湿式填料过滤除尘器的性能

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简介： 2003年春夏的SARS令我们空调界的许多学者和工程技术人员进行了深刻的反思。对于人员高度集中场所，防止中央空调通风系统传播疾病成为人们特别关注的问题之一。主要的对策有两种：一种是稀释的方法，即增加新风量甚至采用全新风是预防和控制病毒通过中央空调通风系统传播的方法。但在炎热的夏季，一般的空调通风系统由于运行的经济性和环境保护要求而无法承担过大的新风负荷。另一种是在新风量几乎不变而对回风进行过滤和消毒的方法。细菌和病毒在空气中依附在灰尘或气溶胶上才能生存，因此，在呼吸性传染病高发时期，全空气中央空调系统需要采取过滤、消毒措施以切断细菌病毒的传播途经。
关键字：中央空调 传染病 过滤器 蒸发冷却 填料

1.背景

空气是人类生存必需的极重要因素，也是传播疾病的媒介，为了防止疾病传播，提高人类的健康水平，净化空气极为重要。如何有效预防和控制传染病病毒通过办公楼、候机楼、火车站、商场、写字楼、宾馆等人员集中场所的中央空调通风系统传播是人们特别关注的问题之一。增加新风量甚至采用全新风是预防和控制病毒通过中央空调通风系统传播的最有效方法，但在炎热的夏季，一般的空调通风系统不能承担较大的新风负荷，因此必须对回风进行消毒和净化。

对于浮游在空气中的微生物，如细菌、立克次氏体和病毒等，在空气中难于单独生存，而是以群体方式存在，大多附着在空气中的粉尘上，形成浮游的生物粒子。细菌单个大小约为1～100μm，病毒单个大小约为0.008～0.3μm，立克次氏体单个大小介于细菌和病毒之间。他们群体生存并附着在粉尘上，形成大小一般为5～10μm^【2】的颗粒。空气中的微生物总数受粉尘大小和数量的影响，粉尘颗粒大、数量多，则微生物数量多；粉尘颗粒小、数量少，则微生物数量少^【4】。因此，去除空气中的微生物关键是去除空气中的粉尘及其附着微生物形成的浮游生物粒子，尤其是5～10μm的粒子。

传统空调通风系统采用的除尘装置一般为空气过滤器，其滤层的捕集机理有：惯性碰撞、接触阻留、筛滤、重力沉降、扩散、静电等^【2】，空气过滤器滤层可能是靠其中一种机理工作，也可能是靠其中几种机理的综合作用工作，但它们的共同特点是捕集到的尘粒及其附着的细菌病毒都聚集在滤层上，当累计到一定数量时就可能产生扬尘形象，这就使空气的二次污染成为可能，也是人们担心中央空调通风系统会传播病毒的重要原因。常规的杀菌、消毒办法有紫外灯、消毒剂等，利用它们对空气过滤器滤层进行灭菌消毒处理，其有效性尚不详尽，而对于“非典型肺炎”冠状病毒这样的微生物则更缺少足够的证据。既使较多的细菌和病毒被杀死，但仍然有部分微生物残留在滤层上，对空气仍然具有二次污染的潜在威胁。因此，呼吸性传染病使传统空气过滤器受到严峻挑战，也对中央空调中的空气过滤器提出了新的课题。

本研究以除尘为主要目标，在总结各种除尘器的基础上，提出利用湿式除尘方式来完成中央空调系统的空气净化功能。湿式除尘器具有过滤－清灰同时进行的特点，并且可以与消毒液灭菌相结合。

2．湿式填料过滤除尘器的结构与原理

湿式填料除尘器主要由填料和淋水系统组成。填料可以采用乱堆式或规整式，其特点是单位体积的表面积大，为气液接触提供较大的面积。淋水系统包括淋水器、集水槽、循环水泵、调解阀门、补水管和排污管组成。水通过水泵被送到淋水器中，从填料上方均匀淋激而下，利用水的润湿性和气流的振动作用在填料表面形成均匀的水膜。

填料型洗涤式空气过滤器的机理可归结为：

惯性作用：当尘粒或气溶胶随气流运动逼近填料时，尘粒或气溶胶受惯性力作用来不及随气流转弯而仍向前直行撞进填料表面的液膜中，而后被向下流动的液体带入接水盘；

洗涤作用：由于液体的喷淋，会在填料的空隙间形成液滴或水雾，成为捕尘体。

以上两种机理中，捕尘体都是液体，而液体的流动可以将尘粒、气溶胶带走，从而实现将尘粒、气溶胶与填料脱离。细菌和病毒都是附着在尘粒或气溶胶上的，随着尘粒或气溶胶一起被捕集和脱离，如果喷淋的液体为有效杀毒剂，则细菌和病毒可被杀死，从而使湿式填料过滤除尘器能够对尘粒同时完成过滤、脱离、灭菌消毒三个过程。

填料的材料可选用不锈，这就避免了传统过滤材料易积尘、不易清洗的弊病，捕集的尘粒或气溶胶及其附着的细菌病毒很容易被喷淋的液体带走。

传统空气过滤器捕集到的尘粒及其附着的细菌病毒都聚集在滤层上，而湿式填料过滤除尘器捕集的尘粒或气溶胶及其附着的细菌病毒可随时脱离填料被喷淋的液体带走，克服了传统空气过滤器的一些弊病：对空气造成污染的可能性大大降低；除尘效率随着空气过滤器使用时间增加而下降的可能性大大降低；空气阻力随着空气过滤器使用时间增加而上升的可能性大大降低。利用填料进行湿式除尘，除尘器的压力损失较小，水泵无需提供很高的水压力，可节省水泵能耗。另外，使用填料进行湿式除尘，还可以与气态污染物的去除及恶臭气体的生物法去除相结合。^【3】

3．性能的实验研究与分析

3.1．实验说明

湿式填料过滤除尘器的除尘效率实验是在过滤器性能测试风道中进行的，空气中的粉尘计数浓度采用激光粒子计数器进行测量，以计算计数效率。文中所指的除尘效率为大于等于某一粒径的总除尘效率：

粒径d的粉尘总除尘效率；

进口空气中粒径d的粉尘计数浓度；

出口空气中粒径d的粉尘计数浓度。

实验是在室内进行，尘源为室内大气尘，过滤处理后的空气被排到室外。采用的填料为规整式金属波纹刺孔填料，填料表面经过防腐处理。

3.2．实验结果分析

本研究所用填料比表面积为500m²/m³，其厚度均为100mm，为增加除尘效率，填料共选用两块并沿气流方向前后放置，其总厚度为200mm。实验中的迎面风速为风量与填料迎风面积的比值，单位为m/s；淋水密度为淋水量与淋水断面面积的比值，单位为kg/m²s。除尘效率测试为筛上累计计数效率，采用激光粒子计数器进行前后端粉尘计数浓度测试。

经实验测试，在迎面风速为1.5～2.8m/s，淋水密度为0.94-2.36kg/m²s的变化范围内，本湿式除尘器对1μm粉尘除尘效率可以达到25～40％， 3μm颗粒的除尘效率为78～95％， 5μm颗粒的除尘效率为75%～98%，压力损失范围在30～130Pa。

图2－4分别给出了不同粒径颗粒在不同迎面风速情况下的除尘效率与淋水密度的关系。从图中可以看出，对于1μm颗粒的除尘效率随迎面风速的增加而减少，对于3μm和5μm的除尘效率随迎面风速的增加而增加。这是因为对于1μm颗粒的除尘机理中扩散作用占有重要地位，而扩散作用随风速的增大而减弱，使小粒径粉尘的去除效率降低；对于3μm和5μm以上颗粒的除尘机理主要依靠的是惯性碰撞和接触阻留作用，随风速的增加而增强，进而使大粒径粉尘的去除效率增强。

图2 不同淋水密度时1μm颗粒除尘效率与迎面风速的关系

图3 不同淋水密度时3μm颗粒除尘效率与迎面风速的关系

图4 不同淋水密度时5μm颗粒除尘效率与迎面风速的关系

4．其他功能

采用湿式填料过滤除尘器不仅可以有效去除空气中的粉尘及气态污染物，还可以实现下列功能：

1. 中央空调系统中的空气消毒净化：病毒等微生物主要依附在空气中的粉尘上进行传播，在中央空调系统中进行有效的除尘净化并消毒，可以切断病毒传播途径。传统中央空调过滤器一般采用的是纤维过滤方式，多采用初效过滤器，很少采用中效以上过滤器。文献1中提到，初效过滤器要求对5μm颗粒的除尘效率为20％～80％，终阻力为100～150Pa；中效过滤器要求对1μm颗粒的除尘效率为20％～70％，终阻力200～250Pa。采用本研究中的湿式填料除尘器完全可以替代传统中央空调过滤器，一般中央空调机组的设计风速为2.5m/s，采用淋水密度为1.89kg/m²s时，对1μm颗粒除尘效率达到31％，3μm的除尘效率为93％，5μm的除尘效率为96%,而阻力为100Pa，已经达到中效过滤器水平，而阻力相当于初效过滤器。另外，湿式除尘器的循环液体中加入消毒液，可以实现过滤、清灰、消毒等多项功能，并且布膜均匀、带水少。因此，在中央空调系统中采用湿式填料除尘器可以有效解决过滤除尘和消毒净化等问题。

2. 蒸发冷却：实验中通过测试进出口干湿球温度，发现采用该设备可以使空气温度降低5～8℃。在空调或通风中使用时，利用湿式填料过滤除尘器可以对空气进行蒸发冷却处理，可以缩短制冷机开启时间，节省能量消耗。在传染病高发阶段，在循环水中加入低挥发、无害的消毒液，仍然可以保证该设备的安全使用，并对空气进行净化、消毒。

3. 冬季加湿：采用湿式填料过滤除尘器可以对空气进行加湿处理，进而提高工作或生活区域的舒适性。

5．结论

1．湿式填料过滤除尘器是一种高效率低阻力的空气净化装置，大气尘计数效率达到中效过滤器的水平，而空气阻力低于传统初效过滤器的平均值。

2．空气经过湿式填料过滤除尘器的过程既是过滤净化过程，同时也是加湿冷却过程。因为液体的循环喷淋，液体的温度近似等于空气的湿球温度，而空气状态变化过程近似等焓过程。经过过滤器过滤后的空气在夏季与表冷器进行热湿交换时，由于全热交换的动力是焓差，所以并不会增加表冷器的负荷。冬季使用湿式填料过滤除尘器，可以使室内空气含湿量增加，提高舒适性，但加热器的负荷略为增加，不过按夏季工况选择的换热器用作冬季加热时有足够的裕量。

3．湿式填料过滤除尘器可以实现过滤、清灰、消毒相结合，对改善空气品质、节约能耗和预防传染病毒通过通风系统进行传播具有很好的作用，具备健康、舒适、节能的特点。

参考文献：

1．逢增志.净化空调用过滤器.医药工程设计.1998(1)：34-38；

2．陆亚俊等.暖通空调.中国建筑工业出版社.北京.2003；

3．郭静，黄焱歆.生物滤池与固定－悬浮填料复合式生物膜反应器除臭.中国环境科学. 1999,19(1)：-59-62；

4．胡家骏，周群英.环境工程微生物学.高等教育出版社.上海.1988。