1 前言

采用覆膜滤料作为过滤材质的袋式除尘器能够实现对PM_2.5的高效捕集^[1]。在袋式除尘过程中，由过滤阻力引起的能耗占总成本的80%~90%^[2]。而在覆膜滤料的表面过滤过程中，过滤阻力主要取决于滤饼。因此，减小滤饼过滤阻力是降低除尘能耗及运行成本的有效途径。

在一定荷尘量下，滤饼阻力主要由滤饼空隙率决定；而空隙率又与颗粒粒径、颗粒间作用力密切相关^[3-4]。研究发现，通过外加电场^[5]、声场^[6-9]、磁场^[10-11]或者化学团聚剂^[12]均可促进颗粒团聚，而增大颗粒粒径^{[7-8, 13-15]}则能够有效降低滤饼过滤阻力。但是这些方法多存在运行成本高、操作难度大等缺点。

除了颗粒粒径，颗粒间作用力(范德华力、静电力及液桥力等)也是影响滤饼空隙率的关键因素，但通过调控颗粒间作用力来降低滤饼阻力的研究鲜见报道。这是因为范德华力、静电力较小^[16]，调控难度高，对颗粒堆积结构影响不明显；而液桥力则是在潮湿环境下由液体在颗粒间隙形成的液桥产生的，比范德华力及静电力大4~5个数量级^[16]，但一直未有对其有效调控的手段。有关模型表明，随着湿度提高、颗粒群含水率增加，液桥力可迅速增大并成为颗粒间主要黏附力^[17]，这为调控颗粒间作用力提供了理论基础。空气的绝对湿度(H)是由相对湿度(RH)和温度共同决定的，而相对湿度和温度的调控较为容易，因此通过调控二者可以在很大范围内改变湿度，进而实现大幅度改变液桥力的目的。该法操作简单，不需要引入外加能量或者昂贵的化学团聚剂即可达到预期效果。

本文提出了一种通过改变湿度，在颗粒间引入液桥，大范围调控颗粒间作用力，进而降低滤饼阻力的方法；在较大范围内对湿度进行调控，考察颗粒间作用力随湿度的变化规律。相对吸潮性粉尘而言，疏水性粉尘在高环境湿度下更不易形成液桥，因此为扩大研究的普适性，采用疏水性的滑石粉作为模拟粉尘；并在此基础上利用疏水性较强的聚四氟乙烯(PTFE)覆膜滤料作为过滤介质，防止高湿环境下的糊袋及颗粒沾壁等现象，研究湿度对滤饼空隙率、除尘效率、滤饼阻力、粉尘负荷等除尘性能的影响。

2 实验(材料与方法) 2.1 实验装置与流程 2.1.1 坍塌角测定实验装置

颗粒间作用力是颗粒间的微观作用，其大小决定了颗粒群的堆积和流动性能。因而，颗粒的微观行为可以借助颗粒集群的宏观行为表现出来。坍塌角是常用来描述颗粒间作用力大小的宏观参量。

测定坍塌角的示意图如图 1所示。将盛有定量粉尘的圆筒水平放置，保持颗粒物表面水平，缓慢转动圆筒使颗粒物表面逐渐倾斜，当转动到某一角度时，颗粒物开始出现整体第一次坍塌，该角即为颗粒坍塌角θ ^[18]。

2.1.2 袋式除尘实验装置

除尘实验装置如图 2所示。利用空气泵将空气输送至发尘器，在气流与搅拌的双重作用下得到浓度均匀的模拟粉尘。粉尘在管路中与空气充分混合后进入除尘器。除尘器是一有机玻璃圆筒，由两部分组成，中间放置面积为95 cm²的PTFE覆膜滤料。相比于平置方式，滤袋垂直放置时滤饼易于脱落，过滤阻力上升较慢，更利于过滤操作；因此本研究选择过滤难度更高的水平放置方式；而且此时，得到的滤饼结构更为规整，更利于湿度对滤饼结构形成的研究。含尘气体进入除尘器后粉尘被截留在滤料表面；过滤后的洁净空气进入粒子计数器进行颗粒粒径分布测试。滤料前后两侧连有电子压差计，可通过电脑实时在线监测。装置处于密闭空间中，采用水浴锅加热产生的水蒸气来调控湿度。具体操作为将水浴锅加热温度设为定值，当RH达到100%时，通过增加密闭空间的开孔数(即通入的蒸汽量)来维持RH为一定值。

2.2 实验材料

实验材料主要包括1 250目滑石粉和PTFE覆膜滤料。相对吸潮性粉尘而言，疏水性粉尘在高环境湿度下更不易形成液桥，因此使用疏水性滑石粉作为模拟粉尘研究湿度对除尘性能的强化作用更具有普适性。滑石粉真密度为2 800 kg·m^-3，由北京利国伟业超细粉体有限责任公司提供。

采用PTFE覆膜滤料作为过滤介质，该滤料由浙江理工大学提供，详细参数见表 1。

2.3 实验分析方法

(1) 过滤风速

$ {V_\text{S}}{ = }\frac{Q}{{3\;600A}} $

(1)

式中，V_s为过滤风速，m·s^-1；Q为气体流量，m³·h^-1，由转子流量计测定；A为过滤面积，m²。

(2) 粉尘浓度采用《作业场所空气中粉尘测定方法》(GB5748-85)进行测定：

$ C = \frac{{{m_1} - {m_2}}}{{Q \cdot 60/\Delta t}} $

(2)

其中，C为粉尘浓度，g·m^-3；m₁是过滤前发尘器中的粉尘质量，g；m₂是过滤实验后发尘器中的粉尘质量，g；∆t为过滤时间，s。

含尘气体经滤料过滤后，粉尘浓度极低，通过上述称量法不能精确得出粉尘质量。首先采用粒子计数器得到颗粒粒径分布，再根据颗粒真密度、粒径以及颗粒个数计算得到粉尘质量(假设颗粒为球形)。

(3) 除尘效率

$ \eta {\text{ = }}\left( {{C_1} - {C_2}} \right)/{C_1} $

(3)

其中，η为除尘效率；C₁、C₂分别为滤料前后侧的粉尘浓度。

(4) 滤饼空隙率

$ \varepsilon = \left( {1 - \frac{{M/{\rho _{\text{p}}}}}{{Ah}}} \right) \cdot 100\% $

(4)

其中，ε为滤饼空隙率，%；M为干燥粉尘质量，g；ρ_p为颗粒真密度，g·cm^-3；h为滤饼厚度，cm。

3 实验结果与讨论 3.1 湿度对颗粒间相互作用力的影响

将粉尘在一定湿度下静置6~8 h，以确保达到平衡状态，在此湿度下测定颗粒坍塌角，考察湿度对颗粒间作用力的影响。颗粒坍塌角θ随湿度的变化如图 3所示。

由图 3可知，相对湿度RH小于100%时，颗粒坍塌角随湿度的增加呈线性增长。这是因为在潮湿环境中，水蒸汽在较小的颗粒间隙中容易“毛细冷凝”，形成液桥。液桥的存在增强了颗粒间黏附力。随湿度增大，更多的颗粒间隙可以满足毛细冷凝的条件，颗粒间隙中填充的液桥数量增多，颗粒间黏附力随之增大。

当RH = 100%后，通过提高温度以保持RH＝100%，此时H随温度升高继续增大。与RH < 100%时相比，此时颗粒间的黏附力增长更快。这是因为RH达到饱和时，水蒸汽不再受颗粒间隙的制约，从而以颗粒作为冷凝核心直接在粉体表面冷凝为液态水，液桥形成更为迅速。

在前人研究中^[15]，水的存在会导致水在颗粒间凝结并堵塞颗粒间隙，从而造成滤饼空隙率的下降以及压降的急剧增加，严重时甚至堵塞滤饼，造成过滤终止。水含量更大时，还会造成糊袋，甚至会产生粉尘层“液化”现象，即粉尘颗粒像液体一样在重力或压力作用下滑移。而在本实验中，当RH ≤ 100%时，颗粒间作用力一直稳定增加，并未出现滑移现象，后续实验也表明未出现水分堵塞滤饼空隙率的现象，这主要是因为与传统的水雾加湿不同，在实验中控制水汽的RH ≤ 100%，颗粒间并未存在大量的液态水；而且，此时PTFE覆膜滤料疏水性较强，水蒸气未在滤料表面冷凝，因此可以避免传统滤料的糊袋现象。

从上述结果来看，湿度对颗粒间作用力有着显著影响，有望在较大范围内改变颗粒堆积行为，进而降低滤饼过滤阻力。

3.2 湿度对滤饼结构的影响

滤饼空隙率作为滤饼结构的关键参数对滤饼过滤阻力起着重要影响。王庚^[19]研究表明，滤饼阻力与滤饼空隙率的平方成反比，因此高滤饼空隙率是获得低滤饼阻力的前提。在RH为32.5%~100%，H为2.8~81.9 mg·g^-1(23~52 ℃)，过滤风速为0.029 m·s^-1，粉尘浓度为4.54~30.91 g·m^-3，过滤压降上限为0.8 kPa时，考察湿度对滤饼空隙率、滤饼阻力及粉尘负荷等除尘性能的影响。滤饼形成后，根据滤饼固定化方法^[20]进行滤饼厚度的测定和直接观测，并由式(4)计算出滤饼空隙率。

3.2.1 湿度对滤饼形貌的影响

将不同湿度、相同压降上限下得到的滤饼断面放在玻璃板上观测，考察颗粒间黏附力与滤饼暂态微观结构的关系，如图 4所示。随着湿度的提高，固定压降下的滤饼厚度逐渐增大。H = 2.8 mg·g^-1时形成的滤饼层极薄，结构较为致密；H达到21.6 mg·g^-1时，滤饼厚度明显增加；尤其在H增加到41.4 mg·g^-1时，滤饼形成明显的羽状凸起，结构较为疏松。这是因为在高湿环境下，液桥的形成导致颗粒间黏附力增加，较大的颗粒间作用力牵制了颗粒的滑移；此时颗粒可仅与更少的颗粒接触就形成稳定的结构(图 5)，导致滤饼结构更为疏松。湿度越高，液桥形成的数量越多，颗粒间作用力越大，这一现象越为明显。

3.2.2 湿度对滤饼空隙率的影响

由表 2可知，当H从2.8增大至41.4 mg·g^-1时，滤饼空隙率由70.2%提高至84.8%。可见此湿度范围内湿度越高，形成的滤饼结构越为疏松，与图 5显示结果一致。但是，滤饼空隙率达到80%后，随湿度的增加其提高幅度减小，此时颗粒间作用力对空隙率的影响减小；这与YANG等^[21]研究结果一致。分析原因可能是在滤饼结构极为疏松时，颗粒所占体积已经很小，进一步提高空隙率意味着大幅度降低颗粒在滤饼层的体积分数，此时需要更大的颗粒间作用力，因此空隙率进一步提高的难度随之增大。

综上，通过调控湿度提高颗粒间作用力可以有效提高滤饼空隙率，从而为高湿环境下引入液桥力进而强化除尘性能提供了理论依据。

3.3 湿度对袋式除尘性能的影响

除尘效率、滤饼过滤阻力增长速率、粉尘负荷是衡量除尘性能的关键指标。主要从这几方面考察湿度对除尘性能的影响。

3.3.1 湿度对除尘效率的影响

表 3是在不同湿度下，过滤风速为0.029 m·s^-1，压降上限0.8 kPa下得到的除尘效率。

由表 3可知，PTFE覆膜滤料的除尘效率高达99.99%。当湿度提高时，尽管滤饼空隙率有所增大，但除尘效率并未减小，这是因为PTFE覆膜滤料是利用表面过滤原理进行过滤的，孔径介于0.2~2 μm，仅靠滤料就可将绝大部分颗粒进行有效截留。此时，除尘效率与滤饼空隙率几乎无关。因此，通过调控湿度来降低滤饼阻力并不影响PTFE覆膜滤料的除尘效率。

3.3.2 湿度对滤饼过滤阻力的影响

滤饼过滤阻力增长速率决定了袋式除尘的能耗及运行成本。研究表明，固定风速时，在过滤初期阶段，单位荷尘量下滤饼过滤阻力增长速率保持不变^{[11, 15]}，当过滤阻力增大到一定程度后，颗粒间作用力不足以抗衡因过滤阻力而产生的压力，导致在压力最大区域出现颗粒滑移现象，此时滤饼结构坍塌，变得更为紧密，引起过滤阻力急剧上升，这种现象被称为滤饼层的压缩效应。而增大颗粒间作用力可以从根本上减缓甚至避免压缩效应的产生，有利于除尘性能的提升。因此本文从滤饼过滤阻力增长速率及是否产生压缩效应两个方面考察湿度对滤饼阻力的影响。

从图 6可知，滤饼过滤阻力随时间基本呈线性增加，除了H= 41.4 mg·g^-1时，其他湿度下基本未出现滤饼层压缩效应。这说明高湿度下颗粒间作用力可抵抗上方滤饼层压力，维持滤饼现有的疏松结构。而且一定湿度范围内，湿度越高，单位粉尘浓度下的滤饼过滤压降上升越为缓慢(图 7)。这是因为湿度越高，水蒸汽在颗粒间形成的液桥数量越多，液桥力越大；较强的颗粒间作用力有效限制了颗粒的滑移；一方面使得滤饼结构更为稳定，不易压缩；另一方面，与单个颗粒接触的颗粒数更少，可形成更高的空隙率，有效降低了单位荷尘量下的滤饼阻力。当H = 41.4 mg·g^-1时，900 s后单位粉尘浓度的滤饼阻力仅为1.94 kPa，与2.8 mg·g^-1下的相比降低了近94%。MOLDAVSKY ^[7]采用声场凝并技术可使滤饼阻力下降30%；葛亚勤^[15]考察了超声雾化加湿对袋式除尘性能的影响，最佳条件下滤饼阻力降为不加湿时的30%；马德刚等^[8]采用声凝并联合雾化预处理粉尘，滤饼阻力降为原来的50%。这表明通过改变湿度调控颗粒间作用力的方法对降低滤饼阻力的效果更为显著。

图 8显示了滤饼阻力增长速率随湿度的变化关系。随着湿度的提高，滤饼阻力增长速率呈现先减小后增大的趋势。这可能是由于绝对湿度H过高时，出现了RH过饱和现象，引起水在颗粒间凝结并堵塞颗粒间隙，导致滤饼空隙率降低，过滤阻力迅速增大；当H= 81.9 mg·g^-1时，滤饼阻力比2.8 mg·g^-1时上升得更迅速，此时湿度对除尘性能已经由强化作用转为恶化作用。因此，较高湿度下需要控制RH略低于100%。

值得一提的是，在不同湿度下经过多次反吹过程，PTFE覆膜滤料的空白压降基本稳定在0.1 kPa。这是因为PTFE覆膜滤料表面光滑，疏水性强，滤料与粉尘剥离难度小，因此反清洗性能良好，且在很大的湿度范围内不受湿度影响。

3.3.3 湿度对粉尘负荷的影响

粉尘负荷可以直观地反映出除尘性能的优劣。单位压降上限下沉积在滤料上的粉尘质量(荷尘量)越高，则单次过滤周期越长。表 4是湿度对粉尘负荷的影响结果。

由表 4可以看出，增大湿度可以提高粉尘负荷。这是因为在高湿度下，颗粒间作用力增大使得滤饼结构更加疏松，滤饼阻力减小；在除尘过程中表现为滤饼过滤压降随过滤时间上升更为缓慢。因而单次过滤周期得以延长，粉尘负荷增大。但湿度过高时，水蒸汽在滤膜表面形成一层水膜，导致过滤阻力急剧增加，粉尘负荷也随之减小。

4 结论

本文以调控颗粒间作用力、改善滤饼结构为思路，通过改变湿度的方式在颗粒间引入液桥力，探讨了湿度与颗粒间作用力的关系；在此基础上，为扩大研究成果的普适性，采用在高湿环境下较难形成液桥的疏水性滑石粉作为模拟粉尘，研究了湿度对PTFE覆膜滤料除尘性能的强化作用。研究结果表明，在一定湿度范围内，提高含尘气体湿度，可大幅度增加颗粒间作用力，提高滤饼空隙率，进而有效降低滤饼过滤阻力。此外，PTFE覆膜滤料在高湿环境下不糊袋，且依然保持很高的除尘效率。因此，该技术可以有效减轻滤料负荷，延长过滤时间，降低清灰频率，这在改善过滤性能，降低袋式除尘能耗等方面具有一定的应用意义。

符号说明：

A	—过滤面积，m2	RH	—相对湿度，%
C	—粉尘浓度，g·m-3	∆t	—过滤时间，s
H	—绝对湿度，mg·g-1	Vs	—过滤风速，m·s-1
h	—滤饼厚度，cm	θ	—颗粒坍塌角—过滤面积，m2
M	—干燥粉尘质量，g	η	—除尘效率，%
m	—粉尘质量，g	ε	—滤饼空隙率，%
Q	—气体流量，m3·h-1	ρp	—颗粒真密度，g·cm-3