《Process Safety and Environmental Protection》：Synergistic matching mechanism and filtration-cleaning characteristics of two-stage metal mesh-fibrous filtration system
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摘要在高粉尘工业环境中，纤维过滤技术受到快速积累的操作阻力和显著缩短的清洁周期的根本限制。然而，关于适用于高浓度粉尘环境的可再生多级过滤系统的先前研究仍然有限。为了解决这一问题，构建了一个包含金属预过滤器和纤维主过滤器的预过滤性能测试系统。通过单级和两级操作测试，系统地研究了压降
摘要
在高粉尘工业环境中，纤维过滤技术受到快速积累的操作阻力和显著缩短的清洁周期的根本限制。然而，关于适用于高浓度粉尘环境的可再生多级过滤系统的先前研究仍然有限。为了解决这一问题，构建了一个包含金属预过滤器和纤维主过滤器的预过滤性能测试系统。通过单级和两级操作测试，系统地研究了压降变化趋势和颗粒沉积特性，并揭示了预过滤器孔径匹配对压降分布、过滤性能和粉尘容纳能力分配的影响。结果表明，适当的过滤器组合可以在过滤初期优化颗粒分布，从而延长系统的有效运行时间。此外，通过反向清洁实验评估了不同过滤器组合的清洁难度。基于微观形态分析，揭示了局部清洁现象与粘附力之间的关系。通过全面性能评估，确定了最佳过滤器组合（M1-300、M2-800和M3-600）。最后，进行了多周期脉冲喷射清洁实验以模拟实际应用场景。结果表明，在多周期操作中加入预过滤器可将系统的有效运行时间延长18.33%，清洁周期间的平均运行时间从901秒延长至1067秒。本研究旨在为高浓度粉尘环境中的两级粉尘去除系统的结构设计和优化提供实际策略。
引言
颗粒物（PM）在人为产生的环境中普遍存在，尤其是在工业生产过程中（冶金、隧道挖掘、采矿、水泥和化工制造（Adekunle, 2024; Li et al., 2021; Niu et al., 2026; Wang et al., 2026））。长期接触工业颗粒物与严重的呼吸系统疾病和其他职业健康风险相关（Mao et al., 2025, Wang et al., 2025）。为了减轻与颗粒物相关的健康危害，开发并升级高效稳定的粉尘去除技术是平衡环境保护和职业暴露干预的关键措施。
由于其优异的颗粒物捕获效率和相对的成本效益，纤维过滤已成为室内空气净化和工业粉尘去除领域的主流技术（Kim et al., 2020, Yang et al., 2025）。然而，传统的单级纤维过滤在高粉尘负荷的工业条件下存在明显的局限性。现场调查显示，工业粉尘产生工作场所（如采矿和隧道挖掘现场）的粉尘浓度可达到10^2 mg/m^3（以下简称高浓度工业粉尘），在活跃粉尘产生区域附近的浓度可达到数百mg/m^3（Li et al., 2025a, Liu et al., 2023）。在高粉尘负荷条件下，粉尘结块迅速形成，增加了过滤阻力并缩短了清洁间隔，从而需要更频繁的再生，可能增加能源消耗和过滤介质的降解（Li et al., 2023; Li et al. 2019a）。这些局限性促使人们使用上游预分离或多级过滤来减少和重新分配施加在主过滤器上的颗粒负荷。
目前，纤维过滤领域的主流预分离措施可以分为三个主要方向：旋风预分离、静电预收集和多级过滤。为了克服传统垂直旋风的巨大尺寸限制，轴向旋风已成为相关领域的一个突出研究方向（Li et al., 2024）。研究表明，轴向旋风具有更流畅的流场和更低的操作压降（Li et al. 2025）。旋风分离受颗粒大小、气流速率、叶片间距和出口几何形状的影响；当与下游纤维过滤器结合使用时，优先去除粗颗粒可能会在残余气溶胶中富集细颗粒，促进更不透气的沉积并加快主过滤器的压降增长（Acharya et al., 2023, Dziubak et al., 2021）。然而，旋风分离对气流速度敏感，在低速条件下的效率可能会下降。静电预收集是另一种有效的方法，AHPC系统中大约有60%的颗粒被上游静电部分捕获，尽管其应用可能受到设备占地面积、运行成本和系统复杂性的限制（Tu et al., 2017）。
传统的两级过滤系统通常结合了一个粗预过滤器和一个高效主过滤器，并已广泛用于需要严格控制颗粒物的环境，如暖通空调系统、微电子和生物制药洁净室（Chen et al., 2026, Jeong et al., 2021）。先前的研究主要研究了气溶胶特性、过滤速度和过滤介质选择对这些系统加载性能的影响（Tian et al., 2019a, Tian et al., 2021）。然而，大多数传统两级系统在相对较低的粉尘负荷下运行，并采用负载-处理策略，这无法解决高浓度工业过滤所需的重复加载-清洁周期问题。因此，迫切需要开发适用于工业粉尘控制的可再生两级过滤系统。可再生金属过滤器具有高渗透性和低操作阻力，提供了一次性预过滤器的潜在替代方案（Lee et al., 2023b）。然而，金属预过滤器的拦截特性应如何与纤维主过滤器的加载特性相匹配，目前尚不完全清楚。特别是，预过滤器拦截强度、分阶段颗粒负荷分配、压降重新分配和主过滤器利用率之间的关系尚未系统建立。以往关于过滤器再生的研究主要集中在优化清洁设备和脉冲喷射参数上（Geng et al., 2025, Li et al., 2019b）。尽管单级清洁研究取得了进展，但预过滤器孔结构和过滤匹配对颗粒脱落、剩余压降和两级过滤系统多周期再生稳定性的影响仍不够清楚。这些知识空白限制了高粉尘负荷可再生过滤系统中预过滤器与主过滤器的合理匹配。
为了解决这些研究空白，开发了一套包含金属预过滤器和纤维主过滤器的两级过滤系统。系统地研究了预过滤器孔结构和主过滤器性能对压降演变、阻力分配、分级过滤效率和DHC分布的影响。通过分别监测预过滤器和主过滤器的压降来表征两个过滤阶段之间压降优势的动态转移，同时利用特定阻力和颗粒沉积形态来解释相应的加载行为。进一步进行了逆流清洁和多周期脉冲喷射清洁测试，以评估过滤器匹配对剩余压降和再生稳定性的影响。研究发现为可再生两级过滤系统中过滤器组合的选择和优化提供了机制基础。
章节片段
实验设置
为了评估两级过滤系统的过滤和清洁特性，构建了预过滤动态性能测试系统。该系统主要由过滤部分、颗粒生成单元和数据采集系统组成。过滤部分包括过滤介质性能测试平台（SA-PIV-01，Shian Health Co., Ltd，中国江苏），以及一个双层过滤器支架（定制制造，三层结构，用于容纳
过滤介质的初始过滤性能
如图6所示，两种类型的过滤器初始压降都随着过滤面速度的增加而线性增加。主过滤器的初始压降并不随基重的增加而一致增加，这主要是由于M2过滤器的粘结面积大于M3过滤器（图2b–c），导致其对气流穿透的阻力更大。相反，M1过滤器的初始压降相对较低，与其较高的空气
结论
本研究开发了一种包含金属预过滤器和纤维主过滤器的两级过滤系统，以研究过滤、颗粒沉积和清洁特性。系统地评估了两个阶段之间的相互作用对粉尘容纳分配和清洁难度的影响。在单级操作下，主过滤器容易形成密集的粉尘 cake，导致压降迅速增加，而预过滤器上的颗粒沉积则进行得相对较慢
未引用的参考文献
(Lee et al., 2023a, Manisalidis et al., 2020)
CRediT作者贡献声明
Gengjun Li：验证、数据管理。Fubao Zhou：监督、资源获取、概念化。Hao Jin：写作——初稿、正式分析、数据管理。Fanbo Jin：验证、数据管理。Kunkun Tu：验证、数据管理。Tianxiao Zhang：验证、数据管理。Shuda Hu：写作——初稿、验证、正式分析。Hui Cheng：写作——审阅与编辑、可视化、资源管理、项目协调。Shihang Li：监督、资源管理、资金提供
利益冲突声明
作者声明我们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金[项目编号52474259/52404265]、江苏省自然科学基金[项目编号BK20241648]和中国博士后科学基金[项目编号2024M763559]的支持。
利益冲突
我们声明我们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响这篇题为“协同匹配机制和
Hui Cheng|Shihang Li|Shuda Hu|Hao Jin|Fanbo Jin|Kunkun Tu|Tianxiao Zhang|Gengjun Li|Fubao Zhou
