摘要：对5μm刚性金属丝网滤筒过滤初期阶段的压力特性，选用高密度聚乙烯粉料进行了实验研究，主要考察过滤速度和入口浓度对滤袋筒压降的影响。实验结果表明在过滤初期阶段滤筒的过滤压降上升趋势很明显，这种压降的增大主要来自于残余压降。滞留在滤筒内的粉尘改变了丝网内部的流道结构，从而导致了滤筒残余压降的不断升高。过滤速度和入口浓度的增加均可使残余压降增大。最后通过压降组成的分析，提出了滤筒总压降的计算模型。
关键词：金属丝网滤筒；过滤初期阶段；压力降；残余压降
中图分类号：TQ051.8+5；TQ028.2+6文献标识码：A文章编号：1005-8265（2009）04-0001-04
金属丝网过滤器是一种新型的多孔功能材料，用金属丝网制造的过滤器具有理想均匀的孔径分布和优异的流体渗透性能，强度高、能较好的承受热应力及冲击、可进行机械加工、焊接、清洗再生，尤其适用于高洁净度、高安全性的净化系统，越来越多地应用于各类气固分离工艺中[1]。国内外已经对金属丝网过滤器的分离机理进行了大量的研究，但这些研究主要集中在稳定过滤阶段[2~5]，对过滤初期阶段的非稳态的操作性能研究报道很少。过滤初期阶段的过滤过程不同于稳定阶段的过滤过程，影响因素比较多，压降的变化比较大，直接影响到后续的过滤操作过程[6～9]。因此，分析金属丝网过滤器过滤初期阶段的过滤性能影响因素，对于降低过滤成本、优化过滤器的设计、延长过滤器的寿命均有指导意义。
1 实验装置及方法
图1是实验装置示意图，采用负压吸风式操作，过滤操作采用定时脉冲反吹清灰方式。含尘的气体经进气管进入过滤器内，并沿径向通过滤筒实现过滤，过滤后的气体在滤筒内向上进入上部集气室的出气管排出。滤筒的再生方式为脉冲反吹清灰，来自压缩机的高压气体经过压力调节阀进入储气罐，由脉冲控制仪控制储气罐下部的电磁阀的开启，高压气体经脉冲阀从喷嘴高速喷出，从周围空间引射净化气体后进入下方的引射器，然后进入滤筒内部，将附着在滤筒外壁的粉尘层吹掉，然后开始下一个过滤周期。实验所用过滤介质为刚性金属丝网滤筒，滤筒直径120 mm，长1.2 m，过滤精度为5μm。所用脉冲阀是由澳大利亚GOYEN公司生产的淹没式电磁脉冲阀，型号为RCAC25T。粉料为高密度聚乙烯粉（HDPE），中位粒径160μm，堆积密度0.445 g/cm3，真密度0.952 g/cm3。过滤过程中过滤压力用U形管测量，脉冲反吹压力用压阻式压力传感器测量。
2 实验结果及分析
2.1滤筒进出口压力差的变化
2.1.1含尘浓度对滤筒压力差的影响
图2是过滤气速为0.5 m/min，脉冲反吹压力为0.5MPa，脉冲反吹清灰周期为10 min，脉冲宽度为200 ms操作条件下，入口含尘浓度分别为C=10 g/m3，20 g/m3时，滤筒内外压差的测量曲线。
依据图2，在第一个过滤周期内，滤筒的起始压力在250 Pa，这是清洁滤筒的压力降，过滤10 min后，压力上升到610 Pa以上，压力差约为410 Pa。此时开始反吹，反吹后滤筒的第二个周期初始压力略大于250Pa，这个增值是过滤介质的残余压降，过滤周期结束时的结束压力也大于第一周期的结束压力。随着过滤操作的连续进行，每个过滤周期的初始压力，结束压力相对前一个过滤周期的对应值是逐渐增加的，每个过滤周期的压力差（结束压力与初始压力差）也是逐渐上升的。在入口浓度C=10 g/m3条件下，连续过滤操作300min后，依据测量的压力曲线可知初始压力达到470Pa，残余压降增加了220 Pa，结束压力为1 050 Pa，压力差约为580 Pa。因此相对开始操作的起始压力和结束压力，这些压力值上升趋势是很明显的。当入口浓度提高到C=20 g/m3进行连续过滤操作，每个周期的初始压力和结束压力的增值更大，压力差也明显增大，上升趋势很明显。对比图2（a）和（b）中的曲线，表明滤筒的过滤操作随着入口浓度的增加，起始阶段结束时的初始压力、结束压力和压力差均有所增加。在滤筒操作的初始阶段，是一个滤筒操作的“跑合”阶段，每个过滤周期的初始压力和结束压力是逐渐上升的，滤筒压降是不稳定的。经过此阶段后，过滤操作达到了一种稳定操作状态，在“稳定”阶段起始压力和压力差增长变慢，滤筒压降趋于稳定。滤筒达到“稳定”阶段的时间，根据不同的滤筒和不同的操作条件有很大的变化，通常在300 min以上。
2.1.2过滤气速变化对过滤压力的影响
图3是入口浓度C=15 g/m3，脉冲反吹压力为0.5MPa，反吹周期为10 min，脉冲宽度为200 ms操作条件下，改变过滤气速为0.5、1.0 m/min时，滤筒内外压差的测量曲线。
过滤速度由0.5 m/min提高到1.0 m/min后，对应的滤筒起始压力，结束压力和压差均有较大的增加。过滤速度增加后，通过滤筒的流体速度增加，滤筒和滤饼的压降必然增加，过滤周期的压力差增大。提高过滤速度后，起始压力的上升趋势相对增加，达到“稳定”阶段所需要的时间则相对降低。
2.1.3脉冲反吹压力的测量
图4是入口含尘浓度C=10 g/m3，过滤气速0.5m/min时，脉冲反吹压力为0.5 MPa，脉冲反吹清灰周期为10 min，脉冲宽度为200 ms操作条件下，金属丝网滤筒脉冲反吹时外壁的动态压力测量曲线。由图4可知，脉冲开始后，压力快速上升，在脉冲结束后压力继续上升，约300 ms时达到最高压力值10 kPa，然后压力快速下降，约在400 ms时，压力降低到0。此后压力仍然下降，进入到负压状态，再经过3~4倍的脉冲宽度时间达到微正压状态。通常正压具有清灰作用，而负压则不利于清灰，要得到好的清灰效果就需提高正压峰值尽量减小负压峰值[3]。
2.2过滤初期阶段的过滤性能和残余压降的讨论
过滤操作开始时，一小部分粉尘开始进入滤料内部，其中一部分粉尘穿过滤料逃逸，另一部分粉尘被滤料拦截下来，滞留在滤道内部。在滤料表面，被拦截在滤料表面的粉尘形成一个粉尘初层，这个粉尘初层成为主要的过滤层，起到过滤粉尘的作用。随着过滤操作过程的进行，不断有新的粉尘被粉尘层捕获，导致粉尘层不断变厚，形成滤饼。滤筒的过滤功能由滤料转移到粉尘初层，过滤精度提高，而滤料本身起到粉尘初层的骨架作用。当达到过滤结束的时间后，进行反吹，滤饼脱落，但嵌在滤料内部的部分粉尘滞留下来，使流通面积减小，形成了过滤介质的残余压降。这个压降是永久性压降，是不可恢复的。
在下一个过滤周期，还是有部分粉尘穿过滤料逃逸，部分粉尘被滤料拦截下来，滞留在滤道内部，使残余压降增加。但随着过滤操作的连续进行，过滤时间的上升逐渐减小，并趋于稳定，过滤操作由初期阶段发展到连续稳定阶段，达到了过滤操作的“稳定”阶段。图5是过滤时间达到300 min，接近过滤初期阶段结束时，一个过滤周期时间内测量的滤筒出口颗粒浓度的平均值。从图中可以看出，随着入口浓度和过滤速度的增加，出口的颗粒浓度有所增加，过滤精度均有所下降。低过滤速度时，入口浓度对过滤精度的影响比较小。但高过滤速度时，入口浓度对过滤精度的影响较大。由于过滤速度提高，通过滤料滤道的流体速度增加，一方面是压降增大，另一方面是颗粒穿过滤料的几率增加，使过滤精度下降；入口浓度增加后，颗粒通过滤料的几率明显增加，导致入口浓度增加对过滤精度的影响更大，所以高浓度条件下宜采用低的过滤速度操作。
2.3过滤初期阶段滤袋的压降计算
过滤过程中滤筒的总压降ΔP主要由三部分组成，即滤筒滤料本身的阻力压降ΔPj，残余压降ΔPc，滤饼层阻力压降ΔPb。所以滤筒的总压降可表示为：
滤筒滤料压降ΔPj是固定的，所以影响滤筒过滤压力降变化的主要是残余压降ΔPc和滤饼层阻力压降ΔPb。这些压降的关系及随时间的变化如图5所示。
上述实验表明滤筒的残余压降ΔPc在初始过滤阶段是一个随时间变化的参数，反映在公式（2）中的滤料阻力系数ζ不是一个常数，是关于过滤时间t的函数，这里选择ζ＝atb对实验数据进行拟合，见表1。这样根据过滤时间t就可以计算滤筒的残余压降，进而得到该操作条件下滤筒的总压降计算公式：
实验和计算表明影响滤筒压降变化的主要是残余压降和滤饼压降。残余压降是嵌入滤料内部的粉尘颗粒产生的。这些沉积的粉尘堵塞了滤料中的部分通道，造成实际滤料的空隙率降低，相应过滤的起始压力和过滤周期的压力差随之上升，与此同时滤料的捕集效率也有所提高。滤饼压降是滤饼随着时间连续增厚产生的，每个过滤周期反吹清灰时的滤饼厚度变化不大，滤饼的压降变化不大。因此滞留在滤料内的粉尘改变了滤料的内部结构，滤道流通面积减小，滤道气流速度增加，导致滤筒压降随着过滤时间的进行而不断升高，残余压降是影响过滤初始阶段压降变化的主要因素。
3 结论
针对金属丝网滤筒过滤器过滤操作初期阶段的压力降变化，在单个滤筒的实验装置上，通过改变过滤速度和过滤浓度，测量过滤含聚乙烯粉料气体时滤筒的压降变化。结果表明滤筒在过滤初期压力降上升趋势很明显，压力降的变化主要受残余压力增加的影响，过滤速度和过滤浓度的增加均可以加速残余压力的上升。残余压降主要是滞留在滤料内的颗粒粉尘产生的。最后通过滤筒压降的组成分析，建立了滤筒压降的计算模型。
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