郭二寶，余忠凱，劉興成

(1.安徽建筑大學(xué) 安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院；建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.中冶賽迪上海工程技術(shù)有限公司，上海 200940)

鋼鐵工業(yè)是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心產(chǎn)業(yè)之一，我國作為當(dāng)今世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，2018年粗鋼產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的51.34%[1]。鋼鐵制造過程中產(chǎn)生的廢棄顆粒物和二氧化硫是我國大氣污染的重要來源，盡管近年來其排放量大幅下降；但由于鋼鐵產(chǎn)量基數(shù)大，因此總排放量仍然很大。為了推動行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，助力打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，2019年4月22日，國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部、工業(yè)和信息化部、財政部、交通運(yùn)輸部聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，其中規(guī)定生產(chǎn)中的主要污染源顆粒物排放質(zhì)量濃度每小時均值≤10 mg/m3[1]。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐干法(又稱轉(zhuǎn)爐LT法)一次除塵普遍應(yīng)用于工業(yè)除塵，在該除塵系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的煙氣溫度高達(dá)1 400～1 600 ℃，先由活動煙罩捕集，在氣化冷卻煙道處對煙氣進(jìn)行首次冷卻降溫，使煙氣溫度降至800～1 000 ℃，同時進(jìn)行熱回收。通過蒸發(fā)冷卻器對煙氣進(jìn)行二次降溫[1]，轉(zhuǎn)爐LT法在蒸發(fā)冷卻器處采用直接噴淋降溫，降溫調(diào)質(zhì)后的煙氣含濕量顯著提高，甚至達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)煙溫大幅波動時，煙氣結(jié)露現(xiàn)象明顯，為了滿足電除塵器工作的溫度要求，冷卻器出口煙氣溫度一般控制在170～250 ℃。由于粉塵比電阻受粉塵化學(xué)成分影響，因此靜電除塵器在某些場合并不適用。袋式除塵器的除塵機(jī)理決定了袋式除塵器不僅除塵效率高，而且不受粉塵比電阻的影響，因此高效的除塵技術(shù)越來越傾向于使用袋式除塵[2-3]。轉(zhuǎn)爐LT法+BF(布袋除塵器)工藝流程如圖1所示，是在傳統(tǒng)LT法的基礎(chǔ)上，在煙囪前端加設(shè)布袋除塵器。轉(zhuǎn)爐LT法+BF具有良好的耐腐蝕性、耐溫性、對微細(xì)顆粒物過濾效率較高以及拒水等級高等性能。濾料作為袋式除塵器的重要組成部分，性能直接關(guān)系到袋式除塵器性能的好壞和使用壽命的長短。目前，轉(zhuǎn)爐一次煙氣超低排放常用的袋式除塵濾料有氟美斯、聚四氟乙烯(PTFE)、玻纖、芳綸、聚酰亞胺(P84)等。

圖1 轉(zhuǎn)爐LT法+BF系統(tǒng)工藝流程

1 試驗(yàn)

1.1 主要材料、儀器、設(shè)備

選用不同面質(zhì)量的氟美斯、PTFE、玻纖、芳綸、P84等9種濾料進(jìn)行基本性能測試，同時為了探究濾料的拒水性能，另選取PTFE乳液浸漬濾料進(jìn)行拒水等級測試。所用濾料相關(guān)參數(shù)見表1[4-6]。

表1 濾料基本性能參數(shù)

由表可知,經(jīng)向斷裂強(qiáng)力方面，3號濾料最優(yōu)，為1 751.3 N，8號濾料最差，為816.1 N；緯向斷裂強(qiáng)力方面，1號濾料最優(yōu)，為1 642.6 N，8號濾料最差，為846.7 N。在所測覆膜濾料中，2號濾料透氣率標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，則離散程度較大，由此可知此覆膜濾料膜的均勻性較差；對于1、4、6、8號濾料在覆膜處理前后，其斷裂強(qiáng)力并未出現(xiàn)相同變化趨勢且變化程度很小，因此覆膜對濾料斷裂強(qiáng)力的影響很??；所測濾料在覆膜前后的面質(zhì)量對比略有浮動，說明覆膜對于濾料的面質(zhì)量影響也較小[7]。濾料在覆膜處理后透氣率均出現(xiàn)了不同程度的下降，覆膜濾料的透氣率主要由膜的孔徑和覆膜工藝決定，膜的孔徑越小，則濾料的透氣率越小，濾料對微細(xì)粉塵的阻擋和攔截效果就越好[8-9]。

試驗(yàn)儀器相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗(yàn)儀器相關(guān)參數(shù)

1.2 方法

1.2.1 濾料的孔徑分布

濾料孔徑分布采用泡點(diǎn)法[10]進(jìn)行測試。樣品被浸潤液完全濕潤后，利用濾料孔徑測試儀的壓縮氣體把液體從試樣的微孔中吹出。隨著壓力的增加，氣體從樣品的一側(cè)放出，會出現(xiàn)大小、數(shù)量不等的氣泡，通過儀器可判斷出對應(yīng)的壓力值為氣泡點(diǎn)間的壓力。因樣品孔徑最大處的液體通常被壓縮氣體最先吹出，利用測定第1個氣泡出現(xiàn)時的壓力差可計算最大孔徑；通過干曲線與濕曲線交點(diǎn)處的壓力差值可計算出平均孔徑；通過測定多組透過樣品的氣流流量與壓差可計算出試樣的孔徑分布，計算公式為[11]

(1)

式中：Ki為濾料中第i個孔徑，μm；P為浸潤劑表面張力，10-5N；θ為浸潤液與孔壁接觸角，(°)；Pi為瞬時壓力，Pa。

1.2.2 濾料的過濾性能

剪取直徑為5 cm的圓形濾料3塊，取風(fēng)速為1 m/min，利用GRIMM便攜式顆粒物監(jiān)測儀測量其前、后側(cè)質(zhì)量濃度和過濾壓降，每組測12個數(shù)據(jù)，取平均值，并計算過濾效率[5]。該濾料測試平臺為清潔濾料過濾性能裝置。

(2)

式中：η為過濾效率；ρ1為前側(cè)質(zhì)量濃度平均值，μg/m3；ρ2為后側(cè)質(zhì)量濃度平均值，μg/m3。

1.2.3 防水性能測試

按照GB/T 4745—2012《紡織品防水性能的檢測和評價 沾水法》[12]的要求，將樣品在規(guī)定大氣條件下，調(diào)濕4 h后，夾持在噴淋式拒水性能測試儀上。

1)將250 mL的水迅速且平穩(wěn)地倒入漏斗，持續(xù)噴淋25～30 s。

2)噴淋結(jié)束后，立即拿開夾持器，將樣品正面向下幾乎成水平，然后對著一個固體硬物輕輕敲打一下夾持器，水平旋轉(zhuǎn)夾持器180°后再次輕輕敲打夾持器一下。

3)表3所示為濾料沾水等級描述：敲打結(jié)束后，根據(jù)表中沾水現(xiàn)象描述對夾持器上的樣品正面潤濕程度立即進(jìn)行評級。

表3 沾水等級描述

4)對樣品進(jìn)行防水性能評價。計算樣品沾水等級的平均值，修正至最接近的整數(shù)級或半級，按照表4所示的防水性能評價指標(biāo)對樣品進(jìn)行評價，計算樣品沾水等級平均值時，半級以數(shù)值0.5計算。

表4 防水性能評價

2 結(jié)果與討論

2.1 耐酸耐堿性與耐溫性測試結(jié)果及分析

實(shí)際除塵環(huán)境復(fù)雜，排出的SO2等有害氣體具有腐蝕作用[13]，使得大部分濾料在濕度大和腐蝕強(qiáng)的環(huán)境中不能保持基本性能，因此分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的NaOH溶液和60%的H2SO4溶液。按參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3923.1—2013[4]剪取經(jīng)、緯向?yàn)V料樣品在室溫為20 ℃、相對濕度為60%條件下放入上述配制溶液中浸泡24 h后，用清水沖洗，并放在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行烘干處理，然后測試其經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力，同樣測3組數(shù)據(jù)計算平均值，并計算其斷裂強(qiáng)力保持率，9種濾料的耐酸耐堿性測試結(jié)果如表5所示。

表5 濾料耐酸耐堿性測試

由表可知，1、2號濾料的耐酸耐堿性都一般，經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力保持率為70%～100%；3號濾料的耐酸性一般，經(jīng)向斷裂強(qiáng)力保持率為85%～90%，耐堿性較差[14]，經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力保持率在50%左右；4號濾料在經(jīng)過覆膜處理后耐酸性和耐堿性都出現(xiàn)了大幅度的提升；6、7號濾料的耐酸性耐堿性都較好，6號濾料經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力保持率在80%～100%，7號濾料經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力保持率在90%～120%；8、9號濾料耐酸耐堿性優(yōu)異，經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力保持率≥97%，雖經(jīng)酸堿處理后8、9號濾料斷裂強(qiáng)力保持率較高，但由表1可知其自身經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力較低，因此酸堿處理后斷裂強(qiáng)力并不高。所測濾料覆膜前后的耐酸耐堿性都出現(xiàn)了不同程度的增加，其中4號濾料表現(xiàn)得最明顯。綜上可知：1、2、5、6、7、8、9號濾料能夠較好地適應(yīng)轉(zhuǎn)爐一次煙氣酸堿腐蝕的環(huán)境，且覆膜處理對于濾料的耐酸耐堿性有一定的正向影響。

由于轉(zhuǎn)爐一次煙氣的處理對工藝有要求，一般濾袋都需要在高溫環(huán)境中即溫度為170～250 ℃條件下進(jìn)行除塵，因此濾料的耐溫性能與濾袋的使用壽命有很大關(guān)系[15]，試驗(yàn)9種濾料均選用溫度為250 ℃，加熱24 h的條件，測量其斷裂強(qiáng)力，并計算斷裂強(qiáng)力保持率。9種濾料的耐溫性能測試結(jié)果如表6所示。

表6 濾料耐溫性能測試結(jié)果

由表可知，在溫度為250 ℃高溫烘烤24 h條件下，1號和6號濾料具有良好的斷裂強(qiáng)力保持率，即≥100%，以及熱尺寸穩(wěn)定性即≤1.5%，說明1號和6號濾料能夠在溫度為250 ℃的高溫?zé)煔猸h(huán)境下使用；3號濾料耐溫性能同樣優(yōu)異；試驗(yàn)中當(dāng)4號濾料在溫度為250 ℃條件下連續(xù)烘烤24 h后，強(qiáng)力出現(xiàn)了較大幅度下降，約10%，因此4號濾料的耐溫性能較差。8、9號濾料在加熱至250 ℃后斷裂強(qiáng)力發(fā)生大幅下降，即≥6.5%，且8號濾料容易在熱、高粉塵載重的雙重影響下，發(fā)生熱蠕變現(xiàn)象，影響濾袋使用壽命[16-17]，因此8號濾料不適用于轉(zhuǎn)爐一次干式除塵系統(tǒng)煙氣環(huán)境。綜上可知：1、2、3、5、6、7號濾料對于轉(zhuǎn)爐LT法+BF系統(tǒng)的高溫?zé)煔猸h(huán)境具有良好的適應(yīng)性。

2.2 孔徑分布

9種濾料的孔徑分布、孔徑測試參數(shù)如圖2、表7所示。由圖2和表7可知，3號濾料的孔徑在5.57～7.55 μm所占比例最高，為34.002%；4號的孔徑在0.79～2.76 μm所占比例最高，為54.057%；5號的孔徑在2.76 μm以下占比為81.520%；6號的孔徑在1.29～3.50 μm所占比例最高，為31.356%；7號的孔徑在0.79～2.76 μm所占比例最高，為47.210%；8號的孔徑在8.71～11.35 μm所占比例最高，達(dá)到31.501%；9號在7.70～9.79 μm所占比例最高，為25.102%。由圖2可知，1、2號濾料的孔徑分布類似，孔徑分布范圍并未變小且覆膜處理后2號濾料孔徑分布變化不大，2號濾料孔徑分布反映出膜的不均勻問題，與表1中透氣率的標(biāo)準(zhǔn)偏差反映的規(guī)律一致。結(jié)合表1的數(shù)據(jù)可知：濾料的透氣率與其最大孔徑有關(guān)，總體來說，最大孔徑越大，透氣率值越大，透氣性越好，相同材質(zhì)下覆膜濾料的孔徑分布相對更加集中[8]。

(a)1號濾料(b)2號濾料(c)4號濾料(d)5號濾料(e)6號濾料(f)7號濾料(g)8號濾料(h)9號濾料

表7 濾料孔徑測試參數(shù)

2.3 過濾性能

9種濾料在清潔狀態(tài)下的過濾性能如圖3所示，均選取過濾風(fēng)速為1 m/min下的過濾效率。

由圖3可知：過濾風(fēng)速為1 m/min時，3號濾料的過濾效率總體上隨顆粒物粒徑的增大而增大，最易穿透粒徑出現(xiàn)在1.00 μm處；4號濾料和5號濾料的平均孔徑都較小，當(dāng)顆粒粒徑大于1.30 μm時，2種濾料的過濾效率均達(dá)到100%。本試驗(yàn)中，5號濾料對各粒徑段顆粒物均保持80%以上的過濾效率；7號濾料對微細(xì)顆粒物的過濾效率均在70%以上；8、9號濾料對微細(xì)顆粒物的過濾效率總體上隨顆粒物粒徑的增大而增大，當(dāng)顆粒粒徑大于2.50 μm時，2種濾料對顆粒物的過濾效率均達(dá)到100%。由于9號濾料自身孔徑較大，中值孔徑為8.96 μm，因此該種濾料對于粒徑在0.50 μm以下的細(xì)顆粒物的過濾效率不高(<60%)，且該覆膜濾料對比未覆膜濾料在對細(xì)顆粒物的過濾精度方面的優(yōu)勢并不顯著。本試驗(yàn)中2號濾料膜的均勻性較差，因而對于微細(xì)顆粒物無法發(fā)揮膜層表面過濾的優(yōu)勢，表現(xiàn)為覆膜濾料與未覆膜濾料對微細(xì)顆粒物的過濾效率相當(dāng)；另一方面，由于非均勻厚度膜的存在，也造成了濾料過濾效率的波動，同時與4、5號濾料的過濾效率對比，進(jìn)一步說明了均勻覆膜的重要性。由上述結(jié)果可知：未覆膜濾料中，4號濾料過濾效率最高(≥68%)，8號濾料最低(≥30%)；覆膜濾料中，5號濾料過濾效率最高(≥80%)，3號濾料最低(≥28%)；同種材質(zhì)的覆膜濾料對于顆粒物的捕集率要高于未覆膜濾料的[18-19]，因?yàn)楦材ぬ幚韺?dǎo)致濾料的孔隙率變小，所以過濾阻力也隨之升高[20-21]。

(a)1號濾料和2號濾料過濾效率(b)1號濾料和2號濾料過濾阻力(c)3號濾料過濾效率(d)3號濾料過濾阻力(e)4號濾料和5號濾料過濾效率(f)4號濾料和5號濾料過濾阻力(g)6號濾料和7號濾料過濾效率(h)6號濾料和7號濾料過濾阻力

2.4 防水性能

由于轉(zhuǎn)爐LT法是在高濕環(huán)境下進(jìn)行除塵，因此為了模擬轉(zhuǎn)爐LT法+BF系統(tǒng)，對所選9種濾料進(jìn)行拒水等級測試，并選取1種PTFE乳液浸漬濾料進(jìn)行拒水等級測試，進(jìn)而對比探究覆膜處理與PTFE乳液浸漬2種不同工藝對于拒水等級的影響，結(jié)果見表8。

表8 防水性能

由表可知，未覆膜濾料中，8號濾料拒水等級最高，為3.5級，6號濾料最低，為1級；覆膜濾料中，9號濾料最高，為4級，2號濾料最低，為2級；測試的10種濾料中：10號濾料拒水等級最高，為5級，3號濾料和6號濾料的拒水等級最低，為1級。PTFE因其表面的光滑性，本身就具有較好的防水性能[16]，濾料在經(jīng)過覆膜處理后，拒水等級有了一定的提升，但覆膜處理的提升程度不及PTFE乳液浸漬[22]。

3 結(jié)論

1)在轉(zhuǎn)爐LT法+BF系統(tǒng)的高溫、高濕、酸堿腐蝕環(huán)境下，轉(zhuǎn)爐一次煙氣超低排放用覆膜濾料相比未覆膜濾料具有較好的適應(yīng)性。

2)覆膜對于濾料面質(zhì)量以及斷裂強(qiáng)力的影響很小，覆膜濾料的孔徑分布范圍小于未覆膜濾料的，且覆膜濾料孔徑分布更加集中。覆膜處理對于濾料的拒水等級具有一定的正向影響，但影響程度不及進(jìn)行PTFE乳液浸漬的濾料，因此在長期穩(wěn)定運(yùn)行工況下，不能單依靠對濾料進(jìn)行覆膜處理。該結(jié)果可為下一步研發(fā)轉(zhuǎn)爐一次煙氣超低排放用拒水濾料提供參考。

3)膜自身的均勻性、覆膜工藝等對于濾料的過濾性能、耐酸耐堿性、拒水等級都有一定程度的影響，覆膜濾料相比同材質(zhì)的未覆膜濾料過濾效率有明顯的提高，對于捕集微細(xì)顆粒物具有明顯優(yōu)勢，過濾阻力也隨之增大，且過濾阻力受膜的質(zhì)量影響也較大，因而膜的均勻性顯得尤為重要，對于除塵效率要求高的場合，如顆粒物排放質(zhì)量濃度≤5 mg/m3時，宜選用覆膜濾料。