高温除尘用金属纤维滤料的性能研究

2022-05-11刘美玲沈敏超刘含笑陈招妹

发电技术 2022年2期

刘美玲，沈敏超，刘含笑，陈招妹

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江省诸暨市 311800）

0 引言

随着超低排放改造的完成，燃煤电厂的袋式/电袋复合除尘器改造告一段落[1-3]。高温布袋除尘在水泥、钢铁、垃圾焚烧、焦化、玻璃等行业，可以有所作为。高温除尘指的是260 ℃以上烟气气固分离技术[4]。高温除尘作为一项有广阔应用前景的新技术，在全世界范围内发展十分迅速。

目前常规袋式/电袋复合除尘器使用的滤材为聚苯硫醚(poly phenylene sulfide fibre，PPS)、聚四氟乙烯(poly tetra fluoro ethylene，PTFE)、聚酰亚胺(polyimide，P84/PI)等，最高耐温不超过240 ℃，瞬间高温为260 ℃；高温除尘由于运行温度高，对滤材的机械性能、热化学稳定性提出了更高的要求，而金属纤维烧结毡、陶瓷纤维、无机滤料能打破现有常规袋式/电袋复合除尘器使用滤料的耐温限制，做到耐高温、耐腐蚀且高精过滤[4-9]，并且在300 ℃及以上超高温气体中保持良好的性能[6-11]。在高温除尘滤材领域，国内很多高校和科研院所对玄武岩纤维、陶瓷滤料、金属滤料、玻璃纤维等进行了工艺性能及表面改性、多层结构复合方法的相关研究，但目前有成功运用案例和示范项目的，金属纤维滤料居多[6,9]。

本文采用滤料性能检测的方式，对比金属纤维滤料、常规针刺毡和PTFE 覆膜滤料的过滤性能，据此来分析金属纤维滤料的各方面性能特点。

1 滤料及工艺

1.1 金属纤维滤料

金属纤维的生产历史悠久，但是微米级金属纤维丝的技术到20世纪60年代才基本成熟。采用金属纤维制成耐高温的过滤材质的方法有2 种：一是普通织造法，通过金属纤维编织成滤网；二是通过无纺烧结的工艺，制成复合金属纤维滤料。本文测试用的金属纤维滤料为无纺烧结。

金属纤维滤料是采用直径为1～100 μm金属纤维，利用无纺工艺，结合高温烧结形成多孔滤材，滤料厚度约0.4～1 mm。最高使用温度为600 ℃，材质为耐高温、耐腐蚀性的不锈钢纤维，如304、316L、310S 等。由于金属纤维丝直径在微米级别，且全为贯穿孔，纤维滤料的孔隙率可高达80%以上，过滤性能远高于陶瓷滤料等其他耐高温滤料。此外，金属纤维表面光滑，易清灰；过滤性能稳定，无高温高压下粉尘穿透的情况发生；耐折性能良好，可承受较大的弯曲变形；可再生性能优良(发生糊袋后通过高压水枪清灰，可以重新投入使用)。

1.2 针刺毡滤料

常规针刺毡滤料都是在基布基础上，将蓬松的纤网进行针刺成型，并经过复杂的工艺流程，形成交错的三维结构，该结构有利于稳定粉尘层的形成，过滤和清灰后，不会存在直通空隙，从而保持稳定的过滤效率。

在常规针刺毡基础上将PPS、PTFE、PI/P84纤维按不同组合、不同比例、不同结构进行混纺，形成多种高强度耐高温、耐腐蚀混纺滤料；或者对针刺毡进行PTFE覆膜，在普通滤料表面覆一层PTFE薄膜，由于薄膜的作用，粉尘无法穿透，难以进入滤料内部，清灰时，由于薄膜不黏性及摩擦因数小，粉尘易脱落。

2 试验检测

2.1 试验样品

试验样品为浙江菲达环保科技股份有限公司电袋复合除尘器、布袋除尘器项目参与投标或中标的滤料。本次测试样如下：金属纤维滤料2个，面密度相同，为1 000 g/m2，厚度分别为0.78、0.63 mm，表面金属纤维直径稍有不同；普通PPS针刺毡试样2 个，面密度分别为533、600 g/m2，厚度分别为1.6、1.78 mm；PTFE覆膜针刺毡试样2 个，面密度和厚度都相同，分别为580 g/m2、1.8 mm。

2.2 试验方法

试验仪器为德国FilTEq 粉尘过滤效率测试系统FEMA 1。其工作原理如下：空气先进入竖向发尘管产生含尘烟气，粉尘在发尘器中通过压缩空气分散，将测试滤料暴露在稳定的粉尘和烟气流速中，以此模拟除尘器中滤料的“过滤-清灰”。在过滤的过程中形成粉饼，导致压降增加，差压传感器实时检测滤料前后压差的变化，一旦压差达到默认值，系统释放压缩空气脉冲清灰，之后滤料又重新过滤，如此周而复始。清灰掉落的粉饼和粉尘通过垂直气流进入垂直管道底部的粉尘收集器。

试样裁剪成直径为155 mm的圆形样品，试样流程参照德国机械工程师协会标准VDI3926—2004，进行过滤性能检测。

所有滤料的过滤性能检测按表1 流程进行，表2给出了基本试验参数[12-15]。

表1 检测流程Tab.1 Testing procedure

表2 试验基本参数Tab.2 Basic test parameters

3 试验结果与讨论

3.1 过滤性能

在滤料的动态过滤性能检测流程中，随着老化阶段的完成，滤料表面形成了稳定的粉尘层，各项性能指数趋于稳定，第4阶段的1 kPa定压喷吹，其测试数据最能体现滤料的过滤性能。FEMA 1 的基本原理是将滤料置于国际标准粉尘气流中，在常温条件下，通过反复的过滤—清灰过程来模拟现场条件下袋式除尘器的除尘工艺。通过试验，可得到滤料的过滤效率、排放浓度、残余阻力和清灰周期等。

图1 为各滤料排放浓度，图1(a)为老化前滤料的排放浓度，可以看出，金属纤维滤料的初始排放浓度相对其他滤料而言，偏高50%以上，测试第一阶段，是洁净滤料形成粉尘初层的过程，而覆膜滤料的过滤机制是“表面过滤”，针刺毡表面的PTFE 薄膜相当于起到了“一次粉尘层”的作用，故此阶段，覆膜滤料的初始排放浓度低。

图1 各滤料排放浓度Fig.1 Discharge concentration of each filter material

图1(b)为老化后滤料的排放浓度，可以看出，经过老化，粉尘初层形成，滤料开始稳定地进行“过滤-清灰-过滤”循环，粉尘排放浓度较老化前大幅降低，特别是1、2号滤料，出口排放浓度降低了90%以上；而常规PPS 针刺毡基本上保持了一个较为稳定的出口排放；PTFE覆膜滤料的排放浓度稳中有降；总体来说，老化后滤料的排放浓度都低于0.1 mg/m3。一般而言，在相同情况下，清灰次数越多，或者清灰周期越短，滤料排放浓度会越高。

清灰周期是评估滤料性能的一个重要指标，关系到袋式除尘器的运行费用。从上一次清灰结束后算起，滤袋开始过滤，直至定压清灰完成一个循环，2次清灰之间的时间间隔即为清灰周期。各滤料的清灰周期如图2 所示。可以看出，金属纤维滤料的清灰周期比常规PPS 针刺毡多1 倍以上，与针刺毡覆膜滤料基本上持平。就清灰周期来说，金属纤维滤料的性能已经是优良以上，清灰周期最长为450 s；而在实际工况运行条件下，除尘器由于过滤速度较低(相对于实验室2 m/min的过滤风速)，清灰周期一般都有数十分钟，实验室试验测试的清灰周期远小于现场工况条件下的清灰周期。

图2 各滤料的清灰周期Fig.2 Cleaning cycle of each filter material

每个周期清灰后，剩余的压差称为残余阻力。各滤料残余阻力对比如图3所示，残余阻力越高，除尘器运行费用越高。优质滤料的残余阻力低，清灰周期长。金属纤维滤料残余阻力最高为400 Pa，最低为320 Pa；普通针刺毡滤料残余阻力平均为350 Pa左右；针刺毡覆膜滤料残余阻力一般为320 Pa左右。总体而言，3种材质滤料的残余阻力偏差不大。

图3 各滤料的残余阻力Fig.3 Residual resistance of each filter material

3.2 结果分析

为了解金属纤维滤料的性能，将金属纤维滤料的过滤性能与普通针刺毡滤料和PTFE覆膜滤料的过滤性能进行比对，结果表明：金属纤维滤料老化前排放浓度为0.5 mg/m3左右，经过老化阶段，排放浓度降为0.01 mg/m3；金属纤维滤料清灰周期长，约为常规针刺毡滤料清灰周期的2倍；金属纤维滤料的残余阻力低，经过老化阶段，其值约为350 Pa，与常规针刺毡、覆膜滤料的残余阻力基本一致。总而言之，测试用金属纤维滤料性能良好，完全能满足高温除尘的性能要求。