陈昌江,陆振乾,杨加左

(1.盐城市纤维检验所,江苏 盐城224051;2.盐城工学院 纺织服装学院,江苏 盐城224051;3.江苏森源环保材料有限公司,江苏 盐城224499)

近年来国家对大气污染的防治力度不断加大,2015年实施的《大气污染防治法》要求部分地区、新建企业实现超低排放[1],颗粒物排放浓度由原来的30-50 mg/m3降低到5-10 mg/m3。袋式除尘器对粉尘尤其是超细颗粒粉尘具有很好的捕集能力,正逐步取代电式除尘,其市场份额逐年增加,被广泛应用于燃煤发电、钢铁、水泥、化工等行业[2-3]。而除尘滤料正是袋式除尘器的核心,其性能直接决定了袋式除尘器的除尘效果。由于袋式除尘的应用环境大多处于高温烟气的环境中,因此对耐高温滤料的研究引起了业界的广泛关注。

根据烟气的温度范围,纺织滤料领域将滤料分为中低温滤料(90-140℃),中高温滤料(140-200℃),高温滤料(200-300℃)及特高温滤料(300℃以上)4大类;而在工业上将260℃以上的气固直接分离滤料称为高温除尘滤料[4-5]。本文对各种耐中、高温以上的除尘滤料进行了综述,分析了各种耐高温有机及无机纤维滤料的性能和特点,为开发新型耐高温滤料提供一定帮助。

1 耐高温有机纤维滤料

耐高温有机纤维具有纤维强度高、耐腐蚀性能好,柔韧性能和可纺性优良的特点,被广泛应用于除尘滤料中。目前用于工业除尘滤料的耐高温纤维主要有聚苯硫醚(PPS)纤维、聚四氟乙烯(PTFE)纤维、聚酰亚胺(PI)纤维、间位芳纶(PMIA)纤维、芳砜纶和预氧化纤维等。

1.1 聚苯硫醚滤料

聚苯硫醚(PPS)纤维的分子链主要由硫和苯环交替连接,是一种线性的高分子聚合物。纤维的结晶度高,具有较好的耐高温特性和优异的耐酸、碱腐蚀特性。PPS纤维滤料具有很好的抗水解性能,常用于高湿的烟气中,综合性能优异[6]。PPS滤料的最大缺点是耐氧化性差,在NO2、NO和臭氧的环境下PPS滤料会加速老化,其使用寿命下降明显[7-9],建议在含氧量小于14%的烟气环境中使用[10]。PPS滤料的连续使用温度为190℃,瞬间使用温度为210℃。目前广泛应用于燃煤电厂、垃圾焚烧炉、医院焚烧炉等高温烟气过滤。

1.2 聚四氟乙烯滤料

聚四氟乙烯(PTFE)纤维是全氟化的直链高聚物,由四氟乙烯单体聚合制得,被称为“塑料之王”。聚四氟乙烯纤维具有优异的耐化学腐蚀性能,对常见的酸、碱和有机溶剂均具有很好的抵抗能力,即使浸泡在浓H2SO4、浓HNO3中仍能保持其机械性能。聚四氟乙烯纤维滤料是目前耐温性和耐化学性能最好的一种有机滤料,在高温和腐蚀性气体中的使用寿命长[11];其连续工作温度为260℃,瞬间耐温可达300℃[12]。同时聚四氟乙烯纤维的摩擦系数低,滤料的清灰性能优异。采用聚四氟乙烯纤维微孔型膜材与普通针刺毡基料进行复合,可以制成PTFE覆膜滤料[13]。该滤料具有过滤精度高,清灰性能优异的特点。聚酰亚胺滤料的优异性能使其在高温、高腐蚀性和含油含水等特殊烟气过滤中应用广泛,成为垃圾焚烧高温烟气过滤领域中理想的过滤材料。

1.3 聚酰亚胺滤料

聚酰亚胺(PI)纤维主链含有酰亚胺基团,具有高模量、高强度和耐高温的特点[14]。PI纤维独特的三叶瓣状纤维截面使其具有较高的比表面积,提高了捕尘效果。其滤料长期使用温度为230℃,瞬间使用温度达到260℃,耐温性能优异。PI滤料的耐酸性能很好,耐碱性能一般,抗氧化性能很好优于PPS滤料。PI滤料的最大缺点是抗水解性能差[15]。PI滤料主要应用于低含硫量的炉窑中,如水泥生产线窑尾的烟气除尘中。

1.4 间位芳纶滤料

间位芳纶纤维即芳纶1313纤维(间苯二甲酰间苯二胺,PMIA),其分子链主链由苯环酰胺键组成,具有良好的热稳定性、化学稳定性和阻燃性。PMIA纤维的极限氧指数为28%～32%,属于难燃纤维[16]。PMIA滤料的长期使用温度为200℃,瞬间耐温达到240℃,耐温性能优于PPS滤料。间位芳纶滤料的力学性能、耐碱性良好,优于芳砜纶纤维[17]。间位芳纶滤料广泛应用于燃煤电厂、钢铁行业及沥青搅拌等高温烟气除尘领域。

1.5 芳砜纶滤料

芳砜纶学名为聚砜酰胺纤维(PSA),属于芳香族聚酰胺纤维,是由我国开发的一种耐高温合成纤维。PSA纤维的玻璃化转变温度为257℃,可在250℃的条件下长期使用。其阻燃性优异,极限氧指数达到30%[18]。PSA滤料的耐酸性能、抗氧化性能良好,主要应用于水泥生产线的窑头和窑尾,以及钢铁行业的高温烟气除尘[19]。

1.6 PAN预氧化纤维滤料

聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维是由PAN长丝在180-300℃的高温下,经空气氧化获得的。预氧化纤维具有优良的热稳定性,其极限氧指数达到45%,是一种不燃纤维。预氧化纤维耐酸碱腐蚀性能良好[20],但预氧化纤维的卷曲少、脆性大、可纺性差;可以与其他的耐高温纤维进行混合成网,制备针刺毡。同时采用耐高温的纤维基布来进行增强,可提高滤料的力学性能。预氧化丝滤料可应用于PPS滤料无法使用的高温烟气除尘中[21]。

2 耐高温无机纤维滤料

相对于有机纤维来说,无机纤维在耐温方面具有明显的优势,可以突破有机纤维的使用温度极限,而且价格上具有明显的优势。在滤料行业中常用的无机纤维材料主要有玻璃纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维和金属纤维。

2.1 玻璃纤维滤料

玻璃纤维的主要成分为二氧化硅,氧化钙、氧化铝及其他的金属氧化物。玻璃纤维的强度高,除氢氟酸外,耐酸、碱腐蚀性较好[22]。玻纤滤料具有极好的耐温性能,能够在高达280℃的环境下长期使用,尺寸稳定性好。其中高硅氧玻纤滤料的连续工作温度可达900℃。玻纤滤料的缺点是脆性大、不耐折,且耐磨性差;因此玻纤滤料不宜采用脉冲或机械振动的清灰方式[23]。

2.2 玄武岩纤维滤料

玄武岩纤维是由玄武岩矿石在1 500℃温度下熔融拉丝而成的矿物纤维。玄武岩纤维的断裂强度高,耐酸碱,耐水、耐氧化性好,为不燃纤维[24]。玄武岩纤维滤料具有很好的耐温性能,工作温度达300℃,极限温度达到860℃。同玻纤类似其滤料的耐折性差,不能采用脉冲或振荡的清灰方式。玄武岩纤维滤料主要用于钢铁、化工等工业烟气除尘[25-26]。

2.3 陶瓷滤料

陶瓷纤维的种类较多,有石英纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等。陶瓷纤维的耐高温性能优异且热稳定性好,如3M公司生产的ABS纤维滤料可以在760℃条件下连续地工作[27];而且陶瓷滤料的化学稳定性优异[28]。陶瓷滤料有纤维毡和烧结多孔陶瓷膜两种,其中纤维毡的抗震性能好,不易破损,但是过滤精度比较低。烧结陶瓷膜的过滤精度比较高,但其延展性和抗热震性能较差。陶瓷滤料主要应用于炉窑工业等高温作业场所[29]。

2.4 金属纤维滤料

用于滤料的金属纤维主要有304、316、310S不锈钢、铜基合金、铁铬铝(FeCr Al)、GH30高镍合金和GH4高温合金等[30],通常采用烧结工艺或针刺工艺制备各种金属纤维烧结毡、针刺毡。金属纤维滤材的耐温性能优异,可在600℃高温下连续工作。滤料的机械强度高、耐腐蚀性能好,可采用脉冲清灰,加工性和抗热震性优于陶瓷纤维滤料。金属滤料广泛应用于煤气化工艺中的高温煤气除尘净化、高温活化炉过滤器等领域[31]。

3 结语

耐高温除尘滤料在工业生产中的应用范围广泛,对节能减排和大气治理意义重大。有机纤维柔韧性好,其滤料的可加工性能好,过滤精度高,适用性广;无机纤维滤料的价格较低,使用温度高,可以用在有机纤维滤料无法满足的高温工况环境下。但无机纤维滤料的过滤精度和产品的耐用性方面不如有机纤维滤料。因此可以采用复合工艺,结合各种纤维的优势,取长补短,将有机纤维与无机纤维进行复合,开发出综合性能优异的新型耐高温复合纤维滤料,为我国高温烟气净化提供有力保障。