白 媛 馬新安 楊家密

(陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038)

1 背景

隨著資源、能源耗費(fèi)大，且污染嚴(yán)重的重工業(yè)迅速發(fā)展，我國(guó)已成為原煤、鋼鐵、水泥和化纖生產(chǎn)第一大國(guó)，電力、有色金屬和化肥生產(chǎn)第二大國(guó)[1]。2016年，我國(guó)工業(yè)煙塵排放量已超過(guò)8×106t，主要來(lái)自煤炭、鋼鐵、水泥等。由此引起的空氣污染物排放問(wèn)題也受到了國(guó)家的高度重視，環(huán)保部門(mén)對(duì)鋼鐵行業(yè)、有色冶金行業(yè)、水泥行業(yè)以及火力發(fā)電、垃圾焚燒和瀝青攪拌等行業(yè)的高溫?zé)煔獬龎m要求越來(lái)越嚴(yán)格，排塵濃度標(biāo)準(zhǔn)已由原來(lái)的200 mg/m3提高到30 mg/m3～50 mg/m3，有些地方甚至要求控制在20 mg/m3～30 mg/m3，電除塵已難以達(dá)到要求。袋式除塵具有超高的除塵效率，實(shí)際應(yīng)用中除塵效率可達(dá)99.99%。粉塵排放濃度達(dá)到10 mg/Nm3以下，有的甚至達(dá)到1 mg/Nm3，基本上達(dá)到零排放[2]。而且粉塵比電阻、煙氣成分、煙氣量等對(duì)除塵效率影響較大的因素對(duì)袋式除塵器的除塵效率影響甚微[3]，因此，作為細(xì)微粉塵排放控制的有效手段，袋式除塵器已被廣泛應(yīng)用于20多個(gè)行業(yè)，使用比例達(dá)60%以上，部分行業(yè)達(dá)到100%。其中，水泥行業(yè)袋式除塵使用比例已達(dá)80%左右，鋼鐵、有色行業(yè)袋式除塵使用比例已達(dá)95%左右，城市生活垃圾焚燒發(fā)電、固體廢棄物和醫(yī)療廢棄物焚燒行業(yè)，使用比例已經(jīng)達(dá)到100%，電力行業(yè)袋式除塵應(yīng)用比例也將突破20%，未來(lái)還有很大開(kāi)發(fā)空間。過(guò)濾材料(以下簡(jiǎn)稱濾料)作為袋式除塵的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到除塵器性能。

2 除塵濾料的性能要求及發(fā)展進(jìn)程

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》中要求，濾料的濾塵性能必須大于等于99.5%，防靜電濾料靜電半衰期必須小于1 s，濾料的耐腐蝕性能必須大于等于95%，淋水等級(jí)應(yīng)大于等于4級(jí)，疏油性應(yīng)大于等于3級(jí)，陰燃性濾料在火焰中只能陰燃，不能產(chǎn)生明火，離開(kāi)火焰，陰燃自行熄滅[4]。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50505—2009《高爐煤氣干法袋式除塵設(shè)計(jì)規(guī)范》適用于低壓脈沖帶式除塵和反吹風(fēng)袋式除塵兩種高爐煤氣袋式除塵的新建、擴(kuò)建和改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)[5]。該規(guī)范規(guī)定了濾料材質(zhì)和濾袋規(guī)格，規(guī)定濾料的耐受溫度不低于200 ℃，且具有強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕和透氣性好等性能；脈沖除塵濾袋宜采用120 mm、130 mm、150 mm、160 mm等規(guī)格，長(zhǎng)度宜采用6 m～8 m，并根據(jù)脈沖閥配置確定。該標(biāo)準(zhǔn)的濾袋材質(zhì)目前多是以芳綸為主的合成纖維針刺氈和以玻璃纖維為主、混配有其他合成纖維的復(fù)合針刺氈。

當(dāng)前，除塵濾料已廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等行業(yè)，隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保的重視，國(guó)家對(duì)火電廠的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)趨于嚴(yán)格，GB 13223《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》從20世紀(jì)90年代后經(jīng)歷了4次改版，每個(gè)版本煙塵排放限值都會(huì)更低，重點(diǎn)地區(qū)達(dá)到20 mg/m3。鋼鐵行業(yè)的煤需求量?jī)H次于電力，每生產(chǎn)1 t鋼鐵所需燃料中近80%都將變成廢棄物，以粉塵的形式排出，污染巨大，鋼鐵行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)將大氣顆粒污染排放限值最低控制在30 mg/m3，部分省、市級(jí)城市地方標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到 10 mg/m3以下。水泥行業(yè)除塵，之前大多采用電除塵，其除塵后粉塵排放濃度較高，達(dá)不到日趨嚴(yán)格的國(guó)家大氣污染物排放要求，國(guó)家政策要求水泥窯電除塵裝置在2015年實(shí)現(xiàn)電改袋式除塵的改造工程，因此，袋式除塵在水泥行業(yè)的應(yīng)用將日漸廣泛。CJJ 90—2009《生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范》要求生活垃圾焚燒煙塵，必須使用袋式除塵器，為袋式除塵器的應(yīng)用提供了有力保證。

隨著國(guó)內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸嚴(yán)格，耐高溫濾料的需求量和市場(chǎng)空間進(jìn)一步增大，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的濾料大都還是使用滌綸等普通纖維經(jīng)純紡、混紡和后整理等方式制成，高性能纖維的應(yīng)用量還不大，這就對(duì)高性能纖維的應(yīng)用研究提出了新要求。

我國(guó)袋式除塵濾料從20世紀(jì)50年代開(kāi)始到21世紀(jì)10年代大致經(jīng)歷了4個(gè)時(shí)期。第一時(shí)期，我國(guó)的袋式除塵濾料由最開(kāi)始的普通工業(yè)機(jī)織布發(fā)展到了208滌綸絨布，用于常溫工業(yè)場(chǎng)所。第二時(shí)期，20世紀(jì)80年代，開(kāi)始了由傳統(tǒng)織造濾料走向非織造濾料的技術(shù)革命性轉(zhuǎn)變，耐高溫針刺濾料開(kāi)始推廣應(yīng)用[6]。第三時(shí)期，20世紀(jì)90年代，國(guó)產(chǎn)覆膜濾料開(kāi)始迅速推廣使用，標(biāo)志著我國(guó)濾料進(jìn)入世界先進(jìn)水平行列。第四時(shí)期，21世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視，新標(biāo)準(zhǔn)要求電廠除塵一律由原來(lái)傳統(tǒng)的電除塵改袋式除塵，燃煤電廠的普及應(yīng)用，使袋式除塵市場(chǎng)急劇擴(kuò)大，芳綸、PPS等高性能纖維陸續(xù)國(guó)產(chǎn)化，也帶動(dòng)了耐高溫濾料產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

3 除塵濾料常用纖維及加工工藝

3.1 常用纖維

袋式除塵器用耐高溫濾料通常為耐溫大于130 ℃的濾料。考慮到原料成本優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)用的最多的還是滌綸混紡濾料，還有近幾年研究較多的聚苯硫醚纖維、芳香族聚酰胺纖維、聚四氟乙烯纖維、聚酰亞胺纖維、玻璃纖維等[7-8]。

滌綸濾料耐酸、耐弱堿，耐磨性、耐腐蝕性、回復(fù)性好，導(dǎo)電性能差，滌綸濾料連續(xù)使用溫度可達(dá)130 ℃，瞬間最高溫度150 ℃。由于良好的成本優(yōu)勢(shì)，一直在國(guó)內(nèi)耐高溫濾料市場(chǎng)占有較大份額，隨著國(guó)內(nèi)濾料標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格化，研究者們?cè)跍炀]復(fù)合多功能濾料方面增加了研發(fā)投入。王成東采用針刺加固的方式，將滌綸和PTFE纖維復(fù)合纖維層以上下兩層夾心的方式同滌綸長(zhǎng)纖和不銹鋼纖維制成的混合基布復(fù)合在一起，形成滌綸復(fù)合過(guò)濾材料，該濾料具有耐腐蝕、防水、防油、防靜電、過(guò)濾精度高等特點(diǎn)，正常工作溫度可以達(dá)到160 ℃[9]。李剛在滌綸中旦纖維針刺氈迎塵面針刺加固了滌綸超細(xì)纖維面層，再經(jīng)過(guò)PTFE乳液浸漬處理，該濾料尺寸穩(wěn)定性好，使用溫度高，耐腐蝕性好，過(guò)濾易清灰性好[10]。近幾年，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格化，各行業(yè)工況的個(gè)性化，國(guó)內(nèi)學(xué)者在高性能纖維應(yīng)用方面也加大了研發(fā)力度。

聚苯硫醚纖維(PPS)具有極佳的阻燃性能，且燃燒時(shí)表現(xiàn)出較低的延燃性和煙密度，耐酸堿、抗水解性能較好，特別適合高溫?zé)焿m過(guò)濾，但其耐氧化性能較差，在煙塵氧體積分?jǐn)?shù)超過(guò)15%時(shí)就不能使用。因此，國(guó)內(nèi)PPS濾料基本都是復(fù)合濾料，主要包括PPS覆膜濾料、PTFE浸漬的PPS濾料、PPS/P84復(fù)合濾料等。

芳香族聚酰胺纖維即芳綸，耐高溫濾料主要是芳綸1313，其具有高強(qiáng)度、高模量、輕質(zhì)、耐堿性好等特性，但耐酸性和抗水解性差。國(guó)內(nèi)一般會(huì)給芳綸針刺氈做PTFE浸漬處理后再應(yīng)用，以提高其過(guò)濾效率，延長(zhǎng)過(guò)濾材料的清灰周期，大大減少粉塵殘留量，降低粉塵的排放精度[11]。

聚四氟乙烯纖維(PTFE)具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、低摩擦因數(shù)、阻燃等性能，廣泛應(yīng)用于燃煤電廠、垃圾焚燒、鋼鐵廠、化工廠等工業(yè)領(lǐng)域的煙塵過(guò)濾，但其缺點(diǎn)是價(jià)格高，國(guó)內(nèi)PTFE覆膜和浸漬復(fù)合濾料產(chǎn)品已普遍使用。

聚酰亞胺纖維耐高溫性能和抗氧化性能優(yōu)于PPS，但耐酸和抗水解性能差，耐堿性差，適合在含硫量低的工況下使用，隨著該纖維的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用，其應(yīng)用市場(chǎng)也將進(jìn)一步擴(kuò)大。

玻璃纖維是中、高溫?zé)焿m過(guò)濾中應(yīng)用較多的材料。其高溫下收縮率低、粉塵剝離性好，清灰能耗低，價(jià)格優(yōu)勢(shì)大，但耐磨、耐折性差，不能滿足復(fù)雜高溫?zé)焿m過(guò)濾的要求，應(yīng)用受到限制[12]。

近年來(lái)，還有部分高性能纖維耐高溫濾料也在相繼開(kāi)發(fā)，如：碳纖維、PBO纖維、芳砜綸、不銹鋼纖維、玄武巖纖維等，結(jié)合纖維自身特點(diǎn)，采取氣流成網(wǎng)、水刺加固等方法制成耐高溫濾料，滿足各種工況的實(shí)際需求。

3.2 加工工藝

目前市面上的耐高溫除塵濾料多數(shù)是以針刺加固的方式加工，水刺加工濾料尚處于起步階段。

針刺加固是將梳理成網(wǎng)或氣流成網(wǎng)的纖維網(wǎng)，或者兩層纖網(wǎng)中間加有基布的纖網(wǎng)，經(jīng)多道針刺形成上下勾連、具有三維結(jié)構(gòu)的材料，其具有較高的過(guò)濾效率和透氣性，經(jīng)一定的整理后，具有更高的捕集效率和清灰能力，是目前除塵濾料的主流[13]。李兵濤等將PI纖維機(jī)織布作為夾心層的針刺PI濾料，經(jīng)聚四氟乙烯乳液與環(huán)氧酚醛樹(shù)脂為主的耐高溫水解整理液浸軋、焙烘等，使濾料表面形成PTFE包覆膜，具有抗油拒水、耐高溫等性能[14]。竇皓等通過(guò)針刺加固的方式將芳綸針刺材料與玻璃纖維機(jī)織布進(jìn)行“三明治”復(fù)合，研究針刺密度對(duì)針刺濾料力學(xué)性能、透氣性等的影響。結(jié)果表明，該濾料在針刺密度為400刺/m2時(shí)，材料的強(qiáng)力、透氣性、孔徑分布等性能達(dá)到最優(yōu)[15]。賀湘兵對(duì)玄武巖基/PPS針刺濾料的性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，PPS纖維在230 ℃以上耐高溫性能差，耐堿性和耐硫酸性能好，但耐鹽酸和耐硝酸性能一般，斜紋玄武巖基/PPS濾料的力學(xué)性能優(yōu)于平紋基布濾料，燒毛軋光處理使濾料厚度減小，透氣量、平均孔徑減小，過(guò)濾效率提高。單面覆膜使濾料孔徑減小，過(guò)濾阻力變大，對(duì)孔徑小的粒子過(guò)濾效率大幅提高[16]。

由于針刺對(duì)濾料有損傷，近幾年有研究者開(kāi)始了水刺濾料的研究。翁美玲等人采用水刺工藝將PPS/PTFE纖網(wǎng)和經(jīng)過(guò)預(yù)針刺的上下層夾有PPS基布的PPS纖網(wǎng)加固起來(lái)，制成復(fù)合水刺濾料，具有耐高溫、高效、低阻和較長(zhǎng)的使用壽命[17]。王萍采用玄武巖纖維為原料，利用氣流成網(wǎng)及水刺加固的方式制備了玄武巖纖維水刺濾料。研究發(fā)現(xiàn)，100%的玄武巖纖維不能形成連續(xù)網(wǎng)，當(dāng)玄武巖纖維與芳綸1313混紡比為50/50時(shí)，氣流成網(wǎng)效果最佳；研究還發(fā)現(xiàn)，水刺加固的材料表面更光滑，孔徑分布相對(duì)集中，材料縱橫向強(qiáng)力好，過(guò)濾效率好[18]。李培君將金屬絲網(wǎng)作為增強(qiáng)材料，和不同單位面積質(zhì)量PPS纖網(wǎng)經(jīng)過(guò)預(yù)針刺，再用水刺工藝進(jìn)行加固，最后經(jīng)燒毛軋光整理得到濾料。研究表明，鋁制沖縫網(wǎng)強(qiáng)力過(guò)低，不適合做濾料基網(wǎng)，其他金屬絲網(wǎng)經(jīng)緯強(qiáng)力都高于普通基布強(qiáng)力。濾料孔徑和基網(wǎng)目數(shù)呈正比關(guān)系，隨濾料克重的增大而減小，金屬絲網(wǎng)增強(qiáng)PPS水刺濾料的尺寸穩(wěn)定性好，耐高溫、耐腐蝕性能好，符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。金屬絲網(wǎng)的加入提高了濾料的耐用性，但硬挺度也提高，給清灰造成一定困難，需進(jìn)一步研究[19]。

4 袋式除塵技術(shù)問(wèn)題分析

近年來(lái)，我國(guó)耐高溫濾料在研究和應(yīng)用上取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但還存在較多問(wèn)題和不足。隨著袋式除塵的廣泛應(yīng)用，廢棄除塵濾料的不完全回收也引起了二次污染。耐高溫濾料大都是聚苯硫醚、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚酰亞胺等高性能纖維純紡或混紡而成，純紡的濾料經(jīng)清洗、干燥、開(kāi)松或粉碎等方法可以再回收利用，重新制作濾袋；而絕大多數(shù)濾袋都是通過(guò)混紡、覆膜、浸漬等方法生產(chǎn)加工的，這種廢棄濾料的數(shù)量巨大，二次污染嚴(yán)重，回收后可以制成耐高溫隔熱氈或填充材料，但國(guó)內(nèi)目前對(duì)這類(lèi)濾料廢棄物回收問(wèn)題的研究還很鮮見(jiàn)，尚無(wú)成熟的回收廠。目前芳綸、聚苯硫醚、聚四氟乙烯等高性能纖維已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，并且性能也在逐步完善和改進(jìn)，但國(guó)產(chǎn)纖維在性能和穩(wěn)定生產(chǎn)方面還是與國(guó)外有一定差距，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)纖維應(yīng)用受阻。另外，國(guó)內(nèi)芳綸、聚苯硫醚等高性能纖維的改性技術(shù)也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)及需要攻克的難點(diǎn)。

5 除塵濾料的技術(shù)研發(fā)趨勢(shì)

近些年，我國(guó)對(duì)環(huán)境的重視程度空前，環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)格，促使環(huán)保濾料行業(yè)大跨步發(fā)展，我國(guó)除塵濾料在性能方面也有很大突破，但面臨的挑戰(zhàn)依舊很多。

(1)高性能纖維應(yīng)用方面。目前國(guó)內(nèi)濾料企業(yè)大多還在用普通滌綸、丙綸濾料或者其他復(fù)合濾料，大規(guī)模的濾料生產(chǎn)企業(yè)也大都生產(chǎn)普通濾料，高性能纖維濾料的應(yīng)用已經(jīng)受到重視，但研究應(yīng)用力度還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

(2)除塵濾料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后整理方面，應(yīng)在易清灰、高效、低阻方面加大研發(fā)力度。從濾料結(jié)構(gòu)著手，優(yōu)化現(xiàn)有濾料性能，提高使用壽命。從濾料的后整理工藝著手，提高其耐高溫、耐腐蝕、耐水解、耐氧化等化學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性、抗拉伸、耐磨損、抗疲勞等物理性能，從而提高濾料使用壽命。

(3)功能性差別化濾料的研發(fā)方面。需要加大研發(fā)力度，針對(duì)特殊工況，研發(fā)專(zhuān)用定制款濾料，如具備高強(qiáng)低伸、防靜電、疏水拒油等性能的濾料，并向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；较虬l(fā)展。

(4)濾料的回收方面。對(duì)純紡濾料，優(yōu)化現(xiàn)有回收方法，在高效、快捷、系統(tǒng)化、規(guī)模化方面加大研發(fā)力度。對(duì)混紡、覆膜、涂層濾料，根據(jù)各成分性能差異，通過(guò)溶解、熔融等方法將主要成分分離出來(lái)。

(5)高性能纖維的開(kāi)發(fā)方面。從高性能纖維穩(wěn)定連續(xù)化生產(chǎn)、設(shè)備改進(jìn)優(yōu)化到纖維改性，都有很大的開(kāi)發(fā)空間。我國(guó)高溫濾料紡織品權(quán)威檢測(cè)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)的缺失，也是制約我國(guó)高性能除塵濾料進(jìn)入高端市場(chǎng)的一大因素。因此，還應(yīng)加大在專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)機(jī)構(gòu)的研發(fā)投入。