耐高溫除塵濾料的研究進展

陳昌江,陸振乾,楊加左

(1.鹽城市纖維檢驗所,江蘇 鹽城224051;2.鹽城工學院 紡織服裝學院,江蘇 鹽城224051;3.江蘇森源環(huán)保材料有限公司,江蘇 鹽城224499)

近年來國家對大氣污染的防治力度不斷加大,2015年實施的《大氣污染防治法》要求部分地區(qū)、新建企業(yè)實現(xiàn)超低排放[1],顆粒物排放濃度由原來的30-50 mg/m3降低到5-10 mg/m3。袋式除塵器對粉塵尤其是超細顆粒粉塵具有很好的捕集能力,正逐步取代電式除塵,其市場份額逐年增加,被廣泛應用于燃煤發(fā)電、鋼鐵、水泥、化工等行業(yè)[2-3]。而除塵濾料正是袋式除塵器的核心,其性能直接決定了袋式除塵器的除塵效果。由于袋式除塵的應用環(huán)境大多處于高溫煙氣的環(huán)境中,因此對耐高溫濾料的研究引起了業(yè)界的廣泛關注。

根據(jù)煙氣的溫度范圍,紡織濾料領域將濾料分為中低溫濾料(90-140℃),中高溫濾料(140-200℃),高溫濾料(200-300℃)及特高溫濾料(300℃以上)4大類;而在工業(yè)上將260℃以上的氣固直接分離濾料稱為高溫除塵濾料[4-5]。本文對各種耐中、高溫以上的除塵濾料進行了綜述,分析了各種耐高溫有機及無機纖維濾料的性能和特點,為開發(fā)新型耐高溫濾料提供一定幫助。

1 耐高溫有機纖維濾料

耐高溫有機纖維具有纖維強度高、耐腐蝕性能好,柔韌性能和可紡性優(yōu)良的特點,被廣泛應用于除塵濾料中。目前用于工業(yè)除塵濾料的耐高溫纖維主要有聚苯硫醚(PPS)纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維、聚酰亞胺(PI)纖維、間位芳綸(PMIA)纖維、芳砜綸和預氧化纖維等。

1.1 聚苯硫醚濾料

聚苯硫醚(PPS)纖維的分子鏈主要由硫和苯環(huán)交替連接,是一種線性的高分子聚合物。纖維的結晶度高,具有較好的耐高溫特性和優(yōu)異的耐酸、堿腐蝕特性。PPS纖維濾料具有很好的抗水解性能,常用于高濕的煙氣中,綜合性能優(yōu)異[6]。PPS濾料的最大缺點是耐氧化性差,在NO2、NO和臭氧的環(huán)境下PPS濾料會加速老化,其使用壽命下降明顯[7-9],建議在含氧量小于14%的煙氣環(huán)境中使用[10]。PPS濾料的連續(xù)使用溫度為190℃,瞬間使用溫度為210℃。目前廣泛應用于燃煤電廠、垃圾焚燒爐、醫(yī)院焚燒爐等高溫煙氣過濾。

1.2 聚四氟乙烯濾料

聚四氟乙烯(PTFE)纖維是全氟化的直鏈高聚物,由四氟乙烯單體聚合制得,被稱為“塑料之王”。聚四氟乙烯纖維具有優(yōu)異的耐化學腐蝕性能,對常見的酸、堿和有機溶劑均具有很好的抵抗能力,即使浸泡在濃H2SO4、濃HNO3中仍能保持其機械性能。聚四氟乙烯纖維濾料是目前耐溫性和耐化學性能最好的一種有機濾料,在高溫和腐蝕性氣體中的使用壽命長[11];其連續(xù)工作溫度為260℃,瞬間耐溫可達300℃[12]。同時聚四氟乙烯纖維的摩擦系數(shù)低,濾料的清灰性能優(yōu)異。采用聚四氟乙烯纖維微孔型膜材與普通針刺氈基料進行復合,可以制成PTFE覆膜濾料[13]。該濾料具有過濾精度高,清灰性能優(yōu)異的特點。聚酰亞胺濾料的優(yōu)異性能使其在高溫、高腐蝕性和含油含水等特殊煙氣過濾中應用廣泛,成為垃圾焚燒高溫煙氣過濾領域中理想的過濾材料。

1.3 聚酰亞胺濾料

聚酰亞胺(PI)纖維主鏈含有酰亞胺基團,具有高模量、高強度和耐高溫的特點[14]。PI纖維獨特的三葉瓣狀纖維截面使其具有較高的比表面積,提高了捕塵效果。其濾料長期使用溫度為230℃,瞬間使用溫度達到260℃,耐溫性能優(yōu)異。PI濾料的耐酸性能很好,耐堿性能一般,抗氧化性能很好優(yōu)于PPS濾料。PI濾料的最大缺點是抗水解性能差[15]。PI濾料主要應用于低含硫量的爐窯中,如水泥生產線窯尾的煙氣除塵中。

1.4 間位芳綸濾料

間位芳綸纖維即芳綸1313纖維(間苯二甲酰間苯二胺,PMIA),其分子鏈主鏈由苯環(huán)酰胺鍵組成,具有良好的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和阻燃性。PMIA纖維的極限氧指數(shù)為28%～32%,屬于難燃纖維[16]。PMIA濾料的長期使用溫度為200℃,瞬間耐溫達到240℃,耐溫性能優(yōu)于PPS濾料。間位芳綸濾料的力學性能、耐堿性良好,優(yōu)于芳砜綸纖維[17]。間位芳綸濾料廣泛應用于燃煤電廠、鋼鐵行業(yè)及瀝青攪拌等高溫煙氣除塵領域。

1.5 芳砜綸濾料

芳砜綸學名為聚砜酰胺纖維(PSA),屬于芳香族聚酰胺纖維,是由我國開發(fā)的一種耐高溫合成纖維。PSA纖維的玻璃化轉變溫度為257℃,可在250℃的條件下長期使用。其阻燃性優(yōu)異,極限氧指數(shù)達到30%[18]。PSA濾料的耐酸性能、抗氧化性能良好,主要應用于水泥生產線的窯頭和窯尾,以及鋼鐵行業(yè)的高溫煙氣除塵[19]。

1.6 PAN預氧化纖維濾料

聚丙烯腈(PAN)預氧化纖維是由PAN長絲在180-300℃的高溫下,經(jīng)空氣氧化獲得的。預氧化纖維具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性,其極限氧指數(shù)達到45%,是一種不燃纖維。預氧化纖維耐酸堿腐蝕性能良好[20],但預氧化纖維的卷曲少、脆性大、可紡性差;可以與其他的耐高溫纖維進行混合成網(wǎng),制備針刺氈。同時采用耐高溫的纖維基布來進行增強,可提高濾料的力學性能。預氧化絲濾料可應用于PPS濾料無法使用的高溫煙氣除塵中[21]。

2 耐高溫無機纖維濾料

相對于有機纖維來說,無機纖維在耐溫方面具有明顯的優(yōu)勢,可以突破有機纖維的使用溫度極限,而且價格上具有明顯的優(yōu)勢。在濾料行業(yè)中常用的無機纖維材料主要有玻璃纖維、玄武巖纖維、陶瓷纖維和金屬纖維。

2.1 玻璃纖維濾料

玻璃纖維的主要成分為二氧化硅,氧化鈣、氧化鋁及其他的金屬氧化物。玻璃纖維的強度高,除氫氟酸外,耐酸、堿腐蝕性較好[22]。玻纖濾料具有極好的耐溫性能,能夠在高達280℃的環(huán)境下長期使用,尺寸穩(wěn)定性好。其中高硅氧玻纖濾料的連續(xù)工作溫度可達900℃。玻纖濾料的缺點是脆性大、不耐折,且耐磨性差;因此玻纖濾料不宜采用脈沖或機械振動的清灰方式[23]。

2.2 玄武巖纖維濾料

玄武巖纖維是由玄武巖礦石在1 500℃溫度下熔融拉絲而成的礦物纖維。玄武巖纖維的斷裂強度高,耐酸堿,耐水、耐氧化性好,為不燃纖維[24]。玄武巖纖維濾料具有很好的耐溫性能,工作溫度達300℃,極限溫度達到860℃。同玻纖類似其濾料的耐折性差,不能采用脈沖或振蕩的清灰方式。玄武巖纖維濾料主要用于鋼鐵、化工等工業(yè)煙氣除塵[25-26]。

2.3 陶瓷濾料

陶瓷纖維的種類較多,有石英纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等。陶瓷纖維的耐高溫性能優(yōu)異且熱穩(wěn)定性好,如3M公司生產的ABS纖維濾料可以在760℃條件下連續(xù)地工作[27];而且陶瓷濾料的化學穩(wěn)定性優(yōu)異[28]。陶瓷濾料有纖維氈和燒結多孔陶瓷膜兩種,其中纖維氈的抗震性能好,不易破損,但是過濾精度比較低。燒結陶瓷膜的過濾精度比較高,但其延展性和抗熱震性能較差。陶瓷濾料主要應用于爐窯工業(yè)等高溫作業(yè)場所[29]。

2.4 金屬纖維濾料

用于濾料的金屬纖維主要有304、316、310S不銹鋼、銅基合金、鐵鉻鋁(FeCr Al)、GH30高鎳合金和GH4高溫合金等[30],通常采用燒結工藝或針刺工藝制備各種金屬纖維燒結氈、針刺氈。金屬纖維濾材的耐溫性能優(yōu)異,可在600℃高溫下連續(xù)工作。濾料的機械強度高、耐腐蝕性能好,可采用脈沖清灰,加工性和抗熱震性優(yōu)于陶瓷纖維濾料。金屬濾料廣泛應用于煤氣化工藝中的高溫煤氣除塵凈化、高溫活化爐過濾器等領域[31]。

3 結語

耐高溫除塵濾料在工業(yè)生產中的應用范圍廣泛,對節(jié)能減排和大氣治理意義重大。有機纖維柔韌性好,其濾料的可加工性能好,過濾精度高,適用性廣;無機纖維濾料的價格較低,使用溫度高,可以用在有機纖維濾料無法滿足的高溫工況環(huán)境下。但無機纖維濾料的過濾精度和產品的耐用性方面不如有機纖維濾料。因此可以采用復合工藝,結合各種纖維的優(yōu)勢,取長補短,將有機纖維與無機纖維進行復合,開發(fā)出綜合性能優(yōu)異的新型耐高溫復合纖維濾料,為我國高溫煙氣凈化提供有力保障。