1 引言
目前袋式除尘器常用滤料的检测参数主要包括滤料的透气性、清洁状态下总效率及阻力，这些参数仍无法满足对工程运行指导的要求。近年来，袋式除尘器较突出的矛盾是清灰，该技术决定了滤料性能的周期性变化。从过滤性能上来看，对一定浓度入口含尘气量，粉尘厚度越大效率越高，其薄弱环节在于清灰之后，尤其对于分级效率存在最不利工况，滤料性能差异较大。本文利用测试滤料所得的压力损失、过滤效率、粉尘层的形成时间及厚度等参数，找出其内在变化规律用于指导工程应用。
2 研究对象及方法
2.1 实验仪器及方法
滤料性能测试装置[1]如图1，可进行洁净及发尘状态下的滤料过滤性能测试。环境空气由测试管道入口进入管道，经过被测滤料，流量计，由吸气泵抽吸排除。
1－发尘器；2、3－Grimm便携式尘粒监测仪[2]；4—被测滤料；5—数字式微压计；
6－转子流量计；7－无油真空泵
图1 滤料发尘阻力测试装置
2.2 测试参数
2.2.1过滤速度
过滤风速ν是指过滤材料面积上通过气流的速度，m/s。但是常用的滤袋的过滤速度一般用m/min计算。
(1)
式中：Q—经过测试过滤器的风量，m3/h；f —过滤器的有效过滤面积，m2。
2.2.2分级过滤效率ηi
分级过滤效率ηi是指过滤器从空气流中除去的某个粒径的颗粒个数，除以进入此过滤器的该粒径的颗粒总数，所得商即为捕集效率，通过联立粒度分布，进而求出过滤材料分级效率。
(2)
式中： ηi—PM x的分级计数效率（％）；N1i—上风侧某粒径段计数浓度的平均值(粒/L)；N2i—下风侧某粒径段计数浓度的平均值(粒/L)。
2.2.3过滤阻力
过滤阻力是指被测滤料前后的全压差,假设测试管道气流流速均匀,且无漏气,由于过滤速度较低，动压较小，可将过滤阻力近似看作滤料前后的静压差。
2.2.4粉尘层厚度
测试发尘采用1500目滑石粉，真密度为2.75g/ml。测量粉尘质量仪器为德国赛多利斯生产的BS224型电子天平，可直接读出 0.0001～220g以内的重量。
使用滤纸称取粉尘与试纸的总质量m1，在烧杯中均匀缓慢倒入一定体积量的滑石粉V，使其处于自然堆积状态，倒完后称取试纸的质量为m2，根据公式（3）,得出滑石粉的容积密度，多次测试得平均容积密度为0.60g/ml。
(3)
式中：m1—粉尘与试纸的总质量，g ；m2—试纸质量, g；V—滑石粉体积，ml。
在稳态过滤条件下，粉尘沉积层厚度是时间的函数，在一段时间t内，滤料表面粉尘沉积质量表示为，
(4)
式中：m —粉尘质量浓度，kg；C－烟气粉尘浓度,g/m3；f—过滤器的过滤有效面积，m2；ν—过滤速度，m/min；t－时间，s；ρν—粉尘的容积密度，kg /m3；δ－过滤介质厚度，m。
2.3 测试对象
常用袋式除尘器滤料按过滤方式可分为：表面过滤、表层过滤和深层过滤三种。覆膜滤料属于表面过滤，梯度纤维复合滤料属于表层过滤[3]，普通针刺毡滤料多为深层过滤材料。选取具有代表性的滤料进行测试：梯度纤维复合滤料(A)、普通针刺毡(B)、覆膜滤料（C）。
2.4 数据处理方法
回归分析[4]是一种数学分析方法，根据已获得的观测值采用拟合方法得到相关曲线（采用最小二乘法），以获得一些有意义的结论，并可以根据给定的自变量得出相应的预报值（拟合值或回归值）。
回归分析得出的曲线的估计精度问题反应了拟合曲线满意程度。通过相关数学分析，可以将反应估计精度问题的数学表达式表达为：
校正平方和＝回归平方和+残差平方和
将实际观测值关于其均值的方差（即校正平方和）分解为两部分，前一部分是由回归线引起的，后一部分是由于实际观测值没有落在回归线上引起的（否则残差平方和为零）。由此找到了一种判别回归线拟合程度好坏的方法。如果R2=回归SS/校正SS接近于1，则将感到满意。
3 测试结果及回归分析
3.1 清洁滤料回归分析
环境参数为：标准大气压，温度为18℃，相对湿度为68％，空气密度为1.21kg/m3。清洁状态下改变气流速度得到各滤料的气流速度与压力损失的关系，见图2。
图2 清洁状态下，过滤速度与压力损失的关系
线性回归分析得出的拟合直线为：
模型参数a、b及反应回归拟合程度好坏的 R2 见表1，表2。
表1 不同滤料线型回归的模型参数
|
滤料名称拟合系数 |
A |
B |
C |
|
a |
-3.00 |
-0.58 |
-2.43 |
|
b |
27.32 |
12.8 |
32.93 |
表2 拟合曲线的R2
|
滤料 |
残差SS |
回归SS |
校正SS |
|
|
A |
10.958 |
2996.725 |
3007.684 |
0.996 |
|
B |
1.978 |
657.818 |
660.000 |
0.997 |
|
C |
9.342 |
4353.805 |
4363.875 |
0.998 |
从表2中可以看出，回归分析得到在清洁状态下，各滤料的过滤速度与阻力呈线型关系，由拟合曲线的R2表明对直线拟合感到满意。
3.2 发尘状态下滤料的回归分析
为简化模型，作以下假设：
1.管道径向过滤速度沿轴向均匀分布；
2.速度为1.5m/min下发尘是均匀的，两分钟一次，尘量为0.5g/min，时间与粉尘层厚度呈线型关系；
3.稳态过滤条件下，气流流速较低，粉尘层结构不发生变化，为完全自然堆积状态；
回归分析得到拟合曲线形式为：Y = A + B1X + B2X2。改变过滤风速，压力损失与时间及粉尘层厚度的关系分别见下图。
滤料A：
图3 压力损失与时间 图4 压力损失与厚度
表3 滤料A，二次拟合曲线模型参数
|
v（m/min） 拟合系数 |
0.80 |
1.00 |
1.20 |
1.50 |
1.80 |
2.00 |
2.50 |
3.00 |
|
A |
4.74 |
13.90 |
20.19 |
38.10 |
36.83 |
40.07 |
50.88 |
59.38 |
|
B1 |
40.30 |
45.36 |
52.89 |
50.29 |
73.77 |
83.16 |
98.63 |
118.36 |
|
B2 |
-0.28 |
0.49 |
0.97 |
2.65 |
1.93 |
2.28 |
2.99 |
3.51 |
滤料B：
滤料C：
表5 滤料C，二次拟合曲线模型参数
v（m/min） 拟合系数 0.80 1.00 1.20 1.50 1.80 2.00 2.50 3.00 A 6.07 6.79 7.93 5.18 7.96 7.64 10.68 14.50 B1 1.99 2.71 4.88 12.38 11.23 13.70 15.32 16.77 B2 1.78 2.26 2.71 2.62 3.65 3.99 5.17 6.51
表6 不同过滤速度下，不同滤料拟合曲线的R2值
|
v（m/min） 滤料名称 |
0.80 |
1.0 |
1.2 |
1.5 |
1.8 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
|
A |
0.912 |
0.941 |
0.959 |
0.985 |
0.978 |
0.976 |
0.977 |
0.975 |
|
B |
0.997 |
0.996 |
0.997 |
0.992 |
0.996 |
0.942 |
0.995 |
0.995 |
|
C |
1.000 |
0.999 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
0.999 |
0.999 |
表6得到在发尘状态下，各滤料在不同过滤速度下，阻力损失与过滤时间及粉尘厚度的关系呈二次曲线。由拟合曲线的R2可知，对该回归分析得到的拟合曲线感到满意。
4 综合分析
粉尘层越厚，布袋阻力越大，过滤速度越小，反之亦成立。实际运行中由于气流组织不均匀、袋间距的影响、滤袋各处清灰性能差异等因素导致过滤速度的波动性，因此通常意义下的过滤速度1m/min是指整个除尘器箱体风速的平均值。本文主要为了说明各相关因素之间的内在联系，因此以1m/min平均过滤风速为例来讨论。
4.1 滤料A
图9 清洁状态下分级效率 图10 速度为1.0m/min条件下的分级效率
滤料A的梯度结构具有良好的透气性和高捕集效率，在清洁状态下压力损失介于覆膜滤料和普通滤料之间（图2）；实验得到[5]梯度结构滤料具有接近覆膜滤料的效率和P84异形纤维滤料的阻力。随着粉尘面积密度增加、粉尘层增厚，对于颗粒物的捕集效率上升明显。该滤料在工程中得到了良好的应用，具有过滤效率高，运行阻力小，性能稳定，耐磨损，耐高温磨损腐蚀，使用寿命长等优点。
4.2 滤料B
图11 清洁状态下分级效率 图12 速度为1.0m/min条件下的分级效率
滤料的捕集机理中，一般认为惯性作用、拦截作用和扩散作用起主要作用，一般来说对粒径小于1微米粒子，扩散作用起主要作用；微粒大于1微米的粒子惯性和拦截作用占主导。图11中，深层滤料B在微粒粒径0.4μm～0.8μm的分级过滤效率出现最低点，主要是由于这个粒径段的粒子处在拦截作用的下限、扩散作用的上限，所以较难捕集，是该滤料的最不利工况点。在未形成粉尘层前，过滤效率很低仅为45%～65%，要达到较高的效率必须形成完整的粉尘层后才能实现，而此时的过滤阻力是清洁态时的几到几十倍。
4.3 滤料C
图13 清洁状态下分级效率 图14 速度为1.0m/min条件下的分级效率
清洁状态下覆膜滤料的阻力较高，随着粉尘层的加厚，阻力变化小而效率高，这主要因为覆膜滤料表面为微孔膜结构。对覆膜滤料及其基布的过滤效率测试表明[6]基布的效率很低，对粉尘过滤基本没有作用，因此覆膜滤料一旦膜破裂，滤料的效率会迅速下降。因此对于覆膜滤料，覆膜技术是关键，覆膜质量和膜的寿命是滤料的关键问题。
梯度滤料A和覆膜滤料C随过滤时间的增加，粉尘层的增厚，阻力上升速率较慢，普通滤料B在阻力上升的同时过滤效率迅速上升，原因是粉尘层起到了过滤介质的作用，但阻力上升明显，与覆膜、梯度滤料相当甚至超过覆膜、梯度滤料。
5 应用分析
一般滤料测试得到的是冷态性能参数，与工程应用是存在差异的，用于指导实际工程需要将冷态性能参数修正为热态，即根据温度不同转换清灰压力设定值。
假设工况条件为标准大气压，温度140℃，粉尘浓度为46.97g/m3，一般滤袋两侧设计阻力为900～1200Pa；测试条件为标准大气压，温度18℃。冷、热态转化后，压力修正值为1277～1703Pa, 浓度值为 66.66g/m3。
目前工程中清灰周期多由经验确定，即先根据花板两侧的压力损失设置为定压清灰，达到稳定运行后再设置为定时清灰。该经验值的弊端在于一旦煤粉成分，粉尘浓度发生改变，清灰周期必须重新确定。本文通过对不同滤料的性能测试得到阻力与过滤时间的变化关系，在实际应用中结合清灰压力设定值及清灰后的残余阻力、影响因素的修正可确定布袋的清灰周期。
测试得出的曲线以粉尘层形成的最不利工况即粉尘为完全自然堆积状态为前提，在实际工程应用中，粉尘层形成的影响因素众多，除了滤料结构决定的过滤方式不同，还有进口风量、粉尘浓度、气流组织、袋间距、清灰技术等，可通过分析影响因素确定负荷系数来进一步修正清灰周期。
6 结论
综上分析得到：根据已知入口粉尘浓度，结合回归分析可对工程采用的滤袋进行测试，得到烟尘过滤时间与阻力关系，结合工程应用条件即可确定清灰周期。选择滤袋时，应选择压力损失小、过滤效率高、粉尘剥落性好、清灰周期长的滤料，一般更趋于选择表面过滤和表层过滤方式的滤料，综合考虑滤料优劣、性价比及其使用寿命等问题，选用梯度滤料更优。
图7 压力损失与时间 图8 压力损失与厚度
图5 压力损失与时间 图6 压力损失与厚度
表4 滤料B，二次拟合曲线模型参数
|
v（m/min） 拟合系数 |
0.80 |
1.00 |
1.20 |
1.50 |
1.80 |
2.00 |
2.50 |
3.00 |
|
A |
16.70 |
12.70 |
7.40 |
1.40 |
-7.00 |
4.90 |
-5.50 |
-15.40 |
|
B1 |
4.18 |
9.73 |
16.16 |
23.44 |
32.25 |
30.45 |
42.31 |
55.72 |
|
B2 |
2.75 |
3.09 |
3.79 |
4.60 |
5.20 |
6.22 |
7.30 |
8.37 |
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