水泥行業(yè)濾料失效分析方法的探究

文/孫現(xiàn)偉 王向欽 漆東岳 張鵬雷 李娜

1 引言

近年來，隨著我國各工業(yè)行業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，袋式除塵器得到了快速發(fā)展，由于其具有較高的除塵效率，在我國水泥行業(yè)的使用率已達(dá)80%以上[1]。在袋式除塵器中，濾料是最核心的部件，同時(shí)也是易耗品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在袋式除塵器總造價(jià)中，濾料成本占40%，而濾料的更換更達(dá)到了袋式除塵器日常檢修費(fèi)用的85%以上[2]。

國內(nèi)關(guān)于過濾材料的研究多集中在濾料使用前性能、濾料的選型或過濾性能分析[3,4]，針對(duì)濾料失效分析的研究比較少見。水泥行業(yè)工況條件相對(duì)于其他行業(yè)而言具有較強(qiáng)的特殊性[5,6]，目前的研究成果中缺乏水泥行業(yè)濾料失效原因的科學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)分析方法，無法為水泥行業(yè)袋式除塵濾料的研發(fā)及檢測(cè)提供依據(jù)。因此，分析濾料失效原因，延長濾袋的使用壽命，從而降低水泥廠環(huán)境保護(hù)成本是眾多企業(yè)共同關(guān)心的問題。

2 濾料失效分析的性能測(cè)試

目前沒有專門針對(duì)水泥行業(yè)濾料失效分析的方法，但是可以參考火電、鋼鐵、工業(yè)鍋爐行業(yè)的相關(guān)方法[7-9]，結(jié)合水泥行業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行分析。造成水泥行業(yè)濾料失效的原因可以分為物理性能損傷失效和化學(xué)性能損傷失效，其中物理性能損傷失效包括氣流沖擊損傷、機(jī)械磨損、高溫灼燒、粉塵阻塞、粉塵附著等，化學(xué)性能損傷失效包括化學(xué)腐蝕、水解氧化、燒袋等。濾料的失效分析應(yīng)該從新舊濾袋對(duì)比中尋找失效原因。本文通過選擇合適的濾料樣品，進(jìn)行物理性能、化學(xué)性能及耐溫疏水疏油等特殊性能檢測(cè)，并結(jié)合工況條件對(duì)水泥行業(yè)用袋式除塵濾料失效的原因進(jìn)行探究。

2.1 測(cè)試濾料樣品的選擇

用于濾料失效分析的測(cè)試樣品應(yīng)該包括同批次的新舊濾袋各一條：新濾袋長度不小于6m，表面潔凈、無破損；舊濾袋（即同批次失效濾袋）長度不小于4m，從袋式除塵器上取下后，不進(jìn)行任何處理。對(duì)新濾料需進(jìn)行所有項(xiàng)目的測(cè)試，而舊濾袋則不進(jìn)行耐溫性能、耐腐蝕性能測(cè)試。

2.2 物理性能測(cè)試

對(duì)于造成濾料物理性能損傷失效的分析，可以進(jìn)行相關(guān)物理性能測(cè)試，主要包括：斷裂強(qiáng)力及伸長率測(cè)試、耐溫性能測(cè)試、耐腐蝕性能測(cè)試、耐磨損性能測(cè)試、透氣性測(cè)試、孔徑分析測(cè)試、微觀形貌（SEM電鏡掃描）測(cè)試、動(dòng)態(tài)過濾性能測(cè)試。

2.2.1 斷強(qiáng)及耐溫耐腐蝕性測(cè)試

濾料的斷裂強(qiáng)力及伸長率測(cè)試、耐溫性能測(cè)試、耐腐蝕性能測(cè)試可以獲得濾料在水泥生產(chǎn)過程煙氣高溫、高酸（堿）氣體濃度環(huán)境下濾料的變化，通過濾料失效前后性能的對(duì)比可確定高溫、高酸（堿）氣體對(duì)濾料失效影響程度的大小。其相關(guān)測(cè)試的斷裂強(qiáng)力及斷裂強(qiáng)力伸長率可以按照GB/T 6719—2009 《袋式除塵器中技術(shù)要求》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試設(shè)備可選擇美國英斯特朗（INSTRON）公司生產(chǎn)的5969電子織物強(qiáng)力機(jī)或其他符合規(guī)定的儀器；耐溫性能測(cè)試應(yīng)在濾料使用的工況條件溫度下處理24h，然后以其處理前后的強(qiáng)力保持率表征其耐溫性；耐腐蝕樣品處理可概括為將樣品放入85℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的H2SO4溶液中處理24h，耐堿處理是指將樣品放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的NaOH溶液中常溫處理24h，然后在通風(fēng)櫥中干燥，以斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力保持率表征其耐酸堿腐蝕性能。

對(duì)于濾料耐溫耐腐蝕性能的測(cè)試也可按照ISO 16891—2016《可清潔過濾介質(zhì)特性退化評(píng)估的試驗(yàn)方法》，該方法能更好地展示濾料實(shí)際使用過程中發(fā)生的行為，并且能夠同時(shí)考慮到溫度和耐腐蝕環(huán)境對(duì)濾料的影響，但是耗時(shí)較長。

耐溫性、耐腐蝕性測(cè)試中，舊濾料直接進(jìn)行斷裂強(qiáng)力測(cè)試，以其相對(duì)新濾料的強(qiáng)力保持率作為測(cè)試結(jié)果，然后與耐溫性、耐腐蝕性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合，分析其相關(guān)性，從而確定溫度、耐腐蝕環(huán)境是否是濾料失效的主要潛在原因。

2.2.2 耐磨損測(cè)試

濾袋在使用過程中與袋籠進(jìn)行摩擦，然后在清灰脈沖的沖擊下很容易引起接觸位置的穿孔，導(dǎo)致濾袋失效。對(duì)于濾袋耐磨損性能的測(cè)試目前沒有專門的測(cè)試方法，可以參考GB/T 21196.3—2007《紡織品 馬丁代爾法織物耐磨性的測(cè)定 第3部分：質(zhì)量損失的測(cè)定》，測(cè)試設(shè)備為馬丁代爾耐磨試驗(yàn)儀，摩擦負(fù)荷為（795±7）g，摩擦次數(shù)10000次，以耐磨指數(shù)作為測(cè)試結(jié)果表示其耐磨性能。

2.2.3 透氣性、孔徑特征及微觀形貌測(cè)試

濾材中纖維的排列方式、密集程度對(duì)濾料的過濾效率與阻力有重大影響。濾料的透氣性、孔徑特征、微觀形貌可以獲得濾料失效前后孔徑的變化情形，可結(jié)合煙氣中顆粒物的粒徑分布情況，確定造成濾料堵塞的原因。同時(shí)，孔徑特征和煙氣中顆粒物粒徑分布情況可以提前預(yù)測(cè)濾料是否適合工況條件使用，新舊濾料微觀形貌結(jié)果可直觀顯示濾料表面纖維的損壞程度。透氣性測(cè)試可采用GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試壓差為200Pa，測(cè)試設(shè)備為織物透氣性能測(cè)試儀或其他可用設(shè)備；孔徑特征按照GTT TM 017—2012《紡織品 非織造材料孔隙特征測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試設(shè)備可選擇美國PMI公司CFP1200AP毛細(xì)管流動(dòng)孔隙儀，SEM電鏡掃描測(cè)試可參照GB/T 14593—2008《山羊絨、綿羊毛及其混合纖維定量分析方法 掃描電鏡法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試設(shè)備可選擇日本HITACHI生產(chǎn)的S-3000N型掃描電子顯微鏡，樣品測(cè)試前進(jìn)行噴金處理，電壓為15kV～25kV、工作距離為22mm。研究濾料失效前后透氣性變化率、孔徑特征分布區(qū)間分布和微觀形貌SEM掃描圖，以分析濾料受顆粒物吸附堵塞而失效的原因。

2.2.4 動(dòng)態(tài)過濾性能測(cè)試

動(dòng)態(tài)過濾性能測(cè)試可以模擬實(shí)際工況條件（溫度、壓力）下濾料的使用情況，通過對(duì)新舊濾料（舊濾料為破損部分）動(dòng)態(tài)過濾性能測(cè)試，確定殘余壓力高和過濾效率低是否為濾料失效（報(bào)廢）的原因。對(duì)于新濾料動(dòng)態(tài)過濾性能的測(cè)試，應(yīng)結(jié)合工況條件進(jìn)行濾料性能檢測(cè)，才能更好地反映濾料在實(shí)際使用過程中的性能，更具有參考價(jià)值。動(dòng)態(tài)過濾性能的結(jié)果以殘余阻力、動(dòng)態(tài)過濾效率、PM2.5排放濃度來表征。動(dòng)態(tài)過濾性能測(cè)試可按照GB/T 6719—2009附錄B濾料動(dòng)態(tài)過濾性能測(cè)試或ISO 11057—2011《空氣質(zhì)量-可清洗過濾介質(zhì)的過濾特性的試驗(yàn)方法》對(duì)濾料進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試設(shè)備為德國Filteq FEMA 1粉塵過濾效率測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試用粉塵為Pural NF氧化鋁顆粒物。

2.3 化學(xué)性能測(cè)試

具有腐蝕性的、高溫高濕的水泥尾氣在一定條件下能夠引起濾料的纖維損傷或材質(zhì)發(fā)生變化，這是造成濾料化學(xué)性能損傷失效的潛在原因。對(duì)于造成濾料化學(xué)性能損傷失效的分析，可通過紅外光譜分析和熱重分析進(jìn)行。紅外光譜分析可獲得濾料材質(zhì)官能團(tuán)的變化，通過新舊濾袋測(cè)試結(jié)果對(duì)比可獲得煙氣對(duì)濾料的腐蝕、氧化情況；熱重分析可以獲得濾料在高溫?zé)煔庵蟹肿渔湹臄嗔亚闆r以及相應(yīng)產(chǎn)物的生成情況，通過新舊濾袋測(cè)試結(jié)果對(duì)比可獲得濾料熱穩(wěn)定性變化情況。紅外光譜分析可以按照GB/T 32199—2015《紅外光譜定性分析技術(shù)通則》或FZ/T 01057.8—2012《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第8部分：紅外光譜法》中規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試設(shè)備可采用美國Thermo Fisher公司生產(chǎn)的傅立葉紅外光譜儀，型號(hào)Nicolet6700；熱重分析可以按照GB/T 27761—2011《熱重分析儀失重和剩余量的試驗(yàn)方法》中規(guī)定的方法進(jìn)行，測(cè)試設(shè)備可采用美國TA公司生產(chǎn)的熱重分析儀，型號(hào)Q500。

2.4 特殊性能測(cè)試

濾料特殊性能的測(cè)試主要包括疏水性能、抗靜電性能和阻燃性能。例如，當(dāng)進(jìn)入袋式除塵器濾袋的煙氣濕度過高，顆粒物和水蒸氣很容易結(jié)合，造成濾袋表面被粘附，透氣率下降，過濾阻力急速增大，加速濾袋的失效；若濾料的抗靜電性能或阻燃性能差可能是造成濾袋陰燃或燒袋的主要原因。因此，有必要對(duì)濾料的疏水性能、抗靜電性能和阻燃性能進(jìn)行測(cè)試。

3 失效原因的初步判定

造成濾料失效的表觀現(xiàn)象主要包括破損和堵塞，其中破損包括機(jī)械磨損和化學(xué)腐蝕破損，堵塞包括粉塵堵塞和粉塵附著。如果新舊濾料化學(xué)性能明顯不同，則濾料失效的原因可能是化學(xué)腐蝕破損造成的，這些原因包括酸堿氣體腐蝕、氧化、水解等；若濾料的化學(xué)性能沒有發(fā)生明顯變化，新舊濾料的斷裂強(qiáng)力變化較大，則造成濾料失效的原因主要是機(jī)械磨損，包括袋籠和濾料之間的摩擦、高溫下的噴吹氣流沖擊等。若新舊濾料的化學(xué)性能和斷裂強(qiáng)力均未發(fā)生明顯變化，但透氣性下降，孔徑特征變小，動(dòng)態(tài)過濾效率性能降低，則造成濾料失效的原因是粉塵堵塞和粉塵附著，具體應(yīng)通過SEM可進(jìn)一步確定。另外，濾袋的燒袋、粘結(jié)、結(jié)露等失效現(xiàn)象與濾料的阻燃、抗靜電及疏水性能息息相關(guān)，通過新濾料相關(guān)性能測(cè)試和失效濾料的外觀變化可以確定。實(shí)際中，造成濾料失效原因并非單一，在尋找失效原因時(shí)必須全面分析新舊濾料的測(cè)試結(jié)果，并與工況條件相結(jié)合。

4 結(jié)論

目前，對(duì)袋式除塵器濾料失效分析的研究多是針對(duì)電力、鋼鐵行業(yè)，但對(duì)水泥行業(yè)濾料失效分析的研究鮮為少見，缺乏針對(duì)水泥行業(yè)濾料失效分析的科學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)分析方法，無法為科研和企業(yè)技術(shù)咨詢服務(wù)提供檢測(cè)依據(jù)。筆者從新舊濾料物理性能、化學(xué)性能、特殊性能出發(fā)，對(duì)水泥行業(yè)濾料失效分析方法進(jìn)行探究，比較全面地考慮了濾料失效造成的性能變化與工況條件，在此基礎(chǔ)上尋找濾料失效的原因，更加科學(xué)合理。該方法可為科研機(jī)構(gòu)提供參考，其分析結(jié)果可為企業(yè)選擇濾料和改善工況條件提供新思路，以提高濾料的使用壽命，降低運(yùn)行成本。

[1]中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)袋式除塵委員會(huì).袋式除塵行業(yè)2014年發(fā)展綜述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè), 2015(11):4-14.

[2]郭偉,崔寧,田鉑,等. 火力發(fā)電廠袋式除塵器濾料材質(zhì)選型探討[J].科技與創(chuàng)新, 2016(14):104-105.

[3]殷依華.非織造空氣過濾材料清灰性能研究[D].浙江理工大學(xué), 2016.

[4]薛婷婷.基于工業(yè)除塵PM2.5凈化的濾袋特性試驗(yàn)研究[D].東華大學(xué), 2014.

[5]中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會(huì),李陵申. 2014/2015中國產(chǎn)業(yè)用紡織品技術(shù)發(fā)展報(bào)告[M].中國紡織出版社,2015.

[6]黃磊,黃斌香,陳觀福壽. PEFT濾料在水泥工業(yè)煙塵污染控制應(yīng)用[J].現(xiàn)代化工,2013,33(2):95-98.

[7]李東梅,田娛嘉,郭陽,等. 布袋除塵器濾袋使用壽命的影響因素分析[J].熱力發(fā)電,2013, 42(4):104-106.

[8]丁煒.燃煤電廠袋式除塵器濾料性能失效過程研究[D].南京信息工程大學(xué),2011.

[9]于清航,張鑫,徐堯.煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)除塵器濾袋失效原因分析[J].潔凈煤技術(shù),2015(2):97-100.