耐高温除尘过滤材料的研发现状及趋势

白 媛 马新安 杨家密

(陕西省纺织科学研究院，陕西西安，710038)

1 背景

随着资源、能源耗费大，且污染严重的重工业迅速发展，我国已成为原煤、钢铁、水泥和化纤生产第一大国，电力、有色金属和化肥生产第二大国[1]。2016年，我国工业烟尘排放量已超过8×106t，主要来自煤炭、钢铁、水泥等。由此引起的空气污染物排放问题也受到了国家的高度重视，环保部门对钢铁行业、有色冶金行业、水泥行业以及火力发电、垃圾焚烧和沥青搅拌等行业的高温烟气除尘要求越来越严格，排尘浓度标准已由原来的200 mg/m3提高到30 mg/m3～50 mg/m3，有些地方甚至要求控制在20 mg/m3～30 mg/m3，电除尘已难以达到要求。袋式除尘具有超高的除尘效率，实际应用中除尘效率可达99.99%。粉尘排放浓度达到10 mg/Nm3以下，有的甚至达到1 mg/Nm3，基本上达到零排放[2]。而且粉尘比电阻、烟气成分、烟气量等对除尘效率影响较大的因素对袋式除尘器的除尘效率影响甚微[3]，因此，作为细微粉尘排放控制的有效手段，袋式除尘器已被广泛应用于20多个行业，使用比例达60%以上，部分行业达到100%。其中，水泥行业袋式除尘使用比例已达80%左右，钢铁、有色行业袋式除尘使用比例已达95%左右，城市生活垃圾焚烧发电、固体废弃物和医疗废弃物焚烧行业，使用比例已经达到100%，电力行业袋式除尘应用比例也将突破20%，未来还有很大开发空间。过滤材料(以下简称滤料)作为袋式除尘的关键部件，其性能优劣直接关系到除尘器性能。

2 除尘滤料的性能要求及发展进程

国家标准GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》中要求，滤料的滤尘性能必须大于等于99.5%，防静电滤料静电半衰期必须小于1 s，滤料的耐腐蚀性能必须大于等于95%，淋水等级应大于等于4级，疏油性应大于等于3级，阴燃性滤料在火焰中只能阴燃，不能产生明火，离开火焰，阴燃自行熄灭[4]。

国家标准GB 50505—2009《高炉煤气干法袋式除尘设计规范》适用于低压脉冲带式除尘和反吹风袋式除尘两种高炉煤气袋式除尘的新建、扩建和改造项目设计[5]。该规范规定了滤料材质和滤袋规格，规定滤料的耐受温度不低于200 ℃，且具有强度高、韧性好、耐腐蚀和透气性好等性能；脉冲除尘滤袋宜采用120 mm、130 mm、150 mm、160 mm等规格，长度宜采用6 m～8 m，并根据脉冲阀配置确定。该标准的滤袋材质目前多是以芳纶为主的合成纤维针刺毡和以玻璃纤维为主、混配有其他合成纤维的复合针刺毡。

当前，除尘滤料已广泛应用于电力、钢铁、水泥、垃圾焚烧等行业，随着我国对环保的重视，国家对火电厂的烟尘排放标准趋于严格，GB 13223《火电厂大气污染物排放标准》从20世纪90年代后经历了4次改版，每个版本烟尘排放限值都会更低，重点地区达到20 mg/m3。钢铁行业的煤需求量仅次于电力，每生产1 t钢铁所需燃料中近80%都将变成废弃物，以粉尘的形式排出，污染巨大，钢铁行业污染物排放标准将大气颗粒污染排放限值最低控制在30 mg/m3，部分省、市级城市地方标准达到 10 mg/m3以下。水泥行业除尘，之前大多采用电除尘，其除尘后粉尘排放浓度较高，达不到日趋严格的国家大气污染物排放要求，国家政策要求水泥窑电除尘装置在2015年实现电改袋式除尘的改造工程，因此，袋式除尘在水泥行业的应用将日渐广泛。CJJ 90—2009《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》要求生活垃圾焚烧烟尘，必须使用袋式除尘器，为袋式除尘器的应用提供了有力保证。

随着国内排放标准的逐渐严格，耐高温滤料的需求量和市场空间进一步增大，国内现行的滤料大都还是使用涤纶等普通纤维经纯纺、混纺和后整理等方式制成，高性能纤维的应用量还不大，这就对高性能纤维的应用研究提出了新要求。

我国袋式除尘滤料从20世纪50年代开始到21世纪10年代大致经历了4个时期。第一时期，我国的袋式除尘滤料由最开始的普通工业机织布发展到了208涤纶绒布，用于常温工业场所。第二时期，20世纪80年代，开始了由传统织造滤料走向非织造滤料的技术革命性转变，耐高温针刺滤料开始推广应用[6]。第三时期，20世纪90年代，国产覆膜滤料开始迅速推广使用，标志着我国滤料进入世界先进水平行列。第四时期，21世纪以来，随着国家对环保的重视，新标准要求电厂除尘一律由原来传统的电除尘改袋式除尘，燃煤电厂的普及应用，使袋式除尘市场急剧扩大，芳纶、PPS等高性能纤维陆续国产化，也带动了耐高温滤料产业的迅速发展。

3 除尘滤料常用纤维及加工工艺

3.1 常用纤维

袋式除尘器用耐高温滤料通常为耐温大于130 ℃的滤料。考虑到原料成本优势，目前国内用的最多的还是涤纶混纺滤料，还有近几年研究较多的聚苯硫醚纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、玻璃纤维等[7-8]。

涤纶滤料耐酸、耐弱碱，耐磨性、耐腐蚀性、回复性好，导电性能差，涤纶滤料连续使用温度可达130 ℃，瞬间最高温度150 ℃。由于良好的成本优势，一直在国内耐高温滤料市场占有较大份额，随着国内滤料标准的严格化，研究者们在涤纶复合多功能滤料方面增加了研发投入。王成东采用针刺加固的方式，将涤纶和PTFE纤维复合纤维层以上下两层夹心的方式同涤纶长纤和不锈钢纤维制成的混合基布复合在一起，形成涤纶复合过滤材料，该滤料具有耐腐蚀、防水、防油、防静电、过滤精度高等特点，正常工作温度可以达到160 ℃[9]。李刚在涤纶中旦纤维针刺毡迎尘面针刺加固了涤纶超细纤维面层，再经过PTFE乳液浸渍处理，该滤料尺寸稳定性好，使用温度高，耐腐蚀性好，过滤易清灰性好[10]。近几年，随着环保标准严格化，各行业工况的个性化，国内学者在高性能纤维应用方面也加大了研发力度。

聚苯硫醚纤维(PPS)具有极佳的阻燃性能，且燃烧时表现出较低的延燃性和烟密度，耐酸碱、抗水解性能较好，特别适合高温烟尘过滤，但其耐氧化性能较差，在烟尘氧体积分数超过15%时就不能使用。因此，国内PPS滤料基本都是复合滤料，主要包括PPS覆膜滤料、PTFE浸渍的PPS滤料、PPS/P84复合滤料等。

芳香族聚酰胺纤维即芳纶，耐高温滤料主要是芳纶1313，其具有高强度、高模量、轻质、耐碱性好等特性，但耐酸性和抗水解性差。国内一般会给芳纶针刺毡做PTFE浸渍处理后再应用，以提高其过滤效率，延长过滤材料的清灰周期，大大减少粉尘残留量，降低粉尘的排放精度[11]。

聚四氟乙烯纤维(PTFE)具有优异的耐高温、耐腐蚀、低摩擦因数、阻燃等性能，广泛应用于燃煤电厂、垃圾焚烧、钢铁厂、化工厂等工业领域的烟尘过滤，但其缺点是价格高，国内PTFE覆膜和浸渍复合滤料产品已普遍使用。

聚酰亚胺纤维耐高温性能和抗氧化性能优于PPS，但耐酸和抗水解性能差，耐碱性差，适合在含硫量低的工况下使用，随着该纤维的国产化应用，其应用市场也将进一步扩大。

玻璃纤维是中、高温烟尘过滤中应用较多的材料。其高温下收缩率低、粉尘剥离性好，清灰能耗低，价格优势大，但耐磨、耐折性差，不能满足复杂高温烟尘过滤的要求，应用受到限制[12]。

近年来，还有部分高性能纤维耐高温滤料也在相继开发，如：碳纤维、PBO纤维、芳砜纶、不锈钢纤维、玄武岩纤维等，结合纤维自身特点，采取气流成网、水刺加固等方法制成耐高温滤料，满足各种工况的实际需求。

3.2 加工工艺

目前市面上的耐高温除尘滤料多数是以针刺加固的方式加工，水刺加工滤料尚处于起步阶段。

针刺加固是将梳理成网或气流成网的纤维网，或者两层纤网中间加有基布的纤网，经多道针刺形成上下勾连、具有三维结构的材料，其具有较高的过滤效率和透气性，经一定的整理后，具有更高的捕集效率和清灰能力，是目前除尘滤料的主流[13]。李兵涛等将PI纤维机织布作为夹心层的针刺PI滤料，经聚四氟乙烯乳液与环氧酚醛树脂为主的耐高温水解整理液浸轧、焙烘等，使滤料表面形成PTFE包覆膜，具有抗油拒水、耐高温等性能[14]。窦皓等通过针刺加固的方式将芳纶针刺材料与玻璃纤维机织布进行“三明治”复合，研究针刺密度对针刺滤料力学性能、透气性等的影响。结果表明，该滤料在针刺密度为400刺/m2时，材料的强力、透气性、孔径分布等性能达到最优[15]。贺湘兵对玄武岩基/PPS针刺滤料的性能进行了研究。研究结果表明，PPS纤维在230 ℃以上耐高温性能差，耐碱性和耐硫酸性能好，但耐盐酸和耐硝酸性能一般，斜纹玄武岩基/PPS滤料的力学性能优于平纹基布滤料，烧毛轧光处理使滤料厚度减小，透气量、平均孔径减小，过滤效率提高。单面覆膜使滤料孔径减小，过滤阻力变大，对孔径小的粒子过滤效率大幅提高[16]。

由于针刺对滤料有损伤，近几年有研究者开始了水刺滤料的研究。翁美玲等人采用水刺工艺将PPS/PTFE纤网和经过预针刺的上下层夹有PPS基布的PPS纤网加固起来，制成复合水刺滤料，具有耐高温、高效、低阻和较长的使用寿命[17]。王萍采用玄武岩纤维为原料，利用气流成网及水刺加固的方式制备了玄武岩纤维水刺滤料。研究发现，100%的玄武岩纤维不能形成连续网，当玄武岩纤维与芳纶1313混纺比为50/50时，气流成网效果最佳；研究还发现，水刺加固的材料表面更光滑，孔径分布相对集中，材料纵横向强力好，过滤效率好[18]。李培君将金属丝网作为增强材料，和不同单位面积质量PPS纤网经过预针刺，再用水刺工艺进行加固，最后经烧毛轧光整理得到滤料。研究表明，铝制冲缝网强力过低，不适合做滤料基网，其他金属丝网经纬强力都高于普通基布强力。滤料孔径和基网目数呈正比关系，随滤料克重的增大而减小，金属丝网增强PPS水刺滤料的尺寸稳定性好，耐高温、耐腐蚀性能好，符合现行国家标准。金属丝网的加入提高了滤料的耐用性，但硬挺度也提高，给清灰造成一定困难，需进一步研究[19]。

4 袋式除尘技术问题分析

近年来，我国耐高温滤料在研究和应用上取得了长足发展，但还存在较多问题和不足。随着袋式除尘的广泛应用，废弃除尘滤料的不完全回收也引起了二次污染。耐高温滤料大都是聚苯硫醚、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等高性能纤维纯纺或混纺而成，纯纺的滤料经清洗、干燥、开松或粉碎等方法可以再回收利用，重新制作滤袋；而绝大多数滤袋都是通过混纺、覆膜、浸渍等方法生产加工的，这种废弃滤料的数量巨大，二次污染严重，回收后可以制成耐高温隔热毡或填充材料，但国内目前对这类滤料废弃物回收问题的研究还很鲜见，尚无成熟的回收厂。目前芳纶、聚苯硫醚、聚四氟乙烯等高性能纤维已经国产化，并且性能也在逐步完善和改进，但国产纤维在性能和稳定生产方面还是与国外有一定差距，导致国产纤维应用受阻。另外，国内芳纶、聚苯硫醚等高性能纤维的改性技术也是当前研究热点及需要攻克的难点。

5 除尘滤料的技术研发趋势

近些年，我国对环境的重视程度空前，环保标准也越来越严格，促使环保滤料行业大跨步发展，我国除尘滤料在性能方面也有很大突破，但面临的挑战依旧很多。

(1)高性能纤维应用方面。目前国内滤料企业大多还在用普通涤纶、丙纶滤料或者其他复合滤料，大规模的滤料生产企业也大都生产普通滤料，高性能纤维滤料的应用已经受到重视，但研究应用力度还需进一步加强。

(2)除尘滤料的结构设计和后整理方面，应在易清灰、高效、低阻方面加大研发力度。从滤料结构着手，优化现有滤料性能，提高使用寿命。从滤料的后整理工艺着手，提高其耐高温、耐腐蚀、耐水解、耐氧化等化学性能和尺寸稳定性、抗拉伸、耐磨损、抗疲劳等物理性能，从而提高滤料使用寿命。

(3)功能性差别化滤料的研发方面。需要加大研发力度，针对特殊工况，研发专用定制款滤料，如具备高强低伸、防静电、疏水拒油等性能的滤料，并向产业化、规模化方向发展。

(4)滤料的回收方面。对纯纺滤料，优化现有回收方法，在高效、快捷、系统化、规模化方面加大研发力度。对混纺、覆膜、涂层滤料，根据各成分性能差异，通过溶解、熔融等方法将主要成分分离出来。

(5)高性能纤维的开发方面。从高性能纤维稳定连续化生产、设备改进优化到纤维改性，都有很大的开发空间。我国高温滤料纺织品权威检测和认证机构的缺失，也是制约我国高性能除尘滤料进入高端市场的一大因素。因此，还应加大在专业检测设备和检测机构的研发投入。