（环境工程专业论文）燃煤锅炉烟气除尘用新型滤料过滤性能应用研究.pdf

摘要 摘要 传统的袋式除尘器因适合燃煤锅炉除尘过滤的滤料种类较少，滤料耐高温性能 差，清灰不彻底，过滤阻力大，受烟气中n 0 2 影响等问题，难以满足火电厂大气 污染排放标准( g b l l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) ) ) 烟尘最高允许排放浓度5 0m g n m 3 ，重点城市燃煤 电厂烟尘最高允许排放浓度3 0m g n m 3 以及排放总量的要求。开发高效、性能稳定 的新型滤料成为国内外学者的研究热点。 本文在建立悬浮流浓缩装置初级模型的基础上，通过探讨聚四氟乙烯覆膜滤料 的表面过滤机理，纯气流条件下覆膜滤料的“过滤速度过滤阻力”的特性关系和 含尘气流条件下覆膜滤料的“过滤速度过滤阻力 的特性关系，实验验证了聚四 氟乙烯覆滤膜的过滤阻力、过滤效率、滤料纤维特性及组织结构。结果表明： 1 1 纯气流时为清洁滤料，清洁滤料的阻力是指未过滤粉尘前滤料的阻力， 有两部分组成，覆膜阻力卸，和底料阻力a p a 。 2 ) 含尘气流的阻力特性，滤料过滤阻力由滤料的清洁阻力和粉尘层阻力两部分 组成，对于p t f e 薄膜而言，粉尘虽然极易剥落，清灰较彻底，但是薄膜表面仍 会有一层极薄的粉尘层，即滤料上积附的粉尘层阻力a p h ，粉尘层产生的附加阻 力的大小与粉尘的性质，数量及过滤速度的大小有关。 3 ) 结合实验数据对覆膜滤料过滤性能的优劣进行分析，分别在清洁和含尘两种 过滤状态下，将其阻力特性与未覆膜滤料阻力特性进行对比。结果证明：含尘滤料 过滤阶段，由于覆膜起到了粉尘初层的作用，覆膜滤料阻力特性优于未覆膜滤料。 影响滤料过滤性能特性的主要因素是含尘气流浓度、过滤风速、滤料纤维特性 以及组织结构；含尘滤料过滤阶段，覆膜滤料阻力特性优于未覆膜滤料。本研究对 于提高袋式除尘器过滤性能、预测纤维过滤效率，具有一定的参考价值。 关键词聚四氟乙烯覆膜滤料；过滤速度；过滤阻力；粉尘初层；数学模型 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t o n a l b a gf i l t e rh a ss om u c hp r o b l e mt os o l v e d s u c ha sl i m i t e df i l t e r m e d i a ，h i g ho p e r m i n gt e m p e r a t u r e ，b a dd u s tr e l e a s e ，h i 曲r e s i s t a n c ea n dt h en 0 2 i n f l u e n c e s oi ti sd i f f i c u l tt om e e tt h ee m i s s i o ns t a n d a r do fa i rp o u l l u t a n tf o rt h e r m a l p o w e rp l a n t ( g b 13 2 2 3 2 0 0 3 ) s t i p u l a t e st h a tt h eh i g e s ta l l o w e dd u s te m i s s i o nc o n c e n t r a t i o n s h o u l db e5 0m e d m 3 f o rm a j o rc i t i e sm u s tb eb e l o w3 0m g m 3 d e v e l o p m e n to fn e wf i l t e r m a t e r i a l sb e c o m e st h ef o c u so fr e s e a r c hb ys c h o l a r sb o t ha th o m ea n da b r o a d b a s e do nm o d e lo fs u s p e n s i o nf l o wf i l t r a t i o n c o n c e n t r a t i o n ，t h ee m i s s i o n r e s e a r c ht h es u r f a c ef i l t r a t i o nm e c h a n i s mo fp t f em e m b r a n e f i ! t e r m e d i a t h e r e l a t i o n s h i po f “f i l t r a t i o nv e l o c i t y - f i l t r a t i o nr e s i s t a n c e u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h e p u r ea i rc o n d i t i o na n dt h ed u s ta i rc o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt 1 1 a t ： 1 ) ，w h e ni ti sp u r ea i r f l o wt h ef i l t e rm a t e r i a l si sc l e a n 1 1 1 er e s i s t a n c eo ff i l t e r m a t e r i a l sh a sn o tt h r o u g ht h ef i l t e r f l y i ti sc o m p o s e do ft w om a i np a r t s ：m e m b r a n e r e s i s t a n c ea n db o t t o mm a t e r i a lr e s i s t a n c e 2 ) t h er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fd u s 够a i r f l o wa r et h a t ：t h ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c ei s c o m p o s e do ft w om a i np a r t s ：c l e a rr e s i s t a n c ea n dd u s tl a y e rr e s i s t a n c e f o rp t f e f i l ms u r f a c e 丽l lb es t i l lc o v e r e dd u s t ，t h a ti st h ed u s tl a y e rr e s i s t a n c e i t i sr e l a t e dt ot h ed u s t s ， p r o p e r t i e s ，q u a n t i t i e sa n df i l t r a t i o nv e l o c i t y 3 、a c c o r d i n gt ot h et e s td a t at h ea u t h o ra n a l y z e dt h em e r i ta n dd e f e c to fm e m b r a n e f i l t e n r e s e p e c t i v e l yu n d e rs t a n t i o n a r ya n dn o n s t a t i o n a r yf i l t r a t i o nc o n d i t i o n st h ed r a g c h a r a c t e r i s t i c sw a sc o m p a r e db e t w e e nt h eo r d i n a r yf i l t e ra n dm e m b r a n ef i l t e r t h e a n a l y s i ss h o w st h a t ：b e c a u s et h ef i l mh a st h es a m ee f f e c ta sp a r i i c l el a y e r ，s ot h ed r a g c h a r a c t e r i s t i c so fm e m b r a n ef i l t e ri sb e a e ru n d e r n o n s t a t i o n a r yf i l t r a t i o nc o n d i t i o n a sar e s u l t ，t h em a i nf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ef i l t r a t i o np e r f o r m a n c eo ff i l t e rm e d i a i n c l u d e dt h ed u s td e n s i t yo fs m o k e ，f i l t r a t i o ns p e e d ，f i b r ec h a r a c t e r i s t i ca n ds u r f a c ea n d c r o s s - s e c t i o ns t r u c t u r e t h ea n a l y s i as h o w st h a t ：t h ed r a gc h a r a c t e r i t i c so fm e m b r a n ef i l t e r i sb e a e ru n d e rn o n s t a t i o n a r yf i l t r a t i o nc o n d i t i o n a b o v ea 1 1 t h es t u d yo ft h i sr e s e a r c h p r o j e c th a si m p o r t a n tm e a n i n gf o rb o t he v a l u a t i o no fb a gf i l t e r sp e r f o r m a n c ea n d p r e d i c t i o no f t h ef i b r ef i l t r a t i o ne f f i c i e n c e k e yw o r d s p t f em e m b r a n e f i l t e rm e d i a ；f i l t r a t i o nv e l o c i t y ；f i l t r a t i o nr e s i s t a n c e ； i n i t i a ll a y e ro fd u s t ；m a t h e m a t i c sm o d e l 1 i 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：南手肄教p 曩论 口e 年1 2 r i f i o 琴年l 。具b 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作暑完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 拆保密。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：南群爱 吕年1 2 月日 艿 强伽 名 赁 鹳 朔 师 事 撕 年 导。歹 搏 锣 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 我国是以煤为主要能源消耗的国家，煤炭消费量位居世界之首，占全世界煤炭 消耗总量的2 0 以上，占我国一次性能源消耗总量的7 5 以上。而且我国一次性能 源以煤为主的结构近期内不会改变，燃煤产生的废弃物己对我国大气环境造成了严 重的污染。研究统计表明，大气污染物中8 7 的s 0 2 、6 7 的n o x 、7 1 的c o 和 6 0 的烟尘来源于煤的燃烧，因此来自于燃煤发电和各种工业炉窑尾气的工业烟尘和 工业粉尘的污染是构成我国大气污染的重要污染源。而在各种燃煤设备中，电站锅 炉排放的烟尘占4 0 以上，工业锅炉占3 6 。鉴于我国能源结构的基本国情以及国 际、国内市场上石油价格的不断攀升，我国在一个时期内，煤炭仍将作为主要的能 源。因此如何减少燃煤锅炉烟尘排放浓度是防止大气环境污染的一个重要方面，也 是一个刻不容缓的问题。 当前我国电力行业发电仍旧依靠火力发电为主。数据表明：2 0 0 0 年我国火电厂 装机容量达2 37 5 4 m w ，单机6 m w 以上机组35 4 6 台，其中2 0 万以上机组8 0 0 台， 发电消耗原煤52 8 10 4 5 万吨，供热消耗原煤63 8 2 3 万吨，据不完全统计电力行业 2 0 0 0 年飞灰排放量约3 4 0 万吨，占全国烟尘排放量的3 0 左右。2 0 0 1 年增加火电厂 装机容量3 50 0 0 m w ，到2 0 0 2 年又增加4 00 0 0 m w 。中国“十一五”计划提出了大 幅度提高发电能力的设想，要在2 0 2 0 年将发电装机容量提高到9 1 亿千瓦，其中火 力发电为6 亿千瓦。这样，火电厂燃煤锅炉的烟尘排放势必会对环境造成更大的污 染，采用高效除尘设备势在必行。 1 1 1 燃烧低硫煤引起电除尘器效率下降 目前电力行业除尘设备仍旧以电除尘器为主。数据统计表明，1 9 9 5 年国内电除 尘器对应锅炉容量占电站锅炉总容量的百分比己超过5 0 ，到2 0 0 2 年底超过9 5 。 近年来，由于s 0 2 气体的排放，产生的酸雨危害严重破坏了环境，国家对s 0 2 控制 的力度加大。许多电厂降低燃煤含硫量，燃烧低硫煤。低硫煤的燃烧改变了排放粉 尘的性质，尤其是造成粉尘比电阻上升，引起电除尘器效率下降，致使烟尘排放无 法满足当前的排放标准要求：其次，近年来燃用无烟煤的电厂也在逐步增多，而无 烟煤中含硫量较低，致使静电除尘器处理无烟煤煤灰效果也较差：再次，2 0 0 3 新的 火电厂烟尘排放标准不但对于烟尘排放限制了严格的标准，对于电站锅炉s 0 2 的排 放也有了严格的限制，新的排放标准也促使许多电厂开始燃烧低硫煤。对于排放s 0 2 超过国家标准的企业或单位，国家将按照排放数量和浓度征收高额排污费，并对违 l 河北科技大学硕士学位论文 反规定造成严重污染的单位企业处于高额罚款。以上一系列因素的影响对电站燃煤 锅炉除尘采用电除尘器也提出了严峻的考验。 相对电除尘器来讲，袋式除尘器的过滤效率受粉尘比电阻、浓度、粒度等性质 的影响不大，锅炉负荷的变化、烟气量波动对袋式除尘器出口排放浓度的影响也不 大。尤其是对于微细颗粒物( p m l o 、p m 2 5 ) ，袋式除尘器也有较高的过滤效率。综观 国外发达国家电站锅炉袋式除尘器的应用情况表明，排放浓度均可达到低于5 0 m g n m 3 ，甚至可达1 0m g n m 3 。相反，对于燃用低硫煤和高灰份煤的电站锅炉来讲， 电除尘器要达到这么低的浓度就有一定难度，或必须增加较大的投资。鉴于此，当 前许多电站燃煤锅炉项目正在作电除尘改袋式除尘器的起步工作，越来越多的专家 和环保人士呼吁在电厂燃煤锅炉除尘上使用袋式除尘器。 1 1 2 国内外电站锅炉的差别 国外袋式除尘器在燃煤锅炉除尘上的应用要领先于国内的水平。从上个世纪六、 七十年代起，袋式除尘器就在英、美、加、澳大利亚等发达国家起步并得到了迅速 的发展。由于美、英等国家对环境保护的要求比较严格，国家对烟尘排放标准也制 定了严格的限制，美国率先在电站燃煤锅炉这一电除尘器的传统领域采用袋式除尘 器，而且起到了很好的治理效果。澳大利亚在大致同期也开始将袋式除尘器应用在 国内的电站锅炉上。尤其是澳大利亚，由于其锅炉燃烧的多为低硫煤，电除尘器的 除尘效果不太理想。截至到上世纪9 0 年代初期，澳大利亚国内的8 0 以上的电站锅 炉除尘项目使用袋式除尘器，而且机组越做越大，从初期的几万千瓦的小机组发展 到6 6 0 m w 的大机组，且运行效果比较好。除此，欧盟国家的大部分燃煤电站锅炉也 都采用袋式除尘器，许多工业锅炉也是如此。原西欧除尘器市场在1 9 7 5 年时，袋式 除尘器所占份额为4 0 ，而在最近3 0 年来，袋式除尘器以每1 0 年1 0 的份额速率 递增。 我国在七十年代曾有几家电厂试用袋式除尘器，但是结果以失败告终。8 0 年代 初，国家电力部门在淮南发电厂、南定热电厂等五个电厂试验运行袋式除尘器，其 中除巡检司电厂用的尚可外，其余均以失败告终，致使国内一直到1 9 9 5 年以前几乎 没有一个燃煤锅炉使用袋式除尘器的成功范例。 分析其失败原因：其一，国外技术的应用不适合我国电站锅炉除尘的国情，将 国外的技术直接搬用过来显然不当。同国外的电站锅炉相比，主要有以下几点不同： 国内燃烧的煤种与国外有差别。国外电站锅炉燃烧的多为低硫、低灰份的精煤，其 对燃煤品种控制极为严格。而国内多为高硫煤、高灰份煤，并且燃煤品种波动大。 煤种不同，不仅燃烧值不同，而且灰份、杂质成分、含硫量均不相同，这样就造成 烟气温度、烟尘含量、烟气成分等都发生波动，给除尘器运行管理带来很大困难， 第1 章绪论 锅炉设备也不同。我国燃烧的煤种多数灰分高，一些锅炉设备为超过3 0 年以上的老 锅炉( 国外发达国家多为2 0 年左右就更换设备) ，引起烟气特性差别很大，押 烟温度 高，且烟气温度波动大，燃烧条件极为恶劣，给设备选型设计造成很大的困难，管 理、操作人员素质有很大差别。国外在设备管理和操作上，由于起步比较早，管理 技术比较先进，其操作管理人员素质和技术要高于国内水平。其二，滤料研发技术 落后。目前国际上在燃煤锅炉除尘行业使用滤料主要以p p s 和p 8 4 针刺滤料为主。 国内由于当时滤料种类有限，滤料的质量和生产加工技术相对还比较落后，再加上 没有考虑到国情的不同而把国外的滤料直接拿来应用，在实际工程中经常出现滤袋 烧毁、损坏、老化等现象，致使更换滤袋频繁，经常要停机检修，大大降低了工作 效率，从而导致我国袋式除尘技术停滞不前。， 1 1 3 研究意义 鉴于目前国家对环境治理的严格要求以及火电厂装机容量的突飞猛增，本课题 具有以下研究意义： ( 1 ) 改善环境，满足火电厂新的排放标准要求新的国标g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 要求自 2 0 0 4 年1 月1 日起，通过建设项目环境影响报告书审批的新建、扩建和改建火电厂 建设项目火力发电锅炉烟尘最高允许排放浓度为低于5 0m g n m 3 。采用袋式除尘设 备，不但可以满足新的排放标准的要求，甚至可以进一步降低实际烟尘排放浓度， 改善空气环境质量，利国利民。 ( 2 ) 有效控制p m l 0 、p m 2 5 等可吸入颗粒物的污染 空气中的颗粒物，空气动 力径大于1 0 岫的颗粒比较容易从空气中沉降分离。而对于小于1 0 岬的颗粒，长 时间漂浮在空气中，对人体呼吸道产生危害。尤其是p m 2 s 不仅不易捕集，而且极易 被人体吸入微支气管，甚至肺泡，对人体危害更大。与电除尘器和其它低效除尘设 备相比，袋式除尘器对烟尘中p m i o 、p m 25 ”等可吸入颗粒物具有较高的捕集效率， 有助于控制大气中微细颗粒物的总量，减少微细颗粒对人类呼吸系统的危害。 ( 3 ) 对于低硫、高比电阻烟尘具有较高的过滤效率 前面己述，燃用低硫煤、 烟气脱硫将会使电除尘器效率下降，但是对于袋式除尘器过滤效率影响并不大。采 用袋式除尘器可以解决燃用低硫煤后电除尘器效率下降的问题。 1 2 粉尘分离技术的研究现状 粉尘分离技术的研究现状按捕集粉尘的作用力及原理可分为4 类：机械式除 尘、电除尘、过滤式除尘和湿式洗涤除尘设备。按除尘效率可分为：高效除尘设 备，包括电除尘、袋式除尘、高效文丘旱除尘等；中效除尘设备，包括旋j x l 除尘及 其它湿式除尘等；低效除尘设备，包括重力沉降、惯性除尘等。 河北科技大学硕士学位论文 1 2 1沉降室 沉降室也叫重力除尘器，是一种借助重力作用使含尘气体中粉尘自然沉降以 达到净化气体目的的装置。当含尘气体水平通过沉降室时，尘粒受沉降力的作用 向下运动，经过一定时间后尘粒沉降到沉降室的底部而分离，净化后的气体通过 出口排出。沉降室的沉降速度太小，一般只用于分离5 0 “m 以上的尘粒。因此沉 降室通常用于粗尘粒的预除尘。 1 2 2 惯性除尘器 惯性除尘器是利用流动烟气中的尘粒与烟气具有不同的惯性力，将粉尘从含 尘气体中分离出来的设备。其利用一系列的挡板，惯性大的颗粒被阻挡下落，小的 颗粒绕板而过。粉尘粒径越大、气流速度越大、挡板数越多和距离越小，则除尘 效率越高，但压力损失也越大。这种除尘器结构简单，分离临界粒径为2 0 - - 3 0g m ， 压力损失为1 0 0 - - 1 0 0 0p a 。 1 2 3 旋风分离器 旋风分离器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出 来的一种干式气一固分离装置。当含尘气体进入旋风分离器时，气流将由直线运动 变为圆周运动。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将密度大于气体的尘粒甩向 器壁，进入排灰管。旋风分离器用于工业生产已有1 0 0 余年历史。对于捕集、分 离5 1 0l a m 粉尘的效率较高，一般能达8 5 ，但对于5p , m 以下的颗粒效率只 有5 0 。同时，旋风分离器的理论与实验研究十分困难，其应用也因此受到限制。 1 2 4 湿式除尘器 湿式除尘器是使含尘气体与水或其他液体接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞 等作用把尘粒从气流中分离出来的设备。其除尘机理是：当含有悬浮尘粒的气体 与水相遇接触且气体冲击到湿润的器壁时，尘粒被器壁所粘附，或者当气体与喷 洒的液滴相遇时，液体在尘粒质点上凝集，增大了质点的质量，而使之降落。在 湿式除尘器中，气体与液体的接触方法有两种，一种是气体与水膜和已被雾化了 的水滴接触，如文丘里管除尘器、水膜除尘器等；另一种是气体冲击水层时鼓泡， 以形成细小的水滴和水膜，如冲击式除尘器、自激式除尘器等。总的来说，湿式 除尘器主要靠惯性碰撞、粘附、扩散三种作用将粉尘除去。湿式除尘器类型较多， 而最具代表性的是文丘旱管除尘器和水膜除尘器。文丘罩管除尘器能除去1 5 g m 的尘粒，效率较高，而且不会产生二次飞扬，特别适宜具有粘附和潮解性的 粒径1p m 以下的粉尘。 4 第1 章绪论 1 2 5 电除尘器 自1 9 0 6 年f g c o t t r e l l 在工业上应用静电除尘器( e s p ) 以来，e s p 已发展成一 种公认的高效除尘装置。其工作原理为：将直流高压施加于放电极和收尘极之间 形成电场，使气体电离，让悬浮微粒荷电收集电场中荷电微粒并将其排除到外部。 在合适条件下使用e s p ，其效率可达9 9 甚至更高。电除尘器性能的提高，不仅 取决于除尘器本身的结构，而且还取决于高低供电装置的供电质量、控制性能和 供电方式的改进。目前e s p 在化工、发电、水泥、冶金、造纸等工业部门被广 泛应用。尤其在我国燃煤电厂，除尘设备基本都使用e s p 。但是e s p 对直径o 1 2g m 尘粒的除尘效率较差，且e s p 的除尘性能受粉尘比电阻率的支配。一般来 说，粉尘的比电阻率为1 0 5 1 0 1 1q c m 属正常范围，如低于此范围则易导致再 飞扬，高于此范围则易发生反电晕现象，并使除尘性能下降。由于粉尘比电阻率 与粉尘化学成分直接相关，所以e s p 在某些场合不能适用。 1 2 6 袋式除尘器 自1 8 8 1 年德国b e t c h 工厂的机械振动清灰袋式除尘器获德国专利并开始袋 式除尘器的商业化生产以来，袋式除尘器的清灰技术及袋滤技术得以迅速发展和 提高。目前袋式除尘器对工业废气中微粒粉尘的控制，尤其是对高温冶炼和燃料 燃烧生成的高活性微粒粉尘的控制，技术上已日趋成熟。其对微粒粉尘的除尘效 率在9 9 9 9 以上，排放气的质量浓度小于5 0m g m 3 ，甚至可低达1 0m g m 3 ，且 规格齐全，适用范围广，不受粉尘电阻率的影响，不存在水污染问题。在采取其 他技术措施的条件下，可同时清洁工业废气中的固、液、气三类污染物。袋式除 尘器的工作原理为：当含尘气体进入除尘器时，粗粉尘因受导流板的碰撞作用和 气体速度的降低而落入厌斗中；其余细小颗粒粉尘随气体进入滤袋室；受滤料纤 维及织物的惯性、扩散、阻隔、钩挂、静电等作用，粉尘被阻留在滤袋内，净化 后的气体逸出袋外，经排气管排出。滤袋上的积灰用气体逆洗法或喷吹脉冲气流 的方法去除，清除下来的粉尘由排狄装置排走。袋式除尘器的清狄方式已同趋成 熟，目前的研究主要集中在滤料上。滤料性能和质量的好坏，直接关系到袋式除 尘器的性能和使用寿命。滤料已从天然纤维发展到现在的人工合成纤维，从而使 袋式除尘器的除尘性能及应用范围有了大幅提高。目前滤料的研究主要集中在表 面覆膜滤料的开发上，表面覆膜技术给滤料的除尘性能带来了革命性的变化。 1 2 7 表面过滤技术 目前国内的袋式除尘器大多采用针刺毡材料等传统滤料，属于深层过滤，依 靠截留在滤料上的微尘颗粒层进行过滤，因而存在过滤阻力大、反冲洗频率高等 河北科技大学硕士学位论文 问题，导致袋式除尘器的寿命较短、操作相对困难。此外，袋式除尘器的价格较 高，操作过程中及反冲洗后的压力波动比较大等，这些因素都极大地限制了袋式 除尘器在工业生产中的应用。表面过滤技术可以很好地解决上述问题1 。表面过 滤技术是指粉尘不透入滤料内，而全部沉积在滤料表面的过滤技术。表面过滤主 要利用薄膜过滤粉尘，依靠薄膜的筛滤，同时也借助于膜表面上的粉尘薄层。薄 膜的孔径很小，能把极大部分尘粒阻留在膜的表面，完成气固分离过程。不同于 传统滤料的分离过程，粉尘不深入到纤维内部。其优点是：在滤袋开始工作时就 能在膜表面形成透气性好的粉尘薄层，既能保证较高的除尘效率，又能保证较低 的运行阻力。利用预涂层技术实现表面过滤该技术是将配制好的粉剂，用特殊工 艺溶进已缝制滤袋的滤料内部，再用粘结剂固定，达到滤袋未使用前的高效收尘 能力。经预涂层处理后的滤袋在使用前形成了稳定的粉尘初层，克服了新滤料前 期除尘效率不高的弊病巧3 ；同时粉尘初层经粘结剂固定，稳定性好。这样可以降 低压力波动对稳定生产的不利影响。但其缺点在于：随反冲洗的次数增加，预涂 层可能会从滤料表面冲脱，影响滤料的使用寿命。利用膜分离技术实现表面过滤 该技术是将某种分离膜覆在普通滤料上，利用膜分离技术过滤含尘气体。目前， 所用的薄膜一般是聚四氟乙烯( p t f e ) 薄膜，它具有优异的性能：表面过滤，过滤 阻力小，粉尘层易剥落，解决了深层过滤不能解决的问题；孔径为o 2 - - 0 3p m ， 能够迅速有效地截留微米级超细粉尘；清灰后不改变孔隙率，除尘效率一直很高， 几乎可达到零排放：表面光滑，不结露，易清灰，清狄后不改变空隙率，因此投 入运行后，压力损失低且不随使用时间的延长而增大；滤袋使用寿命长m 1 。 以上所有的分离技术都是从含尘气流中分离出粉尘收集起来，达到除尘的目 的。而本课题是从含尘气流中分离出一部分气体，使其可以直接排放，来减轻电 除尘起的处理量，提高除尘效率。 1 3 研究目的和内容 1 3 1研究目的 本课题研究旨在对袋式除尘器中新型复合滤料的研究。目前在燃煤锅炉除尘 行业使用的滤料主要以p p s 和p 8 4 为主。在应用过程中也暴露了许多问题，具体总 结如下： ( 1 ) 滤料的长期耐高温性能由滤料物化性能分析可知，p p s 的极限耐温为 1 9 0 c ，p 8 4 为2 6 0 ，但在实际使用中般维持烟气温度在1 5 0 , - , - , 7 0 。c 之间。随着温 度的升高p p s 和p 8 4 滤料的使用寿命下降很快。 ( 2 、适合燃煤锅炉除尘过滤的滤料种类较少 目前成功应用在燃煤锅炉除尘领 6 第l 章绪论 域的滤料主要为p p s 、p 8 4 以及p p s 和p 8 4 复合滤料。但是p p s 和p 8 4 滤料在使用 中也存在一些问题，研究发现：p p s 滤料在2 0 0 以上会发生热缩现象；耐氧化性 差：在高温时变硬，且伴有不同程度的老化。p 8 4 水解稳定性差，容易水解老化，所 以，在燃烧条件比较复杂的燃煤锅炉除尘领域，急需研发新的滤料替代。 ( 3 ) p 8 4 和p p s 滤料使用寿命受燃煤锅炉烟气中n 0 2 浓度影响很大实际应用 研究表明：p 8 4 和p p s 的寿命受到锅炉烟气中n o 浓度增加一倍，滤料使用寿命减 半。同时n 0 2 对于滤料强度性能退化速率的影响与烟气温度有很大关系。通常，气 温每升高3 0 ，p 8 4 寿命会缩短5 0 ：而温度抬高2 0 ，p p s 寿命便缩短5 0 。 h ) 传统滤料过滤方式为深层过滤，清灰不彻底，过滤阻力大目前在电站锅 炉使用的滤料多为p p s 和p 8 4 针刺毡滤料，其组织结构方式多为单层结构且滤料孔 隙率大，过滤方式为深层过滤。在过滤过程中灰尘极易嵌入到滤料内部导致清灰不 彻底，清灰频繁。 ( 5 ) p 8 4 滤料价格较高p 8 4 在耐温性能和耐酸碱腐蚀方面比p p s 要优。但在 经济性方价格两倍多，一次性投资较大，且运行一个周期后的换袋费用较高。 本课题研究的是以新兴复合技术为代表的覆膜滤料的进一步发展，特别是在 控制p m l o 、p m 2 5 、p m l ，o 等呼吸性粉尘时，该种滤料显示出更大的优势。覆膜滤 料的开发是对袋式除尘技术的完善，弥补了袋式除尘技术的不足，并解决了普通 滤料不能解决的问题，如：寿命太短，需要频繁更换；粉尘在滤料表面结块，清 灰困难等。袋式除尘器进一步扩大在燃煤的电厂锅炉使用，需要解决滤料适用范 围：高硫煤；锅炉频繁启停( 出现低温6 0 c 1 2 0 ，结露腐蚀) ；锅炉排烟温度 达到1 9 0 2 0 0 ( 夏季) ；炉过量鼓风、空气预热器漏风，造成含氧量升高等 问题。如果继续使用p p s ，势必滤料使用寿命不能得到保证。因此需要采用p t f e 纤维替换p p s 纤维制作针刺毡装置滤料。 因此，本文就聚四氟乙烯( p t f e ) 覆膜滤料的过滤机理、过滤效率、过滤阻力、 过滤风速等性能指标的研究现状进行了分析，并通过实验与常规滤料进行了比 较。同时展望了覆膜滤料的发展与应用前景。 1 3 2 研究内容 本研究的主要内容及重点包括： 1 ) 首先建立悬浮流浓缩装置的初级物理模型； 2 1 建立纯气流条件下覆膜滤料的“过滤速度过滤阻力”的特性关系； 3 ) 建立含尘气流条件下覆膜滤料的“过滤速度过滤阻力”的特性关系； 4 ) 进行实验研究，对上述数学模型进行实验验证。 河北科技大学硕士学位论文 第2 章聚四氟乙烯覆膜滤料 袋式除尘器要求的运行工况条件较多，且目前滤袋价格相对较贵，使用寿命短， 滤袋需周期性更换，因此从资金和运行维护上还不被大家所接受，为了降低成本和 稳定地提高除尘效率，加快研发适合国情的新型滤料已成为袋式除尘器推广使用的 技术关键。 国内滤料的发展与袋式除尘器的发展是同步的。在2 0 世纪5 0 年代初，国内 没有专门的滤料生产厂家，常温下只能用素色棉帆布，在含酸气体的过滤主要用 毛昵类产品。到了7 0 年代末，开发出2 0 8 涤纶绒布，为脉冲袋式除尘器、机械 回转反吹风袋式除尘器和其他类型的袋式除尘器的推广应用提供了第一批滤料， 并一度成为滤料的一统天下。接着又仿照日本开发出7 2 9 聚酯机织滤料，应用在 大中型分室反吹风袋式除尘器。7 0 年代末，8 0 年代初，随着非织造布的发展， 我国又研制成功了合成纤维针刺毡，使袋式除尘器的滤尘效果提高了一个数量 级。8 0 年代我国又研制成功了芳砜纶耐高温纤维和芳砜纶针刺毡，可耐2 l o ， 并应用于冶金、有色冶金、碳黑工业等的高温烟气处理方面，可与美国的诺梅克 斯纤维媲美。其后防静电、耐高温、抗腐蚀、防油防水等合成纤维针刺毡产品的 开发和生产基本满足了各行各业、各种工况条件的需求。9 0 年代初期，我国又 开发了聚四氟乙烯微孔覆膜滤料，它实现了高效、低阻、节能，提供了优质的过 滤材料，过滤的机理也由深层过滤发展到表面过滤。 2 1电站锅炉袋式除尘滤料研究现状 除尘器过滤材料( 以下简称除尘器滤料) 是袋式除尘器的核心部件之一。袋式除尘 器滤料多采用耐高温非织造布制成。国外的非织造布起始于二十世纪三十年代， d u p o n t 公司建立了第一个非织造布生产厂，在五十年代中和六十年代末得到了迅 速的发展，尤其是这一时期化学纤维工业的蓬勃兴起，一大批化纤滤料在实际工程 中得到了广泛的应用。在高温纤维滤料的研制方面，上个世纪中叶无机玻璃纤维滤 料率先得到发展，但由于玻纤的耐磨和耐折性能较差，影响了滤袋的使用寿命。6 0 年代美国杜邦公司研究出了芳族聚酞胺( 即n o m x e ) 纤维；7 0 年代美国的菲利普石油 公司和纤维公司首先实现了p p s 纤维的工业化生产。1 9 7 0 年美国戈尔公司生产的 p t f e 覆膜滤料，将传统的深层过滤方式转向滤料的表面过滤方式。8 0 年代后期奥地 利的i n s p e cf i b r e s 公司最初生产研究出聚酞, xj i ( p 8 4 ) 纤维，由于p 8 4 的优良的纤维 特性，在诸多高温滤料过滤领域得到了应用。目前高温领域使用的滤料包括玻纤、 p p s 、p 8 4 、n o m x e 、p t f e 以及其它一些复合滤料等。 8 第2 章聚四氟乙烯覆膜滤料的发展及特点 在电站燃煤锅炉除尘行业中，国外发达国家( 例如美、英、澳大利亚等) 在电站燃 煤锅炉袋式除尘器上成功使用的滤料主要为p p s 、p 8 4 针刺毡以及p p s 和p 8 4 复合 滤料等。目前世界范围内只有少数几家大型化学公司生产p p s 纤维，日本东洋纺公 司的p o r o c n ，东丽公司的t o r o c n ，以及美国飞利浦公司的凡沈r y t o n 等均为p p s 纤 维。由于p p s 纤维有良好的耐热性能和耐化学腐蚀性能，因此p p s 针刺滤料不但可 耐1 7 0 烟气温度，而且特别适宜于酸性烟气过滤，在国外己经广泛应用在电厂燃煤 锅炉和垃圾焚烧炉的烟气过滤上。 由于美、英等国家对环境保护的要求比较严格，国家对烟尘排放标准也制定了 严格的限制。7 0 年代起，美国率先在电站燃煤锅炉这一电除尘器的传统领域采用袋 式除尘器。澳大利亚在大致同期也开始将袋式除尘器应用在国内的电站锅炉上。尤 其是澳大利亚，由于其锅炉燃烧的多为低硫煤，电除尘器的除尘效果不太理想。截 至到上世纪9 0 年代初期，澳大利亚国内的8 0 以上的电站锅炉除尘项目使用袋式除 尘器，而且机组越做越大，从初期的几万千瓦小机组发展到6 6 0 m w 的大机组，滤料 多采用p p s 和p 8 4 针刺滤料，且运行效果比较好。例如，澳大利亚新威尔斯州等6 个电厂的燃煤锅炉，对烟气除尘均进行了技术改造，由原来的电除尘器改为低压脉 冲袋式除尘器，烟气温度1 9 0 ，采用p p s 针刺滤料，效果良好。在国外，与p 8 4 滤料一样，p p s 针刺滤料己作为电厂燃煤锅炉烟气除尘及城市垃圾焚烧炉的烟尘过 滤和有害气体去除的首选材料之一，其用量正在迅速增加中。 国内在电站锅炉袋式除尘领域的起步比较晚。最近几年随着国家烟尘和s 0 2 排 标的严格要求，国内有电厂开始作电除尘器改袋式除尘器的改造工作。根据国外滤 料使用经验，国内滤料选用目前主要以p p s 为主。例如，哈尔滨某5 0 确循环硫化床 锅炉以及内蒙古丰泰2 0 0 m w 超高压一次再热循环锅炉其滤料选用进口r y t n o ( p p s 针 刺毡) ，广东东塘集团7 5t 1 1 曲循环硫化床锅炉滤料使用p p s 针刺毡等。另外p p s 和 p 8 4 的复合滤料也在其它一些燃煤锅炉上使用。国内外的许多研究人员对p p s 和p 8 4 滤料的物化性能也进行了大量的试验研究，主要性能介绍如下： ( 1 ) p p s ( 聚苯硫醚纤维) p p s 纤维是聚亚苯硫醚纤维( p o y l - p p h n e y l n e e s u l f i d e f i b e r ) 的简称，系以硫化钠和二氯苯为单体，在x 基毗咯烷酮或碱金属梭酸盐( 如醋酸 钠等) 的有机极性溶剂中缩聚成聚对苯硫醚树脂。在n 基毗咯烷酮中缩聚所得的树脂 须经交联化处理后才能成纤，而在碱会属梭酸盐中缩聚可直接制得适合于纺丝的高 分子量树脂，再经熔纺法制成纤维。 纯p p s 短纤维和单丝长丝均呈会黄色。短纤维的常用纤度有1 7 、2 2 、3 o 、7 8 d t x e ， 单纤强度2 6 3 1c n d t e x ，断裂伸长2 5 - - 5 ，初始模量为2 6 5 3 5 3c n d t e x ，有 良好的弹性回复率。其横截面积形状现在有圆形和三叶形两种( 其中，1 7d r x e 属于三 叶形纤维，其特点是比表面积比圆形截面积大，过滤效率高，但价格要较圆形纤维 9 河北科技大学硕士学位论文 贵很多) 。p p s 材料通常加工成针刺毡作为过滤材料使用。一般用针刺滤料的定量是 约5 0 0e d m 2 ，经、纬向断裂强力大于8 0 0 n ，厚度1 8n 1 1 1 1 左右，通常根据不同用途 要求，指标参数可预先控制调节。 ( 2 ) p 8 4 ( 聚酞亚胺纤维) 聚酞亚胺聚合物属于高性能聚合物，因其优良的耐热 性和阻燃性，在好几个应用领域处于领先地位。因为货源少以及几种单体成分价格 昂贵，加之大多数芳香族聚酞亚胺既难熔又难溶，不易纺制成纤维，因此聚酞亚胺 工业上的应用仍很有限，并且价格较高。经过广泛的研究和开发，聚酞亚胺产品最 初由l e n z n i g 公司，即现在的i n s p e c f i b r e s 公司于8 0 年代后半期生产出来。 不含卤素的芳族聚合物是在高极性溶剂中，甲基甲酞胺( d m f ) 或二甲基乙酞胺 ( d m a c ) ，由一个酐( b i d a ) 与芳族二异氰酸酷缩聚而成，该聚合物是完全亚胺化的， 用t 纺法可直接纺制成纤维。p 8 4 聚酞亚胺可纺制成纤度从0 6 - - 一8 0d t x e 的短纤维以 及1 0 6 9d t x e 的复丝。纤维呈黄色，如若需要彩色纤维，则在纺丝原液中加入有机颜 料使可获得深色泽。通常提供的纤度有1 0d t x e 、1 7d t e x 、2 2d t x e 、2 - 3d t x e 和5 0d t e x 。 2 2d e t x 聚酞亚胺纤维典型的机械性能如下： 强度( 干拉伸) ：3 8c n d t x e 伸长：3 0 伸缩率( 2 5 0 c ，1 0r a i n ) ： l 密度：1 4 1g m 3 极限氧指数：3 8 这些数值表明p 8 4 不能与高模量低伸长的增强纤维相比，但可用于生产必须具 有足够强力、柔性及耐热性的各种纺织技术用产品的典型纺织纤维。完全非品态的 聚合物的热性能由玻璃化温度来表征，p 8 4 的玻璃化温度是3 1 5 ，纤维可在2 5 0 应用温度下使用，纤维不会熔融，但在升华温度下会分解和碳化。聚酞亚胺的另一 项特性是其固有的不燃性，极限氧指数可达3 8 。 2 2 覆膜滤料的发展状况 2 0 世纪5 0 年代以前，过滤材料主要是棉、毛等天然纤维，存在使用温度低、 吸湿率高、不耐酸等缺陷，除在某些常温条件下，现己很少使用。滤料材质的发 展是向使用温度高、吸湿率低、耐腐蚀等方面发展【7 】，先后出现了玻璃纤维、芳 香族聚酰胺、聚四氟乙烯( p t f e ) 等为材质的性能优良的滤料。 聚四氟乙烯薄膜滤料是由一种多微孔、极光滑、又憎水的聚四氟乙烯过滤膜 与不同基材( 如针刺毡或编织物) 复合而成的有多种类型的过滤材料。聚四氟乙烯 薄膜是2 0 世纪7 0 年代后期由美国戈尔( w l g o r e ) 公司研制丌发成功，经过近 2 0 年的不断改进，已经发展成为一种性能非常优秀的过滤材料。近些年覆膜滤 l o 第2 章聚四氟乙烯覆膜滤料的发展及特点 料的研究开发与生产应用，使袋式除尘器从深层过滤发展到表面过滤，这无疑是 袋式过滤技术的一个飞跃，使之进入了一个新的时代。 目前常用t p f e 制成滤料的表面薄膜层，由于薄膜的孔径极小，可将大量的粉尘 阻挡在薄膜表面，难以渗透到内层过滤介质中，从而实现薄膜表面过滤。其过滤效 率特别高，即使对于亚微米级粉尘，过滤效率仍在9 9 9 以上，并且初始效率就很高。 而且其耐高温性能和耐化学抗性均极优异，极限耐温可达2 6 0 ，除熔融金属钠和液 氟外，能耐其它一切化学制剂的腐蚀，并且在较强的酸性溶液中煮沸不会变形。 2 3p t f e 微孑l 膜的制作工艺 2 3 1 制作过程 常规制作过程是将聚四氟乙烯分散树脂与液体助剂混合，通过压延法将混合 物制成薄片，再用机器双向拉伸薄片，制得p t f e 微孔膜。其工艺流程为：p t f e 树脂、助挤剂( 选料) 一混合一压延一双向拉伸一卷取。 2 3 2制作工艺 作为环保用薄膜，主要是控制烟尘的排放和产品的收集。根据使用条件，要 求生产的薄膜孔径小、空隙率高，才能在使用中达到运行阻力低而收集效果好， 同时还要有一定的强度。影响上述指标的因素主要与p t f e 薄膜的制备、拉伸的 温度、速度及拉伸比等工艺条件有关。 2 3 2 1 基膜制备 好的基膜必须厚薄均匀，结晶度和密度合理。基膜的质量直接影响成品的性 能指标。制备基膜时，应注意以下几个因素：1 ) 膜原料的选择p t f e 树脂：宣选 用分子量较适宜的牌号，其性能可承受拉伸时高温条件下的高速应变而不断裂。 助挤剂：选用宣使树脂湿润、无毒、沸点高、易除去而无残留的物质。2 ) 配比( p