技術 | 金屬纖維濾料在水泥除塵領域的應用分析
發布時間：
2023-02-28
隨著我國經濟的高速發展，水泥在國民經濟中的作用越來越大，尤其在“十一五”和“十二五”期間，我國水泥工業取得了長足發展。我國目前水泥廠普遍采用的是干法工藝，新型干法水泥技術在節能、大型化方面取得突破性進展，截止到2017年底，全國新型干法水泥生產線累計1715條(去除部分2016年已拆除或無法恢復的生產線)，設計熟料產能達18.2億t，實際年熟料產能依舊超過20億t，目前新型干法水泥窯規模以5000
1.水泥行業除塵現狀
隨著我國經濟的高速發展，水泥在國民經濟中的作用越來越大，尤其在“十一五”和“十二五”期間，我國水泥工業取得了長足發展。我國目前水泥廠普遍采用的是干法工藝，新型干法水泥技術在節能、大型化方面取得突破性進展，截止到2017年底，全國新型干法水泥生產線累計1715條(去除部分2016年已拆除或無法恢復的生產線)，設計熟料產能達18.2億t，實際年熟料產能依舊超過20億t，目前新型干法水泥窯規模以5000t/d熟料規模為主，規模已達到12000t/d熟料。
在工業粉塵的主要排放源中，水泥行業產生的粉塵約占排放總量的70％，這已經嚴重污染了環境，新修訂的《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB4915—2013)已于2013年12月27日發布。為了適應國家“十三五”和今后一段時間環境管理的需求，有效加強對顆粒物、SO?、NOX等的排放控制，日前，環保部印發《關于京津冀大氣污染傳輸通道城市執行大氣污染物特別排放限值的公告》，決定在京津冀大氣污染傳輸通道城市執行大氣污染物特別排放限值。
具體到水泥行業：新建自2018年3月1日起，新受理環評的建設項目執行大氣污染物特別排放限值；地方有更嚴格排放控制要求的，按地方要求執行。而現有企業自2018年10月1日起，執行二氧化硫、氮氧化物、顆粒物和揮發性有機物特別排放限值。根據所發布的排放限值數據：水泥窯及窯尾余熱利用系統、烘干機、烘干磨、煤磨及冷卻機等熱力設備排放限值為30mg／Nm³，破碎機、磨機、包裝機等通風設備排放限值20mg／Nm³。另外，重點地區企業執行大氣污染物特別排放限值：熱力設備排放限值為20mg／Nm³，通風設備排放限值10mg／Nm³。有的甚至按5mg／Nm³的排放標準執行改造。
采用新型干法水泥生產線的工藝流程中，水泥廠粉塵污染源主要集中在窯頭和窯尾的粉塵排放，根據新標準(GB 4915—2013)對排放限值的要求，水泥廠窯頭和窯尾只有采用高效電一袋復合除塵器，利用電除塵器粗過濾結合布袋濾料的高精度過濾，才能實現超低排放。由于袋除塵器具有能處理微細粉塵、除塵效率高、結構簡單、適應性強、系統運行穩定等優點，在應用新標準排放的要求下，袋式除塵器比其他除塵方式更具有優勢。
2.存在問題及改進辦法
根據目前水泥生產工藝又可分為帶余熱發電和不帶余熱發電兩種，在現有工藝不變的情況下，帶余熱發電時水泥窯尾進入除塵器的煙氣溫度為130～150℃，進入窯頭除塵器的風溫為80～100℃；不帶余熱發電時水泥窯尾進入除塵器的煙氣溫度為130～150℃(瞬時可達200℃以上)，進入窯頭除塵器的風溫為250～380℃(電除塵器，若窯頭為袋除塵器需在除塵器前加換熱器)。
目前袋式除塵濾袋材質大多為芳綸、聚酰亞胺、PPs、PTFE等，耐溫不超過280℃，當窯內溫度發生波動時(主要在窯頭)，很容易發生燒袋、糊袋事故，出現破袋現象，引起排放超標，運行成本較高。隨著過濾材料研究工藝不斷深人，一批具有耐高溫、耐腐蝕、高過濾精度的材料，如金屬纖維燒結氈、金屬間化合物粉末濾料、陶瓷等金屬及無機材料，打破了原有濾料耐溫的限制，可適用于窯頭除塵器的改造(適用于無余熱發電的電除塵器改造項目)。
3.金屬纖維濾料特點
金屬纖維氈是采用不同絲徑(1～100μm)的金屬纖維進行搭配，采用無紡鋪制方法，通過高溫燒結而成的多孔深度型濾材，厚度在0.4～1mm之間，其成品及微觀結構如1所示。金屬纖維氈材質主要為耐高溫、耐腐蝕性的不銹鋼材質，比如304、316L、310s等，推薦使用溫度為600℃，而采用FecrAl材質的金屬纖維氈其使用溫度可達1 000℃。由于纖維絲徑屬于微米級別，并且全為貫通孔，因此纖維氈的孔隙率達到80％以上，這遠高于其他耐高溫濾料，如金屬粉末和陶瓷濾料。
圖1金屬纖維氈成品及微觀形貌
金屬纖維濾料初始阻力只有30～100Pa，濾料內部彎曲的通道能阻攔、吸附大量不同形狀、粒徑的污染物，因此其納污能力遠高于其他濾料。金屬纖維濾袋在過濾過程中無靜電產生，不會對粉塵產生吸附作用。金屬纖維表面比布袋光滑，反吹過程中粉塵易脫落，濾袋可再生利用，發生嚴重堵塞時采用高壓水或氣沖刷即可再用，布袋一旦堵塞，只能進行更換；其過濾性能穩定，孔徑通過高溫燒結，在高壓下不會發生變形，引起泄漏，而布袋在發生堵塞時會產生粉塵穿透，排放超標。
金屬多孔過濾材料本身韌性和導熱性良好的匹配，使得其抗震、耐熱性優于陶瓷，不易發生斷裂，并且金屬材料可以進行焊接、彎曲變形等二次加工，方便與整體系統進行封裝等，如采用波折金屬濾料方法提高過濾面積，節省占地面積，陶瓷濾芯、粉末濾料屬于剛性材質，在安裝使用過程中容易發生脆裂，更換麻煩，而金屬纖維氈具有很好的韌性，可承受彎曲變形，在高溫除塵過濾介質應用方面具有更好的適用性和優越性。
4.不同濾料性能特點比較
4.1 不同濾料過濾性能穩定性對比
目前有的布袋廠家稱其濾料可攔截2μm粉塵，但是實際情況是隨著袋式除塵器壓力增加，其布袋濾料中纖維發生變形，使得孔徑增大。將3種標定為氣一固過濾精度2μm的濾料采用泡點法測量其過濾精度。如表1所示：柔性濾料(PTFE或PPS)的泡點均比金屬纖維氈低，對應的攔截顆粒尺寸遠高于2μm。所以在實際使用中，在使用溫度和過濾壓力的雙重作用下，布袋濾料的孔徑會增大，勢必會影響過濾精度，使得排放超標。而金屬纖維濾料是經過高溫燒結而成，纖維之間通過擴散焊接牢固，在一般過濾壓力下不會出現類似于布袋排放不達標的問題，并且金屬纖維濾料特有的高孔隙率，使得其透氣性遠高于其他兩種材質。
表1不同材質濾料的性能對比
4.2 不同濾料過濾性能VDI測試
將金屬纖維濾料和市場上常用的覆膜PTFE濾料進行過濾VDI性能對比測試，測試標準為《袋式除塵器技術要求》(GB／T 6719—2009)，測試粉塵為氧化鋁標準粉塵，濃度為5g／m³，結果如表2所示。可以看出清潔狀態下的金屬纖維濾料(1μm)阻力只有38Pa，遠低于覆膜濾料的初始阻力，并且初期過濾效率可達99.98％。當金屬濾料發生老化后，其過濾效率和覆膜濾料基本一致，并且濾料阻力穩定在500Pa以下，與傳統覆膜PTFE濾料相比，真正實現了“高效低阻”的過濾效果。
表2不同材質濾料的過濾-眭能對比
5.金屬纖維濾料過濾機理及應用
5.1 金屬纖維濾料過濾機理
目前隨著超細纖維工藝技術的不斷完善和突破，采用技術拉拔法制備的金屬纖維絲徑可達1μm，通過其制備的纖維氈的氣一固過濾精度可達0.2μm。在濾料設計中，采用超細纖維作為金屬纖維氈濾料的迎風面，結合采用絲徑較粗的纖維作為支撐層，可以在濾料表面形成從小到大、梯度結構孔徑的結構(見圖2)，通過細纖維層阻擋大部分粉塵留在濾料表面，起到表面過濾作用，這樣既不用完全依賴粉塵層的過濾作用，也不用使太多粉塵進入濾料深層，增加運行阻力，粗纖維層可以增強濾料強度，增加對氣流的沖擊抵抗力，減小壓降，脈沖反吹清灰效果好，耗氣量小，能耗降低。
圖2金屬纖維氈梯度結構
5.2 金屬纖維濾袋應用情況
作為工業除塵器使用的金屬纖維濾袋是將金屬纖維濾料進行裁剪、卷圓、焊接而成，濾筒內部采用不銹鋼骨架支撐，以增加其抗壓強度。一般濾袋主要直徑為中∅130mm、∅160mm，長度為1～8m不等。安裝時袋口采用法蘭、高溫密封墊及壓塊進行密封。金屬纖維濾袋及現場安裝情況見圖3。
圖3金屬纖維濾袋及現場安裝
目前金屬纖維濾袋已廣泛應用在燃煤鍋爐煙氣除塵、貴金屬回收、冶金行業除塵等高溫領域。如公司在安徽某電廠將金屬濾袋放置于脫硝工藝前段(350℃左右)，通過濾料表面攔截作用，減緩了煙氣顆粒對后續脫硝催化劑磨損、堵塞問題，使得催化劑壽命大幅度提高。某些金屬礦物在燒結冶煉過程中有部分貴重稀有金屬需要回收，例如金屬錸在溫度高于350℃時呈氣態，低于此溫度將會和氣體中的灰塵混在一起，難以分離。
公司采用金屬纖維濾袋將含氣態錸的高溫氣體進行過濾后再進行冷卻，成功地實現了錸金屬的回收。在鈦白粉回轉窯煅燒工序中，產生的高溫煙氣(溫度在450℃左右)直接經過金屬濾袋進行過濾，一方面有效防止產生環境污染，更重要的是過濾后的高溫氣體可以返回窯中再加熱， 成功實現余熱利用。以20000m³／h的高溫煙氣量為例，通過余熱利用，每天可節約能源費用1萬元以上。
公司于2017年5月在陜西某水泥廠干法水泥生產線窯頭前進行高溫除塵試驗，采用高溫引風機從主管道引出6000m³／h煙氣，溫度在280～320℃，通過金屬纖維濾袋進行高溫過濾。其中設計過濾風速為1～1.2m／min，采用定時清灰在線脈沖清灰，清灰壓力為0.3～0.4MPa。設備初期運行阻力為350Pa左右。經過3個月不停歇運行后，采用稱重法對除塵器進出口管道的粉塵濃度進行檢測，進口濃度48.3g／Nm³，出口濃度為5.62mg／Nm³，除塵效率達99.98％，運行阻力維持在800～1000Pa。
6.總結
總之，布袋等傳統濾料在260℃以上使用壽命不長，陶瓷、金屬粉末濾料在過濾效率穩定性和耐高溫性方面與傳統濾料相比有優勢，但問題是整體很脆，易斷，過濾阻力較大、清灰效果差、運行維護成本高。金屬纖維濾料獨有的強韌性、耐高溫性、防腐蝕性、易加工成型能力必將成為高溫除塵濾料的材料，采用金屬濾袋過濾后的排放指標完全滿足國家超低排放標準要求。金屬纖維濾料必將在高溫煙氣除塵行業中占有重要的地位，贏得廣闊的市場。對其進行研究和開發，將為國家帶來巨大的社會效益、經濟效益和環保效益。
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