一、研究背景

近年来，随着我国工业的迅速发展，大气颗粒物污染也在逐年加剧。燃煤电厂等行业所排放的粉尘，尤其是PM_2.5对环境及人类健康产生极大的负面影响。大气颗粒物尤其是PM_2.5颗粒物粒径小，采用覆膜滤料作为过滤材质的袋式除尘技术可实现对PM_2.5的高效捕集，因而得到了越来越多的关注。

过滤阻力是一项评价袋式除尘器性能优劣和运行成本的重要参数，而过滤式除尘装置的过滤阻力主要由滤饼产生。在一定的荷尘量下，滤饼阻力及能耗主要由滤饼空隙率所决定，而空隙率又与颗粒分布、颗粒间作用力密切相关。1998年L. Bocquet等人在NATRUE上发表了一篇有关液桥力实验研究的文章(两颗粒间形成的液桥如图1所示），证明了颗粒物润湿对颗粒堆积性能、团聚性能的影响作用极其明显。因此空气中水的含量或湿度的大小会影响颗粒之间的堆积行为，进而影响颗粒间作用力。煤炭在进入燃煤锅炉燃烧之前可能要经过洗煤等深加工工艺，而煤燃烧后产生的烟气还要进入脱硫脱硝工艺进行后续处理，这些过程都会带入一定量的水并影响其湿度。不同环境湿度会影响颗粒间作用力，进而影响滤饼层的压缩行为，对滤饼空隙率和过滤阻力有着重要的影响。

图1 颗粒间形成液桥
 

二、实验室研究内容、战略目标与研究方向

近年来，随着国家污染排放标准不断提高，覆膜滤料的开发对袋式除尘的发展至关重要。与此同时燃煤电厂中环境湿度的变化对除尘性能的影响不可忽略。基于以上两点，本课题主要开发了对PM_2.5捕集效率较高的新型PTFE膜复合滤料并研究了环境湿度对袋式除尘过滤性能的影响。

在国家“863计划”等项目的支撑下，本课题组前期致力于PTFE膜制备工艺的研究，已经开发出了孔隙率>75%，孔径在0.2~2μm间可控的PTFE薄膜，其设计使用寿命可达4年。在工业应用中，当过滤风量介于1~1.5m³·m^-2·min^-1之间时，由该薄膜制备的PTFE覆膜滤料空白过滤压降不高于0.15kPa，对微细粉尘（PM_2.5~10）的脱除率高达99.9%以上，粉尘排放浓度低于10mg·m^-3，该成果于2009年获得了国家技术发明二等奖。

在此基础上本课题组研究了不同环境湿度下滤料表面与颗粒间作用力的关系，制备相应的高效超疏水性PTFE膜滤料；并研究了不同湿度环境下颗粒间的液桥力，如图2所示。当相对湿度小于100%时，颗粒坍塌角随环境湿度的增加呈线性增长。当相对湿度达到100%，增大温度，提高绝对湿度时，含水量代替相对湿度成为主要作用，此时颗粒间的粘附力迅速增长。因此，环境湿度可以影响颗粒间作用力，改变滤饼空隙率，进而改变滤饼过滤阻力。

图2 不同环境湿度下1250目滑石粉的颗粒坍塌角
 

在环境湿度对颗粒间作用力研究的基础上，进一步深入研究；利用自主开发的PTFE覆膜滤料作为过滤介质，考察了环境湿度对滤饼过滤阻力、滤饼空隙率以及荷尘量的影响；并在此基础上研究了颗粒性质（粒径分布、形状、表面亲疏水性）在不同环境湿度下对除尘性能的影响。结果如图3~图5所示。

研究结果表明：（1）PTFE覆膜滤料在环境湿度较大的情况下依然具有良好的清灰效果，适用于高湿环境下的袋式除尘；（2）由图3可以看出，随着环境湿度的增加，颗粒间形成液桥的数量增加，导致颗粒间作用力增强，滤饼空隙率增大，滤饼结构更加疏松，滤饼阻力减小。因此在固定的压降上限下，湿度越高，单次过滤周期越长，得到的荷尘量越大，除尘性能越好，但当湿度增大到一定程度后，越来越多的液态水占据颗粒间隙，使得滤饼空隙率降低，除尘性能强化作用逐渐减弱，甚至恶化。因此，环境湿度对除尘性能的强化作用存在最优值。（3）颗粒粒径越小，表面亲水性越强，滤饼阻力上升越快，过滤周期越短（固定压降上限时），荷尘量越小。（见图3，图4）（4）滤饼阻力对环境湿度的响应快慢与颗粒形状无关（见图5）。