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電袋復合除塵器濾料技術的發展及應用
介紹了燃煤鍋爐電袋復合除塵器濾料技術的發展演變過程。2010年之前燃煤鍋爐在應用PPS濾袋過程中存在短期內大面積破損情況。研究查明,這種異常破袋由化學破損造成,直接原因是煙氣中SO_x、NO_x濃度大且運行溫度不當加劇PPS氧化、腐蝕。通過技術創新研發一種耐腐高強濾料,抗化學性能強于PPS,能夠大幅延長濾袋使用壽命。2010年之后,耐腐高強濾料得到大規模推廣應用,推動了燃煤鍋爐電袋復合除塵器濾料技術進步。
電袋復合除塵器是指在一個緊湊的箱體內，將靜電除塵和袋式除塵有機復合的除塵設備。其工作原理是綜合粉塵荷電、粉塵分級、荷電粉塵過濾的協同作用，具有長期穩定低排放、運行阻力低、濾袋壽命長等優點，被廣泛應用于燃煤鍋爐煙塵凈化，實現了煙塵超低排放、穩定達標[1]。
濾袋是電袋復合除塵器的核心部件，它的使用壽命長短直接影響除塵器的可靠性及運行經濟性[2]。影響濾袋使用壽命的因素較多，燃煤鍋爐電袋復合除塵器在實踐中，由于一些煤粉爐煙氣中SOx、NOx濃度高和運行溫度波動幅度大，PPS濾袋在短時內易發生快速氧化、腐蝕而造成大量化學破損。這種破損現象在煤粉爐煙氣工況中較為普遍，且造成的后果較為嚴重。本文針對PPS濾袋易發生化學破壞的問題，闡述了濾料技術的創新及應用。
1PPS濾料應用情況
PPS是一種高分子材料，化學名稱為聚苯硫醚，有耐溫（190℃）、抗酸、抗堿、抗水解性能優，抗氧化性能較弱等特點，是燃煤鍋爐過濾式除塵器的主打濾材。2000年之后，我國燃煤鍋爐袋式除塵器和電袋復合除塵器大量選用以PPS為主材的濾料，一直延續到2010年左右。
一般燃煤鍋爐電袋復合除塵器設計濾袋使用壽命≥4年或3萬小時，多數工程項目達到設計值，有個別項目大幅超過設計值達6年以上。當然，也有個別工程項目濾袋使用壽命未能達到設計值，濾袋大面積提前老化而破損。2008上半年，*電袋復合除塵器PPS濾袋大面積破損案例發生在山西某熱電廠2×200MW機組。
這起破袋事件當時在行業內引起了很大反響，其它數起異常破袋在隨后2～3年里陸續發生。這一時期內，破袋原因眾說紛紜，電袋產生臭氧造成破袋的議論沸沸揚揚，極大影響了電袋復合除塵技術的發展，也成為電袋復合除塵技術迫在眉睫急需探明的問題。
2PPS濾袋異常破損規律
為了探明PPS濾袋異常破損的原因及尋求解決辦法，電袋復合除塵器的聯合濾材濾袋廠家積極開展了研究工作，對破損濾袋進行了大量性能檢測，測試了鍋爐煙氣成分、濃度、溫度并連續跟蹤記錄。經整理和歸類，PPS濾袋發生異常破損的共性規律為：
1）異常破袋案例均發生在煤粉爐使用場合，尚未發現循環流化床鍋爐的案例；2）發生濾袋異常破損的使用時間長短不一，短則半年，長則2～3年，大多數在1～2年。使用時間的長短與煙氣條件相關，即“煙氣中SOx、NOx濃度越高或煙溫上下限超溫越明顯，則使用的時間越短；3）破損后濾料斷裂強度大幅衰減，殘余強度低，一般經緯兩向的殘余強度只有新濾料的1/3左右；4）通過電子掃描鏡微觀檢查濾料纖維，表面粗糙，軸向有裂紋或斷裂
甚至粉碎（如圖1、圖2所示），用紅外分析儀測試其波形，同比未使用PPS波形發生變異（如圖3所示）；5）破損濾料纖維色澤變化較大，一般呈深黃或褐色，從濾料刮下的殘余粉塵測試出的pH值在1～3。
3PPS濾袋異常破損的原因分析
濾袋異常破損規律中的一些特征說明了濾袋快速老化與煙氣中SOx、NOx濃度大小及運行溫度緊密相關。當這些成分濃度達到一定值時，在溫度作用下，氧化、腐蝕而破壞PPS分子鏈結構，導致纖維斷裂甚至碎化。工程實踐及各種試驗結果證明了這種分析的客觀性與正確性。根據PPS分子結構鏈特點，SOx、NOx與PPS分子結構的氧化反應過程見圖4、圖5。
臭氧雖然是氧化性*的物質，但在電袋復合除塵器中的量級很低，高壓電源產生的自由氧量有限，且在高溫條件下自由氧結合成臭氧和臭氧分解成自由氧的速度極快，因此電袋中存在臭氧的濃度極低。福州大學化工學院[3]、華北電力大學環境科學與工程學院[4]等單位專門設立課題，研究臭氧對PPS濾袋性能的影響，結果表明電袋中的臭氧濃度＜0.015mg/m3。
假如電袋中產生臭氧、快速氧化PPS而造成破袋的事實存在，工程案例中的破袋規律將*不是這樣。實踐與試驗研究證明，PPS異常破損與電袋臭氧無關。
3.1燃煤鍋爐煙氣中能夠破壞PPS的主要成分（氧化劑）
以往，對燃煤鍋爐煙氣中容易破壞PPS的氧化劑成分，普遍僅認為O2是氧化劑，因而在應用中往往較關注控制煙氣中的氧量。實際煙氣中的SO3、NO2氧化性強于O2，是引起PPS化學破損的主要元兇。
廈門三維絲公司“PPS氧化反應模型及量子化學計算過程方法”研究結果表明，SO2、NO及PPS分析結構發生反應的能壘大，對PPS的氧化性很弱；而SO3、NO2與PPS分析結構發生反應的能壘小，氧化性*[5]。
化學成分能壘的大小依次為O2、NO2、SO3。由于煙氣中存在活性較強的SO3、NO2，在一定溫度條件下與H2O化合成硫酸、硝酸，這兩種酸除了有腐蝕性之外，也是強氧化劑。
通過上述分析，可知PPS濾袋在循環流化床鍋爐應用中不會發生異常化學破損現象的原因。一般循環流化床鍋爐均采取爐內脫硫，進入除塵器煙氣中的SOx濃度低，同時流化床爐膛的燃燒溫度低，產生的NOx濃度也低。因此，循環流化床煙氣低SOx、低NOx工況的特點是避免PPS異常化學破損的主要原因。
3.2煙氣溫度對PPS化學破壞的影響
PPS耐溫高達190℃～200℃，這是特指它的物理耐溫性能，若運行溫度接近或超過它的耐溫性能時，PPS將會發生收縮、軟化、熔解等物理性能的變化而破損。一般要求PPS運行溫度≤160℃，主要還是從化學角度出發考慮PPS的老化速度問題，因為煙氣中含有一定濃度的氧化劑與PPS發生反應。根據化學反應規律，溫度是影響反應速度的重要因素。在化學成分濃度相同情況下，溫度越高化學反應速度越快。所以PPS濾袋運行溫度越高則使用壽命越短。反之，運行溫度越低則使用壽命越長。
另外，由于燃煤鍋爐煙氣含有SO3，下限溫度一旦低于酸露點時，化合形成的硫酸黏附于PPS濾袋，相當于增加了破壞PPS的化學物質及濃度，反而會縮短PPS濾袋使用壽命。濾袋在使用過程中，酸結露產生的硫酸將*
性殘留在濾袋上。所以在工程應用選用PPS濾袋時，對運行溫度的下限均有嚴格要求。
一般煙氣中的SOx、NOx濃度越高，上限溫度則越低，下限溫度則越高，此時要求溫度波動幅度較小；反之，SOx、NOx濃度越低，上限溫度則可適當高些，下限溫度則可低些，溫度波動幅度可適當大些。
4耐腐高強濾料技術的研發與應用
工程實踐證明，以PPS為主材濾料時，使用條件具有局限性，難以滿足我國燃煤機組爐型、煤種多樣化的要求，因此研發適用性和抗化學性更強的濾料是必要的。
為了提升燃煤鍋爐濾料的抗化學性能，有多種方法，如：1）改良PPS提升其抗氧化性能；2）選擇其它綜合性能更優的濾材；3）在濾料結構上混用不同材質等。從現狀來看，方法一涉及PPS粒子問題，屬化工原料范疇。現有濾材中都存在性能優缺點問題，取代材質一時難度大，方法三屬濾料工藝技術，有取長補短優勢，實現的條件相對成熟。
4.1PTFE濾料技術發展應用情況
PTFE化學名稱為聚四氟乙烯，又被稱為工程塑料王，具有耐溫、抗酸、抗堿、抗氧化、抗黏附，摩擦系數低、延伸性優、絕緣性優等特點，廣泛應用于工業領域。近年來，PTFE隨著拉絲工藝的發展應用于濾料技術的進步很快，PTFE濾料已成為垃圾焚燒爐袋式除塵器的濾材。
PTFE濾料的抗化學性能極優，但物理特性仍存在不足，如100%PTFE濾料的加工工藝難度較大、經緯強度較低且延伸率較大、未經過覆膜處理時過濾精度較低、綜合成本較高等。因此100%PTFE尚不具備作為燃煤鍋爐用濾料的條件。
4.2濾料結構分析
濾料結構分為織造和非織造兩種，工業濾料中可以根據材質特性而選擇，但大多數用非織造結構見圖6。圖6非織造針刺氈斷面結構示意非織造濾料結構與鋼筋混泥土類似，其中基布類似于鋼筋，濾料內外層纖維網類似于混泥土，兩種結構結合為一體，提高了濾料整體的黏合與抗拉性能。由于純PPS濾料基布與內外纖維層的材質相同，一旦老化時強度同時衰減，結構上不能起到互補作用。
4.3耐腐高強濾料技術的研發及應用
耐腐高強濾料采取了PPS與PTFE材質混用的結構，首先把基布材質更換為PTFE，發揮了PTFE抗化學性能優的特點，類似混泥土中提高鋼筋的性能，使基布在使用過程中長期保留原有的強度；其次，濾料內外纖維層采用PPS與PTFE混紡，類似提高混泥土標號，兩種材質纖維之間相互纏繞，濾料內外纖維層原來由PPS承擔的強度作用分解為由PTFE和PPS兩種纖維共同分攤，即使PPS纖維老化斷裂，但PTFE纖維仍可保留原有強度，減緩了濾料整體強度下降速度。PPS與PTFE混紡后的耐腐高強濾料同比100%PTFE濾料，還具有提高過濾精度、降低濾料延伸率、降低濾袋成本等優勢。
耐腐高強濾料中混用PPS纖維的各種材質混用比例，要根據煙氣工況的特點選擇。一般在煙氣溫度常出現＞170℃時，采取PTFE與PI（P84）混紡，當煙溫＜160℃時，隨燃用煤硫份的高低來確定不同纖維的混合比例，硫份越高，PTFE材質的比例越高。
因此，在選用耐腐高強濾料時，要根據煙氣特點，使濾料與之相匹配，才能保證濾袋的使用壽命。自2009年下半年開始，耐腐高強濾料逐漸應用并成為燃煤鍋爐的主打濾料，大幅度提高了電袋復合除塵器濾袋的使用壽命。
案例1：太原某熱電廠#7、#8爐2×200MW機組電袋復合除塵器，爐型為煤粉爐，無脫硝裝置，煙氣中SOxzui大濃度達7000mg/m3，NOx濃度達1000mg/m3，日煙溫在80℃～175℃間波動，2008年原PPS使用壽命僅為半年。2009年采用耐腐高強濾料換袋，使用壽命大于2.5年，第二次換袋提高PTFE使用比例后，耐強濾袋使用壽命達4年以上。
案例2：安徽某電廠#1爐660MW機組電袋復合除塵器，爐型為煤粉爐，無脫硝裝置，燃用低硫煤，選用耐腐高強濾料，濾袋使用壽命達到4.5年以上。
案例3：內蒙古某電廠#7、#8爐電袋復合除塵器，爐型為煤粉爐，無脫硝裝置，燃用低硫煤。由于機組運行初期的煙溫經常高達220℃，原PPS濾袋使用壽命僅為半年。2010年采用PTFE與PI混紡的耐腐高強濾料換袋，使用壽命達5年以上，至今仍在使用中。
5濾料其它新技術發展應用情況
近年來，我國環保對燃煤機組提出了更嚴格的超低排放要求，超凈電袋復合除塵器成為一種新的除塵工藝技術，并對濾料的過濾性能提出了更高要求，以提高過濾精度為主向的超細面層梯度結構濾料和超微孔覆膜濾料也得到了進一步發展。同時，純PPS、耐腐高強濾料等廢棄濾袋的回收與利用工藝技術快速發展和應用，解決了濾袋的二次污染問題，進一步加快了我國燃煤鍋爐濾料技術的發展，提高了應用水平。
6結語
近年來，我國燃煤鍋爐除塵技術為適應復雜和多變的煙氣工況條件而取得矚目的發展和突破，電袋復合除塵器作為一種創新除塵技術也不例外，十余年發展過程中遇到許多諸如PPS濾袋異常破損等問題。問題并不可怕，只要客觀準確分析原因，把握正確方向，科學技術創新，難題則隨之迎刃而解。耐腐高強濾料雖然提升了抗化學性能，但實踐中仍要重視對煙氣工況條件的控制，提高除塵運行管理水平，才能確保濾袋的綜合性能和使用壽命。