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我国袋式除尘高温滤料的应用

日期: 2019-04-24
浏览次数: 878
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发布日期: 2019-04-24
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综述了我国袋式除尘高温滤料在燃煤发电、垃圾焚烧发电、水泥工业等工业领域的应用现状以及高温除尘滤料未来的发展趋势。

袋式除尘技术自1886年问世至今,发展迅猛,其应用量占各类除尘技术总量的60%~70%。这主要是由于袋式除尘器的除尘效率高,捕集粒径范围大,能适应高温、高湿、高浓度、微细粉尘、吸湿性粉尘、易燃易爆粉尘等恶劣工况条件,因此,近年来袋式除尘技术在工业领域的应用也越来越广泛。作为袋式除尘器核心配件的滤料,也随着袋式除尘器的发展而不断地创新与进步,并在燃煤发电、垃圾焚烧发电、水泥等工业领域的应用中发挥着重大作用。

1、我国袋式除尘高温滤料在工业领域的应用现状

1.1 在燃煤电厂的应用现状

20世纪90年代前后,由于设计、运行没有掌握引进技术的要点,国内多家火电厂应用的袋式除尘器出现运行阻力过大、滤袋破损严重、除尘效率不能达到设计要求且维护量大等情况,使袋式除尘器成为火电厂的禁区。而在国外,特别是美、加、澳等国的大型布袋除尘器在火电厂应用发展迅速,并且从反吹型向低压脉冲型、长袋外滤型转变,滤袋寿命达到3年以上,粉尘排放浓度在30mg/m3以下。2001年后为适应不同煤种的需要,通过技术引进,袋式除尘器再一次在国内燃煤电厂尝试应用。特别是在内蒙古丰泰电厂、河南焦作电厂、北京第二热电厂、赤峰富龙热电股份公司、富龙热电厂等项目上的成功投运,标志着袋式除尘器在燃煤电厂的应用是可行且可靠的[1]。这些项目在滤料的选型上,大部分采用进口的聚苯硫醚(以下简称PPS)滤料,该滤料是由PPS纤维经无纺针刺、烧毛轧光、化学处理等多种技术集成制作而成,可在160℃的温度下连续运行,瞬间可承受210℃高温,是一种综合性能较好的过滤材料,在燃煤电厂得到了大力推广与应用。

PPS纤维具有优异的耐化学腐蚀性(200℃下无溶剂可溶),理论上在190℃具有长期使用的热稳定性、阻燃(LOI≥35)、耐辐射和良好的机械性能及优良的电绝缘性能等特点。国外将其作为高技术、高性能纤维,美国联邦商业委员会认可PPS为一种新的纤维大类。PPS具有突出的耐化学稳定性,仅次于聚四氟乙烯纤维,在极其恶劣的条件下仍能保持其原有的性能。能抵抗酸、碱、烃、酮、醇、酯、氯烃等化学品的侵蚀,在200℃下不溶于任何化学溶剂;只有强氧化剂(如浓硝酸、浓硫酸和铬酸)才能使纤维发生剧烈的降解。

近年来,PPS在广泛应用与推广的同时,也出现了滤袋失效的案例,特别是在一些煤质变化较大、煤含硫量较高的工况下,PPS滤料投入运行时间不长,就发生了大规模破袋的情况。如山西某热电厂,在一年内连续出现4台炉布袋严重破损失效,失效原因主要为低温酸结露腐蚀滤袋,其纤维的微观分析如图1、图2。

为了应对恶劣的烟气工况,近年来,国内科研院所、滤料厂商研发了抗氧化、耐酸、抗结露的滤料,推出了诸如PPS(PTFE基布)滤料、PPS混纺PTFE复合滤料、PTFE混纺P84复合滤料及100%PTFE滤料等多种新产品,这些产品再经过有效的化学后处理,在一定程度上改善了纯PPS滤料抗氧化性较差的不足,现已在国内部分高硫、高氧、高温的项目上应用,但使用效果尚有待时间的检验。

1.2 在垃圾焚烧发电领域的应用现状

垃圾焚烧是一种对城市垃圾进行高温热化学处理的技术,焚烧处理是实现垃圾无害化、减量化和资源化的最有效的手段之一,是未来垃圾处理的发展方向。为了防止垃圾焚烧产生“二次污染”,尤其是需要解决垃圾焚烧尾气中的二英的问题,必须对焚烧产生的烟气进行严格净化。在我国颁布的《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2001)中特别规定:生活垃圾焚烧炉除尘装置必须采用袋式除尘器。然而由于采用不同的焚烧技术(目前主流的炉排炉、循环流化床技术烟气成分及性质对比见表1),生活垃圾焚烧烟气净化袋式除尘器滤料的选择具有很大的难度。

我国袋式除尘高温滤料的应用

垃圾焚烧炉袋式除尘器采用的滤料主要有PPS滤料、P84滤料、玻璃纤维膨体纱及覆膜滤料、玻璃纤维针刺毡、PTFE纤维复合滤料和GORE-TEX等品种,其他的还有PTFE纤维或者PTFE覆膜滤料。其中使用比较广泛的是PPS滤料和P84滤料,尤其在国外的垃圾焚烧炉袋式除尘器中,这两种滤料的使用量较大;玻璃纤维膨体纱覆膜滤料和玻璃纤维针刺毡在我国和日本等国家使用得比较普遍。而在我国,由于垃圾成分及焚烧烟气成分较为复杂,近年来的发展趋势是采用100%PTFE滤料。

国内垃圾焚烧技术采用循环流化床技术的一般选材都是基于PPS滤料及其复合滤料,但应用效果并不理想,一般寿命在1年左右。在机械炉排炉焚烧技术上,由于烟气温度、湿度大,含氧量高,因此在滤料选材上的难度较大,早期选用较多的是玻纤覆膜滤料,但使用效果参差不齐,随着100%PTFE滤料国产化进程的推进,不管是流化床焚烧技术还是机械炉排炉技术,采用100%PTFE滤料已是大势所趋。

PTFE纤维的最大优点是耐化学腐蚀,俗称“塑料王”,在300℃下除熔融的碱金属外,几乎不受任何化学试剂腐蚀,并不溶于所有溶剂,在浓硫酸、浓硝酸、浓盐酸,甚至王水中煮沸,其质量和性能也都没有任何变化。PTFE纤维不吸潮、不燃烧,对氧和紫外线稳定,耐候性能好,密度为2.28~2.29g/cm3,具有蜡感,产品有天然深棕色和天然漂白色。由PTFE纤维制成的滤料实际工况使用温度可达240℃,可在各种强腐蚀性的工况下使用,但需特别注意的是,100%PTFE滤料由于纤维特殊,制毡难度大,工艺复杂,因而针刺毡成型后需进一步经过表面处理及化学处理,确保针刺毡的纤维间的缠结与抱合,改善表面效果,以保证排放合格和使用寿命。

1.3 在水泥工业领域的应用现状

新修订的《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2004)中规定的烟尘排放浓度限值从过去的100mg/m3变成50mg/m3,有的城市和地区的标准严于国家标准,烟尘排放浓度限值规定为30mg/m3,甚至10mg/m3。严格的排放要求,随着新型干法技术的广泛应用,推动了袋式除尘器在水泥行业应用的发展。水泥生产企业对大气环境的污染中,有70%来自窑头、窑尾。从国内袋式除尘器在水泥行业这几年的应用情况看,主要的滤料种类为玻纤加覆膜、芳纶(Nomex)、P84滤料等。

前几年,水泥窑尾大量采用的是玻纤加覆膜滤料。因为玻纤加覆膜滤料的表面覆有一层微孔PTFE薄膜,所以具有较高的过滤效率和良好的清灰性能,但其对膜的依赖性较大,生产、安装、使用要求较高,而且对PTFE薄膜的质量及覆膜工艺要求极高,且玻纤较脆,耐折性差,宜选择较低的过滤风速,不宜采用高能型的清灰方式,如选择不当,容易发生脱膜、破膜现象(如图3)。

我国袋式除尘高温滤料的应用

P84滤袋是当前水泥窑尾滤料档次较高的产品,是一种阻燃、耐温的纤维滤料,在240℃温度的条件下,P84纤维滤料的机械性能不会发生变化,最高耐温可达260℃。其另外一个特点是具有异型(叶子型)断面结构,赋予滤料具有更大的过滤表面积,有优异的过滤性能。其缺点是水解性能较差,不耐碱。目前,P84纤维仅有奥地利Evonik一家公司生产,价格相对昂贵。国产聚酰亚胺纤维已有突破性进展,商品化指日可待。

窑之星是窑尾滤料产品中一款具有综合性价比的滤料(如图3所示),其过滤性能与P84极为接近,该滤料采用国产高性能芳砜纶纤维添加一定比例的P84纤维,采用“三维非对称结构”设计,表面经特殊化学处理,具有耐高温、耐腐蚀高效低阻等优异特性[5]。从2009年面市以来,已在国内5000t/d新型干法水泥窑尾布袋除尘器上得到应用。

水泥窑头滤料目前主要采用间位芳纶(Nomex),我国称之为芳纶1313,是美国杜邦公司在上世纪60年代发明并投入使用的,是一种良好的耐高温阻燃纤维,在200℃能保持原强度的80%左右,260℃下持续使用100h仍能保持原强度的65%~70%。目前间位芳纶的供应商主要有美国杜邦、日本帝人、中国烟台氨纶、广东彩艳、上海圣欧等,芳纶滤料在水泥窑头的应用已趋于成熟。2010年4月,杜邦公司推出了Nomex的升级产品—Nomex KD纤维,该纤维在原有Nomex纤维中添加了一定比例的凯夫拉纤维,在针刺过程中,凯夫拉纤维会产生原纤化,从而在一定程度上提高了过滤面积,且机械强度、过滤效率和过滤精度得到有效的提高,可以应对排放要求更高的工况。

2、我国袋式除尘高温滤料的发展趋势

2.1 原料国产化

高性能纤维是支撑高技术过滤材料的重要原材料,目前在国际纤维市场上,发达国家仍牢牢掌握高性能纤维的核心技术,处于垄断地位[7]。我国高性能纤维起步较晚,与世界先进水平相比,无论在产品质量、品种、生产规模等方面都有相当的差距。因此国内企业必须重视化纤原料工业的发展,加大科研投入。进一步加快各种高性能纤维如PPS、PTFE、PI、PSA等国产化的进程和规模化发展。

2.2 生产工艺技术升级

高性能滤料系指高效低阻、耐高温、耐腐蚀的过滤材料,目前国内一直是以针刺法为主要生产工艺,而在国外,近年来随着水刺技术的发展,水刺法开始涉足高性能滤料领域,并以较快的速度在发展,而在我国尚未见高性能微孔滤料工业化的报道。针刺法是利用金属钩针杂乱无序的纤维互相缠绕抱合从而形成具有一定强度的过滤毡,该法的缺点就是对纤维与基布损伤大,孔径分布较大,且过滤毡层会产生针眼(粉尘容易切入);水刺法是以高压、高密度水针代替机械钩针(如图4),因而可最大限度减少对纤维和基布的损伤,同时避免出现针眼(如图5),孔径分布小且平均孔径更小,真正实现“高效低阻”的优异性能,因此水刺无纺布将是未来高端过滤材料的代表。

我国袋式除尘高温滤料的应用

2.3 产品应用标准化、专业化亟待完善

高温除尘滤料隶属于工业用纺织品,然而其应用领域覆盖电力、水泥、垃圾焚烧、钢铁、冶金等领域。目前我国纺织行业有1300多项标准,已基本形成一个与产品体系相配套的行业标准体系,但是随着结构调整和产业升级的推进,我国纺织行业现行标准体系已不能满足产业发展的需要。特别是在工业用纺织品快速发展的同时,却没有相应的标准做参照,高温除尘滤料就是其中最为典型的一个例子,现普遍参照的标准主要有《袋式除尘器用滤料及滤袋技术标准》(GB/T12625-90)(已废止)、《袋式除尘器技术要求》(GB/T6719-2009)、《袋式除尘器用滤料》(HJ/T 324-2006)、《袋式除尘器用覆膜滤料》(HJ/T 326-2006)、《袋式除尘器 滤袋》(HCRJ 015—1998)等2项国家标准和3项行业标准。这些标准仅仅规定了滤料的机械性能指标和表观参数,且适应性较差。特别对于一些特殊纤维滤料,实际市场上的产品指标与标准要求偏差较大,在产品出现问题时,无章可循,造成市场混乱。针对滤料产品专业化标准的缺失。2009年,由机械工业环境保护机械标准化技术委员会及大气净化设备分技术委员会提出的2项行标《 燃煤电厂锅炉尾气治理袋式除尘器用滤料标准》、《垃圾焚烧发电尾气治理袋式除尘器用滤料标准》正式立项并已形成送审稿正向行业专家征求意见。这无疑推动了高温滤料产品的标准化、专业化工作,为更多的专业化标准的制定奠定了基础。

3、小结

随着经济的持续快速发展,新的环境问题不断出现,使本已十分严峻的环境形势面临更大的挑战:电力、垃圾焚烧、水泥、钢铁、化工等重污染行业将继续发展,加大了污染控制和生态保护的难度,高温滤料作为环保产业发展的战略产品,需进一步加快产业升级与技术升级,不断完善产品的标准化、专业化,促进我国袋式除尘高温滤料的可持续发展。


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