玻璃纤维在高温过滤材料领域的应用

2016-12-03曾天卷张心华许重阳

中国环保产业 2016年11期

关键词：基布袋式除尘

曾天卷，张心华，许重阳

（1.南京玻璃纤维研究设计院，南京 210012；2.安徽省绩溪县华林玻璃纤维有限公司，安徽绩溪 245300）

玻璃纤维在高温过滤材料领域的应用

曾天卷1，张心华2，许重阳2

（1.南京玻璃纤维研究设计院，南京 210012；2.安徽省绩溪县华林玻璃纤维有限公司，安徽绩溪 245300）

回顾了我国玻璃纤维高温过滤材料的发展历程，从目前我国环境保护严峻局面和国家对环保的高要求等视角，提出玻璃纤维在我国工业高温烟气除尘领域的应用还有较大发展空间，并对其高端产品的研发进行了论述。

玻璃纤维；袋式除尘；高温过滤材料

1 引言

《国家环境保护“十二五”规划》要求加强对工业粉尘的控制；《国家节能减排“十二五”规划》指出，要推进大气PM2.5治理加大工业烟尘污染防治力度；2016年1月1日起实施的《环境空气质量标准》（GB-3095-2012）规定了PM2.5平均浓度限值，提高了烟尘排放要求；国家《大气污染防治行动计划》提出要全面推行清洁生产，到2017年，我国钢铁等重点行业排污强度要比2012年下降30%以上。这些政策法规都给高温过滤材料提供了发展空间。

玻璃纤维在工业上作为过滤材料，始于20世纪30年代，自1932年美国欧文斯-伊利诺思公司将其应用于强制通风窑炉收尘，至今已有80多年历史。我国于20世纪60年代开始玻璃纤维过滤材料研究，至今也有半个世纪。从发展历程看，我国的玻璃纤维过滤材料研究可分为六大类：圆筒布过滤材料；平幅布过滤材料；膨体纱过滤布；针刺毡过滤材料；复合毡过滤材料；覆膜过滤材料等。各大类又具有多个品种，多个品种可分多个规格，已形成系列化。玻璃纤维过滤材料在国内各个工业部门的高温烟气除尘领域已得到广泛应用，对高温烟气除尘、保护环境、产品回收等做出了积极贡献。

袋式除尘设备由于对烟气高温、高湿、高浓度、微细粉尘等条件的适应性较高，因而在大气粉尘治理，尤其是工业烟气除尘方面占重要位置。袋式除尘技术涉及机械、电控、化工、纺织、工程设计、除尘和环保等多方面专业知识。随着世界袋式除尘技术的不断发展，我国的袋式除尘技术也取得了巨大进步，并已形成一个完整的、较大的产业，从事该行业的企业已达数百家。袋式除尘器中的关键部件为滤袋，玻璃纤维作为滤袋的主要材料，近几十年来也发展很快。面对环境严峻的局面及环保的高要求，我国的玻璃纤维过滤材料仍需进一步发展，努力攻克一些高端玻璃纤维滤材的关键技术。

2 玻璃纤维的性能及应用

玻璃纤维是一种人造无机非金属纤维，具备强度好、尺寸稳定，耐温、耐腐蚀等优异性能，且主要原材料资源量很大，目前已能工业化生产，价格也比其他一些无机和有机纤维低，目前已大量应用于大气环境保护领域，尤其在高温气体过滤领域占据了重要地位，已广泛应用于炭黑、水泥、冶金、火电以及垃圾焚烧等烟气除尘净化，是目前性价比最优的高温过滤材料。工业烟

气除尘净化领域应用的主要纤维过滤材料及其主要性能对比见下表。

主要纤维过滤材料性能对比表

上表中的纤维均可应用于高温工业烟气除尘过滤，由于它们之间性能存在差异，且有些性能差异较大，所以不同除尘领域、不同烟气工况应选用不同滤料。选择滤料主要应考虑的因素为：烟气温度高低、烟气酸碱腐蚀性、烟气含尘量大小及颗粒度，以及烟气中O2含量等。例如：对于烟气温度260℃～300℃，就应选择GF 和PTFE而不能选择PPS（因为其易发生高温降解、纤维变脆、强度下降）、Nomex和P84；对于含碱性烟气，不能选择耐碱性能差的P84和玻纤；对于高湿烟气不宜选用P84和Nomex，因为这2种材料不耐水，在高温高湿下易发生水解，产生分子链断裂，强度下降；对于烟气中含O2＞15%就不能选用耐氧化性能差的PPS，其在高氧气含量下易发生氧化，强度下降，变色、变硬发脆。选择工业烟气除尘滤料，还应考虑其性价比，PPS、PTFE过滤性能好，但价格较高，例如进口PTFE纤维价格高达数十万元/t，国产PTFE纤维也要10万元/t。而GF虽然某些过滤性能（如耐磨耐折）不如PTFE，但其价格远低于PTFE，而且PTFE强度低，尺寸稳定性差，难以单独使用。而对于GF耐磨、耐折性能不足，可通过表面化学处理加以改善，这也就是当今世界GF在高温工业烟气除尘领域占据重要地位的原因。

3 开发高性能玻纤高温过滤材料的设想

随着我国大气污染压力增大和大气污染防治要求的提高，对环保产业，尤其是对过滤材料行业提出更高要求，要不断进行创新，如提高过滤材料性能，提高耐高温性能、提高过滤速度、提高过滤效率、提高过滤材料寿命、提高过滤材料性价比等。所有这些不但要从原材料入手，还应从生产工艺、表面处理工艺技术等方面着手进行深入研发。

3.1 耐高温玻璃纤维过滤材料

目前，在常用高温过滤材料中，GF和PTFE耐温较高，但也只达到工作温度260℃，瞬时耐温300℃，这一耐温等级，对于普通高温工业烟气除尘来讲，可以满足要求，但对于一些高于300℃的工业烟气来讲，其耐温性能又显不足，例如水泥行业窑头窑尾烟气温度有时高达350℃，尤其是立窑机烟尘温度经常在300℃～400℃波动；钢铁行业，如干法高炉煤气温度较高，可达350℃以上，而炭黑工业烟气温度也往往较高。虽然已有人研发出武岩纤维（CBF）用作高温过滤材料（其连续工作温度为-267℃～650℃，推荐使用温度为350℃），但武岩纤维的原材料来源广泛、成分复杂，品质差异过大，纤维成型难度大，生产成品率很低，成本偏高，而且由于研制时间、技术等限制，目前尚无与之配套的浸润剂，所以其产品在高温环境下的应用性能变化大，强度损失过快，导致寿命受影响，因而至今难以在工业烟气除尘上应用。再如耐高温的高硅氯玻璃纤维，虽然可在600℃～800℃高温下长期工作，但其不耐磨、不耐折、强度不高，难以达到预期使用寿命，且价格较高（为GF数倍），所以也难以用作工业高温过滤材料。

进一步提高玻璃纤维过滤材料的耐温性能很有必要，石英纤维可耐1100℃～1200℃高温，高硅氧玻璃纤维也能耐1000℃高温，而E玻纤只能耐温300℃，原因在于这些材料成分中的SiO2含量不同：石英纤维中含99.99%，高硅氧纤维中含量≥96%，E玻纤54%。高硅氧玻璃纤维原材料的SiO2含量也不高（约65%），但通过酸滤沥技术，可去除纤维中的非SiO2成分，使纤维中的SiO2含量≥96%。E玻纤中也存在SiO2密集相，也可通过酸滤沥提高SiO2含量，如达到60%以上，则其耐温可提高到350℃～400℃，但对其工艺技术应进行深入研究，使其达到既提高耐温性能，强度下降又不大，生产成本提高不多，成为一种新的耐高温玻璃纤维过滤材料。

3.2 高防水拒油之高温玻璃纤维过滤材料

工业高温烟气的含油量也高，因而要求过滤材料具备特种性能，对于大部分高温过滤材料，不具备防水拒油功能，所以在过滤过程中，烟气中的水汽和油分会吸附在滤材表面（结露），并与粉尘黏接糊袋，这会降低滤料透气性，增加过滤阻力，降低过滤效率，且糊袋会变成结皮，影响滤袋的使用寿命。如垃圾焚烧的烟气高含湿、高含油，且含有SO2、HCl等腐蚀性气体，而炭黑生产中的烟气也是高含湿（袋滤面处理的烟气含水量达30%～40%，副袋滤面处理的烟气含水量更是高达20%～75%），高含油，还高含CO2、NOx、SO2等气体而凝结成酸雾，而SO2存在可导致烟气露点升高，使运行中更容易结露，影响过滤材料正常运行。对于E玻纤来讲，其表面具备一定的吸湿性能，所以必须采用特殊配方对其进行表面化学处理，以提高其防水拒油功能。如：安徽省绩溪县某玻璃纤维公司已研究出疏水＞5级，疏油达到＞4级的高防水高拒油玻璃纤维过滤材料，深受用户欢迎。

3.3 高性价比之GF与PTFE复合高温过滤材料

GF具备高强度、高尺寸稳定性、价位较低，但耐磨耐折性能较差，而PTFE具有自洁性好、耐磨耐折性能优良、耐腐蚀性能好等特点，但其强度较低，尺寸稳定性较差，且价格高，故难以在工业高温烟气除尘中大量使用。若该两种同一耐温等级的材料进行科学复合，可性能互补，达到最佳综合性能，成为最佳高温过滤材料。可采用如下形式：

（1）GF和PTFE混纺复合而成高温过滤材料

设计时需注意二者的配比，因为PTFE的价格比GF价格高几十倍，若PTFE纤维含量高，肯定耐磨耐折性能好，但强度较低，价格也会偏高，影响性价比。此外，生产工艺技术也要注意，二者混纺的捻度大小选择应合适，若捻度大，非但织造困难，而且PTFE纤维的受力度较大，布面质量难以保证，在混纺加工时，对二者张力的控制也很重要。

（2）GF浸涂PTFE乳液

采用高浓度PTFE乳液对GF纱线进行浸渍，以成镀PTFE薄膜GF纤维。在玻璃纤维纱外面均匀涂覆一层PTFE薄膜，提高了GF耐酸碱性能和耐磨性能、拒水性能及自洁性能（利于清灰），从而大大提高滤材的过滤性能，并提高了其使用寿命。同时也存在技术问题需要深入研究，如：镀膜厚度选择及控制问题，如何提高GF表面PTFE镀层均匀性，如何提高生产效率等，以及织造工艺技术问题等。

（3）GF织物与ePTFE复合

GF织物（或针刺毡）不具备表面过滤功能，所以对于PM5，尤其是PM2.5以下的微细粉尘不具备过滤除尘功能，ePTFE具有大量0.2～0.3μm微孔，能有效过滤PM2.5粉尘，具备表面过滤功能。但ePTFE强度低，难以在高温工业微细粉尘过滤上单独使用。采用具有同一耐温等级而高强度、高尺寸稳定性GF织物（或毡材）与ePTFE复合，是当今世界通用的一种具有表面过滤功能的高温覆膜滤料。这里需注意的技术问题是工种材料匹配和复合工艺问题。对于ePTFE应选择合适的微孔平均孔径，微孔孔径分布合理，孔隙率高且分布均匀，薄膜厚度合适，强度较高。GF基布要求表面平整度高、清洁度高，基布的贴服性好。由于GF表面活性低，要提高与ePTFE黏接强度，国内一些企业由于处理设备和工艺等问题，往往存在处理后的GF基布平整度差、布质地硬、与ePTFE黏服性差等问题，导致GF与ePTFE贴合不均匀，造成ePTFE开裂、脱层等，影响了产品性能和使用寿命。国内现已有企业研发出GF/PTFE混纺基布，提高了基布与ePTFE黏接性能，并通过表面化学处理，使基布柔软、颜色均一，贴服性好，成为优质覆膜基布。

（4）其他复合方法

GF与PTFE纤维还有不少复合方法，如对PTFE纤维采用乳液纺丝法生产，在其生产过程中进行两种纤维复合（类似法国圣戈班公司TWⅠNTEX法）。但该生产技术的难度较高，许多技术问题尚未被攻克。