耐高溫抗靜電復(fù)合濾料的研制

陽建軍 徐新杰 郁宗琦

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當(dāng)前，我國(guó)工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，各排放濃度限值越來越低，部分場(chǎng)合更是要求“近零”排放[1-2]。袋式除塵技術(shù)[3]是目前公認(rèn)的控制煙氣粉塵粒子排放最有效的方法之一。常用的袋式除塵用無機(jī)纖維原料如玻璃纖維、玄武巖纖維等本身具有很高的耐溫性，但這些纖維沒有卷曲度，加工成濾料后纖維與纖維間的纏結(jié)牢度不夠，故需在濾料后期加工中加入化學(xué)處理劑，這會(huì)降低其使用溫度(如長(zhǎng)期使用溫度小于280 ℃)。因此，受材料性能及加工工藝等限制，目前袋式除塵器用高溫濾料的最高連續(xù)使用溫度一般在260 ℃以下，而對(duì)于煙氣溫度超過260 ℃的高溫?zé)煔?如焦?fàn)t、玻璃窯等煙氣溫度甚至在300 ℃以上)的過濾凈化，還沒有合適的濾料方案。針對(duì)高溫?zé)焿m，當(dāng)前的凈化方案主要是在前端設(shè)置煙氣熱量回收裝置，使溫度降至260 ℃以下再進(jìn)行除塵，但所形成的灰垢易造成熱交換性能下降及濾料磨損，設(shè)備維護(hù)難度加大，使用壽命下降[4]。因此，如何實(shí)現(xiàn)在余熱回收前對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行直接凈化，避免對(duì)后續(xù)工藝設(shè)備造成損傷，成為了該領(lǐng)域煙氣凈化發(fā)展的方向。此外，部分煙氣中還含有CO等可燃性氣體，為避免過濾過程中粉塵與濾料產(chǎn)生摩擦而引起電火花爆燃，濾料需具有抗靜電性。

傳統(tǒng)的濾料加工工藝多為針刺加固，但刺針直徑大，所制備的針刺濾料孔徑較大，其對(duì)煙塵中的微細(xì)粉塵的截留效率較低。水刺加固與傳統(tǒng)針刺加固相比，水刺加固的濾料微孔直徑更小、孔隙率更高且初始斷裂強(qiáng)力更高，因而具有過濾效率高、過濾阻力低等優(yōu)勢(shì)[5-7]。

本文在聚酰亞胺(PI)纖網(wǎng)中間混入一層碳纖維網(wǎng)，通過先預(yù)針刺后水刺加固的方法，制備耐高溫抗靜電復(fù)合濾料，并進(jìn)行實(shí)際工況使用，以期為高溫高可燃性煙氣的凈化提供選擇方案。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

PI纖維(線密度2.2 dtex，長(zhǎng)度51.00 mm，長(zhǎng)春高琦聚酰亞胺材料有限公司，中國(guó))；碳纖維(線密度2.0 dtex，長(zhǎng)度60.00 mm，環(huán)宇碳纖維有限公司，中國(guó))；碳纖維水刺氈、PI長(zhǎng)絲基布(幅寬2 200.00 mm)、玻纖濾料氈、玄武巖纖維濾料氈等(自制)。

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試儀器

開包、喂入、梳理、鋪網(wǎng)、牽伸、預(yù)針刺等非織造過濾材料生產(chǎn)線(紐馬格公司，德國(guó))，高壓水刺生產(chǎn)線(特呂茨勒公司，德國(guó))，高溫后整理生產(chǎn)線(布魯克納公司，德國(guó))；AFC-131型濾料測(cè)試臺(tái)(Topas公司，德國(guó))，JG755高溫烘箱(溫州際高公司，中國(guó))，YG026H型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州際高公司，中國(guó))，ATI體積表面電阻率測(cè)定儀(北京智德公司，中國(guó))。

1.3 試驗(yàn)方法

復(fù)合濾料的面密度、厚度、透氣量、拉伸性能、抗靜電性能、過濾性能等分別參照GB/T 4669—2008《紡織品 機(jī)織物 單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》、GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》、GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》、GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》、GB/T 12703.4—2010《紡織品 靜電性能的評(píng)定 第4部分：電阻率》、GB/T 6719—2009《袋式除塵技術(shù)要求 附錄B：濾料動(dòng)態(tài)過濾性能測(cè)試》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 制備工藝流程

耐高溫抗靜電復(fù)合濾料的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 耐高溫抗靜電復(fù)合濾料的制備工藝流程

2.1 開包、開松、混合、梳理成網(wǎng)

PI纖維經(jīng)開包、開松后通過自動(dòng)稱重喂入系統(tǒng)混合輸送到梳理機(jī)內(nèi)，形成連續(xù)的單層PI纖維網(wǎng)，并通過傳送簾輸出至往復(fù)式鋪網(wǎng)機(jī)內(nèi)。

2.2 放卷喂入

將預(yù)先準(zhǔn)備的碳纖維水刺氈(其質(zhì)量占復(fù)合濾料質(zhì)量的10%、20%、30%)與PI長(zhǎng)絲基布同時(shí)通過放卷裝置放入上下層PI纖維網(wǎng)之間，再經(jīng)夾持式喂入裝置一起傳送到針刺機(jī)。

2.3 預(yù)針刺加固

多層蓬松的纖維網(wǎng)由傳送簾輸送到針刺機(jī)前端的齒形喂入系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)針刺加工，使多層纖網(wǎng)的厚度降低，并具備一定的強(qiáng)力，這樣后續(xù)牽伸過程中就不易發(fā)生斷裂，有利于后道的加工。

2.4 水刺加固

將預(yù)針刺得到的多層纖網(wǎng)通過高壓水射流進(jìn)行連續(xù)噴射，使正反兩面的纖維充分纏結(jié)，并最終形成微孔直徑小、孔隙率大的三維立體結(jié)構(gòu)。

2.5 后整理

主要包括烘燥、燒毛、熱定型等工序。

此外，根據(jù)濾料使用工況條件的差異，還可進(jìn)行如拒水防油性、耐腐蝕性、易清灰性等化學(xué)整理，以改善濾料的其他性能。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 物理性能

表1以碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的耐高溫抗靜電復(fù)合濾料為例展示其物理性能。

3.2 耐溫性能

以制備的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的耐高溫抗靜電復(fù)合濾料為例，與目前普遍使用的公司自制的耐高溫?zé)o機(jī)纖維濾料——玻纖濾料氈、玄武巖纖維濾料氈，在同等條件下進(jìn)行耐溫性能測(cè)試[8-9]，結(jié)果見表2。

表1 耐高溫抗靜電復(fù)合濾料(碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)物理性能

表2 耐高溫抗靜電復(fù)合濾料(碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)與其他濾料的耐溫性測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出：耐高溫抗靜電復(fù)合濾料與玻纖濾料氈、玄武巖纖維濾料氈相比具有更優(yōu)的耐溫性能，前者在熱空氣處理后表現(xiàn)出了更高的斷裂強(qiáng)度保持率，特別是經(jīng)300 ℃的熱空氣處理100 h后斷裂強(qiáng)度保持率仍達(dá)70%。

玻纖濾料氈和玄武巖纖維濾料氈已在焦?fàn)t、玻璃窯等凈化領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用，它們的使用溫度普遍都在260 ℃以上，最高有在280 ℃下長(zhǎng)期運(yùn)行的記錄。本文制備的耐高溫抗靜電復(fù)合濾料可適用于更高溫度如300 ℃的工況環(huán)境。

3.3 抗靜電性能

本文以制備的耐高溫抗靜電復(fù)合濾料的表面電阻率表征其抗靜電性能。表3為制備的3種不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的耐高溫抗靜電復(fù)合濾料的表面電阻率測(cè)試結(jié)果，其中1#的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，2#的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，3#的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

表3 不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的耐高溫抗靜電復(fù)合濾料的表面電阻率

從表3可以看出，隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%提高到30%，耐高溫抗靜電復(fù)合濾料的表面電阻率在下降，導(dǎo)電性能越來越好。

表4為不同溫度處理50 h后耐高溫抗靜電復(fù)合濾料(碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)的表面電阻率。標(biāo)準(zhǔn)要求抗靜電濾料的表面電阻率值要小于1.74×106Ω。表4顯示，高溫處理后耐高溫抗靜電復(fù)合濾料仍具有優(yōu)異的抗靜電性能，故可推測(cè)溫度對(duì)其導(dǎo)電性能影響不大。

表4 不同溫度處理50 h后耐高溫抗靜電復(fù)合濾料(碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)的表面電阻率

3.4 過濾性能

表5為相同設(shè)計(jì)面密度(550 g/m2)的不同濾料的過濾性能測(cè)試結(jié)果，其中4#為PI常規(guī)針刺濾料，5#為PI水刺濾料，6#為本文制備的耐高溫抗靜電復(fù)合濾料(碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)。

表5 不同濾料的過濾性能對(duì)比

從表5可以看出：相同面密度下，水刺加工的5#、6#濾料的過濾效率和粉塵剝離率均優(yōu)于4#濾料，這主要是由于水刺加工降低了濾料的平均孔徑，提高了孔隙率，故它們對(duì)微細(xì)粉塵的阻隔效率更高；由于6#濾料具有更優(yōu)的導(dǎo)電性能，過濾過程中粉塵不易在濾料表面凝結(jié)，故表現(xiàn)為更低的過濾阻力特性，可滿足低排放、節(jié)能的使用要求。

4 耐高溫抗靜電復(fù)合濾料的應(yīng)用

山西某焦化有限公司于2017年6月投運(yùn)了我司制備的耐高溫抗靜電復(fù)合濾料(碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)，其工況條件為長(zhǎng)期運(yùn)行溫度300 ℃、瞬間溫度350 ℃、過濾風(fēng)速1.0 m/min、入口粉塵濃度22 g/m3。投運(yùn)1年后系統(tǒng)運(yùn)行阻力和粉塵排放濃度分別為800～900 Pa、8～10 mg/m3，滿足客戶的使用要求。

5 結(jié)論

(1) 相較于玻纖濾料氈、玄武巖纖維濾料氈，本文制備的耐高溫抗靜電復(fù)合濾料可以適應(yīng)更高溫度如300 ℃以上的工況環(huán)境，具有更長(zhǎng)的使用壽命。

(2) 在濾料中添加一定比例的碳纖維層，隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，濾料表面電阻率降低，并在高溫下具有優(yōu)異的抗靜電性能。因碳纖維是高性能纖維，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，其成本越高，故在滿足最終使用性能的前提下，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)濾料的綜合使用性能最優(yōu)。

(3) 經(jīng)先預(yù)針刺后水刺加工得到的濾料具有更高的過濾效率及更低的過濾阻力，可為焦?fàn)t、玻璃窯等高溫高可燃性煙氣的凈化提供新的解決方案。