芳砜綸在耐高溫濾料中的應用
摘要:芳砜綸是我國自主開發的一種耐高溫合成纖維。介紹了芳砜綸的性能及其在耐高溫濾料中的應用前景,并對耐高溫濾料市場的需求及部分耐高溫濾料的特性做了簡單介紹。
關鍵詞:芳砜綸,過濾材料,耐高溫,應用
0 前言
隨著科學技術及現代工業的飛速發展,高溫含塵廢熱煙氣直接排放造成的環境污染給人類的生存與健康帶來了越來越大的危害,如何對這些高溫含塵氣體除塵便成了棘手的問題。袋式除塵器以其除塵效率高,不會造成二次污染,便于回收干料等性能,在大氣污染的治理方面做出了巨大的貢獻,目前國內外的應用越來越廣,已占所有除塵設備的80%。而袋式除塵器的核心是配套濾袋的優良材料。
芳砜綸(商品名Tanlon,簡稱PSA)是上海紡織科學研究院和上海合成纖維研究所共同開發的具有自主知識產權的一種芳香族有機耐高溫合成纖維,現已投產,它的問世填補了我國耐250℃高溫等級合成纖維的空白。目前,類似的纖維只有少數幾個發達國家才能生產,耐高溫合成纖維的開發和應用是國家科技水平和實力的象征[ 1 ] 。芳砜綸具有優良的耐熱性、熱穩定性、高溫尺寸穩定性、阻燃性、電絕緣性能、良好的物理機械性能及化學穩定性。芳砜綸的加工性能良好,可用普通設備加工成紗線、機織布、針織布和非織造布等,尤其適用于耐高溫濾料,具有良好的發展潛力和市場前景。
1 耐高溫濾料的應用
發達國家的高溫氣體袋式除塵裝置100%都采用耐高溫纖維濾料。國內的濾料市場也很廣大, 其中鋼鐵行業主要有高爐、電爐、轉爐和燒結爐四大產生高溫煙氣的污染源,有色冶金行業的冶煉爐、貴鉛爐、沸騰爐、閃爍爐和礦熱爐都產生高溫煙塵,是袋式過濾器的使用大戶[ 2 ] 。上海寶鋼100 t 電爐、150 t轉爐煙氣處理都采用袋式除塵器,過濾面積達到7萬m2 以上。我國水泥工業每年向大氣排放的煙塵、粉塵在1 000萬t以上,成為粉塵污染的大戶,預計正在改造的老線和新線共計560條干法水泥生產線都將使用耐高溫纖維濾袋式除塵器。我國火力發電廠占總發電量的90%以上,達2億 kW裝機容量,按1 kW 裝機容量使用濾料0. 8 m2 計算,如有50%機組采用袋式除塵器,其配套濾料需用量將達8 000萬m2 ,僅此項用量就相當可觀。還有許多化工產品是在高溫環境中通過氣凝膠生產的粉狀產品,這些產品基本上也是用袋濾器來收集的,如炭黑、三聚氰胺等[ 3 ] 。生活垃圾是現代生活中一個急需解決的嚴峻問題,目前城市垃圾處理市場正在崛起,各大中城市將興建焚燒爐。2004 年全國共投資150億在各地興建了300多座垃圾廢棄物焚燒處理中心,所有焚燒爐的除塵均采用耐高溫袋式除塵器。另外,“非典”疫情引起了各級政府的高度重視,醫院垃圾處理袋式除塵器將會迅速發展。
隨著大氣環境治理的進一步深化和廢氣排放標準逐漸與國際接軌,鋼鐵、冶金、建材、熱電廠、垃圾焚燒、煤炭、水泥、化工等行業的高溫煙塵(很多過濾溫度都超過200℃)除塵都將逐漸改用耐高溫濾料。由于耐高溫濾料屬于易損件,平均2～3年就要更換,因此其消費量將急劇增加。目前僅5% 的企業采用耐高溫濾料,消費量就有500 t/ a。長期以來我國產業用有機耐高溫濾料一直依賴進口, 市場被歐、美、日等國家和地區所壟斷,技術被其封鎖,國產耐高溫濾料的開發成功和投產將打破這種局面。
2 耐高溫濾料所需性能及類型
2. 1 對濾料的要求
濾料是袋式除塵器的關鍵材料,其性能的優劣直接關系到除塵器性能的好壞。僅僅從溫度方面去考慮濾料的性能是遠遠不夠的,因為不同的煙氣和粉塵往往含有SOx、NOx、HCl及二噁英等各種復雜的腐蝕性化學物質,因此在選擇濾料時應考慮以下要求: ①化學穩定性好,耐酸耐堿,能耐較高溫度; ②結構合理,過濾性能好,在某些高濃度煙塵場合收塵效率可達99. 99%; ③剝離性好,易清灰,透氣性好,阻力低; ④質地應均勻,尺寸穩定,機械強度高,使用壽命長; ⑤原料來源廣泛,性能穩定可靠; ⑥價格低,壽命長。
2. 2 濾料的種類
濾料的性能除了取決于纖維的性能外,還取決于濾料的結構及制作工藝,而且不同的使用場合對濾料有不同的性能要求,濾料的性能直接影響袋式除塵器的除塵效果[ 4 ] 。
2.2.1 織造濾料
織造濾料具有如下特點:強度和耐磨性好,能承受較大壓力和過濾磨啄性粉塵;適于制成大直徑、長濾袋;易形成平整和較光滑表面或薄型柔軟的織物,有利于濾袋的清灰。但是,織造濾料生產工藝流程長,與非織造濾料(如針刺氈)相比,在同樣濾速情況下,濾料本身的阻力大;織造濾料只有在形成粉塵層后,才能阻擋較小顆粒物,濾塵清灰后,捕塵率會明顯下降。
2.2.2 非織造濾料
目前使用較多的是針刺氈濾料。針刺氈濾料中的纖維呈立體交錯排列,這種結構既有利于形成粉塵層,清灰后也不存在直通的孔隙,捕塵效果穩定,因而捕塵率高于一般織造濾料;自身的透氣性好,阻力低;生產流程簡單,產品成本低。目前幾乎全部使用線密度為2 dtex的短纖維。
2.2.3 復合濾料
為了發揮材料所長,避其所短,可用兩種或兩種以上各具特色的材料加工成復合濾料,聚四氟乙烯( PTFE)覆膜濾料即屬此種濾料。這種覆膜濾料是由美國戈爾公司最先開發出來的新型復合濾料。覆膜濾料表面所覆的是膨體聚四氟乙烯( ePTFE) 微孔薄膜,孔徑小到1 ～2 μm 以下,基底可以是 PTFE纖維、玻璃纖維(GF)等制成的針刺氈或機織布。濾料覆膜后當量孔徑變小,因而不需要形成粉塵層,只依靠自身的捕塵功能即可有良好的捕塵效果,同時可控制粉塵進入濾料深處,防止濾料被堵塞。另外,覆膜濾料表面動摩擦系數減小,提高了清灰性能,濾料濾膜有助于提高自身的疏水性,可防止濾料因結露造成濾袋結垢。
3 芳砜綸的性能及其濾料的過濾特性
早期的濾料品種局限于聚酯纖維(使用溫度 < 130℃)與GF (使用溫度130 ～280℃)兩大類。隨著耐溫要求的提高,國內外的專家們研制開發了以間位芳綸(Nomex、Conex) 、聚酰亞胺( P84) 、聚苯硫醚( PPS) 、聚四氟乙烯、芳砜綸等為原料的耐高溫濾料,以適應各種不同煙氣的處理需要。表1列出了幾種耐高溫濾料的主要性能。
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Nomex易被SOx 侵蝕,因此在燒煤的電廠中往往不能應用。PPS抗硫酸效果很好,在燃煤鍋爐上是最適合的濾料,但其缺點是抗氧化性差,且長期工作溫度應控制在190℃以下,在工況溫度高于 200℃場合的應用受到影響。P84纖維由于不規則的多葉形截面使得其比表面積增大,過濾效果好, 可在260℃長期使用,但是目前纖維產量少且價格相當高。GF作為濾料最杰出的優點是耐高溫、尺寸穩定性好、拉伸斷裂強度高,除了氟化氫、高溫高堿外,對其他介質都很穩定,但其缺點是耐折性差,清灰時易產生落纖[ 5 ] 。
芳砜綸的主要性能列于表2。從表2 中可看到,芳砜綸是制作袋式除塵器配套濾袋的優良材料,不僅耐熱性良好,而且還具有優良的抗熱氧老化的穩定性,熱收縮小,能保持良好的尺寸穩定性以及良好的抗酸性能等,可在高溫下長期使用,非常適用于耐高溫濾料,價格相對P84、PPS、Nomex 也較便宜。另外,芳砜綸的纖維摩擦系數小,用其制成的濾袋清灰容易;由于芳砜綸耐溫較高,因此可與PTFE (固化溫度260℃)熱壓粘合制成過濾效果好且穩定的覆膜濾料。
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表3是采用2 dtex ×51 mm芳砜綸短纖維制成的針刺氈濾料在袋式除塵器中配套使用時過濾效果的檢測結果。該針刺氈的制造過程是:先將纖維混合開松,經梳理成網后預刺,再將纖維網平鋪在事先織好的底布上下兩面,用針刺機反復穿刺,針上的鉤刺帶著纖維上下運動,使上下兩面纖維網中的纖維與底布互相纏結成為氈,最后再經熱定型、熱壓、化學表面處理。從檢測結果可見,芳砜綸濾料使用情況良好。此外,芳砜綸可與其他纖維(如聚酯纖維、GF、預氧絲等)混紡或交織制備一系列不同工作溫度的耐高溫濾料,以降低成本。
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在使用芳砜綸濾料制品時需注意:該纖維易受到冶金與礦石生產工序中存在于煙道氣體中的氟化物影響,應盡量避免接觸之;暴露在紫外線中纖維表面會降解,產生一種深古銅色的有效的紫外線防御層以減少強力損失;對于濕度太高、酸度太高同時溫度超過250℃以上的高溫煙氣不宜采用芳砜綸制作的濾料。
另外,芳砜綸除了不耐幾種強極性溶劑(如 DMAc、DMF、DMSO、六磷胺、N2甲基砒咯烷酮和濃硫酸)以外,一般在常溫下對各種化學物品均能保持良好的穩定性,因此可以制成各種過濾織物,在化工生產中用以過濾各種液體。
4 結語
鋼鐵、水泥、電力、化工、醫藥、燃煤鍋爐及垃圾焚燒等工業對耐高溫纖維濾料的需求進入高速增長期。芳砜綸的優良性能使得其非常適宜用于耐高溫濾料,不僅可以單獨使用,還能與其他纖維混合制作耐高溫濾料,彌補其他纖維的缺陷,是制作袋式除塵器配套濾袋的優良材料。因此,應盡快加速芳砜綸的產業化,這不僅具有良好的經濟效益, 同時還能為我國的環保事業作出貢獻。
參考文獻
[ 1 ] 張玉華,沙玉明,汪曉峰. 芳砜綸在防護用品中的應用[ J ]. 技術創新, 2005, (6) : 1822
[ 2 ] 姜坪,劉梅紅. 空氣過濾材料的發展與應用[ J ]. 現代紡織技術, 2002, 10 (4) : 52254
[ 3 ] 王小兵,朱平. 玻璃纖維過濾材料在冶金、水泥、化工等行業中的應用[ G]. 第一屆中國國際過濾材料研討會論文集. 上海:中國技術市場協會, 2002 : 1952 200
[ 4 ] 范柏祥. 濾料過濾性能測試裝置與應用研究[D ]. 沈陽:東北大學, 2003
[ 5 ] 梅毅. 玻璃纖維過濾材料國內外走俏[ J ]. 建材市場, 2002, (3) : 33
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