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工業(yè)高溫除塵用金屬濾料的性能分析

2022-05-17 05:14:42鄭智宏陳建文張靜云程璇
中國環(huán)保產(chǎn)業(yè) 2022年4期
關(guān)鍵詞:金屬纖維濾袋濾料

鄭智宏,陳建文,張靜云,程璇

(1.廈門大學(xué)材料學(xué)院,福建 廈門 361005;2.廈門中創(chuàng)環(huán)保科技股份有限公司,福建 廈門 361101;3.福建省袋濾材料與技術(shù)重點實驗室,福建 廈門 361101;4.廈門市袋濾材料與技術(shù)重點實驗室,福建 廈門 361101)

近幾年隨著國家對煙塵排放要求不斷趨嚴(yán),整體上煙塵污染問題已有明顯改善,在這期間,袋式除塵器在水泥、電力、鋼鐵、垃圾焚燒等高污染行業(yè)的煙塵治理中發(fā)揮了舉足輕重的作用,實際應(yīng)用過程中,多個項目均能實現(xiàn)超低排放,其煙囪監(jiān)測點煙塵排放濃度可以達(dá)到10mg/m3以下,有些甚至可以達(dá)到5mg/m3以下[1-4]。

袋式除塵器能夠很好控制粉塵達(dá)標(biāo)排放,而濾料是袋式除塵器的“心臟”。以聚苯硫醚(PPS)、聚四氟乙烯(PTFE)和芳香族聚酰胺(MX)等纖維為原料制成的濾袋,具有優(yōu)良的耐溫性、耐腐蝕性、耐氧化性及極佳的過濾性能,但在實際應(yīng)用過程中,袋籠摩擦、粉塵氣流沖刷、過濾失效、超溫運行等情況也屢見不鮮[5-7]。針對超溫運行問題,當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的研究重點是根據(jù)設(shè)計運行溫度選擇濾袋材質(zhì),或者通過余熱回收、噴水降溫等措施降低進(jìn)入袋區(qū)的煙氣溫度,這些措施目前在一定程度上可以減少濾袋破損失效情況的發(fā)生,但在鍋爐、回轉(zhuǎn)窯等設(shè)備發(fā)生異常時,煙氣運行溫度遠(yuǎn)超設(shè)計值,濾袋極易在高溫環(huán)境下受熱損傷甚至破損失效。如圖1 所示,化纖濾袋在超溫和含有火星環(huán)境時被燙傷、穿燒,纖維熔融,造成濾袋破損失效,造成除塵器粉塵排放超標(biāo),從而導(dǎo)致停機停產(chǎn)的不良后果。

圖1 化纖濾袋在超溫環(huán)境中被燙傷破損的外觀

常規(guī)化纖濾料使用溫度一般低于260℃,而目前工業(yè)除塵領(lǐng)域適用于300℃以上的高溫材料主要有金屬濾料和陶瓷濾筒,金屬濾料是金屬纖維或者金屬粉末經(jīng)特殊工藝制作成的具有微孔結(jié)構(gòu)的過濾氈。作為一種新型功能型材料,相對PPS、PTFE 和MX 等高溫過濾材料,金屬濾料具有孔徑均勻、過濾精度高、無脫落、耐有機溶劑、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異特性,使用溫度可達(dá)400℃以上,采用鐵鉻鋁材質(zhì)的金屬濾料使用溫度更是可以達(dá)到1000℃[8-10]??梢哉f,金屬濾料的出現(xiàn)極大地拓寬了工業(yè)除塵用濾料在高溫除塵領(lǐng)域的使用范圍,對于運行溫度超過260℃的工況,金屬濾料可以很好地替代普通化纖濾料,在沒有采用降溫措施的情況下即可直接進(jìn)行除塵。

金屬濾料使用過后依然具有較好的回收利用價值,而行業(yè)內(nèi)對于金屬濾料的實際應(yīng)用情況研究較少,本文通過對金屬濾料全方位性能的實驗研究,分析其在高溫工業(yè)除塵領(lǐng)域使用的優(yōu)勢,以期為金屬濾料的應(yīng)用提供技術(shù)參考[11]。

1 實驗研究

1.1 實驗儀器

YG026C 電子織物強力機、BSM402.3 電子天平、YG461E-III 全自動透氣量儀、PSDA-20 孔徑分析儀、1-AT 型VDI 濾料模擬測試裝置。

1.2 常規(guī)性能

如圖2—圖4 所示,金屬濾料有金屬纖維氈、帶護(hù)網(wǎng)金屬纖維氈和金屬膜氈等多種結(jié)構(gòu)??筛鶕?jù)實際工況粉塵理化特性、處理煙氣量、煙溫等信息進(jìn)行篩選,選取合適的金屬濾料進(jìn)行過濾除塵。

圖2 金屬纖維氈圖

圖3 帶護(hù)網(wǎng)金屬纖維氈圖

圖4 金屬膜氈圖

下表為三種結(jié)構(gòu)金屬濾料的常規(guī)性能。由下表可知,不同結(jié)構(gòu)金屬濾料的常規(guī)性能差異較大,但是隨著濾料本身單位面積質(zhì)量的增加,其厚度和斷裂強力也呈現(xiàn)上升的趨勢,平均孔徑則呈現(xiàn)減小的趨勢,推測這是由于單位面積質(zhì)量增加,導(dǎo)致濾料本身纖維量增加,其纖維間的纏結(jié)呈現(xiàn)更致密的發(fā)展趨勢,過濾孔徑也更小,這也是金屬纖維氈、帶護(hù)網(wǎng)金屬纖維氈、金屬膜氈透氣量下降的原因。同時,由下表中數(shù)據(jù)可知,金屬濾料的單位面積質(zhì)量、厚度、透氣量及斷裂強力的變異系數(shù)(CV)值保持在相對較低的水平,這也說明了金屬濾料具有均勻性好的特點。

1.3 耐溫性能

由于環(huán)保排放有要求,燃煤鍋爐、水泥窯等煙氣一般均需要預(yù)先進(jìn)行脫硝處理方能達(dá)標(biāo)排放,如果在脫硝前預(yù)先去除大部分粉塵,則能極大減少粉塵雜質(zhì)對脫硝效率的影響,即可在較高的溫度窗口(360℃—410℃為宜)同步進(jìn)行脫硝除塵,進(jìn)而有效提高脫硝效率[12]。為模擬脫硝高溫環(huán)境,將規(guī)格為2cm×10cm 的試驗樣品置于高溫烘箱中,在450℃條件下熱處理24h 后觀察其表觀變化情況。如圖5 所示,樣品經(jīng)高溫處理后,外觀顏色輕微變?yōu)榈S色,但金屬濾料外觀結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)明顯變化,這說明金屬濾料可以很好適應(yīng)脫硝過程的高溫環(huán)境。

圖5 經(jīng)高溫處理前后的樣品圖

金屬濾料常規(guī)性能

1.4 耐腐蝕性能

燃煤鍋爐、鋼鐵、水泥窯、垃圾焚燒等粉塵具有一定的酸堿腐蝕性。實驗室檢測時,參照《袋式除塵器技術(shù)要求》(GB/T 6719—2009)濾料耐腐蝕檢測條件模擬實際工況的腐蝕環(huán)境[13],對規(guī)格為2cm×10cm 的樣品進(jìn)行試驗。如圖6、圖7 所示,樣品經(jīng)堿處理后,外觀顏色和結(jié)構(gòu)無明顯變化,而樣品經(jīng)酸處理后,酸中的氫離子被金屬離子取代,發(fā)生了氫離子去極化腐蝕反應(yīng),金屬濾料外觀顏色變黑,而且由于受到強烈腐蝕作用,整塊濾料破損嚴(yán)重,表層金屬纖維已幾乎腐蝕脫落。這說明金屬濾料能夠很好適應(yīng)堿性工況但不能在酸性較強的工況環(huán)境中使用,因為會被酸性環(huán)境腐蝕,造成粉塵排放超標(biāo)。

圖6 經(jīng)堿處理后的濾袋樣品圖

圖7 經(jīng)酸處理后的濾袋樣品圖

1.5 阻燃性能

除塵器在運行過程中,生物質(zhì)鍋爐煙氣易夾雜火星、明火等進(jìn)入濾袋區(qū),造成濾袋被燙傷、穿燒,導(dǎo)致除塵器粉塵排放超標(biāo),從而停機、停爐。本試驗對規(guī)格為2cm×10cm 的樣品進(jìn)行火焰阻燃試驗。如圖8 所示,將金屬濾料置于火焰上灼燒30s,移除火焰后,其外觀被熏黑,但外觀結(jié)構(gòu)依然保持完好。對化纖濾料(如PPS)進(jìn)行同樣的試驗,在其外觀被熏黑的同時出現(xiàn)了濾料收縮、破損現(xiàn)象。據(jù)此可知,金屬濾料具有優(yōu)異的阻燃性能,當(dāng)煙塵中含有火星或明火時,金屬濾料能夠很好適應(yīng)該工況,避免濾袋因燙傷、燒穿而出現(xiàn)破損失效的不良后果。

圖8 濾料阻燃實驗

1.6 過濾性能

在噴吹氣流進(jìn)入濾袋凈氣面瞬間產(chǎn)生強大的反作用力以及濾袋快速膨脹變形的雙重作用下,濾袋表面的粉塵脫落從而實現(xiàn)清灰。圖9、圖10 為金屬濾料和化學(xué)覆膜濾料的過濾性能測試結(jié)果。在同等試驗條件下,化纖覆膜濾料較金屬濾料更為柔軟,清灰時產(chǎn)生膨脹變形的幅度更大,粉塵更容易剝落,清灰效果更優(yōu),運行阻力低,也更為平穩(wěn)。對于同樣的金屬濾料而言,透氣量越大,清灰時從凈氣面透到迎塵面的氣流量就更大,粉塵相對容易剝落。金屬纖維氈相較于金屬膜氈,老化階段的阻力上升幅度及最終殘余阻力均較低,這是因為金屬纖維氈表面增加了一層護(hù)網(wǎng),阻礙了清灰時粉塵的脫落。

圖9 壓力損失隨過濾時間變化圖

圖10 不同濾料過濾效率圖

2 結(jié)語

(1)金屬濾料耐堿性能優(yōu)異,但是耐酸性稍弱,在實際應(yīng)用中,應(yīng)避免金屬濾料在酸性較強的工況環(huán)境中使用。

(2)金屬濾料具有極佳的阻燃性能,對于煙塵中含有火星或明火的惡劣工況具有很好的適應(yīng)性。

(3)不同結(jié)構(gòu)的金屬濾料的過濾性能有差異,可根據(jù)不同的工況、排放要求進(jìn)行科學(xué)選型,以滿足粉塵排放要求。從實驗數(shù)據(jù)來看,金屬膜氈具有和化學(xué)覆膜濾料相當(dāng)?shù)倪^濾效率,但是殘余阻力和清灰周期等過濾性能均較差,建議可以從金屬濾料的透氣性、柔韌性等方面進(jìn)行優(yōu)化,以獲得更優(yōu)的過濾性能。

(4)金屬濾料生產(chǎn)成本及運輸成本高,目前還未進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。從實驗研究結(jié)果來看,金屬濾料具有耐高溫、耐堿腐蝕、阻燃性佳等優(yōu)異的特性,具有較好的應(yīng)用前景?;w濾料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系較為完備、成熟,對于化纖濾料的應(yīng)用可起到很好的指導(dǎo)作用,但是金屬濾料的標(biāo)準(zhǔn)體系還不完備,應(yīng)加強技術(shù)研究并制定相關(guān)的國家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定金屬濾料的克重、厚度、透氣性及拉伸強力等關(guān)鍵指標(biāo),同時進(jìn)行實際應(yīng)用效果跟蹤,更好地為金屬濾料工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

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