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電袋復(fù)合除塵器濾料技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用
介紹了燃煤鍋爐電袋復(fù)合除塵器濾料技術(shù)的發(fā)展演變過(guò)程。2010年之前燃煤鍋爐在應(yīng)用PPS濾袋過(guò)程中存在短期內(nèi)大面積破損情況,。研究查明,這種異常破袋由化學(xué)破損造成,直接原因是煙氣中SO_x、NO_x濃度大且運(yùn)行溫度不當(dāng)加劇PPS氧化,、腐蝕,。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)一種耐腐高強(qiáng)濾料,抗化學(xué)性能強(qiáng)于PPS,能夠大幅延長(zhǎng)濾袋使用壽命。2010年之后,耐腐高強(qiáng)濾料得到大規(guī)模推廣應(yīng)用,推動(dòng)了燃煤鍋爐電袋復(fù)合除塵器濾料技術(shù)進(jìn)步,。
電袋復(fù)合除塵器是指在一個(gè)緊湊的箱體內(nèi),，將靜電除塵和袋式除塵有機(jī)復(fù)合的除塵設(shè)備。其工作原理是綜合粉塵荷電,、粉塵分級(jí),、荷電粉塵過(guò)濾的協(xié)同作用，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定低排放,、運(yùn)行阻力低,、濾袋壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于燃煤鍋爐煙塵凈化,，實(shí)現(xiàn)了煙塵超低排放,、穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[1],。
濾袋是電袋復(fù)合除塵器的核心部件，它的使用壽命長(zhǎng)短直接影響除塵器的可靠性及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[2],。影響濾袋使用壽命的因素較多,，燃煤鍋爐電袋復(fù)合除塵器在實(shí)踐中，由于一些煤粉爐煙氣中SOx,、NOx濃度高和運(yùn)行溫度波動(dòng)幅度大,，PPS濾袋在短時(shí)內(nèi)易發(fā)生快速氧化、腐蝕而造成大量化學(xué)破損,。這種破損現(xiàn)象在煤粉爐煙氣工況中較為普遍,，且造成的后果較為嚴(yán)重。本文針對(duì)PPS濾袋易發(fā)生化學(xué)破壞的問(wèn)題,，闡述了濾料技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用,。
1PPS濾料應(yīng)用情況
PPS是一種高分子材料，化學(xué)名稱(chēng)為聚苯硫醚,，有耐溫（190℃）,、抗酸、抗堿,、抗水解性能優(yōu),，抗氧化性能較弱等特點(diǎn)，是燃煤鍋爐過(guò)濾式除塵器的主打?yàn)V材,。2000年之后,，我國(guó)燃煤鍋爐袋式除塵器和電袋復(fù)合除塵器大量選用以PPS為主材的濾料，一直延續(xù)到2010年左右,。
一般燃煤鍋爐電袋復(fù)合除塵器設(shè)計(jì)濾袋使用壽命≥4年或3萬(wàn)小時(shí),，多數(shù)工程項(xiàng)目達(dá)到設(shè)計(jì)值，有個(gè)別項(xiàng)目大幅超過(guò)設(shè)計(jì)值達(dá)6年以上,。當(dāng)然,，也有個(gè)別工程項(xiàng)目濾袋使用壽命未能達(dá)到設(shè)計(jì)值，濾袋大面積提前老化而破損,。2008上半年,，*電袋復(fù)合除塵器PPS濾袋大面積破損案例發(fā)生在山西某熱電廠2×200MW機(jī)組。
這起破袋事件當(dāng)時(shí)在行業(yè)內(nèi)引起了很大反響,，其它數(shù)起異常破袋在隨后2～3年里陸續(xù)發(fā)生,。這一時(shí)期內(nèi)，破袋原因眾說(shuō)紛紜,，電袋產(chǎn)生臭氧造成破袋的議論沸沸揚(yáng)揚(yáng)，極大影響了電袋復(fù)合除塵技術(shù)的發(fā)展,，也成為電袋復(fù)合除塵技術(shù)迫在眉睫急需探明的問(wèn)題,。
2PPS濾袋異常破損規(guī)律
為了探明PPS濾袋異常破損的原因及尋求解決辦法,，電袋復(fù)合除塵器的聯(lián)合濾材濾袋廠家積極開(kāi)展了研究工作，對(duì)破損濾袋進(jìn)行了大量性能檢測(cè),，測(cè)試了鍋爐煙氣成分,、濃度、溫度并連續(xù)跟蹤記錄,。經(jīng)整理和歸類(lèi),，PPS濾袋發(fā)生異常破損的共性規(guī)律為：
1）異常破袋案例均發(fā)生在煤粉爐使用場(chǎng)合，尚未發(fā)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐的案例,；2）發(fā)生濾袋異常破損的使用時(shí)間長(zhǎng)短不一,，短則半年，長(zhǎng)則2～3年,，大多數(shù)在1～2年,。使用時(shí)間的長(zhǎng)短與煙氣條件相關(guān)，即“煙氣中SOx,、NOx濃度越高或煙溫上下限超溫越明顯,，則使用的時(shí)間越短；3）破損后濾料斷裂強(qiáng)度大幅衰減,，殘余強(qiáng)度低,，一般經(jīng)緯兩向的殘余強(qiáng)度只有新濾料的1/3左右；4）通過(guò)電子掃描鏡微觀檢查濾料纖維,，表面粗糙,，軸向有裂紋或斷裂
甚至粉碎（如圖1、圖2所示）,，用紅外分析儀測(cè)試其波形,，同比未使用PPS波形發(fā)生變異（如圖3所示）；5）破損濾料纖維色澤變化較大,，一般呈深黃或褐色,，從濾料刮下的殘余粉塵測(cè)試出的pH值在1～3。
3PPS濾袋異常破損的原因分析
濾袋異常破損規(guī)律中的一些特征說(shuō)明了濾袋快速老化與煙氣中SOx,、NOx濃度大小及運(yùn)行溫度緊密相關(guān),。當(dāng)這些成分濃度達(dá)到一定值時(shí)，在溫度作用下,，氧化,、腐蝕而破壞PPS分子鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致纖維斷裂甚至碎化,。工程實(shí)踐及各種試驗(yàn)結(jié)果證明了這種分析的客觀性與正確性,。根據(jù)PPS分子結(jié)構(gòu)鏈特點(diǎn)，SOx,、NOx與PPS分子結(jié)構(gòu)的氧化反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)圖4,、圖5,。
臭氧雖然是氧化性*的物質(zhì)，但在電袋復(fù)合除塵器中的量級(jí)很低,，高壓電源產(chǎn)生的自由氧量有限,，且在高溫條件下自由氧結(jié)合成臭氧和臭氧分解成自由氧的速度極快，因此電袋中存在臭氧的濃度極低,。福州大學(xué)化工學(xué)院[3],、華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院[4]等單位專(zhuān)門(mén)設(shè)立課題，研究臭氧對(duì)PPS濾袋性能的影響,，結(jié)果表明電袋中的臭氧濃度＜0.015mg/m3,。
假如電袋中產(chǎn)生臭氧、快速氧化PPS而造成破袋的事實(shí)存在,，工程案例中的破袋規(guī)律將*不是這樣,。實(shí)踐與試驗(yàn)研究證明，PPS異常破損與電袋臭氧無(wú)關(guān),。
3.1燃煤鍋爐煙氣中能夠破壞PPS的主要成分（氧化劑）
以往,，對(duì)燃煤鍋爐煙氣中容易破壞PPS的氧化劑成分，普遍僅認(rèn)為O2是氧化劑,，因而在應(yīng)用中往往較關(guān)注控制煙氣中的氧量,。實(shí)際煙氣中的SO3、NO2氧化性強(qiáng)于O2,，是引起PPS化學(xué)破損的主要元兇,。
廈門(mén)三維絲公司“PPS氧化反應(yīng)模型及量子化學(xué)計(jì)算過(guò)程方法”研究結(jié)果表明，SO2,、NO及PPS分析結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)的能壘大,，對(duì)PPS的氧化性很弱；而SO3,、NO2與PPS分析結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)的能壘小,，氧化性*[5]。
化學(xué)成分能壘的大小依次為O2,、NO2,、SO3。由于煙氣中存在活性較強(qiáng)的SO3,、NO2,，在一定溫度條件下與H2O化合成硫酸、硝酸,，這兩種酸除了有腐蝕性之外,，也是強(qiáng)氧化劑。
通過(guò)上述分析,，可知PPS濾袋在循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用中不會(huì)發(fā)生異?；瘜W(xué)破損現(xiàn)象的原因,。一般循環(huán)流化床鍋爐均采取爐內(nèi)脫硫，進(jìn)入除塵器煙氣中的SOx濃度低,，同時(shí)流化床爐膛的燃燒溫度低，產(chǎn)生的NOx濃度也低,。因此,，循環(huán)流化床煙氣低SOx、低NOx工況的特點(diǎn)是避免PPS異?；瘜W(xué)破損的主要原因,。
3.2煙氣溫度對(duì)PPS化學(xué)破壞的影響
PPS耐溫高達(dá)190℃～200℃，這是特指它的物理耐溫性能,，若運(yùn)行溫度接近或超過(guò)它的耐溫性能時(shí),，PPS將會(huì)發(fā)生收縮、軟化,、熔解等物理性能的變化而破損,。一般要求PPS運(yùn)行溫度≤160℃，主要還是從化學(xué)角度出發(fā)考慮PPS的老化速度問(wèn)題,，因?yàn)闊煔庵泻幸欢舛鹊难趸瘎┡cPPS發(fā)生反應(yīng),。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，溫度是影響反應(yīng)速度的重要因素,。在化學(xué)成分濃度相同情況下,，溫度越高化學(xué)反應(yīng)速度越快。所以PPS濾袋運(yùn)行溫度越高則使用壽命越短,。反之,，運(yùn)行溫度越低則使用壽命越長(zhǎng)。
另外,，由于燃煤鍋爐煙氣含有SO3,，下限溫度一旦低于酸露點(diǎn)時(shí)，化合形成的硫酸黏附于PPS濾袋,，相當(dāng)于增加了破壞PPS的化學(xué)物質(zhì)及濃度,，反而會(huì)縮短PPS濾袋使用壽命。濾袋在使用過(guò)程中,，酸結(jié)露產(chǎn)生的硫酸將*
性殘留在濾袋上,。所以在工程應(yīng)用選用PPS濾袋時(shí)，對(duì)運(yùn)行溫度的下限均有嚴(yán)格要求,。
一般煙氣中的SOx,、NOx濃度越高，上限溫度則越低,，下限溫度則越高,，此時(shí)要求溫度波動(dòng)幅度較?。环粗?，SOx,、NOx濃度越低，上限溫度則可適當(dāng)高些,，下限溫度則可低些,，溫度波動(dòng)幅度可適當(dāng)大些。
4耐腐高強(qiáng)濾料技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用
工程實(shí)踐證明,，以PPS為主材濾料時(shí),，使用條件具有局限性，難以滿足我國(guó)燃煤機(jī)組爐型,、煤種多樣化的要求,，因此研發(fā)適用性和抗化學(xué)性更強(qiáng)的濾料是必要的。
為了提升燃煤鍋爐濾料的抗化學(xué)性能,，有多種方法,，如：1）改良PPS提升其抗氧化性能；2）選擇其它綜合性能更優(yōu)的濾材,；3）在濾料結(jié)構(gòu)上混用不同材質(zhì)等,。從現(xiàn)狀來(lái)看，方法一涉及PPS粒子問(wèn)題,，屬化工原料范疇?，F(xiàn)有濾材中都存在性能優(yōu)缺點(diǎn)問(wèn)題，取代材質(zhì)一時(shí)難度大,，方法三屬濾料工藝技術(shù),，有取長(zhǎng)補(bǔ)短優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)的條件相對(duì)成熟,。
4.1PTFE濾料技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況
PTFE化學(xué)名稱(chēng)為聚四氟乙烯,，又被稱(chēng)為工程塑料王，具有耐溫,、抗酸,、抗堿、抗氧化,、抗黏附,，摩擦系數(shù)低、延伸性優(yōu),、絕緣性優(yōu)等特點(diǎn),，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。近年來(lái)，PTFE隨著拉絲工藝的發(fā)展應(yīng)用于濾料技術(shù)的進(jìn)步很快,，PTFE濾料已成為垃圾焚燒爐袋式除塵器的濾材,。
PTFE濾料的抗化學(xué)性能極優(yōu)，但物理特性仍存在不足,，如100%PTFE濾料的加工工藝難度較大,、經(jīng)緯強(qiáng)度較低且延伸率較大、未經(jīng)過(guò)覆膜處理時(shí)過(guò)濾精度較低,、綜合成本較高等,。因此100%PTFE尚不具備作為燃煤鍋爐用濾料的條件。
4.2濾料結(jié)構(gòu)分析
濾料結(jié)構(gòu)分為織造和非織造兩種,，工業(yè)濾料中可以根據(jù)材質(zhì)特性而選擇，但大多數(shù)用非織造結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6,。圖6非織造針刺氈?jǐn)嗝娼Y(jié)構(gòu)示意非織造濾料結(jié)構(gòu)與鋼筋混泥土類(lèi)似,，其中基布類(lèi)似于鋼筋，濾料內(nèi)外層纖維網(wǎng)類(lèi)似于混泥土,，兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體,，提高了濾料整體的黏合與抗拉性能。由于純PPS濾料基布與內(nèi)外纖維層的材質(zhì)相同,，一旦老化時(shí)強(qiáng)度同時(shí)衰減,，結(jié)構(gòu)上不能起到互補(bǔ)作用。
4.3耐腐高強(qiáng)濾料技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用
耐腐高強(qiáng)濾料采取了PPS與PTFE材質(zhì)混用的結(jié)構(gòu),，首先把基布材質(zhì)更換為PTFE,，發(fā)揮了PTFE抗化學(xué)性能優(yōu)的特點(diǎn)，類(lèi)似混泥土中提高鋼筋的性能,，使基布在使用過(guò)程中長(zhǎng)期保留原有的強(qiáng)度,；其次，濾料內(nèi)外纖維層采用PPS與PTFE混紡,，類(lèi)似提高混泥土標(biāo)號(hào),，兩種材質(zhì)纖維之間相互纏繞，濾料內(nèi)外纖維層原來(lái)由PPS承擔(dān)的強(qiáng)度作用分解為由PTFE和PPS兩種纖維共同分?jǐn)?，即使PPS纖維老化斷裂,，但PTFE纖維仍可保留原有強(qiáng)度，減緩了濾料整體強(qiáng)度下降速度,。PPS與PTFE混紡后的耐腐高強(qiáng)濾料同比100%PTFE濾料,，還具有提高過(guò)濾精度、降低濾料延伸率,、降低濾袋成本等優(yōu)勢(shì),。
耐腐高強(qiáng)濾料中混用PPS纖維的各種材質(zhì)混用比例，要根據(jù)煙氣工況的特點(diǎn)選擇。一般在煙氣溫度常出現(xiàn)＞170℃時(shí),，采取PTFE與PI（P84）混紡,，當(dāng)煙溫＜160℃時(shí)，隨燃用煤硫份的高低來(lái)確定不同纖維的混合比例,，硫份越高,，PTFE材質(zhì)的比例越高。
因此,，在選用耐腐高強(qiáng)濾料時(shí),，要根據(jù)煙氣特點(diǎn)，使濾料與之相匹配,，才能保證濾袋的使用壽命,。自2009年下半年開(kāi)始，耐腐高強(qiáng)濾料逐漸應(yīng)用并成為燃煤鍋爐的主打?yàn)V料,，大幅度提高了電袋復(fù)合除塵器濾袋的使用壽命,。
案例1：太原某熱電廠#7、#8爐2×200MW機(jī)組電袋復(fù)合除塵器,，爐型為煤粉爐,，無(wú)脫硝裝置，煙氣中SOxzui大濃度達(dá)7000mg/m3,，NOx濃度達(dá)1000mg/m3,，日煙溫在80℃～175℃間波動(dòng)，2008年原PPS使用壽命僅為半年,。2009年采用耐腐高強(qiáng)濾料換袋,，使用壽命大于2.5年，第二次換袋提高PTFE使用比例后,，耐強(qiáng)濾袋使用壽命達(dá)4年以上,。
案例2：安徽某電廠#1爐660MW機(jī)組電袋復(fù)合除塵器，爐型為煤粉爐,，無(wú)脫硝裝置,，燃用低硫煤，選用耐腐高強(qiáng)濾料,，濾袋使用壽命達(dá)到4.5年以上,。
案例3：內(nèi)蒙古某電廠#7、#8爐電袋復(fù)合除塵器,，爐型為煤粉爐,，無(wú)脫硝裝置，燃用低硫煤,。由于機(jī)組運(yùn)行初期的煙溫經(jīng)常高達(dá)220℃,，原PPS濾袋使用壽命僅為半年,。2010年采用PTFE與PI混紡的耐腐高強(qiáng)濾料換袋，使用壽命達(dá)5年以上,，至今仍在使用中,。
5濾料其它新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況
近年來(lái)，我國(guó)環(huán)保對(duì)燃煤機(jī)組提出了更嚴(yán)格的超低排放要求,，超凈電袋復(fù)合除塵器成為一種新的除塵工藝技術(shù),，并對(duì)濾料的過(guò)濾性能提出了更高要求，以提高過(guò)濾精度為主向的超細(xì)面層梯度結(jié)構(gòu)濾料和超微孔覆膜濾料也得到了進(jìn)一步發(fā)展,。同時(shí),，純PPS、耐腐高強(qiáng)濾料等廢棄濾袋的回收與利用工藝技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用,，解決了濾袋的二次污染問(wèn)題,，進(jìn)一步加快了我國(guó)燃煤鍋爐濾料技術(shù)的發(fā)展，提高了應(yīng)用水平,。
6結(jié)語(yǔ)
近年來(lái),，我國(guó)燃煤鍋爐除塵技術(shù)為適應(yīng)復(fù)雜和多變的煙氣工況條件而取得矚目的發(fā)展和突破，電袋復(fù)合除塵器作為一種創(chuàng)新除塵技術(shù)也不例外,，十余年發(fā)展過(guò)程中遇到許多諸如PPS濾袋異常破損等問(wèn)題。問(wèn)題并不可怕,，只要客觀準(zhǔn)確分析原因,，把握正確方向，科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,，難題則隨之迎刃而解,。耐腐高強(qiáng)濾料雖然提升了抗化學(xué)性能，但實(shí)踐中仍要重視對(duì)煙氣工況條件的控制,，提高除塵運(yùn)行管理水平,，才能確保濾袋的綜合性能和使用壽命。