电力行业超低排放用袋式除尘滤料性能试验分析

闫  雪  刘兴成   沈恒根
东华大学环境科学与工程学院

       【摘  要】针对电力行业含尘烟气净化问题，选取2种袋式除尘滤料，通过实验研究，探索分析5种滤料（1号PPS进口纤维滤料、2号PPS国产纤维滤料、3号P84+PPS（PTFE基布）混纺滤料、4号PPS（PTFE乳液浸渍）滤料、5号P84滤料）间性能的差异。结果表明：5种滤料纬向断裂强力，5号滤料＞1号滤料＞4号滤料＞2号滤料＞3号滤料，其值在1209N～2219N之间；经向断裂强力相当，其值在910N～1122N之间；PPS滤料在180-220℃下处理24h后经、纬向断裂强力提升6.98%-13.88%；P84滤料在180-220℃下处理24h后经、纬向断裂强力提升0.52%~16.94%；不同风速下 5种滤料对PM2.5的过滤效率，5号滤料＞3号滤料＞4号滤料＞1号滤料＞2号滤料，其值在33.20%～74.12%之间。

       【关键词】电力行业  袋式除尘滤料  力学性能  耐温特性  过滤性能

0 引  言

       我国的电力、钢铁等重工业发展迅速，重工业产生的大量高温含尘气体若直接排放，会造成严重的环境污染，因此我国对各工业炉窑已经制定了严格的污染物的排放限值，由“超低排放”全面转向“近零排放”。在此背景下，袋式除尘器作为一种对烟尘类颗粒物的控制效果好、构造简单并且运行投资低的除尘设备，普遍应用于各工业领域。[1]在袋式除尘系统中，滤袋是系统的心脏，滤袋所选用的滤料，很大程度上决定着滤袋的寿命和捕集效率。根据电厂袋式除尘用滤料的演变清况，对燃煤电厂锅炉袋式除尘器使用的各种滤料进行测试及分析。所选滤料包括：PPS+P84混纺滤料、PPS滤料、PTFE乳液浸渍处理后的PPS滤料以及P84滤料。对5种滤料的力学特性、耐温特性和过滤特性进行分析和对比试验研究，为PPS滤料（国产PPS纤维）性能的提高和防治工业PM2.5以及为电力行业超低排放用袋式除尘滤料的设计选用提供一定的参考。

1 实验部分

       1.1 实验材料

       选用5种电力行业用袋式除尘器常用滤料，编号为1号～5号，如表1所示。

表1 实验材料

       1.2 实验装置和方法

       1.2.1 耐温特性实验

       1）滤料的热尺寸稳定性。热尺寸稳定性测试使用的实验仪器为DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱。按国家标准GB/T6719-2009《袋式除尘器技术要求》剪取200mm×200mm 试样若干块，并标明经向和纬向。分别放置在180，200，220 ℃恒温干燥箱内加热24h后取出，然后置于相对湿度60%、20 ℃的环境中冷却24h后分别测定试样的经、纬向长度，每种滤料取3块样品经、纬向测量3次数据的算术平均值，计算热尺寸收缩率γ，见式（1）：

       γ=（L₀-L₁）/L₀×100%    （1）

       式中：γ为经过热处理后滤料的经、纬向热尺寸收缩率，%; L₀为未经热处理滤料的经、纬向长度，mm; L₁为经过热处理后滤料的经、纬向长度，mm。

       2）滤料的耐温力学性能。耐温力学性能测试使用的的实验仪器为DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱，YG065CT电子式织物强力仪。按国家标准GB/T 3923.1-2013《纺织品　织物拉伸性能　第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定　条样法》，剪取经、纬向滤料300mm50mm试样若干条。分别放置在180，200，220 ℃恒温干燥箱内加热24h后取出，然后放置在相对湿度60%、20 ℃的环境中24h后测定经、纬向断裂强力，取测试3组数据的算术平均值，计算其断裂强力的保持率λ，见式（2）。

       λ=F_i/F_20℃×100% （2）

       式中：λ为经过热处理后滤料经、纬向的断裂强力保持率，%；F_20℃为滤料常温下经、纬向断裂强力，N；F_i为经过热处理后滤料的经、纬向断裂强力，N；i=180,200,220 ℃。

       1.2.2 过滤效率测试

       实验材料为剪取直径为11.3cm的圆形滤料一块，分别测定风速为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m·min-1时其前后侧的颗粒物质量浓度，每组测20个数据取平均值，并计算过滤效率，见式（3）。

       η=(n₁-n₂)/n₁×100%    （3）

       式中：η为过滤效率，%；n₁为滤料过滤前侧含有该粒径范围的颗粒物质量浓度平均值，μg·m^-3；n₂为滤料过滤后侧含有该粒径范围的颗粒物质量浓度平均值，μg·m^-3。

       图1为滤料静态过滤性能测试装置，其工作原理为:将待测圆形滤料放置到测试管道上，通过实验装置上的夹持装置器固定，开启真空泵抽取稳定的气流运动，通过转子流量计进行调整进入管道的气体流量，管道的内径为80 mm，滤料过滤风速即为转子流量计调节的气体流量与测试管道横截面积的比值。实验开始后，实验房间内的气体通过集流器进入管道，自上而下通过被测滤料，而后经转子流量计再由真空泵排出^[2]。按照GB /T 6719-2009《袋 式 除 尘 器 技 术 要 求》 进行测试，用Grimm便携式颗粒物监测仪分别在进气侧采样口和净气侧采样口测定不同粒径颗粒物的质量浓度。

2 结果与分析

       2.1 滤料的力学性能

       超低排放用袋式除尘滤袋能否长期高效的使用，与滤料的力学性能有直接的关系，某些工艺场合对滤料的撞击磨损程度很大，如果滤料的强力很低，则容易造成纤维破坏，从而导致滤料发生破损。

       图2为常温下5种滤料的断裂强力对比，5种滤料纬向断裂强力有明显差异，且均大于经向，可能是在滤料克重相差不多时，滤料在制备过程中对纬向的梳理会使纬向强力有明显的提升。按照标准GB/T 6719-2009《袋式除尘器技术要求》对普通型滤料和高强型滤料断裂强力和断裂伸长的分类，普通型非织造滤料的经向强力≥900，纬向强力≥1200，可以判定本次测试5种滤料均为普通型滤料。由图可知2号滤料的经、纬向断裂强力分别为1076N、1189N，1号滤料的经、纬向断裂强力分别比2号滤料的大778N、46N。4号滤料是经过PTFE乳液浸渍的PPS滤料，比2号的纬向断裂强力提高26.32%，经向断裂强力与2号滤料基本相同，说明PTFE乳液浸渍后，加强了纤网表面缠结，有利于PPS滤料的力学性能提高，但强力提高率并不是很高，这是因为基布是为滤料提供强力的主要部分，纤网所提供的强力占次要地位，而PTFE乳液对于处于滤料中部的基布作用相对较少，所以强力提高率并不高^[3]。P84纤维是不规则的纤维截面其内应力分布不同,纤维自然曲卷,因此纤维之间具有比较强的抱合力和缠结力^[4]，5号滤料的经、纬向断裂强力分别为868N、2219N，纬向强力是5种滤料种最高的，但经向断裂强力远小于纬向断裂强力，经向受力易损坏。3号滤料虽然与强力较大的P84滤料混纺，但3号滤料是以强力较小的PTFE纤维作为基布的，而基布又是为滤料提供强力的主要部分，因此P84+PPS（PTFE基布）混纺滤料与PPS滤料的力学性能相差不大。

       2.2 滤料耐温特性

       2.2.1 滤料的热尺寸稳定性

       在燃煤电厂中，由于工艺的要求，滤料一般都需要在较高温度条件下进行除尘。因此，滤料的热尺寸稳定性与滤料的使用寿命有很大的关系[5]。图3为5种滤料在180，200，220 ℃下连续处理24h后，经、纬向的热收缩率变化图。

       国标GB/T6719—2009《袋式除尘器技术要求》对滤料加热后热收缩需要达到的条件是持续在一定温度下工加热24h，滤料的经向尺寸变化应≤1.5%，纬向尺寸变化≤1.0%。实验结果表明，180、200、220 ℃下持续加热24h之后1号滤料具有良好的热尺寸稳定性，经向尺寸变化都为0%，纬向尺寸变化分别为0%、0.56%、0.83%，2号经3种温度下加热后的经向尺寸变化分别为0.4%、0.78%、1.11%，纬向尺寸变化均为0%，由此看出1号滤料的经向经加热处理后的尺寸稳定性优于2号而纬向则劣于2号。4号滤料在3种实验条件下经向、纬向的尺寸变化小于2号滤料，利用PTFE乳液浸渍处理提高了2号滤料的热尺寸稳定性，可见后处理是改变滤料热稳定性的因素之一。5号滤料在三种温度下加热后，经向、纬向都未发生变化，具有很好的尺寸保持性，P84纤维和PTFE纤维拥有极好的耐热特性，因此3号滤料比2号滤料的热尺寸保持性有所提升，其经向、纬向的热尺寸收缩率为0%。说明纤维本身的耐热特性，是影响滤料热稳定特性的重要因素。若滤料在加热后尺寸有较大的改变则后使滤袋变形，从而使滤袋长时间受力，增加滤袋的破损的几率，削弱滤袋的耐久性^[6]。本次测试的5种滤料经热处理后收缩率都较小，由于实际运行中袋式除尘器采用滤袋的长度约6～8米，滤袋微小的尺寸变化量依旧是不可忽略的。因此在设计袋式除尘器时，应注意高温烟气对滤袋尺寸的改变，在国标要求下合理设计袋笼，保证当滤袋尺寸有所改变时过时，滤袋保有一定的预留长度。

       2.2.2 滤料的耐温力学性能

       图4、图5分别是5种滤料在180，200，220 ℃时连续处理24h后的经、纬向的断裂强力保持率和断裂伸长保持率的变化图。

       1）由图4可以看出2号滤料的断裂强力保持率高于1号滤料，2号滤料在180，200，220 ℃这三个温度下持续加热24h后的经向、纬向断裂强力保持率分别为108.46%~109.11%、106.98%~113.88%。而1号滤料在180 ℃下持续加热24h后的经向、纬向断裂强力保持率分别为99.73%、96.44% ，可以看出国产PPS滤料的耐热力学特性强于进口PPS滤料。4号滤料的经、纬向断裂强力保持率分别为101.42%~104.64%、102.99~106.00%，5号滤料的经、纬向断裂强力保持率分别为112.33%~116.94%、100.52%~104.91%。可见2号、4号和5号滤料有优异的耐温力学性能。3号PPS+P84混纺滤料在3个温度下经向、纬向断裂强力保持率分别为100.00%~104.7%，95.62%~118.57%，3号滤料在温度为180℃的环境下处理24小时后断裂强力有所衰减。

       2）由图5可知2号滤料在实验条件下经向断裂伸长保持率大于1号滤料，二者差值基本维持在10%以内，而2号是滤料的纬向伸长保持率小于1号滤料，二者差值基本维持在20%左右。5号滤料的经向伸长保持率最小，在180，200，220 ℃这3个温度下持续加热24h后分别为71.53%，70.59%，74.49%。3号混纺滤料在经向、纬向伸长保持率随温度的增高呈下降的趋势，其值分别为75.58%~90.25%、89.67%~95.16%。4号滤料的经向、纬向伸长保持率基本维持在90%以上，说明4号滤料在实验条件下拉伸韧性和弹性不错。

2.3 滤料的过滤特性

       图6为1m/min过滤风速下1号～5号清洁状态下滤料对不同粒径颗粒物的分级效率。由图可知5种滤料在1m/min过滤风速下对颗粒物的分级过滤效率是随着颗粒物粒径的增大而增大。这是因为在低风速下，主要依靠滤料的拦截效应和扩散效应捕集微细颗粒，对直径越大的颗粒物，滤料的捕集效率越高。

       从变化图来看，5种滤料对与粒径≥0.25μm的尘粒的分级过滤效率在分别为1号滤料≥42.91%，2号滤料≥36.04%，3号滤料≥61.83%，4号滤料≥44.53%，5号滤料≥68.92%。粒径在0.25～4μm范围内的尘粒，3号滤料对其的效率为61.83%～76.63%，3号滤料在此粒径范围内分级过滤效率比1号滤料高4.07%～20.23%，相比2号滤料高19.14%~30.24%，相比4号滤料高6.15%~19.41%，相比5号滤料低0.25%~9.73%。由于P84纤维是一种不规则三叶瓣型截面的纤维，比表面积相比一般纤维截面的更大，因此捕集颗粒的概率更大，过滤效果好，纯P84滤料效率高于PPS+P84混纺滤料，而PPS+P84混纺滤料的过滤效率又高于纯PPS滤料。经过PTFE浸渍的4号滤料相对纯PPS纤维的2号滤料，过滤效果也有所提升，出现这种现象是由于PTFE浸渍会使普通纤维的表面产生一种的聚合物结构，这中改变较大程度的减小了PPS滤料表面的孔隙率，使得渗透至滤料内部的颗粒物减少，有效的改善了PPS滤料的过滤效率，可见后处理是提高滤料过滤效率的方法之一。

       图7 为0.5m/min，1m/min，1.5m/min，2m/min，2.5m/min，3m/min风速下1号～5号 滤料对环境气溶胶中PM2.5的过滤效果图。结果显示，除1号、2号与4号滤料对PM2.5过滤效率由于风速的增加有所降低，其他2种滤料对PM2.5的过滤性能随着风速的变化并不是特别明显，整体变化趋势较为稳定。在实验条件下5种滤料在0.5 m/min～3 m/min的过滤风速下，对 PM2.5的过滤效率分别是1号滤料处于39.80%～51.25%之间，2号在33.20%～46.10%之间，3号滤料在51.88%～61.20%之间，4号滤料在40.06%～57.50%之间，5号滤料在70.36%～74.12%之间。

       2.4 过滤阻力特性

       图8为5种滤料在不同过滤风速下的过滤阻力变化趋势图，由图可知5种滤料的过滤阻力变化趋势均为过滤风速越大则过滤阻力越大^[7]。当风速为0.5m/min时，1号～5号滤料的过滤阻力分别为3.1、3、3.9、2.5和5.1 Pa。当风速为3m/min时，1号～5号滤料的过滤阻力分别为13.6、11、13.9、11.2和15.3 Pa，5种滤料的过滤阻力在各风速下较为接近。

3 结论

       1）PTFE乳液浸渍是增强PPS滤料断裂强力的方法之一，PPS滤料在180-220℃下处理24h后经、纬向断裂强力提升6.98%-13.88%；P84滤料在180-220℃下处理24h后经、纬向断裂强力提升0.52%~16.94%。    

       2）过滤风速为1m/min时，对于粒径≥0.25的颗粒物，1号滤料分级过滤效率比2号滤料高2.44%～26.07%；经PTFE乳液浸渍处理的4号滤料的分级过滤效率比2号滤料提升6.27%～18.98%；P84纤维具有不规则的纤维截面，因此纤维表面积大，过滤效率优异，因此与P84混纺的3号滤料相比2号滤料的分级过滤效率提升了17.10%～28.48%；5号滤料具有较强的阻尘与捕尘能力分级过滤效率最高，为68.92%～83.82%；可见PTFE浸渍能够提升滤料的过滤性能，但滤料本身的异性纤维构造对滤料的过滤性能影响更大。

       3）在不同风速下1号滤料对PM2.5的过滤效率略大于2号滤料，4号滤料和3号滤料相比2号滤料对PM2.5的过滤效率均有所提升，5号滤料对PM2.5的过滤效率对PM2.5的过滤效率＞66%，高于其他四种滤料。

参考文献

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。