我国高温烟气非织造过滤材料的现状与发展前景

赵 奕，靳向煜，吴海波，黄 晨，刘嘉炜

(东华大学 产业用纺织品教育部工程研究中心,上海 201620)

随着工业技术的快速发展，我国在钢铁、煤炭、水泥、化纤领域的制造与生产规模已位居全球第一，在火电、有色金属冶炼、化肥领域位居世界前列。然而，各大支柱产业的发展带来了严重的大气污染问题。据文献报道，2015年我国烟粉尘排放量高达约1 540万 t[1-2]，其中工业烟、粉尘排放量为1 232.6万 t，是我国烟、粉尘排放的最主要组成部分[3]。工业烟、粉尘主要来源于燃煤高温烟气、重油燃烧排放以及垃圾焚烧。针对工业生产与工业焚烧造成的大气污染，越来越多的标准与法规相继出台以限制工业烟粉尘的排放。目前，国家环境空气质量标准GB 3095—2012要求，工业区颗粒物PM10和PM2.5的年均排放浓度限值分别为70和35 μg/m3，总悬浮颗粒物年均排放浓度不得超过200 μg/m3。采用高温烟气非织造过滤材料可有效捕获高温烟粉尘颗粒物质，并起到过滤烟粉尘以及净化空气的作用，是缓解乃至解决烟气环境问题的主要手段。诸如工况环境温度高、气体腐蚀性强等特殊作业环境对高温烟气除尘用过滤材料提出了较高的要求，即过滤材料必须具备较高的过滤效率、优异的耐高温性能、较长的使用寿命以及合理的价格等条件。由于产品技术要求高且行业涉及面广，高温环保滤料逐渐成为产业用纺织品行业中的一个重要领域。

我国高温烟气过滤材料产业集群以“东有江苏阜宁，西有河北泊头，南有浙江天台，北有辽宁抚顺”的形式快速发展[4]。2018年，以江苏东方滤袋股份有限公司和江苏蓝天环保集团有限公司为首的江苏阜宁地区规模以上的环保滤料集群产值约达23亿元，以浙江严牌过滤技术股份有限公司、浙江华基环保科技有限公司及浙江恒泽滤料有限公司为首的浙江天台地区环保率滤料年产值约达20亿元。据统计，江苏省盐城市阜宁县拥有200余家滤袋企业，其中48家企业年产值高于3 000万元，具有从原料到环保滤料非织造材料及配套设备的全套生产工艺和设备，加速了当地滤料产品的研发水平，提升了滤料产品档次和区域品牌影响力[5]。浙江省台州市天台县生产机织滤料的规模居我国前列，其生产的机织滤料多以具有三维结构的双层织物和高强度的单丝滤布为主。此外，针刺非织造过滤布的发展趋势也不容忽视，以芳纶、聚四氟乙烯等材料为代表的耐高温产品和以涤纶等材料为主的常规产品共计40余种，总规格达1 000余种[6]。

1 高温烟气滤材原料及加工成型

随着我国非织造技术的不断革新以及高性能非织造过滤材料的开发，袋式除尘过滤材料的过滤效率大幅提高。随后，耐高温、抗腐蚀的功能化过滤材料问世，大量用于处理垃圾焚烧、重油燃烧、燃煤供能等产生的高温烟气，有效改善了粉尘颗粒对空气的污染[7]。从我国发展趋势及各国所呈现的知识产权成果来看，目前高温烟气非织造过滤材料用纤维原料主要为聚苯硫醚、聚四氟乙烯、芳纶、玻璃纤维、P84聚酰亚胺、亚克力和涤纶聚酯，且由这些材料制备的滤料普遍具有耐高温或耐化学性的特点。

1.1 聚苯硫醚滤料

聚苯硫醚(PPS)纤维在400 ℃时才会发生分解，因此其在200～220 ℃时具有热稳定性好、阻燃、耐辐射、耐化学腐蚀、绝缘以及力学性能优良等特点[8-9]。2018年，我国PPS纤维的年产量为4 000～5 000 t，年进口量为4 000～5 000 t[10]，市场价约为6.5万元/t，主要用于燃煤电厂的粉尘过滤。PPS纤维滤料的抗水解功能优异，适宜在高湿的烟气工况中使用[11]。但由于PPS是由对二氯苯和硫化钠缩聚而成，其分子结构中的二价硫易造成PPS纤维氧化，进而造成滤袋降解，尤其将加快在NO2、NO和臭氧环境下的PPS滤料老化速度，致使其使用寿命迅速下降[8]。为提高PPS的耐氧化性能，采用二氧化钛等抗氧化剂与PPS熔融共混，可使改性PPS纤维的抗氧化性能提高约30%，耐受温度约达280 ℃。《纺织工业“十三五”发展规划》提出，可通过提升PPS纤维高品质与差别化开发应用水平，来满足我国高温过滤材料日益增长的需求[9, 12]。由此可见，PPS纤维具有良好的应用前景。

1.2 聚四氟乙烯滤料

聚四氟乙烯(PTFE)纤维化学稳定性好，耐高温、耐酸碱、抗老化且阻燃性能优良，其熔点为327 ℃[13]。目前制备PTFE纤维的常用方法为膜裂纺丝法、糊料挤出纺丝法和载体纺丝法，其中载体纺丝包括干法纺丝、湿法纺丝和静电纺丝[14]。膜裂法是非织造用PTFE纤维的主要生产方法，其生产工艺简单、无污染，且制得的纤维强度高，但存在的纤维直径不匀和对生产温度的要求较高等缺点限制了该法的应用。目前上海灵氟隆新材料有限公司等单位突破了其中一些技术难题，已具备生产PTFE纤维用膜、膜裂长丝和短纤以及缝纫线的技术[15]。2018年，我国PTFE纤维的生产规模已达约20 000 t，市场价为8.0万～8.5万元/t。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》[16]提出要提高垃圾焚烧处理率，即减少垃圾填埋土地的新要求。PTFE纤维滤料因具有极强的耐高温特性和优良的耐化学稳定性，在高温和腐蚀性气体中的使用寿命较长[13]，这一特定优良性能使其更加符合垃圾处理的新要求。将PTFE纤维与普通针刺毡、玻璃纤维滤布进行复合，可获得过滤精度高且清灰性能强的PTFE覆膜滤料[11]。由此可见，PTFE滤料具有广阔的应用前景。

1.3 芳纶滤料

间位芳纶Nomex纤维的热分解温度可达371 ℃，瞬时工作温度高达240 ℃[17]。相比Kevelar纤维， Nomex纤维成本较低，市场价约为12万元/t。圣欧芳纶和烟台氨纶股份有限公司的Nomex纤维产能在国内位居前例，年产量总和超2 000 t[18]。Nomex滤料的基布以芳纶机织布为主，其耐温性能优于PPS滤料，力学性能和耐碱性优于芳砜纶纤维。通过针刺法加固的纤维间相互缠结抱合，形成的滤料蓬松且具有大量微孔的结构，有助于滤料拦截尘埃颗粒和容尘，同时良好的渗透性保证了气体的流通。芳纶滤料适合在高温、无酸、含水较少的工况中使用，广泛应用于水泥窑头、窑尾的烟气过滤。

1.4 玻璃纤维滤料

玻璃纤维具有良好的绝缘性、耐热性、抗腐蚀性和力学强度，是高温滤料中用量最大的纤维原材料之一[19]。玻璃纤维滤料基布分为短纤基布和长纤基布，其中短纤包括普通玻璃短纤和纯无碱玻璃纤维。2018年我国玻璃纤维总产量约为450万 t，市场价约为普通玻璃短纤9 000 元/t、纯无碱玻璃纤维11 000元/t[20]、玻璃纤维长纤基布4.6～8.0 元/m2。玻璃纤维针刺毡主要通过覆膜技术与PTFE膜复合形成具有易清灰、耐磨、耐折、高强等特点的高温滤袋，烟气过滤后的颗粒物排放浓度可达5～10 mg/m3，因此玻璃纤维滤料主要用于水泥窑头、窑尾的烟气过滤。

1.5 P84聚酰亚胺滤料

P84聚酰亚胺纤维是一种阻燃且耐温稳定的纤维材料，其截面为不规则叶片状。由P84聚酰亚胺纤维制备的滤料的最高耐受温度可达260 ℃，常用于钢铁高炉、玻璃胶化、烘干过程中的过滤[21]，目前市场价约为16.5万～17.0万元/t。P84聚酰亚胺不耐酸碱且易于水解。当使用P84聚酰亚胺滤料时，需对废气进行一定的脱硫前处理，以降低氮氧化合物、硫氧化合物以及含氧和含水量等。P84聚酰亚胺纤维常与其他纤维混合，可充分发挥各类纤维的优点。例如：氟美斯(FMS)是由玻璃纤维针刺毡基布与P84纤维制备而成的，其滤料层紧密，纤维间缠结作用较强，适用于过滤风速高的特殊工况[15]；80%的PTFE纤维和20%的P84聚酰亚胺纤维混合制得的针刺非织造材料可用于过滤石油焦玻璃产生的烟气。

1.6 亚克力滤料

亚克力纤维是聚丙烯腈类纤维中的一种，其外观呈圆形或八字形，表面光滑，亚克力纤维具有更高的抗热性能，同时抗化学腐蚀、耐水解及耐光照性优异。近年来，我国亚克力滤料以引进东洋纺的亚克力纤维为主，年进口量为7 000～8 000 t，而国产亚克力纤维的产能基本为零。凭借亚克力纤维独特的性能，亚克力滤袋被广泛用于陶瓷工业及含水率高的工况环境。

1.7 涤纶滤料

非织造用涤纶纤维主要有普通型、高收缩型、双组分型、低熔点黏结型、阻燃型、远红外型等。滤料中的涤纶纤维主要为普通型涤纶，熔点约为260 ℃，瞬时工作温度可达150 ℃[22]，市场价约为8 700元/t[23]。涤纶纤维滤袋具有耐酸、耐碱、耐磨的特点，其毡类滤材在常温下具有良好的过滤清灰功能，因此被广泛应用于常温空气过滤领域。

1.8 高温烟气滤材加工成型技术

我国在高温烟气过滤领域的研究起步较晚，1970年开发了玻璃纤维和涤纶纤维的机织高温滤料。此后，过滤材料的成型方式也由原来的机织成型逐步转化为以针刺、水刺等非织造技术为主的新一代快速、环保的加工成型技术。PPS、PTFE、玻璃纤维、P84、涤纶纤维的针刺滤料及其混合纤维的针刺滤料已被广泛应用于高温环保滤料领域。针刺高温滤料所采用的加筋基布分为经编基布和机织基布两类。经编基布由于其特殊的线圈结构(见图1)，伸长性良好，具有较好的针刺低损伤效果。利用水刺技术成型的高温烟气滤材的纤维原料包括PPS、涤纶、涤纶/锦纶6双组分纤维等。对于高温烟气滤材的加工技术而言，水刺成型技术与针刺成型技术的产品风格不同、生产速度不同，生产能耗也存在较大差别。从能耗方面考虑，水刺工艺的电耗能、水耗能较大，相比之下，针刺成型技术更为环保且成本较低。

2 高温烟气滤材的后整理技术

2.1 烧毛整理技术

烧毛整理可除去非织造材料表面的绒毛并形成一定的纤维间熔结，从而获得表面光洁的非织造材料。由于整理过程中非织造材料与烧毛用的金属辊表面接触时间较短，因此既可有效烧去非织造材料表面的绒毛或熔结绒毛，又不会使非织造材料燃烧受损。

近年来，研究人员发现经烧毛-轧光整理的非织造材料具有更好的高温过滤效果，如涤纶、玻璃纤维、聚苯硫醚等多种纤维原料的针刺非织造材料通过上下轧辊烧毛-轧光整理后，针刺非织造材料的孔径减小，纵横向强力基本不变，但滤效高达99.99%[24-26]。对高温滤料进行烧毛处理可改善滤料的表面光滑度、平整度以及厚度均匀度，有利于清灰，且孔径减小后粉尘不易进入滤料深层，明显提高了滤料的使用寿命及过滤效果。

2.2 涂层整理技术

非织造涂层是在非织造基材上均匀地涂覆高分子聚合物或其他功能性物质，涂层后可在非织造基材表面形成一层连续且具有特殊功能性的膜[27]。这种涂层复合材料不仅具有非织造材料原有的特性，还增加了表面涂层赋予的功能。一般而言，非织造材料起骨架作用，为材料提供力学性能，而涂覆层提供材料的功能性。

PTFE乳液涂层剂是一种理想的功能性涂层剂[28]。Park等[29]采用PTFE乳液对PTFE/玻璃纤维复合滤料进行发泡涂层整理，在过滤速度为3 m/min，初始压降为35.29 Pa，除尘频率为6.5 m3/ h，最大压降为980.29 Pa的条件下，复合滤料的过滤性能较好。杜林娜[30]利用PTFE发泡涂层在纤网表面形成“微孔”，采用PTFE对易受空气氧化的PPS进行浸渍涂层，可有效提高非织造材料的抗氧化性、耐磨性以及拒水性。卢英俏[31]通过在PTFE涂层剂中添加一定的黏合剂和水性环氧树脂对涂层的配方进行改进，并将其用于PPS过滤材料表面涂层，结果表明，经PTFE复合涂层剂整理后PPS滤料的表面形成了连续的薄膜，减缓了过滤过程中高温气体对PPS滤料的氧化作用，降低了其对PPS滤料的损害，使滤料的力学性能得到较好的保持。

2.3 覆膜整理技术

随着近年来人们环保意识的增强和国家环保政策的不断加强，目前新建企业，江浙沪等地区要求工业烟粉尘排放量低于10 mg/m3。单一的过滤基材无法达到此要求，研究发现覆膜工艺可有效提高环保滤料的过滤效率和精度。PTFE微孔膜具有良好的抗氧化和耐高温抗腐蚀性，该膜可在滤料表层形成分布均匀且孔径小的过滤面，能够提高滤料的高温除尘效率，且具有易清灰、使用寿命较长的特点[32]。目前，高温环保滤料企业的产品中，约70%都为PTFE覆膜滤料。按厚度分，PTFE膜可分为薄膜(2～3 μm)和厚膜(8～10 μm)两种；按耐温范围分，可分为常温膜和高温膜，常温膜一般为薄膜，用于过滤要求烟粉尘排放量低于10 mg/m3的环境，而高温膜一般为厚膜，用于过滤要求烟粉尘排放量低于5 mg/m3的环境。

目前，覆膜工艺主要有胶黏法和高温热压法[33-34]。胶黏法通过在基布表面涂上一层较薄的黏合剂，使薄膜与基布覆合。由于黏合剂在高温下易融化，将堵塞薄膜上的微孔，导致滤料透气性下降。高温热压法不使用黏合剂，其在高温下将薄膜与基布热压复合，透气效果优于胶黏法[32]。高温热压法覆膜的在线设备如图2(a)所示，复合过滤材料的上层为PTFE薄膜，下层为玻璃纤维针刺毡或PTFE等其他耐高温纤维毡。PTFE薄膜的表观形貌如图2(b)和2(c)所示。采用高温热压法将PTFE膜复合到高温过滤基布上是目前高温滤料市场中广泛使用的后整理方式。

高温热压法作为一种优良的非织造滤料覆膜方法，应用较为广泛。魏海眉等[34]将PET非织造材料基材与PTFE微孔膜进行高温热压复合，有效提高了覆膜滤料的过滤效率。但高温热压法无法将传统的PTFE薄膜与基布紧密地黏结在一起。为提高PTFE薄膜与基布的黏结强度：林茂泉[35]将经γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)表面改性整理的PTFE薄膜与玻璃纤维机织布进行覆膜，改善了玻璃纤维基布PTFE薄膜的黏结效果；Wang等[36]利用高锰酸钾和硝酸的混合溶液对PTFE薄膜进行化学改性，增加了PTFE微孔膜表面的亲水基团，提高了PTFE微孔薄膜的黏结性和亲水性。

2018年国内PTFE膜用量约为109m2，市场价为3～5 元/m。PTFE覆膜技术的关键点包括：覆膜基材的性能及表观性能；膜材料的性能控制，涉及PTFE原材料质量、基带质量以及成膜后的拉伸性能；膜与非织造材料之间的复合技术，涉及加工过程中温度、速度以及压力等工艺参数。

2.4 功能性整理技术

Dai等[37]研究表明，以PE/PP双组分纤维为原料，通过撒粉装置将具有降解催化功能的MnO2纳米晶体喷洒入梳理成型的纤网，经同步固化和静电驻极后整理制备集高效、低阻、过滤、高温催化功能于一体的非织造过滤材料，结果表明，所制备的过滤材料的滤效、滤阻和品质因子分别为72%、54 Pa和0.22 Pa-1，甲醛降解率达100%。Su等[38]基于静电纺聚丙烯腈纤维集合体与电喷雾TiO2分散液的反向集聚，制得纳米颗粒与超细纤维均匀复合的层次结构材料，结果表明，该材料将甲苯降解并转化为CO2的效率接近100%。针对有机挥发类物质的过滤，Yang等[39]基于在线复合的整理方法将混有纳米TiO2的聚乙烯吡咯烷酮溶液与聚酰胺酸溶液通过两个反向的喷丝管同步静电纺，待纤维膜成形后于80～400 ℃高温煅烧，获得力学性能良好的多功能光降解催化过滤聚酰亚胺非织造材料。非织造材料的高孔隙率[40-41]、可控的孔径分布[42]，以及与功能性纳米颗粒之间良好的结合效果促进了其在功能性过滤领域的应用。

采用表面化学改性或层层复合物理叠加工艺，将光降解催化剂以浸渍或涂覆的方式负载于纤维材料上[43]，赋予其对有毒或有害气体的降解性能，可避免有毒、有害物质的二次污染。常用的催化剂有两类：一是如MnO2、CuO、Fe2O3等金属氧化物，其通过催化氧化作用降解有毒物质；二是以TiO2为代表的半导体材料，其通过光催化作用降解特殊场合气体中的有毒、有害物质。目前常用Ag修饰TiO2，含有Ag修饰TiO2负载后纤维材料催化吸收光谱更宽，不再局限于382 nm的紫外光，可提高TiO2光催化效率[44]。

2.5 后整理技术分析

通过分析近年来高温烟气滤材后整理技术的最新研究进展并结合工厂的实际生产情况，得到上述4种后整理技术的优缺点，如表1所示。

表1 4种后整理技术的优缺点

3 存在的主要问题

我国高温过滤用纺织品行业近年来的发展稳步上升，但在纤维原料生产、加工成型、后整理及装备、功能化材料技术等方面仍存在薄弱点，主要体现为：PPS、亚克力聚合体原料国产化不足，目前仍需大量进口，制约了燃煤发电用、陶瓷工业用高温过滤材料的发展进程；热覆合装备精度不够，设备仍依赖引进，不利于我国滤料加工覆合领域的技术拓展；离线式100%滤效的PTFE滤料加工技术及装备有待研发，主要是开松与梳理过程中纯PTFE纤维静电大，阻碍了垃圾焚烧用滤料产品的加工效果；用于分解二噁英的滤料及装备研发不足，难以深化滤料功能性材料技术的研究[4]。

此外，高温滤料生产的智能化技术与装备、产品自主创新水平、后整理覆膜工业规模、产品生产标准体系方面仍有不足。智能化技术与装备不足：与国外先进成套滤料生产设备相比，我国滤料非织造材料设备的智能化元件、网络化车间管理体系严重不足，难以实现集聚数据可视化、在线监控、预防性维护及智能决策等功能的非织造设备智能制造与信息物理系统的融合。产品自主创新水平低：以中端或低端卷材为主，鲜有高档终端高温烟气过滤产品。后整理覆膜工业规模不足：主要以作坊形式存在，膜与过滤基材之间的工艺匹配性难以达到佳境，产品无法达到统一的高质量要求，阻碍我国覆膜后整理技术和工艺的发展进程。产品生产标准体系未建成：过滤用纺织品生产标准严重不足的问题较为突出，尤其是玻璃纤维针刺过滤材料生产车间缺乏完善的生产标准，难以确保生产安全。

4 我国高温烟气滤材发展战略思考

经济的蓬勃发展对我国高温烟气过滤材料生产技术提出了更高的需求，特别是滤料原料技术，规模化后整理技术，先进及智能化装备技术，以及安全、环保化工业生产技术。这些技术的发展与突破有望精准提升我国高温烟气过滤材料的档次，并扩大其在燃煤、重油燃烧、垃圾焚烧等烟气过滤领域中的应用。

(1) 在滤料原料技术方面，加强专用高温滤料原料的国产化技术，尤其是在量大面广的PPS聚合体滤料原料、亚克力聚合体滤料原料的国产研发技术上，突破生产技术瓶颈，开发出燃煤发电领域、高含水率工况用的高质量环保滤料。

(2) 目前，我国高温过滤非织造材料的后整理技术仍处于起步时期，PTFE覆膜整理的技术有待规范化、规模化，应进一步提高相应膜材料的质量把控等级，以提升高温过滤非织造材料在工况中的过滤精度和均匀度。

(3) 在先进装备技术方面，主要在覆膜后整理工艺中，提高国产热覆合专用设备的精度，减少对进口设备的依赖，自主研发高精度PTFE覆膜玻璃纤维滤料。在纯PTFE滤料的加工技术及装备上需要解决开松、梳理工艺中存在纤维自身摩擦产生大量静电的问题，力争从设备改进、技术优化两方面突破工艺瓶颈问题，从而解决离线式纯PTFE滤料的加工难题。此外，推进高温烟气过滤非织造滤料的生产装备从自动化向智能化的演变，加强非织造智能设备的自主开发及重点应用，建立滤料生产及整理过程中设备之间的联通及数据共享，结合装置工作状况感知系统，达到实时监控非织造设备状态的目标，推进非织造设备制造智能化，建立智能化、数字化的网络管理体系。

(4) 以环境问题较突出的玻璃纤维针刺高温过滤非织造材料生产为例，加工成型过程中产生大量的玻璃纤维扬尘，影响了生产一线操作人员的身体健康，同时也制约了玻璃纤维高温滤料的高速、绿色工业化生产进程。未来，需对玻璃纤维针刺设备及厂房进行定点吸尘、阻尘、排尘的多方位改进，并制定严格的生产标准，确保安全、环保的生产环境。

5 结 语

随着我国环保政策的不断加强，高温烟气过滤材料的性能要求也将不断提高，高质量、功能化、智能化、绿色生产的高温过滤材料终端产品将有着广阔的发展空间和较好的市场前景。攻克高温过滤非织造材料在滤料原料技术、加工成型与后整理技术、先进及智能装备技术、环保生产方面的关键技术问题，将推进高温过滤材料的技术进步与应用，有望进一步降低多领域高温工况中的粉尘排放，助力我国燃煤、重油燃烧、垃圾焚烧等工业的可持续发展，同时带来巨大的社会效益和经济效益。

6 致 谢

本文中的调研工作得到江苏阜宁过滤材料产业基地、中国环保产业协会袋式除尘委员会、江苏阜宁县委组织部、江苏阜宁县阜城街道、上海灵氟隆新材料有限公司、江苏东方滤袋有限公司、江苏蓝天环保集团有限公司、浙江天台县产业用布行业协会、浙江省产业用纺织品和非织造布行业协会、江苏省纺织工业协会等单位的大力支持，以及东华大学邢斌、马佳佳、徐欢、倪瑞燕等同学的帮助，在此一并致以谢意。