高效过滤器容尘性能试验用人工尘与发尘方法探讨

1、引言

近年来，各类工业建筑尤其是洁净室的综合运行能耗评价需求迅猛增长［１］。高效过滤器作为其中的重要能耗部件之一，其容尘性能决定了使用寿命和能耗，是评价高效过滤器产品性能的重要参数之一。然而，在现有的高效过滤器评价标准体系中，高效过滤器的容尘性能试验方法尚不明确、不成熟。目前，ＥＮ７７９：２０１２［２］与ＩＳＯ１６８９０－３：２０１６［３］规定的一般通风用过滤器的容尘性能试验方法在全球范围内获得了广泛认可，但其采用的人工尘源（ＡＳＨＲＡＥ尘、Ａ２尘）仅适用于一般通风用空气过滤器，与高效过滤器实际使用中面对的尘源相比平均粒径较大，并不适用于高效过滤器容尘性能试验。多位学者曾采用平均粒径较小的ＫＣｌ气溶胶作为高效过滤材料容尘实验尘源［４-８］，这种高效滤材的容尘实验可在数小时内完成。ＧＢ／Ｔ１３５５４—２０２０［９］标准附录也建议采用ＫＣｌ气溶胶作为高效过滤器容尘性能试验的尘源，然而，高效过滤器的滤材面积远大于高效滤材容尘实验中仅约１００ｃｍ２的过滤面积，由于ＫＣｌ气溶胶发生器受限于发生原理，其发尘浓度远低于采用喂尘器发生的人工尘，所以采用ＫＣｌ气溶胶作为高效过滤器容尘性能试验的尘源可能存在实验时间过长的问题。为探究高效过滤器容尘性能试验用人工尘与发尘方法，本文对ＫＣｌ气溶胶及多种人工尘进行粒径分布测试，分别采用气溶胶与人工尘对高效过滤器进行容尘实验，通过扫描电镜照片观察颗粒物沉积情况，分析高效过滤器采用不同人工尘的容尘阻力表现，探究适合用于高效过滤器容尘性能试验的尘源与发尘方法，为高效过滤器容尘性能试验方法相关标准的制订提供参考。Part2、实验装置本实验采用的通风用空气过滤器性能试验装置（见图１）依据Ｔ／ＣＲＡＡ４３０～４３２—２０１７［１０］及ＥＮ７７９：２０１２等相关标准搭建。该试验台主要由变频风机、喷嘴流量计（标准件）、混合式静压箱、人工发生装置、温湿度传感器、压力传感器、粗效过滤器、高效过滤器及风管管道等结构部件构成。图１通风用空气过滤器性能试验装置其中气溶胶发生装置在本文中指如图２所示的大颗粒ＫＣｌ气溶胶发生装置，在该装置中，ＫＣｌ溶液经雾化喷头发生大颗粒ＫＣｌ气溶胶，气溶胶与加热至１００℃的洁净压缩空气充分混合，进入风管系统。图２大颗粒ＫＣｌ气溶胶发生装置人工尘发生装置为由电动机、送料带、混合管等结构组成的人工尘喂尘器，用于向过滤器连续、稳定地发送人工尘。该喂尘器气源为压缩空气，压力范围为０～５００ｋＰａ，送料带电动机速度范围为０～４ｍｍ／ｓ。为去除人工尘中较大粒径颗粒、控制人工尘粒径分布，喂尘器发出的人工尘在进入混合室前采用图３所示的旋风分离器进一步处理。该分离器借助离心力将人工尘中的大粒径粒子从气流中分离并捕集于器壁，再借助重力作用使尘粒落入灰斗。图３旋风分离器结构尺寸（单位：ｍｍ）粒子计数器为ＰａｌａｓＰｒｏｍｏ２０００气溶胶粒径谱仪，该粒径谱仪基于激光散射原理测量气溶胶粒径分布，采样流量为５Ｌ／ｍｉｎ，粒径测量范围为０．２～１０μｍ。因ＫＣｌ气溶胶与人工尘采用不同的发生方法与发生装置，且粒径分布也存在较大差异，故分别设计气溶胶容尘实验与人工尘容尘实验，单独开展实验研究并分析实验结果。本文在粒径分布实验中，选取计数浓度、浓度百分比与质量累积分布作为评价不同气溶胶与人工尘的指标，采用质量累积分布百分比为５０％所对应的粒径大小（即质量中值直径）对比实验尘源粒径分布。Part3ＫＣｌ气溶胶容尘实验3.1容尘实验方法实验样品选用效率等级为Ｈ１３的玻纤高效过滤器，尺寸为４９２ｍｍ×４９２ｍｍ×７０ｍｍ。实验气溶胶由大颗粒ＫＣｌ气溶胶发生装置采用２０℃的饱和ＫＣｌ溶液发生，在实验风量６００ｍ３／ｈ、面风速约０．７５ｍ／ｓ的条件下，发生的ＫＣｌ气溶胶粒径分布如图４所示，其质量中值直径约为１．８μｍ。记录实验中高效过滤器阻力随容尘时间的变化。图４ＫＣｌ气溶胶计数分布、质量累积与离散分布3.2结果与分析过滤器阻力增长曲线如图５所示，容尘开始至结束共计３２．１ｈ，其中发尘时长２１．８ｈ，夜间停止发尘１０．３ｈ。Ｈ１３玻纤高效过滤器阻力由１６３Ｐａ增至１９５Ｐａ，其阻力在前８．３ｈ内的平均增速约为１．３３Ｐａ／ｈ，而在后１３．５ｈ内平均增速约为１．８５Ｐａ／ｈ，过滤器总容尘量为２８．５ｇ。图５过滤器阻力增长曲线图６展示了该过滤器滤纸在容尘终止时的扫描电镜照片。图６ａ为将玻纤滤料上、下２层剥离后拍摄的中间层表面照片，能够清晰地观察到滤料纤维及少量沉积的ＫＣｌ颗粒；而在图６ｂ显示的滤料迎风面表面照片中，大量ＫＣｌ颗粒沉积于滤料表层的纤维上，显著增加了滤料表层的填充率。图６过滤器样品在容尘终止时不同滤料层的扫描电镜照片在上述实验中，经过长达２１．８ｈ的发尘，过滤器仅容尘２８．５ｇ。尽管ＫＣｌ气溶胶具有较小的质量中值直径，相同容尘质量颗粒数较多，也更容易沉积于滤料内部导致阻力增长较快。但由于ＫＣｌ气溶胶的发生浓度极低，导致高效过滤器阻力增长非常缓慢，若以通用的将２～３倍初阻力作为高效过滤器容尘终阻力，容尘实验难以在实验室能够接受的时长内完成。若将本实验中尺寸为４９２ｍｍ×４９２ｍｍ的受试过滤器更换为同滤材的尺寸为６１０ｍｍ×６１０ｍｍ的高效过滤器，在相同的容尘量下，过滤器的阻力变化会更加不明显，容尘实验时长将进一步增加。此外，本实验过程中存在ＫＣｌ气溶胶对实验气流湿度变化敏感导致已容尘过滤器阻力降低的现象，此前多位学者在进行滤料与过滤器容尘实验中均关注过这一问题［１１-１３］。基于上述情况，采用常规气溶胶发生器发生ＫＣｌ气溶胶的方法不适用于高效过滤器容尘性能试验。需考虑采用人工尘作为高效过滤器容尘性能试验的尘源。Part4、人工尘容尘实验人工尘广泛应用于一般通风用过滤器的容尘性能试验，采用人工尘模拟大气尘，能够消除由于大气尘的多样性和多变性造成的测试结果差异。ＩＳＯ１２１０３－１：２０１６规定了采用亚利桑那沙漠沙粒制造的４个等级的试验粉尘（ＩＳＯＡ１～Ａ４道路尘），均由机动车行驶环境中存在的化合物组成［１４］。ＩＳＯ１６８９０－３：２０１６和ＥＮ７７９：２０１２分别规定采用Ａ２道路尘和ＡＳＨＲＡＥ尘作为一般通风用过滤器的容尘性能试验的尘源，Ａ２尘的化学成分如表１所示，而ＡＳＨＲＡＥ尘则由７２％（质量百分数）的Ａ２尘、２３％的炭黑与５％的棉绒组成。表１Ａ２尘化学成分ＡＳＨＲＡＥ尘组分中因存在平均粒径较大的棉绒，与高效过滤器实际使用情况并不相符，故不适合用于高效过滤器容尘性能试验。为探究适合高效过滤器容尘性能试验的人工尘源，选用Ａ２尘、１２５０目ＣａＣＯ３、ＳｉＯ２ＡＲ（分析纯）、亚微米ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３ＡＲ（分析纯）、０．０５ＣＲＡｌ２Ｏ３、气相法白炭黑等粉尘作为受试尘源。上述粉尘多为Ａ２道路尘中单一组分物质或相近物质，对大气尘中的对应组分有一定程度的模拟作用，涵盖不同粒径范围，生产加工工艺成熟，价格低，易获取。为了既能保证人工尘主要组分不变，又能使人工尘整体保持较小粒径，采用旋风分离器串联喂尘器的发尘方法去除含尘气流中的较大粒子。实验对受试尘源依次进行发尘，测试其在使用与不使用旋风分离器情况下的粒径分布特性。并选用合适的人工尘与发尘方法，进一步探究其对高效过滤器容尘性能的影响。4.1旋风分离器进气压力与喂尘速率对人工尘粒径分布的影响旋风分离器的性能表现直接影响所发人工尘的粒径分布。在结构尺寸、粉尘物性确定的情况下，影响旋风分离器性能表现的主要因素为进口气流速度与气体含尘浓度，前者由喂尘器进气压力决定，而后者由喂尘速率决定。因此设计多种喂尘器进气压力与喂尘速率组合，测量气相法白炭黑粉末在不同发尘条件下的质量累积粒径分布，实验在６００ｍ３／ｈ风量下进行，结果如图７所示。可见在不使用旋风分离器的情况下，进气压力与喂尘速率对受试尘的质量累积分布特性没有显著影响，而在相同的进气压力与喂尘速率下，旋风分离器的使用能够显著降低受试尘的质量中值直径。在所有的实验组合中，采用喂尘器串联旋风分离器的发尘方式在进气压力０．５ＭＰａ、喂尘速率４．５ｇ／ｍｉｎ的条件下能够获得最小的质量中值直径（约为２．１３μｍ）。这说明，在本实验设备调节范围内，适当提高进气压力与喂尘速率，能够提高旋风分离器的性能表现，得到整体粒径分布更小的粒子。图７不同进气压力与喂尘速率条件下气相法白炭黑的质量累积分布情况4.2人工尘粒径分布特性在６００ｍ３／ｈ风量、０．５ＭＰａ进气压力下，采用喂尘器与喂尘器串联旋风分离器２种方法发生多种粉尘。实验主要用于检验旋风分离器性能并定性对比不同尘源的粒径分布特性，故仅在正常发尘操作的情况下测试粒径分布，并不严格控制使用与不使用旋风分离器时的发尘质量或发尘浓度相同。实验结果如图８所示。图８人工尘发尘浓度、浓度百分比与质量累积分布情况由图８可以观察到：第一，旋风分离器的使用会不同程度地降低各粒径挡的粒子浓度；第二，所有受试人工尘发尘浓度均远高于ＫＣｌ气溶胶计数浓度，Ａ２尘、气相法白炭黑的整体发尘浓度较高，但它们的浓度能否满足容尘实验的时长要求仍需进一步实验验证；第三，受试尘源中，Ａｌ２Ｏ３ＡＲ、亚微米ＳｉＯ２、气相法白炭黑的高浓度粒径挡较小且较集中，大部分集中在小于１μｍ的范围内；第四，旋风分离器能够明显降低受试尘源的质量中值直径，气相法白炭黑在使用分离器的条件下，质量中值直径约为２．１３μｍ，能够反映受试尘的整体粒子处于较小水平。在上述粉尘中，Ａ２尘与气相法白炭黑在粒径特性上各具一定代表性，在３．３节中将进一步研究这２种粉尘作为高效过滤器容尘性能试验用尘源的可行性。图９显示了在使用分离器与不使用分离器的情况下，Ａ２尘与气相法白炭黑发尘浓度各自的比值。可知随粒径的增大，旋风分离器对粒子的去除效果逐渐增强，但由于粉尘堆积密度、团聚能力等物理性质的差异，分离器对不同尘源的去除效果有所不同。图９发尘浓度比值（在０．５μｍ处归一化处理）4.3容尘实验方法采用Ａ２尘和气相法白炭黑进行了如表２所示的３组容尘实验。为便于实验方法推广，实验步骤与后续数据处理过程借鉴现行国际主流标准ＥＮ７７９：２０１２。实验步骤如下：表２容尘实验设计１）称量受试过滤器及旋风分离器灰斗在清洁状态下的质量，以及末端过滤器的初始质量。２）称量一定质量粉尘，置于喂尘器传送带上，使其均匀通过喂尘器与旋风分离器，以设定的发尘浓度进入送风管道。停止喂尘前，将传送带上的残余负荷尘扫至汲尘口，振动或敲打喂尘管道３０ｓ。３）发尘结束后，保持系统风量不变，待系统稳定后记录过滤器阻力，拆卸分离器灰斗并称重，求得单次灰斗增重。重新安装灰斗。４）重复上述步骤直至过滤器达到终阻力时，停止发生负荷尘，称量受试过滤器及末端过滤器终质量。５）对试验风管进行扫灰，收集沉积于风道中的实验粉尘，称量其质量，实验完毕。６）对过滤器每一发尘阶段的容尘量按式（１）进行修正，绘制阻力累计容尘量变化曲线。式中Δｍｉ为修正单次容尘量，ｇ；Ｍｉ为单次发尘量，ｇ；ｍｉ为单次灰斗增重，ｇ；Δｍ为受试过滤器增重，ｇ；Ｍ为总发尘质量，ｇ，Ｍ＝ΣＭｉ；ｍ为总灰斗增重，ｇ，ｍ＝Σｍｉ。4.4旋风分离器的使用与人工尘种类对高效过滤器容尘性能的影响高效过滤器的阻力会随容尘量动态增长。Ｔｈｏｍａｓ等人提出高效过滤器的容尘过程可分为深层过滤、过渡和表面过滤３个阶段［１５］。其中，深层过滤阶段的阻力增长比较缓慢，而表面过滤阶段的阻力则会呈线性快速增长。为了更形象地反映高效过滤器在整个容尘过程中每一时刻的阻力随容尘量的增长速度，判断过滤器所处容尘阶段，引入阻力增长系数ｋ２［４］。本文采用阻力增长曲线中两点间连线的斜率代表该区间的ｋ２。图１０显示了实验１～３的阻力与ｋ２随容尘量变化情况。在实验１中，过滤器阻力在达到终阻力前，阻力随容尘量始终呈线性增长，阻力增长系数ｋ２始终在一定范围内维持不变。在实验２中，阻力随容尘量的增长速度起初缓慢增长，而后稳定在一定范围内，ｋ２值整体高于实验１。在实验３中，阻力增长速度同样呈现先逐渐增长随后稳定的情况，但ｋ２在实验开始阶段就高于前２组实验，并且很快达到稳定。ｋ２值在实验过程中总体处于较高水平。图１０不同尘源与发尘方法下的高效过滤器阻力增长曲线图11显示了３组实验在达到终阻力时，过滤器样品不同滤料层的扫描电镜照片。可见在实验１结束时，大量大粒径的Ａ２尘颗粒堵塞于迎风面表面，且部分颗粒粒径大于１０μｍ，几乎将表面的玻璃纤维完全覆盖，而滤料内部几乎没有颗粒物沉积。这说明Ａ２尘整体粒径较大，绝大多数沉积于迎风面表面，导致过滤器的阻力增长几乎观察不到深层过滤阶段，而是在容尘初期迅速形成粉尘层，进入表面过滤阶段，故阻力增长系数ｋ２在一定范围内始终稳定不变。实验２呈现出与实验１相似的情况，但迎风面表面沉积的大颗粒占比明显降低，中间层沉积颗粒物有所增加，可以反映旋风分离器去除了含尘气流中部分大粒径粒子，使得更多较小粒子在迎风面表面被堵塞前沉积于滤料内部。在实验３结束时，迎风面表面玻璃纤维上沉积了大量细小的颗粒，形成枝状纤维，所沉积的白炭黑颗粒明显小于图11ｃ中的Ａ２尘颗粒，结合阻力增长曲线可判断此时过滤器已达到表面过滤阶段。在图11ｆ中，能够观察到细小颗粒在滤料内部的沉积现象，该过程对应容尘初期ｋ２不断增大的区间。图11过滤器样品在容尘终止时不同滤料层的扫描电镜照片（放大2000倍）上述３组实验的阻力增长情况表明，人工尘粒径对过滤器的阻力增长模式有重要影响。粒径较小的颗粒物能够在滤料内部沉积，此时的阻力增长表现为深层过滤阶段。而较大的颗粒物无法深入滤料内部，只能在表面沉积，对应阻力的表面过滤阶段。实验３中阻力增长系数ｋ２明显大于另外２组实验，原因在于气相法白炭黑颗粒整体小于Ａ２尘颗粒，单位质量的颗粒数更多，更容易分散沉积于滤料内部，形成枝状纤维。高效过滤器在实际使用中通常安装于粗、中效过滤器下游。而经过粗效（Ｇ３）＋中效（Ｆ７）过滤器过滤后的环境气溶胶颗粒基本分布在小于１μｍ的范围内［８］。且在现有研究中，大量学者采用小于１μｍ的气溶胶对高效滤料进行容尘，阻力增长曲线均能观察到深层过滤与表面过滤２个阶段。结合图８中浓度百分比分布情况、图１０中阻力增长情况及图１１ｅ中沉积颗粒物形态分析，在３组实验中，采用气相法白炭黑结合旋风分离器的发尘方法更贴近高效过滤器实际使用情况。表３容尘实验１～３结果汇总３组容尘实验结果如表３所示。对比实验１、２可知，在６００ｍ３／ｈ的实验风量下，使用Ａ２尘作为容尘实验尘源时，旋风分离器的使用能够大幅降低高效过滤器的容尘量，并显著改善管道落灰现象。但该发尘方法存在发尘量明显增大的问题，且由于旋风分离器的加入增加了管路阻力，部分尘未被喂尘器吸