陳昌江,陸振乾,楊加左

(1.鹽城市纖維檢驗(yàn)所,江蘇 鹽城224051;2.鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)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(lái)國(guó)家對(duì)大氣污染的防治力度不斷加大,2015年實(shí)施的《大氣污染防治法》要求部分地區(qū)、新建企業(yè)實(shí)現(xiàn)超低排放[1],顆粒物排放濃度由原來(lái)的30-50 mg/m3降低到5-10 mg/m3。袋式除塵器對(duì)粉塵尤其是超細(xì)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(chǎng)份額逐年增加,被廣泛應(yīng)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(yīng)用環(huán)境大多處于高溫?zé)煔獾沫h(huán)境中,因此對(duì)耐高溫濾料的研究引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

根據(jù)煙氣的溫度范圍,紡織濾料領(lǐng)域?qū)V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(lèi);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(duì)各種耐中、高溫以上的除塵濾料進(jìn)行了綜述,分析了各種耐高溫有機(jī)及無(wú)機(jī)纖維濾料的性能和特點(diǎn),為開(kāi)發(fā)新型耐高溫濾料提供一定幫助。

1 耐高溫有機(jī)纖維濾料

耐高溫有機(jī)纖維具有纖維強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好,柔韌性能和可紡性優(yōu)良的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)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(yù)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(jié)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(diǎn)是耐氧化性差,在NO2、NO和臭氧的環(huán)境下PPS濾料會(huì)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(yīng)用于燃煤電廠、垃圾焚燒爐、醫(yī)院焚燒爐等高溫?zé)煔膺^(guò)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(xué)腐蝕性能,對(duì)常見(jiàn)的酸、堿和有機(jī)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(jī)械性能。聚四氟乙烯纖維濾料是目前耐溫性和耐化學(xué)性能最好的一種有機(jī)濾料,在高溫和腐蝕性氣體中的使用壽命長(zhǎng)[11];其連續(xù)工作溫度為260℃,瞬間耐溫可達(dá)300℃[12]。同時(shí)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(jìn)行復(fù)合,可以制成PTFE覆膜濾料[13]。該濾料具有過(guò)濾精度高,清灰性能優(yōu)異的特點(diǎn)。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(guò)濾中應(yīng)用廣泛,成為垃圾焚燒高溫?zé)煔膺^(guò)濾領(lǐng)域中理想的過(guò)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(tuán),具有高模量、高強(qiáng)度和耐高溫的特點(diǎn)[14]。PI纖維獨(dú)特的三葉瓣?duì)罾w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(zhǎng)期使用溫度為230℃,瞬間使用溫度達(dá)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(diǎn)是抗水解性能差[15]。PI濾料主要應(yīng)用于低含硫量的爐窯中,如水泥生產(chǎn)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(xué)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(zhǎng)期使用溫度為200℃,瞬間耐溫達(dá)到240℃,耐溫性能優(yōu)于PPS濾料。間位芳綸濾料的力學(xué)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(yīng)用于燃煤電廠、鋼鐵行業(yè)及瀝青攪拌等高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域。

1.5 芳砜綸濾料

芳砜綸學(xué)名為聚砜酰胺纖維(PSA),屬于芳香族聚酰胺纖維,是由我國(guó)開(kāi)發(fā)的一種耐高溫合成纖維。PSA纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為257℃,可在250℃的條件下長(zhǎng)期使用。其阻燃性優(yōu)異,極限氧指數(shù)達(dá)到30%[18]。PSA濾料的耐酸性能、抗氧化性能良好,主要應(yīng)用于水泥生產(chǎn)線的窯頭和窯尾,以及鋼鐵行業(yè)的高溫?zé)煔獬龎m[19]。

1.6 PAN預(yù)氧化纖維濾料

聚丙烯腈(PAN)預(yù)氧化纖維是由PAN長(zhǎng)絲在180-300℃的高溫下,經(jīng)空氣氧化獲得的。預(yù)氧化纖維具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性,其極限氧指數(shù)達(dá)到45%,是一種不燃纖維。預(yù)氧化纖維耐酸堿腐蝕性能良好[20],但預(yù)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(jìn)行混合成網(wǎng),制備針刺氈。同時(shí)采用耐高溫的纖維基布來(lái)進(jìn)行增強(qiáng),可提高濾料的力學(xué)性能。預(yù)氧化絲濾料可應(yīng)用于PPS濾料無(wú)法使用的高溫?zé)煔獬龎m中[21]。

2 耐高溫?zé)o機(jī)纖維濾料

相對(duì)于有機(jī)纖維來(lái)說(shuō),無(wú)機(jī)纖維在耐溫方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),可以突破有機(jī)纖維的使用溫度極限,而且價(jià)格上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在濾料行業(yè)中常用的無(wú)機(jī)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(qiáng)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(dá)280℃的環(huán)境下長(zhǎng)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(dá)900℃。玻纖濾料的缺點(diǎn)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(jī)械振動(dòng)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(qiáng)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(dá)300℃,極限溫度達(dá)到860℃。同玻纖類(lèi)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(lèi)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(chǎn)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(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異[28]。陶瓷濾料有纖維氈和燒結(jié)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(guò)濾精度比較低。燒結(jié)陶瓷膜的過(guò)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(yīng)用于爐窯工業(yè)等高溫作業(yè)場(chǎng)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(jié)工藝或針刺工藝制備各種金屬纖維燒結(jié)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(jī)械強(qiáng)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(yīng)用于煤氣化工藝中的高溫煤氣除塵凈化、高溫活化爐過(guò)濾器等領(lǐng)域[31]。

3 結(jié)語(yǔ)

耐高溫除塵濾料在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍廣泛,對(duì)節(jié)能減排和大氣治理意義重大。有機(jī)纖維柔韌性好,其濾料的可加工性能好,過(guò)濾精度高,適用性廣;無(wú)機(jī)纖維濾料的價(jià)格較低,使用溫度高,可以用在有機(jī)纖維濾料無(wú)法滿足的高溫工況環(huán)境下。但無(wú)機(jī)纖維濾料的過(guò)濾精度和產(chǎn)品的耐用性方面不如有機(jī)纖維濾料。因此可以采用復(fù)合工藝,結(jié)合各種纖維的優(yōu)勢(shì),取長(zhǎng)補(bǔ)短,將有機(jī)纖維與無(wú)機(jī)纖維進(jìn)行復(fù)合,開(kāi)發(fā)出綜合性能優(yōu)異的新型耐高溫復(fù)合纖維濾料,為我國(guó)高溫?zé)煔鈨艋峁┯辛ΡＵ稀?/p>