燃煤電廠煙塵治理用濾袋選擇

陳秀娟

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

引言

電袋復(fù)合除塵器是一種重要的除塵設(shè)備，在燃煤電廠的煙塵治理方面已得到廣泛應(yīng)用。濾袋作為電袋復(fù)合除塵器的重要組成部分，其選型及性能至關(guān)重要。在燃煤鍋爐煙氣治理用濾料選型時，主要考慮使用環(huán)境溫度，其次還要考慮耐酸、耐堿、耐水解、耐氟等性能，濾料通常選用PPS、P84、PTFE、GL等纖維或纖維混紡，并需經(jīng)過針刺、熱定型、后置處理等工序[1]。2015年年底，原環(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合下發(fā)《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知，對燃煤電廠的污染物控制提出了超低排放和確保環(huán)保設(shè)備節(jié)能運行等要求[2]。在超凈排放要求下，高精過濾濾料如梯度濾料、覆膜濾料等得到了推廣。濾袋的材料性能直接影響除塵器的除塵效率和運行阻力。濾料選型不僅需要滿足除塵器穩(wěn)定運行的要求，同時也要考慮其經(jīng)濟(jì)性能。濾料的選型在燃煤電廠煙塵治理方面起到重要作用。

目前，燃煤電廠的除塵器較多采用的濾料為滌綸、丙綸、芳綸、聚酰亞胺、聚苯硫醚（PPS）、聚四氟乙烯（PTFE）、改性玻纖濾料等，每種濾料適用的煙溫及工況條件不一樣，如果選型不當(dāng)，濾料易出現(xiàn)破損甚至失效。當(dāng)煙氣中的H2O含量較高時，采用滌綸、芳綸、PI等，濾料易出現(xiàn)水解而失效。當(dāng)煙氣氧氣含量超過8%，溫度長時間超過190℃時，PPS濾料易出現(xiàn)氧化以致變色發(fā)脆，纖維出現(xiàn)斷裂，濾料強度衰減直至失效。因此，為了保證濾料的正常使用壽命，必須根據(jù)復(fù)雜的使用環(huán)境和排放及阻力要求，嚴(yán)格進(jìn)行濾料選型。

1 濾袋選型的影響因素

濾料選型受多方面因素的影響，首先要考慮濾料的使用環(huán)境，包括除塵器的運行溫度、煙氣成分、粉塵物理特性等，選擇一種纖維或多種纖維按一定比例混合；然后需要根據(jù)除塵器的排放要求和運行阻力，對濾料結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，采用梯度濾料、覆膜濾料、常規(guī)濾料或其他結(jié)構(gòu)濾料。

1.1 濾料的使用環(huán)境

濾料的使用環(huán)境是濾料纖維選擇的重要因素，不同使用環(huán)境可采用不同的纖維，宏觀上對纖維進(jìn)行分配，達(dá)到物盡其用，避免在惡劣使用環(huán)境下使用不當(dāng)纖維，導(dǎo)致濾料未到使用壽命終期而破損，并避免在一般使用環(huán)境下使用高端濾料而造成浪費。

1.2 煙氣溫度的影響

濾料的耐溫性能是有限的，所以煙氣溫度是濾料選型的一個重要指標(biāo)。在運行過程中，要保證鍋爐穩(wěn)定燃燒，煙氣溫度需控制在濾料使用溫度范圍內(nèi)，盡量減少濾料瞬間高溫的使用。濾料選型要根據(jù)煙氣溫度對濾料纖維進(jìn)行選擇，可以選擇一種或多種耐溫纖維混合作為主體，適當(dāng)增加其他性能纖維。

行業(yè)內(nèi)較多采用聚苯硫醚（PPS）纖維濾料，PPS是高結(jié)晶性的芳基硫聚化合物，耐水解，具有良好的耐熱阻燃性能和電氣性能。其能在160℃下長期使用，允許瞬間溫度達(dá)到210℃，但不超過半個小時。隨著使用溫度的升高及時間的延長，PPS濾料受煙氣中SO2、NOx、O2腐蝕的速度會加快，使PPS濾料分子鏈出現(xiàn)損壞，濾料壽命受影響。根據(jù)瑞典化學(xué)家發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，溫度每升高10℃，化學(xué)反應(yīng)速度會加倍。溫度過高時，會破壞濾料的分子結(jié)構(gòu)，使濾料的性能發(fā)生脆化、表面收縮、變形，導(dǎo)致濾料失效。柳獻(xiàn)靜等[3]考察了溫度對PPS濾料的影響，認(rèn)為隨著溫度的升高，PPS針刺氈強力出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，190℃為PPS濾料的強度最大溫度點。

若煙氣溫度低于酸露點，粉塵黏結(jié)在濾料表面形成板結(jié)，不僅會造成除塵器阻力過大，而且濾料容易受煙氣中有害氣體的腐蝕，降低濾料壽命。

聚四氟乙烯（PTFE）有“塑料王”之稱，具有較低的摩擦性、阻燃性以及良好的絕緣和隔熱性能，能耐各種氧化劑的氧化腐蝕，吸濕性低、耐水解，由其制成的濾料能在260℃連續(xù)運行，瞬間允許280℃。由100%PTFE纖維制成的濾料，強力相對較低，在未覆膜狀態(tài)下，不易清灰，運行阻力高。100%PTFE纖維制成的覆膜濾料，有較好的耐溫及過濾性能，但成本相對較高。

從PPS及PTFE兩種纖維的耐溫性能及經(jīng)濟(jì)性考慮，PPS纖維價格適中，但抗氧化能力差、韌性差，并且不耐超過190℃的溫度，需要與PTFE高性能纖維復(fù)合制成復(fù)合濾料，以彌補PPS纖維自身的缺點。

在大于300℃的高溫環(huán)境下，要選擇耐高溫的濾料，化纖濾料很難滿足高溫使用的要求，且化纖濾料的使用壽命較短，后續(xù)廢棄濾袋回收麻煩。目前市面上興起的合金濾料是一種多孔復(fù)合材料，由金屬基體和氣孔組成，具有良好的透過性能，其孔徑從幾納米到幾百微米，孔隙率30%～80%[4]。合金濾料耐高溫、耐腐蝕，壽命能達(dá)8年以上，且與化纖濾料相比，廢棄濾料的處理回收簡單方便。但在燃煤電廠煙塵治理方面，還未大范圍使用合金濾料，主要原因為該濾料比化纖濾料的價格高出很多。合金濾料的原材料價格并不高，造成價高的原因可能與工藝及生產(chǎn)程序有關(guān)，在改進(jìn)工藝的情況下，價格有很大的可調(diào)空間。在未來燃煤電廠煙塵治理方面，面對高溫及低排放的要求，合金濾料的使用將成為一種趨勢。各種常用纖維耐溫性能見表1。

表1 各種常用纖維耐溫性能

1.3 煙氣成分的影響

燃煤電廠鍋爐煙氣的主要成分為N2、O2、CO2、SO2、SO3、H2O、NO、NO2、H2S等，影響濾料的主要成分為O2、SO2、SO3、H2O、NO2等。由于電廠鍋爐出口煙溫大多在140℃以上，目前濾料使用較多的是PPS、PTFE、PI等纖維。

1.3.1 SO2對PPS纖維的影響

濾料選型時要先根據(jù)煤質(zhì)參數(shù)，考慮硫分的影響。按照《中國煤中硫分等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》劃分（見表2），中硫煤系指硫含量在1.51%～2%的燃煤（1%～1.5%為“低中硫煤”）[5]。當(dāng)鍋爐燃用較高硫含量的燃煤時，煙氣中的硫氧化物濃度很高，這些有害氣體會腐蝕濾料，影響濾袋的使用壽命。因而濾料在選型時應(yīng)根據(jù)煤質(zhì)參數(shù)中的硫含量，選擇不同PPS與PTFE纖維配比的濾料。煤的含硫量折算煙氣中SO2的濃度見表3。

表2 中國煤中硫分等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表3 煤的含硫量折算煙氣中二氧化硫的濃度

莊玉玲等通過實驗證明，PPS對SO2氣體具有良好的耐酸腐蝕性，但隨著SO2氣體溫度升高、時間延長及氣體體積比的提高，PPS針刺氈的性能有所下降。尤其高溫會加速腐蝕的速度，原因是SO2對PPS分子鏈狀結(jié)構(gòu)的破壞，使PPS聚合鏈之間產(chǎn)生斷裂或滑移。為延長PPS濾料使用壽命，SO2的體積比在700mg/m3以下為宜[6]。SO2經(jīng)催化形成SO3，SO3與水結(jié)合形成H2SO4，該酸為強氧化性酸，在較高的溫度下表現(xiàn)出很強的氧化性能，濾料易受其氧化腐蝕。

1.3.2 O2對PPS纖維的影響

PTFE和PI纖維的耐氧化性能均較好，主要考慮O2對PPS纖維的影響。PPS被O2氧化反應(yīng)形成對二苯砜，PPS纖維易因氧化而降解，嚴(yán)重時纖維斷裂，濾料強力性能等衰減、失效。室溫下PPS被O2氧化的反應(yīng)較慢，溫度超過100℃時，其承受的氧化量隨溫度的升高而減小。O2和NO2對PPS影響見圖1，PPS濾料受氧化腐蝕電鏡圖見圖2。

圖1 O2和NO2對PPS的影響

圖2 PPS濾料受氧化腐蝕電鏡圖

1.3.3 NO2對PPS纖維的影響

煙氣中另一個對PPS有危害的成分是NO2。燃燒時空氣中的氮和燃料中的氮在高溫下會生成NOx，其中既有NO也有NO2，主要成分為NO，約占NOx的95%，NO不會對PPS造成影響。主要考慮NO2對PPS纖維的影響，其濃度越高，對PPS濾料的氧化越嚴(yán)重。還有鍋爐燃煤過程中如果存在漏水等情況，煙氣中水含量較高時，NO2溶于水后即生成硝酸，硝酸是強氧化性酸，易腐蝕PPS濾料。

1.3.4 H2O對纖維的影響

化纖中的聚酯、聚丙烯、芳綸、聚酰亞胺等容易發(fā)生水解，水解是化合物和水反應(yīng)而發(fā)生的分解作用。由于水分子的加入，使原來的纖維聚合物分子鏈斷裂，從而使其分子量減小，抗拉強度減弱。水解受溫度和水含量的影響，煙氣中水分含量越高，溫度越高，水解就越快。同時在酸堿環(huán)境中會增強水解反應(yīng)。在無法控制溫濕度以減輕水解的情況下，就需要采用不會水解的PPS、PTFE等制成的濾料。倘若從經(jīng)濟(jì)性考慮或其他原因不能用這些濾料，可使用以不同纖維混紡形成的濾料，例如PTFE、PI、PPS纖維混紡的濾料，但需要控制PI纖維的比例。

1.3.5 根據(jù)煙氣成分綜合選型

根據(jù)煙溫對濾料的主體纖維進(jìn)行選擇后，再根據(jù)每種纖維對煙氣成分的耐受性能不同，選擇合適的纖維及基布針刺成濾料（見表4）。

表4 不同煙氣成分含量下纖維的選擇

1.4 粉塵物理特性的影響

煤灰物理特性的影響，主要考慮磨啄性對濾料的影響。粉塵的磨啄性受塵粒的性質(zhì)、粉塵形態(tài)、攜帶粉塵的氣流速度、塵粒濃度等因素影響。煙塵中含摩擦性較大的微粒，會對濾袋進(jìn)行磨損，從而影響濾袋的使用壽命。表面粗糙、不規(guī)則的塵粒比表面光滑的球形塵粒磨啄性大得多。粒徑為90μm的塵粒磨啄性最大。當(dāng)粒徑減少到5～10μm時，磨啄性已十分微弱。當(dāng)煙氣中硅分較高（入口煙塵濃度≥30g/Nm3，SiO2≥48%）時，除塵方式優(yōu)先選用高效的電袋復(fù)合除塵器。電袋復(fù)合除塵器的濾料不建議選用玻纖濾料或膨化玻纖濾料，采用化纖濾料時應(yīng)采用細(xì)、短、卷曲性較大的纖維，采用針刺工藝代替機(jī)織工藝，表面覆膜或壓光、鏡面處理都能提高濾料的耐磨性能。目前，電力行業(yè)用得較多的是PPS和PTFE纖維針刺混紡濾料，通過燒毛、壓光、覆膜或梯度處理來達(dá)到濾料耐磨的要求。

2 除塵器排放及阻力要求

濾袋選型除了要滿足煙氣溫度、煙氣成分、磨啄性等要求外，還要考慮除塵器的排放及運行阻力的要求。隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，普通混紡濾料已無法滿足標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下10mg/m3、5mg/m3的超低排放要求，梯度濾料、覆膜濾料被大范圍使用。排放要求與除塵器運行阻力呈反向相關(guān)關(guān)系，如果一味追求低排放，會造成除塵器的運行阻力增高，繼而造成除塵風(fēng)機(jī)的運行負(fù)荷加大，導(dǎo)致運行費用增加。

梯度濾料是指濾料的迎塵面與凈氣面的纖維細(xì)度不同，迎塵面添加超細(xì)纖維以達(dá)到降低排放的要求，凈氣面使用較粗的纖維以降低濾料的阻力（見圖3）。迎塵面添加的超細(xì)纖維較多使用1dtexPPS纖維，部分高溫項目采用PTFE濾料時會在迎塵面添加3.3dtex超細(xì)PTFE纖維，以達(dá)到精密過濾的效果。

覆膜濾料是在普通濾料針刺、后處理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步覆蓋PTFE薄膜，薄膜孔隙均勻分布，孔徑極小，小于大部分細(xì)顆粒粉塵，可高效攔截大部分煙氣粉塵，顆粒粉塵難于穿透逃逸，也不會滲透到濾材內(nèi)部而降低濾材的透氣性（見圖4）。同時，覆膜的孔隙和摩擦系數(shù)較小，容易清灰，這樣既能保證高效除塵過濾，又能確保除塵設(shè)備阻力穩(wěn)定。但覆膜濾料對PTFE膜的要求較高，成膜的PTFE樹脂要求分子量≥700萬，且各廠家的覆膜工藝及水平差別較大，市面上膜的質(zhì)量良莠不齊。覆膜濾料在燃煤電廠煙塵質(zhì)量方面，并未得到廣泛使用。

圖3 梯度濾料示意圖

圖4 PTFE膜為立體膜層結(jié)構(gòu)

3 正確選型濾料的工程實例

根據(jù)煙塵的特性及排放要求，對濾料進(jìn)行正確選型，在實驗室進(jìn)行一系列測試后投入工程使用，正確選型下使用的濾袋，正常能使用3.2萬h以上。

3.1 廣州某紙業(yè)改造項目

廣州某紙業(yè)項目改造布袋除塵器，鍋爐型號130t/h CFB，是高溫、高壓、單汽包、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)鍋爐，煙氣量32 956萬m3/h，運行時煙氣溫度≤220℃，入口含塵量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下24.04g/m3，要求排放標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下≤10mg/m3，設(shè)計除塵效率為99.96%，是高煙溫低排放項目。該項目濾料選型采用100%PTFE纖維+PTFE基布+PTFE覆膜，自2018年1月運行至今，阻力運行為800～1000Pa，排放為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下8.5mg/m3，運行效果較好。該廠煤質(zhì)、煤灰成分的檢測報告見表5、表6。

表5 廣州某紙業(yè)項目煤質(zhì)檢測報告

表6 煤灰成分檢測報告

3.2 新疆某電廠改造項目

新疆某電廠1號330MW機(jī)組改造工程，將原雙室四電場電除塵改造為2+2電袋除塵，煙氣量205.8192萬m3/h，運行時煙氣溫度≤165℃，入口含塵量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下35g/m3，設(shè)計排放標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下≤20mg/m3。濾料選型采用（25%超細(xì)PPS+55%常規(guī)PPS+20%PTFE纖維）+PTFE基布。該項目自2014年10月投入使用，截至2018年6月，使用了3年9個月，運行壓降為810Pa，排放為15.1mg/Nm3，運行效果較好。且從濾袋抽檢情況來看，濾袋未受到明顯的氧化腐蝕，強力等性能保持良好。該廠的檢測報告見表7。

表7 新疆某電廠1#煤質(zhì)及灰分檢測報告 （單位：%）

3.3 廣東某電廠改造項目

廣東某電廠2號機(jī)組為原ABB-CE公司生產(chǎn)的660MW機(jī)組亞臨界中間再熱控制循環(huán)汽包鍋爐，于1996年投入運行。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量2100.1t/h。原配套除塵器為一臺四電場臥式電除塵器，設(shè)計除塵效率為99.3%。從1994年運行至2014年，其中2008年10月對第一、二電場內(nèi)部極線、極板進(jìn)行了局部更換。原除塵器的比集塵面積較小，除塵效率過低、煙塵排放濃度高，隨著運行年限的增加，已無法滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值要求。2013年，該電廠將2號機(jī)組作為超低排放的先行試點。該除塵器煙氣量為378.7901萬m3/h，除塵器進(jìn)口煙氣溫度≤150℃，入口含塵量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下25g/m3，要求排放標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下≤10mg/m3。該除塵器采用（50%PPS+50%PTFE纖維）+PTFE基布+PTFE覆膜濾料。2015年1月，2號機(jī)組超凈電袋復(fù)合除塵器項目成功投運。經(jīng)第三方測試，電袋出口煙塵排放為3.7mg/m3，本體壓力降為780Pa，漏風(fēng)率1.0%，煙囪出口排放2.66mg/m3，各項指標(biāo)良好，達(dá)到超低排放的要求。

該電廠的設(shè)計煤種為：神府東勝煙煤。改造后檢測報告的有關(guān)數(shù)據(jù)見表8。

表8 廣東某電廠2#煤質(zhì)及灰分檢測報告 （單位：%）

4 結(jié)語

燃煤電廠煙塵治理用濾料的選擇受多種因素的影響，首先要考慮濾料的使用環(huán)境，濾料適用煙氣的溫度、煙氣成分、粉塵磨啄性等要求，再結(jié)合除塵器排放及運行阻力的要求，選擇合適的濾料結(jié)構(gòu)。目前行業(yè)內(nèi)較多采用的是PPS、PTFE、PI纖維混紡或其他組合方式濾料，采用覆膜、梯度或混紡濾料，在滿足排放要求和運行阻力的情況下，濾料壽命能達(dá)到4年以上。