工业高温除尘用金属滤料的性能分析

郑智宏，陈建文，张静云，程璇

（1.厦门大学材料学院，福建 厦门 361005；2.厦门中创环保科技股份有限公司，福建 厦门 361101；3.福建省袋滤材料与技术重点实验室，福建 厦门 361101；4.厦门市袋滤材料与技术重点实验室，福建 厦门 361101）

近几年随着国家对烟尘排放要求不断趋严，整体上烟尘污染问题已有明显改善，在这期间，袋式除尘器在水泥、电力、钢铁、垃圾焚烧等高污染行业的烟尘治理中发挥了举足轻重的作用，实际应用过程中，多个项目均能实现超低排放，其烟囱监测点烟尘排放浓度可以达到10mg/m3以下，有些甚至可以达到5mg/m3以下[1-4]。

袋式除尘器能够很好控制粉尘达标排放，而滤料是袋式除尘器的“心脏”。以聚苯硫醚（PPS）、聚四氟乙烯（PTFE）和芳香族聚酰胺（MX）等纤维为原料制成的滤袋，具有优良的耐温性、耐腐蚀性、耐氧化性及极佳的过滤性能，但在实际应用过程中，袋笼摩擦、粉尘气流冲刷、过滤失效、超温运行等情况也屡见不鲜[5-7]。针对超温运行问题，当前行业内的研究重点是根据设计运行温度选择滤袋材质，或者通过余热回收、喷水降温等措施降低进入袋区的烟气温度，这些措施目前在一定程度上可以减少滤袋破损失效情况的发生，但在锅炉、回转窑等设备发生异常时，烟气运行温度远超设计值，滤袋极易在高温环境下受热损伤甚至破损失效。如图1 所示，化纤滤袋在超温和含有火星环境时被烫伤、穿烧，纤维熔融，造成滤袋破损失效，造成除尘器粉尘排放超标，从而导致停机停产的不良后果。

图1 化纤滤袋在超温环境中被烫伤破损的外观

常规化纤滤料使用温度一般低于260℃，而目前工业除尘领域适用于300℃以上的高温材料主要有金属滤料和陶瓷滤筒，金属滤料是金属纤维或者金属粉末经特殊工艺制作成的具有微孔结构的过滤毡。作为一种新型功能型材料，相对PPS、PTFE 和MX 等高温过滤材料，金属滤料具有孔径均匀、过滤精度高、无脱落、耐有机溶剂、耐腐蚀、耐高温等优异特性，使用温度可达400℃以上，采用铁铬铝材质的金属滤料使用温度更是可以达到1000℃[8-10]。可以说，金属滤料的出现极大地拓宽了工业除尘用滤料在高温除尘领域的使用范围，对于运行温度超过260℃的工况，金属滤料可以很好地替代普通化纤滤料，在没有采用降温措施的情况下即可直接进行除尘。

金属滤料使用过后依然具有较好的回收利用价值，而行业内对于金属滤料的实际应用情况研究较少，本文通过对金属滤料全方位性能的实验研究，分析其在高温工业除尘领域使用的优势，以期为金属滤料的应用提供技术参考[11]。

1 实验研究

1.1 实验仪器

YG026C 电子织物强力机、BSM402.3 电子天平、YG461E-III 全自动透气量仪、PSDA-20 孔径分析仪、1-AT 型VDI 滤料模拟测试装置。

1.2 常规性能

如图2—图4 所示，金属滤料有金属纤维毡、带护网金属纤维毡和金属膜毡等多种结构。可根据实际工况粉尘理化特性、处理烟气量、烟温等信息进行筛选，选取合适的金属滤料进行过滤除尘。

图2 金属纤维毡图

图3 带护网金属纤维毡图

图4 金属膜毡图

下表为三种结构金属滤料的常规性能。由下表可知，不同结构金属滤料的常规性能差异较大，但是随着滤料本身单位面积质量的增加，其厚度和断裂强力也呈现上升的趋势，平均孔径则呈现减小的趋势，推测这是由于单位面积质量增加，导致滤料本身纤维量增加，其纤维间的缠结呈现更致密的发展趋势，过滤孔径也更小，这也是金属纤维毡、带护网金属纤维毡、金属膜毡透气量下降的原因。同时，由下表中数据可知，金属滤料的单位面积质量、厚度、透气量及断裂强力的变异系数（CV）值保持在相对较低的水平，这也说明了金属滤料具有均匀性好的特点。

1.3 耐温性能

由于环保排放有要求，燃煤锅炉、水泥窑等烟气一般均需要预先进行脱硝处理方能达标排放，如果在脱硝前预先去除大部分粉尘，则能极大减少粉尘杂质对脱硝效率的影响，即可在较高的温度窗口（360℃—410℃为宜）同步进行脱硝除尘，进而有效提高脱硝效率[12]。为模拟脱硝高温环境，将规格为2cm×10cm 的试验样品置于高温烘箱中，在450℃条件下热处理24h 后观察其表观变化情况。如图5 所示，样品经高温处理后，外观颜色轻微变为淡黄色，但金属滤料外观结构并未出现明显变化，这说明金属滤料可以很好适应脱硝过程的高温环境。

图5 经高温处理前后的样品图

金属滤料常规性能

1.4 耐腐蚀性能

燃煤锅炉、钢铁、水泥窑、垃圾焚烧等粉尘具有一定的酸碱腐蚀性。实验室检测时，参照《袋式除尘器技术要求》（GB/T 6719—2009）滤料耐腐蚀检测条件模拟实际工况的腐蚀环境[13]，对规格为2cm×10cm 的样品进行试验。如图6、图7 所示，样品经碱处理后，外观颜色和结构无明显变化，而样品经酸处理后，酸中的氢离子被金属离子取代，发生了氢离子去极化腐蚀反应，金属滤料外观颜色变黑，而且由于受到强烈腐蚀作用，整块滤料破损严重，表层金属纤维已几乎腐蚀脱落。这说明金属滤料能够很好适应碱性工况但不能在酸性较强的工况环境中使用，因为会被酸性环境腐蚀，造成粉尘排放超标。

图6 经碱处理后的滤袋样品图

图7 经酸处理后的滤袋样品图

1.5 阻燃性能

除尘器在运行过程中，生物质锅炉烟气易夹杂火星、明火等进入滤袋区，造成滤袋被烫伤、穿烧，导致除尘器粉尘排放超标，从而停机、停炉。本试验对规格为2cm×10cm 的样品进行火焰阻燃试验。如图8 所示，将金属滤料置于火焰上灼烧30s，移除火焰后，其外观被熏黑，但外观结构依然保持完好。对化纤滤料（如PPS）进行同样的试验，在其外观被熏黑的同时出现了滤料收缩、破损现象。据此可知，金属滤料具有优异的阻燃性能，当烟尘中含有火星或明火时，金属滤料能够很好适应该工况，避免滤袋因烫伤、烧穿而出现破损失效的不良后果。

图8 滤料阻燃实验

1.6 过滤性能

在喷吹气流进入滤袋净气面瞬间产生强大的反作用力以及滤袋快速膨胀变形的双重作用下，滤袋表面的粉尘脱落从而实现清灰。图9、图10 为金属滤料和化学覆膜滤料的过滤性能测试结果。在同等试验条件下，化纤覆膜滤料较金属滤料更为柔软，清灰时产生膨胀变形的幅度更大，粉尘更容易剥落，清灰效果更优，运行阻力低，也更为平稳。对于同样的金属滤料而言，透气量越大，清灰时从净气面透到迎尘面的气流量就更大，粉尘相对容易剥落。金属纤维毡相较于金属膜毡，老化阶段的阻力上升幅度及最终残余阻力均较低，这是因为金属纤维毡表面增加了一层护网，阻碍了清灰时粉尘的脱落。

图9 压力损失随过滤时间变化图

图10 不同滤料过滤效率图

2 结语

（1）金属滤料耐碱性能优异，但是耐酸性稍弱，在实际应用中，应避免金属滤料在酸性较强的工况环境中使用。

（2）金属滤料具有极佳的阻燃性能，对于烟尘中含有火星或明火的恶劣工况具有很好的适应性。

（3）不同结构的金属滤料的过滤性能有差异，可根据不同的工况、排放要求进行科学选型，以满足粉尘排放要求。从实验数据来看，金属膜毡具有和化学覆膜滤料相当的过滤效率，但是残余阻力和清灰周期等过滤性能均较差，建议可以从金属滤料的透气性、柔韧性等方面进行优化，以获得更优的过滤性能。

（4）金属滤料生产成本及运输成本高，目前还未进行大规模推广应用。从实验研究结果来看，金属滤料具有耐高温、耐碱腐蚀、阻燃性佳等优异的特性，具有较好的应用前景。化纤滤料的相关标准体系较为完备、成熟，对于化纤滤料的应用可起到很好的指导作用，但是金属滤料的标准体系还不完备，应加强技术研究并制定相关的国家或者行业标准，规定金属滤料的克重、厚度、透气性及拉伸强力等关键指标，同时进行实际应用效果跟踪，更好地为金属滤料工程应用提供技术参考。