超低排放下鋼鐵行業(yè)濾料的選用與發(fā)展趨勢

張延青，鄭德富，李冠志

（山東奧博環(huán)?？萍加邢薰?，山東 德州 253000）

目前，鋼鐵工業(yè)仍然是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心之一。我國是當(dāng)前世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，根據(jù)世界鋼鐵聯(lián)合協(xié)會統(tǒng)計，2018 年世界粗鋼總產(chǎn)量18.08 億t，我國粗鋼產(chǎn)量9.283 億t[1]，占世界總產(chǎn)量的一半。盡管近年來我國鋼鐵行業(yè)的顆粒物和二氧化硫的排放量大幅下降，但由于產(chǎn)量基數(shù)大，總排放量仍然很大。據(jù)統(tǒng)計，2018 年全國鋼鐵行業(yè)顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量約為163.6 萬t、68.3 萬t、92.9 萬t。

2019 年4 月，生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（環(huán)大氣〔2019〕35 號），各地和主要鋼鐵企業(yè)積極響應(yīng)政策要求，相繼制定鋼鐵行業(yè)的超低排放實施方案，進(jìn)行項目改造。鋼鐵生產(chǎn)的主要工序如燒結(jié)、高爐出鐵場、轉(zhuǎn)爐二次煙氣等的顆粒物排放限值為10mg/m3。袋式除塵是控制工業(yè)煙氣顆粒物排放的主流技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，因其除塵效率高和經(jīng)濟(jì)實用性強(qiáng)，在鋼鐵行業(yè)超低排放改造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。由常規(guī)袋式除塵器迭代而來的褶皺星型袋式除塵器和折疊濾筒式除塵器可在合適的風(fēng)量和灰塵量下較好滿足受場地和空間限制的改造項目的需求。濾料作為袋式除塵的核心部件，其過濾濃度、材料性能和使用壽命等相關(guān)參數(shù)直接影響著顆粒物的排放濃度。因此，關(guān)注和研究濾料技術(shù)的發(fā)展趨勢，是降低工業(yè)煙氣顆粒物排放、進(jìn)行大氣污染治理的一個工作重點。

1 鋼鐵行業(yè)中袋式除塵技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

袋式除塵是一種干式過濾收塵裝置，具有除塵效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、使用靈活、結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、便于回收粉塵、維護(hù)簡單等優(yōu)點[2]。袋式除塵設(shè)備的應(yīng)用歷史相對較久，從20 世紀(jì)80 年代便開始大型化發(fā)展。進(jìn)入工業(yè)除塵領(lǐng)域，從早期的機(jī)械振動袋式除塵、反吹風(fēng)大袋式除塵，到現(xiàn)在主流的高效脈沖噴吹袋式除塵（見圖1），在鋼鐵行業(yè)各生產(chǎn)工序的顆粒物收塵方面都有著廣泛應(yīng)用。隨著濾料技術(shù)的不斷發(fā)展，目前鋼鐵行業(yè)中袋式除塵設(shè)備的應(yīng)用比例高達(dá)95%。

圖1 高效脈沖噴吹袋式除塵設(shè)備[3]

袋式除塵過濾原理：含塵氣體進(jìn)入濾袋室，由于慣性、擴(kuò)散、阻隔、鉤掛、靜電等作用[4]，粉塵被阻留在濾袋表面，凈化后的氣體逸出，經(jīng)凈氣管排出。濾袋表面的積灰用氣體逆洗或者噴吹脈沖氣流去除，清除下來的粉塵下到灰斗，經(jīng)卸灰閥排到輸灰裝置。因此，袋式除塵設(shè)備的核心部件為濾料，濾料性能的好壞直接關(guān)系到除塵器的整體性能和使用壽命。

在現(xiàn)階段超低排放改造路線中，廣泛應(yīng)用的袋式除塵設(shè)備如圖2 所示，按核心部件濾料形式可以分為常規(guī)高效袋式除塵、褶皺星型袋式除塵和濾筒除塵。

常規(guī)高效袋式除塵的濾袋形狀主要為圓形或者橢圓筒形，配合袋籠安裝于花板之上，根據(jù)合適的工況環(huán)境，通過選用合適的濾料進(jìn)行顆粒物收塵處理，需要保持定期更換，經(jīng)濟(jì)性高。

褶皺星型袋式除塵是對傳統(tǒng)袋式除塵設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計，在星型袋身上將打褶點做在同一根布條上，其多褶皺設(shè)計可以使過濾面積增加1.5—2 倍，配合星型袋籠可以安裝于原有的花板之上，具有改造工程量小、除塵器整體占地面積小等優(yōu)勢。

濾筒除塵技術(shù)是20 世紀(jì)80 年代美國唐納森公司在袋式除塵設(shè)備的基礎(chǔ)上研發(fā)生產(chǎn)的，其核心是折疊濾芯，星型過濾筒由一定長度的挺括的濾料折疊成褶、首尾黏合而成[5]，不含袋籠，具有單位過濾面積大、占地面積小、安裝和更換簡便等優(yōu)點。

圖2 三種袋式除塵樣式

2 鋼鐵生產(chǎn)中主要工序的濾料選用

我國鋼鐵生產(chǎn)以長流程為主，包含原料、燒結(jié)、球團(tuán)、焦化、煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、軋鋼、自備電廠等多個工序[6]，也有部分短流程的電爐煉鋼與軋鋼，因此具有煙塵排放點分布廣、數(shù)量多、成分復(fù)雜、煙塵溫度差異大等特點。目前用于鋼鐵行業(yè)的主要濾料有中低溫的滌綸聚酯，中高溫的PPS（聚苯硫醚）、芳綸、PI（聚酰亞胺）、PTFE（聚四氟乙烯）、玻纖等。

2.1 原料（鐵礦采選）工序

采選礦生產(chǎn)包括地下采礦、露天采礦和選礦。其中顆粒物（粉塵）主要來源于地下采礦中的鑿巖爆破和礦石運輸、露天礦穿孔作業(yè)、選礦廠的破碎和分選等階段。粉塵具有成分復(fù)雜、粉塵量大、磨削性高等特點，大部分采用袋式除塵，小部分采用濕式除塵和靜電除塵，袋式除塵設(shè)備宜選用聚酯針刺濾料。

2.2 燒結(jié)與球團(tuán)工序

燒結(jié)和球團(tuán)工序是鋼鐵工業(yè)顆粒物、硫氧化物、氮氧化物以及二噁英等污染物最大的排放源[7]。其中顆粒物（粉塵/煙塵）主要來源于物料混合、破碎、冷卻、篩分、轉(zhuǎn)運以及球團(tuán)焙燒過程。燒結(jié)機(jī)機(jī)頭（球團(tuán)焙燒）若采用半干法脫硫設(shè)施或活性炭脫硫脫硝設(shè)施，則需配備高效袋式除塵器，濾料宜選用覆膜針刺聚酯材料或者改性PPS 覆膜濾料；若采用濕法脫硫設(shè)施，則需配備濕式電除塵器。燒結(jié)機(jī)機(jī)尾、燒結(jié)篩分、球團(tuán)焙燒設(shè)備機(jī)尾等，若配備高效袋式除塵技術(shù)，則濾料宜選用覆膜針刺聚酯材料；若配備折疊濾筒除塵技術(shù)，則宜選用紡粘聚酯覆膜濾料。

2.3 焦化工序

焦化工序是指煉焦煤按生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品要求配比后，裝入隔絕空氣的密閉煉焦?fàn)t內(nèi)，經(jīng)高、中、低溫干餾轉(zhuǎn)化為焦炭、焦?fàn)t煤氣和化學(xué)產(chǎn)品的工藝過程[8]。焦?fàn)t煙塵主要來源于裝煤煙塵和出焦煙塵，除塵系統(tǒng)采用大型脈沖袋式除塵地面站，濾料宜選用PTFE 浸漬處理的聚酯針刺濾料，注意加裝防爆裝置。其他無組織排放源的處理，如煤場、煤粉破碎及運輸?shù)入A段的煙塵，宜選用防靜電聚酯針刺濾料。

2.4 煉鐵工序

我國主要采用高爐煉鐵，其中顆粒物（粉塵）主要來源于供料、煤粉制備系統(tǒng)、出鐵場、熱風(fēng)爐、高爐煤氣等環(huán)節(jié)，以及輸送、轉(zhuǎn)運、上料等無組織排放環(huán)節(jié)等。除塵系統(tǒng)主要采取袋式除塵設(shè)備和少量的靜電除塵設(shè)備。煤粉制備系統(tǒng)宜選用防靜電針刺聚酯濾料，出鐵場環(huán)節(jié)宜選用覆膜針刺聚酯濾料[9]，同時要注意添加火花捕集裝置，防止灼傷濾袋。高爐煤氣階段，若有降溫系統(tǒng)可選用芳綸針刺濾料，若無降溫設(shè)施或濕式備用除塵器可以選用玻纖針刺濾料[10]。其他無組織排放源設(shè)置的袋式除塵設(shè)備宜選用針刺滌綸濾料，若配備折疊濾筒除塵技術(shù)，宜選用紡粘聚酯覆膜濾料。

2.5 煉鋼工序

長流程煉鋼過程中，轉(zhuǎn)爐煉鋼的顆粒物煙塵主要來源于鐵水兌入、輔料加入、吹氧、出渣、出鋼過程；散狀料上料系統(tǒng)；LF、VD 等精煉爐冶煉及鐵水預(yù)處理過程[11]。轉(zhuǎn)爐一次煙氣（轉(zhuǎn)爐煤氣），轉(zhuǎn)爐二次煙氣，上料系統(tǒng)含塵廢氣，鐵水預(yù)處理煙氣，混鐵爐煙氣，LF、VD 等精煉爐煙氣的處理，通常采用高效袋式除塵技術(shù)，濾料宜選用聚酯針刺濾料。轉(zhuǎn)爐三次煙氣的處理在改造過程中受限于空間和場地時可采用折疊濾筒除塵技術(shù)，濾料選擇紡粘聚酯覆膜濾料。

短流程煉鋼過程中，電爐煉鋼的顆粒物（煙塵）通常來源于加料、出鋼、吹氧和冶煉等過程，以及原、輔料系統(tǒng)的上料過程，常采用高效布袋除塵器進(jìn)行凈化，濾料宜選用聚酯針刺濾料。

2.6 軋鋼工序

軋鋼工序主要包括熱軋加熱爐和軋鋼熱處理爐、冷軋、酸洗、涂鍍層等工藝。軋鋼工業(yè)大氣污染物主要來源于熱處理爐廢氣、熱軋含塵煙氣、冷軋含塵煙氣、酸洗機(jī)組煙氣、廢酸再生煙氣、涂鍍層機(jī)組煙氣等[12]。袋式除塵設(shè)備主要用于處理冷軋階段的拉矯機(jī)、焊接機(jī)等產(chǎn)生的顆粒物，濾料選用聚酯針刺濾料。其他幾個工序的廢氣治理可根據(jù)實際工況采用塑燒板、濕式靜電、洗滌塔、油霧過濾器等凈化措施。

2.7 自備電廠

鋼鐵行業(yè)用電用熱需求比較穩(wěn)定，電力成本在其生產(chǎn)成本中占比較高。許多鋼鐵企業(yè)都有自備電廠，這些自備電廠多數(shù)為燃煤發(fā)電。燃煤鍋爐大氣污染物主要為顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、汞及其化合物等。目前超低排放要求燃煤鍋爐顆粒物特別排放限值為10mg/m3，顆粒物產(chǎn)生量主要取決于燃料煤中的灰分、硫分含量，主要治理技術(shù)有袋式除塵技術(shù)、電袋復(fù)合除塵技術(shù)、電除塵技術(shù)（干式靜電除塵和濕式靜電除塵）及其組合技術(shù)。濾料主要根據(jù)燃煤中的灰分和硫分的含量進(jìn)行選擇，可選擇的濾料有針刺純PPS濾料、針刺純PPS 覆膜濾料、復(fù)合針刺PPS 和PI 濾料、復(fù)合針刺PPS 和PTFE 濾料等。

3 超低排放要求下濾料技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 材質(zhì)多樣化

袋式除塵濾料材質(zhì)從棉、毛等普通天然纖維織物發(fā)展到如今的滌綸聚酯、PPS、芳綸，PI、PTFE、無機(jī)玻璃纖維等多種高性能過濾材料（見下表），主要得益于市場需求的拉動和上游原材料纖維國產(chǎn)化的努力，許多高性能纖維（PPS、芳綸、PTFE、PI 等）的成本持續(xù)降低，性能接近國外產(chǎn)品[13]。在復(fù)雜的工況環(huán)境下處理高爐煤氣、流化床粉塵、石灰窯煙氣等高溫、高濃度、高腐蝕性煙塵氣體時，濾料的選擇變得多樣化。

3.2 加工工藝改進(jìn)

高效袋式除塵設(shè)備和褶皺星型袋式除塵設(shè)備的濾料主要采用的是針刺濾料，其濾料纖維呈立體交錯排列，形成三維結(jié)構(gòu)，中間加上基布后可提高自身的強(qiáng)力和效率。這種結(jié)構(gòu)不僅有利于快速形成粉塵層，而且在開始集結(jié)過濾和清灰結(jié)束后，粉塵不易穿透濾料，效果穩(wěn)定，除塵率高于普通織物濾料（見圖3）。在此基礎(chǔ)上，易形成自動化一條龍生產(chǎn)線，便于監(jiān)控和保證產(chǎn)品質(zhì)量[14]。

鋼鐵行業(yè)主要高性能過濾材料

圖3 針刺濾料結(jié)構(gòu)

折疊濾筒除塵的濾料采用的是由纖維紡粘熱壓加工工藝生產(chǎn)的濾料，其纖維直徑獨特且排列均勻，可有效提升濾料的過濾性能[15]。但紡粘濾料的緯向斷裂強(qiáng)力較低，還需要優(yōu)化和提升相關(guān)工藝。

濾料的后整理加工是濾料生產(chǎn)過程中非常關(guān)鍵的工序，能有效提升濾料的質(zhì)地均勻性、尺寸穩(wěn)定性，同時改善濾料性能。目前已有的濾料后整理加工工序包括：燒毛、熱軋光、浸漬、疏水整理、熱定型、防靜電等，可根據(jù)實際煙氣工況環(huán)境，進(jìn)行多種搭配。

3.3 濾料表面處理

在當(dāng)前濾料技術(shù)發(fā)展過程中，梯度結(jié)構(gòu)濾料（超細(xì)面層）、覆膜濾料、納米纖維濾料是業(yè)內(nèi)追逐的熱點。

梯度結(jié)構(gòu)濾料是指在濾料厚度方向上纖維的纖度或者纖維層的密度呈階梯狀變化的濾料。濾料結(jié)構(gòu)依次為超細(xì)纖維層、細(xì)纖維層、基布和粗纖維層。如圖4 所示，梯度結(jié)構(gòu)濾料的迎塵面是由超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)構(gòu)成的細(xì)密面層，不僅可提高過濾效率，并且由于其孔隙率低、表面光滑，也能提高粉塵的剝離率。其細(xì)纖維層相對表面層孔隙率高，降低了全部的阻力，也有利于反吹清灰。目前該技術(shù)在鋼鐵領(lǐng)域不斷得到應(yīng)用，取得了良好的成績，不過由于梯度結(jié)構(gòu)濾料屬于深層過濾，使用后期粉塵易于進(jìn)入濾料內(nèi)部，造成除塵效率降低、清灰難度加大的問題。

圖4 梯度結(jié)構(gòu)濾料結(jié)構(gòu)（超細(xì)面層）

覆膜濾料是指在濾料表面覆蓋一層膨體聚四氟乙烯薄膜（PTFE），從而形成一種微孔薄膜的覆合濾料。PTFE 膜孔徑為0.05—3μm，孔隙率為85%—93%，化學(xué)性能穩(wěn)定，摩擦系數(shù)小，表面光滑，可用于250℃—300℃的高溫環(huán)境。覆膜后母體纖維層當(dāng)量孔徑變小，實現(xiàn)了真正的表面過濾。如圖5 所示，表面過濾技術(shù)是指粉塵不進(jìn)入濾料內(nèi)、全部截留在濾料表面的過濾技術(shù)，覆膜濾料在表面形成透氣性很好的薄層，能減小濾料的表面動摩擦系數(shù)，提高清灰性能，也有助于提高自身的疏水性。運行阻力降低，有利于降低除塵器整體能耗，延長使用壽命。該技術(shù)既可用于常規(guī)針刺濾料，也可用于折疊濾筒的紡粘濾料。由于鋼鐵行業(yè)排放煙塵顆粒物的本身特性，造成了部分生產(chǎn)工序的覆膜濾料使用初期效果很好，使用一段時間后會出現(xiàn)磨損，使用壽命較短，因此覆膜濾料的機(jī)械強(qiáng)力、耐磨性和覆膜牢度需要繼續(xù)加強(qiáng)。

圖5 深層過濾與表面過濾

3.4 納米纖維濾料

用于超細(xì)微顆粒捕集的納米纖維過濾材料，其極細(xì)纖維采用靜電紡絲工藝生產(chǎn)，可延展且有彈性，直徑0.2—0.3μm，形成空間間隙極小的纖維過濾網(wǎng)表層，使粉塵只落在濾料表面上，基本屬于表面過濾。

美國唐納森公司[16]開發(fā)了一種Ultra-Web?納米纖維濾材，在特殊配方的纖維濾料表面加上一層特殊的網(wǎng)狀過濾層（見圖6），比同樣大小的普通天然濾料纖維，能夠多濾除2 倍的污染物，對于尺寸更小的污染物，其性能表現(xiàn)更優(yōu)異。

圖6 Ultra-Web?納米纖維濾料電鏡圖

在袋式除塵領(lǐng)域，山東某環(huán)保公司與東北大學(xué)合作的納米纖維網(wǎng)膜過濾材料[17]，利用靜電紡絲獲得了納米纖維網(wǎng)膜，與基底針刺濾料進(jìn)行結(jié)合，制備成3 層結(jié)構(gòu)的納米纖維網(wǎng)膜復(fù)合針刺濾料（見圖7）。

經(jīng)過對濾料過濾性能的對比可知（見圖8），對于極細(xì)微顆粒物而言，納米纖維濾料的過濾效率最高；與普通針刺濾料相比，PTFE 覆膜濾料的過濾效率明顯較高。

圖7 納米纖維網(wǎng)膜過濾材料

4 結(jié)語

綜上所述，鋼鐵行業(yè)因其工序多、工況復(fù)雜，各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的濾料選用都極為關(guān)鍵。隨著鋼鐵行業(yè)超低排放要求越來越嚴(yán)格，對于濾料技術(shù)不斷提出新的要求，這將有利于促進(jìn)濾料行業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而實現(xiàn)高效、低阻和長壽命的目標(biāo)。

圖8 濾料過濾性能對比