PTFE无纤维微孔膜除尘性能试验研究及其应用*

丁志敏 王岩 陈宜华 张涛 陈思

(1.金平长安矿业有限公司 云南金平661500； 2.安徽工业大学能源与环境学院 安徽马鞍山243002；3.安徽省金建工程技术有限公司 安徽马鞍山243002)

0 引言

随着绿色矿山建设的推进，我国冶金工业颗粒物排放限值不断降低，选矿中产生的颗粒物排放质量浓度已经降至20 mg/m3。矿山粉尘可以长时间悬浮在产尘点，难以沉降，收集有很大难度[1]。虽然袋式除尘器运行稳定、结构简单，但其核心部件滤袋存在粘袋、易堵塞、难清灰、易磨损等问题[2]。尽管近年来在矿井除尘系统中使用了一些高性能的除尘设备，但大多依靠进口，对于袋式除尘器的问题还没有根本的解决方案[3]。

为解决粉尘黏性、湿度等对袋式除尘器的影响，本文以抗水性强的有机高分子聚合物为基材，经过胚胎、煅烧、熔融等方法制成憎水性强、表面光滑的PTFE无纤维微孔膜滤料，并对其实验及现场应用情况进行探究。

1 PTFE无纤维微孔膜滤料特点及过滤机理

1.1 PTFE微孔过滤材料特点

粉尘的理化性质决定了滤料的选择和使用[4]。PTFE微孔膜滤料抗水性能好、耐腐蚀性强、强度高，性能优异，适用于矿山粉尘治理。具体体现在以下3个方面。

(1)机械强度。矿山在生产及运输过程中产尘量大，粉尘浓度高。滤袋在清灰的过程中与骨架有很大的摩擦力，需要其具有较高的机械强度[5]。本研究中，PTFE无纤维微孔膜滤料采用特殊工艺制成，滤料强度经滤料检测中心检测：径向155 N/cm，纬向88 N/cm，滤料强度满足要求。

(2)抗水防污性能。以有机高分子聚合物为基材制成的滤料具有亲水性差、表面光滑的特点，潮湿性粉尘不易粘结，因此该滤料是处理矿山潮湿性粉尘好的选择。

(3)滤料的过滤性能。以有机高分子聚合物为基料，对加工制作工艺、配方等方面进行优化研究，最终生产的滤料富含微孔，有良好的透气性；粉尘层不易粘结，一定厚度时可依自重降落，清灰后阻力稳定，有良好的再生性。

1.2 PTFE微孔膜过滤材料的过滤机理

除尘器正常工作时，滤料表面被过滤的粉尘可直接输送到滤料内部，并沉积在滤料深层，甚至堵塞、板结滤料孔隙，导致除尘器效率降低，图1为纤维膜过滤机理，图2为PTFE无纤维微孔膜过滤机理。PTFE滤料结构独特，内部没有直通孔隙，形成的是微孔交错的网状结构。首先，大部分的粉尘颗粒物由于拦截作用被捕集在PTFE表面，不能直接输送到滤料深层，利用其交错、质密的微孔，实现了滤料表面过滤；其次，该滤料表面具有的特殊的立体网状结构充当了“一次粉尘层”的角色，在过滤初期就具有良好的捕集效率。不仅有效防止磨损，增加其使用时间，而且被捕集的颗粒物可依靠自身重力脱落，清灰效果显著。

图1 纤维膜过滤机理

2 PTFE微孔膜滤料的过滤性能

过滤材料性能的好坏，会直接影响到除尘器对粉尘颗粒物的捕集效率，主要影响因素为反复清灰次数、过滤材料特性、粉尘粒径等。

滤料试验装置与常规布袋滤料基本相同，主要包括发尘器、风管、滤料试验装置、风机以及控制系统组成，见图3。发尘器采用螺旋输送试验风管内，输灰机转速可调节，控制发尘量；设计小型的除尘器试验样机，将滤料制作滤筒装入除尘器箱体内，清灰方式采用压气脉冲清灰；滤料性能检测孔设置在除尘样机出风、进风风管上，测量仪器采用LG型数字式粉尘采样器(精度0.01 mg/m3)、WY型数字压力计检测(精度0.1 Pa)和DJ30智能风速测定仪(精度0.05 m/s)。

图2 微孔膜过滤机理

1—发尘器；2—风筒；3—检测孔(粉尘、阻力、风速)；

试验粉尘采用烧结厂布袋除尘器收集粉尘，由圆盘发尘器发尘，通过调节发尘器转速控制发尘量；风机采用变频调速控制风量；制作滤筒装入除尘器试验装置内，清灰采用上部喷吹管压气喷吹，喷吹压力0.3～0.5 MPa；粉尘浓度、风速及阻力通过试验装置的进出风管取样口取样，计算效率和阻力，粉尘剥离率计算式为

式中，△p1为滤料清灰前的阻力，Pa；△p2为滤料清灰后的阻力，Pa；△p0为洁净滤料的阻力，Pa。

2.1 洁净滤料的静态阻力特性

按照相应尺寸将洁净的3种滤料制成试验样品，采用螺旋发尘器进行发尘(发尘量为0 g)，通过改变过滤风速大小，通过滤料静态性能测试仪分别测出在不同过滤风速(0.5、1.0、1.5、2.0 m/min)下的静态阻力值。试验结果如图4所示。

图4显示，3种不同洁净滤料的静态阻力与过滤风速呈正相关关系。洁净状态下与常规滤料比较，PTFE滤料静态阻力与针刺毡滤料的静态阻力及增加幅度大致相同，而覆膜滤料静态阻力与增加幅度始终最大，与其他2种覆膜滤料相比，PTFE微孔膜滤料的静态阻力值相对较小，这是由于其经过特殊加工制作及表面处理后，表面光滑，透气性好。

图4 洁净滤料静态阻力特性曲线

2.2 滤料的运行阻力特性

将3种不同性质的滤料样品分别放置在粉尘动态性能测试仪内，测定不同条件下滤料的运行阻力。在一定风速(v=1.0 m/min)条件下，通过改变发尘量(650、700、750、800、850、900 g)，使用数字压差计测量滤料阻力值，并分析发尘量与滤料阻力之间的关系，见图5。运行一段时间后，分别对3种不同滤料进行逆气流反吹清灰，通过改变清灰次数(0、1、2、3、4次)，测得各自阻力大小，不同滤料清灰次数、运行阻力之间变化关系见图6。

图5 滤料阻力与发尘量的关系

图6 滤料阻力与清灰次数的关系

图5显示，发尘量与运行阻力呈正相关关系，但PTFE滤料相较于其他2种滤料运行阻力始终最小。图6显示，经4次清灰后，各自的运行阻力变化范围相差较多，相较于PTFE滤料，另外2种滤料运行阻力变化范围相对较大，分别增大33.20%、13.20%；PTFE滤料运行阻力变化最小，约增加了4.30%。主要是由于PTFE滤料大量无直通微孔的独特结构，可以避免滤料被堵塞、粘结，能够实现滤料面过滤。

微孔膜滤料阻力400～800 Pa，运行稳定，再生性好，见图7。微孔膜滤料连续运行数十小时，在喷吹压力0.3 MPa，空气相对湿度10%～15%，滤料表面容尘量达到3.8 g/cm2，清灰后的阻力几乎恢复到原始状态。该滤料在马钢张庄铁矿等单位连续使用3 a以上，未发生堵塞、糊袋现象。

图7 滤料清灰阻力特性对比

2.3 滤料的除尘效果

分别测得过滤前后的阻力和不同粒径颗粒物的进出口浓度，计算出各材料的粉尘剥离率与除尘效率，结果如图8、图9所示。

图8 粉尘剥离率与清灰次数的关系

图9 不同粒径去除效率

图8显示，PTFE过滤材料的粉尘剥离率在一次清灰后就基本稳定在95%以上，最高达到98.40%。PTFE滤料表面累积颗粒易清除，表面清灰能力强，滤料内部不易堵塞，再生性能好。图9显示，PTFE滤料对粒径在10 μm以下的粉尘具有相当高的去除效率，达到98.40%，相较于覆膜滤料及针刺毡滤料86.10%和57.20%的去除效率，优势相当明显。这是由于PTFE滤料的结构特殊，大量的颗粒物可以在其表面被捕集。PTFE滤料过滤性能优异，对呼吸性粉尘的治理以及职业病的预防有着重要意义。

3 PTFE微孔膜的实际应用

某矿业股份有限公司选矿厂在生产过程中有多处产尘点，会释放出大量粉尘，原设计采用的湿式除尘器，由于除尘效率低，于2018—2019年改造为2台PTFE除尘器。经过运行调试后，测定其捕集效率、运行阻力等，数据表明该除尘器运行状态良好，粉尘排放浓度及排放速率均达到国家排放标准，结果见表1、表2。

表1 除尘性能参数检测结果

表2 作业环境职业接触限值检测 mg/m3

由表1、表2得出，新型PTFE除尘器在实际运行中，出口最大排出粉尘质量浓度小于10 mg/m3，岗位接触呼吸性粉尘为0.25～0.78 mg/m3，总粉尘为0.88～9.26 mg/m3，除尘效率均在99.90%以上，最好的效率为99.98%。该设备的运行阻力在1 300～1 500 Pa，运行时阻力稳定，性能优良，具有良好的经济和环境效益。

4 结论

(1)除尘效率高。PTFE高分子微孔膜滤料，对粒径小于10 μm的颗粒物脱除率为98.40%，总尘的脱除率为99.97%，排放浓度和岗位职业接触限值满足国家相关标准。

(2)改变过滤风速、粉尘发尘量、清灰次数等条件，PTFE微孔膜滤料的静态阻力和运行阻力均小于其他2种滤料，且小于500 Pa。

(3)滤料具有较强的抗水性。工业应用表明，除尘器2018年使用至今，除尘滤料未堵塞，适用地下矿山矿石潮湿环境的除尘工程。

(4)滤料的运行阻力稳定。现场的应用结果表明，用该滤料构建的除尘设备运行阻力稳定，维持在1 300～1 500 Pa之间，且滤袋磨损小，使用寿命长，运行成本低，值得广泛运用于矿山除尘。