技術(shù) | 金屬纖維濾料在水泥除塵領(lǐng)域的應(yīng)用分析
發(fā)布時(shí)間：
2023-02-28
隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水泥在國民經(jīng)濟(jì)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(yè)取得了長足發(fā)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(shù)在節(jié)能、大型化方面取得突破性進(jìn)展，截止到2017年底，全國新型干法水泥生產(chǎn)線累計(jì)1715條(去除部分2016年已拆除或無法恢復(fù)的生產(chǎn)線)，設(shè)計(jì)熟料產(chǎn)能達(dá)18.2億t，實(shí)際年熟料產(chǎn)能依舊超過20億t，目前新型干法水泥窯規(guī)模以5000
1.水泥行業(yè)除塵現(xiàn)狀
隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水泥在國民經(jīng)濟(jì)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(yè)取得了長足發(fā)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(shù)在節(jié)能、大型化方面取得突破性進(jìn)展，截止到2017年底，全國新型干法水泥生產(chǎn)線累計(jì)1715條(去除部分2016年已拆除或無法恢復(fù)的生產(chǎn)線)，設(shè)計(jì)熟料產(chǎn)能達(dá)18.2億t，實(shí)際年熟料產(chǎn)能依舊超過20億t，目前新型干法水泥窯規(guī)模以5000t/d熟料規(guī)模為主，規(guī)模已達(dá)到12000t/d熟料。
在工業(yè)粉塵的主要排放源中，水泥行業(yè)產(chǎn)生的粉塵約占排放總量的70％，這已經(jīng)嚴(yán)重污染了環(huán)境，新修訂的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB4915—2013)已于2013年12月27日發(fā)布。為了適應(yīng)國家“十三五”和今后一段時(shí)間環(huán)境管理的需求，有效加強(qiáng)對(duì)顆粒物、SO?、NOX等的排放控制，日前，環(huán)保部印發(fā)《關(guān)于京津冀大氣污染傳輸通道城市執(zhí)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(zhí)行大氣污染物特別排放限值。
具體到水泥行業(yè)：新建自2018年3月1日起，新受理環(huán)評(píng)的建設(shè)項(xiàng)目執(zhí)行大氣污染物特別排放限值；地方有更嚴(yán)格排放控制要求的，按地方要求執(zhí)行。而現(xiàn)有企業(yè)自2018年10月1日起，執(zhí)行二氧化硫、氮氧化物、顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)物特別排放限值。根據(jù)所發(fā)布的排放限值數(shù)據(jù)：水泥窯及窯尾余熱利用系統(tǒng)、烘干機(jī)、烘干磨、煤磨及冷卻機(jī)等熱力設(shè)備排放限值為30mg／Nm³，破碎機(jī)、磨機(jī)、包裝機(jī)等通風(fēng)設(shè)備排放限值20mg／Nm³。另外，重點(diǎn)地區(qū)企業(yè)執(zhí)行大氣污染物特別排放限值：熱力設(shè)備排放限值為20mg／Nm³，通風(fēng)設(shè)備排放限值10mg／Nm³。有的甚至按5mg／Nm³的排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行改造。
采用新型干法水泥生產(chǎn)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(jù)新標(biāo)準(zhǔn)(GB 4915—2013)對(duì)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(fù)合除塵器，利用電除塵器粗過濾結(jié)合布袋濾料的高精度過濾，才能實(shí)現(xiàn)超低排放。由于袋除塵器具有能處理微細(xì)粉塵、除塵效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)用新標(biāo)準(zhǔn)排放的要求下，袋式除塵器比其他除塵方式更具有優(yōu)勢(shì)。
2.存在問題及改進(jìn)辦法
根據(jù)目前水泥生產(chǎn)工藝又可分為帶余熱發(fā)電和不帶余熱發(fā)電兩種，在現(xiàn)有工藝不變的情況下，帶余熱發(fā)電時(shí)水泥窯尾進(jìn)入除塵器的煙氣溫度為130～150℃，進(jìn)入窯頭除塵器的風(fēng)溫為80～100℃；不帶余熱發(fā)電時(shí)水泥窯尾進(jìn)入除塵器的煙氣溫度為130～150℃(瞬時(shí)可達(dá)200℃以上)，進(jìn)入窯頭除塵器的風(fēng)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(zhì)大多為芳綸、聚酰亞胺、PPs、PTFE等，耐溫不超過280℃，當(dāng)窯內(nèi)溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí)(主要在窯頭)，很容易發(fā)生燒袋、糊袋事故，出現(xiàn)破袋現(xiàn)象，引起排放超標(biāo)，運(yùn)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(jié)氈、金屬間化合物粉末濾料、陶瓷等金屬及無機(jī)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(fā)電的電除塵器改造項(xiàng)目)。
3.金屬纖維濾料特點(diǎn)
金屬纖維氈是采用不同絲徑(1～100μm)的金屬纖維進(jìn)行搭配，采用無紡鋪制方法，通過高溫?zé)Y(jié)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(jié)構(gòu)如1所示。金屬纖維氈材質(zhì)主要為耐高溫、耐腐蝕性的不銹鋼材質(zhì)，比如304、316L、310s等，推薦使用溫度為600℃，而采用FecrAl材質(zhì)的金屬纖維氈其使用溫度可達(dá)1 000℃。由于纖維絲徑屬于微米級(jí)別，并且全為貫通孔，因此纖維氈的孔隙率達(dá)到80％以上，這遠(yuǎn)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(nèi)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(yuǎn)高于其他濾料。金屬纖維濾袋在過濾過程中無靜電產(chǎn)生，不會(huì)對(duì)粉塵產(chǎn)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(fā)生嚴(yán)重堵塞時(shí)采用高壓水或氣沖刷即可再用，布袋一旦堵塞，只能進(jìn)行更換；其過濾性能穩(wěn)定，孔徑通過高溫?zé)Y(jié)，在高壓下不會(huì)發(fā)生變形，引起泄漏，而布袋在發(fā)生堵塞時(shí)會(huì)產(chǎn)生粉塵穿透，排放超標(biāo)。
金屬多孔過濾材料本身韌性和導(dǎo)熱性良好的匹配，使得其抗震、耐熱性優(yōu)于陶瓷，不易發(fā)生斷裂，并且金屬材料可以進(jìn)行焊接、彎曲變形等二次加工，方便與整體系統(tǒng)進(jìn)行封裝等，如采用波折金屬濾料方法提高過濾面積，節(jié)省占地面積，陶瓷濾芯、粉末濾料屬于剛性材質(zhì)，在安裝使用過程中容易發(fā)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(zhì)應(yīng)用方面具有更好的適用性和優(yōu)越性。
4.不同濾料性能特點(diǎn)比較
4.1 不同濾料過濾性能穩(wěn)定性對(duì)比
目前有的布袋廠家稱其濾料可攔截2μm粉塵，但是實(shí)際情況是隨著袋式除塵器壓力增加，其布袋濾料中纖維發(fā)生變形，使得孔徑增大。將3種標(biāo)定為氣一固過濾精度2μm的濾料采用泡點(diǎn)法測(cè)量其過濾精度。如表1所示：柔性濾料(PTFE或PPS)的泡點(diǎn)均比金屬纖維氈低，對(duì)應(yīng)的攔截顆粒尺寸遠(yuǎn)高于2μm。所以在實(shí)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(huì)增大，勢(shì)必會(huì)影響過濾精度，使得排放超標(biāo)。而金屬纖維濾料是經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成，纖維之間通過擴(kuò)散焊接牢固，在一般過濾壓力下不會(huì)出現(xiàn)類似于布袋排放不達(dá)標(biāo)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(yuǎn)高于其他兩種材質(zhì)。
表1不同材質(zhì)濾料的性能對(duì)比
4.2 不同濾料過濾性能VDI測(cè)試
將金屬纖維濾料和市場(chǎng)上常用的覆膜PTFE濾料進(jìn)行過濾VDI性能對(duì)比測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為《袋式除塵器技術(shù)要求》(GB／T 6719—2009)，測(cè)試粉塵為氧化鋁標(biāo)準(zhǔn)粉塵，濃度為5g／m³，結(jié)果如表2所示。可以看出清潔狀態(tài)下的金屬纖維濾料(1μm)阻力只有38Pa，遠(yuǎn)低于覆膜濾料的初始阻力，并且初期過濾效率可達(dá)99.98％。當(dāng)金屬濾料發(fā)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(wěn)定在500Pa以下，與傳統(tǒng)覆膜PTFE濾料相比，真正實(shí)現(xiàn)了“高效低阻”的過濾效果。
表2不同材質(zhì)濾料的過濾-眭能對(duì)比
5.金屬纖維濾料過濾機(jī)理及應(yīng)用
5.1 金屬纖維濾料過濾機(jī)理
目前隨著超細(xì)纖維工藝技術(shù)的不斷完善和突破，采用技術(shù)拉拔法制備的金屬纖維絲徑可達(dá)1μm，通過其制備的纖維氈的氣一固過濾精度可達(dá)0.2μm。在濾料設(shè)計(jì)中，采用超細(xì)纖維作為金屬纖維氈濾料的迎風(fēng)面，結(jié)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(jié)構(gòu)孔徑的結(jié)構(gòu)(見圖2)，通過細(xì)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(jìn)入濾料深層，增加運(yùn)行阻力，粗纖維層可以增強(qiáng)濾料強(qiáng)度，增加對(duì)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(jié)構(gòu)
5.2 金屬纖維濾袋應(yīng)用情況
作為工業(yè)除塵器使用的金屬纖維濾袋是將金屬纖維濾料進(jìn)行裁剪、卷圓、焊接而成，濾筒內(nèi)部采用不銹鋼骨架支撐，以增加其抗壓強(qiáng)度。一般濾袋主要直徑為中∅130mm、∅160mm，長度為1～8m不等。安裝時(shí)袋口采用法蘭、高溫密封墊及壓塊進(jìn)行密封。金屬纖維濾袋及現(xiàn)場(chǎng)安裝情況見圖3。
圖3金屬纖維濾袋及現(xiàn)場(chǎng)安裝
目前金屬纖維濾袋已廣泛應(yīng)用在燃煤鍋爐煙氣除塵、貴金屬回收、冶金行業(yè)除塵等高溫領(lǐng)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(duì)后續(xù)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(jié)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(shí)呈氣態(tài)，低于此溫度將會(huì)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(tài)錸的高溫氣體進(jìn)行過濾后再進(jìn)行冷卻，成功地實(shí)現(xiàn)了錸金屬的回收。在鈦白粉回轉(zhuǎn)窯煅燒工序中，產(chǎn)生的高溫?zé)煔?溫度在450℃左右)直接經(jīng)過金屬濾袋進(jìn)行過濾，一方面有效防止產(chǎn)生環(huán)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(shí)現(xiàn)余熱利用。以20000m³／h的高溫?zé)煔饬繛槔ㄟ^余熱利用，每天可節(jié)約能源費(fèi)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(chǎn)線窯頭前進(jìn)行高溫除塵試驗(yàn)，采用高溫引風(fēng)機(jī)從主管道引出6000m³／h煙氣，溫度在280～320℃，通過金屬纖維濾袋進(jìn)行高溫過濾。其中設(shè)計(jì)過濾風(fēng)速為1～1.2m／min，采用定時(shí)清灰在線脈沖清灰，清灰壓力為0.3～0.4MPa。設(shè)備初期運(yùn)行阻力為350Pa左右。經(jīng)過3個(gè)月不停歇運(yùn)行后，采用稱重法對(duì)除塵器進(jìn)出口管道的粉塵濃度進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)口濃度48.3g／Nm³，出口濃度為5.62mg／Nm³，除塵效率達(dá)99.98％，運(yùn)行阻力維持在800～1000Pa。
6.總結(jié)
總之，布袋等傳統(tǒng)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(wěn)定性和耐高溫性方面與傳統(tǒng)濾料相比有優(yōu)勢(shì)，但問題是整體很脆，易斷，過濾阻力較大、清灰效果差、運(yùn)行維護(hù)成本高。金屬纖維濾料獨(dú)有的強(qiáng)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(biāo)完全滿足國家超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求。金屬纖維濾料必將在高溫?zé)煔獬龎m行業(yè)中占有重要的地位，贏得廣闊的市場(chǎng)。對(duì)其進(jìn)行研究和開發(fā)，將為國家?guī)砭薮蟮纳鐣?huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。
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