高效過濾器容塵性能試驗用人工塵與發(fā)塵方法探討

1、引言

近年來，各類工業(yè)建筑尤其是潔凈室的綜合運(yùn)行能耗評價需求迅猛增長［１］。高效過濾器作為其中的重要能耗部件之一，其容塵性能決定了使用壽命和能耗，是評價高效過濾器產(chǎn)品性能的重要參數(shù)之一。然而，在現(xiàn)有的高效過濾器評價標(biāo)準(zhǔn)體系中，高效過濾器的容塵性能試驗方法尚不明確、不成熟。目前，ＥＮ７７９：２０１２［２］與ＩＳＯ１６８９０－３：２０１６［３］規(guī)定的一般通風(fēng)用過濾器的容塵性能試驗方法在全球范圍內(nèi)獲得了廣泛認(rèn)可，但其采用的人工塵源（ＡＳＨＲＡＥ塵、Ａ２塵）僅適用于一般通風(fēng)用空氣過濾器，與高效過濾器實際使用中面對的塵源相比平均粒徑較大，并不適用于高效過濾器容塵性能試驗。多位學(xué)者曾采用平均粒徑較小的ＫＣｌ氣溶膠作為高效過濾材料容塵實驗塵源［４-８］，這種高效濾材的容塵實驗可在數(shù)小時內(nèi)完成。ＧＢ／Ｔ１３５５４—２０２０［９］標(biāo)準(zhǔn)附錄也建議采用ＫＣｌ氣溶膠作為高效過濾器容塵性能試驗的塵源，然而，高效過濾器的濾材面積遠(yuǎn)大于高效濾材容塵實驗中僅約１００ｃｍ２的過濾面積，由于ＫＣｌ氣溶膠發(fā)生器受限于發(fā)生原理，其發(fā)塵濃度遠(yuǎn)低于采用喂塵器發(fā)生的人工塵，所以采用ＫＣｌ氣溶膠作為高效過濾器容塵性能試驗的塵源可能存在實驗時間過長的問題。為探究高效過濾器容塵性能試驗用人工塵與發(fā)塵方法，本文對ＫＣｌ氣溶膠及多種人工塵進(jìn)行粒徑分布測試，分別采用氣溶膠與人工塵對高效過濾器進(jìn)行容塵實驗，通過掃描電鏡照片觀察顆粒物沉積情況，分析高效過濾器采用不同人工塵的容塵阻力表現(xiàn)，探究適合用于高效過濾器容塵性能試驗的塵源與發(fā)塵方法，為高效過濾器容塵性能試驗方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供參考。Part2、實驗裝置本實驗采用的通風(fēng)用空氣過濾器性能試驗裝置（見圖１）依據(jù)Ｔ／ＣＲＡＡ４３０～４３２—２０１７［１０］及ＥＮ７７９：２０１２等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)搭建。該試驗臺主要由變頻風(fēng)機(jī)、噴嘴流量計（標(biāo)準(zhǔn)件）、混合式靜壓箱、人工發(fā)生裝置、溫濕度傳感器、壓力傳感器、粗效過濾器、高效過濾器及風(fēng)管管道等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成。圖１通風(fēng)用空氣過濾器性能試驗裝置其中氣溶膠發(fā)生裝置在本文中指如圖２所示的大顆粒ＫＣｌ氣溶膠發(fā)生裝置，在該裝置中，ＫＣｌ溶液經(jīng)霧化噴頭發(fā)生大顆粒ＫＣｌ氣溶膠，氣溶膠與加熱至１００℃的潔凈壓縮空氣充分混合，進(jìn)入風(fēng)管系統(tǒng)。圖２大顆粒ＫＣｌ氣溶膠發(fā)生裝置人工塵發(fā)生裝置為由電動機(jī)、送料帶、混合管等結(jié)構(gòu)組成的人工塵喂塵器，用于向過濾器連續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)送人工塵。該喂塵器氣源為壓縮空氣，壓力范圍為０～５００ｋＰａ，送料帶電動機(jī)速度范圍為０～４ｍｍ／ｓ。為去除人工塵中較大粒徑顆粒、控制人工塵粒徑分布，喂塵器發(fā)出的人工塵在進(jìn)入混合室前采用圖３所示的旋風(fēng)分離器進(jìn)一步處理。該分離器借助離心力將人工塵中的大粒徑粒子從氣流中分離并捕集于器壁，再借助重力作用使塵粒落入灰斗。圖３旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸（單位：ｍｍ）粒子計數(shù)器為ＰａｌａｓＰｒｏｍｏ２０００氣溶膠粒徑譜儀，該粒徑譜儀基于激光散射原理測量氣溶膠粒徑分布，采樣流量為５Ｌ／ｍｉｎ，粒徑測量范圍為０．２～１０μｍ。因ＫＣｌ氣溶膠與人工塵采用不同的發(fā)生方法與發(fā)生裝置，且粒徑分布也存在較大差異，故分別設(shè)計氣溶膠容塵實驗與人工塵容塵實驗，單獨開展實驗研究并分析實驗結(jié)果。本文在粒徑分布實驗中，選取計數(shù)濃度、濃度百分比與質(zhì)量累積分布作為評價不同氣溶膠與人工塵的指標(biāo)，采用質(zhì)量累積分布百分比為５０％所對應(yīng)的粒徑大?。促|(zhì)量中值直徑）對比實驗塵源粒徑分布。Part3ＫＣｌ氣溶膠容塵實驗3.1容塵實驗方法實驗樣品選用效率等級為Ｈ１３的玻纖高效過濾器，尺寸為４９２ｍｍ×４９２ｍｍ×７０ｍｍ。實驗氣溶膠由大顆粒ＫＣｌ氣溶膠發(fā)生裝置采用２０℃的飽和ＫＣｌ溶液發(fā)生，在實驗風(fēng)量６００ｍ３／ｈ、面風(fēng)速約０．７５ｍ／ｓ的條件下，發(fā)生的ＫＣｌ氣溶膠粒徑分布如圖４所示，其質(zhì)量中值直徑約為１．８μｍ。記錄實驗中高效過濾器阻力隨容塵時間的變化。圖４ＫＣｌ氣溶膠計數(shù)分布、質(zhì)量累積與離散分布3.2結(jié)果與分析過濾器阻力增長曲線如圖５所示，容塵開始至結(jié)束共計３２．１ｈ，其中發(fā)塵時長２１．８ｈ，夜間停止發(fā)塵１０．３ｈ。Ｈ１３玻纖高效過濾器阻力由１６３Ｐａ增至１９５Ｐａ，其阻力在前８．３ｈ內(nèi)的平均增速約為１．３３Ｐａ／ｈ，而在后１３．５ｈ內(nèi)平均增速約為１．８５Ｐａ／ｈ，過濾器總?cè)輭m量為２８．５ｇ。圖５過濾器阻力增長曲線圖６展示了該過濾器濾紙在容塵終止時的掃描電鏡照片。圖６ａ為將玻纖濾料上、下２層剝離后拍攝的中間層表面照片，能夠清晰地觀察到濾料纖維及少量沉積的ＫＣｌ顆粒；而在圖６ｂ顯示的濾料迎風(fēng)面表面照片中，大量ＫＣｌ顆粒沉積于濾料表層的纖維上，顯著增加了濾料表層的填充率。圖６過濾器樣品在容塵終止時不同濾料層的掃描電鏡照片在上述實驗中，經(jīng)過長達(dá)２１．８ｈ的發(fā)塵，過濾器僅容塵２８．５ｇ。盡管ＫＣｌ氣溶膠具有較小的質(zhì)量中值直徑，相同容塵質(zhì)量顆粒數(shù)較多，也更容易沉積于濾料內(nèi)部導(dǎo)致阻力增長較快。但由于ＫＣｌ氣溶膠的發(fā)生濃度極低，導(dǎo)致高效過濾器阻力增長非常緩慢，若以通用的將２～３倍初阻力作為高效過濾器容塵終阻力，容塵實驗難以在實驗室能夠接受的時長內(nèi)完成。若將本實驗中尺寸為４９２ｍｍ×４９２ｍｍ的受試過濾器更換為同濾材的尺寸為６１０ｍｍ×６１０ｍｍ的高效過濾器，在相同的容塵量下，過濾器的阻力變化會更加不明顯，容塵實驗時長將進(jìn)一步增加。此外，本實驗過程中存在ＫＣｌ氣溶膠對實驗氣流濕度變化敏感導(dǎo)致已容塵過濾器阻力降低的現(xiàn)象，此前多位學(xué)者在進(jìn)行濾料與過濾器容塵實驗中均關(guān)注過這一問題［１１-１３］?；谏鲜銮闆r，采用常規(guī)氣溶膠發(fā)生器發(fā)生ＫＣｌ氣溶膠的方法不適用于高效過濾器容塵性能試驗。需考慮采用人工塵作為高效過濾器容塵性能試驗的塵源。Part4、人工塵容塵實驗人工塵廣泛應(yīng)用于一般通風(fēng)用過濾器的容塵性能試驗，采用人工塵模擬大氣塵，能夠消除由于大氣塵的多樣性和多變性造成的測試結(jié)果差異。ＩＳＯ１２１０３－１：２０１６規(guī)定了采用亞利桑那沙漠沙粒制造的４個等級的試驗粉塵（ＩＳＯＡ１～Ａ４道路塵），均由機(jī)動車行駛環(huán)境中存在的化合物組成［１４］。ＩＳＯ１６８９０－３：２０１６和ＥＮ７７９：２０１２分別規(guī)定采用Ａ２道路塵和ＡＳＨＲＡＥ塵作為一般通風(fēng)用過濾器的容塵性能試驗的塵源，Ａ２塵的化學(xué)成分如表１所示，而ＡＳＨＲＡＥ塵則由７２％（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的Ａ２塵、２３％的炭黑與５％的棉絨組成。表１Ａ２塵化學(xué)成分ＡＳＨＲＡＥ塵組分中因存在平均粒徑較大的棉絨，與高效過濾器實際使用情況并不相符，故不適合用于高效過濾器容塵性能試驗。為探究適合高效過濾器容塵性能試驗的人工塵源，選用Ａ２塵、１２５０目ＣａＣＯ３、ＳｉＯ２ＡＲ（分析純）、亞微米ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３ＡＲ（分析純）、０．０５ＣＲＡｌ２Ｏ３、氣相法白炭黑等粉塵作為受試塵源。上述粉塵多為Ａ２道路塵中單一組分物質(zhì)或相近物質(zhì)，對大氣塵中的對應(yīng)組分有一定程度的模擬作用，涵蓋不同粒徑范圍，生產(chǎn)加工工藝成熟，價格低，易獲取。為了既能保證人工塵主要組分不變，又能使人工塵整體保持較小粒徑，采用旋風(fēng)分離器串聯(lián)喂塵器的發(fā)塵方法去除含塵氣流中的較大粒子。實驗對受試塵源依次進(jìn)行發(fā)塵，測試其在使用與不使用旋風(fēng)分離器情況下的粒徑分布特性。并選用合適的人工塵與發(fā)塵方法，進(jìn)一步探究其對高效過濾器容塵性能的影響。4.1旋風(fēng)分離器進(jìn)氣壓力與喂塵速率對人工塵粒徑分布的影響旋風(fēng)分離器的性能表現(xiàn)直接影響所發(fā)人工塵的粒徑分布。在結(jié)構(gòu)尺寸、粉塵物性確定的情況下，影響旋風(fēng)分離器性能表現(xiàn)的主要因素為進(jìn)口氣流速度與氣體含塵濃度，前者由喂塵器進(jìn)氣壓力決定，而后者由喂塵速率決定。因此設(shè)計多種喂塵器進(jìn)氣壓力與喂塵速率組合，測量氣相法白炭黑粉末在不同發(fā)塵條件下的質(zhì)量累積粒徑分布，實驗在６００ｍ３／ｈ風(fēng)量下進(jìn)行，結(jié)果如圖７所示?？梢娫诓皇褂眯L(fēng)分離器的情況下，進(jìn)氣壓力與喂塵速率對受試塵的質(zhì)量累積分布特性沒有顯著影響，而在相同的進(jìn)氣壓力與喂塵速率下，旋風(fēng)分離器的使用能夠顯著降低受試塵的質(zhì)量中值直徑。在所有的實驗組合中，采用喂塵器串聯(lián)旋風(fēng)分離器的發(fā)塵方式在進(jìn)氣壓力０．５ＭＰａ、喂塵速率４．５ｇ／ｍｉｎ的條件下能夠獲得最小的質(zhì)量中值直徑（約為２．１３μｍ）。這說明，在本實驗設(shè)備調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，適當(dāng)提高進(jìn)氣壓力與喂塵速率，能夠提高旋風(fēng)分離器的性能表現(xiàn)，得到整體粒徑分布更小的粒子。圖７不同進(jìn)氣壓力與喂塵速率條件下氣相法白炭黑的質(zhì)量累積分布情況4.2人工塵粒徑分布特性在６００ｍ３／ｈ風(fēng)量、０．５ＭＰａ進(jìn)氣壓力下，采用喂塵器與喂塵器串聯(lián)旋風(fēng)分離器２種方法發(fā)生多種粉塵。實驗主要用于檢驗旋風(fēng)分離器性能并定性對比不同塵源的粒徑分布特性，故僅在正常發(fā)塵操作的情況下測試粒徑分布，并不嚴(yán)格控制使用與不使用旋風(fēng)分離器時的發(fā)塵質(zhì)量或發(fā)塵濃度相同。實驗結(jié)果如圖８所示。圖８人工塵發(fā)塵濃度、濃度百分比與質(zhì)量累積分布情況由圖８可以觀察到：第一，旋風(fēng)分離器的使用會不同程度地降低各粒徑擋的粒子濃度；第二，所有受試人工塵發(fā)塵濃度均遠(yuǎn)高于ＫＣｌ氣溶膠計數(shù)濃度，Ａ２塵、氣相法白炭黑的整體發(fā)塵濃度較高，但它們的濃度能否滿足容塵實驗的時長要求仍需進(jìn)一步實驗驗證；第三，受試塵源中，Ａｌ２Ｏ３ＡＲ、亞微米ＳｉＯ２、氣相法白炭黑的高濃度粒徑擋較小且較集中，大部分集中在小于１μｍ的范圍內(nèi)；第四，旋風(fēng)分離器能夠明顯降低受試塵源的質(zhì)量中值直徑，氣相法白炭黑在使用分離器的條件下，質(zhì)量中值直徑約為２．１３μｍ，能夠反映受試塵的整體粒子處于較小水平。在上述粉塵中，Ａ２塵與氣相法白炭黑在粒徑特性上各具一定代表性，在３．３節(jié)中將進(jìn)一步研究這２種粉塵作為高效過濾器容塵性能試驗用塵源的可行性。圖９顯示了在使用分離器與不使用分離器的情況下，Ａ２塵與氣相法白炭黑發(fā)塵濃度各自的比值?？芍S粒徑的增大，旋風(fēng)分離器對粒子的去除效果逐漸增強(qiáng)，但由于粉塵堆積密度、團(tuán)聚能力等物理性質(zhì)的差異，分離器對不同塵源的去除效果有所不同。圖９發(fā)塵濃度比值（在０．５μｍ處歸一化處理）4.3容塵實驗方法采用Ａ２塵和氣相法白炭黑進(jìn)行了如表２所示的３組容塵實驗。為便于實驗方法推廣，實驗步驟與后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程借鑒現(xiàn)行國際主流標(biāo)準(zhǔn)ＥＮ７７９：２０１２。實驗步驟如下：表２容塵實驗設(shè)計１）稱量受試過濾器及旋風(fēng)分離器灰斗在清潔狀態(tài)下的質(zhì)量，以及末端過濾器的初始質(zhì)量。２）稱量一定質(zhì)量粉塵，置于喂塵器傳送帶上，使其均勻通過喂塵器與旋風(fēng)分離器，以設(shè)定的發(fā)塵濃度進(jìn)入送風(fēng)管道。停止喂塵前，將傳送帶上的殘余負(fù)荷塵掃至汲塵口，振動或敲打喂塵管道３０ｓ。３）發(fā)塵結(jié)束后，保持系統(tǒng)風(fēng)量不變，待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄過濾器阻力，拆卸分離器灰斗并稱重，求得單次灰斗增重。重新安裝灰斗。４）重復(fù)上述步驟直至過濾器達(dá)到終阻力時，停止發(fā)生負(fù)荷塵，稱量受試過濾器及末端過濾器終質(zhì)量。５）對試驗風(fēng)管進(jìn)行掃灰，收集沉積于風(fēng)道中的實驗粉塵，稱量其質(zhì)量，實驗完畢。６）對過濾器每一發(fā)塵階段的容塵量按式（１）進(jìn)行修正，繪制阻力累計容塵量變化曲線。式中Δｍｉ為修正單次容塵量，ｇ；Ｍｉ為單次發(fā)塵量，ｇ；ｍｉ為單次灰斗增重，ｇ；Δｍ為受試過濾器增重，ｇ；Ｍ為總發(fā)塵質(zhì)量，ｇ，Ｍ＝ΣＭｉ；ｍ為總灰斗增重，ｇ，ｍ＝Σｍｉ。4.4旋風(fēng)分離器的使用與人工塵種類對高效過濾器容塵性能的影響高效過濾器的阻力會隨容塵量動態(tài)增長。Ｔｈｏｍａｓ等人提出高效過濾器的容塵過程可分為深層過濾、過渡和表面過濾３個階段［１５］。其中，深層過濾階段的阻力增長比較緩慢，而表面過濾階段的阻力則會呈線性快速增長。為了更形象地反映高效過濾器在整個容塵過程中每一時刻的阻力隨容塵量的增長速度，判斷過濾器所處容塵階段，引入阻力增長系數(shù)ｋ２［４］。本文采用阻力增長曲線中兩點間連線的斜率代表該區(qū)間的ｋ２。圖１０顯示了實驗１～３的阻力與ｋ２隨容塵量變化情況。在實驗１中，過濾器阻力在達(dá)到終阻力前，阻力隨容塵量始終呈線性增長，阻力增長系數(shù)ｋ２始終在一定范圍內(nèi)維持不變。在實驗２中，阻力隨容塵量的增長速度起初緩慢增長，而后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，ｋ２值整體高于實驗１。在實驗３中，阻力增長速度同樣呈現(xiàn)先逐漸增長隨后穩(wěn)定的情況，但ｋ２在實驗開始階段就高于前２組實驗，并且很快達(dá)到穩(wěn)定。ｋ２值在實驗過程中總體處于較高水平。圖１０不同塵源與發(fā)塵方法下的高效過濾器阻力增長曲線圖11顯示了３組實驗在達(dá)到終阻力時，過濾器樣品不同濾料層的掃描電鏡照片?？梢娫趯嶒灒苯Y(jié)束時，大量大粒徑的Ａ２塵顆粒堵塞于迎風(fēng)面表面，且部分顆粒粒徑大于１０μｍ，幾乎將表面的玻璃纖維完全覆蓋，而濾料內(nèi)部幾乎沒有顆粒物沉積。這說明Ａ２塵整體粒徑較大，絕大多數(shù)沉積于迎風(fēng)面表面，導(dǎo)致過濾器的阻力增長幾乎觀察不到深層過濾階段，而是在容塵初期迅速形成粉塵層，進(jìn)入表面過濾階段，故阻力增長系數(shù)ｋ２在一定范圍內(nèi)始終穩(wěn)定不變。實驗２呈現(xiàn)出與實驗１相似的情況，但迎風(fēng)面表面沉積的大顆粒占比明顯降低，中間層沉積顆粒物有所增加，可以反映旋風(fēng)分離器去除了含塵氣流中部分大粒徑粒子，使得更多較小粒子在迎風(fēng)面表面被堵塞前沉積于濾料內(nèi)部。在實驗３結(jié)束時，迎風(fēng)面表面玻璃纖維上沉積了大量細(xì)小的顆粒，形成枝狀纖維，所沉積的白炭黑顆粒明顯小于圖11ｃ中的Ａ２塵顆粒，結(jié)合阻力增長曲線可判斷此時過濾器已達(dá)到表面過濾階段。在圖11ｆ中，能夠觀察到細(xì)小顆粒在濾料內(nèi)部的沉積現(xiàn)象，該過程對應(yīng)容塵初期ｋ２不斷增大的區(qū)間。圖11過濾器樣品在容塵終止時不同濾料層的掃描電鏡照片（放大2000倍）上述３組實驗的阻力增長情況表明，人工塵粒徑對過濾器的阻力增長模式有重要影響。粒徑較小的顆粒物能夠在濾料內(nèi)部沉積，此時的阻力增長表現(xiàn)為深層過濾階段。而較大的顆粒物無法深入濾料內(nèi)部，只能在表面沉積，對應(yīng)阻力的表面過濾階段。實驗３中阻力增長系數(shù)ｋ２明顯大于另外２組實驗，原因在于氣相法白炭黑顆粒整體小于Ａ２塵顆粒，單位質(zhì)量的顆粒數(shù)更多，更容易分散沉積于濾料內(nèi)部，形成枝狀纖維。高效過濾器在實際使用中通常安裝于粗、中效過濾器下游。而經(jīng)過粗效（Ｇ３）＋中效（Ｆ７）過濾器過濾后的環(huán)境氣溶膠顆?；痉植荚谛∮冢宝蹋淼姆秶鷥?nèi)［８］。且在現(xiàn)有研究中，大量學(xué)者采用小于１μｍ的氣溶膠對高效濾料進(jìn)行容塵，阻力增長曲線均能觀察到深層過濾與表面過濾２個階段。結(jié)合圖８中濃度百分比分布情況、圖１０中阻力增長情況及圖１１ｅ中沉積顆粒物形態(tài)分析，在３組實驗中，采用氣相法白炭黑結(jié)合旋風(fēng)分離器的發(fā)塵方法更貼近高效過濾器實際使用情況。表３容塵實驗１～３結(jié)果匯總３組容塵實驗結(jié)果如表３所示。對比實驗１、２可知，在６００ｍ３／ｈ的實驗風(fēng)量下，使用Ａ２塵作為容塵實驗塵源時，旋風(fēng)分離器的使用能夠大幅降低高效過濾器的容塵量，并顯著改善管道落灰現(xiàn)象。但該發(fā)塵方法存在發(fā)塵量明顯增大的問題，且由于旋風(fēng)分離器的加入增加了管路阻力，部分塵未被喂塵器吸