高溫過濾材料的應用及發展趨勢
摘要:綜述了國內外高溫濾料的研究和發展情況,介紹了各種高溫濾料的性能及其在相關行業的應用狀況,分析了高溫濾料的市場前景和技術發展趨勢。
關鍵詞:耐高溫,過濾材料,纖維,袋式除塵器
1 前言
當前,我國經濟已進入高速發展階段,以資源、能源消耗性為主的重工業(電力、建材、冶金、化工等)迅速發展,我國已成為世界第一大鋼鐵、水泥、煤炭、化纖生產國;第二大電力、有色金屬、化肥生產國。2008年,我國鋼鐵產量突破5億噸,約占全球產量的40%,連續23年居世界第1位;水泥產量13.9億噸,約占全球產量的1/2,連續24年居世界第1位;火電發電量27,793億千瓦時,僅次于美國,居世界第2位。上述高耗能、高污染產業的發展,帶來了嚴重的環境污染問題,由于空氣、水以及工業等環境污染帶來的經濟損失每年在1000億元以上,我國“十五”期間用于環境保護的投資為GDP的2.2%。我國近年來廢氣中主要污染物排放量見表1。
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重工業排放的大氣污染物以高溫煙氣為主要特征,煙塵類顆粒物為主要控制對象之一。作為控制總量法規,國家對工業領域的各類鍋爐、爐窯制定的排放值陸續進行修訂,嚴格要求其降低排放量。由于袋式除塵技術能使煙氣出口煙塵濃度小于30mg/m3,高溫煙氣排放控制技術已由電除塵技術逐步轉變到以袋式除塵技術為主。
袋式除塵器是治理大氣污染的高效除塵設備,主要優點是:不受粉塵種類、粒徑大小以及粉塵濃度(可高至≥1000g/m3)、比電阻的限制;除塵效率可穩定達到99.5%~99.99%,排放濃度<30mg/m3,甚至<5mg/m3;可有耐常溫80℃~130℃、耐高溫180℃~260℃、耐腐蝕、拒水防油、防燃防爆、長壽命(1.5~4年)等不同性能的各種濾料供選擇;處理風量大,占地面積小,能適應工藝負荷變化和風量的波動;可不停機而分室停風進行維修換袋;可利用原有的電除塵器、效率較低的袋式除塵器的殼體,改造成為新的高效袋式除塵器;結構較電除塵器簡單,一次性投資較低,可靈活分室,模塊式布置。
袋式除塵器的缺點是:要求控制煙氣的溫度在濾袋所能承受的范圍內,以防止超高溫或酸結露損傷濾袋,防止水結露糊袋;袋除塵器本體阻力較電除塵器大,一般為1000~1500Pa,最大為2000Pa;濾料壽命一般為1~3年,每隔數年就需更換濾袋。
在化學、石油、冶金、電力、水泥等工業生產中,會產生大量的高溫含塵氣體,涉及含塵氣體在高溫下直接凈化除塵和應用的領域十分廣泛。
以前高溫煙塵的治理主要是采用電除塵器,但隨著國家對環保標準的不斷提高,特別是近年來國家對煙塵排放標準提高,出口濃度指標為50~100mg/m3,有的地方要求排放濃度<50mg/m3,甚至20~30mg/m3,而電除塵器已難以達到,從而推動了袋式除塵器的應用。
近10年來,袋式除塵技術發展迅速,過去在應用中遇到的耐高溫、耐腐蝕、抗結露、抗靜電過濾材料的許多技術難題已逐步得到解決,袋式除塵技術和產品已完全可以滿足當前國內冶金、建材、化工、電力等行業處理各類性質煙氣的需要。
高溫氣體介質過濾除塵技術的核心是高溫濾料。濾料是袋式除塵器的關鍵材料,其優劣直接關系到除塵器性能,一般應滿足以下條件:結構合理,粉塵捕集率高;剝離性能好,易清灰,不易結垢;透氣性適宜,阻力低;具有足夠的強度,尺寸穩定性好;具有良好的耐溫、耐化學腐蝕、耐氧化、抗水解和適應性廣等性能;原料來源廣泛,性能穩定可靠;價格低,壽命長。
國家標準《袋式除塵器用濾料及濾袋技術條件》(GB12625-2007)及環保產品認定條件《袋式除塵器用濾料》(HCRJ042-1999)中對濾料、濾袋的設計、加工、性能指標和檢驗方法等分別提出了技術要求。
本文綜述了國內外高溫濾料的研究和發展情況,對其性能及其在相關行業中的應用情況進行了總結,分析了其市場前景和技術發展趨勢。
2 高溫濾料的研究和產業發展現狀
2.1 高溫濾料的研究和開發進展
纖維過濾最早出現在我國,源于中國古代的紡織技術。隨著西方工業的發展,特別是合成纖維的出現,作為過濾煙塵的纖維過濾材料,不再靠單純的紡織工藝提高濾料的性能,而是引入了物理和化學的加工、處理方法,使濾料的強度、耐熱、耐腐、透氣、阻燃等性能顯著提高,價格更加低廉,品種日趨多樣化。到20世紀80年代,歐美研制出一些性能更加優越的纖維濾料,如美國戈爾公司生產的聚四氟乙烯(特氟隆,PTFE)覆膜濾料能夠高效地捕集亞微米粒子;由美國唐納森公司研發的褶皺濾料過濾面積比普通濾料大許多倍,而今已經能夠過濾數百攝氏度的高溫煙氣。纖維濾料發展到今天,不僅可以接近100%地過濾超細粒子,而且可以過濾高溫甚至粘性較高或濕度較大的煙塵。
我國的濾料和袋式除塵技術是同步發展的。70年代開發了玻璃纖維機織濾料、208滌綸絨布、729聚酯機織濾料。80年代初,隨著非織造布的發展,又研制成功了合成纖維針刺氈,使袋式除塵器的除塵效果提高了一個數量級;之后,又研制成功了芳砜綸針刺氈濾料,可耐溫210℃,并應用于鋼鐵、有色、炭黑等工業的高溫煙氣處理;防靜電、耐高溫、抗腐蝕、防油防水等合成纖維針刺氈產品的開發和生產基本滿足了除塵的需求。90年代后期,我國又開發了聚四氟乙烯微孔覆膜濾料,實現了表面過濾,達到高效低阻的效果。目前我國已能生產玻纖機織布、常溫化纖針刺氈、防靜電針刺氈、防油防水針刺氈、耐高溫耐腐蝕針刺氈、各種玻纖濾料及聚四氟乙烯覆膜濾料等。同時,布袋縫制技術水平也有了長足的進步,有的已達到國外先進水平。
但目前,我國耐高溫纖維的研制仍處于初級階段,國產的耐高溫合成纖維較少,多數依賴進口。目前用于高爐煤氣凈化的國產耐高溫濾料品種較少,使用纖維的品種只集中在玻璃纖維和間位芳綸兩種原料上。在我國水泥、電力、鋼鐵、垃圾焚燒等行業除塵應用的P84(聚酰亞胺)纖維全球只有奧地利的1家公司生產,價格昂貴。PPS(聚苯硫醚)纖維過去只有日本 2 家公司生產,2007年美國也有 1 家公司開始生產,國內現已能批量生產,使PPS纖維價格略有下降。PTFE纖維過去只有奧地利和日本的2家公司批量生產,價位很高,目前國內已有公司生產該產品,在垃圾焚燒爐袋式除塵器和火電廠燃煤鍋爐袋式除塵器上都有應用,并取得了良好的業績。高端濾料市場不管是火電廠用的PPS濾料,還是水泥廠用的P84濾料、玻纖覆膜濾料,垃圾焚燒爐用的P84濾料、PTFE濾料、玻纖覆膜濾料等附加值比較高的濾料,主要還是為美國和歐洲一些國家的濾料公司所壟斷,在新建的大型項目上更是如此。
2.2 近年來新開發的高溫濾料
在袋式除塵器的應用中,經常遇到處理高溫煙氣的場合,如水泥工業窯頭窯尾煙氣、鋼鐵工業中的高爐煤氣、火電廠燃煤鍋爐煙氣、垃圾焚燒煙氣等。將高溫煙氣進行高效除塵,對節能降耗、保護環境具有重大意義。但高溫煙氣除塵也對濾料、除塵器提出了更高的要求。
近年來,高溫濾料的發展很快,市場上不僅有國內開發的新濾料,也有國外進口的濾料,品種繁多,性能各異,主要有下述幾大類型:
(1)高效高性能濾料
高效高性能濾料具有良好的物理、化學性能,收塵率高,粉塵剝離性能好,低壓損,使用壽命長。主要品種有:
1)加厚型膨體玻纖布過濾材料:使用溫度可在200℃~260℃之間。
2)各種耐高溫纖維濾料:聚酰亞胺纖維(P84)、聚丙硫醚纖維(Ryton)、芳香族聚酰胺纖維(Nomex、Conex)、預氧化碳纖維等分別和玻纖混配復合,制成針刺過濾氈濾料,使用溫度在180℃~250℃。覆膜濾料:表面經覆膜形成光滑面,其除塵機理為微孔篩濾,除塵效率高,對極細的粉塵也十分有效,粉塵剝離性能好。膜的憎水性使潮濕的粉塵也難以粘附,可作為高溫除塵用濾料,使用溫度在200℃~260℃之間。
(2)超高溫濾料
采用此類濾料對工業生產中產生的各類高溫煙氣過濾不必預先冷卻,但濾料價格昂貴,主要用于溫度環境十分惡劣的場合,用量很少。超高溫濾料有:
1)金屬纖維針刺氈:可在300℃~600℃高溫下使用,一般使用溫度為450℃。這類纖維氈有不銹鋼針刺氈等。
2)高硅氧濾料:這種濾料由一種特殊玻璃纖維制成,可在600℃高溫中長期使用,最高使用溫度達800℃。
3)陶瓷纖維濾料:此類濾料可在760℃長期使用,最高使用溫度可達1000℃。
(3)觸媒涂層濾料
觸媒涂層濾料是在濾布表面涂復脫氮觸媒,使濾料具有除塵與脫氮功能,若與堿性吸收劑并用,還可除去酸性氣體,如二氧化硫、氮氧化物等。
3 常用高溫濾料的性能及特點
3.1 芳香族聚酰胺纖維濾料
美塔斯(Metamax),長期耐溫204℃,瞬時耐溫240℃;耐酸性、抗水解性稍差,其主要應用于經徹底脫硫的循環流化床鍋爐或含硫極低的煙氣過濾場合;諾梅克斯(Nomex),耐堿性能很強,耐酸性能中等,是處理180℃~220℃高溫腐蝕性氣體的良好材料,國外除在各種工業爐窯煙氣凈化中普遍應用外,在燃煤鍋爐煙氣凈化方面也已取得滿意效果;芳砜綸在100℃~270℃范圍內可保持良好的纖維尺寸穩定性,并有良好的耐腐蝕性能,國外現已用于260℃以下的煙氣凈化。
3.2 PPS纖維濾料
長期耐溫190℃,瞬時耐溫240℃,是一種耐高溫、耐酸堿、抗水解性能極好的濾料,具備了作為高性能纖維的各種特點;可抵抗多種酸、堿和氧化劑的化學腐蝕;具有較好的耐水解能力,特別適合在高濕的煙氣中使用;典型用途是用于城市垃圾焚燒爐、公用工程鍋爐、燃煤鍋爐、醫院焚燒爐、熱電聯產鍋爐上的脈沖袋式過濾器中,也可用PPS纖維取代其他不耐高溫或化學品及不耐潮濕的合成纖維濾料。但是PPS耐氧化性稍差,當煙氣含氧量超過15%時,就不能使用該種濾料。
3.3 P84纖維濾料
長期耐溫230℃,瞬時耐溫260℃;由一種縮聚型聚合物制成,不耐水解;截面呈三葉瓣形,因單纖維表面積增加,能有效地捕集顆粒;是非熱塑性纖維,耐受脈沖清灰的磨損能力比玻璃纖維強,因而在要求耐磨性好的工況下可用P84取代玻璃纖維或混合使用;優良的耐酸性和良好的耐堿性使其在燃煤鍋爐除塵上得到廣泛應用。其抗氧化性能比PPS濾料好,但耐酸、抗水解性能稍差,耐堿性差,適合在低含硫量的爐窯煙氣處理中使用。
3.4 PTFE纖維濾料
長期耐溫260℃,瞬時耐溫300℃;可在-180℃~260℃的范圍內長期使用,在高溫下強度保持率高;是目前濾料中耐化學腐蝕性最好的一種濾料,可耐受各種酸堿及強氧化物的腐蝕,水解穩定性和阻燃性都很好;具有較高的過濾效率和良好的清灰性能,即使在溫度較高的情況下,表面也只粘附少量的灰塵,具有很高的性價比;突出優點是使用壽命長,在濾袋室工作溫度為166℃~204℃的情況下,濾袋壽命可長達6年。適合在各種爐窯特別是電力燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐上使用。其缺點是抗拉、耐磨、抗折性較差,且價格較高(相當于玻璃纖維濾料的10倍),在國外使用很多,在國內多用于復合濾料中。
3.5 玻璃纖維濾料
長期耐溫260℃,瞬時耐溫300℃;具有突出的尺寸穩定性,拉伸斷裂強度高,耐腐蝕性強,表面光滑,憎水透氣,容易清灰,化學穩定性好;能耐大部分酸(氫氟酸除外)的腐蝕,但室溫下的強堿及高溫下的中等堿性將侵蝕玻璃;缺點是水汽對玻纖有一定影響,抗折、耐磨性能較差,在高過濾風速、脈沖清灰或清灰劇烈時會降低濾料壽命。
3.6 ePTFE覆膜濾料
以分散聚四氟乙烯樹脂為原料制成的微孔膜與各種基材復合而成。長期耐溫260℃,瞬時耐溫300℃,表面過濾阻力小,粉塵層易剝落;能夠迅速有效地截留微米級超細粉塵;由于ePTFE微孔膜表面光滑,不結露,易清灰,清灰后不改變空隙率,因此在覆膜濾料投入運行后,壓力損失低且不隨使用時間的延長而增大;濾袋使用壽命長。20世紀70-80年代由美國開始研發,現已占全球市場份額的1/3左右。近年來,國內已有數家公司研發成功并獲得應用,隨著國家對大氣污染治理力度的不斷加大,高效、低阻、長壽命的聚四氟乙烯微孔薄膜覆合濾料在煙氣治理行業中越來越受到重視,該類濾料使用前景廣闊。
幾種常見高溫濾料主要性能比較見表2。
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4 高溫濾料在相關行業的應用及市場前景
4.1 燃煤電廠鍋爐
火力發電站由于多使用燃煤鍋爐,其所排廢氣的量大,煙氣成分復雜,對大氣造成的污染嚴重。火力電廠燃煤鍋爐的煙氣是電力行業中最主要的污染源。燃煤電廠的廢氣主要來源于鍋爐燃燒產生的煙氣、氣力輸灰系統中間灰庫排氣和煤場產生的含塵廢氣,以及煤場、原煤破碎及煤輸送所產生的煤塵。其中,鍋爐燃燒產生的煙氣量和其所含的污染物排放量遠遠大于其他廢氣,是污染治理的重點。
目前,我國燃煤電廠裝機容量已達60,132萬kW,約占總容量的75.87%。“十一五”規劃提出,為適應國民經濟發展,到2020年全國燃煤發電裝機容量將達到60萬MW。為了減輕由于燃煤電廠的發展帶來的環境污染問題,我國提高了電廠鍋爐煙塵的排放標準。這一要求給高溫袋式除塵器處理鍋爐煙塵帶來機遇,近幾年國內部分電廠鍋爐陸續使用了袋式除塵器,對濾料的要求是耐溫180℃~200℃,抗氧化、耐腐蝕。
燃煤電廠鍋爐選擇濾料時應考慮其耐溫、耐酸堿、耐氧化和耐水解等問題。濾袋應使用在高于酸露點10℃、低于許可溫度的范圍內。濾料應使用針刺氈,厚度以530~550g/m2為宜。選用濾料時應根據用戶具體情況綜合考慮確定。國外使用較為成功的濾料有:Dralon、Ryton、Tefom、Nomex,此外,也有P84、玻纖、Atefaire、Dayex等濾料供選擇。國內常用的濾料有:PPS濾料及PPS與其他纖維的復合濾料等。
4.2 鋼鐵工業
鋼鐵工業中高溫爐窯眾多,節能降耗、保護環境是其可持續發展的重要任務之一。轉爐、高爐、焦爐煤氣的干法凈化不僅可顯著降低環境污染,還可大幅度提高煤氣的熱值,節省能源。據估算,與濕法除塵相比可提高熱值20%左右,具有很大的經濟效益。
而隨著除塵技術的進步,燒結煙氣使用高溫袋式除塵器也將變成可能。鋼鐵工業中不同的爐窯對濾料的耐溫要求也各異,如高爐、轉爐煤氣除塵用濾料要求耐溫達到300℃以上,但對濾料的其他要求相對較低;燒結煙氣對濾料的要求是耐溫150℃~200℃即可,但要求要有較強的耐磨性和耐腐蝕性。鋼鐵工業對高溫濾料需求的空間很大,且技術要求也相對較高。
高爐煤氣干法除塵有其特殊性:一是用于煤氣除塵,凈化度要求很高;二是灰量多,粉塵粘而細;三是高溫凈化。國內較為常用的濾料有:諾梅克斯、玻璃纖維/P84復合針刺氈、純玻纖濾料等。
4.3 水泥工業
水泥工業的粉塵污染在工業領域中占2/3。為改變粉塵污染,水泥工業應淘汰落后設備、上大改小,并應大量采用袋式除塵器。不少企業為了滿足新的水泥工業污染排放標準,將原來窯頭、窯尾的電除塵器改造成高溫袋式除塵器,取得了明顯效果。
新型干法窯窯尾收塵選用的濾料,必須滿足耐高溫、耐化學腐蝕、疏水、易清灰等要求,玻纖系列濾料使用較普遍。反吹風清灰類收塵器多采用玻纖織布或玻纖膨體紗類濾料,它們具有低價優勢。近幾年窯尾袋除塵器大部分采用玻纖覆膜濾料,部分采用玻纖/P84復合針刺氈或Nomex+RH。在選擇濾料時,首先要注意煙氣特性對濾料性能的影響,主要考慮煙氣的溫度、濕度、腐蝕性以及氧化劑等因素。除了煙氣特性外,粉塵濃度、除塵效率、阻力、粉塵剝離率也影響著濾料的選擇;同時,濾料經向緯向斷裂強度和斷裂伸長率也是需要考慮的重要因素。
4.4 城市垃圾焚燒爐
隨著我國城市化進程的加快,近幾年國內各地將陸續建設垃圾焚燒廠,僅北京在2008年就建設了日處理能力2000噸左右的垃圾處理廠4~5座。所有的垃圾焚燒爐都是采用袋式除塵器和高溫濾料除塵,日處理能力2000噸的垃圾焚燒廠需要采用總過濾面積為8000~10,000m2的除塵器。焚燒爐采用的過濾材料多為P84、PTFE及復合濾料,其耐溫要求多在150℃左右,對耐酸、堿腐蝕要求較高。
5 高溫濾料的技術發展趨勢
隨著環境保護的要求日益提高,袋式除塵器對濾料的過濾效率、使用壽命的要求也越來越高,高溫濾料技術將圍繞材質、織物結構、表面處理等方面不斷發展。
(1)高溫濾料將隨著除塵器等相關技術的進步而發展,提高過濾負荷是袋式除塵器的發展方向
過濾負荷大則過濾面積減少,除塵系統的一次性投資也相應減少,因此提高過濾負荷是袋式除塵器的發展方向。從過濾負荷看,普通玻璃纖維的過濾負荷一般為30~40m3/m2·h,過高則會導致過濾效率下降,排放濃度超標;玻璃纖維膨體紗過濾布的過濾負荷可提高30%,達到40~50m3/m2·h;玻璃纖維針刺氈的過濾負荷可達到50~60m3/m2·h,玻纖覆膜濾料的過濾負荷可達60m3/m2·h以上。
(2)作為新一代高效濾料的覆膜濾料將在不斷完善基礎上獲得更加廣泛的應用
覆膜過濾技術即表面過濾技術,是在濾料表面構造一層微孔膜態物。它依賴于成型膜的致密度以及附著在膜表面的粉塵層過濾微米數量級及其以上粒徑的顆粒物。該膜態物本身具有耐水、耐油、耐腐蝕、透氣性好、透氣量高、微粒過濾等物理特性,擴大了袋式除塵器的使用范圍。覆膜濾料的微孔結構濾塵效率極高,比普通的濾料提高了一個數量級,可滿足嚴格的排放要求,特別是對人體可吸入性粉塵(<5μm)同樣有很好的過濾效果。
(3)各種復合濾料制造技術將有效地推動高溫濾料的系列化和多功能化,適應不同工況需求
復合濾料是指采用兩種以上方法制成或由兩種以上材料復合而成的濾料,主要體現在以下方面:
1)纖維材料復合
主要是將化學纖維和玻璃纖維進行復合,并進行特殊的化學處理。發揮了兩種或兩種以上纖維的優點,克服了化學纖維不耐高溫、玻璃纖維不耐折的缺點,是價廉物美的耐高溫濾料新品種。復合濾料的開發立足于市場的需求,針對各行業的實際工況精心設計,滿足客戶的要求,彌補了合成纖維性能之間的空白,更適合我國的實際情況。
2)漸進式濾料
是指濾料在加工時根據具體工況的需要選擇不同細度的纖維和各層面不同的針刺密度加工工藝,使濾料結構具有不同的密度梯度。迎塵面的超細纖維層主要起過濾作用,有少數超細顆粒會進入超細纖維層。但穿透這層纖維的顆粒很少在濾料深層停留,將會被氣流帶走,其清潔阻力比PPS覆膜濾料約低35%,因此可保證濾料的高過濾精度和低而穩定的壓差。另外,其余層面采用較粗的纖維,并在保障強力剝離的情況下適當降低針刺密度,確保粉塵不進入濾料深層,具有高效的三維過濾效果。
3)預涂層處理
將配制好的粉劑用特殊工藝溶進已縫制好的濾袋濾料內部,再用粘結劑固定,使濾袋未使用前就已具有高效收塵的能力。經預涂層處理后的濾袋在使用前形成了穩定的粉塵初層,比自然形成的粉塵初層具有兩方面的優越性:預涂層在形成粉塵初層方面,可以選擇透氣性好、不易結塊的粉劑,甚至可以選用阻燃、抗靜電粉劑,容塵量也可控制,并且比自然形成粉塵初層過程的時間短,克服了新濾料前期除塵效率不高的弊病;在粉塵初層穩定性方面,預涂層的粉劑經粘結劑固定,穩定性好,可以降低壓力波動對穩定生產的不利影響。
(4)高溫濾料將向非織造布過濾材料、復合膜技術的過濾材料發展,向采用高技術、高性能的玻璃纖維、聚四氟乙烯、芳香族聚酰胺纖維、碳纖維、金屬纖維等材料開發多功能的濾料發展
國外對過濾材料的研究生產應用,已形成一個較完整的系統。每個濾布材料的性能(如透氣性、強度、截留粒子能力等),都有一套完整的測試和試驗手段,采用新材料開發的濾布不斷增加。為了減少清灰阻力,國外已從織布類濾料開始向纖維柵類濾料過渡。纖維柵類濾料是將長纖維上下縱向布置形成一根根的柵欄,當一層柵欄過濾效果不理想時,再加上另一層柵欄,直至達到理想的過濾效果。為了減少粉塵泄漏、提高過濾性能、降低成本、延長使用壽命,可將細直徑的玻璃纖維與耐高溫的合成纖維優勢互補,制成復合針刺氈濾料。
6 結語
袋式除塵器憑借其極高的除塵效率而得到廣泛應用,其節能、環保意義重大。今后的15~20年,我國的袋式除塵器、高溫濾料將會隨著各行業對節能降耗及環保要求的不斷提高而得到快速發展。隨著技術水平的提高,其核心材料—高溫濾料的各項性能將越發完善,使用性能將逐漸增強。將來還會有更多多功能、高附加值的功能性纖維和特種濾料問世。
由于濾料是易損部件,2~3年就需更換。隨著國家環保標準的日趨嚴格和節能減排、清潔生產觀念的深入人心,高溫濾料的市場潛力巨大。濾料生產企業應加強技術革新,進一步提高產品質量,改變目前高端高溫濾料主要靠進口的局面,降低應用企業環保投入成本,使高溫袋式除塵技術的應用不斷擴大。
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