0 前言
隨著GB4915-2004《水泥工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的實施，窯尾煙塵排放濃度要求≤50mg/Nm3，部分地區(qū)已經(jīng)要求窯頭窯尾煙塵排放濃度≤30mg/Nm3。因此，采用袋式或電袋復(fù)合除塵器(包括電袋復(fù)合除塵器的袋區(qū)，統(tǒng)稱為袋式除塵器，下同)，是解決窯尾煙塵達(dá)標(biāo)排放的主要手段之一。而濾袋是袋式除塵器的“核心”組件，其質(zhì)量和性能好壞決定了袋式除塵器的運行效果、使用壽命和經(jīng)濟(jì)性。因此，對各類濾料的性能優(yōu)劣進(jìn)行比較，選擇性價比較高的濾袋，是水泥生產(chǎn)企業(yè)關(guān)心的焦點。由于水泥生產(chǎn)工藝的不同，煙塵性質(zhì)的差別，運行管理水平的差異，致使濾袋的使用條件千差萬別，很難對實際工程中各種濾袋的性能進(jìn)行準(zhǔn)確比較。因此我們選擇了水泥窯使用較多的四種濾袋的濾料進(jìn)行實驗室條件下的性能技術(shù)比較。目的在于指導(dǎo)用戶正確選擇性價比較高的濾袋，減少選擇的盲目性和隨意性，滿足過濾效率高、運行阻力低、節(jié)能、使用壽命長的要求。為此，特選擇了水泥窯最常用的玻纖覆膜(GL-11)、玻纖針刺氈(GL-N)、P84針刺氈(PI)、窯之星針刺氈(K-Star)等四種濾料的性能進(jìn)行試驗比較。
1 基本特點
玻璃纖維是由熔融玻璃液體經(jīng)噴絲孔板拉制的玻璃纖維原絲，按一定的工藝和要求生產(chǎn)成玻璃纖維捻絲。然后，按不同目的和要求紡織成斜紋、破斜紋、緯二重等不同的玻璃纖維素布。最后，按使用條件進(jìn)行后處理。玻璃纖維濾料具有耐溫高、耐腐蝕等優(yōu)點。
（1）P84（P84為商品名，學(xué)名聚酰亞胺，簡寫PI）纖維濾料。它是一種高技術(shù)，有機(jī)高分子材料。P84纖維截面成三葉型，有非常高的纖維表面積系數(shù)，與其他形狀截面的纖維相比具有比表面積大，空隙小，孔隙率大的特點。除此之外，P84纖維濾料可在260℃以下連續(xù)使用，瞬時溫度可達(dá)280℃具有過濾效率高、運行阻力低、使用壽命長的特點。
（2）玻纖覆膜濾料。是在玻璃纖維濾料表面構(gòu)造一層微孔膜態(tài)物，并使其致密地附著在玻璃纖維基料表面，充分發(fā)揮附著膜的作用，改善了濾料的耐水、耐油、耐腐蝕和透氣性。改善玻璃纖維濾料的性能。
（3）針刺氈類濾料。屬于非織造濾料，目前常用的針刺氈類濾料都是在基布基礎(chǔ)上，將高度蓬松而無強(qiáng)力的纖維網(wǎng)進(jìn)行針刺成型，并經(jīng)過復(fù)雜的工藝過程，使其針刺氈濾料中的纖維成立體交錯的三維結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于粉塵層的形成，過濾和清灰后不存在直通空隙，過濾效果穩(wěn)定。
（4）窯之星針刺氈濾料。屬于非織造復(fù)合濾料，采用高性能芳砜綸纖維為主要原料，填充一定比例P84纖維，以聚四氟乙烯長絲基布為結(jié)構(gòu)支撐，融入“三維非對稱結(jié)構(gòu)”與“表面微孔化”設(shè)計思想，該濾料可與P84濾料相媲美，具有高效、低阻、長壽命的特點。
2 試驗
2.1 實驗樣品
在市場上隨機(jī)采購玻纖覆膜濾料、玻纖針刺氈濾料、P84針刺氈濾料和窯之星針刺氈濾料，各取2m2作為試驗樣品，各樣品克重如表2-1所示。
2.2 試劑與儀器
試驗中所用試劑主要有濃硫酸，氫氧化鈉，實驗儀器設(shè)備有YG461E-Ⅱ數(shù)字式透氣量儀，YG026C電子織物強(qiáng)力機(jī)，YG032D織物漲破儀，1-AT型德國機(jī)械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)濾料模擬測試裝置，DXS-10A型掃描電子顯微鏡及0～400℃熱烘箱等。
2.3 實驗方法
清潔濾料透氣性能采用YG461E-Ⅱ數(shù)字式透氣量儀按GB/T5453方法測試。
（1）耐溫性及熱收縮率測試。取少許樣品置于烘箱內(nèi)，維持一定時間后，取出并測量強(qiáng)力，計算熱烘前后的強(qiáng)力保持率及熱收縮率。
（2）耐化學(xué)性能測試。配置各種濃度的化學(xué)溶液，將樣品浸泡其中，在一定的溫度下，維持一定的時間，取出并測量樣品的強(qiáng)力，計算浸泡前后的強(qiáng)力保持率。
（3）機(jī)械強(qiáng)力衰減實驗。分別裁取6塊直徑為155mm的各濾料樣品，采用1-AT型德國機(jī)械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)濾料模擬測試裝置的脈沖噴吹系統(tǒng)，分別對樣品進(jìn)行脈沖噴吹后（噴吹壓力5Bar），取出測量其爆破強(qiáng)力。
掃描電子顯微鏡分析。取少量濾料樣品，利用等離子衍射儀進(jìn)行鍍金，然后放入掃描電子顯微鏡樣品臺進(jìn)行觀察，得到各纖維樣品的微觀形貌，過濾性能測試，參照德國機(jī)械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)[1]進(jìn)行，即VDI3926-2004。
3 試驗結(jié)果與討論
3.1 清潔濾料透氣性能測試
表3-1為四種樣品清潔時的透氣量數(shù)據(jù)，因玻纖硬而脆，纖維基本沒有卷曲，成氈后纖維纏結(jié)少，因此孔隙率相對化纖濾料低，故而GL-N透氣量低；GL-11透氣性主要由表層e-PTFE薄膜決定，PI與K-Star同屬化纖濾料，纖維卷曲度高，纖維之間纏結(jié)度高，因此成氈孔隙率高，透氣性好。
3.2 耐化學(xué)性能測試
裁取適量玻纖針刺氈濾料、玻纖覆膜濾料、P84針刺氈濾料和窯之星針刺氈濾料樣品分別置于50％H2SO4溶液并放人90℃水浴中與常溫的15％NaOH溶液，放置24h后，測量各樣品的強(qiáng)力保持率，結(jié)果如表3-2所示，由表可知，窯之星針刺氈濾料樣品的耐酸、耐堿綜合性能最優(yōu)，玻纖類濾料耐酸性較差，P84針刺氈濾料耐堿性較差。
如圖3.1所示，四種樣品的耐熱性能基本在同一水平，P84針刺氈濾料、窯之星針刺氈濾料由于是高分子合成材料，在加熱初期，P84針刺氈濾料和窯之星針刺氈濾料在熱流作用下，分子鏈段發(fā)生固相縮聚或熱結(jié)晶，使聚合度或結(jié)晶度增加，強(qiáng)力有所上升；而玻纖針刺氈濾料和玻纖覆膜濾料屬無機(jī)材料，在250℃強(qiáng)力基本保持不變。
3.3 熱性能測試
圖3.1 250℃下，濾料樣品強(qiáng)力保持率
3.4 機(jī)械強(qiáng)力衰減性能測試(耐折性)
從圖3.2可以看出，對P84針刺氈和窯之星針刺氈兩種濾料樣品，雖然初始的爆破強(qiáng)力比玻纖針刺氈、玻纖覆膜低，但隨著脈沖噴吹次數(shù)的增加，玻纖針刺氈、玻纖覆膜的爆破強(qiáng)力基本上呈線性下降，當(dāng)脈沖噴吹次數(shù)達(dá)到20000次時，強(qiáng)力已下降了45％ ，主要原因是玻纖基材不耐折，硬而脆，導(dǎo)致其在長期反復(fù)的脈沖噴吹后，纖維斷裂使濾料整體強(qiáng)力線性下降。而P84針刺氈和窯之星針刺氈由于均為化纖濾料，韌性好，在長期脈沖噴吹過程中，衰減幅度極小，基本成直線狀態(tài)，具有良好的耐沖擊性。從而可以斷定，其使用壽命大于玻纖針刺氈和玻纖覆膜。
圖3.2 脈沖噴吹次數(shù)與濾料爆破強(qiáng)力關(guān)系
3.5 掃描電子顯微鏡分析
圖3.3是脈沖噴吹20000次后各種濾料SEM分析照片。由于玻纖硬而脆，無法承受高能型的反復(fù)脈沖噴吹，不管是玻纖針刺氈還是玻纖覆膜，經(jīng)20000次噴吹后的樣品SEM分析，可以明顯看出玻纖針刺氈單纖維斷裂，玻纖覆膜紗線斷裂現(xiàn)象，一旦紗線斷裂，袋體內(nèi)積塵量增加，透氣性變差，進(jìn)而導(dǎo)致阻力迅速上升；而P84針刺氈、窯之星針刺氈纖維表面保持光滑，沒有發(fā)現(xiàn)任何損傷，纖維表面仍保持原始狀態(tài)。進(jìn)一步證明了玻纖類濾料耐折性差的特性。
3.3脈沖噴吹后樣品SEM分析圖
3.6 過濾性能測試
定時清灰時，各樣品壓差隨時間變化情況。德國機(jī)械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)試驗中，老化階段是一個很重要的過程，即模擬“粉餅”形成的過程，采用間隔5s噴吹，共噴吹5000次。在老化過程中，比較各樣品形成“粉餅”的能力及阻力特性。由圖3.4可知，玻纖針刺氈阻力曲線上升趨勢最為明顯，表明該濾料清灰性能較差，粉塵容易滲入濾料深層，導(dǎo)致阻力上升速度較快；玻纖覆膜表面有一層PTFE微孔膜作為人造“粉餅”層，初始阻力比其他三種濾料都要高；而P84針刺氈和窯之星針刺氈兩條阻力曲線則上升平緩，顯示了獨特的低阻特性。
圖3.4 VDI測試定時清灰（間隔5s）壓差曲線對比
老化后，各濾料樣品定壓過濾性能的綜合比較。在定壓1000Pa下四種樣品，進(jìn)行30次過濾與清灰過程試驗，由圖3.5、圖3.6可知，玻纖針刺氈殘留阻力最高，玻纖覆膜次之，P84針刺氈和窯之星針刺氈阻力相當(dāng)，均低于玻纖類濾料，進(jìn)一步證明了P84針刺氈和窯之星針刺氈低阻的優(yōu)異特性。
圖3.5 老化后30次定壓清灰殘留阻力隨噴吹次數(shù)的關(guān)系
圖3.6 老化后30次定壓清灰清灰周期隨噴吹次數(shù)的關(guān)系
老化后濾料表面已形成“穩(wěn)定”的粉餅層，濾料過濾效率可以進(jìn)一步反映粉餅層的質(zhì)量，由圖3.7可知，窯之星針刺氈、P84針刺氈和玻纖覆膜過濾效率要明顯高于玻纖針刺氈濾料。
圖3.7 老化后，四種樣品過濾效率對比
為了進(jìn)一步比較濾袋過濾性能的優(yōu)劣，對于以上試驗后的樣品，進(jìn)行粉塵滲入濾料深層滲人量的對比，結(jié)果如表3-3所示。由對比數(shù)據(jù)表明，玻纖針刺氈粉塵滲入量大，這要歸因于玻纖卷曲少，成氈密實度不佳，且經(jīng)噴吹后，纖維斷裂，不但導(dǎo)致運行阻力增加，還導(dǎo)致粉塵容易滲入逃逸。
一般情況下，濾袋使用壽命≤30000h，因此，將有大量廢棄濾袋亟待處理，是由濾袋生產(chǎn)商、除塵器生產(chǎn)商還是用戶處理尚不明確，更換下來的廢棄濾袋隨意處置，多數(shù)情況下任意堆放，由此而產(chǎn)生的二次污染問題尚無人過問，目前處在“三不管”狀態(tài)。對廢棄濾袋處理問題國內(nèi)研究的還不多，處在起步階段。通常認(rèn)為，最有效、最徹底的處理方法是焚燒，焚燒所產(chǎn)生的有害和有毒氣體問題也必須引起人們的高度重視。表4-1[2]是四種廢棄濾袋在溫度大于850℃焚燒過程中產(chǎn)生的污染物物質(zhì)情況。
4 廢棄濾袋的處理問題
從表4-1中不難看出，玻璃纖維和PTFE(聚四氟乙烯)類廢棄濾袋焚燒產(chǎn)生的氟化氫(HF)含量最高，其中玻璃纖維含HF為12.74mg/g；PTFE含HF高達(dá)540.1 mg/g。我們知道HF是極強(qiáng)的腐蝕劑，有劇毒，空氣中含量只要超過3ppm就會產(chǎn)生刺激氣味，對人體極其有害；聚苯硫醚含HCl(氯化氫)0.73mg/g，HCl是毒性氣體，二戰(zhàn)時法西斯作為殺人毒氣；另外，H2S(硫化氫)含量也較高，H2S也是劇毒氣體；從表中也不難看出P84焚燒后所含有害毒氣最少，焚燒后煙氣中主要是CO2，含量為2428 mg/g。P84焚燒過程中基本不產(chǎn)生毒性物質(zhì)，適合焚燒處理。
5 結(jié)論
（1）透氣性能。四種濾料透氣性有所不同，玻纖氈孔隙率低，P84與窯之星透氣性較好，玻纖覆膜透氣性受表層e-PTFE薄膜決定。
（2）耐化學(xué)性能。四種濾料都有較好的熱穩(wěn)定性，強(qiáng)力保持良好。適合煙氣在260℃以下連續(xù)使用，瞬時溫度可達(dá)280℃短時使用。
（3）耐化學(xué)性能。窯之星針刺氈樣品的耐酸、耐堿綜合性能最優(yōu)；玻纖類耐酸性較差；P84針刺氈耐堿性較差。
（4）機(jī)械強(qiáng)力衰減性能。玻纖基材不耐折，硬而脆，長期反復(fù)脈沖噴吹后，纖維斷裂使濾料整體強(qiáng)力線性下降；P84針刺氈與窯之星針刺氈由于均為化纖濾料，韌性好，在長期脈沖噴吹過程中，衰減幅度極小。
（5）SEM分析。經(jīng)20000次噴吹后進(jìn)行SEM分析。玻纖針刺氈單纖維有明顯斷裂；玻纖覆膜紗線斷裂現(xiàn)象，一旦紗線斷裂，袋體內(nèi)積塵量增加，透氣性變差，進(jìn)而導(dǎo)致阻力上升；而P84針刺氈和窯之星針刺氈纖維表面保持光滑，沒有發(fā)現(xiàn)任何損傷。
（6）阻力特性。玻纖針刺氈阻力曲線上升趨勢最為明顯，表明該濾料清灰性能較差，粉塵容易滲入濾料深層，導(dǎo)致阻力上升速度較快；玻纖覆膜表
面有一層PTFE微孔膜作為人造“粉餅”層，初始阻力比其它三種濾料都要高；而P84針刺氈和窯之星針刺氈兩條阻力曲線則上升平緩，顯示了低阻特性。
（7）過濾性能測試。玻纖針刺氈過濾性能低于其他三種濾料；其他三種濾料過濾性能相近，具有較高的過濾性能。
（8）廢棄濾袋后處理。從上面試驗結(jié)果得出P84最適合焚燒處理，基本不產(chǎn)生有毒氣體，產(chǎn)生CO2量與聚苯硫醚相當(dāng)，對人類健康不產(chǎn)生直接影響，容易處理，而其他幾種濾袋焚燒過程產(chǎn)生具毒性氣體。
綜上對各樣品進(jìn)行系統(tǒng)試驗與分析對比，表明P84針刺氈和窯之星針刺氈濾料各項性能均優(yōu)于玻纖類玻纖針刺氈和玻纖覆膜濾料，在廢棄濾袋處理中更顯示出獨特優(yōu)勢。
6 建議
用戶應(yīng)依據(jù)所處理的煙塵性質(zhì)和具體使用條件，審慎選擇濾料。一般情況下應(yīng)首先選擇氈料類濾料。P84針刺氈和窯之星針刺氈濾料具有良好的過濾特性、化學(xué)穩(wěn)定性和低阻力特性，大量工程實踐證實P84針刺氈和窯之星針刺氈使用壽命長，柔韌性好，適合脈沖清灰。初期投資高引起的成本增加，可通過其運行阻力小，能耗低加以補(bǔ)償。P84具有良好的后處理特性，因此，在濾袋使用壽命期內(nèi)，整體性價比最高。
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