技术 | 金属纤维滤料在水泥除尘领域的应用分析
发布时间：
2023-02-28
随着我国经济的高速发展，水泥在国民经济中的作用越来越大，尤其在“十一五”和“十二五”期间，我国水泥工业取得了长足发展。我国目前水泥厂普遍采用的是干法工艺，新型干法水泥技术在节能、大型化方面取得突破性进展，截止到2017年底，全国新型干法水泥生产线累计1715条(去除部分2016年已拆除或无法恢复的生产线)，设计熟料产能达18.2亿t，实际年熟料产能依旧超过20亿t，目前新型干法水泥窑规模以5000
1.水泥行业除尘现状
随着我国经济的高速发展，水泥在国民经济中的作用越来越大，尤其在“十一五”和“十二五”期间，我国水泥工业取得了长足发展。我国目前水泥厂普遍采用的是干法工艺，新型干法水泥技术在节能、大型化方面取得突破性进展，截止到2017年底，全国新型干法水泥生产线累计1715条(去除部分2016年已拆除或无法恢复的生产线)，设计熟料产能达18.2亿t，实际年熟料产能依旧超过20亿t，目前新型干法水泥窑规模以5000t/d熟料规模为主，规模已达到12000t/d熟料。
在工业粉尘的主要排放源中，水泥行业产生的粉尘约占排放总量的70％，这已经严重污染了环境，新修订的《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915—2013)已于2013年12月27日发布。为了适应国家“十三五”和今后一段时间环境管理的需求，有效加强对颗粒物、SO₂、NOX等的排放控制，日前，环保部印发《关于京津冀大气污染传输通道城市执行大气污染物特别排放限值的公告》，决定在京津冀大气污染传输通道城市执行大气污染物特别排放限值。
具体到水泥行业：新建自2018年3月1日起，新受理环评的建设项目执行大气污染物特别排放限值；地方有更严格排放控制要求的，按地方要求执行。而现有企业自2018年10月1日起，执行二氧化硫、氮氧化物、颗粒物和挥发性有机物特别排放限值。根据所发布的排放限值数据：水泥窑及窑尾余热利用系统、烘干机、烘干磨、煤磨及冷却机等热力设备排放限值为30mg／Nm³，破碎机、磨机、包装机等通风设备排放限值20mg／Nm³。另外，重点地区企业执行大气污染物特别排放限值：热力设备排放限值为20mg／Nm³，通风设备排放限值10mg／Nm³。有的甚至按5mg／Nm³的排放标准执行改造。
采用新型干法水泥生产线的工艺流程中，水泥厂粉尘污染源主要集中在窑头和窑尾的粉尘排放，根据新标准(GB 4915—2013)对排放限值的要求，水泥厂窑头和窑尾只有采用高效电一袋复合除尘器，利用电除尘器粗过滤结合布袋滤料的高精度过滤，才能实现超低排放。由于袋除尘器具有能处理微细粉尘、除尘效率高、结构简单、适应性强、系统运行稳定等优点，在应用新标准排放的要求下，袋式除尘器比其他除尘方式更具有优势。
2.存在问题及改进办法
根据目前水泥生产工艺又可分为带余热发电和不带余热发电两种，在现有工艺不变的情况下，带余热发电时水泥窑尾进入除尘器的烟气温度为130～150℃，进入窑头除尘器的风温为80～100℃；不带余热发电时水泥窑尾进入除尘器的烟气温度为130～150℃(瞬时可达200℃以上)，进入窑头除尘器的风温为250～380℃(电除尘器，若窑头为袋除尘器需在除尘器前加换热器)。
目前袋式除尘滤袋材质大多为芳纶、聚酰亚胺、PPs、PTFE等，耐温不超过280℃，当窑内温度发生波动时(主要在窑头)，很容易发生烧袋、糊袋事故，出现破袋现象，引起排放超标，运行成本较高。随着过滤材料研究工艺不断深人，一批具有耐高温、耐腐蚀、高过滤精度的材料，如金属纤维烧结毡、金属间化合物粉末滤料、陶瓷等金属及无机材料，打破了原有滤料耐温的限制，可适用于窑头除尘器的改造(适用于无余热发电的电除尘器改造项目)。
3.金属纤维滤料特点
金属纤维毡是采用不同丝径(1～100μm)的金属纤维进行搭配，采用无纺铺制方法，通过高温烧结而成的多孔深度型滤材，厚度在0.4～1mm之间，其成品及微观结构如1所示。金属纤维毡材质主要为耐高温、耐腐蚀性的不锈钢材质，比如304、316L、310s等，推荐使用温度为600℃，而采用FecrAl材质的金属纤维毡其使用温度可达1 000℃。由于纤维丝径属于微米级别，并且全为贯通孔，因此纤维毡的孔隙率达到80％以上，这远高于其他耐高温滤料，如金属粉末和陶瓷滤料。
图1金属纤维毡成品及微观形貌
金属纤维滤料初始阻力只有30～100Pa，滤料内部弯曲的通道能阻拦、吸附大量不同形状、粒径的污染物，因此其纳污能力远高于其他滤料。金属纤维滤袋在过滤过程中无静电产生，不会对粉尘产生吸附作用。金属纤维表面比布袋光滑，反吹过程中粉尘易脱落，滤袋可再生利用，发生严重堵塞时采用高压水或气冲刷即可再用，布袋一旦堵塞，只能进行更换；其过滤性能稳定，孔径通过高温烧结，在高压下不会发生变形，引起泄漏，而布袋在发生堵塞时会产生粉尘穿透，排放超标。
金属多孔过滤材料本身韧性和导热性良好的匹配，使得其抗震、耐热性优于陶瓷，不易发生断裂，并且金属材料可以进行焊接、弯曲变形等二次加工，方便与整体系统进行封装等，如采用波折金属滤料方法提高过滤面积，节省占地面积，陶瓷滤芯、粉末滤料属于刚性材质，在安装使用过程中容易发生脆裂，更换麻烦，而金属纤维毡具有很好的韧性，可承受弯曲变形，在高温除尘过滤介质应用方面具有更好的适用性和优越性。
4.不同滤料性能特点比较
4.1 不同滤料过滤性能稳定性对比
目前有的布袋厂家称其滤料可拦截2μm粉尘，但是实际情况是随着袋式除尘器压力增加，其布袋滤料中纤维发生变形，使得孔径增大。将3种标定为气一固过滤精度2μm的滤料采用泡点法测量其过滤精度。如表1所示：柔性滤料(PTFE或PPS)的泡点均比金属纤维毡低，对应的拦截颗粒尺寸远高于2μm。所以在实际使用中，在使用温度和过滤压力的双重作用下，布袋滤料的孔径会增大，势必会影响过滤精度，使得排放超标。而金属纤维滤料是经过高温烧结而成，纤维之间通过扩散焊接牢固，在一般过滤压力下不会出现类似于布袋排放不达标的问题，并且金属纤维滤料特有的高孔隙率，使得其透气性远高于其他两种材质。
表1不同材质滤料的性能对比
4.2 不同滤料过滤性能VDI测试
将金属纤维滤料和市场上常用的覆膜PTFE滤料进行过滤VDI性能对比测试，测试标准为《袋式除尘器技术要求》(GB／T 6719—2009)，测试粉尘为氧化铝标准粉尘，浓度为5g／m³，结果如表2所示。可以看出清洁状态下的金属纤维滤料(1μm)阻力只有38Pa，远低于覆膜滤料的初始阻力，并且初期过滤效率可达99.98％。当金属滤料发生老化后，其过滤效率和覆膜滤料基本一致，并且滤料阻力稳定在500Pa以下，与传统覆膜PTFE滤料相比，真正实现了“高效低阻”的过滤效果。
表2不同材质滤料的过滤-眭能对比
5.金属纤维滤料过滤机理及应用
5.1 金属纤维滤料过滤机理
目前随着超细纤维工艺技术的不断完善和突破，采用技术拉拔法制备的金属纤维丝径可达1μm，通过其制备的纤维毡的气一固过滤精度可达0.2μm。在滤料设计中，采用超细纤维作为金属纤维毡滤料的迎风面，结合采用丝径较粗的纤维作为支撑层，可以在滤料表面形成从小到大、梯度结构孔径的结构(见图2)，通过细纤维层阻挡大部分粉尘留在滤料表面，起到表面过滤作用，这样既不用完全依赖粉尘层的过滤作用，也不用使太多粉尘进入滤料深层，增加运行阻力，粗纤维层可以增强滤料强度，增加对气流的冲击抵抗力，减小压降，脉冲反吹清灰效果好，耗气量小，能耗降低。
图2金属纤维毡梯度结构
5.2 金属纤维滤袋应用情况
作为工业除尘器使用的金属纤维滤袋是将金属纤维滤料进行裁剪、卷圆、焊接而成，滤筒内部采用不锈钢骨架支撑，以增加其抗压强度。一般滤袋主要直径为中∅130mm、∅160mm，长度为1～8m不等。安装时袋口采用法兰、高温密封垫及压块进行密封。金属纤维滤袋及现场安装情况见图3。
图3金属纤维滤袋及现场安装
目前金属纤维滤袋已广泛应用在燃煤锅炉烟气除尘、贵金属回收、冶金行业除尘等高温领域。如公司在安徽某电厂将金属滤袋放置于脱硝工艺前段(350℃左右)，通过滤料表面拦截作用，减缓了烟气颗粒对后续脱硝催化剂磨损、堵塞问题，使得催化剂寿命大幅度提高。某些金属矿物在烧结冶炼过程中有部分贵重稀有金属需要回收，例如金属铼在温度高于350℃时呈气态，低于此温度将会和气体中的灰尘混在一起，难以分离。
公司采用金属纤维滤袋将含气态铼的高温气体进行过滤后再进行冷却，成功地实现了铼金属的回收。在钛白粉回转窑煅烧工序中，产生的高温烟气(温度在450℃左右)直接经过金属滤袋进行过滤，一方面有效防止产生环境污染，更重要的是过滤后的高温气体可以返回窑中再加热， 成功实现余热利用。以20000m³／h的高温烟气量为例，通过余热利用，每天可节约能源费用1万元以上。
公司于2017年5月在陕西某水泥厂干法水泥生产线窑头前进行高温除尘试验，采用高温引风机从主管道引出6000m³／h烟气，温度在280～320℃，通过金属纤维滤袋进行高温过滤。其中设计过滤风速为1～1.2m／min，采用定时清灰在线脉冲清灰，清灰压力为0.3～0.4MPa。设备初期运行阻力为350Pa左右。经过3个月不停歇运行后，采用称重法对除尘器进出口管道的粉尘浓度进行检测，进口浓度48.3g／Nm³，出口浓度为5.62mg／Nm³，除尘效率达99.98％，运行阻力维持在800～1000Pa。
6.总结
总之，布袋等传统滤料在260℃以上使用寿命不长，陶瓷、金属粉末滤料在过滤效率稳定性和耐高温性方面与传统滤料相比有优势，但问题是整体很脆，易断，过滤阻力较大、清灰效果差、运行维护成本高。金属纤维滤料独有的强韧性、耐高温性、防腐蚀性、易加工成型能力必将成为高温除尘滤料的材料，采用金属滤袋过滤后的排放指标完全满足国家超低排放标准要求。金属纤维滤料必将在高温烟气除尘行业中占有重要的地位，赢得广阔的市场。对其进行研究和开发，将为国家带来巨大的社会效益、经济效益和环保效益。
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