高温烟气除尘过滤材料技术研究与应用近况
时间：2014-10-28 阅读：571
高温烟气除尘过滤材料技术研究与应用近况
东华大学环境科学与工程学院 沈恒根 严长勇 娄可宾
摘要 针对工业迅速发展带来的工业大气环境污染控制，对重化工燃烧过程高温烟气关键技术袋式除尘的滤料进行了总结，尤其是燃煤污染控制用滤料，对今后发展提出了看法。
关键词 工业大气污染 袋式除尘 高温烟气 过滤材料
1 背景
获取新风是改善建筑环境空气质量的重要手段，控制住大气环境空气质量的污染源，才能保证我们获得满足环境空气质量标准的气体。
但是，近年来我国以资源、能源消耗性为主的重化工（电力、建材、冶金、化工等）工业迅速发展，我国已成为世界*大钢铁、水泥、煤炭、化纤生产国，第二大电力、有色金属、化肥生产国。伴之带来了严重的环境污染问题，由于空气、水以及工业等环境污染带来的经济损失每年达1000亿RMB以上，我国十五期间用于环境保护的投资达到GDP的2.2%（2004年GDP为13.65万亿RMB）。
重化工工业大气污染物以高温烟气为主要特征，烟尘类颗粒物为主要控制对象之一。作为控制总量法规，国家对工业领域的各类锅炉、炉窑制定的排放值陆续进行修订，严格要求降低排放量。作为高温烟气排放颗粒物（烟尘）控制技术的将快速转变到以袋式除尘技术为主。但作为袋式除尘技术应用的关键———高温除尘过滤材料，大多还处于信赖国外产品，国内产品处于模仿使用缺乏技术支撑，急需改变该状况。
以电力为例，我国能源以燃煤为主，按照国家新颁标准电厂燃煤锅炉烟尘排放值要达到50mg/Nm3以下，需改变静电除尘技术为袋式除尘技术。目前机组容量约4.4万万KW（2004年底），2010年达到6万万KW，2020年达到9万万KW。能源结构来讲，75%以上需采用燃煤火力发电。按目前工程概算投资，100——120万元/万KW，滤料占1/4，每4年更换1次，即：滤料投资6——8万元/万KW/年运行费用。完成目前机组除尘改造投资达到300——320亿，后续工程达到380——450亿，即：市场容量达到700亿左右，滤料在200亿左右，年运行更换费用达到50亿左右。采用袋式除尘技术可以达到20 mg/Nm3以下，实现机组总容量增加1.25倍，烟尘排放总量下降50%（按目前平均排放值100 mg/Nm3计算）—75%（按目前平均排放值200 mg/Nm3计算）。通过控制大气环境空气中微粒污染问题，减轻用于改善建筑环境空气质量所需新风净化压力。
2 目前状况
电厂燃煤锅炉袋式除尘器滤袋材质大多选用PPS针刺毡滤料（针刺毡滤料后简称滤料）。也有选用PPS+P84复合滤料，P84纤维含量20%左右。主要针对燃用低硫煤的锅炉。
PPS学名聚苯硫醚，英文名Poly Phenylene Snlfide（简称PPS），PPS纤维范围内只有少数几家大型化学公司生产，日本公司的产品占据着主导市场。日本东洋纺（TOYOBO）公司的注册商标为PROCON／普抗、日本东丽（TORAY）公司产品的注册商标为TORCON／特利通、美国飞利浦（PHILIP）公司的注册商标为RYTON／莱顿。
P84学名聚酰亚胺，P84纤维截面与PPS纤维棒状相比呈多叶状，它的不规则的纤维断面使纤维表面积增大，增加滤料的透气性，具有降阻增效的效果。P84纤维系奥地利LENZING公司*生产。
PPS滤料的应用条件主要取决于PPS纤维性能，燃煤烟气除尘比较适宜使用的条件为：烟气温度120—160℃，烟气中SO2含量<1000mg/m3、NOx含量<800mg/m3，含氧量<10%。锅炉运行启动前，需进行预涂灰；喷油点炉、锅炉爆管、烟气超温时不宜直接进入袋式除尘器，需设旁路烟道；袋式除尘器设计过滤风速1.0m/min左右，除尘器设计阻力1500Pa。正常运转的袋式除尘器滤袋保障使用寿命30000h。为了降低滤料阻力，增加耐温能力，采用PPS+P84复合纤维针刺毡。
PPS及PPS+P84滤料使用之初主要靠国外进口，现在国内采用进口纤维进行生产。
3 应用条件分析
电厂锅炉除尘使用的袋式除尘器要求与锅炉设备大修期同步，30000小时成为火电厂要求的基本使用期。但是，同为燃煤电站锅炉烟气除尘，国内的应用条件与国外存在差异，主要表现在：
（1）煤种：国外使用精煤与国内使用原煤，在热值、灰份、含S量等存在差异；
（2）技术水平：国外发达国家设备自动化程度较高，国内设备手工与自动化结合；
（3）锅炉设备：国外发达国家的锅炉设备相对要比较*，国内还存在大量的中小设备（尤其是早期锅炉）；
（4）能源综合利用：燃用高炉煤气，造成烟气量和含尘浓度波动、气体成分变化、烟气温度升高等。
因此，造成滤料国内应用环境表现为四高一大一低（排放烟气温度高，烟气中SO2、NOx含量高；烟气中含氧量高；含尘浓度大；要求滤袋阻力低）。由于燃煤锅炉排放的烟气条件相对比较恶劣，将影响滤料（滤袋）使用寿命。因此在袋式除尘器使用滤料时，借鉴但不盲目照搬国外经验，应考虑国内锅炉实际情况，针对性地进行技术改进。
4 已进行技术研发工作
为了降低滤料阻力，对采用单一细度PPS纤维制作的滤料进一步改进为采用不同细度的PPS纤维制作的具有纤维梯度结构的滤料（简称梯度滤料），参见图1。
主要技术特点为：
⑴ 滤料截面结构上采用纤维细度逐层加大的梯度层次结构，它由表层超细纤维层、细纤维层、基布、粗纤维层4层构成。流体通道由传统针刺毡的等宽绕形通道改变为梯形（前窄后宽）绕形通道。
由上（迎尘面）而下：
表 层：超细纤维层
基 层：细纤维层
骨 架：基布
后表层：粗纤维层
图1 梯度滤料结构示意图
超细面层使阻挡微细尘粒能力提高，梯形通道前窄后宽使滤料内层不易集尘，保持滤料*运行而阻力上升变化速度减缓。
⑵ 滤料表层采用超细纤维层，借鉴了覆膜滤料表面过滤技术。把单一细度纤维制作的针刺毡“表层+深层”过滤方式转变为梯度纤维针刺毡“表层过滤”。
超细面层使针刺毡表面更致密，阻挡微细尘粒能力提高，表面易清灰。不同过滤方式示意图见图2。
(a) 表面过滤 (b) 表层+深层 过滤 (c) 表层过滤
图2 不同过滤方式对比示意图
采用扫描电镜观察常规滤料与梯度滤料表面纤维分布图见图3。
(a) 梯度滤料 (b) 常规滤料
图3 滤料表面纤维分布电镜观测图
⑶ 对针刺毡纤维采用PTFE（聚四氟乙烯）浸渍处理，使纤维表面涂有PTFE膜，参见图4。提高纤维的耐腐蚀耐氧化耐温能力，增强滤料憎水性。
图4纤维表面结构PTFE膜电镜观测图
（4）对针刺毡纤维采用有机硅浸渍处理，增强纤维的耐磨能力、滤料憎水性和耐温能力。
采用通过各项技术改进后，滤料性能得到显著改善，可以延长滤料使用寿命。改进后滤料的主要使用技术指标为：
烟气温度120—180℃，烟气中SO2含量<2000mg/m3、NOx含量<1200mg/m3，含氧量<10%，除尘器阻力1200Pa。
与国内企业联合建立产学研基地——东华博格技术研究中心，与国外同行、国内行业协会、科研、设计及工程公司建立了合作关系。通过企业实现技术示范工程有：
⑴ 陕西宝鸡热电有限公司50MW液态排渣燃煤粉锅炉（200t/h）除尘器改造工程项目。
特点：全燃煤，低硫煤，高温烟气150—190℃，系统要求低阻1000Pa；采用“PPS+P84+适量玻纤”纤维复合，梯度结构，滤料整体PTFE浸渗。通过陕西省*验收，已投运1年半，排放浓度12—17mg/Nm3。
⑵ 天津*热电厂50MW燃煤粉锅炉220t/h锅炉除尘器“电改袋”工程滤袋配套项目。
特点：全燃煤，高硫煤；采用“PPS+PTFE”纤维复合，梯度结构，滤料整体PTFE浸渗。分别通过天津市*、国电集团验收，已投运1年，7—10mg/Nm3。
⑶ 内蒙古丰泰发电有限公司200MW袋式除尘器滤袋整体更换项目
特点：全燃煤，*台200MW以上火电机组袋式除尘器，替换进口滤料整体更换；采用“PPS+P84”纤维复合，梯度结构，滤料整体PTFE浸渗。
⑷ 陕西户县热电有限公司燃煤粉锅炉（170t/h）除尘器改造工程项目。
特点：全燃煤，高硫煤，系统要求低阻1000Pa；采用“PTFE+PPS+适量玻纤”纤维复合，梯度结构，滤料整体PTFE浸渗。已投运。
5 进一步研究方向
滤料进一步扩大应用范围的技术研究：
燃用高硫煤的电厂锅炉（脱硫机组不宜按燃用低硫煤的机组设计）；
频繁启停的城市热电供应锅炉（出现低温60—120℃，酸结露腐蚀）；
燃煤与燃气混烧锅炉（排烟温度达到180—220℃，加剧烟气对滤料化学作用造成强度下降）；
垃圾焚烧锅炉（垃圾含水量大加剧腐蚀，滤料需耐强腐蚀性，耐水解）。
如果继续使用PPS、P84纤维，势必影响滤料的使用寿命。需研发PTFE及其PTFE复合纤维及其系列滤料。PTFE是当今世界上耐腐蚀性能*材料之一，学名聚四氟乙烯。它具有高度的化学稳定性和的耐化学腐蚀能力，如耐强酸、强碱、强氧化剂等，有突出的耐热、耐寒及耐磨性，具有不粘着、不吸水、不燃烧等特点。
我国是以煤为主要能源的国家，燃煤过程排放高温烟气的颗粒物（烟尘）控制还需研发耐更高温度的滤料，用于热能回收利用的高温烟气净化。
6 其他
针对近年来我国以资源、能源消耗性工业迅速发展的特点，确保在发展过程中环境容量不受破坏，有关国家排放标准相继修订，进一步严格排放量与排放浓度，全面提高除尘技术要求。已完成的电力、建材水泥行业相关标准已将排放浓度由100—200 mg/Nm3下降到30—50 mg/Nm3以下。现有的我国除尘技术体系，已面临迎接高温烟气除尘领域的二次革命，其重要技术措施之一就是采用过滤除尘技术。
形成具有我国自己知识产权的高温烟气除尘滤料技术，通过国产化降低对国外产品的依赖性，提高国内产品的竞争能力。