老化对钢铁行业中滤袋效率和服务寿命的影响

《Separation and Purification Technology》：Impact of aging on the efficiency and service life of filter bags in the steel industry

工业老化对meta-aramid滤材的结构与性能影响研究，比较了针刺法与液压成网工艺滤材在工业使用3-4年后的过滤效率、机械强度及纤维形态变化，发现液压成网滤材老化后仍保持更优的稳定性与低残余压降。

　　

安娜·克里斯蒂娜·科埃略·维埃拉（Ana Cristina Coelho Vieira）|保罗·奥古斯托·马奎斯·查加斯（Paulo Augusto Marques Chagas）|拉斐尔·萨蒂姆（Rafael Sartim）|莫妮卡·洛佩斯·阿吉亚尔（M?nica Lopes Aguiar）

巴西圣卡洛斯联邦大学（Federal University of S?o Carlos）化学工程研究生项目，地址：Rodovia Washington Luís, s/n, 13565-905, 圣卡洛斯, SP

摘要

工业活动是颗粒物排放的主要来源，尤其是PM_2.5和PM₁₀，这些颗粒物对人类健康和环境构成威胁。袋式过滤器是控制这些排放最有效的技术之一，其效率和耐用性取决于过滤介质的物理完整性。然而，长期处于恶劣的工业环境中会导致过滤介质逐渐磨损，即发生老化。了解这种工业老化如何影响过滤材料的结构、形态和过滤性能对于提高其耐用性和性能至关重要。本研究评估了在钢铁厂脱硫过程中使用三年和四年的 meta-aramid 过滤介质与未使用过的参考（新）过滤介质之间的差异。这些过滤介质采用两种纤维缠结技术制造：针刺毡（needle-felt）和水力缠结（hydroentanglement），并根据 VDI 3926 标准通过脉冲喷射清洗法进行测试。新的针刺毡过滤介质的过滤周期比新的水力缠结过滤介质更长，但收集效率相似（分别为 99.98% 和 99.99%）；而在老化后，水力缠结过滤介质表现出更好的稳定性、更低的剩余压降以及更长的过滤周期，而针刺毡过滤介质的效率略有下降（约 99.7%）。老化导致纤维形态、渗透性和机械完整性发生显著变化，进而影响剩余压降和过滤时间。这些发现表明，长期的工业环境暴露会显著改变过滤介质的性能，因此在为长期工业应用选择过滤器时，必须同时考虑介质的老化情况以及设计参数和材料特性。

引言

工业过程中的颗粒物排放被认为是空气污染的主要来源之一，尤其是细颗粒物如 PM_2.5（<2.5?μm）和 PM₁₀（<10?μm），它们对人类健康和环境构成严重威胁[[1], [2], [3]]。由于袋式过滤器具有高收集效率，并且能够在恶劣的工业环境中运行，因此被广泛用于减少这些排放。然而，这些过滤器的长期效率和耐用性取决于过滤介质的物理完整性和稳定性，而这些特性会在长时间使用过程中逐渐退化[[4], [5], [6], [7], [8]]。这种退化通常被称为老化，会导致结构、形态和化学变化，从而显著影响过滤介质的功能性能[[9]]。

过滤介质的老化是一个复杂的现象，受多种因素影响，包括颗粒沉积、热暴露、脉冲喷射清洗带来的应力以及粉尘与纤维之间的化学反应。这些因素会导致纤维变脆、表面活性丧失、孔隙率和渗透性变化以及机械强度下降[[10], [11], [12], [13]]。例如，对 P84 过滤袋的研究表明，使用十个月后，其收集效率仍接近 100%，但拉伸强度和机械完整性明显下降，显示出逐渐的退化[[14]]。Hoque 和 Dolez 的另一项研究[15]发现，meta-aramid 纤维在仅 14 天的紫外线暴露后，其撕裂强度就下降了约 87%，这表明环境和操作条件会加速纤维的老化。这些研究强调了老化机制强烈依赖于材料组成和操作环境，物理和化学退化都会导致长期性能下降。

尽管有这些宝贵的见解，但大多数研究仍依赖于加速实验室模拟来重现老化过程，通过控制热、湿度或颗粒负荷来进行实验[[8],[16],[17],[18]]。虽然这些实验提供了相关信息，但它们无法再现真实工业环境中温度、湿度和颗粒组成动态变化的复杂多应力条件。因此，关于实际工业操作下老化的长期影响仍知之甚少。只有少数研究[14]分析了实际使用多年后的自然老化过滤介质，尽管这样的分析对于验证加速老化模型和制定预测性维护策略至关重要。

在这种情况下，本研究旨在评估在钢铁厂脱硫过程中使用三年和四年的 meta-aramid 过滤介质与新的（未使用的）参考介质之间的差异。研究考虑了针刺毡和水力缠结两种纤维结构，它们对气流阻力、清洁过程中的颗粒释放以及整体过滤行为有不同的影响。通过结合形态观察和根据 VDI 3926 标准进行的过滤性能测试，本研究全面评估了工业环境中过滤介质的老化机制。这些发现有助于改进过滤器设计、选择和维护方法，强调了工业老化作为影响长期性能和耐用性的关键因素的作用。

材料与方法

颗粒样品和过滤介质来自一家正在运行的钢铁厂。过滤袋来自一个具有六个腔室的袋式过滤系统，该系统配备了脉冲喷射清洗系统。本研究中评估的过滤介质由 100% meta-aramid 纤维制成，采用两种不同的纤维缠结技术制造：针刺毡和水力缠结。提供了六个过滤袋，每个过滤袋的尺寸为 4267?mm：两个新的过滤袋（一个采用针刺毡工艺，另一个采用...

结果与讨论

了解颗粒物的物理和化学性质及其与过滤介质的相互作用对于理解其过滤性能至关重要。这些知识有助于识别影响过滤性能的因素，并指导改进颗粒捕获和延长过滤器寿命的策略。

颗粒物质的具体质量确定为 2.8477?±?0.0036?g/cm³。其中值空气动力学直径为 2.642?±?0.18?μm，表明有一半的颗粒直径小于该值。

结论

研究结果表明，工业老化对 meta-aramid 过滤介质的结构和功能性能有显著影响。新样品的水力缠结过滤介质表现出更低的渗透性、更厚的纤维直径以及更低的固体体积分数，这些特征降低了颗粒穿透介质的能力，促进了主要依靠表面过滤的清洁过程，从而提高了清洁效率。

作者贡献声明

安娜·克里斯蒂娜·科埃略·维埃拉（Ana Cristina Coelho Vieira）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目管理、方法论制定、实验设计、数据分析、概念化。保罗·奥古斯托·马奎斯·查加斯（Paulo Augusto Marques Chagas）：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。拉斐尔·萨蒂姆（Rafael Sartim）：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、实验监督、资源协调。莫妮卡·洛佩斯·阿吉亚尔（M?nica Lopes Aguiar）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、结果验证、实验监督、资源协调、资金申请、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）[资助编号：131790/2022-6]、巴西高级人才培训协调机构（Finance Code 001）、ArcelorMittal [资助编号：027670/2024-97]以及圣保罗州研究基金会（FAPESP）[资助编号：2023/18068-2]的支持。同时也要感谢联邦大学的环境控制实验室 I（LCA）和结构表征实验室（LCE）的帮助。