水泥窑布袋除尘几种常用滤料的性能研究

Posted 2023-01-12 阻力

篇首语：学向勤中得，萤窗万卷书。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水泥窑布袋除尘几种常用滤料的性能研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

笔者通过试验，对比了水泥窑布袋除尘器常用的玻纤针刺毡、玻纤覆膜、P84针刺毡和窑之星针刺毡四种滤料的耐化学性能、阻力特性和过滤性能等指标，提出了适合脉冲清灰、运行阻力小、使用寿命长、柔韧性好、能耗低，使用寿命期内性价比高的滤袋材质，为水泥窑布袋除尘器滤料选用提供参考。
关键词：玻纤针刺毡；玻纤覆膜；P84针刺毡；窑之星
0前言
随着GB4915-2004《水泥工业污染物排放标准》环保标准的实施，窑尾烟尘排放浓度要求≤50mg/Nm3，部分地区已经要求窑头窑尾烟尘排放浓度≤30mg/Nm3。因此，采用袋式或电袋复合除尘器(包括电袋复合除尘器的袋区，统称为袋式除尘器，下同)，是解决窑尾烟尘达标排放的主要手段之一。而滤袋是袋式除尘器的“核心”组件，其质量和性能好坏决定了袋式除尘器的运行效果、使用寿命和经济性。因此，对各类滤料的性能优劣进行比较，选择性价比较高的滤袋，是水泥生产企业关心的焦点。
由于水泥生产工艺的不同，烟尘性质的差别，运行管理水平的差异，致使滤袋的使用条件千差万别，很难对实际工程中各种滤袋的性能进行准确比较。因此笔者选择了水泥窑使用较多的四种滤袋的滤料进行实验室条件下的性能技术比较。目的在于指导用户正确选择性价比较高的滤袋，减少选择的盲目性和随意性，满足过滤效率高、运行阻力低、节能、使用寿命长的要求。为此，特选择了水泥窑最常用的玻纤覆膜(GL-11)、玻纤针刺毡(GL-N)、P84针刺毡(PI)、窑之星针刺毡(K-Star)等四种滤料的性能进行试验比较。
1基本特点
玻璃纤维是由熔融玻璃液体经喷丝孔板拉制的玻璃纤维原丝，按一定的工艺和要求生产成玻璃纤维捻丝。然后，按不同目的和要求纺织成斜纹、破斜纹、纬二重等不同的玻璃纤维素布。最后，按使用条件进行后处理。玻璃纤维滤料具有耐温高、耐腐蚀等优点。
(1)P84(P84为商品名，学名聚酰亚胺，简写PI)纤维滤料。它是一种高技术，有机高分子材料。P84纤维截面成三叶型，有非常高的纤维表面积系数，与其他形状截面的纤维相比具有比表面积大，空隙小，孔隙率大的特点。除此之外，P84纤维滤料可在260℃以下连续使用，瞬时温度可达280℃具有过滤效率高、运行阻力低、使用寿命长的特点。
(2)玻纤覆膜滤料。是在玻璃纤维滤料表面构造一层微孔膜态物，并使其致密地附着在玻璃纤维基料表面，充分发挥附着膜的作用，改善了滤料的耐水、耐油、耐腐蚀和透气性。改善玻璃纤维滤料的性能。
(3)针刺毡类滤料。属于非织造滤料，目前常用的针刺毡类滤料都是在基布基础上，将高度蓬松而无强力的纤维网进行针刺成型，并经过复杂的工艺过程，使其针刺毡滤料中的纤维成立体交错的三维结构，这种结构有利于粉尘层的形成，过滤和清灰后不存在直通空隙，过滤效果稳定。
(4)窑之星针刺毡滤料。属于非织造复合滤料，采用高性能芳砜纶纤维为主要原料，填充一定比例P84纤维，以聚四氟乙烯长丝基布为结构支撑，融入“三维非对称结构”与“表面微孔化”设计思想，该滤料可与P84滤料相媲美，具有高效、低阻、长寿命的特点。
2试验
2.1实验样品
在市场上随机采购玻纤覆膜滤料、玻纤针刺毡滤料、P84针刺毡滤料和窑之星针刺毡滤料，各取2m2作为试验样品，各样品克重如表2-1所示。
表2-1各样品克重

2.2试剂与仪器
试验中所用试剂主要有浓硫酸，氢氧化钠，实验仪器设备有YG461E-Ⅱ数字式透气量仪，YG026C电子织物强力机，YG032D织物涨破仪，1-AT型德国机械工程师协会标准滤料模拟测试装置，DXS-10A型扫描电子显微镜及0～400℃热烘箱等。
2.3实验方法
清洁滤料透气性能采用YG461E-Ⅱ数字式透气量仪按GB/T5453方法测试。
(1)耐温性及热收缩率测试。取少许样品置于烘箱内，维持一定时间后，取出并测量强力，计算热烘前后的强力保持率及热收缩率。
(2)耐化学性能测试。配置各种浓度的化学溶液，将样品浸泡其中，在一定的温度下，维持一定的时间，取出并测量样品的强力，计算浸泡前后的强力保持率。
(3)机械强力衰减实验。分别裁取6块直径为155mm的各滤料样品，采用1-AT型德国机械工程师协会标准滤料模拟测试装置的脉冲喷吹系统，分别对样品进行脉冲喷吹后(喷吹压力5Bar)，取出测量其爆破强力。
扫描电子显微镜分析。取少量滤料样品，利用等离子衍射仪进行镀金，然后放入扫描电子显微镜样品台进行观察，得到各纤维样品的微观形貌,过滤性能测试，参照德国机械工程师协会标准[1]进行，即VDI3926-2004。
3试验结果与讨论
3.1清洁滤料透气性能测试

表3-1为四种样品清洁时的透气量数据，因玻纤硬而脆，纤维基本没有卷曲，成毡后纤维缠结少，因此孔隙率相对化纤滤料低，故而GL-N透气量低；GL-11透气性主要由表层e-PTFE薄膜决定，PI与K-Star同属化纤滤料，纤维卷曲度高，纤维之间缠结度高，因此成毡孔隙率高，透气性好。
3.2耐化学性能测试
裁取适量玻纤针刺毡滤料、玻纤覆膜滤料、P84针刺毡滤料和窑之星针刺毡滤料样品分别置于50%H2SO4溶液并放人90℃水浴中与常温的15%NaOH溶液，放置24h后，测量各样品的强力保持率，结果如表3-2所示，由表可知，窑之星针刺毡滤料样品的耐酸、耐碱综合性能最优，玻纤类滤料耐酸性较差，P84针刺毡滤料耐碱性较差。

3.3热性能测试
如图3.1所示，四种样品的耐热性能基本在同一水平，P84针刺毡滤料、窑之星针刺毡滤料由于是高分子合成材料，在加热初期，P84针刺毡滤料和窑之星针刺毡滤料在热流作用下，分子链段发生固相缩聚或热结晶，使聚合度或结晶度增加，强力有所上升；而玻纤针刺毡滤料和玻纤覆膜滤料属无机材料，在250℃强力基本保持不变。

3.4机械强力衰减性能测试(耐折性)
从图3.2可以看出，对P84针刺毡和窑之星针刺毡两种滤料样品，虽然初始的爆破强力比玻纤针刺毡、玻纤覆膜低，但随着脉冲喷吹次数的增加，玻纤针刺毡、玻纤覆膜的爆破强力基本上呈线性下降，当脉冲喷吹次数达到20000次时，强力已下降了45%，主要原因是玻纤基材不耐折，硬而脆，导致其在长期反复的脉冲喷吹后，纤维断裂使滤料整体强力线性下降。而P84针刺毡和窑之星针刺毡由于均为化纤滤料，韧性好，在长期脉冲喷吹过程中，衰减幅度极小，基本成直线状态，具有良好的耐冲击性。从而可以断定，其使用寿命大于玻纤针刺毡和玻纤覆膜。

3.5扫描电子显微镜分析
图3.3是脉冲喷吹20000次后各种滤料SEM分析照片。由于玻纤硬而脆，无法承受高能型的反复脉冲喷吹，不管是玻纤针刺毡还是玻纤覆膜，经20000次喷吹后的样品SEM分析，可以明显看出玻纤针刺毡单纤维断裂，玻纤覆膜纱线断裂现象，一旦纱线断裂，袋体内积尘量增加，透气性变差，进而导致阻力迅速上升；而P84针刺毡、窑之星针刺毡纤维表面保持光滑，没有发现任何损伤，纤维表面仍保持原始状态。进一步证明了玻纤类滤料耐折性差的特性。

3.6过滤性能测试
定时清灰时，各样品压差随时间变化情况。德国机械工程师协会标准试验中，老化阶段是一个很重要的过程，即模拟“粉饼”形成的过程，采用间隔5s喷吹，共喷吹5000次。在老化过程中，比较各样品形成“粉饼”的能力及阻力特性。由图3.4可知，玻纤针刺毡阻力曲线上升趋势最为明显，表明该滤料清灰性能较差，粉尘容易渗入滤料深层，导致阻力上升速度较快；玻纤覆膜表面有一层PTFE微孔膜作为人造“粉饼”层，初始阻力比其他三种滤料都要高；而P84针刺毡和窑之星针刺毡两条阻力曲线则上升平缓，显示了独特的低阻特性。

老化后，各滤料样品定压过滤性能的综合比较。在定压1000Pa下四种样品，进行30次过滤与清灰过程试验，由图3.5、图3.6可知，玻纤针刺毡残留阻力最高，玻纤覆膜次之，P84针刺毡和窑之星针刺毡阻力相当，均低于玻纤类滤料，进一步证明了P84针刺毡和窑之星针刺毡低阻的优异特性。

老化后滤料表面已形成“稳定”的粉饼层，滤料过滤效率可以进一步反映粉饼层的质量，由图3.7可知，窑之星针刺毡、P84针刺毡和玻纤覆膜过滤效率要明显高于玻纤针刺毡滤料。

为了进一步比较滤袋过滤性能的优劣，对于以上试验后的样品，进行粉尘渗入滤料深层渗人量的对比，结果如表3-3所示。由对比数据表明，玻纤针刺毡粉尘渗入量大，这要归因于玻纤卷曲少，成毡密实度不佳，且经喷吹后，纤维断裂，不但导致运行阻力增加，还导致粉尘容易渗入逃逸。

4废弃滤袋的处理问题
一般情况下，滤袋使用寿命≤30000h，因此，将有大量废弃滤袋亟待处理，是由滤袋生产商、除尘器生产商还是用户处理尚不明确，更换下来的废弃滤袋随意处置，多数情况下任意堆放，由此而产生的二次污染问题尚无人过问，目前处在“三不管”状态。对废弃滤袋处理问题国内研究的还不多，处在起步阶段。通常认为，最有效、最彻底的处理方法是焚烧，焚烧所产生的有害和有毒气体问题也必须引起人们的高度重视。表4-1[2]是四种废弃滤袋在温度大于850℃焚烧过程中产生的污染物物质情况。

从表4-1中不难看出，玻璃纤维和PTFE(聚四氟乙烯)类废弃滤袋焚烧产生的氟化氢(HF)含量最高，其中玻璃纤维含HF为12.74mg/g；PTFE含HF高达540.1mg/g。我们知道HF是极强的腐蚀剂，有剧毒，空气中含量只要超过3ppm就会产生刺激气味，对人体极其有害；聚苯硫醚含HCl(氯化氢)0.73mg/g，HCl是毒性气体，二战时法西斯作为杀人毒气；另外，H2S(硫化氢)含量也较高，H2S也是剧毒气体；从表中也不难看出P84焚烧后所含有害毒气最少，焚烧后烟气中主要是CO2，含量为2428mg/g。P84焚烧过程中基本不产生毒性物质，适合焚烧处理。
5结论
(1)透气性能。四种滤料透气性有所不同，玻纤毡孔隙率低，P84与窑之星透气性较好，玻纤覆膜透气性受表层e-PTFE薄膜决定。
(2)耐化学性能。四种滤料都有较好的热稳定性，强力保持良好。适合烟气在260℃以下连续使用，瞬时温度可达280℃短时使用。
(3)耐化学性能。窑之星针刺毡样品的耐酸、耐碱综合性能最优；玻纤类耐酸性较差；P84针刺毡耐碱性较差。
(4)机械强力衰减性能。玻纤基材不耐折，硬而脆，长期反复脉冲喷吹后，纤维断裂使滤料整体强力线性下降；P84针刺毡与窑之星针刺毡由于均为化纤滤料，韧性好，在长期脉冲喷吹过程中，衰减幅度极小。
(5)SEM分析。经20000次喷吹后进行SEM分析。玻纤针刺毡单纤维有明显断裂；玻纤覆膜纱线断裂现象，一旦纱线断裂，袋体内积尘量增加，透气性变差，进而导致阻力上升；而P84针刺毡和窑之星针刺毡纤维表面保持光滑，没有发现任何损伤。
(6)阻力特性。玻纤针刺毡阻力曲线上升趋势最为明显，表明该滤料清灰性能较差，粉尘容易渗入滤料深层，导致阻力上升速度较快；玻纤覆膜表
面有一层PTFE微孔膜作为人造“粉饼”层，初始阻力比其它三种滤料都要高；而P84针刺毡和窑之星针刺毡两条阻力曲线则上升平缓，显示了低阻特性。
(7)过滤性能测试。玻纤针刺毡过滤性能低于其他三种滤料；其他三种滤料过滤性能相近，具有较高的过滤性能。
(8)废弃滤袋后处理。从上面试验结果得出P84最适合焚烧处理，基本不产生有毒气体，产生CO2量与聚苯硫醚相当，对人类健康不产生直接影响，容易处理，而其他几种滤袋焚烧过程产生具毒性气体。
综上对各样品进行系统试验与分析对比，表明P84针刺毡和窑之星针刺毡滤料各项性能均优于玻纤类玻纤针刺毡和玻纤覆膜滤料，在废弃滤袋处理中更显示出独特优势。
6建议
用户应依据所处理的烟尘性质和具体使用条件，审慎选择滤料。一般情况下应首先选择毡料类滤料。P84针刺毡和窑之星针刺毡滤料具有良好的过滤特性、化学稳定性和低阻力特性，大量工程实践证实P84针刺毡和窑之星针刺毡使用寿命长，柔韧性好，适合脉冲清灰。初期投资高引起的成本增加，可通过其运行阻力小，能耗低加以补偿。P84具有良好的后处理特性，因此，在滤袋使用寿命期内，整体性价比最高。
参考文献
[1]VDI/DIN-3926Testingofcleanablefiltermedia/Standardtestfortheevaluationofcleanablefiltermedia.October2004.
[2]日本东洋纺株式会社试验数据[R]