水泥行业滤料失效分析方法的探究

文/孙现伟 王向钦 漆东岳 张鹏雷 李娜

1 引言

近年来，随着我国各工业行业大气污染物排放标准的提高，袋式除尘器得到了快速发展，由于其具有较高的除尘效率，在我国水泥行业的使用率已达80%以上[1]。在袋式除尘器中，滤料是最核心的部件，同时也是易耗品。据统计，在袋式除尘器总造价中，滤料成本占40%，而滤料的更换更达到了袋式除尘器日常检修费用的85%以上[2]。

国内关于过滤材料的研究多集中在滤料使用前性能、滤料的选型或过滤性能分析[3,4]，针对滤料失效分析的研究比较少见。水泥行业工况条件相对于其他行业而言具有较强的特殊性[5,6]，目前的研究成果中缺乏水泥行业滤料失效原因的科学系统检测分析方法，无法为水泥行业袋式除尘滤料的研发及检测提供依据。因此，分析滤料失效原因，延长滤袋的使用寿命，从而降低水泥厂环境保护成本是众多企业共同关心的问题。

2 滤料失效分析的性能测试

目前没有专门针对水泥行业滤料失效分析的方法，但是可以参考火电、钢铁、工业锅炉行业的相关方法[7-9]，结合水泥行业的特点进行分析。造成水泥行业滤料失效的原因可以分为物理性能损伤失效和化学性能损伤失效，其中物理性能损伤失效包括气流冲击损伤、机械磨损、高温灼烧、粉尘阻塞、粉尘附着等，化学性能损伤失效包括化学腐蚀、水解氧化、烧袋等。滤料的失效分析应该从新旧滤袋对比中寻找失效原因。本文通过选择合适的滤料样品，进行物理性能、化学性能及耐温疏水疏油等特殊性能检测，并结合工况条件对水泥行业用袋式除尘滤料失效的原因进行探究。

2.1 测试滤料样品的选择

用于滤料失效分析的测试样品应该包括同批次的新旧滤袋各一条：新滤袋长度不小于6m，表面洁净、无破损；旧滤袋（即同批次失效滤袋）长度不小于4m，从袋式除尘器上取下后，不进行任何处理。对新滤料需进行所有项目的测试，而旧滤袋则不进行耐温性能、耐腐蚀性能测试。

2.2 物理性能测试

对于造成滤料物理性能损伤失效的分析，可以进行相关物理性能测试，主要包括：断裂强力及伸长率测试、耐温性能测试、耐腐蚀性能测试、耐磨损性能测试、透气性测试、孔径分析测试、微观形貌（SEM电镜扫描）测试、动态过滤性能测试。

2.2.1 断强及耐温耐腐蚀性测试

滤料的断裂强力及伸长率测试、耐温性能测试、耐腐蚀性能测试可以获得滤料在水泥生产过程烟气高温、高酸（碱）气体浓度环境下滤料的变化，通过滤料失效前后性能的对比可确定高温、高酸（碱）气体对滤料失效影响程度的大小。其相关测试的断裂强力及断裂强力伸长率可以按照GB/T 6719—2009 《袋式除尘器中技术要求》中相关规定进行测试，测试设备可选择美国英斯特朗（INSTRON）公司生产的5969电子织物强力机或其他符合规定的仪器；耐温性能测试应在滤料使用的工况条件温度下处理24h，然后以其处理前后的强力保持率表征其耐温性；耐腐蚀样品处理可概括为将样品放入85℃、质量分数为60%的H2SO4溶液中处理24h，耐碱处理是指将样品放入质量分数为40%的NaOH溶液中常温处理24h，然后在通风橱中干燥，以断裂强力和断裂强力保持率表征其耐酸碱腐蚀性能。

对于滤料耐温耐腐蚀性能的测试也可按照ISO 16891—2016《可清洁过滤介质特性退化评估的试验方法》，该方法能更好地展示滤料实际使用过程中发生的行为，并且能够同时考虑到温度和耐腐蚀环境对滤料的影响，但是耗时较长。

耐温性、耐腐蚀性测试中，旧滤料直接进行断裂强力测试，以其相对新滤料的强力保持率作为测试结果，然后与耐温性、耐腐蚀性能测试结果进行拟合，分析其相关性，从而确定温度、耐腐蚀环境是否是滤料失效的主要潜在原因。

2.2.2 耐磨损测试

滤袋在使用过程中与袋笼进行摩擦，然后在清灰脉冲的冲击下很容易引起接触位置的穿孔，导致滤袋失效。对于滤袋耐磨损性能的测试目前没有专门的测试方法，可以参考GB/T 21196.3—2007《纺织品 马丁代尔法织物耐磨性的测定 第3部分：质量损失的测定》，测试设备为马丁代尔耐磨试验仪，摩擦负荷为（795±7）g，摩擦次数10000次，以耐磨指数作为测试结果表示其耐磨性能。

2.2.3 透气性、孔径特征及微观形貌测试

滤材中纤维的排列方式、密集程度对滤料的过滤效率与阻力有重大影响。滤料的透气性、孔径特征、微观形貌可以获得滤料失效前后孔径的变化情形，可结合烟气中颗粒物的粒径分布情况，确定造成滤料堵塞的原因。同时，孔径特征和烟气中颗粒物粒径分布情况可以提前预测滤料是否适合工况条件使用，新旧滤料微观形貌结果可直观显示滤料表面纤维的损坏程度。透气性测试可采用GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》进行测试，测试压差为200Pa，测试设备为织物透气性能测试仪或其他可用设备；孔径特征按照GTT TM 017—2012《纺织品 非织造材料孔隙特征测试方法》进行测试，测试设备可选择美国PMI公司CFP1200AP毛细管流动孔隙仪，SEM电镜扫描测试可参照GB/T 14593—2008《山羊绒、绵羊毛及其混合纤维定量分析方法 扫描电镜法》进行测试，测试设备可选择日本HITACHI生产的S-3000N型扫描电子显微镜，样品测试前进行喷金处理，电压为15kV～25kV、工作距离为22mm。研究滤料失效前后透气性变化率、孔径特征分布区间分布和微观形貌SEM扫描图，以分析滤料受颗粒物吸附堵塞而失效的原因。

2.2.4 动态过滤性能测试

动态过滤性能测试可以模拟实际工况条件（温度、压力）下滤料的使用情况，通过对新旧滤料（旧滤料为破损部分）动态过滤性能测试，确定残余压力高和过滤效率低是否为滤料失效（报废）的原因。对于新滤料动态过滤性能的测试，应结合工况条件进行滤料性能检测，才能更好地反映滤料在实际使用过程中的性能，更具有参考价值。动态过滤性能的结果以残余阻力、动态过滤效率、PM2.5排放浓度来表征。动态过滤性能测试可按照GB/T 6719—2009附录B滤料动态过滤性能测试或ISO 11057—2011《空气质量-可清洗过滤介质的过滤特性的试验方法》对滤料进行检测，测试设备为德国Filteq FEMA 1粉尘过滤效率测试系统，测试用粉尘为Pural NF氧化铝颗粒物。

2.3 化学性能测试

具有腐蚀性的、高温高湿的水泥尾气在一定条件下能够引起滤料的纤维损伤或材质发生变化，这是造成滤料化学性能损伤失效的潜在原因。对于造成滤料化学性能损伤失效的分析，可通过红外光谱分析和热重分析进行。红外光谱分析可获得滤料材质官能团的变化，通过新旧滤袋测试结果对比可获得烟气对滤料的腐蚀、氧化情况；热重分析可以获得滤料在高温烟气中分子链的断裂情况以及相应产物的生成情况，通过新旧滤袋测试结果对比可获得滤料热稳定性变化情况。红外光谱分析可以按照GB/T 32199—2015《红外光谱定性分析技术通则》或FZ/T 01057.8—2012《纺织纤维鉴别试验方法 第8部分：红外光谱法》中规定的方法进行测试，测试设备可采用美国Thermo Fisher公司生产的傅立叶红外光谱仪，型号Nicolet6700；热重分析可以按照GB/T 27761—2011《热重分析仪失重和剩余量的试验方法》中规定的方法进行，测试设备可采用美国TA公司生产的热重分析仪，型号Q500。

2.4 特殊性能测试

滤料特殊性能的测试主要包括疏水性能、抗静电性能和阻燃性能。例如，当进入袋式除尘器滤袋的烟气湿度过高，颗粒物和水蒸气很容易结合，造成滤袋表面被粘附，透气率下降，过滤阻力急速增大，加速滤袋的失效；若滤料的抗静电性能或阻燃性能差可能是造成滤袋阴燃或烧袋的主要原因。因此，有必要对滤料的疏水性能、抗静电性能和阻燃性能进行测试。

3 失效原因的初步判定

造成滤料失效的表观现象主要包括破损和堵塞，其中破损包括机械磨损和化学腐蚀破损，堵塞包括粉尘堵塞和粉尘附着。如果新旧滤料化学性能明显不同，则滤料失效的原因可能是化学腐蚀破损造成的，这些原因包括酸碱气体腐蚀、氧化、水解等；若滤料的化学性能没有发生明显变化，新旧滤料的断裂强力变化较大，则造成滤料失效的原因主要是机械磨损，包括袋笼和滤料之间的摩擦、高温下的喷吹气流冲击等。若新旧滤料的化学性能和断裂强力均未发生明显变化，但透气性下降，孔径特征变小，动态过滤效率性能降低，则造成滤料失效的原因是粉尘堵塞和粉尘附着，具体应通过SEM可进一步确定。另外，滤袋的烧袋、粘结、结露等失效现象与滤料的阻燃、抗静电及疏水性能息息相关，通过新滤料相关性能测试和失效滤料的外观变化可以确定。实际中，造成滤料失效原因并非单一，在寻找失效原因时必须全面分析新旧滤料的测试结果，并与工况条件相结合。

4 结论

目前，对袋式除尘器滤料失效分析的研究多是针对电力、钢铁行业，但对水泥行业滤料失效分析的研究鲜为少见，缺乏针对水泥行业滤料失效分析的科学系统检测分析方法，无法为科研和企业技术咨询服务提供检测依据。笔者从新旧滤料物理性能、化学性能、特殊性能出发，对水泥行业滤料失效分析方法进行探究，比较全面地考虑了滤料失效造成的性能变化与工况条件，在此基础上寻找滤料失效的原因，更加科学合理。该方法可为科研机构提供参考，其分析结果可为企业选择滤料和改善工况条件提供新思路，以提高滤料的使用寿命，降低运行成本。

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