１　概 述

1.1　过滤除尘技术发展的轨迹

成都市内的古蜀国金沙遗址博物馆，陈列已有3000多年的“过滤器”—— 设计精美绝伦有填充物的无底大陶罐，用作饮用水的过滤，除去泥沙。这一发明透射出蜀地先民们生活的精彩、浪漫和富足，可看作是当今过滤除尘技术最久远的技术基因。

1972年，笔者曾在重庆九龙电厂见过产于1956年用于烟气CO2测量的热导分析仪，配置有过滤器的取样探头，是事实上的在线分析系统。也是1956年，南分建厂，成为中国分析仪器工业的发端。

1972年那时生产的CO2热导分析仪，SiC材质的探头过滤器由100目改进提高到150目粒度，过滤精度大致达到20um左右。40年斗转星移的今天，不少企业的探头过滤器仍然停留在10～20um低水平。2011年5月参观一家颇具实力的外企，其高端产品第一级探头过滤器的过滤精度就是20um，使用维护要求：三个月整体抽出探头用化学溶剂清洗过滤器，一年内就得更换，其维护量及成本将不堪重负。

德国H&B公司早在上世纪八十年代末，探头过滤器就达到0.3um的高水平，成功用于水泥窑窑尾（样气温度1350℃、粉尘含量2000g/m3）干法高温取样探头，过滤除尘技术已经是一项全面成熟的技术。这一事实印证出本行业现在仍然普遍性的落后，值得质疑和反思。

1.2　对过滤除尘现状的反思

尽管过滤除尘早已成为专业人士关注的焦点，却又如何停滞不前？满足和停留于“能够用”状态，不思进取的行为方式起了很坏的阻滞作用。

专业人士甚至是资深专家都凭着直观技术的技术逻辑思维，一是认为过滤器的精度提高，必然气流阻力就更大，肯定更不适用；二是采用多级过滤组合的技术路线，认为就可提高过滤精度，有几家公司采用三级过滤器的取样探头也只能达到＞2um，但是，还有气流阻力增大和反吹扫效果不佳的后顾之忧。

重庆凌卡公司依靠技术创新和对过滤器多项技术特性的协调，成功将探头过滤器过滤精度（单级）推进到0.3um，膜式过滤器推进到0.05um，并无气流阻力增大的弊端，还有纳米疏水特性、抗污染的新特性。以此事实说明，上述直观的技术逻辑并不正确，成熟技术必须向微观技术和宏观技术延伸和拓展。

2 　大气颗粒物污染的类比启示

2.1　灰霾天气与气溶胶

城市灰霾天气是空气混和烟气颗粒物后的浑浊现象，细粒子特别是超细粒子已成为影响我国城市环境空气质量的主要污染物之一，城市机动车尾气排放引发的PM2.5（即粒径＜2.5um）污染物长时间悬浮在空气中并不沉降，成为突出的污染难题。

气溶胶一般是指＜2.5um的干粒子污染，应该还包括微细液滴。研究表明：＜1um的细粒子在光的散射和吸收中起支配作用，天津市＜1um粒子的消光占总消光的80％。^［2］所以，可认为气溶胶是＜1um的细颗粒物污染，包括粉尘、烟雾、挥发性有机物、水雾等，这就是霾。所谓气溶胶过滤器必须是优于1um，而且应该能够适应微细液雾存在的条件。

2.2　空气质量标准及其监测实例

美国早在1997年制定和执行的空气质量标准是PM2.5，＜35ug/m³。世卫组织也是PM2.5，但是＜20ug/m³。粒径＜2.5um的细颗粒物污染对人体健康（例如心血管疾病）的危害早有国际共识。

中国的空气质量标准从1996年起至今执行的是PM10（即粒径＜10um），临界指数是100（即＜100ug/m³为合格），即便如此低标准，还有约58％的城市不能达标。中国至今未将＜2.5um的细颗粒物列入强制监测的污染物范围，那可是毒性最强的颗粒物，这才会有天气监测报告并无污染，市民却身心深感不爽的怪现象。

天津市用气溶胶粒谱分析仪监测细颗粒物污染的研究表明：粒径＞10um的极少，这却是法定监测目标。污染物主要分布在0.25～0.6um范围，浓度的最高值出现在0.3～0.35um段，占30.8％，＜0.65um粒径的粒子占98.5％。^［2］

北京市2008年奥运会期间的空气质量，无疑是有监测以来最好的，绝对有益于人体健康。此间监测表明：30～50nm（即0.03～0.05um）超细颗粒物占数量浓度比例最大，达到23.5％。^［2］

3　 在线气体分析仪对样气处理的苛刻要求

基于“在线分析系统要有15年寿命周期” ^［3］ 的核心技术理念，样气最好能达到标准气般的优良品质，多数工程应用项目肯定无法达到这一苛刻要求。

分析仪对样气处理的苛刻要求中，最基本也是最重要的一项就是过滤除尘。笔者从日本横河公司IR200型红外分析仪的说明书中，寻找到有数量限制的唯一根据：＜0.3um，＜10ug/m³。“＜0.3um”值已经深入到天津市细颗粒污染物的峰值（0.3～0.35um）范围，所以可将其理解成是合格标准。要使在线分析仪及其在线分析系统真正能够达到10～15年的长寿命，0.3um的“合格”标准肯定还不行。北京奥运期间0.03～0.05um的超细颗粒物标志着特别好的天气，类比同理，0.05um精度过滤的样气就是特别好的样气，值得庆幸的是，这一高标准经过努力是能够达到的。

４　LKF2型疏水超微孔SiC高效过滤元件的气流阻力测试

　  作为国家发展战略的十二五纲要，十分强调新技术、新元件、新材料、新工艺和新装置的应用，在线分析技术的技术进步也应强调新元件的研究及应用。重庆凌卡公司过滤除尘技术先进过滤元件的研究和应用已取得突破性进展，LKF1型疏水超高效聚合过滤薄膜、LKF2型疏水超微孔SiC高效过滤元件相继研发成功，前者用于超高效膜式过滤器（0.05um），后者用于无堵塞连续取样探头的高效过滤（单级、0.3um）。

对于高效的探头过滤元件，包括资深专家的专业人士的最大疑虑，就是气流阻力大会引起探头堵塞的故障。为此或将其过滤精度降低至10～20um，或将过滤元件放大，某大企业的大型过滤元件尺寸是Φ58×Φ38×148，过滤表面积达到270cm²。采用2～3级过滤器组合是另一类型不成功的努力。

凌卡研发的LKF2型探头过滤器有如下优良的综合性能：

• 纳米疏水特性，抗污染和化学腐蚀、耐高温；

• 高效过滤：0.3um  99％；

• 低气流阻力：＜100Pa （Φ42×Φ18×130规格，1L/min流量）

采用“LSC1型超微孔SiC高效过滤元件气流阻力测试装置”，对Φ50×Φ20×135规格的六件LKF2型样品的测试结果（1L/min流量）分别是：74.5Pa  84.3Pa   68.6Pa   66.7Pa   80.4Pa   82.4Pa，平均值是76.2Pa。^［4］

对于推荐的Φ42×Φ18×130规格，过滤表面积只有171cm²,以表面积折算方式得出的气流阻力最大值是104Pa，，平均值是94Pa。

但愿以上测试结果能以正视听：依靠技术创新，依靠深入的技术设计、质量设计和先进的制造、处理新工艺研发的先进过滤元件，完全做到了疏水特性、高效过滤和低气流阻力之间的完善协调，达到“TRIZ（萃智）发明问题解决理论”中最终理想解的境界。

5　无堵塞连续取样探头的技术设计

探头过滤元件只有通过完善的体系性技术设计，融入到干法取样探头系统中去，方能达到无堵塞连续取样的目的，所涉及的技术要素如下：

• 进入探头取样管的粉尘尽可能少：探头安装位置的选择及安装施工都得周到处置；

• 探头结构设计合理：要符合流体力学的技术特性；

• 配置反吹装置：最好同时有内外反吹扫，反吹气路与样气管路最好相互独立，管径匹配得当，反吹装置离探头安装位置最好小于2米；

• PLC程控反吹：合理的脉冲式反吹程序，可在现场根据实际需要修改。非脉冲式的高阻力连续吹扫，技术上十分落后，注定效果不好。

以上完善设计、合理匹配的干法取样探头，如LKP103型中温取样探头，完全能够实现接近免维护的高精度过滤无堵塞连续取样，达到令人满意的协调运行的效果。据拉法基某水泥厂的现场调研，探头之后的管路和部件未出现任何污染现象，后级超高效过滤器的过滤膜片可以一年不更换。^［5］

6　组合式除雾过滤分离器的专利研发

除过滤除尘之外，样气处理另一重要课题是除雾脱水。中国最著名、最古老的中医典藉《黄帝内经》，教人们不生病的秘笈竟然只是简单的“好好吃饭，好好睡觉”两招。样气处理系统技术也有可以类比和联想的两招：“好好过滤除尘、好好除雾脱水”，可使在线分析系统“不生病”，即少故障、少维护、长寿命。

本行业曾经高调肯定自吹扫旋风过滤器和除酸碱液雾的除雾器，现在看来两者在技术上都有某些缺陷和局限。前者过滤元件为不锈钢粉末冶金，过滤精度不高，至少也在2um以上，气流阻力大，如遇湿度大（特别是液态水）时，容易堵塞；旋风分离粉尘和液滴的效果也有限，它没有一个“阀值”，分离＞5um的颗粒物，分离效率才达到90％。后者实际上是作用在松散填充物上的凝结分离，也没有一个“阀值”，难以达到理想的除雾效果。

LKP307型组合式除雾过滤分离器已申请实用新型专利，它组合了高效凝结除雾器、颗粒物（含液滴）高效过滤器、气水分离器、甚至旁路分流器的全部功能。其核心是个LKF2型疏水超微孔SiC高效过滤元件，规格为Φ27×Φ16×50，过滤精度1um  99％，气流阻力120Pa。它的最大优点是基于荷叶那样的疏水特性，并有个1um“阀值”，各种粒度的液雾在其上凝结后逐渐变大，大到一定程度后依靠重力作用落下，实现自清洁。由于疏水，能够穿越而过的微小液雾就少多了，液相水和气相水（即液雾）更是被死死阻隔在“阀门”之前并被分离掉，蒸汽和更微小的液雾，则是其后样气冷凝器的法定任务。

采用LKP307后，即便湿法脱硫的CEMS项目，都无必要再用“水份报警器”。

LKP307T型还可以用作化工行业的取样探头，完全阻断液态水和气态水（＞1um的微细液雾）向后级传输，液态水和凝结之后的液态水借助1/2"取样管回流到工艺管中，不必另外设计排水措施。

7　LKF1型疏水超高效聚合过滤薄膜的过滤机理诠释

LKF1型聚合过滤薄膜有如下优良的综合性能：

   •  超高效过滤：0.3um  99.99999％

                 推定参考值为0.05um  99%,小于纳米尺度（1～100nm）上限的0.1um，优于0.1um就称为超滤（UF）；

   •  低气流阻力：120Pa （Φ50规格，1L/min流量）；

   •  纳米疏水特性：抗水特性5000Pa，抗污染；

   •  强度高：厚度0.36±0.02mm，基材为玻璃纤维，耐腐蚀；

              抗张强度为：纵向（MD）400N/m²、横向（ND）250N/m²；

   •  最高使用温度：200℃；

•  油雾透过率：0.00001（即过滤精度99.99999％）。

特别说明：

 0.3um、99.99999％和油雾透过率的0.00001等数据是采用国际通行的激光粒子法及进口设备检测得出。

LKF1超高效过滤的低气流阻力，包括资深专家在内的专业人士多有疑惑，这是直观技术思维的误导所致，只相信基于拦截机理的“鼠洞要比老鼠大”。超细粒子有不同的过滤机理，这就是微观技术的不同。

LKF1的过滤机理诠释如下：

•  ＞0.3um ：惯性碰撞和拦截，会产生粒子重力沉降，属于机械截留；

•  0.1～0.3um：扩散作用兼有拦截；

•  ＜0.1um：布朗扩散，即范得华力，更多的是物理作用。

其纳米疏水特性是因为具有微/纳米结构的疏水表面。

8  自洁式超高效膜式过滤器的专利研发

采用LKF1型疏水超高效聚合过滤薄膜，现有如下规格的过滤元件：Ф55、Ф50、Ф46.5、Ф38和Ф30等，已开发出LKP300系列超高效膜式过滤器投放市场：

LKP301型（Ф50mm）、LKP302型（Ф55mm）都是面板式安装，膜片可以方便地在线维护或更换。LKP301的有效过滤面积为17cm²，死体积8cm³，气流阻力120Pa。

LKP303A型自洁式超高效膜式过滤器（Ф50mm）为实用新型专利产品，壁板式安装，膜片也可以方便地在线维护或更换，样气进出口之外的第三个接头是排放分离水、凝结液及旁路流的出口，旁路气流对过滤膜片有自清洁功能。

LKP305小型一次性过滤器（Ф30mm）用在分析仪机箱内，作终级保护。

9  初步结论及建言

9.1　类比和联想是本篇论文一再采用的技术思维方法；

     复杂技术难题的简单求解，追求出简单的结果是本篇努力的方向；

“协调性”是本篇取得技术突破和表达突破的关键。

9.2  一种技术要达到成熟技术的境界，专业人士才愿意放心采用。成熟技术应该有如下四个标志性表现：

• 要有一定的理论分析和理论根据；

• 要有精确的技术特性和误差数据；

• 在技术系统内具有协调性表现，并不存在潜在的技术问题；

• 长期工程实践的证明。

9.3　追求最终理想解是可能的

（1）过去将过滤元件仅仅看作一个很直观很简单的零件，依据“TRIZ（萃智）发明问题解决理论”的启发，本篇将其看成一个有生命力的技术系统（小系统或子系统），这是技术进步的第一步。

（2）过滤元件这个小系统也要依靠协调性进化法则才能进化和发展：提高过滤精度和降低气流阻力之间的尖锐矛盾得以化解并取得高度协调。长期以来的不可操作和不可控，如今变得易于操作和完全可控，这是很大的技术优势。40年一筹莫展，今天竟然云开雾散。

（3）过滤元件小技术系统的协调促进和完善了在线分析仪大技术系统和在线分析系统这个复杂技术系统的协调。从而有利于实现工程应用中长期协调运行的总体目标。

（4）凌卡公司先进过滤元件的质量设计和创新研发，加深了对过滤除尘的技术理解，我们才有胆识去追求“TRIZ（萃智）发明问题解决理论”的最终理想解：^［6］

• 保留了原系统的优点；

• 消除了原系统的不足；

• 没有使新系统变得复杂；

• 新系统没引入新的缺陷。

   （5）LKF1、LKF2先进过滤元件对于样气处理系统和在线气体分析系统具有核心价值，在推进低维护量、高可靠性的技术进步方面，具有不可替代的作用。

过滤元件虽小，却有新世纪前沿技术的表现。科技创新取得突破性进展的两大标志性表现是：

•  核心工艺关键参数的完全可控；

•  各级技术系统重要技术特性的协调运行。

参 考 文 献

1  金义忠.在线分析仪器样品处理系统技术的应用及发展，第二届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集，2007：210～216

2  董海燕等.一次连续在线观察分析天津市细颗粒物污染特征，环境监测管理与技术，2010（6）：42～45

3  金义忠、曹以刚.在线分析工程技术导论，分析仪器，2008（5）：39～44

4  LKF2型超微孔SiC高效过滤器测试报告，重庆凌卡分析仪器有限公司，2011.3.26

5  金义忠.拉法基水泥优化控制在线分析系统四年运行的综合调查报告，2010

6  杨清亮.发明是怎样诞生的——TRIZ理论全接触，机械工业出版社，2006：30～32