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)大氣污染物排放標準的提高，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80%以上[1]。在袋式除塵器中，濾料是最核心的部件，同時也是易耗品。據(jù)統(tǒng)計，在袋式除塵器總造價中，濾料成本占40%，而濾料的更換更達到了袋式除塵器日常檢修費用的85%以上[2]。

國內(nèi)關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]，針對濾料失效分析的研究比較少見。水泥行業(yè)工況條件相對于其他行業(yè)而言具有較強的特殊性[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系統(tǒng)檢測分析方法，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)境保護成本是眾多企業(yè)共同關心的問題。

2 濾料失效分析的性能測試

目前沒有專門針對水泥行業(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)的相關方法[7-9]，結合水泥行業(yè)的特點進行分析。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、機械磨損、高溫灼燒、粉塵阻塞、粉塵附著等，化學性能損傷失效包括化學腐蝕、水解氧化、燒袋等。濾料的失效分析應該從新舊濾袋對比中尋找失效原因。本文通過選擇合適的濾料樣品，進行物理性能、化學性能及耐溫疏水疏油等特殊性能檢測，并結合工況條件對水泥行業(yè)用袋式除塵濾料失效的原因進行探究。

2.1 測試濾料樣品的選擇

用于濾料失效分析的測試樣品應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，不進行任何處理。對新濾料需進行所有項目的測試，而舊濾袋則不進行耐溫性能、耐腐蝕性能測試。

2.2 物理性能測試

對于造成濾料物理性能損傷失效的分析，可以進行相關物理性能測試，主要包括：斷裂強力及伸長率測試、耐溫性能測試、耐腐蝕性能測試、耐磨損性能測試、透氣性測試、孔徑分析測試、微觀形貌（SEM電鏡掃描）測試、動態(tài)過濾性能測試。

2.2.1 斷強及耐溫耐腐蝕性測試

濾料的斷裂強力及伸長率測試、耐溫性能測試、耐腐蝕性能測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比可確定高溫、高酸（堿）氣體對濾料失效影響程度的大小。其相關測試的斷裂強力及斷裂強力伸長率可以按照GB/T 6719—2009 《袋式除塵器中技術要求》中相關規(guī)定進行測試，測試設備可選擇美國英斯特朗（INSTRON）公司生產(chǎn)的5969電子織物強力機或其他符合規(guī)定的儀器；耐溫性能測試應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℃、質量分數(shù)為60%的H2SO4溶液中處理24h，耐堿處理是指將樣品放入質量分數(shù)為40%的NaOH溶液中常溫處理24h，然后在通風櫥中干燥，以斷裂強力和斷裂強力保持率表征其耐酸堿腐蝕性能。

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

耐溫性、耐腐蝕性測試中，舊濾料直接進行斷裂強力測試，以其相對新濾料的強力保持率作為測試結果，然后與耐溫性、耐腐蝕性能測試結果進行擬合，分析其相關性，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 耐磨損測試

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

2.2.3 透氣性、孔徑特征及微觀形貌測試

濾材中纖維的排列方式、密集程度對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，孔徑特征和煙氣中顆粒物粒徑分布情況可以提前預測濾料是否適合工況條件使用，新舊濾料微觀形貌結果可直觀顯示濾料表面纖維的損壞程度。透氣性測試可采用GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》進行測試，測試壓差為200Pa，測試設備為織物透氣性能測試儀或其他可用設備；孔徑特征按照GTT TM 017—2012《紡織品 非織造材料孔隙特征測試方法》進行測試，測試設備可選擇美國PMI公司CFP1200AP毛細管流動孔隙儀，SEM電鏡掃描測試可參照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》進行測試，測試設備可選擇日本HITACHI生產(chǎn)的S-3000N型掃描電子顯微鏡，樣品測試前進行噴金處理，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 動態(tài)過濾性能測試

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

2.3 化學性能測試

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發(fā)生變化，這是造成濾料化學性能損傷失效的潛在原因。對于造成濾料化學性能損傷失效的分析，可通過紅外光譜分析和熱重分析進行。紅外光譜分析可獲得濾料材質官能團的變化，通過新舊濾袋測試結果對比可獲得煙氣對濾料的腐蝕、氧化情況；熱重分析可以獲得濾料在高溫煙氣中分子鏈的斷裂情況以及相應產(chǎn)物的生成情況，通過新舊濾袋測試結果對比可獲得濾料熱穩(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通則》或FZ/T 01057.8—2012《紡織纖維鑒別試驗方法 第8部分：紅外光譜法》中規(guī)定的方法進行測試，測試設備可采用美國Thermo Fisher公司生產(chǎn)的傅立葉紅外光譜儀，型號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方法》中規(guī)定的方法進行，測試設備可采用美國TA公司生產(chǎn)的熱重分析儀，型號Q500。

2.4 特殊性能測試

濾料特殊性能的測試主要包括疏水性能、抗靜電性能和阻燃性能。例如，當進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，有必要對濾料的疏水性能、抗靜電性能和阻燃性能進行測試。

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，其中破損包括機械磨損和化學腐蝕破損，堵塞包括粉塵堵塞和粉塵附著。如果新舊濾料化學性能明顯不同，則濾料失效的原因可能是化學腐蝕破損造成的，這些原因包括酸堿氣體腐蝕、氧化、水解等；若濾料的化學性能沒有發(fā)生明顯變化，新舊濾料的斷裂強力變化較大，則造成濾料失效的原因主要是機械磨損，包括袋籠和濾料之間的摩擦、高溫下的噴吹氣流沖擊等。若新舊濾料的化學性能和斷裂強力均未發(fā)生明顯變化，但透氣性下降，孔徑特征變小，動態(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，具體應通過SEM可進一步確定。另外，濾袋的燒袋、粘結、結露等失效現(xiàn)象與濾料的阻燃、抗靜電及疏水性能息息相關，通過新濾料相關性能測試和失效濾料的外觀變化可以確定。實際中，造成濾料失效原因并非單一，在尋找失效原因時必須全面分析新舊濾料的測試結果，并與工況條件相結合。

4 結論

目前，對袋式除塵器濾料失效分析的研究多是針對電力、鋼鐵行業(yè)，但對水泥行業(yè)濾料失效分析的研究鮮為少見，缺乏針對水泥行業(yè)濾料失效分析的科學系統(tǒng)檢測分析方法，無法為科研和企業(yè)技術咨詢服務提供檢測依據(jù)。筆者從新舊濾料物理性能、化學性能、特殊性能出發(fā)，對水泥行業(yè)濾料失效分析方法進行探究，比較全面地考慮了濾料失效造成的性能變化與工況條件，在此基礎上尋找濾料失效的原因，更加科學合理。該方法可為科研機構提供參考，其分析結果可為企業(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，降低運行成本。

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