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工业空气过滤领域内的技术创新
作者:Anthony Bennett
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干燥机/空气净化/空调展厅
加湿器, 工业吸尘器, 吸尘枪, 空调/中央空调, 臭氧发生器, ...
为应对气候变化,欧洲和美国所出台的立法焦点发生了变化,本文着眼于这些变化,以及这些变化如何促进空气过滤技术的革新,以满足更高的能效目标和更加精细的分离水平。

本文将介绍来自两个领先制造企业的不同技术,以及一个来自荷兰的工业化过滤案例。

能源效率与精细分离

在所有的空气和气体过滤技术应用中,过程流体通过过滤器时产生的压力降就意味着能量损失,而这些能量不得不通过整个系统来弥补,结果导致能源成本的增加。压力降,或者压力差越大,过滤和分离系统所需要的能量就越多。这种情况在大规模工业应用中更为显著,例如除尘系统在工业中的应用,气体涡轮机的空气吸入或排气过程。除了这些能量损失的经济意义,在全球范围内,要求工业行为尽可能降低能耗的立法压力也进一步增大。

就过滤而言,能源的高效利用与为更先进的工艺过程提供更好的分离水平这两者之间的驱动力互相矛盾。这些对立的要求很难相互妥协,因为传统意义上具有高分离效率的过滤器需要在更高的压力降下进行操作。

然而,在过去二十多年中,人们在研发具有更低内部压力降和更精细的分离水平的过滤器上做了大量工作,很多这类设计都采用了Hollingsworth & Vose 公司和 Donaldson公司独立开发的产品。现在用类似“节能”或者“低阻流”等字眼进行产品宣传是很普遍的。以下章节将详细介绍具体的进步和创新,我们主要关注汽车行业和其他的工业空气过滤行业。

发达国家试图通过减少温室气体排放来缓解气候变化所带来的影响,为此,它们修改了立法,这促进了一系列研发活动的开展。例如在欧洲,英国政府已经制定了一项法定目标,那就是:到2020年,要比1990年减少26%的二氧化碳排放;到2050年,要减少所有温室气体排放的80%(包括来自航空和海运的气体排放)。在欧洲的带领下,2010年上半年,美国奥巴马政府开始采取行动致力于达成至2030年减少美国原油消耗35%的目标,由此达到所期望的温室气体减排目标。鉴于最近发生的Deepwater Horizon事故(即墨西哥湾钻井架爆炸事故)和原油泄漏事件,以及由此在墨西哥湾产生的重大环境影响,奥巴马政府已经承诺将推出一项措施来暂停近海的石油开采项目。原油泄漏产生的影响显然十分广泛,并且有可能加速美国原油减量使用目标的推进步伐,同时促成更多的能源减量措施,尤其是在汽车行业中。

为了应对这种新的法律和政策框架,汽车制造商已经开始加速实施新的传动技术。他们现在正积极地从多方面重新设计车辆外观,以优化空气动力学性能,并且通过减少整个车体的重量来减少摩擦阻力,节约燃油,并提高能源效率。

上述所有的这些措施反过来加剧了对高性能空气过滤介质、过滤器设计和整体系统设计的需求。随着在过滤介质技术和过滤介质加工方面取得的最新进步,具有革命性的过滤产品现在已经可以使系统设计师降低他们的运行成本,获得显著的能源成本节省,提供产品性能的提升,并且符合最高的质量标准。

革新

◆汽车过滤

正是在上述推动力的作用下,过滤介质的研制企业Hollingsworth & Vose公司已经推出了两个新系列的产品—CapaceonTM介质和NANOWEB®介质,这些都反映了人们对更高的单位过滤处理能力和在较低压力降下更高过滤效率的进一步需求。

Hollingsworth & Vose公司的全球市场管理总监Andrew Shepard告诉我们 :新的传动技术,汽车前端更加高效、阻力更低的空气动力学设计,以及为了满足更高的节油标准所使用的更大的冷却组件,导致汽车生产商在发动机里留下的用于安装空气过滤装置的空间越来越少。

Shepard说 :“我们的新过滤介质可以帮助生产商们以各种形状和尺寸来设计过滤系统,从而适应现在的引擎舱或者普通安装位置之外的新位置。”

Capaceo是一种新型的高性能车用空气过滤介质,保持了现有的购买成本,但是却打破了重量和介质性能之间的传统联系。Hollingsworth & Vose公司称 :水基和溶剂基的两种Capaceon介质都可以提高20-50%的容尘量,并且,与市面上通用介质相比,提高了同样克重下的初始效率。这就通过提供一个更高层次的发动机保护水平和一个更长的服务周期,而为客户创造了更多的价值。加上极高的抗水性,该介质可以在更小更灵活的组件中产生更高的性能。

同样,尺寸更小的进气系统,因为可以放入不尽如人意的某些车辆部位,能够帮助设计者通过更为有效的设计来减少车辆的重量,同时改进车辆的空气动力性能。

为了满足已经提出的温室气体减排要求,新的车辆更要保持环境的清洁,事实上是要求比现在进气口排放的废气具有更低的颗粒物浓度。进气装置里面存在的煤烟颗粒,典型粒径是60-100nm的范围,会缩短大多数滤清器的寿命。主要介质和重型卡车的滤清器生产商在他们的产品中选用了Hollingsworth & Vose公司的NANOWEB介质,因为实际的测试已经证实,该项技术可以提升设备的保护性,延长滤清器的服务周期,同时,比其他介质拥有更低的过滤压力降。NANOWEB介质提供了更低的初始压力差和更高的分级效率。

NANOWEB介质为0.3-0.5μm的纤维过滤器超滤颗粒,像烟道颗粒,但是却可以有效地防止堵塞,这就显著地提高了服务寿命。客户的总成本可以减少,同时也可以为达到新的环保条例作出直接的贡献。图片1为NANOWEB介质在纤维素基体上的一个扫描电子显微镜截面图。

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大多数车辆使用集中空气流量计(MAF)传感器监测数据以优化发动机燃烧效率,而且满足节油和排放标准。汽车空气装置应用中,以溶剂为基础的NANOWEB介质专门设计用于大排量轻型车,在这类应用中,需要将油加入过滤介质中以满足高容量要求。将NANOWEB滤材引入到这些过滤应用中,则消除了对油的需求。这使灵敏的MAF传感器和其他电子设备受污染的可能性降到最小,进而反过来又帮助发动机保持理想的节油率和排放性能。Hollingsworth & Vose公司也为重型汽车或越野车的空气过滤装置,以及大尺寸燃气涡轮和除尘系统提供NANOWEB介质。

◆工业过滤

最常用的两种空气或气体过滤器是圆筒式过滤器或称袋式过滤器,以及平板过滤器。平板式过滤器更多地被使用在商业和工业应用中的加热、通风和空调系统中(HVAC)。

袋式过滤器则普遍应用在更大规模的工业空气过滤系统中。圆筒式或袋式过滤器被放置在筒形外壳内,一系列的这种过滤器组成了一个袋式除尘系统。气流通从外到内地通过滤袋,将固体颗粒积累分离在外部,并可通过使用压缩空气的脉冲式反吹进行清扫。尽管通常都采用非制造滤材,但是因为织物材料在脉冲反吹的过程中的弯曲特性,它们在袋式除尘器的应用中仍然占有重要地位。因此,它们可以打碎累积而成的粉尘滤饼,使它们从除尘袋中掉落并清除。

过滤系统及替换零件的全球领先的供应商Donaldson最近推出了Synteq XP?压缩空气用滤材。该公司称,这款产品可以较大地提高过滤效率,同时也因为更低的过滤介质压降而减少了能耗,节能效果高达40%(见图2)。新的过滤介质结合了一种独特的纤维混合物,使用了一种新的生产工艺,这项生产工艺不需要使用粘合剂。

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Donaldson公司称,终端用户每年可以节省“三到四位数欧元”的能源成本。此外,借助专门设计的滤袋,组装和维护都得到了简化。这些优势通过在ISO 12500-1标准下对特性数据的检测得到了证实,这些数据显示,在每小时1100立方米的流量下,每年可以节省1500多欧元。这在滤材成本经常超支的情况下是非常好的,这甚至也考虑到了滤袋的成本。

PowerCore®除尘技术也表现了同样的节能潜力,Donaldson公司认为,这项技术要优于以往的袋式除尘器单元,并且还会显著降低操作成本。采用了这项技术的Donaldson过滤元件与相同处理风量的袋式除尘器相比,可减小70%的体积。例如,之前装备了81个2.4米长的滤袋被12个PowerCore过滤元件所取代。传统的滤袋更换时间长达10分钟,而新式的PowerCore过滤器的更换时间只有2分钟。过滤元件的更换是一个相当清洁的过程,因此维护起来也非常方便。

Donaldson公司将其在重型车辆上进气系统滤清器的设计经验转移到公司除尘器技术的研发上。PowerCore过滤元件结合了先进的过滤器生产技术和专利的Ultra-Web®纳米纤维技术。与进气滤清器相似,滤材打褶成凹形滤槽,加上层叠式的滤材,形成紧密坚固的过滤元件结构。这样的设计使之与一般滤材(如聚酯毡)相比,其滤槽表面可以捕捉更多粉尘。此外,不仅表面过滤的效果大大提高了,专利的脉冲清灰技术还提高了过滤性能,降低了能耗。

在过去的几年里面,过滤行业一直在寻求一种玻纤毡滤材的合成替代方案,使用该材料能够以更低的能耗提供更好过滤性能。为了解决这一问题,Hollingsworth & Vose公司设计开发了一种名为Nano WaveTM的合成材料,这是一种环境友好型大表面积高蓬松材料(见图3)。为ASHRAE(美国采暖、制冷和空调工程师协会)开发的这种材料,通过在HVAC袋式过滤介质市场的应用证明,这种材料拥有三倍于传统滤材的容尘量。

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NanoWave是唯一一种可以在性能上和放电后的玻纤毡持平甚至超越的合成滤材。不像传统的合成滤材,需带静电。NanoWave是一种机械过滤材料,它可以以一半的阻力,表现出相同的过滤效率,且在其整个过滤周期中始终保持一致的过滤性能。在一些对高效率和低压差提出更高要求的应用环境下,NanoWave滤材可以通过施加静电来满足要求。在既定效率下,更低的压力差能够大大降低空气处理装置的能量消耗。

相比于以往的合成材料,Hollingsworth & Vose公司革新性的NanoWave合成材料也提高了滤袋的制造和安装效率,同时还令这些过程更加清洁。为了满足ASHRAE袋式除尘标准而设计的NanoWave材料,可以使用传统的ASHRAE滤袋生产设备进行产品的生产,例如传统的线缝和超声波装置,从而避免了转换生产设备导致的巨大花费。

NanoWave滤材不需要像玻纤滤材那样在过滤器的运行、安装和使用过程中发生纤维脱落的情况,却能得到和玻纤毡同等水平的过滤性能。NanoWave材料较好的挺度可以允许适当的滤袋开口,并且可以在不同的HVAC系统中保持它自己的形状,减少启动时间,提高效率。这种滤材的特殊设计还允许其通过焚烧处理,降低后期处理所产生的影响,减少对环境产生的压力。这些优势使之从滤袋的生产、安装,到最后的替换都大大提高了产品价值。

案例分析——生产矿棉绝缘材料

这里讨论的PowerCore技术被用于一家荷兰的矿棉绝缘材料生产企业Isover(见图4)。Isover用一个紧凑型的PowerCore单元替代了原有的管状袋式除尘器。

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当除尘设备被用在矿棉绝缘材料的生产过程中时,堵塞阻塞是经常出现的一个问题。纤维常常出现缠卷和桥接的情况,如果它们从软化炉中取出,则有可能会粘在一起。

Isover公司的项目工程师Renevan Gurp说:“当这台在裁切和堆垛工位处的过滤器达到了它的性能极限时,我们就想安装一个新的袋式除尘装置。”

Isover公司同意在PowerCore产品正式投放欧洲市场之前试用这个新产品,测试其使用性能。Renevan Gurp说 :“在长达400个小时的测试中,这个过滤装置在任何时间都没出现堵塞的情况,压力差稳定在25帕斯卡。同时,清洁空气这一边的滤腔非常干净,这令我们印象非常深刻。”

经过了六个月的运行,Isover公司的工程师们仍旧对过滤效果表示满意。Renevan Gurp评论道 :“因为压差没有发生显著增长,所以我们希望这个过滤组件的使用时间能比预期寿命增加一年。在这段时期,我们一次也没有因为该生产线上的过滤器阻塞问题而发生停工的情况。”

PowerCore过滤元件通过计算机模拟流体分析来控制进入的粉尘空气以及经过过滤元件的气流速度,从而避免了过滤元件之间产生桥接问题。专利的斜倾式反吹清灰系统(Oblique Pulse Cleaning System)有效地覆盖整个过滤元件,轻易地将粉尘从滤槽中推出去。因此,桥接和堵塞的问题得到了圆满解决。

结论

在过滤技术领域的一些最新进展,都是基于过滤器的设计和新的滤材技术,这些技术都受到了立法的影响,以应对环境变化和日渐增多的温室气体排放。创新的过滤产品使得过滤系统设计人员和工厂管理者减少他们的运营成本,并在节约能源成本的同时,保证最高的质量标准,用以获得性能的提升。我们在本文中讨论了多种用于工业领域(包括汽车工业以及其他工业应用领域)的空气过滤先进技术,例如Capaceon技术、NANOWEB技术、NanoWave技术、Synteq XP技术、PowerCore技术,以及Ultra-Web技术。鉴于市场对过滤性能的需求还在不断提升,为满足环境保护要求而产生的压力持续增加,以及像纳米技术这样的技术创新逐渐推向市场,未来几年,过滤压力差将很有可能会得到进一步降低。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (1/6/2013)
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