除塵器的空氣過濾與凈化技術

與凈化處理粉塵顆粒物的各種除塵技術不同，空氣過濾技術是凈化處理送風系統中室外 空氣中懸浮顆粒的技術。所以采用空氣過濾技術的目的是為了滿足室內衛生標準1生產工藝 對空氣質量的要求以及潔凈間、無菌室等特殊要求。

第一節空氣過濾理論

過濾就是利用多孔體從氣體中除去分散粉塵顆粒的凈化過程。過濾時，由于慣性碰撞、 攔截、擴散以及靜電力、重力等作用，使懸浮于氣體中的粉塵顆粒沉積于多孔體表面或容納 于多孔體中。作為過濾器的多孔體材料，其結構是纖維狀的、多孔狀的，或者是這些結構的 組合體，統稱過濾材料。

含顆粒的流體以一定速度通過過濾材料時,其中的顆粒在其表面被捕集，并逐漸形成粉 塵層，其中少部分還可能嵌人濾料內部。此粉塵層也就成為新的過濾材料，從而提高了捕集 效率。但隨著粉塵層的加厚，過濾材料的透氣性逐漸降低，阻力相應增加。此時必須除去粉 塵層，或稱再生6過濾過程需定期地進行清灰再生，也可以定期更換被堵塞的濾料。

一、空氣過濾的特征

空氣過濾與袋式除塵技術都屬于過濾凈化技術的范疇，他們的工作原理有許多相同之 處，其區別在于：

①空氣過濾技術多用于通風及空調進氣系統中，凈化大氣中的粉塵顆粒，使進人室內 的空氣更為清潔干凈。利用空氣過濾不僅能捕集亞微米粒子，甚至能捕集有毒粒子及承擔某 些生產工藝過程中空氣的超細凈化。

②空氣過濾器的纖維組織常是金屬網格、無紡織物或特殊紙質濾材，可根據凈化的不 同要求使用不同的濾材，但其空隙率比袋式除塵所用濾料空隙率大得多。

③空氣過濾器的人口質量濃度一般低于5mg/ms，比袋式除塵器排出口的質量濃度低 得多?？諝膺^濾器的出口質量濃度有的可以低到以lffi3空氣幾個微粒計算，這是任何除塵 器都不能達到的。

④空氣過濾器的過濾速度較高，一般為0.1?2.5m/s，而袋式除塵器過濾速度很低， —般為0. 6?1. 6m/min，兩者相差10?60倍。

二、空氣過濾理論

在過濾技術中，濾材是用于捕集顆粒的捕集物，它是由許多單個的捕集體（或球形顆 粒）以一定方式排列組合而成的，在單個捕集體之間還存在有孔隙。一般的顆粒尺寸往往遠 小于這些孔隙，所以篩濾效應的作用是非常小的（濾材表面形成粉塵堆積的塵濾層篩分作用 除外），顆粒之所以能從氣體中被分離出來，主要是依靠慣性碰撞、直接攔截、擴散以及重 力沉降、靜電吸引等作用。這些都與非均一繞流捕集體時的運動情況有

1.孤立捕集體的捕集機理 當氣體夾帶顆粒流過單獨的捕集體（圓柱纖 維)時，有可能產生的捕集機理如圖7-1所示。當 待凈化的氣體繞過捕集體時，流線要偏析，并且 氣體中的顆粒因其大小不同產生不同的被捕集機 理：①其中較大顆粒由于慣性作用仍然向前作直 線運動，于是就脫離流線而撞到捕集體上，產生 “慣性碰撞”；②有些較小的顆粒則仍然跟隨流線 而運動，若顆粒半徑小于流線到捕集體表面的距 離，此種顆粒也會被捕下來，產生“直接攔截”；

③更細的微粒雖遠離捕集體，但在布朗擴散作用 下，也有可能會撞到捕集體上，產生“擴散效 應④若在外力作用卞，如重力、靜電力等，則 顆粒產生沉降作用，也可能會撞到捕集體分別稱為“重力沉降”、“靜電吸引”等效應： 由此可見，捕集機理是多種效應的綜合，其影響因素有流速、粒徑、溫度、外力場等，是十 分復雜的，它們的影響趨勢如圖7-2所示。一般在粒徑很小時，以擴散效應為主；粒徑大及 流速高時，慣性效應作用突出；攔截效應則介于其間；重力沉降在大粒徑、低流速下有較大 作用；化纖織物的靜電作用產生靜電效應。如果顆粒與捕集體間有溫度梯度，則有熱遷移效 應，但在空氣過濾器內這種作用很小。

2.復合捕集物的捕集效率

實際的過濾器內，捕集體是以一定方式組合成群體的。氣體繞流孤立捕集體的情況顯然 與繞流復合捕集物中單個捕集體的情況 有所不同，這樣復合捕集物中單個捕集 體的捕集效率就會與孤立捕集體的不同，

要做一定修正。當含有顆粒的氣體連續 不斷地碰撞許多個捕集體，這和一次碰 撞孤立捕集體也有所不同，可見過濾器 的過濾機理是很復雜的，所以實際工程 應用中往往要借助于實驗獲得一些數據 和經驗。

復合捕集物的捕集作用與孤立捕集 體的重大區別在于孤立捕集體不產生篩分作用，而復合捕集物則產生篩分作用。復合捕集鞠

甴孤立捕集體組合在一起，形成無數細小孔道，這些孔道可以有效阻留粒徑較大的微粒。粉 塵堆積產生架橋現象又會形成新的?和產生新的篩分作用，并進一步捕集更細小的塵粒， 隊而提高復合捕集體的除塵效果。

(9)過濾器的捕集效率

在研究捕集機理時都做了一定的假設：①粉塵顆粒到達捕集體表面時就被捕集；②已附 在捕集體表面的顆粒對以后的捕集過程沒有影響。實際的過濾過程要復雜得多，因為顆粒還

會有反彈，還會被氣流二次沖刷下來，造成返混而降低效率；但也因濾材上附有粉塵層而提 高捕集效率。

假設隨著粉塵層之增厚，每根纖維（捕集體）均勻地變粗，單個捕集體的效率&也會 發生變化。通過因式分解，得出過濾器的捕集效率隨時間？的變化為：

”-(卜一4-5々fe>] 的)

式中，7為捕集物的捕集效率；￡為空隙率；"為氣體的黏度；ps, 為氣體及顆粒的 密度;夂A為顆粒及纖維的直徑；7T為單體捕集體的捕集效率；4為過濾時間；Ci為入 口含塵質量濃度。

在時間間隔r內的平均效率為：

7av (:7-.2>

實際應用中空氣過濾器的效率都是通過試驗或現場實測取得的。為了使試驗有統一的標 準，國家對試驗粉塵、試驗裝置和試驗方法做了統一規定。

三、空氣過濾器的性能表示

空氣過濾器的性能通常用過濾效率、穿透率、過濾阻力、過濾速度和容塵量等參數

1.過濾效率

過濾效率定義為在額定風量下過濾器前后空氣含塵質量濃度之差與過濾器前空氣含塵質 量濃度之比的百分數。不同形式空氣過濾器的過濾效率變化范圍很大。因此檢查過濾效率往 往采用不同顆粒大小的試驗塵和檢測方法。對效率低的粗效過濾器，可采用人工塵或模擬大 氣中粉塵的大氣試驗塵，而對效率高的空氣過濾器，則采用平均塵粒粒徑為0. 3fzm的人工 試驗塵和相應的檢驗方法：如鈉焰法、油霧法、鄰苯二甲酸二辛酯法等。顯然，對同一種過 濾器，不同的試驗塵和檢測方法的結果是不同的，相互之間沒有可比性。因此，空氣過濾器 酐標明的過濾化效率是指對某種特定的試驗塵和檢測方法所測得的結果。這一點與袋式除塵 器的除塵效率是不同的?？諝膺^濾器的過濾效率常用下式表達：

X100M = fl :X 1M 涔 （7，3)

不同級別的過濾器串聯使用時，總過濾效率訓可按下式計算：

= (7-4)

f■‘ 式中,?…tf0刀虹濾效卑祐廉單tvAuv 乃為並猜蘿,気的含塵歐骨波度： fl. ???, !??為第一、第二直至”級過濾器的效率。

當含塵質量濃度以“mg/m3”計時，其效率稱為計重效率；以“粒/L”計時，稱為計 霞敗率；當以某一粒徑范圍內的顆粒濃度“粒/L”計時，稱為粒徑分組計數效率。

2.穿透率

粉塵顆粒通過過濾而未能過濾下來的顆粒數量稱為穿透率。穿透率與過濾效率之和為

100^,穿透率用下式表示s

K^—X100% = l-ri (f-li

m

式中，K為穿透率，％;其他符號同前。

空氣過濾器運行初始階段，粉塵的穿透率較高，隨著在運行過程中過濾器上粉塵的增 加，凈化效率有所增加，穿透率降低，因而過濾器運行穩定后穿透率穩定降低，顯然這對運 行要求是有利的。

■3.阻力

:#氣過濾器的阻力在運行之初和以后的運行過程中是不斷變化的，因而通常采用兩種阻 力（初阻力及終阻力）來表示其性能。過濾器的初阻力是指過濾器未積塵時在額定風量下的 阻*?■.終阻力是指過濾器使用一定時間后，其積坐量達到一定數量時的阻力。因此終阻力與

容塵量有關4終阻力的確定，除了濾料本身的因素外，還要考慮過濾速度H及其他技術經濟 指標，一般都把達到初阻力2?4倍時的阻力定為終阻力。

過濾阻力用下式表示：

hp ==av +bvz (7-6)

式中，Af為過濾阻力，Paj r為過濾器的迎風面速度.印/s.; a、6為實驗系數，由制 造單位提供。

隨著使用時間的增長，過濾器上的粉塵量逐漸增多,壓力損失也隨之增大。

4-面速度和過濾速度

衡量過濾器處理風量的能力通常用面速度表示，有時也用過濾速度表示，對平板過濾器

來說二者是一致的。

面速度是指過濾器斷面上通過的氣流速度，一般以fli/s表示K ,過濾速度是指通過過濾 器濾料面稷上的氣流速度。由于對過濾器的要求不同，在鍵濾器內設置的濾料面積也不同， 有時大于過濾器的斷面面積數十倍。因而過濾速度比面速度小，通常用m/miri或cm/s 表不。

過濾速度的大小與過濾器的性能有直接關系。過濾速度過高會降低凈化效率，增加阻

力;-因此為了降低阻力，高效過濾器的濾速通常都很小，而過濾料的面積則很大。

面速度一般用下式表示：

? =夢 17-7)

式中，為迎風面速度，ifl/約Q為通過過濾器的風量，mVsi: J為過濾器迎風面 積，jm2 ■>

應當指出，過濾器迎風面積是指空氣過濾器框內面積，計算時不應把邊框包括在內。

5.容塵量及壽命

空氣過濾器的容塵量是指過濾器由初阻力變化到終阻力時所能容納和截留的額定粉塵 量，琪每平方米過濾面積上的粉塵量（kg)表示。對于空氣過濾器，容塵量具有比:一般工 業除塵器（如袋式除塵器）更為重要的意義，因為餘塵器在達到額定的容塵量時，往往通過 清灰使黏附于除塵器濾料上的粉塵落人灰斗，阻力下降，重新恢復到接近原來的狀態。但對

氣過濾器則不然，過濾器達到額定容塵量后需要取下來清洗再生（如泡沫過濾器），有 *重新更換濾料。因而容塵量的大小也決定了過濾器的壽命。容塵量愈大，過濾器的壽命 .由此可見容塵量是表示空氣過濾器壽命長短的一項重要性能指標。

容塵量的多少與空氣過濾器濾材有關，比較理想的濾材結構是梯度型結構，即濾材結構 疏吃過渡到密集.這種結構既能得到較大的容塵量，又能獲得最高的效率。

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