0 前言
隨著GB4915-2004《水泥工業(yè)污染物排放標準》環(huán)保標準的實施，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)，是解決窯尾煙塵達標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)濟性。因此，對各類濾料的性能優(yōu)劣進行比較，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行準確比較。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，將高度蓬松而無強力的纖維網(wǎng)進行針刺成型，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電子織物強力機，YG032D織物漲破儀，1-AT型德國機械工程師協(xié)會標準濾料模擬測試裝置，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，取出并測量強力，計算熱烘前后的強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力，計算浸泡前后的強力保持率。
（3）機械強力衰減實驗。分別裁取6塊直徑為155mm的各濾料樣品，采用1-AT型德國機械工程師協(xié)會標準濾料模擬測試裝置的脈沖噴吹系統(tǒng)，分別對樣品進行脈沖噴吹后（噴吹壓力5Bar），取出測量其爆破強力。
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行鍍金，然后放入掃描電子顯微鏡樣品臺進行觀察，得到各纖維樣品的微觀形貌，過濾性能測試，參照德國機械工程師協(xié)會標準[1]進行，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，強力有所上升；而玻纖針刺氈濾料和玻纖覆膜濾料屬無機材料，在250℃強力基本保持不變。
3.3 熱性能測試
圖3.1 250℃下，濾料樣品強力保持率
3.4 機械強力衰減性能測試(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、玻纖覆膜的爆破強力基本上呈線性下降，當脈沖噴吹次數(shù)達到20000次時，強力已下降了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。德國機械工程師協(xié)會標準試驗中，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，均低于玻纖類濾料，進一步證明了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540.1 mg/g。我們知道HF是極強的腐蝕劑，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，強力保持良好。適合煙氣在260℃以下連續(xù)使用，瞬時溫度可達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）機械強力衰減性能。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，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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