劉美玲，沈敏超，劉含笑，陳招妹

（浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江省 諸暨市 311800）

0 引言

隨著超低排放改造的完成，燃煤電廠的袋式/電袋復(fù)合除塵器改造告一段落[1-3]。高溫布袋除塵在水泥、鋼鐵、垃圾焚燒、焦化、玻璃等行業(yè)，可以有所作為。高溫除塵指的是260 ℃以上煙氣氣固分離技術(shù)[4]。高溫除塵作為一項(xiàng)有廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)，在全世界范圍內(nèi)發(fā)展十分迅速。

目前常規(guī)袋式/電袋復(fù)合除塵器使用的濾材為聚苯硫醚(poly phenylene sulfide fibre，PPS)、聚四氟乙烯(poly tetra fluoro ethylene，PTFE)、聚酰亞胺(polyimide，P84/PI)等，最高耐溫不超過(guò)240 ℃，瞬間高溫為260 ℃；高溫除塵由于運(yùn)行溫度高，對(duì)濾材的機(jī)械性能、熱化學(xué)穩(wěn)定性提出了更高的要求，而金屬纖維燒結(jié)氈、陶瓷纖維、無(wú)機(jī)濾料能打破現(xiàn)有常規(guī)袋式/電袋復(fù)合除塵器使用濾料的耐溫限制，做到耐高溫、耐腐蝕且高精過(guò)濾[4-9]，并且在300 ℃及以上超高溫氣體中保持良好的性能[6-11]。在高溫除塵濾材領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)很多高校和科研院所對(duì)玄武巖纖維、陶瓷濾料、金屬濾料、玻璃纖維等進(jìn)行了工藝性能及表面改性、多層結(jié)構(gòu)復(fù)合方法的相關(guān)研究，但目前有成功運(yùn)用案例和示范項(xiàng)目的，金屬纖維濾料居多[6,9]。

本文采用濾料性能檢測(cè)的方式，對(duì)比金屬纖維濾料、常規(guī)針刺氈和PTFE 覆膜濾料的過(guò)濾性能，據(jù)此來(lái)分析金屬纖維濾料的各方面性能特點(diǎn)。

1 濾料及工藝

1.1 金屬纖維濾料

金屬纖維的生產(chǎn)歷史悠久，但是微米級(jí)金屬纖維絲的技術(shù)到20世紀(jì)60年代才基本成熟。采用金屬纖維制成耐高溫的過(guò)濾材質(zhì)的方法有2 種：一是普通織造法，通過(guò)金屬纖維編織成濾網(wǎng)；二是通過(guò)無(wú)紡燒結(jié)的工藝，制成復(fù)合金屬纖維濾料。本文測(cè)試用的金屬纖維濾料為無(wú)紡燒結(jié)。

金屬纖維濾料是采用直徑為1～100 μm金屬纖維，利用無(wú)紡工藝，結(jié)合高溫?zé)Y(jié)形成多孔濾材，濾料厚度約0.4～1 mm。最高使用溫度為600 ℃，材質(zhì)為耐高溫、耐腐蝕性的不銹鋼纖維，如304、316L、310S 等。由于金屬纖維絲直徑在微米級(jí)別，且全為貫穿孔，纖維濾料的孔隙率可高達(dá)80%以上，過(guò)濾性能遠(yuǎn)高于陶瓷濾料等其他耐高溫濾料。此外，金屬纖維表面光滑，易清灰；過(guò)濾性能穩(wěn)定，無(wú)高溫高壓下粉塵穿透的情況發(fā)生；耐折性能良好，可承受較大的彎曲變形；可再生性能優(yōu)良(發(fā)生糊袋后通過(guò)高壓水槍清灰，可以重新投入使用)。

1.2 針刺氈濾料

常規(guī)針刺氈濾料都是在基布基礎(chǔ)上，將蓬松的纖網(wǎng)進(jìn)行針刺成型，并經(jīng)過(guò)復(fù)雜的工藝流程，形成交錯(cuò)的三維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有利于穩(wěn)定粉塵層的形成，過(guò)濾和清灰后，不會(huì)存在直通空隙，從而保持穩(wěn)定的過(guò)濾效率。

在常規(guī)針刺氈基礎(chǔ)上將PPS、PTFE、PI/P84纖維按不同組合、不同比例、不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行混紡，形成多種高強(qiáng)度耐高溫、耐腐蝕混紡濾料；或者對(duì)針刺氈進(jìn)行PTFE覆膜，在普通濾料表面覆一層PTFE薄膜，由于薄膜的作用，粉塵無(wú)法穿透，難以進(jìn)入濾料內(nèi)部，清灰時(shí)，由于薄膜不黏性及摩擦因數(shù)小，粉塵易脫落。

2 試驗(yàn)檢測(cè)

2.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司電袋復(fù)合除塵器、布袋除塵器項(xiàng)目參與投標(biāo)或中標(biāo)的濾料。本次測(cè)試樣如下：金屬纖維濾料2個(gè)，面密度相同，為1 000 g/m2，厚度分別為0.78、0.63 mm，表面金屬纖維直徑稍有不同；普通PPS針刺氈試樣2 個(gè)，面密度分別為533、600 g/m2，厚度分別為1.6、1.78 mm；PTFE覆膜針刺氈試樣2 個(gè)，面密度和厚度都相同，分別為580 g/m2、1.8 mm。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器為德國(guó)FilTEq 粉塵過(guò)濾效率測(cè)試系統(tǒng)FEMA 1。其工作原理如下：空氣先進(jìn)入豎向發(fā)塵管產(chǎn)生含塵煙氣，粉塵在發(fā)塵器中通過(guò)壓縮空氣分散，將測(cè)試濾料暴露在穩(wěn)定的粉塵和煙氣流速中，以此模擬除塵器中濾料的“過(guò)濾-清灰”。在過(guò)濾的過(guò)程中形成粉餅，導(dǎo)致壓降增加，差壓傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)濾料前后壓差的變化，一旦壓差達(dá)到默認(rèn)值，系統(tǒng)釋放壓縮空氣脈沖清灰，之后濾料又重新過(guò)濾，如此周而復(fù)始。清灰掉落的粉餅和粉塵通過(guò)垂直氣流進(jìn)入垂直管道底部的粉塵收集器。

試樣裁剪成直徑為155 mm的圓形樣品，試樣流程參照德國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)VDI3926—2004，進(jìn)行過(guò)濾性能檢測(cè)。

所有濾料的過(guò)濾性能檢測(cè)按表1 流程進(jìn)行，表2給出了基本試驗(yàn)參數(shù)[12-15]。

表1 檢測(cè)流程Tab.1 Testing procedure

表2 試驗(yàn)基本參數(shù)Tab.2 Basic test parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 過(guò)濾性能

在濾料的動(dòng)態(tài)過(guò)濾性能檢測(cè)流程中，隨著老化階段的完成，濾料表面形成了穩(wěn)定的粉塵層，各項(xiàng)性能指數(shù)趨于穩(wěn)定，第4階段的1 kPa定壓噴吹，其測(cè)試數(shù)據(jù)最能體現(xiàn)濾料的過(guò)濾性能。FEMA 1 的基本原理是將濾料置于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)粉塵氣流中，在常溫條件下，通過(guò)反復(fù)的過(guò)濾—清灰過(guò)程來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)條件下袋式除塵器的除塵工藝。通過(guò)試驗(yàn)，可得到濾料的過(guò)濾效率、排放濃度、殘余阻力和清灰周期等。

圖1 為各濾料排放濃度，圖1(a)為老化前濾料的排放濃度，可以看出，金屬纖維濾料的初始排放濃度相對(duì)其他濾料而言，偏高50%以上，測(cè)試第一階段，是潔凈濾料形成粉塵初層的過(guò)程，而覆膜濾料的過(guò)濾機(jī)制是“表面過(guò)濾”，針刺氈表面的PTFE 薄膜相當(dāng)于起到了“一次粉塵層”的作用，故此階段，覆膜濾料的初始排放濃度低。

圖1 各濾料排放濃度Fig.1 Discharge concentration of each filter material

圖1(b)為老化后濾料的排放濃度，可以看出，經(jīng)過(guò)老化，粉塵初層形成，濾料開(kāi)始穩(wěn)定地進(jìn)行“過(guò)濾-清灰-過(guò)濾”循環(huán)，粉塵排放濃度較老化前大幅降低，特別是1、2號(hào)濾料，出口排放濃度降低了90%以上；而常規(guī)PPS 針刺氈基本上保持了一個(gè)較為穩(wěn)定的出口排放；PTFE覆膜濾料的排放濃度穩(wěn)中有降；總體來(lái)說(shuō)，老化后濾料的排放濃度都低于0.1 mg/m3。一般而言，在相同情況下，清灰次數(shù)越多，或者清灰周期越短，濾料排放濃度會(huì)越高。

清灰周期是評(píng)估濾料性能的一個(gè)重要指標(biāo)，關(guān)系到袋式除塵器的運(yùn)行費(fèi)用。從上一次清灰結(jié)束后算起，濾袋開(kāi)始過(guò)濾，直至定壓清灰完成一個(gè)循環(huán)，2次清灰之間的時(shí)間間隔即為清灰周期。各濾料的清灰周期如圖2 所示?？梢钥闯觯饘倮w維濾料的清灰周期比常規(guī)PPS 針刺氈多1 倍以上，與針刺氈覆膜濾料基本上持平。就清灰周期來(lái)說(shuō)，金屬纖維濾料的性能已經(jīng)是優(yōu)良以上，清灰周期最長(zhǎng)為450 s；而在實(shí)際工況運(yùn)行條件下，除塵器由于過(guò)濾速度較低(相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室2 m/min的過(guò)濾風(fēng)速)，清灰周期一般都有數(shù)十分鐘，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)試的清灰周期遠(yuǎn)小于現(xiàn)場(chǎng)工況條件下的清灰周期。

圖2 各濾料的清灰周期Fig.2 Cleaning cycle of each filter material

每個(gè)周期清灰后，剩余的壓差稱為殘余阻力。各濾料殘余阻力對(duì)比如圖3所示，殘余阻力越高，除塵器運(yùn)行費(fèi)用越高。優(yōu)質(zhì)濾料的殘余阻力低，清灰周期長(zhǎng)。金屬纖維濾料殘余阻力最高為400 Pa，最低為320 Pa；普通針刺氈濾料殘余阻力平均為350 Pa左右；針刺氈覆膜濾料殘余阻力一般為320 Pa左右?？傮w而言，3種材質(zhì)濾料的殘余阻力偏差不大。

圖3 各濾料的殘余阻力Fig.3 Residual resistance of each filter material

3.2 結(jié)果分析

為了解金屬纖維濾料的性能，將金屬纖維濾料的過(guò)濾性能與普通針刺氈濾料和PTFE覆膜濾料的過(guò)濾性能進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明：金屬纖維濾料老化前排放濃度為0.5 mg/m3左右，經(jīng)過(guò)老化階段，排放濃度降為0.01 mg/m3；金屬纖維濾料清灰周期長(zhǎng)，約為常規(guī)針刺氈濾料清灰周期的2倍；金屬纖維濾料的殘余阻力低，經(jīng)過(guò)老化階段，其值約為350 Pa，與常規(guī)針刺氈、覆膜濾料的殘余阻力基本一致?？偠灾?，測(cè)試用金屬纖維濾料性能良好，完全能滿足高溫除塵的性能要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比各項(xiàng)性能良好的針刺氈濾料發(fā)現(xiàn)：

1）老化前金屬纖維濾料排放濃度較高，老化后排放濃度低于0.1 mg/m3，達(dá)到超低排放；

2）金屬纖維濾料清灰周期長(zhǎng)，約為普通針刺氈的2倍，與針刺氈覆膜濾料基本一致；

3）金屬纖維濾料殘余阻力約在350 Pa左右，與普通針刺氈、PTFE覆膜濾料的殘余阻力相比差別不大。