燃煤電廠對(duì)過(guò)濾材料的要求及其解決方案

費(fèi)傳軍，郭曉蓓，白耀宗，徐 濤

(中材科技膜材料公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

目前，國(guó)家對(duì)環(huán)保要求日益嚴(yán)格，工業(yè)煙塵治理變得尤為重要。在2011年國(guó)家頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)要求燃煤電廠煙塵排放濃度實(shí)行小于30 mg/m3的控制標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)江、珠江三角洲以及京津冀地區(qū)等重點(diǎn)地區(qū)煙塵排放濃度控制在20 mg/m3以下，另外還增加了汞的控制和PM2.5微細(xì)顆粒指標(biāo)。

為了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，減少大氣污染，提高人民健康水平，勢(shì)必要發(fā)展高效的除塵器。電除塵器和袋式除塵器均屬高效除塵，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但要達(dá)到煙塵排放濃度低于30 mg/m3，電除塵需要大規(guī)模地增加投資和場(chǎng)地，在維護(hù)工作量及費(fèi)用上均比袋式除塵器大得多。而且電除塵器對(duì)煤種、鍋爐的燃燒方式和煙塵物化特性很敏感而影響除塵效率，袋式除塵器從技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析也有明顯優(yōu)勢(shì)，所以，近兩年來(lái)逐漸增多，特別是老電廠改造更為明顯，因此，袋式除塵器成為今后燃煤電廠除塵的必然趨勢(shì)［1］。

1 燃煤電廠對(duì)過(guò)濾材料的要求

袋式除塵器的除塵效率高、捕集粒徑范圍大，是目前國(guó)內(nèi)外治理工業(yè)粉塵和煙塵最有效的技術(shù)設(shè)備之一，因此，近年來(lái)袋式除塵技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而袋式除塵器的發(fā)展和推廣應(yīng)用的關(guān)鍵之一就是濾料的發(fā)展。

由于我國(guó)電力構(gòu)成以煤電為主(約占總發(fā)電量的80%)，而我國(guó)煤炭資源分布的區(qū)域廣泛，煤炭的種類、成分、質(zhì)量相差較大，即使同臺(tái)鍋爐燃用同種煤炭，由于受多種因素的影響也可能發(fā)生變化。電廠燃煤鍋爐煙氣的主要特征是含SOx，偏酸性。另外，燃煤鍋爐煙氣中含有氧和氮氧化物。

燃煤鍋爐中煙塵灰份為堿性物質(zhì)，易潮解，當(dāng)煙氣中水蒸汽含量過(guò)高時(shí)，堿性物質(zhì)易在濾料表面潮解而腐蝕濾料。

當(dāng)煙氣溫度過(guò)高時(shí)，除了濾料本身材質(zhì)的強(qiáng)度會(huì)降低，煙氣中的腐蝕性氣體，如強(qiáng)氧化型氣體也更容易與濾料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)［2］，因此必須根據(jù)煙氣的特點(diǎn)選擇濾料。

2 燃煤電廠袋式除塵器濾料解決方案

在燃煤電廠袋式除塵器中，聚苯硫醚纖維是被公認(rèn)使用的濾料。但袋式除塵應(yīng)用在我國(guó)電廠中的時(shí)間還比較短，由于對(duì)工況條件的分析不足，導(dǎo)致我國(guó)電廠袋式除塵出現(xiàn)不少問(wèn)題。主要表現(xiàn)為PPS濾袋被嚴(yán)重氧化及硝化酸腐蝕。原因是受到高濃度的煙氣氧化成份如NO2和H2SO4氣溶膠造成酸損傷等的共同作用而失效破損以及結(jié)露，有板結(jié)，濾袋受酸、堿及氧化腐蝕失效等。

造成這些情況產(chǎn)生的原因主要是由于我國(guó)燃煤鍋爐煙氣成分和工況條件比較特殊。國(guó)內(nèi)燃煤品種繁多，燃燒不完全，以及工況溫度不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致燃煤鍋爐煙氣高溫、高濃度、煙氣成分復(fù)雜等特征，這些給除塵濾料帶來(lái)很大難題。因此探求適合我國(guó)現(xiàn)狀的濾料技術(shù)是解決當(dāng)前袋式除塵在電廠中應(yīng)用難題的有效途徑之一［3］。

電廠煙氣溫度一般在120～160 ℃之間，適合在這種溫度段使用的只有PTFE 纖維、聚酰亞胺(PI)纖維、KEMEL 纖維、芳香族聚酰胺纖維(PMIA)、聚苯硫醚(PPS)纖維等合成纖維及以玻璃纖維為代表的無(wú)機(jī)纖維。玻璃纖維目前是濾料中應(yīng)用最廣的無(wú)機(jī)纖維。玻璃纖維濾料最大的特點(diǎn)就是耐高溫，使用溫度在230～280℃之間，另外還具有吸濕性、延伸率小、抗拉強(qiáng)度大、過(guò)濾性好、阻力低、價(jià)格比其他無(wú)機(jī)纖維低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是玻璃纖維較脆、抗彎性差、不耐磨、不能處理含HF 氣體的煙塵。

各合成纖維耐溫及耐化學(xué)性能、耐水解性能如圖1及圖2所示。從圖1、圖2可以看出，PPS 纖維及PTFE 纖維的耐化學(xué)性能、耐水解最好，電廠一般選擇性能價(jià)格比較好的PPS 纖維，但其抗氧化性能較差。PTFE 纖維耐溫及耐化學(xué)性能優(yōu)異，但由其做成的濾料由于纖維之間的抱和力弱，經(jīng)常會(huì)發(fā)生透濾現(xiàn)象。聚酰亞胺纖維耐溫高，其耐酸性能較其他化學(xué)纖維較好，在電廠濾料中也經(jīng)常使用。KEMEL纖維、芳香族聚酰胺纖維(PMIA)由于其耐酸性相對(duì)較差，在實(shí)際工況中較少使用。

圖1 合成纖維耐溫及耐化學(xué)性能

圖2 各種纖維的耐水解性能

根據(jù)電廠燃煤鍋爐的特點(diǎn)，目前設(shè)計(jì)的過(guò)濾材料解決方案由以下幾種:

(1)采用PPS 纖維為主體材料、面層加入P84纖維，基布采用PTFE 的復(fù)合濾料

考慮到煙氣設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度在120～160 ℃之間，這是PPS 所能承受的溫度，并且在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)PPS 有良好的耐腐蝕性能，并能把氧化作用降低。因此可以采用PPS 作為主體材料，其主要作用是為材料提供長(zhǎng)久的強(qiáng)度支持。在目前纖維當(dāng)中，同等重量條件下，過(guò)濾效率最高的纖維是P84 纖維，這主要是由于P84 纖維具有三葉形不規(guī)則界面，提高了纖維的表面積，使其能夠更有效的攔截細(xì)小的粉塵顆粒。而且P84 纖維的耐溫性能，耐氧化性能等方面都高于PPS 纖維，因此在使用過(guò)程中也不需要擔(dān)心它因?yàn)楦g等原因使濾料失效。但由于該纖維價(jià)格昂貴，如果采用該纖維作為主體使用壽命不會(huì)延長(zhǎng)太多，但成本上升較大，因此在濾袋的迎塵面采用PPS 加入P84 的方法以提高濾料的過(guò)濾性能。之所以只在迎塵面采用P84 是因?yàn)?，過(guò)濾作用主要發(fā)生在濾袋的迎塵面，而迎塵面對(duì)粉塵的攔截起到至關(guān)重要的作用，當(dāng)迎塵面攔截大量細(xì)小粉塵形成濾餅層后，可以對(duì)微米級(jí)的細(xì)小顆粒進(jìn)行有效的攔截以達(dá)到提高過(guò)濾效率的目的。由于濾料的強(qiáng)度主要來(lái)源于基布，基布采用PTFE，可以增強(qiáng)整個(gè)濾料的抗腐蝕性能，特別是耐氧化性能。

另外，濾料在后處理工序中采用PTFE 浸漬處理，可以一定程度上提高產(chǎn)品的耐腐蝕性能，從而達(dá)到延長(zhǎng)壽命的目的;另一方面，經(jīng)過(guò)浸漬處理后的濾料表面更加光滑，使粉塵更容易從濾料表面脫落，以達(dá)到近于表面過(guò)濾的目的，而且浸漬處理在充分保證了濾料空隙率的同時(shí)又大大減小了空隙直徑，為過(guò)濾更加精細(xì)的粉塵顆粒提供了可能。

(2)設(shè)計(jì)特殊的玻璃纖維覆膜濾料

目前市場(chǎng)上使用的玻璃纖維分為中堿玻璃纖維及無(wú)堿玻璃纖維，中堿玻璃纖維含堿量較高，耐水解性能差，耐化學(xué)性能稍差，一般不適合在燃煤電廠中使用，一般的無(wú)堿玻璃纖維耐水解性一般，耐化學(xué)性能較好，耐氧化性好，再加上特殊的織物結(jié)構(gòu)及處理手段，可以改善其彎性差、不耐磨的缺點(diǎn)，再加上其覆膜濾料表面過(guò)濾的特點(diǎn)，可以滿足一般的電廠燃煤鍋爐使用，目前在國(guó)內(nèi)外電廠燃煤鍋爐中已有許多成功的市場(chǎng)應(yīng)用。

中材科技股份有限公司研發(fā)出一種耐酸玻璃纖維，經(jīng)紡紗、膨化和織造制備出耐酸玻璃纖維素布，經(jīng)高溫預(yù)處理后，采用特殊的柔順精細(xì)化配方進(jìn)行處理后，與膨體微孔PTFE 膜高溫高壓覆合，制得耐酸玻璃纖維覆膜濾料，覆膜濾料性能測(cè)試見(jiàn)表1。

表1 耐酸玻璃纖維覆膜濾料性能測(cè)試結(jié)果

為了有效評(píng)價(jià)該新型覆膜濾料的性能，進(jìn)行了耐酸及耐折性能測(cè)試，耐酸性能反映了適用工況的環(huán)境，耐折性反映了濾料的使用壽命。通過(guò)與現(xiàn)有常用玻璃纖維布產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)性能對(duì)比測(cè)試分析，用濾料的強(qiáng)力保持率和耐折保留率兩個(gè)實(shí)用指標(biāo)來(lái)表征其性能的優(yōu)劣程度。

耐酸檢測(cè)為2.5%的硫酸浸泡樣品24 h，后取出，用清水沖洗并晾曬干凈，測(cè)試斷裂強(qiáng)度及耐折性能，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 玻璃纖維布斷裂強(qiáng)力保留率性能

表3 玻璃纖維布耐折性能

從表2、表3可以看出，耐酸玻纖濾料的素布遠(yuǎn)遠(yuǎn)比普通玻纖濾料素布的耐酸保留率要高，大約是2～3 倍的關(guān)系。耐酸玻纖濾料的處理布比普通玻纖濾料的處理布耐酸保留率高一倍左右。耐折試驗(yàn)中，普通樣和耐酸樣也呈現(xiàn)類似的關(guān)系。

耐酸玻纖濾料樣的斷裂強(qiáng)力保留率達(dá)到了90%以上，而普通無(wú)堿玻纖布其保留率一般在40%左右，因此耐酸玻纖濾料的耐酸性能明顯優(yōu)于普通無(wú)堿玻纖濾料的耐酸性能。經(jīng)測(cè)試表明上述濾料其耐酸性比現(xiàn)有玻璃纖維高一倍以上，再覆合上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的小孔徑、高孔隙率、高強(qiáng)度的PTFE 薄膜，可以用于工況更加苛刻的場(chǎng)合。

3 結(jié)語(yǔ)

由于我國(guó)燃煤鍋爐煙氣成分和工況條件比較特殊，采用國(guó)外的濾料設(shè)計(jì)已不能滿足除塵器的要求，因此必須設(shè)計(jì)新的濾料來(lái)滿足其要求，根據(jù)國(guó)內(nèi)燃煤鍋爐電廠的工況，采用用PPS 纖維為主體材料、面層加入P84 纖維，基布采用PTFE 的濾料及改進(jìn)的玻璃纖維覆膜濾料可以滿足國(guó)內(nèi)燃煤電廠除塵器所需濾料的要求。隨著相關(guān)濾料的應(yīng)用，將進(jìn)一步解決國(guó)內(nèi)燃煤鍋爐電廠用濾料的問(wèn)題，使天空更藍(lán)，人們的生活更加美好。

［1］江得厚，郝 黨，王 勤.燃煤電廠袋式除塵器發(fā)展趨勢(shì)及其運(yùn)行壽命的影響因素［J］.中國(guó)電力，2008，(5):86－91.

［2］孟慶珍，胡鼎文，程全壽，等.無(wú)機(jī)化學(xué)上冊(cè)［M］.北京:北京師范大學(xué)出版社，1999.

［3］費(fèi) 楷，王 樺，覃 俊，等.袋除塵纖維濾料在燃煤鍋爐中的應(yīng)用及使用建議［J］.紡織科技進(jìn)展，2011，(2):1－7.