理方法从理论上讲也是不严格的，但所得结果不会导致太大的偏差。4.2 过滤层的收集效率上节描述了孤立捕集体对粒子的收集机理，但在实际应用中，无论是纤维层过滤还是颗粒层过滤，过滤层都是以很多捕集体的集合形式而存在。因此，过滤层的收集效率是多个孤立捕尘体的群体贡献。纤维层过滤是目前主要的烟尘净化方法之一。近几年来在世界范围内，纤维过滤器(如袋式除尘器)的应用，无论在数量上还是在投入上都比基他除尘设备具有更快的增长速度。特别是覆膜技术（在虑料表面覆一层多微孔、极光滑的EPTFE薄膜，即膨体聚四氟乙烯薄膜)的应用与推广，使纤维层过滤效率更高、清灰效率更好。甚至可净化有一定黏性的烟尘。从而，进一步促进了纤维过滤技术的发展。纤维层过滤分两种过滤方式：内部过滤和表面过滤。内部过滤又称深层过滤，首先是含尘气体通过洁净滤料，这时，起过滤作用的主要是纤维，因而符合纤维过滤的机理；然后，阻留在滤料内部的粉尘将和纤维一起参与过滤过程。当纤维层达到一定的容尘量后，后续的尘粒将沉积在纤维表面，此时，在滤料表面所形成的粉尘层对含尘气流将起主要过滤作用，这就是表面过滤。对于厚而蓬松、空隙率较大的过滤层，如针刺毡，内部过滤作用较明显；对于薄而紧、空隙率较小的过滤层，如编织滤布、覆薄滤料，主要表现为表面过滤。无论何种方式，收集效率和过滤阻力都随过滤时间而变化，这一现象称非稳态过滤，如图4.6所示。于是，过滤层的收集效率既是孤立捕尘体(单根纤维、尘粒)收集效率率的函数，又是过滤时间的函数。 由于研究非稳态过滤对评价纤维滤料的收尘性能(效率、粉尘载荷、压损等)和运行管理(清灰方式、清灰效果、清灰时间控制、虑料使用寿命等)具有重要意义，所以关于非稳态过滤一直是纤维过滤理论及应用中的一个重要研究课题，许多研究者提出了非稳态过滤的效率和压力损失模型，其中，关于内部过滤的非稳态过程研究比较成熟，而在表面非稳态过滤效率方面的研究较少，同时还存在着建模方法不完善、表达式较复杂、某些参数难以确定等问题。因此，本文将根据表面过滤的“尘滤尘”现象，采用经典的颗粒过滤理论，建立物理意义明确的表面非稳态过滤的效率计算式。4.2.1 纤维层过滤理论过滤过程分3个阶段(如图4.6所示)：洁净虑料得稳态过滤、含尘滤料的非稳态过滤和滤料表面非稳态过滤。传统的过滤理论主要考虑洁净虑料和含尘虑料过滤阶段。图4.6 效率和阻力随过滤时间变化的非稳态过程1 效率变化曲线；2阻力变化曲线；3洁净滤料； 4清灰对于洁净纤维滤料的过滤理论有两个基本的假设条件：(1)尘粒一旦与纤维表面接触，就被捕集。(2)沉积的微粒对于过滤过程没有进一步的影响。在这种过程中，两个基本参数过滤效率和压力损失都与时间无关，即过滤过程是稳态的。洁净滤料开始过滤时，表现为内部过滤，粒子进入滤料内部，随过滤过程的进行，沉积在滤料中的粒子如同球形捕集体，开始与纤维共同参与对后续粒子的收集作用。设滤料充填率为，纤维直径2，过滤层迎风面积A，层厚H，气溶胶进人纤维层前的速度v0。在如图4.7所示的滤料中取微元体，厚dh。粒子在此微元体内的浓度为c，单一纤维各过滤效应的综合收集效率，已沉积的静止单个粒子对后续运动的粒子的综合收集效率为。W为已捕集的粒子数。为粒子考虑粒子多分散性、非球形及相互影响的修正系数，当无试验数据时，取=1。在面积为A的微元体dh内，纤维总长为LAdha2，则粒子在单位时间内在微元体纤维上的沉降量为(4.31)式中 v过滤层中的气流速度，vv0/（1）图 4.7 滤料内部已沉积粒子的纤维层动态过滤当虑料洁净时，含尘气体流经面积为A纤维层时，在单位时间内气流中粒子的减少量为Av0dc，此量应等于在微元体纤维上粒子的 沉降量令，上式可写成（4.32）积分上式，得洁净虑料的纤维层效率公式(4.33)以往教科书通常只给出洁净虑料的纤维层效率公式（4.33）。从实际应用情况看，洁净虑料只在新虑料开始使用的很短时间内出现，在以后的过滤过程中，洁净虑料将不复存在，非稳态过滤贯穿整个过程，因此，洁净虑料的纤维层效率公式无太大实用价值，但它是分析非稳态过滤的基础。如果在微元内已沉积数量为W个粒子，这些粒子变为捕集体，其单一粉尘的捕集效率（尘滤尘现象）为在单位时间内对后续粒子的捕集量为（4.34）含尘气体流经面积为A的非洁净纤维层时，在单位时间内粒子的减少量为Av0dn，此量应等于纤维和已沉积粒子共同捕集的粒子量令 ，上面改写为（4.32）积分上式，得洁净虑料得纤维层效率公式（4.33）以往教科书通常只给出洁净虑料的纤维层效率公式（4.33）。从实际应用情况看，洁净虑料只在新虑料开始使用的很短时间内出现，在以后的过滤过程中，洁净虑料将不复存在，非稳态过滤贯穿整个过程，因此，洁净虑料的纤维层效率公式无太大实用价值，但它是分析非稳态过滤的基础。如果在微元内已沉积数量为W个粒子，这些粒子变为捕集体，其单一粉尘的捕集效率（尘滤尘现象）为在单位时间内对后续粒子的捕集量为（4.34）含尘气体流经面积为A的非洁净纤维层时，在单位时间内粒子的减少量为Av0dn，此量应等于纤维和已沉积粒子共同捕集的粒子量令，上式改写为（4.35）设在微元体dh内，原有已沉积的粒子数W是靠纤维过滤作用经历了时间t后才形成的，于是(4.36)所以，（4.35）可进一步写成(4.37)将,代入上式，积分并整理得内部过滤时纤维层的非稳态过滤效率(4.38)显然，当t0时，上式为洁净虑料的过滤效率，于是稳态过滤可看成非稳态过滤的一个特例。随着粒子不断沉积在虑料中，虑料得孔隙率逐渐变小，当虑料得孔隙率等于粒子层的孔隙率时，粒子开始在虑料表面沉积形成很薄得粉尘层。随后，沉积在虑料表面粉尘层将参与过滤作用，效率进一步增加，即表面过滤开始。在纤维过滤过程中，具有意义的是表面过滤。以往的研究者是把内部过滤和表面过滤同时考虑，其分析过程极为繁难。得出的计算式也较复杂。这里应用颗粒过滤理论建立表面过滤的效率计算式。为此，先介绍颗粒层过滤理论。 4.2.2 颗粒层过滤理论 颗粒过滤与纤维过滤虽有相同的过滤机理，但前者的建模却有较大的难度，于是人们提出很多过滤模型。在大多数情况下可把一个颗粒看成一个球。这样，在过滤过程中，可把一种颗粒介质看成是许多球形捕集体的集合。其建模思想是：以单元床层作桥梁，把颗粒层过滤效率和孤立球捕尘体的效率联系起来。考虑到国内很少有文献介绍颗粒层过滤理论方面的内容，为此，这里将简述研究较成熟、应用较普遍、模型较简单的球体组成的过滤介质收尘效率理论45。 4.2.2.1 颗粒过滤的基本概念 (1)周期长度l假定颗粒过滤介质是由许多单元层组成的。单元层厚度称为周期长度l，其定义如下：对于由几乎等大小的颗粒组成的、各边长为Nl的立方体过滤器，此立方体内有N3个颗粒，颗粒平均直径为dc，如图4.8所示。显然，其体积存在如下关系(4.39)式中 N单元层数量； l周期长度，m； dc颗粒平均直径，m； 颗粒层孔隙率。其周期长度是l (4.40)由此式可见，l与是同一量级。图 4.8 颗粒层过滤模型 如果颗粒过滤层总厚为H，则单元层数为N=Hl。在一个单元层中单位面积内颗粒球的数量Nc为 （4.41）将式(4.40)代人上式得每一单元层的颗粒球的数量 (4.42) (2)单元层效率与颗粒层效率取的关系 过滤实践证明：气溶胶粒子在颗粒层中的浓度变化遵循对数律，即 (4.43) 式中 c气溶胶粒子的质量浓度，kgm3； 过滤系数。过滤系数通常是时间和位置的函数，但在任意时刻将上式用于单元层，可认为是常数，原因是l很小。因此，从z=(i1)l到z=il对式(4.43)积分，得单元层效率为因l很小，将上式级数展开，取前两项有极好的近似，得可见，单元层效率近似为常数。因颗粒层是单元层串联组成，于是单元层效率与颗粒层效率的关系 （4.44）（3）单元层效率与孤立球捕集效率的关系对于孤立球捕集体，若某个颗粒球的效率为，则捕集的粒子量为 （4.45）在某一单元层中有Nc个颗粒球，其过滤风速近似为vv0/，一个单元层的效率为(4.46)将式（4.42）代入上式，得单元层效率与孤立球捕集效率的关系(4.47)这一结果表明，颗粒层过滤是孔隙率和孤立球收集效率的函数。对上式孔隙虑求极值，易得当孔隙率0.6时，颗粒层效率最高。要使孔隙率达到0.6，对纤维层说是容易实现的，但对颗粒层，其孔隙率通常在0.3左右，实际中难以达到0.6。但对纤维过滤，由于其过滤机理与颗粒层过滤相同，于是，这一结果的重要意义在于它告诉人们：为使纤维层和颗粒层获得较高得内部过滤效率，应尽量提高孔隙率。4.2.2.2 颗粒层过滤效率将式（4.47）直接代入式（4.44），得洁净颗粒虑料的过滤效率(4.48)对于在颗粒内部已沉积粉尘的非稳态过滤的理论分析较复杂，原因是：过滤层有颗粒和粉尘两种介质，且在颗粒层中的积尘量随过滤层呈指数变化，故较难得到分析解。在实际应用中，颗粒层过滤效率通常按洁净颗粒滤料的过滤效率计算。4.2.3 表面过滤理论颗粒层过滤表面也有内部过滤和表面过滤之分，但由于颗粒比纤维的直径通常大数十倍、甚至数百倍，其内部孔洞直径也大得多，所以主要表现为内部过滤，故讨论颗粒层表面过滤的文献较少。但纤维层过滤主要靠表面过滤，特别是对于编织滤布、薄滤料、微孔或经表面处理的滤料。对于纤维虑料来说，洁净滤料使用的时间极短，于是，洁净滤料的效率公式很快失去使用意义。为防止过度清灰，滤料表面应留有一定的粉尘层，内部过滤效率由动态变为稳定。而纤维层表面过滤将贯穿整个非稳态过滤过程。因此，纤维层表面非稳态过虑的研究有十分重要的实用意义。有的研究者采取类似于洁净滤料过滤效率的建模方法，得出纤维层表面有粉尘层的非稳态过滤效率公式46,还有的研究者把内部积尘和表面过滤作用同时考虑，导出效率与容尘量的非稳态过滤关系式44。但由于上述研究均拘泥于传统纤维过滤建模方法，对“尘滤尘”机理的分析不够深入，且有些参数较难确定。为下面讨论方便，有必要对表面过滤现象加以描述：表面过滤属“尘虑尘”现象，要实现表面过滤，首先应在虑料表面形成一较薄的粉尘层，假定在过滤过程中，粉尘层的孔隙率基本保持不变，随过滤时间增加，所收集的粒子直接导致粉尘层增厚,效率提高，而且沉积的粉尘层均质，即各向同性。于是，“尘虑尘”现象和颗粒层过滤过程是相同的。所以，可引用经典的球形颗粒层过滤理论。图 4.9 表面过滤分析“尘虑尘”过程如图5所示。设粉尘层粒子孔隙率，当任意粉尘层厚为h时，尘粒如同球形颗粒，直接利用式(4.48)得滤料表面沉积尘对含尘气体的净化效率为(4.49)式中 单个沉积粒子对气体粒子的捕集效率； N粉尘单元层数，。请注意图4.9中微元体dh的取法，这是数理分析的关键，也是建模方法的创新点。设含尘气流初始浓度为，在时间内厚度为H、面积为A的滤料迎风表面上沉积的粉尘层外侧，粉尘层增厚dh，所增加的粉尘层的体积，应等于在时间内收集的粉尘的体积(包括孔隙的体积)，即有下式成立：（4.50）因单元层效率，对式(4.49)幂级数展开，有（4.51）注意到在表面过滤开始时，必须有一较薄的粉尘层，其厚度不小于单元层厚。将式(4.51)代人式(4.50)，在区间 (因很小，)和时间范围内对式(4.50)积分，得 (4.52)将式（4.52）带入式（4.51）得表面非稳态过滤效率计算式（4.53）式中 粉尘层的孔隙率； 单一尘对气体中粉尘的收集效率。 由颗粒层过滤理论，可知粉尘单元层厚约等于粉尘粒径，即在计算时可取。式(4.53)的形式简洁、物理意义明确，对纤维表面过滤和颗粒层表面过滤都适用。 在常温下，取参数如表4.3，由式(4.53)计算所得出的表面非稳态过滤效率随时间和粉尘粒径的变化规律绘于图4.10中。表4.3 表面非稳态过滤理论比较的参数选取参数质量浓度粉尘密度纤维直径过滤风速粉尘层孔隙率纤维层充填率取值202.2103200.020.30.6根据图4.10的变化规律有以下几点认识：1)表面过滤开始时，粉尘层对细尘的过滤效率较低，面对较大尘粒的过滤效率较高。随过滤时间的增加，粉尘层的增厚，粉尘层对细尘的过滤效率将高于对粗尘的过滤效率。这是符台表面过滤机理的，原因是：由于细尘单元层的效率较低，在开始时，尘滤尘的效率较低。在气体含尘质量浓度不变的情况下，随过滤时间的增加，积尘粉饼总厚增加，由于细尘单元层的厚度较薄，单元层的层数急剧增加，其过滤效率比粗尘具有更快的增长速度。2)由图中新计算式得出的变化曲线看出，表面非稳态过滤效率随过滤时间的增加提高很快，这和实际过滤情况是一致的，如覆膜滤料在数十秒的时间内，过滤效率就接近100。这也意味着过滤阻力增加极快，其结果会使粉尘(未沉积和已沉积的粉尘)在较大的压力和较高的过滤层内部风速的共同作用下穿过过滤层，导致效率急剧下降。对非覆膜滤料，如果过度清灰，破坏了纤维表面的粉尘层，会失去表面过滤作用，也会导致效率下降。可以说清灰管理是过滤净化技术的一个重要内容。图 4.10 表面非稳态过滤效率随时间的变化规律3)需要说明的是图4.10仅表示表面非稳态过滤效率，表面过滤刚开始时，实际纤维滤料层的效率不为零，因为内部过滤作用始终存在，纤维滤料的效率为（4.55）由式（4.38）确定。4.3过滤层压力损失压力损失是过滤式除尘器的重要性能之一。过滤层压力变化和过滤效率一样是一个动态过程，分析时按两部分考虑：洁净滤料压损和含尘滤料压损。建立压力损失数理模型的意义不仅在于对设备能耗的评价，更重要的是滤料压损的变化与滤料中的积尘量有直接联系，从而可利用压损模型实现清灰过程的自动控制。因此，本节将较全面地论述纤维层压损和颗粒层压损理论。4.3.1纤维层压力损失压损的分析方法有微观分析法和宏观分析法。因为在实际应用中，通常纤维层过滤风速很低，属层流范围，所以过滤过程的压力损失的分析要比层流状态容易些。4.3.1.1 纤维层压损微观分析法微观分析法是先从单根纤维和单一尘粒的受力分析人手，再累加以求总阻力的方法。对于低速过滤过程，假定绕单根圆柱状纤维的流动为黏性流是合理的，由绕圆柱体黏性流的流函数，Lamb和Davies导出作用于单根纤维上的力为（4.56）式中 单根纤维所受的力，Nm； 气体动力黏度，Pas； 气流速度，ms； 绕纤维流动的雷诺数。穿过纤维层的阻力为所有纤维的阻力之和，则有（4.57）式中 纤维充填率； H纤维层厚度，m； 纤维半径，m。式中，为洁净滤料阻力修正系数，主要考虑各纤维对流场和相互间的影响。若在纤维层中沉积粒子，则单一球所受阻力服从斯托克斯律（4.58）式中 单一球所受的力，N： 粉尘粒子的孔隙率： 其他符号意义同前。若在纤维层中积尘量为，则粒子数为（4.59） 由沉积粒子造成的总阻力为（4.60）式中 张弛时间，s： 考虑粒子分散度、球形度及相互间影响的修正系数。 于是过滤过程中的总阻力为（4.61）由于纤维过滤效率很高，作为近似计算，取效率为100，则沉积粒子量近似为 （4.62）而式（4.61）中的和通常由试验确定。将式(4.62)代入式(4.61)中，得（4.63）4.3.1.2 纤维层压损宏观分析法宏观分析法是以整个滤料层考虑，而不分析单根纤维和单一粒子的阻力大小。因流动为层流，由达西(Darcy)公式可知洁净纤维层阻力与滤层厚度和来流速度的一次方成正比（4.64）（4.65）式中 常数；纤维渗透系数，其他符号物理意义同前。假定过滤效率为100，将在滤料中沉积的粒子量折合成粒子沉积厚度，有（4.66）式中 V过滤时间为t通过滤料层含尘气体的总体积，； A过滤面积，。注意到 ，同样由达西公式，得（4.67）（4.68）式中 常数； 粒子渗透系数。于是过滤过程中的总阻力的动态变化规律的宏观式为（4.69）比较式(4.69)和式(4.63)，我们发现微观分析法和宏观分析法所揭示的纤维层过滤压损变化规律是一样的。作为机理分析，常用微观分析法。作为实际应用，人们更喜欢使用宏观表达式，原因是，对于特定的滤料，式(4.69)中的常数、易由试验确定，若想理论计算，可由纤维层和粉尘层的孔隙特征查表得到渗透系数后计算、。4.3.2 颗粒层压力损失颗粒层压损的分析方法同样也有微观分析法和宏观分析法。表面上看，纤维滤料和颗粒滤料都应有相同的压损数理模型，但在进行具体分析时，颗粒滤料的压损建模要复杂得多。判定颗粒层的流态是绕颗粒流动的雷诺数，当35时为层流，当700时为紊流，在实际应用中，颗粒层净化器的过滤风速在0.31.0ms之间，颗粒滤料的直径在3mm左右，所以雷诺数的范围大致在40150之间，属过渡区。 4.3.2.1 颗粒层压损微观分析法在用微观分析法讨论洁净颗粒滤料压损时，常对过渡区采用层流阻力和紊流阻力相叠加的办法，这就是有名的尔岗(Ergun)公式（4.70） 式中 H颗粒层厚度； 颗粒层孔隙率； 过滤风速，ms： 阻力修正系数。麦克唐纳(MacDonald)得出； 颗粒直径，m。由尔岗(Ergun)公式计算得出的洁净颗粒滤料的阻力往往低于实测值47。在颗粒层沉积粉尘时，作者曾用微观分析法通过较复杂严格地推导，得出颗粒层过滤状态的压力损失48（4.71）式中 粒子沉积率，由试验确定，孔隙率的函数。 洁净颗粒压力损失，Pa： 滤料容尘量，kg； 总过滤效率。总过滤效率可近似取1；于是非稳态压力损失的微观表达式为式(4.70)与式(4.71)之和。(4.72)式中符号物理意义同前。4.3.2.2 颗粒层压损宏观分析法对沉积粒子用宏观分析法，问题变得十分简单，因粒子远小于过滤颗粒，将符合层流假设，直接利用式(4.67)即可。其压损是洁净滤料的压损式(4.70)与粉尘层的压损式(4.67)之和，于是有(4.73)式中符号物理意义同前。式(4.73)比式(4.72)更简便实用。4.4 纤维滤料纤维过滤具有收集效率高、运行较稳定、特别是对微细粒子有很好的捕集效果，因而得到了广泛应用。随着耐温、抗腐蚀、覆膜等多种新型滤料的不断问世以及清灰技术的进步，出现了取代某些高效烟尘净化设备、进一步扩大其应用范围的趋势。4.4.1 滤料的性能纤维滤料性能的优劣直接关系到纤维过滤器的好坏。而纤维滤料性能主要靠纤维的物化性能来实现。因此纤维的物化性能应满足如下要求：1)耐温性能好，作为工业用纤维，耐温应高于200；2)断裂强度越高越好，相对强度应大于0.5Ntex；3)有较高的韧性，断裂伸长应在15左右；4)良好的耐酸、碱及有机溶剂腐蚀性；5)具有良好的疏水性、耐磨性和阻燃性；6)良好的可纺性，原料来源稳定可靠。纤维可分三大类：天然纤维、合成纤维和无机纤维。为满足生产加工滤料的要求，有必要对如长度、细度、断裂强度、初始模量、吸湿性和阻燃性等纤维的主要理化性能加以介绍。(1)纤维长度纤维长度是指在无外力作用伸直时所测两端间距离。纤维可纺性与纤维长度有关。在保证成纱有一定强度的前提下，单纤维越长，可纺支数越高。如棉纤维长度一般不低于25mm，实际棉纤维长度在2538mm之间。对合成纤维和金属丝来说，纤维长度范围可根据需要切断，一般切成棉型、中长型和毛型。纤维长度范围分别是3338mm、5176mm和76102mm。(2)纤维细度细度即纤维的粗细程度。单纤维越细，则纤维在成纱、成网、成织物或毡时更均匀，成品变形小、尺寸稳定性好。细度在我国法定计量单位中称“线密度”，单位：tex。1000m的纤维重为lg时为l tex。(3)纤维断裂强度断裂强度是用来衡量纤维品质的主要指标之一。断裂强度常用相对强度来表示，单位是Ntex。（4.74）式中 相对强度，Ntex： P绝对强力，即在连续增加的外力作用直到断裂时所能承受的最大负荷，N； 纤维细度，kgm。(4)相对伸长率相对伸长率为拉力作用下直到纤维断裂时所伸长部分与纤维原长之比（4.75）式中 纤维拉伸后总长，m； 纤维原长，m。纺织纤维的伸长率一般在15较合适，两种纤维混用时，应考虑它们的伸长率相同或相近。(5)初始模量 在物理和工程上，材料的应力与其应变的比称为模量。应变量与伸长率相同。对纤维来说，模量是其抵抗外力变形的量度。纤维的初始模量为纤维被拉伸的伸长率为1时的应力一应变曲线起始段直线部分的斜率，单位是mNtex。纤维的初始模量越大，表示纤维越不易变形。 (6)吸湿性 纤维吸湿性是指在标准温湿度条件下(20，相对湿度65)纤维的吸水率，一般用回潮率w表示(4.76)式中 G纤维湿重，kg； 纤维于重，kg。 纤维吸湿性对滤料的选择具有重要意义。表4.4列出了常用纤维原料的回潮率。表4.4常用纤维原料的回潮率纤维名称棉布羊毛丝亚麻涤纶棉纶腈纶丙纶Nomex芳砜纶回潮率/%11.11511120.44.5207.56.28(7)耐热性耐热性表示在同一时间内不同温度下，或同一温度下不同时间内纤维理化机械性能的保持程度。对大多数纤维原料来说，随温度升高，理化机械性能发生变化，最后熔融或分解。表4.5列出了部分常用纤维原料的有关耐热性。表4.5 部分常用纤维原料的有关耐热性纤维名称棉羊毛棉纶6棉纶66涤纶腈纶丙纶Nomex芳砜纶熔点/215253256163175370400强度保持率/%(100,80d)6841434396100100100强度保持率/%(130,80d)101213137555100100（8）耐腐蚀性酸、碱和有机溶剂对纤维及其制品均会发生腐蚀作用，使其强度降低，但腐蚀程度要视酸碱种类、浓度、温度和接触时间长短而定。表4.6列出了部分纤维对酸、碱和有机溶剂的腐蚀程度。表4.6 部分纤维对酸、碱和有机溶剂的耐腐蚀程度化学物质酸碱溶剂耐腐蚀等级优良中差优良中差优良中差涤纶棉纶腈纶丙纶维纶改性维纶Nomex芳砜纶玻璃纤维（9）阻燃性根据燃烧的难易程度将纤维分为易燃、可燃、阻燃和不燃4类。无机纤维通常是不燃纤维，主要有玻纤、金属纤维、石棉、含硼纤维和陶瓷纤维等。测定纤维燃烧性常用极限指数法，简称“LOI”法。极限指数法是指当已点燃的纤维离开火源仍能继续燃烧时，环境中氮和氧的最低百分率(4.77)式中 氧气的体积分数，；氮气的体积分数，。因空气中，氧为21，若纤维的LOI21，就意味着能在空气中继续燃烧。4.4.2 常用滤料的种类及性能 滤料按制作方法分为纺织滤料、无纺滤料、复合滤料、陶瓷纤维滤料等。按制作材质分为天然纤维滤料、合成纤维滤料和无机纤维滤料。 4.4.2.1 纺织滤料 早期的滤料多是以纺织物制成的。随着无纺纤维滤料和化纤工业的发展，无纺纤维滤料逐步成为气体中颗粒物收集的主要过滤原料。但是，由于纺织滤料具有一定的特性和实际过滤条件的要求，纺织滤料在很多方面仍得到应用。 机织的滤料是以合股加捻的经、纬纱线或单丝用织机交织而成的。因经、纬纱线都经过加捻，所以纱线密度比较大。被过滤的粒子几乎只能从经、纬线间的空隙经过。机织滤料的孔隙率一般只有3040，而且是直通的。 纺织滤料和无纺纤维滤料相比，有如下优缺点： 1)可制成具有较大强度和耐磨性的滤料； 2)尺寸稳定性好； 3)易形成平整光滑表面或薄形柔软的织物，易于清灰； 4)易调整织物的紧密程度，既可制成较疏松的也可制成紧密的滤料； 5)内部过滤作用小，初始效率低，只有在纺织滤料表面形成粉尘层后，才能过滤较小的粒子，未形成粉尘层或因某种原因使粉尘层遭到破坏时，效率明显下降； 6)在同样过滤风速情况下，纺织滤料阻力大；7)为达到应有的效率，气布比较低。纺织滤料的种类很多，几乎各种材质和不同结构的纺织滤料都有所应用。其中，208绒布是我国为袋滤式除尘器专门开发的一种纺织滤料。它是以涤纶短纤维为原料单面起绒的斜纹织物。因有表面绒毛，有助于形成粉尘层，提高过滤效率。208绒布在清灰时，粉尘层便遭到破坏，重新滤尘时效率明显下降。另外，应特别注意防止结露，因粉尘粘附在绒毛及滤料表面上结垢后，很难清灰。4.4.2.2 无纺纤维无纺纤维的发展始于20世纪60年代，19701980年的10年间产量增长了79。当前，袋滤式除尘器用的无纺纤维绝大部分是针刺毡。针刺毡分为有基布和无基布二类。增加基布是为了提高针刺毡滤料的强度。基布是事先织好的，生产过程中用上下纤维网将基布夹于其中，然后经过预针刺和主针刺加固，再采取必要的后续处理技术即可成为所需要的制剌毡滤料。针刺毡滤料具有如下特点：1)针刺毡滤料中的纤维呈交错随机排列，孔隙率高达7080，根据前面过滤理论，其孔隙率处在最佳的内部过滤状态，可充分发挥其内部过滤捕尘功能。这种结构既有利于形成粉尘层，清灰后也不存在直通的孔隙，过滤效率高而稳定。2)针刺毡滤料的孔隙率比纺织纤维高1.62.0倍。因而自身的透气性好、阻力低。3)针刺毡滤料的生产速度快、劳动生产率高、产品成本低、产品质量稳定。4.4.2.3 复合滤料为扬长避短，可用两种或两种以上各具特色的材料加工成滤料，这种滤料称为复合滤料。有底布的针刺毡就是一种复合滤料。这种滤料用基布以增加强力，用纤网以获得理想的过滤效率。基布与面层材质相同者，严格地讲，也属复合滤料，只是人们已习惯于称之为针刺毡。如在合成纤维Nonaex基布上刺以细玻纤制成针刺毡，可避免玻纤不抗折的缺点，同时又可获得耐温与抗腐蚀的优势。在针刺毡滤料或纺织滤料表面覆以微孔薄膜制成的复合滤料可直接实现表面过滤，不需要事先形成粉尘层，这不仅显著提高滤料的捕集效率，而且使粉尘粒子只停留于滤料表面，尘饼容易脱落，清灰效果好，可有效地防止滤料的堵塞和结垢，因而阻力低。覆膜有助于提高滤料的疏水性，提高了对湿度较大烟气净化的适用性。测试结果表明，这种覆膜滤料对0.011.0的粒子，分级效率可达9799以上，总效率可达99.999。覆膜技术是纤维过滤净化的一个发展方向。4.4.2.4 玻璃纤维滤料玻璃纤维滤料是由熔融的玻璃液拉制而成的，是一种无机非金属材料。玻纤的耐温性好，可以在260280的高温下使用，可减少结露的危险。经过特殊表面处理的玻纤滤料，具有柔软、润滑、疏水等性能，使粉尘容易剥离，仅用反吹风方式即可充分达到清灰的目的。玻纤在280下，其收缩率为0。与有机合成纤维比较，尺寸稳定性优越得多，在使用时不必担心透气性与过滤面积的变化以及因收缩而加大布面张力，加速滤袋破损情况的发生。玻纤有很好的抗腐蚀性，即使在强碱、强酸的烟气中，对其使用寿命的影响也很小。总之，玻璃纤维过滤材料具有耐腐蚀、抗结露、尺寸稳定、粉尘剥离性好等优点，是处理含湿量高、温度高、有腐蚀性化学成分烟尘的理想滤料。用于袋滤式除尘器的玻璃纤维过滤材料主要有玻璃纤维平幅过滤布，玻璃纤维膨体纱过滤布，玻璃纤维针刺毡滤料。玻纤的曲挠性与合成纤维相差很远。玻纤作为滤料，必须经过表面处理。表面处理工艺可分为前处理和后处理两类，所谓前处理玻璃纤维过滤布，是将玻璃纤维纱线经表面处理后，再织造成玻璃纤维过滤布；而后处理玻璃纤维过滤材料，则是把玻璃纤维纱制成织造织物或非织造织物，然后用表面化学处理制成的玻璃纤维。目前，对于玻纤的表面处理，国内主要有以硅油为主；以聚四氟乙烯为主；以硅油、石墨、聚四氟已烯为主；以耐酸和耐腐蚀为主等四大系列表面处埋配方。如玻纤经以硅油、石墨、聚四氟乙烯为主要成分的表面处理后，可大幅度提高耐折性和耐磨性，并具有优越的耐热和疏水性。如在配方中引人耐酸成膜剂，可进一步提高耐腐蚀性。 4.4.2.5 防静电滤料对于过滤用纤维，自身或使