高溫?zé)煔獬龎m過濾材料技術(shù)研究與應(yīng)用近況
1 背景
獲取新風(fēng)是改善建筑環(huán)境空氣質(zhì)量的重要手段，控制住大氣環(huán)境空氣質(zhì)量的污染源，才能保證我們獲得滿足環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的氣體。
但是，近年來我國以資源、能源消耗性為主的重化工（電力、建材、冶金、化工等）工業(yè)迅速發(fā)展，我國已成為世界第一大鋼鐵、水泥、煤炭、化纖生產(chǎn)國，第二大電力、有色金屬、化肥生產(chǎn)國。伴之帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，由于空氣、水以及工業(yè)等環(huán)境污染帶來的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)1000億RMB以上，我國十五期間用于環(huán)境保護(hù)的投資達(dá)到GDP的2.2%（2004年GDP為13.65萬億RMB）。
重化工工業(yè)大氣污染物以高溫?zé)煔鉃橹饕卣鳎瑹焿m類顆粒物為主要控制對象之一。作為控制總量法規(guī)，國家對工業(yè)領(lǐng)域的各類鍋爐、爐窯制定的排放值陸續(xù)進(jìn)行修訂，嚴(yán)格要求降低排放量。作為高溫?zé)煔馀欧蓬w粒物（煙塵）控制技術(shù)的將快速轉(zhuǎn)變到以袋式除塵技術(shù)為主。但作為袋式除塵技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵———高溫除塵過濾材料，大多還處于信賴國外產(chǎn)品，國內(nèi)產(chǎn)品處于模仿使用缺乏技術(shù)支撐，急需改變該狀況。
以電力為例，我國能源以燃煤為主，按照國家新頒標(biāo)準(zhǔn)電廠燃煤鍋爐煙塵排放值要達(dá)到50mg/Nm3以下，需改變靜電除塵技術(shù)為袋式除塵技術(shù)。目前機(jī)組容量約4.4萬萬KW（2004年底），2010年達(dá)到6萬萬KW，2020年達(dá)到9萬萬KW。能源結(jié)構(gòu)來講，75%以上需采用燃煤火力發(fā)電。按目前工程概算投資，100——120萬元/萬KW，濾料占1/4，每4年更換1次，即：濾料投資6——8萬元/萬KW/年運行費用。完成目前機(jī)組除塵改造投資達(dá)到300——320億，后續(xù)工程達(dá)到380——450億，即：市場容量達(dá)到700億左右，濾料在200億左右，年運行更換費用達(dá)到 50億左右。采用袋式除塵技術(shù)可以達(dá)到20 mg/Nm3以下，實現(xiàn)機(jī)組總?cè)萘吭黾?.25倍，煙塵排放總量下降50%（按目前平均排放值100 mg/Nm3計算）—75%（按目前平均排放值200 mg/Nm3計算）。通過控制大氣環(huán)境空氣中微粒污染問題，減輕用于改善建筑環(huán)境空氣質(zhì)量所需新風(fēng)凈化壓力。
2 目前狀況
電廠燃煤鍋爐袋式除塵器濾袋材質(zhì)大多選用PPS針刺氈濾料（針刺氈濾料后簡稱濾料）。也有選用PPS+P84復(fù)合濾料，P84纖維含量20%左右。主要針對燃用低硫煤的鍋爐。
PPS 學(xué)名聚苯硫醚，英文名Poly Phenylene Snlfide（簡稱PPS），PPS纖維全球范圍內(nèi)只有少數(shù)幾家大型化學(xué)公司生產(chǎn)，日本公司的產(chǎn)品占據(jù)著主導(dǎo)市場。日本東洋紡（TOYOBO）公司的注冊商標(biāo)為PROCON／普抗、日本東麗（TORAY）公司產(chǎn)品的注冊商標(biāo)為TORCON／特利通、美國飛利浦（PHILIP）公司的注冊商標(biāo)為 RYTON／萊頓。
P84學(xué)名聚酰亞胺，P84纖維截面與PPS纖維棒狀相比呈多葉狀，它的不規(guī)則的纖維斷面使纖維表面積增大，增加濾料的透氣性，具有降阻增效的效果。P84纖維系奧地利LENZING公司獨家生產(chǎn)。
PPS 濾料的應(yīng)用條件主要取決于PPS纖維性能，燃煤煙氣除塵比較適宜使用的條件為：煙氣溫度120—160℃，煙氣中SO2含量<1000mg/m3、 NOx含量<800mg/m3，含氧量<10%。鍋爐運行啟動前，需進(jìn)行預(yù)涂灰；噴油點爐、鍋爐爆管、煙氣超溫時不宜直接進(jìn)入袋式除塵器，需設(shè)旁路煙道；袋式除塵器設(shè)計過濾風(fēng)速1.0m/min左右，除塵器設(shè)計阻力1500Pa。正常運轉(zhuǎn)的袋式除塵器濾袋保障使用壽命30000h。為了降低濾料阻力，增加耐溫能力，采用PPS+P84復(fù)合纖維針刺氈。
PPS及PPS+P84濾料使用之初主要靠國外進(jìn)口，現(xiàn)在國內(nèi)采用進(jìn)口纖維進(jìn)行生產(chǎn)。
3 應(yīng)用條件分析
電廠鍋爐除塵使用的袋式除塵器要求與鍋爐設(shè)備大修期同步，30000小時成為火電廠要求的基本使用期。但是，同為燃煤電站鍋爐煙氣除塵，國內(nèi)的應(yīng)用條件與國外存在差異，主要表現(xiàn)在：
（1）煤種：國外使用精煤與國內(nèi)使用原煤，在熱值、灰份、含S量等存在差異；
（2）技術(shù)水平：國外發(fā)達(dá)國家設(shè)備自動化程度較高，國內(nèi)設(shè)備手工與自動化結(jié)合；
（3）鍋爐設(shè)備：國外發(fā)達(dá)國家的鍋爐設(shè)備相對要比較先進(jìn)，國內(nèi)還存在大量的中小設(shè)備（尤其是早期鍋爐）；
（4）能源綜合利用：燃用高爐煤氣，造成煙氣量和含塵濃度波動、氣體成分變化、煙氣溫度升高等。
因此，造成濾料國內(nèi)應(yīng)用環(huán)境表現(xiàn)為四高一大一低（排放煙氣溫度高，煙氣中SO2、NOx含量高；煙氣中含氧量高；含塵濃度大；要求濾袋阻力低）。由于燃煤鍋爐排放的煙氣條件相對比較惡劣，將影響濾料（濾袋）使用壽命。因此在袋式除塵器使用濾料時，借鑒但不盲目照搬國外經(jīng)驗，應(yīng)考慮國內(nèi)鍋爐實際情況，針對性地進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。
4 已進(jìn)行技術(shù)研發(fā)工作
為了降低濾料阻力，對采用單一細(xì)度PPS纖維制作的濾料進(jìn)一步改進(jìn)為采用不同細(xì)度的PPS纖維制作的具有纖維梯度結(jié)構(gòu)的濾料（簡稱梯度濾料），參見圖1。
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主要技術(shù)特點為：
⑴ 濾料截面結(jié)構(gòu)上采用纖維細(xì)度逐層加大的梯度層次結(jié)構(gòu)，它由表層超細(xì)纖維層、細(xì)纖維層、基布、粗纖維層4層構(gòu)成。流體通道由傳統(tǒng)針刺氈的等寬繞形通道改變?yōu)樘菪危ㄇ罢髮挘├@形通道。
由上（迎塵面）而下：
表 層：超細(xì)纖維層
基 層：細(xì)纖維層
骨 架：基布
后表層：粗纖維層
超細(xì)面層使阻擋微細(xì)塵粒能力提高，梯形通道前窄后寬使濾料內(nèi)層不易集塵，保持濾料長期運行而阻力上升變化速度減緩。
⑵ 濾料表層采用超細(xì)纖維層，借鑒了覆膜濾料表面過濾技術(shù)。把單一細(xì)度纖維制作的針刺氈“表層+深層”過濾方式轉(zhuǎn)變?yōu)樘荻壤w維針刺氈“表層過濾”。
超細(xì)面層使針刺氈表面更致密，阻擋微細(xì)塵粒能力提高，表面易清灰。不同過濾方式示意圖見圖2。
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采用掃描電鏡觀察常規(guī)濾料與梯度濾料表面纖維分布圖見圖3。
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 圖3 濾料表面纖維分布電鏡觀測圖 |
⑶ 對針刺氈纖維采用PTFE（聚四氟乙烯）浸漬處理，使纖維表面涂有PTFE膜，參見圖4。提高纖維的耐腐蝕耐氧化耐溫能力，增強(qiáng)濾料憎水性。
 圖4纖維表面結(jié)構(gòu)PTFE膜電鏡觀測圖 |
（4）對針刺氈纖維采用有機(jī)硅浸漬處理，增強(qiáng)纖維的耐磨能力、濾料憎水性和耐溫能力。
采用通過各項技術(shù)改進(jìn)后，濾料性能得到顯著改善，可以延長濾料使用壽命。改進(jìn)后濾料的主要使用技術(shù)指標(biāo)為：
煙氣溫度120—180℃，煙氣中SO2含量<2000mg/m3、NOx含量<1200mg/m3，含氧量<10%，除塵器阻力1200Pa。
與國內(nèi)企業(yè)聯(lián)合建立產(chǎn)學(xué)研基地——東華博格技術(shù)研究中心，與國外同行、國內(nèi)行業(yè)協(xié)會、科研、設(shè)計及工程公司建立了合作關(guān)系。通過企業(yè)實現(xiàn)技術(shù)示范工程有：
⑴ 陜西寶雞熱電有限公司50MW液態(tài)排渣燃煤粉鍋爐（200t/h）除塵器改造工程項目。
特點：全燃煤，低硫煤，高溫?zé)煔?50—190℃，系統(tǒng)要求低阻1000Pa；采用“PPS+P84+適量玻纖”纖維復(fù)合，梯度結(jié)構(gòu)，濾料整體PTFE浸滲。通過陜西省環(huán)保局驗收，已投運1年半，排放濃度12—17mg/Nm3。
⑵ 天津第一熱電廠50MW燃煤粉鍋爐220t/h鍋爐除塵器“電改袋”工程濾袋配套項目。
特點：全燃煤，高硫煤；采用“PPS+PTFE”纖維復(fù)合，梯度結(jié)構(gòu)，濾料整體PTFE浸滲。分別通過天津市環(huán)保局、國電集團(tuán)驗收，已投運1年，7—10mg/Nm3。
⑶ 內(nèi)蒙古豐泰發(fā)電有限公司200MW袋式除塵器濾袋整體更換項目
特點：全燃煤，國內(nèi)首臺200MW以上火電機(jī)組袋式除塵器，替換進(jìn)口濾料整體更換；采用“PPS+P84”纖維復(fù)合，梯度結(jié)構(gòu)，濾料整體PTFE浸滲。
⑷ 陜西戶縣熱電有限公司燃煤粉鍋爐（170t/h）除塵器改造工程項目。
特點：全燃煤，高硫煤，系統(tǒng)要求低阻1000Pa；采用“PTFE+PPS+適量玻纖”纖維復(fù)合，梯度結(jié)構(gòu)，濾料整體PTFE浸滲。已投運。
5 進(jìn)一步研究方向
濾料進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍的技術(shù)研究：
燃用高硫煤的電廠鍋爐（脫硫機(jī)組不宜按燃用低硫煤的機(jī)組設(shè)計）；
頻繁啟停的城市熱電供應(yīng)鍋爐（出現(xiàn)低溫60—120℃，酸結(jié)露腐蝕）；
燃煤與燃?xì)饣鞜仩t（排煙溫度達(dá)到180—220℃，加劇煙氣對濾料化學(xué)作用造成強(qiáng)度下降）；
垃圾焚燒鍋爐（垃圾含水量大加劇腐蝕，濾料需耐強(qiáng)腐蝕性，耐水解）。
如果繼續(xù)使用PPS、P84纖維，勢必影響濾料的使用壽命。需研發(fā)PTFE及其PTFE復(fù)合纖維及其系列濾料。PTFE是當(dāng)今世界上耐腐蝕性能最佳材料之一，學(xué)名聚四氟乙烯。它具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性和卓越的耐化學(xué)腐蝕能力，如耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑等，有突出的耐熱、耐寒及耐磨性，具有不粘著、不吸水、不燃燒等特點。
我國是以煤為主要能源的國家，燃煤過程排放高溫?zé)煔獾念w粒物（煙塵）控制還需研發(fā)耐更高溫度的濾料，用于熱能回收利用的高溫?zé)煔鈨艋?/p>
6 其他
針對近年來我國以資源、能源消耗性工業(yè)迅速發(fā)展的特點，確保在發(fā)展過程中環(huán)境容量不受破壞，有關(guān)國家排放標(biāo)準(zhǔn)相繼修訂，進(jìn)一步嚴(yán)格排放量與排放濃度，全面提高除塵技術(shù)要求。已完成的電力、建材水泥行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已將排放濃度由100—200 mg/Nm3下降到30—50 mg/Nm3以下。現(xiàn)有的我國除塵技術(shù)體系，已面臨迎接高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域的二次革命，其重要技術(shù)措施之一就是采用過濾除塵技術(shù)。
形成具有我國自己知識產(chǎn)權(quán)的高溫?zé)煔獬龎m濾料技術(shù)，通過國產(chǎn)化降低對國外產(chǎn)品的依賴性，提高國內(nèi)產(chǎn)品的國際競爭能力。
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