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袋式除尘器过滤材料用各种纤维的特性及其应用
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⒈前言
    在工业生产中,工业炉窑和燃煤锅炉产生大量的工业粉尘和烟尘。当前,治理工业粉尘和烟尘最有效的技术是袋式除尘技术,而其核心是过滤材料。
    目前,过滤材料的品种不断增多,单从材质而言,就有天然纤维、各种合成纤维、各种无机纤维和金属纤维等。近年,我国滤料生产工艺技术得到了飞速发展,产品质量有了大幅度的提高,为我国的环境保护事业做出了较大的贡献。可是在实际应用中,却总会出现这样那样的问题,这与我们对过滤材料的认识不足是密不可分的。本文对制造滤料的部份纤维的特性及其滤料在实际应用中应注意的事项做一简单的分析,希望对滤料的正确应用有所帮助。
⒉部份化纤的特性及其滤料的应用
    目前我国化纤滤料主要是涤沦机织布和涤沦针刺毡。由于对耐温提出了更高的要求,近年又通过引进耐高温的化学纤维,研制生产出了很多耐高温的化纤滤料,如Nomex、Procon、Torcon、Basfil、P84等。以下结合笔者对这些纤维及其滤料的浅薄认识,分别对其做一简单的分析,以取到抛砖引玉的作用。部份滤料的最高使用温度和需关注的工况见表1。
表1 部份滤料的过滤特性
 
纤维种类
最高使用温度℃
不适宜的工况
82
PP(丙纶)
93
PE(涤纶)
135
碱性气氛且有湿气存在
PPS(普抗、托抗)
190
溴化物,15%以上的氧
Nomex
200
水汽和SOx
P-84
260
高PH值和湿气存在
玻璃纤维
260
HF酸
⑴ 涤沦纤维及其滤料
 沦:学名聚酯(Polyester PE)聚对苯二甲酸乙二醇酯Polyethylene terephthalate,PET
结构式:    
  性:比重1.38g/cm3,熔点256℃,断裂强度5.5g/d,极限氧指数22。热塑性纤维,遇火会燃烧并滴落,能压光、烧毛。
过滤性能:可在干燥条件下经受135℃的操作温度;连续在135℃以上工作会变硬、褪色、发脆,短时高温亦会使其强度变弱。抗水解性差,不适于高碱、高湿气的工况条件下(5%以上水汽,100℃以上高温)使用;
解决办法:
⒈温度超过135℃则选用Nomex等耐高温纤维;
⒉水汽超过5%则将温度降到100℃以下;
⒊高碱、高湿汽情况下,选用耐水解的丙烯腈纤维。
⑵ Nomex纤维及其滤料
Nomex学名芳香族聚酰胺 Aryl polyamide
结构式:    
性:比重1.38g/cm3,断裂强度4.9g/d,极限氧指数29。是非热塑性纤维,不自燃也不助燃,它在高温状态下如371℃只会碳化或分解成小分子,不会象一般热塑性纤维会突然软化,所以不能压光,但可烧毛。
过滤性能:可在干燥条件下经受200℃的操作温度;是水解性纤维,当高温和有化学成份及水份时会很快水解而损坏;在水份浓度为10%及弱酸性及中性环境下可适用于190℃的操作温度,而使用寿命也可达两年;若水份浓度增加为20%,使用寿命需达到两年则需降温到165℃以下,若还在190℃使用其寿命只有半年多。
    它特怕SOx的侵蚀,因此在烧含硫煤的电厂中往往不能应用。在水份浓度为10%时,若温度为120℃、SO2含量50~400ppm,强度保留率为58%,若温度升到180℃,SO2含量50ppm时,强度保留率为30%,SO2含量400ppm时,强度保留率仅5%。所以在有水汽和SOx存在时不宜使用。
解决办法:⒈水解可用普抗替代,普抗能耐水解和硫氧化物的侵蚀。
⑶ 普抗(托康)纤维及其滤料
抗:学名聚苯硫醚 Polyphenylene sulfide PPS
结构式:      
性:比重1.38g/cm3,熔点285℃,断裂强度5.0g/d,极限氧指数34。是结晶性高性能热塑性工程塑料,具有耐热、耐化学性、阻燃性等诸多特性。
过滤性能:可在190℃的温度下连续使用,瞬时200℃(每年累计400小时以下);在160℃的热压釜中能保持90%以上的强度。耐化学性非常好,抗硫,抗酸效果很好,所以在燃煤锅炉上是最合适的滤料,现有约80%的PPS滤料使用在燃煤锅炉上,它只要求煤的硫含量在3.5%以下,烟气中SO2含量在2700mg/Nm3以下。
    其缺点是抗氧化性较差,要求O2含量小于14%(Vol)、NOx小于600mg/Nm3,若O2含量达12%建议温度降到140℃,总之氧含量越高,所使用的温度就要越低,因每增加10℃,化学反应成双倍的增加。也就是说本来寿命3年的情况下,若温度增加10℃,其寿命会只有1.5年。
⑷ P84纤维及其滤料
P84:学名聚酰亚胺 Polyimide PI
结构式:    
性:比重1.4g/cm3,是不规则的叶片状截面,因此比一般园形截面增加了80%的表面积。耐高温性很好。
过滤性能:可在260℃以下连续使用,瞬时温度可达280℃(每年累计少于200小时)。有一定的水解性,建议使用在水汽含量小于35%Vol的气氛中。有一定的抗氧化性,希望烟气中O2含量小于16%Vol,NOX小于600mg/Nm3,若没有O2补充NOX含量可放宽到1500mg/Nm3。
    SOX会使滤料寿命降低,建议SOX含量小于700mg/Nm3,在垃圾焚烧炉中应用必须有脱硫装置。
 
⒊玻璃纤维及其滤料的特性
    玻璃纤维是一种无机纤维,其主要成分是SiO2。它是将玻璃料在1300~1600℃的温度熔化以后,从熔融态抽丝并迅速淬冷而制得的。比重2.54g/cm3,原丝抗张强度在160~275kg/mm2。按成分不同又分为A玻璃、C玻璃、E玻璃和S玻璃等,用于过滤材料一般采用C玻璃(即中碱玻璃或称钠钙硅酸盐玻璃)和E玻璃(即无碱玻璃或称铝硼硅酸盐玻璃)两种。目前我国生产过滤布用的玻璃纤维主要采用无碱80支、中碱45支和无碱40支,其单纤维直径分别为6μ、7.5μ和8μ。
    玻璃纤维最实出的优点就是耐高温,尺寸稳定性好,拉伸断裂强度高。玻璃纤维在耐化学侵蚀方面,除了氢氟酸、高温强碱外,对其他介质都很稳定。玻璃纤维的缺点是耐折性较差。
⑴ 耐温性
    做为过滤材料,玻璃纤维可于260℃(中碱)/280℃(无碱)的工况条件下长期使用,瞬间高温可达350℃。过滤气体的温度控制在收尘设备的设计中具有重要的意义,过滤材料的耐高温性能对收尘设备的成本和运行费用都取着决定性的作用。烟气的高温过滤会给您带来以下好处。
·   省去了除尘装置的冷却费用,因而降低了除尘设备的造价;
·   减少了冷风的掺入量,从而使处理风量的总数得到了有效控制。这一点对降低除尘设备的造价是不言而喻的。
·   减少了结露的危险。260℃这一温度界限,对目前所有的工业领域,排除结露故障是足足有余的,这就防止了除尘设备的腐蚀,延长了其使用寿命。同时还防止了滤布表面结露而引起阻塞的故障,使过滤得以顺利进行。
·   节能。如钢铁行业高炉煤气净化,煤气降温不仅本身浪费能源,而且减少了煤气的燃烧热值。
⑵ 尺寸稳定性好
    玻璃纤维在280℃下,其收缩率为0,与其他合成纤维滤料要比,尺寸稳定性优越得多。使用玻璃纤维滤料时不必担心透气性和过滤面积的变化,以及收缩而加大布面张力和滤袋伸长而使滤袋皱折,加快滤袋破损等影响。
⑶ 拉伸断裂强度高
    拉伸断裂强度高、拉伸断裂伸长率小是玻璃纤维过滤材料的又一特点。所以在除尘用滤袋设计时,对滤袋的拉伸断裂强度要求基本上可不予考虑。玻纤滤料与涤沦滤料的强力比较见表2,几种过滤材料断裂伸长率的比较见表3。
表2 玻纤滤料与化纤滤料的拉伸断裂强度标准值对比
 
品种
规格
经向强力
纬向强力
标准号
玻纤滤料
CWF-300
1200N/25mm
1000N/25mm
GB7687
 
EWF-600
2400N/25mm
2400N/25mm
 
化纤滤料
普通型
600N/50mm
1000N/50mm
GB12625
 
高强低伸型
3000N/50mm
2000N/50mm
 
        注:强力单位N/25mm是指25mm宽布条的拉伸断裂强力值(N),N/50mm则为50mm宽布条数据。
表3 几种过滤材料的断裂伸长率
 
品种
比重g/cm3
伸长率%
1.54
3~7
羊毛
1.32
25~37
聚丙烯
0.91
12~25
聚酯
1.38
19~25
芳香族聚酰胺
1.38
12
玻璃纤维
2.54
3~4
⑷ 耐化学侵蚀:
    玻璃纤维本身的耐化学侵蚀与玻璃纤维过滤材料的耐化学侵蚀是两个不同的慨念。因为玻璃纤维过滤材料都必须经过表面化学处理才可以投入使用,未经处理的玻璃纤维做为滤料使用可以说是没有意义的。但对玻璃纤维本身的耐化学侵蚀性我们也要有一个较全面的认识,脉冲除尘器,选粉机,转筒烘干机,玻璃打砂机下面就从酸、碱和水汽对玻璃纤维本身的影响和对玻璃纤维滤料的影响分别做一讨论。
①玻璃纤维滤料具有高度的耐酸性
    中碱玻璃纤维具有高度的耐酸性(HF酸除外)。因为它含有约12%的碱金属氧化物,在酸性介质下
≡Si-O-Na + H+ -→ ≡Si-OH + Na+
侵蚀过程中,生成的≡Si-OH反而在纤维表面起了保护膜的作用,它阻碍着侵蚀进程。
无碱玻璃纤维耐酸性则相对较差,因为其碱金属氧化物含量少,而含有约3%的B2O2,在酸性气氛下
B2O2+3H2O=2H3BO2
遇水后生成的可溶性的硼酸对纤维结构有一定的破坏作用。
    为了提高玻璃纤维过滤材料的耐酸性能,各玻璃纤维滤料生产企业都研制了不同的表面化学处理耐酸配方。如南京菲尔特过滤材料有限公司研究开发了RH、YM、AR等系列玻璃纤维过滤布耐酸处理配方,为我国碳黑、燃煤锅炉、垃圾焚烧炉等行业提供了优质滤料。
    本中心研制开发的耐酸玻璃纤维滤料采用耐酸配方处理,该配方中的抗酸聚合物包覆在玻璃纤维表面,生成一种保护性屏障,使它免受化学侵蚀。采用0.3mm厚中碱玻纤布按照美国BGF公司滤料耐酸测试方法测得酸腐蚀前后耐折性能见表4。如表所示,经耐酸配方处理的玻纤布耐酸性能大幅度提高。
表4 两种过滤布的耐酸性比较
 
滤料名称
MIT耐折(次/15mm·1.5kg)
 
 
 
酸腐蚀前
酸腐蚀后
保留率
耐酸配方处理玻纤布
2433
1937
79.6%
普通配方处理玻纤布
1846
1075
58.2%
所以,在有酸性气氛的高温烟气除尘时,宜选用经过耐酸处理的玻璃纤维过滤材料。
②高温耐碱性不是考虑的重点
    由于自然界的碱都是以碱金属氧化物的形式存在的,所以在高温过滤的烟尘中,尽管有很多碱性成分,但不会真正形成诸如NaOH、Ca(OH)2等形式的碱。所以,尽管普通玻璃的高温耐碱性较差,但碱对玻璃纤维滤料的危害并不是考虑的重点。
③水汽对玻璃纤维滤料有一定的影响
    水汽对玻璃纤维滤料有一定的影响。在实际应用中,高温过滤烟气含水量较大时,宜选用经防水处理的玻璃纤维滤料。
    无碱玻璃纤维对水、湿空气、弱碱有高度的稳定性,属于一级水解级。中碱玻璃纤维对水、湿空气较稳定,属于二级水解级。而高碱玻璃纤维一般属于三级水解级。这是由于其碱金属氧化物含量不同造成的,因为碱金属氧化物会与水起化学作用,生成可溶性的硅酸钠
Na2O+H2O=2NaOH
2NaOH+SiO2= Na2SiO2
Na2SiO2=2Na++SiO2-
    为此,出现了很多经防水处理的玻璃纤维过滤材料。如南京菲尔特过滤材料有限公司研制开发的FCA、FQ、TFB等配方处理的滤料都有优异的防水性能,RH、YM、AR等耐酸配方处理的滤料也具有优异的防水性能。
④玻璃纤维特怕HF酸,160ppm以上的HF存在时不能使用。
⑸ 耐折性
    玻璃纤维耐折性较差,但可以从控制纤维的直径和表面化学处理两个方面来大幅度提高其耐折性能。玻璃纤维的直径对玻纤过滤布的耐折性能影响较大,这是因为玻璃纤维是无机纤维,比较脆,当把单根纤维弯曲到一定的曲率半径时,纤维即断裂,这个半径就称为该纤维的断裂弯曲半径袋式除尘器,三分离选粉机,三回程烘干机,玻璃磨砂机,玻璃纤维的直径d与其断裂弯曲半径r的关系如下:
r=Ed/2T
    式中E(弹性模量)和T(抗张强度)皆为常数,因此纤维的直径越细,其断裂弯曲半径越小,越不易折断,耐折性会明显提高。不同直径纤维的耐折性能见表5。
表5 纤维直径对玻璃纤维耐折性的影响
 
纤维直径(μ)
耐折性能(次)
3.3
2077
4.4
879
5.5
175
6.6
88
8.8
39
    玻璃纤维的表面化学处理可改善纤维的耐折性能。布袋除尘器,双转子选粉机,三筒烘干机,玻璃喷砂机公司研制开发的高耐折表面化学处理配方与国内传统配方相比,其耐折性能提高10倍以上,达到美国进口同类产品水平,取得了较好的效果。其滤料性能比较见表6。
表6 几种无碱膨体纱过滤布性能对比
 
品 种
断裂强度
(N/25mm)
 
MIT耐折
(次/15mm·1.5kg)
 
透气率
(cm/s)
质量
(g/m2)
 
经向
纬向
经向
纬向
 
 
U.S
1885
1160
62138
9674
26.9
487
EWTF550/PSI
2800
1684
4783
1724
17.5
539
EWTF550/TFB
3325
1746
64339
9253
24.1
589
EWTF800/TFB
3295
3480
89566
30175
18.6
890
 
 
⒋结语
    
    各种不同纤维制成的过滤材料都有其自身的特性,我们对其认识的充分程度决定了其在实际应用中的成功率。所以在实际应用中,我们一方面要把收尘器的工况条件吃透;另一方面要对各种滤料的适用工况特别是不适宜的工况吃透。只有把工作做在前面,做细、做深才能使各种滤料用好,更好地为我国环保事业做出应有的贡献。
 
 
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