耐高溫除塵過濾材料的研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢

白 媛 馬新安 楊家密

(陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038)

1 背景

隨著資源、能源耗費大，且污染嚴重的重工業(yè)迅速發(fā)展，我國已成為原煤、鋼鐵、水泥和化纖生產(chǎn)第一大國，電力、有色金屬和化肥生產(chǎn)第二大國[1]。2016年，我國工業(yè)煙塵排放量已超過8×106t，主要來自煤炭、鋼鐵、水泥等。由此引起的空氣污染物排放問題也受到了國家的高度重視，環(huán)保部門對鋼鐵行業(yè)、有色冶金行業(yè)、水泥行業(yè)以及火力發(fā)電、垃圾焚燒和瀝青攪拌等行業(yè)的高溫?zé)煔獬龎m要求越來越嚴格，排塵濃度標(biāo)準(zhǔn)已由原來的200 mg/m3提高到30 mg/m3～50 mg/m3，有些地方甚至要求控制在20 mg/m3～30 mg/m3，電除塵已難以達到要求。袋式除塵具有超高的除塵效率，實際應(yīng)用中除塵效率可達99.99%。粉塵排放濃度達到10 mg/Nm3以下，有的甚至達到1 mg/Nm3，基本上達到零排放[2]。而且粉塵比電阻、煙氣成分、煙氣量等對除塵效率影響較大的因素對袋式除塵器的除塵效率影響甚微[3]，因此，作為細微粉塵排放控制的有效手段，袋式除塵器已被廣泛應(yīng)用于20多個行業(yè)，使用比例達60%以上，部分行業(yè)達到100%。其中，水泥行業(yè)袋式除塵使用比例已達80%左右，鋼鐵、有色行業(yè)袋式除塵使用比例已達95%左右，城市生活垃圾焚燒發(fā)電、固體廢棄物和醫(yī)療廢棄物焚燒行業(yè)，使用比例已經(jīng)達到100%，電力行業(yè)袋式除塵應(yīng)用比例也將突破20%，未來還有很大開發(fā)空間。過濾材料(以下簡稱濾料)作為袋式除塵的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到除塵器性能。

2 除塵濾料的性能要求及發(fā)展進程

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》中要求，濾料的濾塵性能必須大于等于99.5%，防靜電濾料靜電半衰期必須小于1 s，濾料的耐腐蝕性能必須大于等于95%，淋水等級應(yīng)大于等于4級，疏油性應(yīng)大于等于3級，陰燃性濾料在火焰中只能陰燃，不能產(chǎn)生明火，離開火焰，陰燃自行熄滅[4]。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50505—2009《高爐煤氣干法袋式除塵設(shè)計規(guī)范》適用于低壓脈沖帶式除塵和反吹風(fēng)袋式除塵兩種高爐煤氣袋式除塵的新建、擴建和改造項目設(shè)計[5]。該規(guī)范規(guī)定了濾料材質(zhì)和濾袋規(guī)格，規(guī)定濾料的耐受溫度不低于200 ℃，且具有強度高、韌性好、耐腐蝕和透氣性好等性能；脈沖除塵濾袋宜采用120 mm、130 mm、150 mm、160 mm等規(guī)格，長度宜采用6 m～8 m，并根據(jù)脈沖閥配置確定。該標(biāo)準(zhǔn)的濾袋材質(zhì)目前多是以芳綸為主的合成纖維針刺氈和以玻璃纖維為主、混配有其他合成纖維的復(fù)合針刺氈。

當(dāng)前，除塵濾料已廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等行業(yè)，隨著我國對環(huán)保的重視，國家對火電廠的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)趨于嚴格，GB 13223《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》從20世紀(jì)90年代后經(jīng)歷了4次改版，每個版本煙塵排放限值都會更低，重點地區(qū)達到20 mg/m3。鋼鐵行業(yè)的煤需求量僅次于電力，每生產(chǎn)1 t鋼鐵所需燃料中近80%都將變成廢棄物，以粉塵的形式排出，污染巨大，鋼鐵行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)將大氣顆粒污染排放限值最低控制在30 mg/m3，部分省、市級城市地方標(biāo)準(zhǔn)達到 10 mg/m3以下。水泥行業(yè)除塵，之前大多采用電除塵，其除塵后粉塵排放濃度較高，達不到日趨嚴格的國家大氣污染物排放要求，國家政策要求水泥窯電除塵裝置在2015年實現(xiàn)電改袋式除塵的改造工程，因此，袋式除塵在水泥行業(yè)的應(yīng)用將日漸廣泛。CJJ 90—2009《生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范》要求生活垃圾焚燒煙塵，必須使用袋式除塵器，為袋式除塵器的應(yīng)用提供了有力保證。

隨著國內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸嚴格，耐高溫濾料的需求量和市場空間進一步增大，國內(nèi)現(xiàn)行的濾料大都還是使用滌綸等普通纖維經(jīng)純紡、混紡和后整理等方式制成，高性能纖維的應(yīng)用量還不大，這就對高性能纖維的應(yīng)用研究提出了新要求。

我國袋式除塵濾料從20世紀(jì)50年代開始到21世紀(jì)10年代大致經(jīng)歷了4個時期。第一時期，我國的袋式除塵濾料由最開始的普通工業(yè)機織布發(fā)展到了208滌綸絨布，用于常溫工業(yè)場所。第二時期，20世紀(jì)80年代，開始了由傳統(tǒng)織造濾料走向非織造濾料的技術(shù)革命性轉(zhuǎn)變，耐高溫針刺濾料開始推廣應(yīng)用[6]。第三時期，20世紀(jì)90年代，國產(chǎn)覆膜濾料開始迅速推廣使用，標(biāo)志著我國濾料進入世界先進水平行列。第四時期，21世紀(jì)以來，隨著國家對環(huán)保的重視，新標(biāo)準(zhǔn)要求電廠除塵一律由原來傳統(tǒng)的電除塵改袋式除塵，燃煤電廠的普及應(yīng)用，使袋式除塵市場急劇擴大，芳綸、PPS等高性能纖維陸續(xù)國產(chǎn)化，也帶動了耐高溫濾料產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

3 除塵濾料常用纖維及加工工藝

3.1 常用纖維

袋式除塵器用耐高溫濾料通常為耐溫大于130 ℃的濾料?？紤]到原料成本優(yōu)勢，目前國內(nèi)用的最多的還是滌綸混紡濾料，還有近幾年研究較多的聚苯硫醚纖維、芳香族聚酰胺纖維、聚四氟乙烯纖維、聚酰亞胺纖維、玻璃纖維等[7-8]。

滌綸濾料耐酸、耐弱堿，耐磨性、耐腐蝕性、回復(fù)性好，導(dǎo)電性能差，滌綸濾料連續(xù)使用溫度可達130 ℃，瞬間最高溫度150 ℃。由于良好的成本優(yōu)勢，一直在國內(nèi)耐高溫濾料市場占有較大份額，隨著國內(nèi)濾料標(biāo)準(zhǔn)的嚴格化，研究者們在滌綸復(fù)合多功能濾料方面增加了研發(fā)投入。王成東采用針刺加固的方式，將滌綸和PTFE纖維復(fù)合纖維層以上下兩層夾心的方式同滌綸長纖和不銹鋼纖維制成的混合基布復(fù)合在一起，形成滌綸復(fù)合過濾材料，該濾料具有耐腐蝕、防水、防油、防靜電、過濾精度高等特點，正常工作溫度可以達到160 ℃[9]。李剛在滌綸中旦纖維針刺氈迎塵面針刺加固了滌綸超細纖維面層，再經(jīng)過PTFE乳液浸漬處理，該濾料尺寸穩(wěn)定性好，使用溫度高，耐腐蝕性好，過濾易清灰性好[10]。近幾年，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)嚴格化，各行業(yè)工況的個性化，國內(nèi)學(xué)者在高性能纖維應(yīng)用方面也加大了研發(fā)力度。

聚苯硫醚纖維(PPS)具有極佳的阻燃性能，且燃燒時表現(xiàn)出較低的延燃性和煙密度，耐酸堿、抗水解性能較好，特別適合高溫?zé)焿m過濾，但其耐氧化性能較差，在煙塵氧體積分數(shù)超過15%時就不能使用。因此，國內(nèi)PPS濾料基本都是復(fù)合濾料，主要包括PPS覆膜濾料、PTFE浸漬的PPS濾料、PPS/P84復(fù)合濾料等。

芳香族聚酰胺纖維即芳綸，耐高溫濾料主要是芳綸1313，其具有高強度、高模量、輕質(zhì)、耐堿性好等特性，但耐酸性和抗水解性差。國內(nèi)一般會給芳綸針刺氈做PTFE浸漬處理后再應(yīng)用，以提高其過濾效率，延長過濾材料的清灰周期，大大減少粉塵殘留量，降低粉塵的排放精度[11]。

聚四氟乙烯纖維(PTFE)具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、低摩擦因數(shù)、阻燃等性能，廣泛應(yīng)用于燃煤電廠、垃圾焚燒、鋼鐵廠、化工廠等工業(yè)領(lǐng)域的煙塵過濾，但其缺點是價格高，國內(nèi)PTFE覆膜和浸漬復(fù)合濾料產(chǎn)品已普遍使用。

聚酰亞胺纖維耐高溫性能和抗氧化性能優(yōu)于PPS，但耐酸和抗水解性能差，耐堿性差，適合在含硫量低的工況下使用，隨著該纖維的國產(chǎn)化應(yīng)用，其應(yīng)用市場也將進一步擴大。

玻璃纖維是中、高溫?zé)焿m過濾中應(yīng)用較多的材料。其高溫下收縮率低、粉塵剝離性好，清灰能耗低，價格優(yōu)勢大，但耐磨、耐折性差，不能滿足復(fù)雜高溫?zé)焿m過濾的要求，應(yīng)用受到限制[12]。

近年來，還有部分高性能纖維耐高溫濾料也在相繼開發(fā)，如：碳纖維、PBO纖維、芳砜綸、不銹鋼纖維、玄武巖纖維等，結(jié)合纖維自身特點，采取氣流成網(wǎng)、水刺加固等方法制成耐高溫濾料，滿足各種工況的實際需求。

3.2 加工工藝

目前市面上的耐高溫除塵濾料多數(shù)是以針刺加固的方式加工，水刺加工濾料尚處于起步階段。

針刺加固是將梳理成網(wǎng)或氣流成網(wǎng)的纖維網(wǎng)，或者兩層纖網(wǎng)中間加有基布的纖網(wǎng)，經(jīng)多道針刺形成上下勾連、具有三維結(jié)構(gòu)的材料，其具有較高的過濾效率和透氣性，經(jīng)一定的整理后，具有更高的捕集效率和清灰能力，是目前除塵濾料的主流[13]。李兵濤等將PI纖維機織布作為夾心層的針刺PI濾料，經(jīng)聚四氟乙烯乳液與環(huán)氧酚醛樹脂為主的耐高溫水解整理液浸軋、焙烘等，使濾料表面形成PTFE包覆膜，具有抗油拒水、耐高溫等性能[14]。竇皓等通過針刺加固的方式將芳綸針刺材料與玻璃纖維機織布進行“三明治”復(fù)合，研究針刺密度對針刺濾料力學(xué)性能、透氣性等的影響。結(jié)果表明，該濾料在針刺密度為400刺/m2時，材料的強力、透氣性、孔徑分布等性能達到最優(yōu)[15]。賀湘兵對玄武巖基/PPS針刺濾料的性能進行了研究。研究結(jié)果表明，PPS纖維在230 ℃以上耐高溫性能差，耐堿性和耐硫酸性能好，但耐鹽酸和耐硝酸性能一般，斜紋玄武巖基/PPS濾料的力學(xué)性能優(yōu)于平紋基布濾料，燒毛軋光處理使濾料厚度減小，透氣量、平均孔徑減小，過濾效率提高。單面覆膜使濾料孔徑減小，過濾阻力變大，對孔徑小的粒子過濾效率大幅提高[16]。

由于針刺對濾料有損傷，近幾年有研究者開始了水刺濾料的研究。翁美玲等人采用水刺工藝將PPS/PTFE纖網(wǎng)和經(jīng)過預(yù)針刺的上下層夾有PPS基布的PPS纖網(wǎng)加固起來，制成復(fù)合水刺濾料，具有耐高溫、高效、低阻和較長的使用壽命[17]。王萍采用玄武巖纖維為原料，利用氣流成網(wǎng)及水刺加固的方式制備了玄武巖纖維水刺濾料。研究發(fā)現(xiàn)，100%的玄武巖纖維不能形成連續(xù)網(wǎng)，當(dāng)玄武巖纖維與芳綸1313混紡比為50/50時，氣流成網(wǎng)效果最佳；研究還發(fā)現(xiàn)，水刺加固的材料表面更光滑，孔徑分布相對集中，材料縱橫向強力好，過濾效率好[18]。李培君將金屬絲網(wǎng)作為增強材料，和不同單位面積質(zhì)量PPS纖網(wǎng)經(jīng)過預(yù)針刺，再用水刺工藝進行加固，最后經(jīng)燒毛軋光整理得到濾料。研究表明，鋁制沖縫網(wǎng)強力過低，不適合做濾料基網(wǎng)，其他金屬絲網(wǎng)經(jīng)緯強力都高于普通基布強力。濾料孔徑和基網(wǎng)目數(shù)呈正比關(guān)系，隨濾料克重的增大而減小，金屬絲網(wǎng)增強PPS水刺濾料的尺寸穩(wěn)定性好，耐高溫、耐腐蝕性能好，符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)。金屬絲網(wǎng)的加入提高了濾料的耐用性，但硬挺度也提高，給清灰造成一定困難，需進一步研究[19]。

4 袋式除塵技術(shù)問題分析

近年來，我國耐高溫濾料在研究和應(yīng)用上取得了長足發(fā)展，但還存在較多問題和不足。隨著袋式除塵的廣泛應(yīng)用，廢棄除塵濾料的不完全回收也引起了二次污染。耐高溫濾料大都是聚苯硫醚、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚酰亞胺等高性能纖維純紡或混紡而成，純紡的濾料經(jīng)清洗、干燥、開松或粉碎等方法可以再回收利用，重新制作濾袋；而絕大多數(shù)濾袋都是通過混紡、覆膜、浸漬等方法生產(chǎn)加工的，這種廢棄濾料的數(shù)量巨大，二次污染嚴重，回收后可以制成耐高溫隔熱氈或填充材料，但國內(nèi)目前對這類濾料廢棄物回收問題的研究還很鮮見，尚無成熟的回收廠。目前芳綸、聚苯硫醚、聚四氟乙烯等高性能纖維已經(jīng)國產(chǎn)化，并且性能也在逐步完善和改進，但國產(chǎn)纖維在性能和穩(wěn)定生產(chǎn)方面還是與國外有一定差距，導(dǎo)致國產(chǎn)纖維應(yīng)用受阻。另外，國內(nèi)芳綸、聚苯硫醚等高性能纖維的改性技術(shù)也是當(dāng)前研究熱點及需要攻克的難點。

5 除塵濾料的技術(shù)研發(fā)趨勢

近些年，我國對環(huán)境的重視程度空前，環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴格，促使環(huán)保濾料行業(yè)大跨步發(fā)展，我國除塵濾料在性能方面也有很大突破，但面臨的挑戰(zhàn)依舊很多。

(1)高性能纖維應(yīng)用方面。目前國內(nèi)濾料企業(yè)大多還在用普通滌綸、丙綸濾料或者其他復(fù)合濾料，大規(guī)模的濾料生產(chǎn)企業(yè)也大都生產(chǎn)普通濾料，高性能纖維濾料的應(yīng)用已經(jīng)受到重視，但研究應(yīng)用力度還需進一步加強。

(2)除塵濾料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和后整理方面，應(yīng)在易清灰、高效、低阻方面加大研發(fā)力度。從濾料結(jié)構(gòu)著手，優(yōu)化現(xiàn)有濾料性能，提高使用壽命。從濾料的后整理工藝著手，提高其耐高溫、耐腐蝕、耐水解、耐氧化等化學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性、抗拉伸、耐磨損、抗疲勞等物理性能，從而提高濾料使用壽命。

(3)功能性差別化濾料的研發(fā)方面。需要加大研發(fā)力度，針對特殊工況，研發(fā)專用定制款濾料，如具備高強低伸、防靜電、疏水拒油等性能的濾料，并向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化方向發(fā)展。

(4)濾料的回收方面。對純紡濾料，優(yōu)化現(xiàn)有回收方法，在高效、快捷、系統(tǒng)化、規(guī)?；矫婕哟笱邪l(fā)力度。對混紡、覆膜、涂層濾料，根據(jù)各成分性能差異，通過溶解、熔融等方法將主要成分分離出來。

(5)高性能纖維的開發(fā)方面。從高性能纖維穩(wěn)定連續(xù)化生產(chǎn)、設(shè)備改進優(yōu)化到纖維改性，都有很大的開發(fā)空間。我國高溫濾料紡織品權(quán)威檢測和認證機構(gòu)的缺失，也是制約我國高性能除塵濾料進入高端市場的一大因素。因此，還應(yīng)加大在專業(yè)檢測設(shè)備和檢測機構(gòu)的研發(fā)投入。