选用钢铁行业袋式除尘用滤料,采用泡点法进行孔径及孔径分布测试,并进行了除尘滤料冷静态过滤性能测试。通过对实验数据分析得到:针刺滤料平均孔径为22.22~26.83μm,孔径分散程度较高;覆膜针刺过滤材料平均孔径仅为1.0μm左右,孔径分布较为集中;
针刺滤料的孔径会影响到其透气性,透气性随着最大孔径的增加而增加;针刺滤料孔径及孔径分布对过滤效率有直接的影响,孔径越大,孔径分布分散程度越高,过滤效率越低,过滤阻力越小;过滤风速为1.0m/min时覆膜滤料对微细颗粒物的捕集效率达到80%左右,约为普通针刺毡滤料的2~4倍,阻力约为普通针刺毡滤料的14~32倍。
为了进一步加强钢铁行业的烟粉尘等大气污染物治理，2012年10月环保部颁布了GB28662—2012《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》［1］、GB28663—2012《炼铁工业大气污染物排放标准》［2］、GB28664—2012《炼钢工业大气污染物排放标准》［3］、GB28665—2012《轧钢工业大气污染物排放标准》［4］和GB16171—2012《炼焦化学工业大气污染物排放标准》［5］等一系列新排放标准，并要求2015年开始执行最严限值。
钢铁行业烧结、球团、焦化、炼铁、炼钢、轧钢等典型工序，就颗粒物污染而言，烧结工序最严重，其次是炼铁和炼钢工序［6-7］。尽管固定污染源大都安装了高效的电除尘器、袋式除尘器，或湿式除尘器，颗粒污染物的总排放量已经下降，但通过对除尘后和钢铁厂环境空气颗粒物测试可知，除尘装置对各工序排放的细颗粒物的捕集能力有限，导致环境细颗粒污染严重［8］。
袋式除尘可用于钢铁行业原料运输、烧结球团、高炉槽上槽下、出铁场、高炉煤气、喷煤制粉、铸铁机、转炉二次除尘、炼钢电炉、轧钢等工序的尘源除尘。
过滤材料的过滤性能决定了袋式除尘设备对微细粉尘的捕集特性，而非织造过滤材料的过滤性能与其结构参数密切相关。非织造过滤材料的结构参数包括:纤维直径、孔隙率、孔径及孔径分布、比表面积、过滤精度、压力损失、透气性、纳污容量、纤维迁移以及过滤材料的相容性等［9］。
纤维过滤材料的过滤作用是通过其内部的孔径通道来实现的，因而其过滤精度在很大程度上取决于其孔径及孔径分布。本文对钢铁行业袋式除尘常用的针刺过滤材料样品进行孔径及孔径分布、透气性和过滤性能测试，研究孔径、孔径分布、透气性与过滤性能的关系，为微细粉尘的捕集提供理论参考。
1试验部分
1.1试验装置
试验装置采用东华大学过滤材料测试平台，如图1所示。
图1滤料过滤性能测试装置
该滤料测试平台为清洁滤料过滤性能装置。配备两台GＲIMM颗粒物监测仪，测试受试滤料两侧0.23～20μm分级粒径粉尘计重浓度。过滤流体为环境气溶胶，转子流量计控制过滤风速;DP1000-ⅢB微电脑数字压力计读取受试滤料两侧的压力;滤料的分级过滤效率由颗粒物监测仪读数计算而得。
测试时，通过改变风速得出清洁滤料阻力、过滤效率等之间关系。试验用仪器及试样参数见表1和表2。
表1滤料过滤性能测试仪器
1.2试验方法
孔径测试可采用显微镜观察法、射线小角度散射测量法、泡点法、压汞法和气体吸附脱附法等，本试验采用泡点法进行测试，泡点法测量孔径的原理是以表面张力引起毛细孔中液体上升为理论依据。当毛细孔浸在某种液体中时，在表面张力的作用下，毛细孔中的液体将会上升到某一高度，直到毛细孔中的表面张力与毛细孔中的液柱重力达到力平衡［9］，此时可按下式计算出孔的半径:
2试验结果及讨论
2.1环境气溶胶分布特征
试验过滤流体为环境气溶胶，采用GRIMM颗粒物监测仪测试粉尘的粒径分布。图2反映了不同粒径范围的单位粒径间距中的颗粒物质量浓度。可以看出:随粒径的增加，单位粒径间距的颗粒物浓度降低，粒径为0.23～0.3μm的颗粒物质量浓度最高为4.158mg/m3，＞10μm的颗粒物质量浓度均为0mg/m3。
图2环境气溶胶粒径分布
而粒径为2.0～3.0μm(即PM2.5)的颗粒物质量浓度为3.553mg/m3，仅小于粒径为0.23～0.3μm和0.3～0.4μm两个区段的颗粒物质量浓度，说明环境气溶胶中PM2.5质量浓度比较高。
2.2试样孔径及孔径分布特性
1号—6号样品的孔径测试结果见表3，其中1号—4号样品为针刺毡，5号—6号为覆膜针刺毡。可以看出:6种针刺毡滤料中1号滤料的最大孔径为80.47μm，其次为4号、2号和3号，6号最小孔径为8.51μm。6号滤料的泡点压力最大为5.344kPa，其次为5号、3号和2号，1号滤料的泡点压力最小为0.565kPa。
表3试样孔径的测试参数
泡点压力随最大孔径的增加而减小，这是由于最大孔径较大时，液体被吹出所需的气压相对较小。1号—4号样品的最小孔径较为接近，说明纤维对颗粒物截留和阻筛作用也较为接近。
1号—6号样品的孔径分布如图3所示。从图中可以看出:1号—4号样品的孔径分布较为分散。1号滤料孔径分布范围跨度最大，并且在20～25μm孔径范围内所占比例最高为13.01%;尽管2号、3号和4号滤料平均孔径、最大孔径和最小孔径较为接近，但其孔径分布差别较大，3号滤料孔径分布最分散，孔径在4～40μm时，孔径间距为2μm所占比例在3.13%～6.62%变化，其余孔径范围内所占比例均小于2.20%。
2号和4号滤料孔径在10～15μm占比最高，分别为15.94%和15.64%，其余孔径处较为相似。从1号—4号样品的孔径分布可以看出:针刺加工形成的微孔较大，大孔径的孔隙多，孔隙率也大，会影响到对微细颗粒物的捕集性能和滤料的透气性能。
5号和6号为覆膜针刺毡滤料，孔径分布较为集中，5号滤料孔径在0.47～2μm占96.71%，6号滤料孔径在0.13～5μm占99.04%，孔径总体相对较小，这些孔径主要是由PTFE在拉伸成膜过程中会形成的网状交错结构，而这些网状交错结构中会有许多细小的微孔而形成，这些微孔尺寸较小，微细粉尘及大颗粒的杂质不能顺利通过，因此能有效地形成阻截，起到较好的捕集效果。
2.3透气性
约为1号样品的1/7，样品透气性随最大孔径的增加而增加。透气性与孔径之间的关系，说明大部分气体都经大孔径孔隙流走，而粒子在纤维上的附着情况与空气动力学阻力有关。过滤材料的孔径大，空气动力学阻力小，不能有效地截留气流中的颗粒物，则通过过滤材料的颗粒物数量多，过滤效果差，因而很难达到理想的过滤效果。
表2试样的基本测试参数
而覆膜针刺过滤材料的微孔小而多，空气动力学阻力大，纤维对颗粒物起到较强的截留和阻筛作用，加之孔隙率较低，透气性较差，过滤效率高。
图3试样孔径分布
图4试样透气性及孔径
2.4过滤性能
图 5 试样在清洁状态下的过滤效率
采用计重法测试了滤料在清洁状态下的过滤性能。图5为过滤风速分别为1.0，1.5m/min时，6种过滤材料的分级过滤效率。可以看出:过滤材料纤维直径较为接近时，过滤效率受孔径和孔径分布影响较大。
3号滤料孔径分布最分散，并且在某些孔径处所占比例基本相等，对于粒径范围在0.23～20μm的颗粒物而言，过滤风速为1.0，1.5m/min时任何粒径的颗粒物穿透滤料的可能性比其他样品的可能性都大，捕集性能最差。对于粒径在0.23～1.0μm的微细颗粒物，3号滤料的过滤效率最低，仅为20%左右。
对于0.23～1.0μm的微细颗粒物而言，过滤风速分别为1.0，1.5m/min时，分级过滤效率随样品最大孔径的增加而减少，1号、4号和2号滤料过滤效率依次增加，2号滤料过滤效率最高，大于40%，而5号和6号覆膜滤料的过滤效率明显高于1号、4号和2号滤料，并且过滤效率随粒径的增加而增加，5号滤料分级过滤效率大于75%，而6号滤料分级过滤效率大于80%。
对于1.0～20μm的颗粒物而言，普通针刺毡滤料的分级过滤效率随样品平均孔径的增加而增加，4号、2号、1号滤料的分级过滤效率依次增加，1号滤料分级过滤效率最高，而5号和6号覆膜滤料的过滤效率随平均孔径的增加而降低，但高于1号、4号和2号滤料，并且过滤效率随粒径的增加而增加。
粒子在纤维上的附着情况与空气动力学阻力有关，气流速度分别为1.0，1.5m/min时，直径为5μm的粒子接近完全粘附，1号、2号、4号和5号分级过滤效率均为100%。随着碰撞速度增加，固体粒子的附着力增加，并且惯性沉降效率也增加，过滤效率随粒子尺寸的增加而升高，尽管对沉积粒子和链状聚合体的气体动力学阻力也增加。
固体粒子在失去足够的能量后，和纤维发生最后一次碰撞时被捕集，在这之前可能要连续和纤维碰撞若干次。粒径为7μm的粒子完全粘附，1号、2号、3号、4号、5号和6号滤料分级过滤效率均为100%。
图6试样在清洁状态下的阻力
图6为1号、2号、3号、4号、5号和6号滤料阻力随过滤风速的变化关系。可以看出:6号覆膜滤料的阻力随着过滤风速的增大急剧增加，过滤风速为0.5m/min时过滤阻力为145Pa，1.5m/min时阻力为265.5Pa，远大于其他5种滤料。其次是5号覆膜滤料，其相应过滤风速下的阻力虽然小于6号覆膜滤料，但均大于其余4种普通针刺毡滤料，过滤风速分别为0.5，1.5m/min时，阻力分别为35，67.5Pa。
2号和4号孔径分布较为相似，孔径尺寸较为接近，阻力也较为接近。1号孔径最大，所以阻力最小。阻力与孔径及孔径分布的关系与透气性与孔径及孔径分布的关系是一致的，样品阻力随最大孔径的增加而减小。
说明当气体流经大孔径孔隙流时，过滤材料的孔径越大，气流通过的阻力越小，同时孔径分布也会影响到阻力大小，尽管3号与2号、4号滤料孔径大小接近，但3号孔径范围最广，且各孔径所占比例部分基本相等，所以其阻力大于2号和4号。而覆膜非织造过滤材料的微孔小而多，透气性较差，过滤效率高，过滤阻力也大。
3结论
针刺类非织造过滤材料孔径较大，平均孔径范围为22.22～26.83μm，最小孔径为4.58μm，最大孔径为80.47μm，孔径分散程度较高;覆膜针刺非织造过滤材料孔径较小，平均孔径仅为1.0μm左右，孔径分布较为集中，粒径＜5μm所占比例大于95%。
针刺过滤材料孔径及孔径分布会影响到其透气性，透气度随着最大孔径的增加而增加，阻力随着最大孔径的增加而减小。普通针刺毡滤料的透气度大于覆膜滤料。美塔斯滤料透气度为24.15m3/(m2˙min)，约为覆膜抗静电聚酯针刺毡的7倍，而其最大孔径约为覆膜抗静电聚酯针刺毡的9倍。
针刺过滤材料孔径及孔径分布对过滤效率和阻力有直接影响，随着非织造过滤材料孔径的增大，过滤效率降低。当纤维直径较为接近时，孔径越大，孔径分布分散程度越高，过滤效率越低，过滤阻力越小。
针刺过滤材料过滤效率随粒径的增加而增加，并且覆膜滤料的过滤效率明显高于普通针刺毡滤料，对于0.23～1.0μm的微细颗粒物而言，覆膜滤料分级过滤效率可达到80%左右，为普通针刺滤料的2～4倍。覆膜滤料的阻力也同样大于普通针刺毡滤料，当过滤风速为1.5m/min时覆膜抗静电针刺毡阻力达到265.5Pa，阻力远大于其他4种针刺毡滤料。