各国袋式除尘器用滤料性能测试方法的异同

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2019-05-26   环球过滤分离技术网   guolv6

作者：王智超1，2、李剑东1、徐昭炜1

（1. 中国建筑科学研究院 北京 100013；
2. 清华大学热能工程系 北京 100013）

0 引言

随着国家对大气环境保护的重视，环保排放标准日益严格。《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003) 规定：自2004 年1月1日起，通过建设项目环境影响报告书审批的新建、扩建、改建火电厂建设项目，其燃煤锅炉或燃油锅炉最高允许排放烟尘质量浓度为50mg/m3 ；《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2001)规定焚烧炉烟尘排放限值为80mg/m3。环保要求的提高使得原有的电除尘器处理排放废气质量浓度达不到要求，而袋式除尘器高达99.99%的除尘效率以及对电除尘器不易捕集的高比电阻尘粒亦很有效，已经能使排尘质量浓度低于10mg/m3，有的甚至低于2mg/m3[1]，这些特点使得其在工业除尘领域的应用越来越广泛。截止到2009年底，袋式除尘器的使用比例占整个除尘设备使用数量的60%以上，袋式除尘器行业的总产值也由2002年的21.6亿元上升到了2009年的119.8亿元[ 2-3] 。

滤料作为袋式除尘器的核心元件，其质量的好坏对于排放粉尘浓度、滤袋运行阻力和寿命、以及袋式除尘器的维护费用都至关重要。因此，采取适宜的技术手段检测滤料的性能优劣，对于规范和促进滤料产业以及袋式除尘器产业的发展非常重要。过滤效率和阻力是滤料最为关注的两项指标，各国都有相应的标准和检测方法来进行检测评估，本文对各国袋式除尘器用滤料性能测试方法作详细的介绍与分析。


1 滤料检测实验装置

目前，国际上袋式除尘器用滤料性能测试标准主要有德国VDI/ DIN3926、美国ASTM D 6830-02、日本JIS Z 8909-1和中国《袋式除尘器技术要求》[2-6]，对应的检测装置如图1(a)～(d)所示。从图中可看出，各检测装置构造上很相似，均由竖向管道和横向管道组成，受试滤料被安装在横向管道中检测。各国(日本除外)实验装置下端还有一抽气管道，以引导粉尘向下运动，从而更好地通过受试滤料；就组成部件而言，各实验装置均由发尘器、滤料固定装置、差压传感器、脉冲清灰装置、末端过滤器和抽气泵组成。各装置检测原理也相似：发尘器发生一定浓度和粒径分布的人工尘，粉尘进入横向管道并经过受试滤料，差压传感器实时检测受试滤料前后压差变化，当压差达到一定值时，差压传感器控制脉冲清灰装置进行反吹清灰，清灰后滤料又重新滤尘。


图1 各国标准中关于袋式除尘器用滤料性能测试实验装置

尽管各国实验装置有很多相似处，但在检测流程上则存在区别。德国 、日本和中国标准中测试流程基本相同：首先进行30次正常滤尘清灰（即受试滤料压降达到1000Pa时才反吹清灰)，测试和计算滤料的初始除尘效率、出口粉尘浓度及剩余压降，接着连续进行5000～10000次脉冲清灰（时间间隔5s)，然后再进行10次正常滤尘清灰恢复期，最后再进行30次正常滤尘清灰，作为滤料正式性能测试的结果。而美国标准包括3个步骤：持续喂粉状况下，首先进行10000次时间间隔为3s的脉冲清灰，期间滤料性能参数不作测量，然后是恢复阶段，进行30次正常滤尘清灰，期间也不做任何测量，最后再进行2h（对于出口总颗粒物浓度测试）或 6h（对于出口PM2. 5浓度测试）的正式测试，并测试出口粉尘浓度、初始剩余压降、平均剩余压降、剩余压降增量和平均过滤周期等参数 。美国标准检测实验流程与其他三国流程存在的差异主要有：老化处理期与恢复期的顺序发生了变化，且美国标准中没有规定初始性能测试期；美国标准前两个阶段不需要记录任何数据，主要测试数据由第三阶段正式测试获得，而其他国家标准中则规定每个阶段都需要记录相关数据；美国标准中测试参数与其他各国标准也存在差异。


2 分析与讨论

2.1 尘源问题

检测用尘源的各种物理化学特性（如粉尘浓度、粒径分布、化学成分、黏度和密度等）对滤料性能检测结果有较大影响。W.Peukert[7] 用fumed silica和quartz两种尘源对同一种无纺布滤料进行实验，尽管fumed silica浓度远低于quartz（1:25），但其作用下无纺布滤料的压降却比quartz作用下的压降高了约1个数量级，同时也得出尘源对滤料出口粉尘浓度以及除尘效率都有影响。而各国标准在检测用尘源方面存在较大差异。如表1所示，德国和日本所用粉尘质量中值粒径较接近，而美国尘源中值粒径很小（1.5μm）,中国只给出了尘源粒径分布范围<4μm的颗粒物质量分数占了50%；化学组分方面，德国、美国和中国均使用Al2O3粉，而日本使用的是煤灰粉，主要化学成分为SiO2；德国、日本和中国检测时粉尘质量浓度均为5g/m3，而美国标准中规定的发尘质量浓度为18.4g/m3，远大于其他国标准。总的来说，各国使用的尘源都以细颗粒为主，这样能保证有足够多的粉尘均匀稳定地扩散到受试滤料处，同时，细颗粒物能更深入滤料内部，使滤料阻力快速上升，从而减少实验所需时间。尘源化学成分则以Al2O3为主。尘源的类型、粒径分布、化学组分和发尘浓度会对受试滤料的过滤效率、阻力、过滤周期以及出口粉尘浓度大小有影响，从而导致对滤料性能的评估存在偏差，因此选择合适的尘源对准确评价滤料性能非常重要。此外，实际工业排放的粉尘与各国采用的尘源也存在较大差别。表2为本研究对收集到的5个电厂排放粉尘作粒度分析和化学成分分析得到的结果，可知各电厂排放粉尘的质量中值粒径在61.0～113.6μm之间，远大于各国标准中的规定；各电厂排放粉尘的化学成分以SiO2为主，平均质量分数为54%，其次为Al2O3，约占25%，Fe2O3和MgO占的比例较小，与日本标准中所规定的煤灰粉成分较接近，但与德国、美国和目前中国标准中所用的尘源成分存在较大区别。所以，用标准中尘源在实验室测试获得袋式除尘器用滤料的性能，与应用场合排放尘源条件下袋式除尘器用滤料的实际性能会存在差别，因此，有必要研究模拟各种工业排放条件下的粉尘尘源来对滤料性能进行测试，得到的结果将更符合实际情况，也使滤料的选型更加科学。

表1 各国标准关于除尘滤料性能测试实验台用尘源的规定


表2 电厂排放粉尘粒度分析与化学成分分析结果




2.2 测试环境条件

目前袋式除尘器已广泛用于火电厂、垃圾焚烧厂、钢铁厂、采暖供热的燃煤锅炉及其他工业燃煤锅炉的除尘，这些行业所产生废气的一个显著特点是温度非常高（100～200℃）。而各国标准中对滤料性能测试环境没有太多要求，一般在常温常湿条件下即可。但很多袋式除尘器用滤料是在100～200℃高温条件下使用的，常温常湿条件下检测得到的滤料性能与高温环境中的实际性能又存在较大差别，因此模拟高温条件下除尘滤料的性能测试也更有意义。而目前大部分检测台都是基于常温的，若在高温条件测试，那么实验台的许多部件，包括差压传感器、流量计和抽气泵等都得采取耐高温的措施或者更换成耐高温的装置，这将对整套实验装置提出更高的要求 。

2. 3 测试性能参数

以美国和中国标准中测试的滤料性能参数作对比。中国标准中测试的主要参数有阻力（初始残余阻力、老 化后残余阻力和动态阻力）、效率（初始滤尘效率、老化后滤尘效率和动态滤尘效率）和剥离率，而美国标准中测试的参数主要有：出口总粉尘浓度、出口PM2.5浓度、初始剩余压降、平均剩余压降、剩余压降增量、平 均过滤周期。可见阻力（或压降）、效率（或出口粉尘浓度）是滤料最重要的2个性能指标参数，但美国标准同中国标准相比有一些显著的不同：首先是不再提过滤效率的测试，而仅测试出口粉尘浓度，这是因为在固定的发尘浓度下，出口粉尘浓度的大小即可以反映除尘效率的高低，且目前各种排放标准规定的都是粉尘浓度值，因此测试滤料出口粉尘浓度能更直观地表述滤料的性能；其次是增加了更细小颗粒物PM2.5出口浓度的测试，PM2.5由于粒径小，更容易进入人体的呼吸系统对人体产生更严重的危害，已经越来越引起国家环保部门和卫生部门的关注，因此增加该项是非常必要的；第三，增加过滤周期的测试，过滤周期反映了过滤器的寿命，与清灰次数有关，清灰越频繁，滤料的清灰变形次数就会越多，过滤器寿命就会越短。因此，选择合理的性能参数进行测试能够更加科学地评价滤料的性能。


3 结语

除尘滤料的性能关系到袋式除尘器对工业废气的处理是否能达到环保的要求，也关系到整套除尘系统能耗的大小，因此如何科学合理地检测和评价袋式除尘器用滤料的性能至关重要。德国、美国、日本和中国都提出了各自关于袋式除尘器用滤料检测的实验方法和实验装置，通过将各国方法和装置综合比较分析，对各国在滤料检测系统形式和尘源等方面的异同进行了讨论。尘源、检测环境以及检测参数对于滤料性能评价都非常重要，针对不同的应用场所制定对应的检测方法值得考虑。通过本文的讨论，以期能促进袋式除尘器用滤料性能测试方法的改进，进而更加规范和提高滤料的质量。


参考文献

[1] 蔡纯志 . 袋式除尘技术的发展[J] . 水泥科技 , 2007 增刊 : 52- 54.

[2] VDI 3926 , Part 2 . Testing of Fi lter Media for Cleanable Filters under Operational Conditions[ S] . 2004 .

[3] ASTM D 6830-02 . Standard Test Method for Characterizing the Pressure Drop and Filtration Performance of Cleanable Filter Media[ S] . 2008 .

[4] 刘小峰 , 刘旸. 美国环保局对除尘器滤料性能认证的介绍[J] . 无机硅化合物 , 2008(2) : 50 - 54 .

[5] JIS Z 8909-1（日本），集尘用滤布性能试验方法-第1部分: 集尘性能[S] . 2005 .

[6] GB/ T 6719 — 2009, 袋式除尘器技术要求[S] . 北京 : 中国标准出版社 , 2009 .

[7] Wolfgang Peukert. High temperature fi lt ration in the process industry[ J] .Filtrat ion & Separation, 1998, 35(5) : 461 - 464 .


作者简介 王智超 , 男 , 1972 年生 , 硕士 , 中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院副研究员 。

（收稿日期：2011-02-21）


说明：

1、《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2003）已经被GB13223-2011替代，自2012年1月1日起实施。

《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2001）已经被GB18485-2014替代，自2014年7月1日起实施。

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