高溫除塵用金屬纖維濾料的性能研究

劉美玲，沈敏超，劉含笑，陳招妹

（浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江省 諸暨市 311800）

0 引言

隨著超低排放改造的完成，燃煤電廠的袋式/電袋復合除塵器改造告一段落[1-3]。高溫布袋除塵在水泥、鋼鐵、垃圾焚燒、焦化、玻璃等行業，可以有所作為。高溫除塵指的是260 ℃以上煙氣氣固分離技術[4]。高溫除塵作為一項有廣闊應用前景的新技術，在全世界范圍內發展十分迅速。

目前常規袋式/電袋復合除塵器使用的濾材為聚苯硫醚(poly phenylene sulfide fibre，PPS)、聚四氟乙烯(poly tetra fluoro ethylene，PTFE)、聚酰亞胺(polyimide，P84/PI)等，最高耐溫不超過240 ℃，瞬間高溫為260 ℃；高溫除塵由于運行溫度高，對濾材的機械性能、熱化學穩定性提出了更高的要求，而金屬纖維燒結氈、陶瓷纖維、無機濾料能打破現有常規袋式/電袋復合除塵器使用濾料的耐溫限制，做到耐高溫、耐腐蝕且高精過濾[4-9]，并且在300 ℃及以上超高溫氣體中保持良好的性能[6-11]。在高溫除塵濾材領域，國內很多高校和科研院所對玄武巖纖維、陶瓷濾料、金屬濾料、玻璃纖維等進行了工藝性能及表面改性、多層結構復合方法的相關研究，但目前有成功運用案例和示范項目的，金屬纖維濾料居多[6,9]。

本文采用濾料性能檢測的方式，對比金屬纖維濾料、常規針刺氈和PTFE 覆膜濾料的過濾性能，據此來分析金屬纖維濾料的各方面性能特點。

1 濾料及工藝

1.1 金屬纖維濾料

金屬纖維的生產歷史悠久，但是微米級金屬纖維絲的技術到20世紀60年代才基本成熟。采用金屬纖維制成耐高溫的過濾材質的方法有2 種：一是普通織造法，通過金屬纖維編織成濾網；二是通過無紡燒結的工藝，制成復合金屬纖維濾料。本文測試用的金屬纖維濾料為無紡燒結。

金屬纖維濾料是采用直徑為1～100 μm金屬纖維，利用無紡工藝，結合高溫燒結形成多孔濾材，濾料厚度約0.4～1 mm。最高使用溫度為600 ℃，材質為耐高溫、耐腐蝕性的不銹鋼纖維，如304、316L、310S 等。由于金屬纖維絲直徑在微米級別，且全為貫穿孔，纖維濾料的孔隙率可高達80%以上，過濾性能遠高于陶瓷濾料等其他耐高溫濾料。此外，金屬纖維表面光滑，易清灰；過濾性能穩定，無高溫高壓下粉塵穿透的情況發生；耐折性能良好，可承受較大的彎曲變形；可再生性能優良(發生糊袋后通過高壓水槍清灰，可以重新投入使用)。

1.2 針刺氈濾料

常規針刺氈濾料都是在基布基礎上，將蓬松的纖網進行針刺成型，并經過復雜的工藝流程，形成交錯的三維結構，該結構有利于穩定粉塵層的形成，過濾和清灰后，不會存在直通空隙，從而保持穩定的過濾效率。

在常規針刺氈基礎上將PPS、PTFE、PI/P84纖維按不同組合、不同比例、不同結構進行混紡，形成多種高強度耐高溫、耐腐蝕混紡濾料；或者對針刺氈進行PTFE覆膜，在普通濾料表面覆一層PTFE薄膜，由于薄膜的作用，粉塵無法穿透，難以進入濾料內部，清灰時，由于薄膜不黏性及摩擦因數小，粉塵易脫落。

2 試驗檢測

2.1 試驗樣品

試驗樣品為浙江菲達環保科技股份有限公司電袋復合除塵器、布袋除塵器項目參與投標或中標的濾料。本次測試樣如下：金屬纖維濾料2個，面密度相同，為1 000 g/m2，厚度分別為0.78、0.63 mm，表面金屬纖維直徑稍有不同；普通PPS針刺氈試樣2 個，面密度分別為533、600 g/m2，厚度分別為1.6、1.78 mm；PTFE覆膜針刺氈試樣2 個，面密度和厚度都相同，分別為580 g/m2、1.8 mm。

2.2 試驗方法

試驗儀器為德國FilTEq 粉塵過濾效率測試系統FEMA 1。其工作原理如下：空氣先進入豎向發塵管產生含塵煙氣，粉塵在發塵器中通過壓縮空氣分散，將測試濾料暴露在穩定的粉塵和煙氣流速中，以此模擬除塵器中濾料的“過濾-清灰”。在過濾的過程中形成粉餅，導致壓降增加，差壓傳感器實時檢測濾料前后壓差的變化，一旦壓差達到默認值，系統釋放壓縮空氣脈沖清灰，之后濾料又重新過濾，如此周而復始。清灰掉落的粉餅和粉塵通過垂直氣流進入垂直管道底部的粉塵收集器。

試樣裁剪成直徑為155 mm的圓形樣品，試樣流程參照德國機械工程師協會標準VDI3926—2004，進行過濾性能檢測。

所有濾料的過濾性能檢測按表1 流程進行，表2給出了基本試驗參數[12-15]。

表1 檢測流程Tab.1 Testing procedure

表2 試驗基本參數Tab.2 Basic test parameters

3 試驗結果與討論

3.1 過濾性能

在濾料的動態過濾性能檢測流程中，隨著老化階段的完成，濾料表面形成了穩定的粉塵層，各項性能指數趨于穩定，第4階段的1 kPa定壓噴吹，其測試數據最能體現濾料的過濾性能。FEMA 1 的基本原理是將濾料置于國際標準粉塵氣流中，在常溫條件下，通過反復的過濾—清灰過程來模擬現場條件下袋式除塵器的除塵工藝。通過試驗，可得到濾料的過濾效率、排放濃度、殘余阻力和清灰周期等。

圖1 為各濾料排放濃度，圖1(a)為老化前濾料的排放濃度，可以看出，金屬纖維濾料的初始排放濃度相對其他濾料而言，偏高50%以上，測試第一階段，是潔凈濾料形成粉塵初層的過程，而覆膜濾料的過濾機制是“表面過濾”，針刺氈表面的PTFE 薄膜相當于起到了“一次粉塵層”的作用，故此階段，覆膜濾料的初始排放濃度低。

圖1 各濾料排放濃度Fig.1 Discharge concentration of each filter material

圖1(b)為老化后濾料的排放濃度，可以看出，經過老化，粉塵初層形成，濾料開始穩定地進行“過濾-清灰-過濾”循環，粉塵排放濃度較老化前大幅降低，特別是1、2號濾料，出口排放濃度降低了90%以上；而常規PPS 針刺氈基本上保持了一個較為穩定的出口排放；PTFE覆膜濾料的排放濃度穩中有降；總體來說，老化后濾料的排放濃度都低于0.1 mg/m3。一般而言，在相同情況下，清灰次數越多，或者清灰周期越短，濾料排放濃度會越高。

清灰周期是評估濾料性能的一個重要指標，關系到袋式除塵器的運行費用。從上一次清灰結束后算起，濾袋開始過濾，直至定壓清灰完成一個循環，2次清灰之間的時間間隔即為清灰周期。各濾料的清灰周期如圖2 所示。可以看出，金屬纖維濾料的清灰周期比常規PPS 針刺氈多1 倍以上，與針刺氈覆膜濾料基本上持平。就清灰周期來說，金屬纖維濾料的性能已經是優良以上，清灰周期最長為450 s；而在實際工況運行條件下，除塵器由于過濾速度較低(相對于實驗室2 m/min的過濾風速)，清灰周期一般都有數十分鐘，實驗室試驗測試的清灰周期遠小于現場工況條件下的清灰周期。

圖2 各濾料的清灰周期Fig.2 Cleaning cycle of each filter material

每個周期清灰后，剩余的壓差稱為殘余阻力。各濾料殘余阻力對比如圖3所示，殘余阻力越高，除塵器運行費用越高。優質濾料的殘余阻力低，清灰周期長。金屬纖維濾料殘余阻力最高為400 Pa，最低為320 Pa；普通針刺氈濾料殘余阻力平均為350 Pa左右；針刺氈覆膜濾料殘余阻力一般為320 Pa左右。總體而言，3種材質濾料的殘余阻力偏差不大。

圖3 各濾料的殘余阻力Fig.3 Residual resistance of each filter material

3.2 結果分析

為了解金屬纖維濾料的性能，將金屬纖維濾料的過濾性能與普通針刺氈濾料和PTFE覆膜濾料的過濾性能進行比對，結果表明：金屬纖維濾料老化前排放濃度為0.5 mg/m3左右，經過老化階段，排放濃度降為0.01 mg/m3；金屬纖維濾料清灰周期長，約為常規針刺氈濾料清灰周期的2倍；金屬纖維濾料的殘余阻力低，經過老化階段，其值約為350 Pa，與常規針刺氈、覆膜濾料的殘余阻力基本一致。總而言之，測試用金屬纖維濾料性能良好，完全能滿足高溫除塵的性能要求。

4 結論

通過對比各項性能良好的針刺氈濾料發現：

1）老化前金屬纖維濾料排放濃度較高，老化后排放濃度低于0.1 mg/m3，達到超低排放；

2）金屬纖維濾料清灰周期長，約為普通針刺氈的2倍，與針刺氈覆膜濾料基本一致；

3）金屬纖維濾料殘余阻力約在350 Pa左右，與普通針刺氈、PTFE覆膜濾料的殘余阻力相比差別不大。