有效的预过滤提高HEPA过滤器效率

作者：Porvair过滤集团 Chris Chadwick

欢迎访问e展厅 展厅 6 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, ... 美国能源部（DOE）于1992年和1997年公布的数据表明，在核能产业领域，一次性玻璃纤维HEAP（高效微粒空气）过滤器组的相关成本达到了每年5500万美元。该成本计算是基于1987年至1990年间每年使用的HEPA高效过滤器的平均值- 11748块。研究发现，该成本当中的5000万美元都用在了过滤器的安装、测试、拆除和处理方面（这些估算中所用的生命周期成本实际上是以1987年至1990年的数据估计值为基础来计算的）。 以上数据的作者还认为，到1995年时，由于冷战的结束，HEPA高效过滤器的使用数量下降到了每年约4000台。[HEPA高效过滤器元件的使用数量与武器装备相关的活动密切相关。冷战结束意味着与武器装备相关的活动减少，因此，美国能源部用在该领域中的HEPA高效过滤器的数量也随之减少。]使用与之前相同的成本参数来计算，能源部为每年4000台高效过滤器花费的年成本约为2950万美元。 在这些成本中，一台过滤器本身的价值为300美元，而在每台过滤器周边的花费就达到了4450美元。显然，如果能减少4450美元的这部分花费，那么就能极大地节省成本，此外还能显著减小废弃物排放所造成的负担。 业内人士致力于研发出一种成本低、使用寿命长（可清洁）的直接替代方案来取代传统的过滤器组。在本文中，我们讨论一种可供选择的方案，它能够防止粉尘杂质落入并堵塞HEPA高效过滤器，因此无需替换。该方案采用一个分离系统，该系统本身不会增加废弃物负担，而只不过是将堵塞尘埃转移给用户来处理。 显然“低成本”与“不锈钢HEPA”不可兼得。初期工作表明，流量达28m3/min (1000ft3/min) 的不锈钢高效过滤器在研发之后的商业可行成本为5000美元。而工业化地生产这样一个部件的实际成本大约为15000美元。既然是这样，那么从经济角度而言，用可清洁式金属替代品来取代传统的玻璃纤维高效过滤器完全不合乎常理。 为了保护传统的玻璃纤维高效过滤器，防止它们被污染堵塞，需要减少它们的生命周期成本，减少最终的废弃物排放量。 关于自清洁HEPA高效过滤器的一项研究表明，即使当达到了HEPA高效过滤器组的机械寿命极限时，还可以将污染物的程度减到很低，以至于其最终处理的分级也能够被进一步修改而进一步减少成本。 脉冲喷吹过滤技术使用金属过滤介质，它是一种实用的并且得到业界认可的方法，利用该方法可以防止固体颗粒到达HEPA高效过滤器组，并使固体返回至操作员处以待处理，同时也并不干扰整个系统内的工艺流程。有现场经验可以证明该观点。 将少量的粉尘返回给用户处理具有显而易见的好处，如果不这么做，就会导致过滤器组的大部分被污染和堵塞。 成本效益分析表明，这种减小HEPA成本的根本性解决方案的确有效。对该技术及其在其他领域应用的介绍阐明了这样一个事实，即在需要粗效除尘或者粉尘回收的情况下，或者在无法应用传统HEPA技术的极端条件下，金属过滤系统能够（并且确实）提供经济且切实可行的解决方案。 使用可清洁和重复使用的传统HEPA过滤器机架带来了几个难题。首先，清洁方法本身会产生更多的废物，超过了过滤器元件所排放的废物量，特别是当该清洁方法使用液体溶剂、水或者酸时。制造过滤器介质本身的材料必须能够经受得住严苛的清洁操作，并且在清洁之后依然具有可靠、可重复的过滤性能，在重新安装之前必须对过滤性能进行测试。有一种显而易见的方法可以解决一台耐用的过滤器所面临的这些问题，那就是使用金属介质，但是这又接着引发了关于重量问题的担忧。 此外，如果某些过滤元件在经过清洁之后无法恢复原来的性能，不能通过效率测试，那么不论是将其压碎或者燃烧，都无法使它的废物量减小到与传统玻璃纤维底座相同的程度。正如前面所指出的那样，成本也是一个重要的问题。 此外，金属介质的渗透性是能够保证HEPA效率的关键，但是已经证实这种渗透性差得令人失望，这就意味着必须使这类系统的规模变大，或者使它们的压降变大。无论哪种情况都会使成本增大，既包括初期建设费用，也包括生产成本。 问题的另一方面是工艺HEPA过滤器的“非标准”使用。高性能、金属HEPA显然在核能产业中占有一席之地，但是它们的应用不可避免地受到限制。 传统的HEPA过滤器系统有一些应用限制，妨碍了它们在核能产业中解决许多过滤问题；尤其是在以下应用中，例如，使用或者保存寿命长、放射性高、危险的分解产物、化学腐蚀、有机溶剂、工作温度升高，以及防火、防潮。通过使用金属过滤器介质，能够解决其中的某些问题；包括在WIPP（位于美国墨西哥Carlsbad的废弃物隔离示范工厂）长期存储超铀废物；长期存储用尽的或者破损的燃料组件；手套箱通风 ；储藏罐通风 ；在高温时对焚烧炉、玻璃化过程、转换或烧结炉进行通风排烟 ；以及在气冷反应堆中，碘吸收器下游的应用。 HEPA保护 显然，减少HEPA高效过滤器的使用，并由此降低其成本的最经济、最环保的方法并不是开发可清洁的金属HEPA。 这种方法不仅被证实其初期建设投资和工作成本昂贵，而且完全不能减少最终的废物处理量，因为经过清洁工艺之后的过滤器，其高效过滤的可靠性尚未得到证实。此外，该方法也没有考虑到以下两点，一是为了满足现有的压力损失规定，必须增加过滤器的数量，二是为了使泵送空气穿过渗透性较差的金属元件，不得不耗费更多的能源成本。 用于保护HEPA不受环境污染的技术（使用传统的玻璃纤维本体）是令人满意、易于理解并且可靠的，最好就这样保留下来。但是，应该将这些HEPA过滤问题公认的解决方案同污染微粒的问题区分开来，那些微粒最终会导致必须更换过滤器壳体。 如何保护HEPA高效过滤器或者过滤器组不被粉尘堵塞？显然，HEPA过滤器的前端过滤器能够防止大量粉尘进入高效过滤器，但是这只不过是将排污问题转移到了上游而已，所以它并不是一种令人满意的解决方案。 一种令人满意的解决方案采用了创新的技术，该技术将使用寿命较长的金属过滤器介质与一种有效的在线清洁方法二者相互结合，它不仅能在不干扰工艺流程的前提下清洁预过滤器，而且能增加清洁工艺中额外气体的绝对极小值。如果设计正确的话，这样一个系统能够返回给用户少量微尘，然后由用户单独处理它们，而不是将这些粉尘封闭在大得多的玻璃纤维HEPA过滤器介质阵列中。 金属过滤介质 金属介质在机械强度、耐温性、湿强度和耐化学性等方面具有显而易见的优点。 此外，金属介质还意味着可以用冲击波或者逆向气流来清洁设备，这些方法能够在一定程度上清除之前收集的固体颗粒。过滤器介质横截面的厚度越薄，附着在过滤器介质上的固体颗粒就越容易被清除。厚度越大，则介质上的固体颗粒越容易卡在介质内部，导致永久堵塞。 业内一般使用三种常用的金属介质——金属烧结粉末、烧结金属纤维以及烧结金属筛网。除了这些，还有诸如筛网/纤维和粉末/筛网的复合结构。一般认为烧结筛网适合于小于10 μm的过滤应用，它通常不适合于HEPA保护。 烧结金属粉末过滤器采用滤后的金属粉末制成。这些微粒呈天然不规则形状或球形，大小通常在1-100 μm的范围内。在烧结之前，将这些粉末平铺成平板状，或者将它们装在一个模具内，并对它们加压。最后生成的多孔介质孔隙率为30%-50%，而且非常坚固耐用。 低孔隙率导致了低渗透性，并且制造方法本身限制了介质的几何形状，它们多为简单的圆柱状过滤器，因此造成其底部同现有的纤维技术相比更大。研发的新技术使用精密薄膜覆盖在粗糙的过滤器结构体上，使其过滤效率提高，渗透性增强。 烧结金属纤维介质是由烧结金属纤维随机铺放而成（非织造）的一种交错阵列，如图2所示。 烧结金属纤维介质具有传统玻璃微纤维介质的诸多优良特性，其中包括随机铺放的非织造微细纤维，这使得该介质能实现亚微细粒范围内的高效过滤。除此之外，它们还具有高孔隙率和高渗透性的特点，并且能够打褶，这使得它与其他可选材料相比能够减小整个系统的尺寸。 它的其他特性包括热稳定性好、耐化学性和耐辐射性强，适用于高温、高机械强度和低压力损失的场合，并且能够打褶，这些特性使得该介质能够用于特殊的HEPA应用工艺，并且能够提供HEPA保护。 HEPA预过滤（延长HEPA的使用寿命） 从水泥厂到制药和石化工厂等众多环境，普遍采用逆流冲洗方法来清洁金属、陶瓷和高分子过滤器。其工作原理为人们所熟知，并有文献记载。 对于金属纤维，颗粒堆积在过滤器介质表面是从气流中清除和回收污染物的基础。通常，不对称的纤维结构利用覆盖在外表面上的微细表层来实现最大化的表面过滤。向过滤器的洁净面引入快速的压缩空气脉冲从而形成压力冲击，接着，气流反向运动并带走过滤器上的杂质微粒层，这样就能使过滤器焕然一新。固体颗粒层的清除依赖于两个机制，一是压力突然升高发出冲击波，二是逆向气流。 最终，如果逆流清洁中迫使粉尘层运动离开的力超过了使粉尘层附着在过滤器介质表面的力，那么粉尘层就能被清除。金属纤维介质的极高孔隙率/渗透性使得传送到介质界面的力大于烧结金属粉末过滤器。过厚的横截面以及缺乏渗透性的介质分界面都将吸收压力前端能量，而这些能量携带着清除被收集的固体颗粒所需的原动力。 在HEPA高效过滤器组的上游安装脉冲喷吹过滤器系统实际上能够阻止几乎所有固体颗粒到达HEPA高效过滤器组，在0.5μm时的过滤效率超过了99.9%，具体取决于其应用。HEPA过滤器系统典型地使用0.2/0.3μm范围内的单分散性DOP/ONDINA进行测试。这是因为超过了这是因为在气体过滤中，超过了些引起颗粒捕捉机制（即直接拦截、惯性碰撞和布朗运动）的颗粒，其最小效率的尺寸范围总是在0.15/0.3范围。这就意味着，确定该尺寸范围内过滤效率的试验足以向操作者表明，在所有其他尺寸范围内的效率将会更高。 但是，这并不代表实际应用中的情况。一个5μm颗粒的体积是0.3μm颗粒体积的4630倍（如果材料相同，那么质量的倍数也是如此），是0.15μm颗粒体积的37000倍。虽然HEPA高效过滤器组足以满足0.15-0.3μm单分散微粒的过滤需求，但是实际应用中各种不同的微粒尺寸却向它们提出了挑战。虽然可以辩解说，就人类保护而言，极精细端的效率显得更重要（可以在别处进行讨论，但是它超出了本文的观点），但是毫无疑问，质量过载是微粒大小引发的问题。 在工业应用中已经证实，脉冲喷吹滤器长期工作在多种载荷下。此外，当出现故障导致过滤器堵塞时，可以通过正常使用清洁系统在线恢复过滤器。而且，使用这样的系统能够从气流中分离出大量固体颗粒，并其回收固体以供重用或者处理。 该设施可用于保护HEPA高效过滤器组，使得HEPA过滤器能够发挥它们真正的作用，即保护环境。因此，这样能够避免处理大量的HEPA过滤器组件，而只需处理少量的污染性固体，否则它们将会造成过滤器堵塞，可以从系统中回收它们并单独处理。 除此之外，防止固体颗粒进入HEPA有利于对它们重新分类，并且有助于在临近其机械使用寿命极限时，花费较少的成本去处理它们。 如果采用了不堵塞的原则，那么HEPA过滤器本身（与技术相对）的发展旨在延长HEPA的机械使用寿命，这样也能够降低成本并减轻处理残留物的负担。 如果原来对周边成本的估算足够准确，并且对年成本约为2950万美元的后续估算足够可靠（估算的依据是更换大约4000个过滤器，并且通过使用可重用的HEPA前端过滤器组件节省了1660万美元），那么这个可供选择的解决方案也能实现相同的价值，节省相同的资金。 但是，还有一点也很明显，节省了1660万美元是以一台5000美元的“可清洁式”HEPA为基础计算得出的。在这种情况下，如果一台1000cfm的金属HEPA过滤器实际工业价格接近15000美元，那么开发可清洁式HEPA的原始经济依据就不准确了。节省的1660万美元实际上可能是2200万美元的成本。 长期采用自清洁预过滤措施来防止HEPA过滤器组堵塞，显然为核能行业提供了减少成本的机会。但是，最激动人心的事情恐怕还是传统HEPA行业开始着手改变其产品的材料。再加上有效的自清洁预过滤，这样就能长期，甚至无限期地使用不会堵塞的HEPA。(end)

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