袋式除塵器過濾材料用各種纖維的特性及其應用
⒈前言
在工業生產中，工業爐窯和燃煤鍋爐產生大量的工業粉塵和煙塵。當前，治理工業粉塵和煙塵最有效的技術是袋式除塵技術，而其核心是過濾材料。
目前，過濾材料的品種不斷增多，單從材質而言，就有天然纖維、各種合成纖維、各種無機纖維和金屬纖維等。近年，我國濾料生產工藝技術得到了飛速發展，產品質量有了大幅度的提高，為我國的環境保護事業做出了較大的貢獻。可是在實際應用中，卻總會出現這樣那樣的問題，這與我們對過濾材料的認識不足是密不可分的。本文對制造濾料的部份纖維的特性及其濾料在實際應用中應注意的事項做一簡單的分析，希望對濾料的正確應用有所幫助。
⒉部份化纖的特性及其濾料的應用
目前我國化纖濾料主要是滌淪機織布和滌淪針刺氈。由于對耐溫提出了更高的要求，近年又通過引進耐高溫的化學纖維，研制生產出了很多耐高溫的化纖濾料，如 Nomex、Procon、Torcon、Basfil、P84等。以下結合筆者對這些纖維及其濾料的淺薄認識，分別對其做一簡單的分析，以取到拋磚引玉的作用。部份濾料的最高使用溫度和需關注的工況見表1。
⑴ 滌淪纖維及其濾料
滌淪：學名聚酯（Polyester PE）聚對苯二甲酸乙二醇酯Polyethylene terephthalate，PET
特性：比重1.38g/cm3，熔點256℃，斷裂強度5.5g/d，極限氧指數22。熱塑性纖維，遇火會燃燒并滴落，能壓光、燒毛。
過濾性能：可在干燥條件下經受135℃的操作溫度；連續在135℃以上工作會變硬、褪色、發脆，短時高溫亦會使其強度變弱。抗水解性差，不適于高堿、高濕氣的工況條件下（5%以上水汽，100℃以上高溫）使用；
解決辦法：
⒈溫度超過135℃則選用Nomex等耐高溫纖維；
⒉水汽超過5%則將溫度降到100℃以下；
⒊高堿、高濕汽情況下，選用耐水解的丙烯腈纖維。
⑵ Nomex纖維及其濾料
Nomex：學名芳香族聚酰胺 Aryl polyamide
特性：比重1.38g/cm3，斷裂強度4.9g/d，極限氧指數29。是非熱塑性纖維，不自燃也不助燃，它在高溫狀態下如371℃只會碳化或分解成小分子，不會象一般熱塑性纖維會突然軟化，所以不能壓光，但可燒毛。
過濾性能：可在干燥條件下經受200℃的操作溫度；是水解性纖維，當高溫和有化學成份及水份時會很快水解而損壞；在水份濃度為10%及弱酸性及中性環境下可適用于 190℃的操作溫度，而使用壽命也可達兩年；若水份濃度增加為20%，使用壽命需達到兩年則需降溫到165℃以下，若還在190℃使用其壽命只有半年多。
它特怕SOx的侵蝕，因此在燒含硫煤的電廠中往往不能應用。在水份濃度為10%時，若溫度為120℃、SO2含量50～400ppm，強度保留率為58%，若溫度升到180℃，SO2含量50ppm時，強度保留率為30%，SO2含量400ppm時，強度保留率僅5%。所以在有水汽和SOx存在時不宜使用。
解決辦法：⒈水解可用普抗替代，普抗能耐水解和硫氧化物的侵蝕。
⑶ 普抗（托康）纖維及其濾料
普抗：學名聚苯硫醚 Polyphenylene sulfide PPS
特性：比重1.38g/cm3，熔點285℃，斷裂強度5.0g/d，極限氧指數34。是結晶性高性能熱塑性工程塑料，具有耐熱、耐化學性、阻燃性等諸多特性。
過濾性能：可在190℃的溫度下連續使用，瞬時200℃（每年累計400小時以下）；在160℃的熱壓釜中能保持90%以上的強度。耐化學性非常好，抗硫，抗酸效果很好，所以在燃煤鍋爐上是最合適的濾料，現有約80%的PPS濾料使用在燃煤鍋爐上，它只要求煤的硫含量在3.5%以下，煙氣中SO2含量在 2700mg/Nm3以下。
其缺點是抗氧化性較差，要求O2含量小于14%（Vol）、NOx小于600mg/Nm3，若O2含量達12%建議溫度降到140℃，總之氧含量越高，所使用的溫度就要越低，因每增加10℃，化學反應成雙倍的增加。也就是說本來壽命3年的情況下，若溫度增加10℃，其壽命會只有1.5年。
⑷ P84纖維及其濾料
P84：學名聚酰亞胺 Polyimide PI
特性：比重1.4g/cm3，是不規則的葉片狀截面，因此比一般園形截面增加了80%的表面積。耐高溫性很好。
過濾性能：可在260℃以下連續使用，瞬時溫度可達280℃（每年累計少于200小時）。有一定的水解性，建議使用在水汽含量小于35%Vol的氣氛中。有一定的抗氧化性，希望煙氣中O2含量小于16%Vol，NOX小于600mg/Nm3，若沒有O2補充NOX含量可放寬到1500mg/Nm3。
SOX會使濾料壽命降低，建議SOX含量小于700mg/Nm3，在垃圾焚燒爐中應用必須有脫硫裝置。
⒊玻璃纖維及其濾料的特性
玻璃纖維是一種無機纖維，其主要成分是SiO2。它是將玻璃料在1300～1600℃的溫度熔化以后，從熔融態抽絲并迅速淬冷而制得的。比重 2.54g/cm3，原絲抗張強度在160～275kg/mm2。按成分不同又分為A玻璃、C玻璃、E玻璃和S玻璃等，用于過濾材料一般采用C玻璃（即中堿玻璃或稱鈉鈣硅酸鹽玻璃）和E玻璃（即無堿玻璃或稱鋁硼硅酸鹽玻璃）兩種。目前我國生產過濾布用的玻璃纖維主要采用無堿80支、中堿45支和無堿40 支，其單纖維直徑分別為6μ、7.5μ和8μ。
玻璃纖維最實出的優點就是耐高溫，尺寸穩定性好，拉伸斷裂強度高。玻璃纖維在耐化學侵蝕方面，除了氫氟酸、高溫強堿外，對其他介質都很穩定。玻璃纖維的缺點是耐折性較差。
⑴ 耐溫性
做為過濾材料，玻璃纖維可于260℃（中堿）/280℃（無堿）的工況條件下長期使用，瞬間高溫可達350℃。過濾氣體的溫度控制在收塵設備的設計中具有重要的意義，過濾材料的耐高溫性能對收塵設備的成本和運行費用都取著決定性的作用。煙氣的高溫過濾會給您帶來以下好處。
省去了除塵裝置的冷卻費用，因而降低了除塵設備的造價；
減少了冷風的摻入量，從而使處理風量的總數得到了有效控制。這一點對降低除塵設備的造價是不言而喻的。
減少了結露的危險。260℃這一溫度界限，對目前所有的工業領域，排除結露故障是足足有余的，這就防止了除塵設備的腐蝕，延長了其使用壽命。同時還防止了濾布表面結露而引起阻塞的故障，使過濾得以順利進行。
節能。如鋼鐵行業高爐煤氣凈化，煤氣降溫不僅本身浪費能源，而且減少了煤氣的燃燒熱值。
⑵ 尺寸穩定性好
玻璃纖維在280℃下，其收縮率為0，與其他合成纖維濾料要比，尺寸穩定性優越得多。使用玻璃纖維濾料時不必擔心透氣性和過濾面積的變化，以及收縮而加大布面張力和濾袋伸長而使濾袋皺折，加快濾袋破損等影響。
⑶ 拉伸斷裂強度高
拉伸斷裂強度高、拉伸斷裂伸長率小是玻璃纖維過濾材料的又一特點。所以在除塵用濾袋設計時，對濾袋的拉伸斷裂強度要求基本上可不予考慮。玻纖濾料與滌淪濾料的強力比較見表2，幾種過濾材料斷裂伸長率的比較見表3。
⑷ 耐化學侵蝕：
玻璃纖維本身的耐化學侵蝕與玻璃纖維過濾材料的耐化學侵蝕是兩個不同的慨念。因為玻璃纖維過濾材料都必須經過表面化學處理才可以投入使用，未經處理的玻璃纖維做為濾料使用可以說是沒有意義的。但對玻璃纖維本身的耐化學侵蝕性我們也要有一個較全面的認識，下面就從酸、堿和水汽對玻璃纖維本身的影響和對玻璃纖維濾料的影響分別做一討論。
①玻璃纖維濾料具有高度的耐酸性
中堿玻璃纖維具有高度的耐酸性（HF酸除外）。因為它含有約12%的堿金屬氧化物，在酸性介質下
≡Si－O－Na + H+ －→ ≡Si－OH + Na+
侵蝕過程中，生成的≡Si－OH反而在纖維表面起了保護膜的作用，它阻礙著侵蝕進程。
無堿玻璃纖維耐酸性則相對較差，因為其堿金屬氧化物含量少，而含有約3%的B2O2，在酸性氣氛下
B2O2＋3H2O＝2H3BO2
遇水后生成的可溶性的硼酸對纖維結構有一定的破壞作用。
為了提高玻璃纖維過濾材料的耐酸性能，各玻璃纖維濾料生產企業都研制了不同的表面化學處理耐酸配方。如南京菲爾特過濾材料有限公司研究開發了RH、YM、AR等系列玻璃纖維過濾布耐酸處理配方，為我國碳黑、燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐等行業提供了優質濾料。
本中心研制開發的耐酸玻璃纖維濾料采用耐酸配方處理，該配方中的抗酸聚合物包覆在玻璃纖維表面，生成一種保護性屏障，使它免受化學侵蝕。采用0.3mm厚中堿玻纖布按照美國BGF公司濾料耐酸測試方法測得酸腐蝕前后耐折性能見表4。如表所示，經耐酸配方處理的玻纖布耐酸性能大幅度提高。
所以，在有酸性氣氛的高溫煙氣除塵時，宜選用經過耐酸處理的玻璃纖維過濾材料。
②高溫耐堿性不是考慮的重點
由于自然界的堿都是以堿金屬氧化物的形式存在的，所以在高溫過濾的煙塵中，盡管有很多堿性成分，但不會真正形成諸如NaOH、Ca(OH)2等形式的堿。所以，盡管普通玻璃的高溫耐堿性較差，但堿對玻璃纖維濾料的危害并不是考慮的重點。
③水汽對玻璃纖維濾料有一定的影響
水汽對玻璃纖維濾料有一定的影響。在實際應用中，高溫過濾煙氣含水量較大時，宜選用經防水處理的玻璃纖維濾料。
無堿玻璃纖維對水、濕空氣、弱堿有高度的穩定性，屬于一級水解級。中堿玻璃纖維對水、濕空氣較穩定，屬于二級水解級。而高堿玻璃纖維一般屬于三級水解級。這是由于其堿金屬氧化物含量不同造成的，因為堿金屬氧化物會與水起化學作用，生成可溶性的硅酸鈉
Na2O＋H2O＝2NaOH
2NaOH＋SiO2＝ Na2SiO2
Na2SiO2＝2Na＋＋SiO2－
為此，出現了很多經防水處理的玻璃纖維過濾材料。如南京菲爾特過濾材料有限公司研制開發的FCA、FQ、TFB等配方處理的濾料都有優異的防水性能，RH、YM、AR等耐酸配方處理的濾料也具有優異的防水性能。
④玻璃纖維特怕HF酸，160ppm以上的HF存在時不能使用。
⑸ 耐折性
玻璃纖維耐折性較差，但可以從控制纖維的直徑和表面化學處理兩個方面來大幅度提高其耐折性能。玻璃纖維的直徑對玻纖過濾布的耐折性能影響較大，這是因為玻璃纖維是無機纖維，比較脆，當把單根纖維彎曲到一定的曲率半徑時，纖維即斷裂，這個半徑就稱為該纖維的斷裂彎曲半徑，玻璃纖維的直徑d與其斷裂彎曲半徑r的關系如下：
r=Ed/2T
式中E（彈性模量）和T（抗張強度）皆為常數，因此纖維的直徑越細，其斷裂彎曲半徑越小，越不易折斷，耐折性會明顯提高。不同直徑纖維的耐折性能見表5。
玻璃纖維的表面化學處理可改善纖維的耐折性能。南京菲爾特過濾材料有限公司研制開發的高耐折表面化學處理配方與國內傳統配方相比，其耐折性能提高10倍以上，達到美國進口同類產品水平，取得了較好的效果。其濾料性能比較見表6。
⒋結語
各種不同纖維制成的過濾材料都有其自身的特性，我們對其認識的充分程度決定了其在實際應用中的成功率。所以在實際應用中，我們一方面要把收塵器的工況條件吃透；另一方面要對各種濾料的適用工況特別是不適宜的工況吃透。只有把工作做在前面，做細、做深才能使各種濾料用好，更好地為我國環保事業做出應有的貢獻。
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