高溫煙氣過濾材料的研究

0環(huán)境污染是影響我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的負面效應目前，中國已經(jīng)從工業(yè)化的初期轉向工業(yè)化的中期階段。隨著經(jīng)濟的增長，水泥、鋼鐵、電解鋁、能源等行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)第二階段。第二產(chǎn)業(yè)在發(fā)展的同時,也給環(huán)境帶來了巨大的負擔。據(jù)不完全統(tǒng)計,由于環(huán)境遭到破壞使我國經(jīng)濟付出的代價占了國內(nèi)生產(chǎn)總值中的5%~12%,環(huán)境污染已經(jīng)成為阻礙中國崛起為世界經(jīng)濟強國的負面因素,而空氣污染是環(huán)境污染的一個重要方面,因此對空氣污染的控制非常重要。開發(fā)和應用高性能濾料,尤其是適合于以上工業(yè)生產(chǎn)高溫工況作業(yè)的耐高溫濾料是有效緩解這一巨大環(huán)境壓力的重要措施。1高溫熱壓復合技術目前,高溫煙氣過濾材料主要有耐高溫針刺濾料和耐高溫覆膜濾料兩種,耐高溫覆膜濾料由于比耐高溫針刺濾料具有更高的過濾效率而成為主要開發(fā)的耐高溫濾料。由玻璃纖維織物表面復合膨化微孔聚四氟乙烯薄膜(ePTFE)制成的玻璃纖維/PTFE高溫熱壓覆膜濾料是高性能高效濾料,根據(jù)玻璃纖維支撐體形態(tài)不同可將其分為連續(xù)玻璃纖維機織物高溫熱壓覆膜濾料、膨體紗高溫熱壓覆膜濾料和玻璃纖維針刺氈高溫熱壓覆膜濾料。該類覆膜濾料綜合了玻璃纖維和PTFE薄膜的優(yōu)點,具有耐高溫、除塵效率高和使用壽命長的優(yōu)良特性。目前,國內(nèi)小批量生產(chǎn)該類覆膜濾料的廠家較多,覆膜設備大都依靠進口,不具備設備自主開發(fā)能力,而國外也只有Gore公司、Donaldson公司等少數(shù)幾家公司具有自主覆膜設備用于自己公司的產(chǎn)品制備,能夠批量生產(chǎn)此類覆膜濾料。覆膜濾料的生產(chǎn)工藝主要包括兩種,一種是黏結劑法復合技術,采用黏結劑將微孔膜粘附于基布上,這項技術的缺點是當溫度高于150℃后,黏結劑容易熔化而從微孔中滲出,因此影響濾料的過濾效果;另一種是采用國際上通用的高溫熱壓復合技術,用高溫熱壓復合技術制備的覆膜濾料實際使用效果非常好,完全能夠達到國家環(huán)保局發(fā)布的袋式除塵器用覆膜濾料技術要求。國內(nèi)擁有高溫熱壓復合法技術的廠家不多,特別是能用這種技術生產(chǎn)耐高溫覆膜濾料的廠家更是很少。上海大宮新材料有限公司、南京玻璃纖維研究設計院以及江蘇省阜寧工業(yè)用布廠等生產(chǎn)的覆膜濾料全部是采用國際上通用的最先進的高溫熱壓技術復合制成的,都是引進國外的技術;而江蘇閎業(yè)機械有限公司則采用自主研發(fā)的高溫熱壓設備來生產(chǎn)高溫熱壓覆膜濾料。美國Donaldson公司具有生產(chǎn)玻璃纖維/PTFE高溫熱壓覆膜濾料的技術,從1981年開始該公司開發(fā)和生產(chǎn)了商品名為Tetratex的覆膜濾料,產(chǎn)品由Donaldson設備制造,其薄膜孔徑0.07~7μm,薄膜厚度5~250μm,運行過濾阻力小于1250Pa,濾料除塵出口煙氣排放濃度12.5mg/m3,使用壽命4年。主要產(chǎn)品有283.5和623.7g/m2的玻璃纖維機織布表面覆PTFE薄膜的Tetratex濾料。美國Gore公司生產(chǎn)的Gore-Tex覆膜濾料的使用壽命為16個月至3年,運行過濾阻力980~2000Pa,濾料除塵出口煙氣排放濃度小于20mg/m3,覆膜牢度不小于0.03MPa,其性能指標在工業(yè)電廠鍋爐應用領域具有世界先進水平。國內(nèi)玻璃纖維/PTFE高溫熱壓覆膜濾料的指標一般是運行過濾阻力2000Pa±500Pa,透氣率30~50m3/(m2·min),使用壽命2年,覆膜牢度不小于0.025MPa,連續(xù)工作溫度260℃,瞬間工作溫度300℃。由上述國內(nèi)外玻璃纖維/PTFE高溫熱壓覆膜濾料的指標參數(shù)可見,目前國內(nèi)高溫熱壓覆膜濾料產(chǎn)品的制備和性能開發(fā)不具有國際競爭力,國內(nèi)生產(chǎn)廠商在該項技術上尚處于被動地位,尤其是生產(chǎn)高性能耐高溫覆膜濾料的裝備產(chǎn)業(yè)化技術由歐美等發(fā)達國家所壟斷,這種狀態(tài)嚴重制約了我國高性能耐高溫濾料的發(fā)展,同時也使我國環(huán)境污染實施解決的進程受阻。江蘇閎業(yè)機械有限公司經(jīng)過近幾年的研發(fā),通過對高溫熱壓覆膜工藝的加熱系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、張力系統(tǒng)等關鍵技術的攻關,研制了新型高溫熱壓覆膜聯(lián)合裝備,能夠生產(chǎn)除塵效率高、使用時間長的耐高溫玻璃纖維/PTFE覆膜濾料,已達到國際先進水平,現(xiàn)已進入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段。其玻璃纖維/PTFE高溫熱壓覆膜濾料與美國Gore、德國Ultrafilter產(chǎn)品主要性能比較見表1。表1中覆膜濾料的基布都是玻璃纖維機織平紋布。江蘇閎業(yè)機械有限公司的覆膜濾料的基材和膜材都是國產(chǎn)原料、國內(nèi)加工的。2纖維在濾料制作過程中的作用玻璃纖維是一種傳統(tǒng)的濾料,根據(jù)制造工藝和工藝參數(shù)的不同,玻璃纖維具有從亞微米到微米級的直徑范圍。玻璃纖維具有高強低伸、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點,在制作濾料的準備基材過程中外形不會發(fā)生變化,保持固有的長度和圓柱形,不發(fā)生天然纖維類似的潤脹或帚化現(xiàn)象。玻璃纖維基布主要包括:玻璃纖維機織布、玻璃纖維膨體紗布和玻璃纖維針刺氈布等。圖1是玻璃纖維機織布放大50倍的照片。3ptfe薄膜PTFE是一種高強材料,具有優(yōu)良的耐化學腐蝕性能,在硫酸、氫氧化鈉及原子工業(yè)中的強腐蝕劑五氟化鈾中都不會腐蝕,并能耐高溫耐寒,在-200~250℃可長期使用,還有很好的電絕緣性和表面光滑的特性。1969年美國Gore公司發(fā)現(xiàn)PTFE薄膜可經(jīng)橫向拉伸,在縱向產(chǎn)生原纖化結構而成為一種強力多孔材料(ePTFE),由于其由許多非常細小的纖維組成,纖維之間的孔徑在微米級(一般在0.5~3μm之間,最小孔徑可做到0.02μm),孔隙率非常高。纖維間的孔隙能使空氣透過,原纖結構的作用則類似超細纖維,使濾料在中等壓降下就可產(chǎn)生很高的過濾效率,因而有較長的使用壽命;而且能在不增加阻力的狀況下長期保證氣流最大的穩(wěn)定通量。PTFE薄膜表面光滑、憎水透氣,幾乎能保證含塵氣流通過濾料時具有最大的流速。由于PTFE薄膜具有上述優(yōu)點,因此其覆膜濾料具有傳統(tǒng)濾料不可比擬的優(yōu)點。3.1地層沉積在其表層上PTFE覆膜濾料因其薄膜的微孔結構使粉塵無法透過薄膜及基材,無論粉塵是粗還是細,全部沉積在其表層;又因薄膜具有不粘塵、憎水和化學性能穩(wěn)定的特點,聚積在薄膜表面的粉塵極易被清除,因此這種濾料一開始使用就能有效過濾,真正實現(xiàn)袋式除塵器的表面過濾和具有極佳的除塵效率(99.99%)。3.2表面過濾易于清潔，吸油阻力低且穩(wěn)定覆膜濾料表面極其光滑,粉塵剝離性能較好;因薄膜的憎水性,所以即使潮濕的粉塵也很難粘附,過濾在低阻力下運行,與傳統(tǒng)濾料相比阻力損失小。3.3可控的人造一次粉塵層—實現(xiàn)低壓、高通量的連續(xù)過濾傳統(tǒng)濾料的深層過濾方式因極易造成阻塞現(xiàn)象而導致除塵設備收塵效率的降低,而PTFE覆膜濾料依靠其可控的人造一次粉塵層——薄膜零的粉塵穿透率,使其一投入使用就能以極佳的過濾效率進行工作,并且保持過濾壓力始終保持在較低水平,氣流速度始終保持在較高水平。經(jīng)測試,在25℃溫度,125Pa壓力時,其過濾風速可達3.5m/min。在低壓差和高的通量下,這種濾料的除塵器可實現(xiàn)連續(xù)過濾。3.4延長濾料使用壽命PTFE薄膜是一種韌性好的軟纖維體,其與增加強度的基材復合而成的覆膜濾料有足夠的機械強度,加上極佳的脫灰性、低的反沖頻率和清灰強度以及低壓損,大大地延長了濾料的使用壽命,也降低了成本。覆膜濾料不會受堵,更換次數(shù)、清灰次數(shù)大大減少,從而減少了維護工作量,降低了維護成本。另外因其優(yōu)越的清灰性能可實現(xiàn)低壓損長時間持續(xù)運轉,不僅提高了過濾速度,減少了濾料用量,也減少了運行電耗。PTFE微孔薄膜的掃描電子顯微鏡圖像見圖2。4過濾機制由于濾料結構上的差異,覆膜濾料與傳統(tǒng)濾料的過濾機理不一樣,覆膜濾料是“表面過濾”,而傳統(tǒng)濾料是“深層過濾”。4.1次砂膠結過濾傳統(tǒng)濾料依靠建立“一次粉層”作為初始濾物層來達到過濾的目的,這就是通常所說的深層過濾。具體地說,塵埃顆粒先穿透濾料的纖維孔隙,不能穿透者堵住孔隙,直到堆積成一定厚度形成一次粉層后,除塵器才開始有效過濾。這種過濾方式隨著濾料使用時間的增加,系統(tǒng)阻力增大,濾料表面的粉塵會在氣流壓力的作用下不斷滲入濾料,使阻力進一步加大,透氣性迅速下降,最終導致粉塵過量排放。如果過濾煙氣因溫度變化而結露,濾袋的一次粉塵層容易板結。這種過濾方式必然導致濾袋運行阻力不斷增加,過濾風速不斷降低,運行能耗不斷增加,直接影響濾料的使用壽命。4.2薄膜的復合過濾基于粉塵層有利于過濾的理論,在濾料的表面覆上一層PTFE微孔薄膜,由于薄膜的孔徑遠遠小于所用基材的孔徑,覆膜濾料的過濾作用完全依賴于這層薄膜,過濾煙氣中的塵埃顆粒在過濾一開始就會積附在透氣性很好的薄膜表面,從而實現(xiàn)了與傳統(tǒng)濾料的深層過濾不同的表面過濾。薄膜表面非常光滑,摩擦系數(shù)小,沒有纖維毛絨,在薄膜表面很難形成較厚的粉塵層,薄膜表面粉塵積累也很少,粉塵能自然脫落,這樣使得清灰變得更加容易,既保證了較高的除塵效率,又保證了較低的運行阻力。覆膜濾料的表層過濾方式使其具有除塵效率高、清灰徹底、壓力損失穩(wěn)定且保持較低水平、對濾袋的磨損小、適用的粉塵范圍廣、壽命長、能耗低等優(yōu)勢。5高溫熱壓復合法傳統(tǒng)黏結劑法復合玻璃纖維與PTFE薄膜是采用合適的黏結劑在基布和PTFE薄膜之間交聯(lián)固化使兩者連成一體。其優(yōu)點是對基布織物的表面和復合設備及工藝控制要求較低,其缺點是復合強度差,特別是在高溫過濾過程中,黏結劑容易老化變脆,PTFE薄膜與基布織物脫落分離,另一方面,由于黏結劑的存在,PTFE薄膜的孔洞被堵塞,使覆膜織物的透氣性變差,因此黏結劑法覆膜濾料不能滿足大型袋濾器大風量、長壽命的使用要求。高溫熱壓復合工藝制成的玻璃纖維/PTFE覆膜濾料性能優(yōu)異,克服了黏結劑法覆膜濾料的缺點。高溫熱壓法復合技術要求高,難度大,美國Gore、Donaldson等公司都采用此方法。該方法首先對織物進行表面處理,然后將織物與PTFE薄膜一起經(jīng)高溫熱壓復合,使織物和薄膜在高溫高壓下融為一體。其優(yōu)點是PTFE薄膜的微孔不被破壞,復合強度高;難點是對織物的表面處理、薄膜的表面處理以及復合加工工藝有較高的要求。高溫熱壓復合方法是現(xiàn)在覆膜濾料加工的研究熱點。為使PTFE薄膜和玻璃纖維織物完美地結合在一起,既保證膜的孔隙率穩(wěn)定,又保證兩者的結合力,需要對兩者進行一定的物理化學改性,并且對加工工藝條件進行調(diào)整以達到所需的要求。5.1薄膜的復合整理玻璃纖維/PTFE高溫熱壓覆膜濾料的工藝流程如下:玻璃纖維織物浸漬改性→表面處理→烘干PTFE薄膜的等離子體表面改性]→玻璃纖維織物浸漬改性→表面處理→烘干ΡΤFE薄膜的等離子體表面改性]→熱壓復合→后整理→成卷5.2工藝特點5.2.1高分子聚合物復合材料玻璃纖維基布的表面處理方法根據(jù)使用領域的工況條件,在玻璃纖維布表面涂覆不同的高分子聚合物,以增強玻璃纖維的化學穩(wěn)定性,保證長期處于高溫狀態(tài)的玻璃纖維覆膜濾料具有較高的黏合牢度,以及在酸性或堿性環(huán)境中其強度、耐折、耐磨等性能不受影響;改善玻璃纖維的曲撓性;提高濾料表面的憎水性,使其具備抗結露能力。5.2.2薄膜的自由能用冷等離子體處理PTFE薄膜表面,改善高分子材料薄膜表面的自由能,增強膜材與玻璃纖維支撐體材料的熱黏合作用,并在有效黏合的條件下,通過控制處理參數(shù),減少薄膜表面的高溫糊化,增加微孔隙黏合后的保留率。5.2.3加熱系統(tǒng)運行溫度均衡控制熱壓復合工藝的溫度控制尤為重要,要求快速、穩(wěn)定的加熱系統(tǒng)實現(xiàn)加熱溫度的迅速提升,并通過熱量均衡系統(tǒng)控制溫度的變化率,使溫度變化控制在±1℃/m(這里溫度變化指的是在熱壓覆膜時保證濾料每米間的溫差在1℃之內(nèi))。5.2.4壓力均勻一致采用精密壓輥間隙調(diào)整裝置,實現(xiàn)壓輥間隙的實時自動調(diào)整,確保薄膜上壓力均勻一致,避免由于壓力過大引起的孔隙堵塞問題和壓力過小引起的復合不牢問題。同時采用專用導膜系統(tǒng),確保導膜輥與退膜輥、加熱輥之間的雙切線定位,實現(xiàn)膜和織物接觸時與加熱輥成線接觸。5.2.5膜材與比材的收縮率差異由于除塵濾料的PTFE薄膜很薄(0.005~0.03mm),膜材的微小張力差異都會引起膜材與基材的收縮率差異,使制品表面起皺起泡,導致制品功能失效。為了盡量減少膜材在運行過程中的張力波動,采取實時監(jiān)控膜材張力變化,并通過反饋式數(shù)字張力控制系統(tǒng),實現(xiàn)膜材張力精密控制,確保膜材張力差異不超過0.5%。5.2.6連續(xù)生產(chǎn)復合制品在線分切工藝采用傳統(tǒng)手動的換卷方式容易引起整條生產(chǎn)線的張力變化,造成大量生頭產(chǎn)品的質(zhì)量波動。采用機械手自動換卷技術,能夠實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)復合制品的在線分切,保證幅間穩(wěn)定的張力,解決換卷動作的一致性、協(xié)調(diào)性問題,提高成品質(zhì)量。從表1的國內(nèi)外產(chǎn)品性能對比可以看出,只要在工藝上滿足溫度、壓力、張力以及連續(xù)化生產(chǎn)的嚴格要求,盡量避免濾料的生產(chǎn)質(zhì)量波動,國產(chǎn)設備所生產(chǎn)的玻璃纖維/PTFE高溫熱壓覆膜濾料基本能夠達到國際先進水平。6層壓復合濾料的制備玻璃纖維/PTFE高溫熱壓覆膜濾料是耐高溫濾料的發(fā)展方向,它是在經(jīng)