《Separation and Purification Technology》：Method and mechanism for enhancing the service life of a two-stage filtration system based on intermittent vibration
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针对高浓度粉尘环境下两阶段过滤系统（TSF）高效过滤器寿命受限问题，本研究提出间歇振动清洁方法，显著提升服务寿命48.89%，并建立数学模型优化清洁周期，为系统设计提供理论依据。
陈峰|余文翰|丁浩鹏|孙然波|吴晓琳|纪中立
中国石油大学机械与运输工程学院过程流体过滤与分离重点实验室，北京102249，中华人民共和国
摘要
高效过滤器具有优异的过滤精度，但其使用寿命相对较短，导致维护和更换成本增加。两级过滤（TSF）系统是延长高效过滤器使用寿命的有效策略；然而，在高浓度粉尘条件下，其延长运行寿命的效果受到显著限制。本研究介绍了一种基于间歇振动的动态除尘方法，应用于TSF系统，使使用寿命提高了48.89%。此外，系统分析了振动参数和清洁周期长度对除尘效率的影响，并建立了数学模型以确定最佳清洁周期。结果表明，预过滤器材料（PRF）在振动过程中的高效除尘性能对于成功实施TSF系统的动态除尘至关重要。关于振动参数，振幅对PRF的除尘效率起着决定性作用。这主要是因为增加振幅可以增强振动加速度和传递效果，从而加强颗粒间的惯性力。在深度过滤和过渡阶段适当缩短清洁周期有助于延缓粉尘饼的形成。在表面过滤阶段，最佳清洁周期由周期性压降（Δp_growth）的增加和除尘压降（Δp_clean）的减少共同决定，两者之间存在对数关系。当Δp_clean与Δp_growth的比值为1.1–1.2时，除尘效果达到最佳，从而最大化使用寿命。
引言
高效过滤器作为一种能够有效捕获颗粒杂质的设备，已在化学工程、环境保护和安全等领域得到广泛应用。然而，高效过滤材料的细纤维和小孔径导致颗粒拦截过程中压降迅速增加，从而带来粉尘容纳能力有限和使用寿命较短等问题。通常需要定期更换过滤材料，这会带来材料、人力和维护停机的额外成本[1]、[2]、[3]、[4]。因此，在实际应用中提高高效空气过滤器的粉尘容纳能力和延长其使用寿命至关重要。
根据过滤理论[5]、[6]、[7]，具有更细纤维和更小孔径的高效过滤材料可以捕获更小的颗粒，但压降增加速度较快。相比之下，具有较粗纤维和较大孔径的低效过滤材料的过滤效率较低，但压降增长速度较慢。基于这一理论基础，提出了采用两级过滤系统（TSF）来延长高效过滤器的使用寿命[8]、[9]、[10]。该系统包括位于前端的预过滤器材料（PRF），用于去除较大颗粒，以及位于后端的高效过滤材料（HEF），用于捕获小于1微米的细颗粒[11]、[12]、[13]。其原理是在颗粒到达下游HEF之前，由上游的PRF先捕获大颗粒，从而减轻HEF的颗粒负荷并延长其使用寿命。
以往关于TSF的研究主要集中在分析PRF和HEF材料的选择，以及研究操作参数（颗粒大小和过滤空气速度）对系统过滤性能的影响[14]、[15]、[16]。研究表明，当气溶胶主要由大颗粒组成时，PRF可以显著降低HEF的压降增长速度，有效提高整个过滤系统的粉尘容纳能力并延长其使用寿命[14]。PRF不仅需要实现足够高的过滤效率以最小化HEF的颗粒负荷，还需要保持较慢的压降增长速度以实现预期的使用寿命延长[15]。通常情况下，当杂质为微米级时，TSF系统可以有效提高高效过滤器的粉尘容纳能力和使用寿命。然而，在粉尘浓度极高的环境中（如工厂、沙漠和矿山），PRF的孔隙可能会迅速被粉尘堵塞，导致过滤器使用寿命的改善效果不明显。因此，必须在定期TSF系统维护中实施适当的除尘方法以延长其使用寿命。
目前，脉冲喷射清洁是最广泛采用的除尘方法之一[17]，因为它可以在清洁过程中不中断过滤气流的情况下有效清除粉尘颗粒[18]、[19]。通常，脉冲喷射清洁周期有两种模式：按需清洁和定时清洁[20]。按需清洁是在过滤介质两侧的压降达到特定阈值时去除颗粒，而定时清洁则是在固定间隔（周期时间）内去除颗粒[21]、[22]。许多研究从设备配置、位置、持续时间和脉冲压力等方面优化了脉冲喷射清洁系统，从而提高了清洁效率[22]、[23]、[24]、[25]，从而延长了过滤器的使用寿命。然而，尽管脉冲喷射清洁方法在清除过滤器中的粉尘方面效果显著，但它有两个主要局限性。首先，由于脉冲喷射气流的方向与过滤气流方向相反，清洁过程无法在过滤器下游提供连续稳定的气流，从而降低了进气效率。其次，脉冲喷射清洁系统的运行依赖于压缩机和压缩空气储存设备的协同工作。对于空间受限的应用环境，安装此类辅助设备具有挑战性，大大限制了脉冲喷射清洁系统的实际可行性。
总之，目前尚未针对高浓度粉尘环境中的狭窄空间和需要稳定流场的情况开展针对过滤清洁方法的研究。振动清洁方法具有简单的机械要求、可靠的运行方式，且不会影响进气流场的稳定性。它常用于清洁静电除尘器[26]。对于纤维过滤器，这种方法的清洁效果相对较弱，因为它只能去除较大的颗粒，通常用于低精度纺织过滤布。鉴于TSF系统中PRF的过滤精度较低，可以利用振动清洁方法对TSF系统进行动态清洁以延长其使用寿命。在专利“手动旋转粉尘振动装置”[27]中提到了振动清洁方法，该专利通过旋转板实现高频振动来清除粉尘堵塞。然而，目前尚无关于该振动清洁方法在TSF系统中的清洁效率或工艺机制的报道。
本研究开发了一种基于振动的除尘过滤实验装置，以研究不同振动清洁模式对TSF系统过滤过程的影响。提出了一种适用于TSF系统的间歇振动动态除尘方法。传统的机械振动清洁通常是在过滤周期结束后离线进行的，而提出的间歇振动方法可以在过滤过程中直接去除粉尘。这种方法的优势在于无需停机即可保持连续运行，从而延长过滤器的使用寿命。该方法有效延长了过滤系统的使用寿命，同时不会影响进气流场的稳定性。基于气固过滤和颗粒粘附理论，阐明了TSF系统中粉尘沉积和动态除尘的机制。研究发现，PRF的高效除尘能力是实现TSF系统动态除尘成功的关键因素。随后，系统分析了振动参数（振幅、频率、持续时间）和周期间隔对PRF除尘性能的影响。根据除尘过程中的压降变化特性，建立了数学模型以确定各种振动条件下的最佳除尘周期。该模型能够精确确定最佳除尘周期，从而最大化TSF系统的使用寿命。本研究的结果为过滤器的设计优化提供了新的见解和理论基础。
材料
TSF系统由PRF和HEF组成。PRF选用了G4级聚酯纤维过滤介质，HEF选用了玻璃纤维过滤介质。它们的主要参数列于表1中。使用厚度计测量了每种过滤介质的厚度。使用扫描电子显微镜（SU8010，日立，日本）拍摄了每种过滤介质的SEM图像，并从这些图像中随机选取了至少50根纤维来计算平均纤维直径。
过滤过程
图3显示了气固过滤过程的典型压降曲线。过滤介质对颗粒物的过滤过程一般可分为三个阶段[30]、[31]：深度过滤阶段、过渡阶段和表面过滤阶段。深度过滤和表面过滤之间的过渡发生在高过渡点和低过渡点之间，这些点对应于沉积颗粒物的质量
振动对TSF系统过滤过程的影响
在本节中，首先在无振动实验条件下研究了PRF、HEF和TSF系统的压降增长过程。然后详细分析了不同过滤介质上的粉尘沉积机制。随后，研究了连续振动和间歇振动对TSF系统压降增长过程的影响。研究发现，间歇振动使过滤系统实现了动态除尘。
结论
在高浓度粉尘环境中，TSF系统在延长高效过滤器使用寿命方面的效果有限。通过分析振动条件下的过滤过程压降曲线变化，本研究开发了一种适用于TSF系统的间歇振动除尘方法。该方法使TSF系统的使用寿命延长了48.89%，从而降低了能耗和维护成本
作者贡献声明
陈峰：撰写——初稿、方法论、资金获取、概念构思。余文翰：撰写——初稿、研究、数据整理。丁浩鹏：方法论、研究。孙然波：方法论、研究。吴晓琳：监督、概念构思。纪中立：验证、监督、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：22008259）和中国石油大学北京前沿交叉学科探索研究计划（授权号：2462025XKQY003）的支持。
