燃煤電廠用耐高溫濾料的研究與應(yīng)用前景分析

陳昊光，周 誠(chéng)，馬恩群，魏 濤，張 劍

（南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司膜材料公司，南京 210012）

0 前言

國(guó)家環(huán)境部和質(zhì)檢總局于2011年聯(lián)合發(fā)布了GB 13223-2011《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，并于2012年1月1日起正式實(shí)施，對(duì)新建燃煤電廠煙塵排放濃度要求由2003年的50 mg/Nm3限值下調(diào)至30 mg/Nm3的限值，重點(diǎn)地區(qū)要求為20 mg/Nm3。并且自2014年7月1日起，現(xiàn)有的燃煤電廠排放標(biāo)準(zhǔn)也需按新標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，而某些地方排放標(biāo)準(zhǔn)甚至達(dá)到了更低數(shù)值的超低排放或超凈排放要求。

袋式除塵技術(shù)作為微細(xì)粒子高效捕集的手段，有力地支持了國(guó)家更加嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)［1］，近年來(lái)針對(duì)該排放標(biāo)準(zhǔn)，新建燃煤電廠大多直接選用袋式除塵系統(tǒng)，并且老燃煤電廠也逐步實(shí)施了電改袋項(xiàng)目。燃煤鍋爐煙氣成分主要包括煙塵、二氧化硫、氮氧化物及其它腐蝕性氣體等，我國(guó)燃煤電廠煤質(zhì)較為復(fù)雜且品質(zhì)普遍不高，燃燒產(chǎn)生的煙氣成分更為復(fù)雜且含硫量高，對(duì)袋式除塵器的核心部件——濾料的綜合性能要求較高。綜上所述，燃煤電廠行業(yè)的低排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施對(duì)濾料的高效率、長(zhǎng)壽命提出了嚴(yán)苛要求［2］。

材料的發(fā)展迎來(lái)了行業(yè)技術(shù)革新的契機(jī)，對(duì)高溫袋式除塵而言，濾料被視為其心臟，過(guò)濾材料由最初的玻璃纖維制品逐步發(fā)展至玻纖、化纖復(fù)合制品及純化纖制品，因燃煤鍋爐行業(yè)除塵煙氣的腐蝕性特征，目前無(wú)堿玻璃纖維無(wú)法滿足耐酸需求，而抗腐蝕性高的 ECR 玻纖也因價(jià)格高、產(chǎn)量低、穩(wěn)定性不佳的問(wèn)題也未能大量用于燃煤電廠的除塵。因此，各種耐溫效果好、耐化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)的化學(xué)纖維走向燃煤電廠除塵的舞臺(tái)。

1 耐高溫化纖介紹及電力行業(yè)濾料選型

1.1 高溫除塵濾料化學(xué)纖維介紹

1.1.1 PPS 纖維

PPS（聚苯硫醚）是1種對(duì)位苯環(huán)與硫原子交替連接的長(zhǎng)鏈、熱塑性高分子材料，最早由美國(guó)Phillips 石油公司在1973年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，作為一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，在環(huán)保、國(guó)防軍事、汽車(chē)、化工、制藥等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因 PPS具有耐高溫、阻燃和耐化學(xué)腐蝕的特性，近年來(lái)其纖維制品在高溫?zé)焿m過(guò)濾領(lǐng)域所占的市場(chǎng)份額快速增長(zhǎng)，但其易氧化的特點(diǎn)限制了實(shí)際應(yīng)用［3］。PPS纖維具有優(yōu)異的耐酸堿、耐水解、耐阻燃性能、優(yōu)良的機(jī)械性能以及較高的性價(jià)比，由其加工的過(guò)濾材料是目前燃煤電廠行業(yè)除塵的首選濾材，然而，PPS制品的抗氧化性較差，其分子上的 C—S 鍵在高溫含氧條件下容易發(fā)生鍵的斷裂并引起氧化交聯(lián)反應(yīng)，從而導(dǎo)致濾料強(qiáng)度降低，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致濾料的脆化或破損，影響在燃煤電廠的使用性能和工作壽命，進(jìn)而又制約了 PPS 濾料在高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域中的應(yīng)用［4，5］。

1.1.2 PTFE纖維

PTFE（聚四氟乙烯）由美國(guó)科學(xué)家羅伊·普朗克特在1936年某天做實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)意中制得從而面世，并在1945年由杜邦公司進(jìn)行了批量生產(chǎn)，PTFE 是由四氟乙烯單體聚合而成的聚合物，由于 C—F 鍵鍵能極高，從而有極佳的耐化學(xué)腐蝕性，能夠承受幾乎所有的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑、強(qiáng)還原劑及各種有機(jī)溶劑，并能長(zhǎng)期在-180~260 ℃的條件下使用，因而有“塑料之王”的美稱。各項(xiàng)的優(yōu)良性能使得PTFE 的纖維制品能夠廣泛用于高溫除塵濾料行業(yè)，尤其是燃煤電廠及垃圾焚燒等煙氣組分復(fù)雜、工況條件惡劣的行業(yè)。由于 PTFE 纖維表面極為光滑，對(duì)于粉塵的攔截能力較低，因此作為除塵濾料普遍會(huì)與其他耐高溫纖維進(jìn)行混紡或覆一層膨化聚四氟乙烯（e-PTFE）膜。

1.1.3 芳綸纖維

芳綸纖維（芳香族聚酰胺纖維）是1種非常重要的特種纖維，其分子結(jié)構(gòu)是酰胺基團(tuán)和苯環(huán)交替規(guī)律的出現(xiàn)，根據(jù)出現(xiàn)的位置不同分為間位芳綸（我國(guó)稱之為芳綸1313）和對(duì)位芳綸（我國(guó)稱之為芳綸1414）。芳綸最初作為宇航開(kāi)發(fā)材料和重要的戰(zhàn)略物資而鮮為人知。冷戰(zhàn)結(jié)束后，芳綸作為高技術(shù)含量的材料大量用于民用領(lǐng)域，才逐漸露面并為人所知。間位芳綸突出的優(yōu)點(diǎn)是耐熱性好、阻燃和耐腐蝕性，能耐大多數(shù)酸的作用，但長(zhǎng)時(shí)間和鹽酸、硝酸或硫酸接觸，強(qiáng)度會(huì)有所降低，除不能與強(qiáng)氧化鈉長(zhǎng)時(shí)間接觸外，對(duì)堿的穩(wěn)定性較好。但是，其高溫尺寸穩(wěn)性較差，沸水收縮率為3%，在300 ℃熱空氣中的收縮率高達(dá)8%［6］。芳綸纖維因其較好的耐高溫性及超高的耐磨性廣泛用于高溫除塵領(lǐng)域，特別是水泥行業(yè)的窯頭、窯尾的除塵。

1.1.4 PI 纖維

PI 纖維（聚酰亞胺纖維）是綜合性能非常優(yōu)異的高分子材料，分子內(nèi)含有十分穩(wěn)定的芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，材料具有超高的耐溫性和機(jī)械強(qiáng)度以及較好的耐化學(xué)性能，最早由奧地利蘭精公司開(kāi)發(fā)，商品名“P84”，其生產(chǎn)的聚酰亞胺纖維截面呈特殊的“三葉型”結(jié)構(gòu)，有很強(qiáng)的攔截粉塵的能力，因此主要用在除塵濾袋中。但一直以來(lái)，由于聚酰亞胺產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程受到工藝、開(kāi)發(fā)資金等各種阻礙，使得聚酰亞胺纖維的發(fā)展步履維艱，也就造成市場(chǎng)上聚酰亞胺纖維一直處于較高的價(jià)格。直到2010年，長(zhǎng)春高琦聚酰亞胺材料有限公司才實(shí)現(xiàn)聚酰亞胺纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。到目前為止，聚酰亞胺纖維在國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)已初具規(guī)模［7］。

1.2 燃煤電廠行業(yè)用濾料選型

1.2.1 使用壽命的考量

燃煤電廠的煙氣溫度一般運(yùn)行在120~180 ℃之間，瞬時(shí)溫度高的一般不超過(guò)200 ℃，上述幾種耐高溫化學(xué)纖維的耐溫需求均能滿足，如表1。因芳綸纖維本身的耐酸性特別在高濕狀態(tài)的抗酸性較其他3種纖維差，一般不適合用于燃煤電廠。

表1 濾料用耐高溫化纖性能對(duì)比

PTFE 纖維因其“塑料之王”的本質(zhì)，耐化學(xué)腐蝕、抗氧化性等各項(xiàng)性能均十分優(yōu)異，是燃煤電廠除塵的理想材料，但純 PTFE 濾料因纖維束表面過(guò)于光滑而不利于粉塵的攔截，并且由于 PTFE 纖維的比重過(guò)大、易產(chǎn)生靜電等特性，在濾料無(wú)紡加工過(guò)程中的持續(xù)穩(wěn)定存在一定難度。

PI 纖維的生產(chǎn)因技術(shù)含量高、產(chǎn)能低等問(wèn)題使其市場(chǎng)價(jià)格一直居高不下，因此濾料的性價(jià)比較低而不常用，除非工況運(yùn)行溫度持續(xù)180 ℃以上。而近年來(lái)燃煤電廠的實(shí)際煙氣溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，PI 纖維因此也很少用于燃煤電廠。

PPS 纖維雖然有很強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕性，但抗氧化性較差，適合于含氧量不高于15%的工況，在160 ℃運(yùn)行的 PPS 纖維含氧量基于8%（Vol）、NO2小于15 mg/m3可以長(zhǎng)期使用，若氧含量達(dá)到12%以上建議溫度降到40 ℃運(yùn)行。總之，含氧越高，使用的溫度就要越低，因每增加10 ℃，化學(xué)反應(yīng)成雙倍增加，據(jù)澳大利亞電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)， 煙氣含氧大于15%時(shí) PPS的耐氧性差，煙氣含氧小于10%時(shí)能長(zhǎng)期使用［8］。

因此，為保證濾料的使用壽命、減少更換頻次及降低工況的維護(hù)成本，以及綜合性價(jià)比的考量，濾料在燃煤電廠行業(yè)的除塵優(yōu)選 PPS 纖維復(fù)合PTFE 纖維加 PTFE 基布混紡的方案。在該方案中PPS 纖維彌補(bǔ)了 PTFE 纖維表面光滑不利于攔截粉塵及無(wú)紡加工不順的缺點(diǎn)，而 PTFE 纖維則彌補(bǔ)了PPS 纖維抗氧化性差及尺寸穩(wěn)定不佳的缺點(diǎn)，兩者相輔相成、相互補(bǔ)缺，經(jīng)研究與實(shí)際應(yīng)用，兩者配比為5∶5的方案，幾乎能適應(yīng)目前所有燃煤電廠的煙氣成分，且使用壽命達(dá)到4年或以上。

1.2.2 低排放要求的考量

通過(guò)市場(chǎng)的歷史應(yīng)用案例，常規(guī) PPS/PTFE 混紡濾料能夠滿足30 mg/Nm3的排放需求，卻無(wú)法保證20 mg/Nm3的排放要求。對(duì)于業(yè)內(nèi)而言，主要方法是在濾料面層添加超細(xì) PPS 纖維形成“海島”式結(jié)構(gòu)，更細(xì)的纖維層足以捕捉更細(xì)的粉塵，另外，便是中材科技開(kāi)發(fā)并批量應(yīng)用的——PPS 混紡濾料與e-PTFE 膜相結(jié)合形成的表面過(guò)濾材料。

1.2.2 .1 PPS超細(xì)化纖濾料

常規(guī) PPS、PTFE 纖維細(xì)度約為2D，而超細(xì) PPS纖維直徑為常規(guī)的一半，在面層適量的添加使得濾料迎塵面擁有更小的孔徑及更高的孔隙率，如圖1，濾料的過(guò)濾精度得以進(jìn)一步的提高，其技術(shù)路線如圖2所示。

圖1 PPS超細(xì)化纖濾料結(jié)構(gòu)圖

圖2 PPS超細(xì)化纖濾料生產(chǎn)流程

1.2.2 .2 PPS混紡覆膜濾料

就覆膜濾料而言，薄膜是濾料的核心，e-PTFE膜的存在使得濾料的除塵機(jī)理由深層過(guò)濾轉(zhuǎn)化為表面過(guò)濾，e-PTFE 膜是通過(guò)雙向拉伸等復(fù)雜工藝制得，擁有 PTFE 材料本身所有的優(yōu)良特性，并且經(jīng)過(guò)膨化后的 PTFE 呈多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖3，其厚度約10μm，平均孔徑只有1μm，比超細(xì)纖維濾料的孔徑還要低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì) PM2.5的去除效果十分理想［9，10］。

PPS 混紡覆膜濾料的技術(shù)路線如圖3、4所示。

圖3 e-PTFE薄膜

圖4 PPS混紡覆膜濾料生產(chǎn)流程

PPS 混紡濾料基材是長(zhǎng)壽命的保證，而 e-PTFE膜則是高精度的保障。兩者穩(wěn)定、牢固結(jié)合的同時(shí)兼顧覆膜濾料的透氣性是該濾料制備的難點(diǎn)。

2 除塵效率測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)部分

2.1.1 試驗(yàn)樣品

分別取試驗(yàn)樣品 PPS 超細(xì)化纖濾料和 PPS 混紡覆膜濾料，其基本性能參數(shù)如表2。

表2 濾料基本性能數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1.2 過(guò)濾性能表征

濾料的過(guò)濾性能主要由排放濃度、過(guò)濾效率、殘余壓差、清灰周期幾項(xiàng)指標(biāo)表征，本實(shí)驗(yàn)根據(jù) ISO 11057:2011《空氣質(zhì)量過(guò)濾器中濾料過(guò)濾性能的測(cè)試方法》，采用德國(guó) FilTEq 公司生產(chǎn)的 VDI 粉塵過(guò)濾測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)濾料的動(dòng)態(tài)除塵性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備示意圖如圖5，檢測(cè)條件如表3。

圖5 VDI測(cè)試裝置示意圖

表3 VDI測(cè)試條件

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)2種濾料的測(cè)試對(duì)比（表4），PPS 混紡覆膜濾料的排放濃度和過(guò)濾效率明顯優(yōu)于 PPS 超細(xì)化纖濾料。PPS 超細(xì)化纖濾料的初始?jí)翰顬?5.2 Pa，而清灰30個(gè)周期后殘余壓差為45.2 Pa，增加了79.4%，如圖6。PPS 混紡覆膜濾料的初始?jí)翰顬?14 Pa，而清灰30個(gè)周期后殘余壓差為147 Pa，增加了28.9%，如圖7?？煽闯?PPS 超細(xì)化纖濾料雖然起始?jí)翰畹偷^(guò)程阻力上升速度較快，說(shuō)明在除塵過(guò)程中產(chǎn)生了二次粉餅層，而 PPS 混紡覆膜濾料初始?jí)翰罡?，但由于是表面過(guò)濾，清灰效果佳，因此阻力上升較慢，從平均殘余壓差也能看出該趨勢(shì)，而兩者的平均清灰周期相當(dāng)。

表4 濾料除塵測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 PPS超細(xì)化纖濾料殘余壓差

圖7 PPS混紡覆膜濾料殘余壓差

3 應(yīng)用案例

2015年底至2016年初，山西地區(qū)三家燃煤電廠分別進(jìn)行了除塵改造項(xiàng)目，均使用了南京玻纖院的 PPS 混紡覆膜濾料，其除塵項(xiàng)目信息如表5，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，均能達(dá)到設(shè)計(jì)的5 mg/Nm3及10 mg/Nm3的煙塵排放濃度要求。目前項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行4年左右，經(jīng)回訪測(cè)試，工況運(yùn)行良好，濾袋沒(méi)有損壞的現(xiàn)象，運(yùn)行壓差均保持1200 Pa以下，煙塵排放濃度依舊達(dá)標(biāo)。

表5 燃煤電廠除塵信息

4 結(jié)論

（1）因燃煤電廠煙氣的腐蝕性特性，電廠行業(yè)除塵濾料一般選用 PPS、PTFE 材料，為保證在工況的使用壽命優(yōu)選 PPS 混紡 PTFE 纖維，并以 PTFE基布為支撐。

（2）PPS超細(xì)化纖濾料實(shí)現(xiàn)的是深層過(guò)濾，PPS混紡覆膜濾料實(shí)現(xiàn)的是表面過(guò)濾，兩者都能實(shí)現(xiàn)燃煤電廠的有效除塵，但 PPS 混紡覆膜濾料的生產(chǎn)技術(shù)更為復(fù)雜。

（3）由于 e-PTFE 薄膜孔徑為1μm左右，PPS混紡覆膜濾料的除塵效果更佳，通過(guò)工況的驗(yàn)證，能實(shí)現(xiàn)10 mg/Nm3的排放，甚至能達(dá)到5 mg/Nm3的超凈排放要求，該濾料是未來(lái)燃煤電廠行業(yè)超凈排放的方向。