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我國袋式除塵高溫濾料的應用現狀及發展趨勢

作者:Admin 來源:中國大氣網 發表時間:2018/12/13 13:52:27 查看:
      綜述了我國袋式除塵高溫濾料在燃煤發電、垃圾焚燒發電、水泥工業等工業領域的應用現狀以及高溫除塵濾料未來的發展趨勢。

      袋式除塵技術自1886年問世至今,發展迅猛,其應用量占各類除塵技術總量的60%~70%。這主要是由于袋式除塵器的除塵效率高,捕集粒徑范圍大,能適應高溫、高濕、高濃度、微細粉塵、吸濕性粉塵、易燃易爆粉塵等惡劣工況條件,因此,近年來袋式除塵技術在工業領域的應用也越來越廣泛。作為袋式除塵器核心配件的濾料,也隨著袋式除塵器的發展而不斷地創新與進步,并在燃煤發電、垃圾焚燒發電、水泥等工業領域的應用中發揮著重大作用。

      1、我國袋式除塵高溫濾料在工業領域的應用現狀

      1.1 在燃煤電廠的應用現狀

      20世紀90年代前后,由于設計、運行沒有掌握引進技術的要點,國內多家火電廠應用的袋式除塵器出現運行阻力過大、濾袋破損嚴重、除塵效率不能達到設計要求且維護量大等情況,使袋式除塵器成為火電廠的禁區。而在國外,特別是美、加、澳等國的大型布袋除塵器在火電廠應用發展迅速,并且從反吹型向低壓脈沖型、長袋外濾型轉變,濾袋壽命達到3年以上,粉塵排放濃度在30mg/m3以下。2001年后為適應不同煤種的需要,通過技術引進,袋式除塵器再一次在國內燃煤電廠嘗試應用。特別是在內蒙古豐泰電廠、河南焦作電廠、北京第二熱電廠、赤峰富龍熱電股份公司、富龍熱電廠等項目上的成功投運,標志著袋式除塵器在燃煤電廠的應用是可行且可靠的[1]。這些項目在濾料的選型上,大部分采用進口的聚苯硫醚(以下簡稱PPS)濾料,該濾料是由PPS纖維經無紡針刺、燒毛軋光、化學處理等多種技術集成制作而成,可在160℃的溫度下連續運行,瞬間可承受210℃高溫,是一種綜合性能較好的過濾材料,在燃煤電廠得到了大力推廣與應用。

       PPS纖維具有優異的耐化學腐蝕性(200℃下無溶劑可溶),理論上在190℃具有長期使用的熱穩定性、阻燃(LOI≥35)、耐輻射和良好的機械性能及優良的電絕緣性能等特點。國外將其作為高技術、高性能纖維,美國聯邦商業委員會認可PPS為一種新的纖維大類。PPS具有突出的耐化學穩定性,僅次于聚四氟乙烯纖維,在極其惡劣的條件下仍能保持其原有的性能。能抵抗酸、堿、烴、酮、醇、酯、氯烴等化學品的侵蝕,在200℃下不溶于任何化學溶劑;只有強氧化劑(如濃硝酸、濃硫酸和鉻酸)才能使纖維發生劇烈的降解。

      近年來,PPS在廣泛應用與推廣的同時,也出現了濾袋失效的案例,特別是在一些煤質變化較大、煤含硫量較高的工況下,PPS濾料投入運行時間不長,就發生了大規模破袋的情況。如山西某熱電廠,在一年內連續出現4臺爐布袋嚴重破損失效,失效原因主要為低溫酸結露腐蝕濾袋,其纖維的微觀分析如圖1、圖2。

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       為了應對惡劣的煙氣工況,近年來,國內科研院所、濾料廠商研發了抗氧化、耐酸、抗結露的濾料,推出了諸如PPS(PTFE基布)濾料、PPS混紡PTFE復合濾料、PTFE混紡P84復合濾料及100%PTFE濾料等多種新產品,這些產品再經過有效的化學后處理,在一定程度上改善了純PPS濾料抗氧化性較差的不足,現已在國內部分高硫、高氧、高溫的項目上應用,但使用效果尚有待時間的檢驗。

     1.2 在垃圾焚燒發電領域的應用現狀

      垃圾焚燒是一種對城市垃圾進行高溫熱化學處理的技術,焚燒處理是實現垃圾無害化、減量化和資源化的最有效的手段之一,是未來垃圾處理的發展方向。為了防止垃圾焚燒產生“二次污染”,尤其是需要解決垃圾焚燒尾氣中的二英的問題,必須對焚燒產生的煙氣進行嚴格凈化。在我國頒布的《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485-2001)中特別規定:生活垃圾焚燒爐除塵裝置必須采用袋式除塵器。然而由于采用不同的焚燒技術(目前主流的爐排爐、循環流化床技術煙氣成分及性質對比見表1),生活垃圾焚燒煙氣凈化袋式除塵器濾料的選擇具有很大的難度。

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      垃圾焚燒爐袋式除塵器采用的濾料主要有PPS濾料、P84濾料、玻璃纖維膨體紗及覆濾料、玻璃纖維針刺氈、PTFE纖維復合濾料和GORE-TEX等品種,其他的還有PTFE纖維或者PTFE覆膜濾料。其中使用比較廣泛的是PPS濾料和P84濾料,尤其在國外的垃圾焚燒爐袋式除塵器中,這兩種濾料的使用量較大;玻璃纖維膨體紗覆膜濾料和玻璃纖維針刺氈在我國和日本等國家使用得比較普遍。而在我國,由于垃圾成分及焚燒煙氣成分較為復雜,近年來的發展趨勢是采用100%PTFE濾料。

      國內垃圾焚燒技術采用循環流化床技術的一般選材都是基于PPS濾料及其復合濾料,但應用效果并不理想,一般壽命在1年左右。在機械爐排爐焚燒技術上,由于煙氣溫度、濕度大,含氧量高,因此在濾料選材上的難度較大,早期選用較多的是玻纖覆膜濾料,但使用效果參差不齊,隨著100%PTFE濾料國產化進程的推進,不管是流化床焚燒技術還是機械爐排爐技術,采用100%PTFE濾料已是大勢所趨。

       PTFE纖維的最大優點是耐化學腐蝕,俗稱“塑料王”,在300℃下除熔融的堿金屬外,幾乎不受任何化學試劑腐蝕,并不溶于所有溶劑,在濃硫酸、濃硝酸、濃鹽酸,甚至王水中煮沸,其質量和性能也都沒有任何變化。PTFE纖維不吸潮、不燃燒,對氧和紫外線穩定,耐候性能好,密度為2.28~2.29g/cm3,具有蠟感,產品有天然深棕色和天然漂白色。由PTFE纖維制成的濾料實際工況使用溫度可達240℃,可在各種強腐蝕性的工況下使用,但需特別注意的是,100%PTFE濾料由于纖維特殊,制氈難度大,工藝復雜,因而針刺氈成型后需進一步經過表面處理及化學處理,確保針刺氈的纖維間的纏結與抱合,改善表面效果,以保證排放合格和使用壽命。

       1.3 在水泥工業領域的應用現狀

        新修訂的《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB4915-2004)中規定的煙塵排放濃度限值從過去的100mg/m3變成50mg/m3,有的城市和地區的標準嚴于國家標準,煙塵排放濃度限值規定為30mg/m3,甚至10mg/m3。嚴格的排放要求,隨著新型干法技術的廣泛應用,推動了袋式除塵器在水泥行業應用的發展。水泥生產企業對大氣環境的污染中,有70%來自窯頭、窯尾。從國內袋式除塵器在水泥行業這幾年的應用情況看,主要的濾料種類為玻纖加覆膜、芳綸(Nomex)、P84濾料等。


       前幾年,水泥窯尾大量采用的是玻纖加覆膜濾料。因為玻纖加覆膜濾料的表面覆有一層微孔PTFE薄膜,所以具有較高的過濾效率和良好的清灰性能,但其對膜的依賴性較大,生產、安裝、使用要求較高,而且對PTFE薄膜的質量及覆膜工藝要求極高,且玻纖較脆,耐折性差,宜選擇較低的過濾風速,不宜采用高能型的清灰方式,如選擇不當,容易發生脫膜、破膜現象(如圖3)。

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       P84濾袋是當前水泥窯尾濾料檔次較高的產品,是一種阻燃、耐溫的纖維濾料,在240℃溫度的條件下,P84纖維濾料的機械性能不會發生變化,最高耐溫可達260℃。其另外一個特點是具有異型(葉子型)斷面結構,賦予濾料具有更大的過濾表面積,有優異的過濾性能。其缺點是水解性能較差,不耐堿。目前,P84纖維僅有奧地利Evonik一家公司生產,價格相對昂貴。國產聚酰亞胺纖維已有突破性進展,商品化指日可待。

        窯之星®是窯尾濾料產品中一款具有綜合性價比的濾料(如圖3所示),其過濾性能與P84極為接近,該濾料采用國產高性能芳砜綸纖維添加一定比例的P84纖維,采用“三維非對稱結構”設計,表面經特殊化學處理,具有耐高溫、耐腐蝕高效低阻等優異特性[5]。從2009年面市以來,已在國內5000t/d新型干法水泥窯尾布袋除塵器上得到應用。

       水泥窯頭濾料目前主要采用間位芳綸(Nomex),我國稱之為芳綸1313,是美國杜邦公司在上世紀60年代發明并投入使用的,是一種良好的耐高溫阻燃纖維,在200℃能保持原強度的80%左右,260℃下持續使用100h仍能保持原強度的65%~70%。目前間位芳綸的供應商主要有美國杜邦、日本帝人、中國煙臺氨綸、廣東彩艷、上海圣歐等,芳綸濾料在水泥窯頭的應用已趨于成熟。2010年4月,杜邦公司推出了Nomex的升級產品—Nomex KD纖維,該纖維在原有Nomex纖維中添加了一定比例的凱夫拉纖維,在針刺過程中,凱夫拉纖維會產生原纖化,從而在一定程度上提高了過濾面積,且機械強度、過濾效率和過濾精度得到有效的提高,可以應對排放要求更高的工況。

       2、我國袋式除塵高溫濾料的發展趨勢

       2.1 原料國產化

        高性能纖維是支撐高技術過濾材料的重要原材料,目前在國際纖維市場上,發達國家仍牢牢掌握高性能纖維的核心技術,處于壟斷地位[7]。我國高性能纖維起步較晚,與世界先進水平相比,無論在產品質量、品種、生產規模等方面都有相當的差距。因此國內企業必須重視化纖原料工業的發展,加大科研投入。進一步加快各種高性能纖維如PPS、PTFE、PI、PSA等國產化的進程和規模化發展。

       2.2 生產工藝技術升級

       高性能濾料系指高效低阻、耐高溫、耐腐蝕的過濾材料,目前國內一直是以針刺法為主要生產工藝,而在國外,近年來隨著水刺技術的發展,水刺法開始涉足高性能濾料領域,并以較快的速度在發展,而在我國尚未見高性能微孔濾料工業化的報道。針刺法是利用金屬鉤針雜亂無序的纖維互相纏繞抱合從而形成具有一定強度的過濾氈,該法的缺點就是對纖維與基布損傷大,孔徑分布較大,且過濾氈層會產生針眼(粉塵容易切入);水刺法是以高壓、高密度水針代替機械鉤針(如圖4),因而可最大限度減少對纖維和基布的損傷,同時避免出現針眼(如圖5),孔徑分布小且平均孔徑更小,真正實現“高效低阻”的優異性能,因此水刺無紡布將是未來高端過濾材料的代表。

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        2.3 產品應用標準化、專業化亟待完善

       高溫除塵濾料隸屬于工業用紡織品,然而其應用領域覆蓋電力、水泥、垃圾焚燒、鋼鐵、冶金等領域。目前我國紡織行業有1300多項標準,已基本形成一個與產品體系相配套的行業標準體系,但是隨著結構調整和產業升級的推進,我國紡織行業現行標準體系已不能滿足產業發展的需要。特別是在工業用紡織品快速發展的同時,卻沒有相應的標準做參照,高溫除塵濾料就是其中最為典型的一個例子,現普遍參照的標準主要有《袋式除塵器用濾料及濾袋技術標準》(GB/T12625-90)(已廢止)、《袋式除塵器技術要求》(GB/T6719-2009)、《袋式除塵器用濾料》(HJ/T 324-2006)、《袋式除塵器用覆膜濾料》(HJ/T 326-2006)、《袋式除塵器 濾袋》(HCRJ 015—1998)等2項國家標準和3項行業標準。這些標準僅僅規定了濾料的機械性能指標和表觀參數,且適應性較差。特別對于一些特殊纖維濾料,實際市場上的產品指標與標準要求偏差較大,在產品出現問題時,無章可循,造成市場混亂。針對濾料產品專業化標準的缺失。2009年,由機械工業環境保護機械標準化技術委員會及大氣凈化設備分技術委員會提出的2項行標《 燃煤電廠鍋爐尾氣治理袋式除塵器用濾料標準》、《垃圾焚燒發電尾氣治理袋式除塵器用濾料標準》正式立項并已形成送審稿正向行業專家征求意見。這無疑推動了高溫濾料產品的標準化、專業化工作,為更多的專業化標準的制定奠定了基礎。

       3、小結

       隨著經濟的持續快速發展,新的環境問題不斷出現,使本已十分嚴峻的環境形勢面臨更大的挑戰:電力、垃圾焚燒、水泥、鋼鐵、化工等重污染行業將繼續發展,加大了污染控制和生態保護的難度,高溫濾料作為環保產業發展的戰略產品,需進一步加快產業升級與技術升級,不斷完善產品的標準化、專業化,促進我國袋式除塵高溫濾料的可持續發展。


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