燃煤电厂用耐高温滤料的研究与应用前景分析

2021-06-02陈昊光马恩群

玻璃纤维 2021年2期

陈昊光，周诚，马恩群，魏涛，张剑

（南京玻璃纤维研究设计院有限公司膜材料公司，南京 210012）

0 前言

国家环境部和质检总局于2011年联合发布了GB 13223-2011《火力发电厂大气污染物排放标准》，并于2012年1月1日起正式实施，对新建燃煤电厂烟尘排放浓度要求由2003年的50 mg/Nm3限值下调至30 mg/Nm3的限值，重点地区要求为20 mg/Nm3。并且自2014年7月1日起，现有的燃煤电厂排放标准也需按新标准执行，而某些地方排放标准甚至达到了更低数值的超低排放或超净排放要求。

袋式除尘技术作为微细粒子高效捕集的手段，有力地支持了国家更加严格的环保标准［1］，近年来针对该排放标准，新建燃煤电厂大多直接选用袋式除尘系统，并且老燃煤电厂也逐步实施了电改袋项目。燃煤锅炉烟气成分主要包括烟尘、二氧化硫、氮氧化物及其它腐蚀性气体等，我国燃煤电厂煤质较为复杂且品质普遍不高，燃烧产生的烟气成分更为复杂且含硫量高，对袋式除尘器的核心部件——滤料的综合性能要求较高。综上所述，燃煤电厂行业的低排放标准的实施对滤料的高效率、长寿命提出了严苛要求［2］。

材料的发展迎来了行业技术革新的契机，对高温袋式除尘而言，滤料被视为其心脏，过滤材料由最初的玻璃纤维制品逐步发展至玻纤、化纤复合制品及纯化纤制品，因燃煤锅炉行业除尘烟气的腐蚀性特征，目前无碱玻璃纤维无法满足耐酸需求，而抗腐蚀性高的 ECR 玻纤也因价格高、产量低、稳定性不佳的问题也未能大量用于燃煤电厂的除尘。因此，各种耐温效果好、耐化学腐蚀性能强的化学纤维走向燃煤电厂除尘的舞台。

1 耐高温化纤介绍及电力行业滤料选型

1.1 高温除尘滤料化学纤维介绍

1.1.1 PPS 纤维

PPS（聚苯硫醚）是1种对位苯环与硫原子交替连接的长链、热塑性高分子材料，最早由美国Phillips 石油公司在1973年实现工业化生产，作为一种性能优异的特种工程塑料，在环保、国防军事、汽车、化工、制药等领域得到了广泛应用。因 PPS具有耐高温、阻燃和耐化学腐蚀的特性，近年来其纤维制品在高温烟尘过滤领域所占的市场份额快速增长，但其易氧化的特点限制了实际应用［3］。PPS纤维具有优异的耐酸碱、耐水解、耐阻燃性能、优良的机械性能以及较高的性价比，由其加工的过滤材料是目前燃煤电厂行业除尘的首选滤材，然而，PPS制品的抗氧化性较差，其分子上的 C—S 键在高温含氧条件下容易发生键的断裂并引起氧化交联反应，从而导致滤料强度降低，严重的甚至导致滤料的脆化或破损，影响在燃煤电厂的使用性能和工作寿命，进而又制约了 PPS 滤料在高温烟气除尘领域中的应用［4，5］。

1.1.2 PTFE纤维

PTFE（聚四氟乙烯）由美国科学家罗伊·普朗克特在1936年某天做实验时无意中制得从而面世，并在1945年由杜邦公司进行了批量生产，PTFE 是由四氟乙烯单体聚合而成的聚合物，由于 C—F 键键能极高，从而有极佳的耐化学腐蚀性，能够承受几乎所有的强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂及各种有机溶剂，并能长期在-180~260 ℃的条件下使用，因而有“塑料之王”的美称。各项的优良性能使得PTFE 的纤维制品能够广泛用于高温除尘滤料行业，尤其是燃煤电厂及垃圾焚烧等烟气组分复杂、工况条件恶劣的行业。由于 PTFE 纤维表面极为光滑，对于粉尘的拦截能力较低，因此作为除尘滤料普遍会与其他耐高温纤维进行混纺或覆一层膨化聚四氟乙烯（e-PTFE）膜。

1.1.3 芳纶纤维

芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维）是1种非常重要的特种纤维，其分子结构是酰胺基团和苯环交替规律的出现，根据出现的位置不同分为间位芳纶（我国称之为芳纶1313）和对位芳纶（我国称之为芳纶1414）。芳纶最初作为宇航开发材料和重要的战略物资而鲜为人知。冷战结束后，芳纶作为高技术含量的材料大量用于民用领域，才逐渐露面并为人所知。间位芳纶突出的优点是耐热性好、阻燃和耐腐蚀性，能耐大多数酸的作用，但长时间和盐酸、硝酸或硫酸接触，强度会有所降低，除不能与强氧化钠长时间接触外，对碱的稳定性较好。但是，其高温尺寸稳性较差，沸水收缩率为3%，在300 ℃热空气中的收缩率高达8%［6］。芳纶纤维因其较好的耐高温性及超高的耐磨性广泛用于高温除尘领域，特别是水泥行业的窑头、窑尾的除尘。

1.1.4 PI 纤维

PI 纤维（聚酰亚胺纤维）是综合性能非常优异的高分子材料，分子内含有十分稳定的芳杂环结构，材料具有超高的耐温性和机械强度以及较好的耐化学性能，最早由奥地利兰精公司开发，商品名“P84”，其生产的聚酰亚胺纤维截面呈特殊的“三叶型”结构，有很强的拦截粉尘的能力，因此主要用在除尘滤袋中。但一直以来，由于聚酰亚胺产业化的过程受到工艺、开发资金等各种阻碍，使得聚酰亚胺纤维的发展步履维艰，也就造成市场上聚酰亚胺纤维一直处于较高的价格。直到2010年，长春高琦聚酰亚胺材料有限公司才实现聚酰亚胺纤维的产业化生产。到目前为止，聚酰亚胺纤维在国内的生产已初具规模［7］。

1.2 燃煤电厂行业用滤料选型

1.2.1 使用寿命的考量

燃煤电厂的烟气温度一般运行在120~180 ℃之间，瞬时温度高的一般不超过200 ℃，上述几种耐高温化学纤维的耐温需求均能满足，如表1。因芳纶纤维本身的耐酸性特别在高湿状态的抗酸性较其他3种纤维差，一般不适合用于燃煤电厂。

表1 滤料用耐高温化纤性能对比

PTFE 纤维因其“塑料之王”的本质，耐化学腐蚀、抗氧化性等各项性能均十分优异，是燃煤电厂除尘的理想材料，但纯 PTFE 滤料因纤维束表面过于光滑而不利于粉尘的拦截，并且由于 PTFE 纤维的比重过大、易产生静电等特性，在滤料无纺加工过程中的持续稳定存在一定难度。

PI 纤维的生产因技术含量高、产能低等问题使其市场价格一直居高不下，因此滤料的性价比较低而不常用，除非工况运行温度持续180 ℃以上。而近年来燃煤电厂的实际烟气温度呈现下降趋势，PI 纤维因此也很少用于燃煤电厂。

PPS 纤维虽然有很强的耐化学腐蚀性，但抗氧化性较差，适合于含氧量不高于15%的工况，在160 ℃运行的 PPS 纤维含氧量基于8%（Vol）、NO2小于15 mg/m3可以长期使用，若氧含量达到12%以上建议温度降到40 ℃运行。总之，含氧越高，使用的温度就要越低，因每增加10 ℃，化学反应成双倍增加，据澳大利亚电厂运行经验，烟气含氧大于15%时 PPS的耐氧性差，烟气含氧小于10%时能长期使用［8］。

因此，为保证滤料的使用寿命、减少更换频次及降低工况的维护成本，以及综合性价比的考量，滤料在燃煤电厂行业的除尘优选 PPS 纤维复合PTFE 纤维加 PTFE 基布混纺的方案。在该方案中PPS 纤维弥补了 PTFE 纤维表面光滑不利于拦截粉尘及无纺加工不顺的缺点，而 PTFE 纤维则弥补了PPS 纤维抗氧化性差及尺寸稳定不佳的缺点，两者相辅相成、相互补缺，经研究与实际应用，两者配比为5∶5的方案，几乎能适应目前所有燃煤电厂的烟气成分，且使用寿命达到4年或以上。

1.2.2 低排放要求的考量

通过市场的历史应用案例，常规 PPS/PTFE 混纺滤料能够满足30 mg/Nm3的排放需求，却无法保证20 mg/Nm3的排放要求。对于业内而言，主要方法是在滤料面层添加超细 PPS 纤维形成“海岛”式结构，更细的纤维层足以捕捉更细的粉尘，另外，便是中材科技开发并批量应用的——PPS 混纺滤料与e-PTFE 膜相结合形成的表面过滤材料。

1.2.2 .1 PPS超细化纤滤料

常规 PPS、PTFE 纤维细度约为2D，而超细 PPS纤维直径为常规的一半，在面层适量的添加使得滤料迎尘面拥有更小的孔径及更高的孔隙率，如图1，滤料的过滤精度得以进一步的提高，其技术路线如图2所示。

图1 PPS超细化纤滤料结构图

图2 PPS超细化纤滤料生产流程

1.2.2 .2 PPS混纺覆膜滤料

就覆膜滤料而言，薄膜是滤料的核心，e-PTFE膜的存在使得滤料的除尘机理由深层过滤转化为表面过滤，e-PTFE 膜是通过双向拉伸等复杂工艺制得，拥有 PTFE 材料本身所有的优良特性，并且经过膨化后的 PTFE 呈多层网状结构，如图3，其厚度约10μm，平均孔径只有1μm，比超细纤维滤料的孔径还要低1~2个数量级，对 PM2.5的去除效果十分理想［9，10］。

PPS 混纺覆膜滤料的技术路线如图3、4所示。

图3 e-PTFE薄膜

图4 PPS混纺覆膜滤料生产流程

PPS 混纺滤料基材是长寿命的保证，而 e-PTFE膜则是高精度的保障。两者稳定、牢固结合的同时兼顾覆膜滤料的透气性是该滤料制备的难点。

2 除尘效率测试

2.1 实验部分

2.1.1 试验样品

分别取试验样品 PPS 超细化纤滤料和 PPS 混纺覆膜滤料，其基本性能参数如表2。

表2 滤料基本性能数据对比

2.1.2 过滤性能表征

滤料的过滤性能主要由排放浓度、过滤效率、残余压差、清灰周期几项指标表征，本实验根据 ISO 11057:2011《空气质量过滤器中滤料过滤性能的测试方法》，采用德国 FilTEq 公司生产的 VDI 粉尘过滤测试系统，对滤料的动态除尘性能进行测试，试验设备示意图如图5，检测条件如表3。

图5 VDI测试装置示意图

表3 VDI测试条件

2.2 试验结果与讨论

通过2种滤料的测试对比（表4），PPS 混纺覆膜滤料的排放浓度和过滤效率明显优于 PPS 超细化纤滤料。PPS 超细化纤滤料的初始压差为25.2 Pa，而清灰30个周期后残余压差为45.2 Pa，增加了79.4%，如图6。PPS 混纺覆膜滤料的初始压差为114 Pa，而清灰30个周期后残余压差为147 Pa，增加了28.9%，如图7。可看出 PPS 超细化纤滤料虽然起始压差低但过程阻力上升速度较快，说明在除尘过程中产生了二次粉饼层，而 PPS 混纺覆膜滤料初始压差高，但由于是表面过滤，清灰效果佳，因此阻力上升较慢，从平均残余压差也能看出该趋势，而两者的平均清灰周期相当。

表4 滤料除尘测试数据

图6 PPS超细化纤滤料残余压差

图7 PPS混纺覆膜滤料残余压差

3 应用案例

2015年底至2016年初，山西地区三家燃煤电厂分别进行了除尘改造项目，均使用了南京玻纤院的 PPS 混纺覆膜滤料，其除尘项目信息如表5，经过项目的实施，均能达到设计的5 mg/Nm3及10 mg/Nm3的烟尘排放浓度要求。目前项目已经运行4年左右，经回访测试，工况运行良好，滤袋没有损坏的现象，运行压差均保持1200 Pa以下，烟尘排放浓度依旧达标。