陳昊光，周 誠，馬恩群，魏 濤，張 劍

（南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司膜材料公司，南京 210012）

0 前言

國家環(huán)境部和質(zhì)檢總局于2011年聯(lián)合發(fā)布了GB 13223-2011《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，并于2012年1月1日起正式實施，對新建燃煤電廠煙塵排放濃度要求由2003年的50 mg/Nm3限值下調(diào)至30 mg/Nm3的限值，重點地區(qū)要求為20 mg/Nm3。并且自2014年7月1日起，現(xiàn)有的燃煤電廠排放標(biāo)準(zhǔn)也需按新標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，而某些地方排放標(biāo)準(zhǔn)甚至達(dá)到了更低數(shù)值的超低排放或超凈排放要求。

袋式除塵技術(shù)作為微細(xì)粒子高效捕集的手段，有力地支持了國家更加嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)［1］，近年來針對該排放標(biāo)準(zhǔn)，新建燃煤電廠大多直接選用袋式除塵系統(tǒng)，并且老燃煤電廠也逐步實施了電改袋項目。燃煤鍋爐煙氣成分主要包括煙塵、二氧化硫、氮氧化物及其它腐蝕性氣體等，我國燃煤電廠煤質(zhì)較為復(fù)雜且品質(zhì)普遍不高，燃燒產(chǎn)生的煙氣成分更為復(fù)雜且含硫量高，對袋式除塵器的核心部件——濾料的綜合性能要求較高。綜上所述，燃煤電廠行業(yè)的低排放標(biāo)準(zhǔn)的實施對濾料的高效率、長壽命提出了嚴(yán)苛要求［2］。

材料的發(fā)展迎來了行業(yè)技術(shù)革新的契機，對高溫袋式除塵而言，濾料被視為其心臟，過濾材料由最初的玻璃纖維制品逐步發(fā)展至玻纖、化纖復(fù)合制品及純化纖制品，因燃煤鍋爐行業(yè)除塵煙氣的腐蝕性特征，目前無堿玻璃纖維無法滿足耐酸需求，而抗腐蝕性高的 ECR 玻纖也因價格高、產(chǎn)量低、穩(wěn)定性不佳的問題也未能大量用于燃煤電廠的除塵。因此，各種耐溫效果好、耐化學(xué)腐蝕性能強的化學(xué)纖維走向燃煤電廠除塵的舞臺。

1 耐高溫化纖介紹及電力行業(yè)濾料選型

1.1 高溫除塵濾料化學(xué)纖維介紹

1.1.1 PPS 纖維

PPS（聚苯硫醚）是1種對位苯環(huán)與硫原子交替連接的長鏈、熱塑性高分子材料，最早由美國Phillips 石油公司在1973年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，作為一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，在環(huán)保、國防軍事、汽車、化工、制藥等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因 PPS具有耐高溫、阻燃和耐化學(xué)腐蝕的特性，近年來其纖維制品在高溫?zé)焿m過濾領(lǐng)域所占的市場份額快速增長，但其易氧化的特點限制了實際應(yīng)用［3］。PPS纖維具有優(yōu)異的耐酸堿、耐水解、耐阻燃性能、優(yōu)良的機械性能以及較高的性價比，由其加工的過濾材料是目前燃煤電廠行業(yè)除塵的首選濾材，然而，PPS制品的抗氧化性較差，其分子上的 C—S 鍵在高溫含氧條件下容易發(fā)生鍵的斷裂并引起氧化交聯(lián)反應(yīng)，從而導(dǎo)致濾料強度降低，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致濾料的脆化或破損，影響在燃煤電廠的使用性能和工作壽命，進(jìn)而又制約了 PPS 濾料在高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域中的應(yīng)用［4，5］。

1.1.2 PTFE纖維

PTFE（聚四氟乙烯）由美國科學(xué)家羅伊·普朗克特在1936年某天做實驗時無意中制得從而面世，并在1945年由杜邦公司進(jìn)行了批量生產(chǎn)，PTFE 是由四氟乙烯單體聚合而成的聚合物，由于 C—F 鍵鍵能極高，從而有極佳的耐化學(xué)腐蝕性，能夠承受幾乎所有的強酸、強堿、強氧化劑、強還原劑及各種有機溶劑，并能長期在-180~260 ℃的條件下使用，因而有“塑料之王”的美稱。各項的優(yōu)良性能使得PTFE 的纖維制品能夠廣泛用于高溫除塵濾料行業(yè)，尤其是燃煤電廠及垃圾焚燒等煙氣組分復(fù)雜、工況條件惡劣的行業(yè)。由于 PTFE 纖維表面極為光滑，對于粉塵的攔截能力較低，因此作為除塵濾料普遍會與其他耐高溫纖維進(jìn)行混紡或覆一層膨化聚四氟乙烯（e-PTFE）膜。

1.1.3 芳綸纖維

芳綸纖維（芳香族聚酰胺纖維）是1種非常重要的特種纖維，其分子結(jié)構(gòu)是酰胺基團和苯環(huán)交替規(guī)律的出現(xiàn)，根據(jù)出現(xiàn)的位置不同分為間位芳綸（我國稱之為芳綸1313）和對位芳綸（我國稱之為芳綸1414）。芳綸最初作為宇航開發(fā)材料和重要的戰(zhàn)略物資而鮮為人知。冷戰(zhàn)結(jié)束后，芳綸作為高技術(shù)含量的材料大量用于民用領(lǐng)域，才逐漸露面并為人所知。間位芳綸突出的優(yōu)點是耐熱性好、阻燃和耐腐蝕性，能耐大多數(shù)酸的作用，但長時間和鹽酸、硝酸或硫酸接觸，強度會有所降低，除不能與強氧化鈉長時間接觸外，對堿的穩(wěn)定性較好。但是，其高溫尺寸穩(wěn)性較差，沸水收縮率為3%，在300 ℃熱空氣中的收縮率高達(dá)8%［6］。芳綸纖維因其較好的耐高溫性及超高的耐磨性廣泛用于高溫除塵領(lǐng)域，特別是水泥行業(yè)的窯頭、窯尾的除塵。

1.1.4 PI 纖維

PI 纖維（聚酰亞胺纖維）是綜合性能非常優(yōu)異的高分子材料，分子內(nèi)含有十分穩(wěn)定的芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，材料具有超高的耐溫性和機械強度以及較好的耐化學(xué)性能，最早由奧地利蘭精公司開發(fā)，商品名“P84”，其生產(chǎn)的聚酰亞胺纖維截面呈特殊的“三葉型”結(jié)構(gòu)，有很強的攔截粉塵的能力，因此主要用在除塵濾袋中。但一直以來，由于聚酰亞胺產(chǎn)業(yè)化的過程受到工藝、開發(fā)資金等各種阻礙，使得聚酰亞胺纖維的發(fā)展步履維艱，也就造成市場上聚酰亞胺纖維一直處于較高的價格。直到2010年，長春高琦聚酰亞胺材料有限公司才實現(xiàn)聚酰亞胺纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。到目前為止，聚酰亞胺纖維在國內(nèi)的生產(chǎn)已初具規(guī)模［7］。

1.2 燃煤電廠行業(yè)用濾料選型

1.2.1 使用壽命的考量

燃煤電廠的煙氣溫度一般運行在120~180 ℃之間，瞬時溫度高的一般不超過200 ℃，上述幾種耐高溫化學(xué)纖維的耐溫需求均能滿足，如表1。因芳綸纖維本身的耐酸性特別在高濕狀態(tài)的抗酸性較其他3種纖維差，一般不適合用于燃煤電廠。

表1 濾料用耐高溫化纖性能對比

PTFE 纖維因其“塑料之王”的本質(zhì)，耐化學(xué)腐蝕、抗氧化性等各項性能均十分優(yōu)異，是燃煤電廠除塵的理想材料，但純 PTFE 濾料因纖維束表面過于光滑而不利于粉塵的攔截，并且由于 PTFE 纖維的比重過大、易產(chǎn)生靜電等特性，在濾料無紡加工過程中的持續(xù)穩(wěn)定存在一定難度。

PI 纖維的生產(chǎn)因技術(shù)含量高、產(chǎn)能低等問題使其市場價格一直居高不下，因此濾料的性價比較低而不常用，除非工況運行溫度持續(xù)180 ℃以上。而近年來燃煤電廠的實際煙氣溫度呈現(xiàn)下降趨勢，PI 纖維因此也很少用于燃煤電廠。

PPS 纖維雖然有很強的耐化學(xué)腐蝕性，但抗氧化性較差，適合于含氧量不高于15%的工況，在160 ℃運行的 PPS 纖維含氧量基于8%（Vol）、NO2小于15 mg/m3可以長期使用，若氧含量達(dá)到12%以上建議溫度降到40 ℃運行?？傊踉礁?，使用的溫度就要越低，因每增加10 ℃，化學(xué)反應(yīng)成雙倍增加，據(jù)澳大利亞電廠運行經(jīng)驗， 煙氣含氧大于15%時 PPS的耐氧性差，煙氣含氧小于10%時能長期使用［8］。

因此，為保證濾料的使用壽命、減少更換頻次及降低工況的維護(hù)成本，以及綜合性價比的考量，濾料在燃煤電廠行業(yè)的除塵優(yōu)選 PPS 纖維復(fù)合PTFE 纖維加 PTFE 基布混紡的方案。在該方案中PPS 纖維彌補了 PTFE 纖維表面光滑不利于攔截粉塵及無紡加工不順的缺點，而 PTFE 纖維則彌補了PPS 纖維抗氧化性差及尺寸穩(wěn)定不佳的缺點，兩者相輔相成、相互補缺，經(jīng)研究與實際應(yīng)用，兩者配比為5∶5的方案，幾乎能適應(yīng)目前所有燃煤電廠的煙氣成分，且使用壽命達(dá)到4年或以上。

1.2.2 低排放要求的考量

通過市場的歷史應(yīng)用案例，常規(guī) PPS/PTFE 混紡濾料能夠滿足30 mg/Nm3的排放需求，卻無法保證20 mg/Nm3的排放要求。對于業(yè)內(nèi)而言，主要方法是在濾料面層添加超細(xì) PPS 纖維形成“海島”式結(jié)構(gòu)，更細(xì)的纖維層足以捕捉更細(xì)的粉塵，另外，便是中材科技開發(fā)并批量應(yīng)用的——PPS 混紡濾料與e-PTFE 膜相結(jié)合形成的表面過濾材料。

1.2.2 .1 PPS超細(xì)化纖濾料

常規(guī) PPS、PTFE 纖維細(xì)度約為2D，而超細(xì) PPS纖維直徑為常規(guī)的一半，在面層適量的添加使得濾料迎塵面擁有更小的孔徑及更高的孔隙率，如圖1，濾料的過濾精度得以進(jìn)一步的提高，其技術(shù)路線如圖2所示。

圖1 PPS超細(xì)化纖濾料結(jié)構(gòu)圖

圖2 PPS超細(xì)化纖濾料生產(chǎn)流程

1.2.2 .2 PPS混紡覆膜濾料

就覆膜濾料而言，薄膜是濾料的核心，e-PTFE膜的存在使得濾料的除塵機理由深層過濾轉(zhuǎn)化為表面過濾，e-PTFE 膜是通過雙向拉伸等復(fù)雜工藝制得，擁有 PTFE 材料本身所有的優(yōu)良特性，并且經(jīng)過膨化后的 PTFE 呈多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖3，其厚度約10μm，平均孔徑只有1μm，比超細(xì)纖維濾料的孔徑還要低1~2個數(shù)量級，對 PM2.5的去除效果十分理想［9，10］。

PPS 混紡覆膜濾料的技術(shù)路線如圖3、4所示。

圖3 e-PTFE薄膜

圖4 PPS混紡覆膜濾料生產(chǎn)流程

PPS 混紡濾料基材是長壽命的保證，而 e-PTFE膜則是高精度的保障。兩者穩(wěn)定、牢固結(jié)合的同時兼顧覆膜濾料的透氣性是該濾料制備的難點。

2 除塵效率測試

2.1 實驗部分

2.1.1 試驗樣品

分別取試驗樣品 PPS 超細(xì)化纖濾料和 PPS 混紡覆膜濾料，其基本性能參數(shù)如表2。

表2 濾料基本性能數(shù)據(jù)對比

2.1.2 過濾性能表征

濾料的過濾性能主要由排放濃度、過濾效率、殘余壓差、清灰周期幾項指標(biāo)表征，本實驗根據(jù) ISO 11057:2011《空氣質(zhì)量過濾器中濾料過濾性能的測試方法》，采用德國 FilTEq 公司生產(chǎn)的 VDI 粉塵過濾測試系統(tǒng)，對濾料的動態(tài)除塵性能進(jìn)行測試，試驗設(shè)備示意圖如圖5，檢測條件如表3。

圖5 VDI測試裝置示意圖

表3 VDI測試條件

2.2 試驗結(jié)果與討論

通過2種濾料的測試對比（表4），PPS 混紡覆膜濾料的排放濃度和過濾效率明顯優(yōu)于 PPS 超細(xì)化纖濾料。PPS 超細(xì)化纖濾料的初始壓差為25.2 Pa，而清灰30個周期后殘余壓差為45.2 Pa，增加了79.4%，如圖6。PPS 混紡覆膜濾料的初始壓差為114 Pa，而清灰30個周期后殘余壓差為147 Pa，增加了28.9%，如圖7?？煽闯?PPS 超細(xì)化纖濾料雖然起始壓差低但過程阻力上升速度較快，說明在除塵過程中產(chǎn)生了二次粉餅層，而 PPS 混紡覆膜濾料初始壓差高，但由于是表面過濾，清灰效果佳，因此阻力上升較慢，從平均殘余壓差也能看出該趨勢，而兩者的平均清灰周期相當(dāng)。

表4 濾料除塵測試數(shù)據(jù)

圖6 PPS超細(xì)化纖濾料殘余壓差

圖7 PPS混紡覆膜濾料殘余壓差

3 應(yīng)用案例

2015年底至2016年初，山西地區(qū)三家燃煤電廠分別進(jìn)行了除塵改造項目，均使用了南京玻纖院的 PPS 混紡覆膜濾料，其除塵項目信息如表5，經(jīng)過項目的實施，均能達(dá)到設(shè)計的5 mg/Nm3及10 mg/Nm3的煙塵排放濃度要求。目前項目已經(jīng)運行4年左右，經(jīng)回訪測試，工況運行良好，濾袋沒有損壞的現(xiàn)象，運行壓差均保持1200 Pa以下，煙塵排放濃度依舊達(dá)標(biāo)。

表5 燃煤電廠除塵信息

4 結(jié)論

（1）因燃煤電廠煙氣的腐蝕性特性，電廠行業(yè)除塵濾料一般選用 PPS、PTFE 材料，為保證在工況的使用壽命優(yōu)選 PPS 混紡 PTFE 纖維，并以 PTFE基布為支撐。

（2）PPS超細(xì)化纖濾料實現(xiàn)的是深層過濾，PPS混紡覆膜濾料實現(xiàn)的是表面過濾，兩者都能實現(xiàn)燃煤電廠的有效除塵，但 PPS 混紡覆膜濾料的生產(chǎn)技術(shù)更為復(fù)雜。

（3）由于 e-PTFE 薄膜孔徑為1μm左右，PPS混紡覆膜濾料的除塵效果更佳，通過工況的驗證，能實現(xiàn)10 mg/Nm3的排放，甚至能達(dá)到5 mg/Nm3的超凈排放要求，該濾料是未來燃煤電廠行業(yè)超凈排放的方向。