“燃煤+煤气”锅炉袋式除尘用滤料的试验研究.pdf

“ 燃煤 煤气” 锅炉袋式除尘用滤料的试验研究 * 薛婷婷王振华梁珍沈恒根 东华大学环境科学与工程学院， 上海 201620 摘要 针对 “燃煤 煤气” 锅炉烟气温度接近 200 ℃的问题， 设计一种采用 PTFE 基布、 面层纤维为 PTFE PSA PI 纤 维层的新型复合过滤材料， 并对该新型复合过滤材料进行耐温性、 耐化学腐蚀性及过滤效率的试验研究。结果表明 耐温方面， 试样在 250 ℃ 以下的经纬向热收缩率分别小于 1. 5 和 1， 尺寸稳定性好; 经纬向的强力保持率都 ≥100。耐化学腐蚀方面， 经过 24 h 不同浓度和温度的酸处理后， 其经纬向强力仍然保持在 90 以上; 经过 24 h 不 同浓度和温度的碱处理后， 其经纬向强力都保持在 85 以上， 温度变化对于试样的断裂强力影响比溶液浓度变化对 于试样的断裂强力影响大。过滤效率方面， 对粒径大于5 μm 的颗粒物的分级过滤效率大于98， 对粒径小于2. 5 μm 的颗粒物的过滤效率为 60 ～85。 关键词 锅炉烟气除尘; 袋式除尘滤料; 耐温测试; 耐腐蚀测试; 过滤性能测试 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201402024 EXPEＲIMENTAL STUDY ON FILTEＲ MATEＲIAL IN BAG HOUSE FOＲ COAL- GAS BUＲNING BOILEＲ Xue TingtingWang ZhenhuaLiang ZhenShen Henggen School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China AbstractFocused on the high- temperature close to 200 ℃flue gas emitted from coal- gas burning boiler，two nonwoven fiber layers and a base cloth were used to a new kind of nonwoven composite for the bag house． The base cloth is polytetrafluoroethylene PTFE ， andthesurfacefiberlayeriscompoundedbypolytetrafluoroethylenePTFE ， polysulfonamide PSAand polyimide PI ． The properties of the filter material at different conditions are discussed． The temperature resistance results showed that the sample’ s heat shrinkage ratio in the longitudinal direction MDwas less than 1. 5，in the cross- machine direction CDwas less than 1． The strong retention ratio of both directions was more than 100． The resistance to chemical corrosion，after acid treatment for 24 h under different concentration and temperature，MD and CD’ s strength remained more than 90 of the original value，after alkali treatment for 24 h under different concentration and temperature，MD and CD’ s strength remained more than 85 of the original value，Temperature effects on breaking strength of sample were bigger than concentration． The classification efficiency of particles size greater than 5 microns was more than 98，those less than 2. 5 microns was about 60 －85． Keywordsdust removal of boiler flue gas;filter material of bag filter;heat resistance test;corrosion test;filter perance test * 国 家 科 技 支 撑 项 目“低 阻 力 颗 粒 物 过 滤 材 料 研 究 与 开 发” 2012BAJ02B07- 04 。 收稿日期 2013 －04 －28 0引言 某热电锅炉燃料采用燃煤和高炉煤气混烧， 利用 袋式除尘器对静电除尘器进行除尘技术改造后， 除尘 效率达标， 但配用的 PPS 纤维滤袋 、 “PPS 玻纤” 复 合纤维滤袋先后出现了使用寿命较短的问题。采用 进口耐高温滤袋整体替换后， 滤袋使用寿命得到延 长， 但仍然出现了阻力较高、 滤袋损坏的问题。 经实际查看袋式除尘器运行检测记录得出锅炉 排烟温度最高接近 200 ℃， 而实际运行中烟尘温度还 要高于烟气温度， 含尘气体的运行温度过高超过 PPS 纤维的使用温度、 玻纤纤维基布或滤层抗折性较差是 201 环境工程 Environmental Engineering 造成滤袋使用寿命过短的主要因素。因此， 解决该滤 袋使用寿命过短的主要技术措施是耐高温滤料， 选用 耐高温纤维应以不低于 220 ℃进行设计， 且必须同时 满足过滤特性及使用寿命长的要求、 价格低廉等特 点 ［1 ］。本次滤料设计采用聚四氟乙烯 PTFE 基布， 高分子纤 维 选 用 PTFE、 聚 酰 亚 胺 PI 、 芳 砜 纶 PSA 。通过不同纤维的配比、 针刺工艺及后整理加 工技术， 使复合滤料在耐高温、 抗酸碱性气体腐蚀方 面能发挥优势， 同时克服单一纤维的不足， 以适应复 杂的烟气条件［2 ］。 1滤料用材料的基本参数 纤维、 基布、 缝纫线属于过滤材料的构成要素。 纤维形成滤料的滤层主体， 基布是滤料滤层的支架。 1. 1纤维 选用耐温极限温度都高于 220 ℃ 的 PTFE、 PI、 PSA 纤维， 基本参数见表 1。 表 1三种纤维的参数［3- 4 ］ Table 1Parameters of the three fibers 纤维 品种 断裂强力/ cN/dtex 持续使用 温度/℃ 耐化学 腐蚀性 抗氧 化性 PTFE0. 88 ～2. 226011 PI3. 6 ～3. 824023 PSA2. 8 ～3. 025031 注 1、 2、 3 表示理化特性的优劣排序， 依次为 优、 良、 一般。 PTFE 优良的耐高温和耐化学腐蚀性使其成为 各行业处理高温烟气理想的过滤材料［5- 6］。PI 纤维 除了耐温和耐腐蚀性好之外， 还具有两大优点 一 是纤维的表面积大， 具有较强的阻尘与捕尘能力， 使得过滤效率显著提高; 二是不规则的纤维截面因 其内应力大小不同， 分布不均匀， 使纤维自然卷曲， 导致纤维之间具有较强的抱合力和缠结力［7］。PSA 纤维在耐温方面具有比较突出的优势， 在 250 ℃ 高 温环境下的热力学、 热收缩稳定性能要明显好于 PMIA、 PPS、 PI 等其他常用芳香族耐高温纤维过滤 材料， 耐酸、 抗氧化性能较好［8- 9］， 在低碱环境下耐 腐蚀性优于 PI［10］。 1. 2基布、 缝纫线 参考 GB/T 67192009袋式除尘器技术要 求 ［11 ］选用基布和缝纫线， 表 2、 表 3 为基布和缝纫 线的基本性能参数。 1. 3滤料 表 4 为制成 PTFE PSA P84 复合滤料后测试 得到的基本性能参数。 表 2 PTFE 长丝基布参数 Table 2Parameters of PTFE filament fabric 项目参数 细度/den 450 线密度/ 根 10 cm －1 125 105 克重/ g m －2 133 耐温/℃ 260 经向断裂强力/ N 5 cm －1 1 100 纬向断裂强力/ N 5 cm －1 830 表 3缝纫线参数 Table 3Parameters of sewing thread 项目参数 细度/den 1 000 捻度360 ～400 拉伸强力/N 40 拉伸强度/ cN/dtex3. 6 耐温/℃ 260 收缩率/ ＜4 表 4 PTFE PSA P84 滤料的基本参数 Table 4Basic parameters of PTFE PSA P84 filter material 样品名称 克重/ g m －2 厚度/ mm 透气率/ m min －1 透气率 CV 值/ PTFE PI PSA 复合过滤毡 6302. 2721. 167. 3 2滤料的结构及性能测试方法 2. 1滤料的结构 PTFE PI PSA 复合过滤材料分为三层。基布 为 PTFE， 基布的两侧面层由 PTFE、 PI 及 PSA 三种纤 维按照一定的比例混合， 采用针刺工艺制成， 后整理 用 PTFE 溶液浸渍。 2. 2测试方法 2. 2. 1耐温性能测试 热尺寸稳定性测试， 将试样裁剪成 200 mm 200 mm的四块， 分别置于 200 ℃ 和 250 ℃ 各两块， 24 h后取出， 测量经纬向的长度变化。根据式 1 计 算热收缩率。 θ L0－ L1 L0 100 1 式中 θ 为热处理后滤料的经纬向热收缩率， ;L0为 未经热处理滤料的经纬向长度， mm; L1为热处理后 滤料的经纬向长度， mm。 力学性能测试， 参考标准 GB/T 3923. 11997 纺织品织物拉伸性能 ［12 ］制备试验所用的试样， 分 别将试样置于 20， 120， 200， 250， 300 ℃ 的环境中， 301 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 24 h后取出放置在相对湿度 65、 20 ℃环境中， 再经 过 24 h 后测定经纬向断裂强力， 取 3 次测量平均值。 实验仪器为 DHG- 9140A 电热恒温鼓风热干燥箱， YG065CT 电子式织物强力仪。 2. 2. 2耐化学腐蚀性能测试 耐酸腐蚀性能试验， 将试样分别置于浓度为 10、 30、 60的硫酸溶液中， 温度分常温和 85 ℃ 两组。24 h 后取出， 经过清水充分漂洗， 并在通风橱 中干燥后， 测定其断裂强力， 检测试样的断裂强力保 持率。 耐碱腐蚀性能试验， 将试样分别置于浓度为 10、 40 的 NaOH 溶液中， 温度分常温和 85 ℃ 两 组。24 h 后取出， 经漂洗、 干燥后， 测定其断裂强力， 检测试样的断裂强力保持率。 2. 2. 3过滤效率测试 本文是在环境气溶胶中测试清洁滤料的过滤性 能， 测试仪器为滤料静态过滤性能测试装置 图 1 。 通过调节转子流量计调节过滤风速， 用 Grimm 便携 式颗粒物监测仪分别在进气侧采样口和净气侧采样 口监测不同粒径颗粒物的质量浓度， 按照标准 HJ/T 3242006环境保护产品技术要求袋式除尘器用 滤料 ［5 ］进行测试。 图 1滤料静态过滤性能测试装置 Fig．1Test equipment of filter materials static characteristics 采用式 2 计算分级过滤效率， 测试风速设定为 0. 5， 1， 1. 5， 2， 2. 5， 3 m/min 六组。 η c1－ c2 c1 100 2 式中 η 为分级过滤效率， ; c1为被测滤料前的某一 粒径的颗粒物质量浓度值， μg/m3; c2为被测滤料后 的某一粒径的颗粒物质量浓度值， μg/m3。 3结果及分析 3. 1耐温性能 3. 1. 1尺寸稳定性 根据现行国家标准 GB/T 67192009 规定 滤料 在工作温度下连续运行 24 h， 其经、 纬向热收缩率应 分别≤1. 5 和≤1。由表 5 可看出 PTFE PI PSA 复合滤料在 200 ℃处理 24 h， 经、 纬向热收缩率 均小于 0. 5， 表现出极佳的尺寸稳定性; 250 ℃处理 24 h 后， 经、 纬向热收缩率分别为 1. 4、 0. 8， 满足 国标要求。 表 5滤料尺寸稳定性 Table 5Dimension stability of filter material 试样方向温度/℃热收缩率/ 经向2000. 5 2501. 4 纬向2000. 2 2500. 8 测试结果说明， PTFE PI PSA 复合滤料在 200 ℃下处理24 h 后尺寸稳定性极佳; 在250 ℃下处 理 24 h 后尺寸稳定性略有下降， 避免了热收缩率过 大。使得滤袋一直处于受力状态从而造成滤袋强力 损失加速， 滤袋的使用寿命得以保证。 3. 1. 2耐温力学性能 图2、 图3 为试样在20， 120， 200， 250， 300 ℃下连 续处理 24 h 的断裂强力保持率和断裂伸长率保持率 变化趋势图。 图 2断裂强力保持率 Fig. 2Ｒetention rate of breaking strength with the change of temperature 从图 2、 图 3 中可以看出 在 200 ℃以下， 经纬向 的断裂强力保持率在 100 左右;250 ℃ 时， 经向断 401 环境工程 Environmental Engineering 图 3断裂伸长保持率 Fig. 3Ｒetention rate of breaking elongation with the change of temperature 裂强力保持不变， 纬向断裂强力随着温度升高出现上 升趋势， 强力上升 10。试样在 250 ℃ 以下连续工 作 24 h 后， 断裂强力保持率≥100， 满足现行国家 标准 GB/T 67192009 对于滤料耐温特性的要求。 300 ℃时经向强力下降 2; 纬向强力下降 55， 纬 向强力已经严重破坏。试样经纬向的断裂伸长率均 随着温度的升高呈下降趋势， 温度在 250 ℃以下时， 试样经纬向的断裂伸长保持率均在 90以上。 250 ℃时试样的纬向断裂强力升高， 经分析， 主 要是因为该滤料面层含有芳砜纶纤维， 在 250 ℃以下 强度保持率极佳， 文献［ 13］ 的研究验证了此现象。 3. 2耐化学腐蚀性能 3. 2. 1耐酸腐蚀性能 针对烟气中含有 SO2气体产生的酸性腐蚀， 进 行了不同温度和浓度的硫酸溶液腐蚀试验。图 4 为试样在 6 种试验条件下处理 24 h 后的断裂强力 保持率。 图 4不同酸处理条件下试样的断裂强力保持率 Fig．4Ｒetention rate of breaking strength in different acid condition 由图 4 可知 经过 24 h 的酸腐蚀， 试样在上述 6 种试验条件下， 经向强力保持率在 90 以上， 有略微 下降; 纬向强力保持率大于100。俞镇慌 ［14 ］等人曾 指出芳砜纶针刺毡经酸腐蚀处理后， 强力升高。所 以， 该复合滤料出现强力升高现象与面层中的芳砜纶 有关。参照标准 HJ/T 3242006， 试样满足标准中 常温酸腐蚀 24 h 后强度保持率≥85， 85 ℃酸腐蚀 24 h 后强度保持率≥50的要求。 3. 2. 2耐碱腐蚀性能 图 5 为试样在 4 种实验条件下处理 24 h 后的断 裂强力保持率。 图 5不同碱处理条件下试样的断裂强力保持率 Fig. 5Ｒetention rate of breaking strength in different alkali condition 图 5 中第二组数据与第四组数据做对比， 得出 常温下， 溶液浓度变化对于经纬向的断裂强力几乎没 有影响; 第三组数据与第五组数据做对比， 得出 当碱 溶液浓度增大到 40时， 纬向强力下降幅度较大; 第 二组数据与第三组数据对比、 第四组数据与第五组数 据对比， 得出 温度变化对于试样的强力影响较大。 经 24 h 的碱腐蚀后， 试样的经纬向强力都满足 标准 HJ/T 3242006 中常温碱腐蚀24 h 后强度保持 率≥85， 85 ℃碱腐蚀24 h 后的强度保持率≥50的 要求。 3. 3过滤效率 如图 6 所示， 对于粒径≥5 μm 的颗粒物， 过滤风 速小于 3 m/min 的过滤效率均达到 100 在风速为 3 m/min时的过滤效率为 98。袋式除尘常用的过 滤风速为 1. 0 m/min， 在该风速下， 1 μm 以下颗粒物 的过滤效率在 75左右， 2. 5 μm 颗粒物的过滤效率 为 85， 3. 5 μm 以上颗粒物的过滤效率为 100。 过滤速度越低， 粒径越大， 分级效率越高。 4工程应用 某 “燃煤 煤气” 热电锅炉袋式除尘器的主要设 计参数见表 6。 501 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 图 6不同过滤风速下的过滤效率 Fig. 6Filtration efficiency at different filter velocity 表 6袋式除尘器主要设计参数 Table 6Main design parameters of bag filter 项目设计参数值 设计烟气量500 000 m3/h 烟气温度 极端190 ～220 ℃ 进口含尘浓度22. 60 mg/m3 出口排放浓度＜50 mg/m3 总过滤面积7 596 m2 过滤风速1. 10 m/min 滤袋数量2 160 条 滤袋尺寸160 mm 7 000 mm 脉冲阀120 个 本次改造采用了此次试验研究提出的新型耐高 温滤袋， 自 2012 年 7 月份投运至今， 运行状况良好。 滤袋阻力显著下降， 过滤性能达到环保要求。 5结论 1 采用 PTFE、 PI、 PSA 纤维及 PTFE 基布制成的 复合滤料在 250 ℃ 以下经纬向热收缩率分别小于 1. 5和 1; 经纬向的强力保持率都≥100。其尺 寸稳定性和强力特性都能够保证在 250 ℃以下高温 环境使用且该滤料的耐化学腐蚀性能较好。 2 在风速低于 2.5 m/min 以下， 该 PTFE PSA P84 滤料对于粒径大于 5 μm 的颗粒物过滤效率大 于 98; 对于 PM2. 5的过滤效率达到 60 ～85。 3 该新型复合滤料符合“燃煤 煤气” 热电锅炉 袋式除尘器耐温耐腐蚀性要求， 已经历 10 个月的运 行使用， 使用中满足现场对滤料低阻高效的要求。 参考文献 ［1］刘贵琦． 高温除尘技术在电弧炉炼钢除尘中的应用［J］． 环境 工程， 2012， 30 6 82- 84． ［2］李华， 沈恒根， 刘书平， 等． 新型复合滤料过滤性能的实验研究 及其应用［J］． 环境工程， 2005， 23 1 36- 37． ［3］元新艳， 沈恒根， 王振华， 等． 芳砜纶纤维在酸性条件下的失效 特性［J］． 东华大学学报． 自然科学版， 2011， 37 3 282- 285． ［4］陈隆枢， 陶晖． 袋式除尘技术手册［M］． 北京 机械工业出版社， 2010． ［5］HouWeixin， WangQihua．Stablepolytetrafluoroethylene superhydrophobic surface with lotus- leaf structure［J］． Colloid and Interface Science， 2009， 333 1 400- 403． ［6］Adalbert Wimmer， Lenzing A G． PTFE yarns and fibers in hot gas filtration［J］． Filtration and Separation， 1999， 36 2 26- 28． ［7］张小良， 沈恒根． 高温烟气除尘用纤维滤料研究进展［J］． 中国 安全生产科学技术， 2009， 15 5 13- 17． ［8］元新艳， 沈恒根， 王振华． 芳砜纶过滤材料在高温烟气净化中的 稳定性分析［J］． 产业用纺织品， 2010， 28 7 27- 30． ［9］Wang Zhenhua，Shen Henggen． Tensile behavior of polysulfonamide fiber after chemical treatment［J］． Energy Procedia， 2012， 16 432- 437． ［ 10］元新艳， 沈恒根， 王振华， 等． 芳砜纶纤维在碱腐蚀下失效特性 研究［J］． 安全与环境学报， 2011， 11 3 84- 87． ［ 11］GB/T 67192009 袋式除尘器技术要求［S］． ［ 12］GBT 3923. 11997 纺织品织物拉伸性能［S］． ［ 13］任加荣， 王锦， 俞镇慌． 芳砜纶纤维热处理力学性能分析［J］． 国际纺织导报， 2007 11 27- 28， 30- 32． ［ 14］俞镇慌， 申涛， 任加荣， 等． 芳砜纶针刺非织造布耐酸性能研究 ［J］． 产业用纺织品， 2009， 27 2 10- 14． ［ 15］HJ/T 3242006 环境保护产品技术要求 袋式除尘器用滤料 ［ S］ ． 第一作者 薛婷婷 1988 － ， 女， 硕士。xuetingting0415126． com 通讯作者 沈恒根 1955 － ， 男， 教授， 主要从事空气污染控制技术与 理论、 建筑环境空气质量控制、 工业劳动环境空气质量控制技术。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 shenhg126． com 上接第 101 页 ［ 10］中国环境监测总站． 中国土壤元素背景值［ M］ ． 北京 中国环境 科学出版社， 1990 329- 492． ［ 11］李健， 郑春江． 环境背景值数据手册［M］ ． 北京 中国环境科学 出版社， 1989 220- 221． ［ 12］魏疆． 乌鲁木齐市大气污染物浓度空间格局变化［J］． 干旱区 资源与环境， 2012， 26 1 67- 70． ［ 13］雒昆利， 王斗虎， 谭见安， 等． 西安市燃煤中铅的排放量及其环 境效应［J］． 环境科学， 2002， 23 1 123- 125． ［ 14］刘梦潇． 乌鲁木齐市近年来大气降尘变化规律及趋势［J］． 新 疆环境保护， 2008， 30 2 35- 37． 第一作者 张克磊 1987 － ， 男， 硕士。460998804 qq． com 通讯作者 魏疆 1975 － ， 男， 副教授， 主要从事环境科学与区域经济 研究。cd95hj sina． com 601 环境工程 Environmental Engineering