聚四氟乙烯耐腐蝕過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)特征及發(fā)展趨勢(shì)

徐玉康， 朱 尚， 靳向煜

(東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620)

聚四氟乙烯耐腐蝕過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)特征及發(fā)展趨勢(shì)

徐玉康， 朱 尚， 靳向煜

(東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620)

為考察工業(yè)對(duì)聚四氟乙烯(PTFE)濾材的需求量，綜述了PTFE耐腐蝕濾料在工業(yè)煙塵凈化領(lǐng)域的應(yīng)用特性、濾料的結(jié)構(gòu)及組分特征以及其在工業(yè)除塵領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)分析了“十三五”期間其在垃圾焚燒、煤電、鋼鐵和水泥行業(yè)除塵領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，根據(jù)PTFE濾料的組成結(jié)構(gòu)，分析了PTFE膜裂纖維、基布、縫紉線和微孔膜在未來(lái)5 a的需求規(guī)模。結(jié)果表明：至2020年末，垃圾焚燒、煤電、鋼鐵和水泥行業(yè)的煙塵過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)PTFE濾料的累計(jì)需求量分別為880、18 855.5、5 660和7 905 t，年復(fù)合增長(zhǎng)率均超過(guò)10%；PTFE濾料在“十三五”期間需求量的分析可為我國(guó)工業(yè)煙塵凈化材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供參考依據(jù)。

聚四氟乙烯； 耐腐蝕； 濾料； 工業(yè)煙塵

由于滯后的環(huán)保措施，高能耗為主的第二產(chǎn)業(yè)(工業(yè))高速發(fā)展，大量工業(yè)微細(xì)煙塵(主要來(lái)源于燃煤發(fā)電、鋼鐵和水泥行業(yè))被排放至空中而造成大氣污染。此外，隨垃圾焚燒工業(yè)的發(fā)展，城市生活垃圾焚燒產(chǎn)生的微細(xì)煙塵具有強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)氧化性、強(qiáng)酸性等特征并含有微量重金屬元素[1-2]，垃圾焚燒煙塵排放的有效控制需要高度關(guān)注。本文中工業(yè)微細(xì)煙塵是指來(lái)源于工業(yè)燃料的燃燒且空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于2.5 μm的塵粒，其能懸浮于空氣中且表面附有大量有機(jī)化學(xué)物質(zhì)(如氮氧化物、硫化物、鉻、鎳等)，并能通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入體內(nèi)而危害人類健康[3-4]。早期，工業(yè)煙塵過(guò)濾裝置大部分為靜電除塵系統(tǒng)，其煙塵排放濃度可降低至50 mg/m3。然而，“十二五”期間，國(guó)家制定一系列工業(yè)煙塵排放的新標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)要求垃圾焚燒、煤電、鋼鐵、水泥行業(yè)煙塵排放濃度的最大限值為30 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)為20 mg/m3，這對(duì)工業(yè)煙塵過(guò)濾系統(tǒng)提出更高的要求。傳統(tǒng)電除塵系統(tǒng)無(wú)法滿足煙塵排放新標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)煙塵凈化材料因具有較高的過(guò)濾效率(≥98%)、良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)而使其在工業(yè)煙塵過(guò)濾領(lǐng)域的使用量快速增加。目前，工業(yè)煙塵凈化系統(tǒng)類型主要有3種：電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)、袋除塵系統(tǒng)和電除塵系統(tǒng)，前2種除塵系統(tǒng)能有效凈化工業(yè)煙塵并使煙塵排放濃度降低至30 mg/m3，甚至20、10 mg/m3以下，而這一性能是傳統(tǒng)電除塵系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此，“十二五”期間，電-袋/袋除塵系統(tǒng)在工業(yè)煙塵過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用獲得快速發(fā)展，同時(shí)，2種除塵系統(tǒng)的核心部分：由濾料經(jīng)聚四氟乙烯(PTFE)縫合線縫合而成的濾袋，也獲得高速發(fā)展。

工業(yè)除塵濾料主要由針刺或水刺非織造材料、PTFE基布和PTFE微孔膜復(fù)合而成。其中，用于制備非織造材料的纖維原料主要有PTFE、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亞胺(P84)和玻璃纖維。然而，由于工業(yè)煙塵具有腐蝕性強(qiáng)、氧化性強(qiáng)、溫度高且不穩(wěn)定、含濕量高等特點(diǎn)[5-6]，PPS、P84和玻璃纖維濾料因氧化、水解等問(wèn)題而造成濾料失效、濾料使用壽命大大降低；PTFE纖維濾料因具有極好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、良好的自潤(rùn)滑性等優(yōu)異性能而成為制備工業(yè)煙塵濾料的理想原料。早期，PTFE(膜裂)纖維制備技術(shù)被國(guó)外壟斷，高效的耐腐蝕濾料完全依賴進(jìn)口的PTFE纖維，高昂的價(jià)格限制了PTFE纖維在工業(yè)煙塵過(guò)濾領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。2010年，PTFE纖維制備技術(shù)取得重大突破，我國(guó)PTFE膜裂纖維進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段，PTFE纖維在工業(yè)煙塵過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用獲得快速增長(zhǎng)。

“十二五”期間國(guó)家對(duì)垃圾焚燒、煤電、鋼鐵、水泥行業(yè)制定更嚴(yán)格的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)；“十三五”規(guī)劃指出未來(lái)5 a工作核心為改善環(huán)境質(zhì)量[7]，空氣污染治理將是環(huán)境改善的重要一環(huán)?；诠I(yè)煙塵排放新標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)除塵濾料的發(fā)展趨勢(shì)以及“十三五”規(guī)劃，本文分析垃圾焚燒、煤電、鋼鐵和水泥行業(yè)的煙塵凈化系統(tǒng)在“十三五”期間對(duì)PTFE濾料的需求量；同時(shí)，根據(jù)PTFE濾料的結(jié)構(gòu)特征，該研究對(duì)PTFE纖維、基布、縫合線和微孔膜的需求量也進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，為工業(yè)煙塵過(guò)濾材料的發(fā)展提供參考。

1 PTFE濾料在工業(yè)除塵領(lǐng)域應(yīng)用特性

工業(yè)煙塵溫度高、波動(dòng)大(50～250 ℃)且含大量微細(xì)塵粒、氮氧化物、硫化物以及微量重金屬等有害物質(zhì)；此外，部分煙塵含濕量高而加劇煙塵的腐蝕性，因此，排放前需對(duì)其進(jìn)行有效凈化。由于煙塵過(guò)濾環(huán)境復(fù)雜，濾料需具備耐腐蝕、耐高溫、 耐氧化、耐水解等性能。目前，工業(yè)濾料用纖維性能存在顯著差異。

PTFE纖維具有極好的耐腐蝕性能(不溶于任何常規(guī)溶劑)、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性(熔點(diǎn)為327 ℃，長(zhǎng)期工作溫度范圍-196～260 ℃)、良好的自潤(rùn)滑性和阻燃性(極限氧指數(shù)為95%)以及拒水性和氣候穩(wěn)定性等性能。PTFE濾料的使用壽命普遍超過(guò)3 a，是工業(yè)煙塵用濾料選材中綜合性能最佳的一種[8-14]。PPS纖維具有較好的耐高溫、耐酸堿、耐水解等性能，然而，較差的耐氧化性限制其工業(yè)煙塵過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用；而且，若煙塵溫度超過(guò)200 ℃，PPS濾料的機(jī)械力學(xué)性能大幅度降低而導(dǎo)致濾料失效。P84纖維具有極好的耐熱性、耐腐蝕性和耐水解性，然而，P84纖維價(jià)格昂貴且依賴進(jìn)口，短期內(nèi)無(wú)法在工業(yè)煙塵過(guò)濾領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。玻璃纖維具有較好的耐高溫、耐腐蝕且耐水解性能，但玻璃纖維較差的耐彎曲性和耐磨性導(dǎo)致其可加工性低。

PTFE纖維優(yōu)異的性能將成為制備工業(yè)煙塵過(guò)濾材料的首選原料。然而，由于比重大、梳理速度低，100%PTFE濾料的產(chǎn)量無(wú)法滿足工業(yè)煙塵凈化領(lǐng)域的需求。目前， PTFE濾料有2類：常規(guī)PTFE濾料和100%PTFE濾料。其中，常規(guī)PTFE濾料的非織造材料由PTFE纖維與其他纖維(如PPS、P84、玻璃纖維)混合后再經(jīng)針刺或水刺工藝加工而成，PTFE纖維所占質(zhì)量比約50%；100%PTFE濾料的非織造材料由PTFE纖維經(jīng)非織造工藝加工而成。常規(guī)PTFE濾料主要用于煤電和鋼鐵行業(yè)煙塵過(guò)濾的袋式除塵系統(tǒng)，100%PTFE濾料主要用于垃圾焚燒煙塵過(guò)濾的袋式除塵系統(tǒng)和煤電、鋼鐵、水泥煙塵凈化的電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)。

2 PTFE濾料結(jié)構(gòu)及組分特征

2.1 PTFE濾料復(fù)合結(jié)構(gòu)特征

PTFE濾料由針刺或水刺非織造材料、PTFE基布和PTFE微孔膜復(fù)合而成，圖1示出常規(guī)PTFE濾料截面和3種原材料(非織造材料、基布和微孔膜)的形態(tài)特征。PTFE纖維經(jīng)梳理而獲得的雙層纖維網(wǎng)與PTFE基布(見(jiàn)圖1(c))上下疊合、形成纖維網(wǎng)-基布-纖維網(wǎng)三明治結(jié)構(gòu)，再經(jīng)針刺或水刺加固后而形成具有高強(qiáng)度的初始PTFE濾料(見(jiàn)圖1(d))。初始PTFE濾料與PTFE微孔膜(見(jiàn)圖1(b)所示)經(jīng)熱黏合加工而獲得過(guò)濾效率高(≥98%)、力學(xué)性能好的PTFE濾料。目前我國(guó)有能力制備PTFE濾料原料的企業(yè)主要有上海市凌橋環(huán)保設(shè)備廠有限公司、上海靈氟隆新材料科技有限公司、常州中澳興誠(chéng)高分子材料有限公司、上海金由氟材料有限公司、蘇州耐德新材料科技有限公司、遼寧金氟龍環(huán)保新材料有限公司、浙江格爾泰斯環(huán)保特材有限公司等，這些企業(yè)制備的濾料及原料的總量約占全國(guó)工業(yè)煙塵凈化過(guò)濾材料使用量的七成。

圖1 PTFE濾料電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of PTFE filtration materials. (a) Cross section of PTFE; (b) Micro-pore membrane; (c) Bearing woven textile; (d) Nonwoven materials

2.2 原料對(duì)PTFE濾料性能的影響

根據(jù)濾料的結(jié)構(gòu)特征，100%PTFE濾料的原料有PTFE膜裂纖維、基布、縫合線和微孔膜。圖2示出常規(guī)PTFE膜裂纖維聚集狀態(tài)、表觀形態(tài)以及纖維直徑分布的特點(diǎn)。纖維表面含有較多的枝狀纖維(見(jiàn)圖2(a))、直徑分布廣(2～130 μm，見(jiàn)圖2(b))且表面含有較多溝槽(見(jiàn)圖2(c)、(d))，制備方法為機(jī)械膜裂法[14-20]，工藝流程為糊料制備、靜置、預(yù)成型、推壓成型、壓延、熱牽伸、裂膜成纖和卷繞。相較于常規(guī)圓形截面的聚合物纖維，扁平PTFE纖維間的接觸面積大、堆砌密度高、孔隙直徑小等特征能夠有效提高PTFE 濾料對(duì)粉塵顆粒的攔截和捕捉能力。此外，扁平PTFE纖維間存在不均勻分布的靜電場(chǎng)可進(jìn)一步提高非織造材料對(duì)亞微米顆粒的捕捉能力[21]。

圖2 PTFE短纖維表觀形貌及直徑分布Fig.2 SEM image and diameter distribution of PTFE. (a) PTFE fibers; (b) Diameter distribution; (c) SEM image of morphology of fiber; (d) Magnified morphology of limited part on fiber

PTFE扁平長(zhǎng)絲和圓形長(zhǎng)絲的表觀形態(tài)及寬度(扁平長(zhǎng)絲)/直徑(圓形長(zhǎng)絲)分布特點(diǎn)分別如圖3、4所示。PTFE扁平長(zhǎng)絲由壓延膜經(jīng)裂割和熱牽伸加工而獲得。壓延膜經(jīng)梳狀刀片切割后形成20～40根初生扁平長(zhǎng)絲，再經(jīng)熱牽伸制成PTFE扁平長(zhǎng)絲[22-23]。PTFE扁平長(zhǎng)絲編織成的基布可有效改善濾料的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性，延長(zhǎng)濾料的使用壽命。同時(shí)，由于存在原纖(見(jiàn)圖3(b))，PTFE扁平長(zhǎng)絲內(nèi)部包含大量的亞微米孔隙，這些微孔可改善PTFE濾料的過(guò)濾性能和氣體穿透性能。PTFE圓形長(zhǎng)絲可通過(guò)糊料擠出法制備獲得[24-26]。PTFE糊料經(jīng)預(yù)成型裝置獲得的預(yù)成型體再經(jīng)擠壓后形成直徑為1.5 mm的初生PTFE圓形長(zhǎng)絲，再對(duì)初生長(zhǎng)絲進(jìn)行熱牽伸可獲得目標(biāo)直徑的PTFE圓形長(zhǎng)絲，該長(zhǎng)絲表面光滑且無(wú)孔隙。PTFE圓形長(zhǎng)絲直徑較大(約200 μm)，不適合用于制備非織造材料。由于直徑分布較均勻(見(jiàn)圖4(c))，2～4根圓形長(zhǎng)絲合股加捻而成的PTFE縫合線具有較好的條干均勻性，可避免濾料因縫合線條干不勻而導(dǎo)致縫合接口處的粉塵泄漏，保證PTFE濾料的過(guò)濾效率。PTFE微孔膜的厚度約10 μm、平均孔徑約0.5 μm，常規(guī)PTFE微孔膜表觀形態(tài)如圖1(b)所示，其由壓延膜經(jīng)雙向拉伸而成[27-28]。PTFE微孔膜可有效攔截工業(yè)煙塵中的亞微米顆粒，是PTFE濾料的核心材料。

圖3 PTFE扁平長(zhǎng)絲表觀形貌及寬度分布Fig.3 SEM image of flat filament and width distribution of PTFE. (a) SEM image of PTFE flat filament; (b) Magnified morphology of limited part on flat filament; (c) Width distribution

圖4 PTFE圓形長(zhǎng)絲表觀形貌及直徑分布Fig.4 SEM image of round filament and diameter distributions of PTFE. (a) SEM image of round filament; (b) Magnified morphology of limited part on round filament; (c) Diameter distributions

3 工業(yè)除塵對(duì)PTFE濾料的需求

“十二五”計(jì)劃末，垃圾焚燒、煤電、鋼鐵、水泥行業(yè)煙塵凈化系統(tǒng)類型有3種：電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)、袋除塵系統(tǒng)和電除塵系統(tǒng)。電除塵系統(tǒng)利用高壓靜電使工業(yè)微細(xì)塵粒改變運(yùn)動(dòng)軌跡而捕獲塵粒、實(shí)現(xiàn)對(duì)煙塵的有效過(guò)濾，使粉塵含量降低至50 mg/m3；該過(guò)濾系統(tǒng)是工業(yè)煙塵凈化領(lǐng)域早期采用的凈化系統(tǒng)且在現(xiàn)有工業(yè)煙塵過(guò)濾領(lǐng)域仍占有一定的比例。袋除塵系統(tǒng)依靠核心材料(濾料)內(nèi)緊密且隨機(jī)排列的纖維攔截和捕獲細(xì)微塵粒，尤其是對(duì)工業(yè)煙塵中的PM2.5塵粒具有較高的捕捉能力。電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)先用高壓靜電過(guò)濾直徑較大的顆粒、再用袋式除塵系統(tǒng)攔截和捕獲已過(guò)濾煙塵中直徑較小的顆粒，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)煙塵的高效過(guò)濾。電-袋/袋除塵系統(tǒng)都可使工業(yè)煙塵中的固體顆粒物排放濃度降低至20 mg/m3，甚至10 mg/m3[29]。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2015年末，袋除塵系統(tǒng)及電-袋除塵系統(tǒng)在垃圾焚燒、煤電、鋼鐵、水泥行業(yè)應(yīng)用的比例分別為85%、40%、95%和90%，總過(guò)濾面積超過(guò)2億m2[30-32]。然而，由于PTFE纖維工業(yè)化生產(chǎn)比較晚，PTFE濾料在工業(yè)煙塵過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模比較小(15%～25%)?！笆濉逼陂g，隨著纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展，PTFE纖維價(jià)格已由早期30～50萬(wàn)元/t降至7～10萬(wàn)元/t，價(jià)格優(yōu)勢(shì)促使PTFE濾料在工業(yè)除塵領(lǐng)域的使用量快速增長(zhǎng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至2015年底，中國(guó)PTFE纖維、基布、縫合線和微孔膜的產(chǎn)量分別為4 500～5 000、1 800～2 300、400 t和2×107～2.5×107m2。

基于工業(yè)除塵系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，“十三五”期間，我國(guó)垃圾焚燒、煤電、鋼鐵、水泥行業(yè)對(duì)PTFE濾料的合理需求量可通過(guò)工程實(shí)例推知。根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)例，PTFE濾料的面密度范圍是500～700 g/m2，本文選取面密度600 g/m2的濾料作為需求量分析的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。其中，PTFE基布的面密度為120 g/m2；濾料與煙塵接觸面均覆有一層PTFE微孔膜；濾袋縫合工藝中，PTFE縫合線用量與濾料面積的定量比例為17.0 g/m2。在電-袋除塵系統(tǒng)中，高壓靜電可使氧氣轉(zhuǎn)化為氧化性極強(qiáng)的臭氧，強(qiáng)氧化性的煙塵易使PPS濾料失效，因此，“十三五”期間，電-袋除塵系統(tǒng)中需配置100%PTFE濾料。此外，由于極強(qiáng)的腐蝕性和強(qiáng)酸性，垃圾焚燒煙塵凈化系統(tǒng)采用100%PTFE濾料。常規(guī)PTFE濾料(PTFE纖維質(zhì)量比為50%)用于煤電和鋼鐵行業(yè)煙塵凈化的袋除塵系統(tǒng)。

3.1 垃圾焚燒行業(yè)

社會(huì)高速發(fā)展加快城市化建設(shè)的進(jìn)程，城市生活垃圾(在城市日常生活中或者為城市日常生活提供服務(wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的固體廢物以及法律法規(guī)規(guī)定視為城市生活垃圾的固體廢物[33])量也隨之不斷增加。統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)城市生活垃圾的年均增長(zhǎng)率約9%[34]。垃圾清潔化處理成為我國(guó)目前的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。目前，我國(guó)城市生活垃圾的處理方法主要為填埋和焚燒。垃圾填埋因易引發(fā)一系列潛在危害而逐漸被淘汰[34]。垃圾焚燒已在發(fā)達(dá)國(guó)家被廣泛應(yīng)用[33]，焚燒產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電，高度符合垃圾處理的“三化”原則，因此，焚燒將逐漸成為我國(guó)垃圾處理的主流方法[35-37]。城市生活垃圾大部分為有機(jī)物，其含有大量的碳、氫、氧、氮、硫等元素。垃圾焚燒過(guò)程中，這些元素與氧氣發(fā)生反應(yīng)而形成氧化物和少量氫化物，從而加劇垃圾焚燒煙塵的腐蝕性。此外，垃圾焚燒煙塵還具有溫度穩(wěn)定性差(140～240 ℃)、濕度高等特點(diǎn)而進(jìn)一步增強(qiáng)煙塵的腐蝕性[38]，因此，嚴(yán)格控制垃圾焚燒煙塵排放濃度是改善大氣污染的重要部分，100%PTFE濾料具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐酸性和良好的熱穩(wěn)定性，是垃圾焚燒煙塵過(guò)濾的理想材料。

2001年國(guó)家制定的垃圾焚燒排放標(biāo)準(zhǔn)GB 18485—2001《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》明確規(guī)定：垃圾焚燒爐的除塵系統(tǒng)須采用袋式除塵系統(tǒng)，顆粒物排放濃度的限值為80 mg/m3。2014年國(guó)家將生活垃圾焚燒煙塵的顆粒物排放濃度限值降低至20 mg/m3。參照GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)將推動(dòng)100%PTFE濾料在垃圾焚燒煙塵凈化領(lǐng)域用量的進(jìn)一步增長(zhǎng)。

2012年，我國(guó)已建成的垃圾焚燒電廠有138座，日處理能力可達(dá)12.3萬(wàn)t，全年焚燒量占全年處理垃圾總量的21.0%?！笆濉蹦?，焚燒消耗的垃圾量占全國(guó)生活垃圾總量40%左右，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比(70%)，還有較大差距[39]。

在國(guó)家政策的激勵(lì)下[40]，2010—2014年，垃圾焚燒電廠數(shù)量由70座增加至180座；至2015年底，投產(chǎn)和在建的垃圾焚燒電廠超過(guò)300座，年增長(zhǎng)率超過(guò)20%，因此，“十三五”期間，城市生活垃圾焚燒產(chǎn)業(yè)將獲得快速發(fā)展。

數(shù)據(jù)顯示，2015年和2020年我國(guó)城市生活垃圾產(chǎn)量達(dá)1.79億t和2.1億t[41]?；诶贌姀S實(shí)際處理規(guī)模[42]，本文以垃圾日均焚燒量800 t(濾料過(guò)濾面積的需求量為4 200 m2)作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)2020年我國(guó)生活垃圾焚燒電廠煙塵過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)PTFE耐腐蝕濾料的需求量。

2015年，我國(guó)城市生活垃圾總量約1.79億t，其中垃圾焚燒的消耗量約為0.716億t，在其煙塵凈化系統(tǒng)中，100%PTFE濾料的使用量約750 t。根據(jù)濾料中組分的比例，PTFE纖維、基布、縫合線和微孔膜的使用量分別為600、150、21 t和1.25×106m2，如表1所示。資料顯示，2020年全國(guó)垃圾焚燒廠的數(shù)量可達(dá)600～700座[39]，年均增加約70座，因此，“十三五”，若城市生活垃圾全部采用焚燒處理， 我國(guó)垃圾焚燒煙塵過(guò)濾領(lǐng)域?qū)?00%PTFE纖維濾料的需求量為176 t，如表2所示。根據(jù)濾料復(fù)合結(jié)構(gòu)可知，我國(guó)垃圾焚燒行業(yè)對(duì)PTFE短纖維、基布、縫合線和微孔膜的年均需求量分別為141、35、5 t和2.94×105m2，因此，“十三五”期間，垃圾焚燒煙塵過(guò)濾領(lǐng)域?qū)?00%PTFE濾料的累計(jì)需求量為880 t；對(duì)PTFE纖維、基布、縫合線和微孔膜的累計(jì)需求量分別為705、175、25 t和1.47×106m2，如表3所示。

表1 2015年P(guān)TFE濾料及產(chǎn)品在工業(yè)除塵領(lǐng)域的占有量

表2 “十三五”期間PTFE濾料及產(chǎn)品在工業(yè)除塵領(lǐng)域的年均需求量

表3 “十三五”期間PTFE濾料及產(chǎn)品在工業(yè)除塵領(lǐng)域的累計(jì)需求量

3.2 煤電行業(yè)

燃煤電廠煙塵主要含二氧化硅和微細(xì)塵粒[43]，同時(shí)帶有少量的微量元素[44]。煙塵中的微細(xì)塵粒與二氧化硅、微量元素等氣溶膠結(jié)合而形成腐蝕性更強(qiáng)的煙塵。在政策和社會(huì)關(guān)注的驅(qū)動(dòng)下[45]，燃煤電廠對(duì)排放未達(dá)標(biāo)的電除塵系統(tǒng)提效技改工程將會(huì)提速發(fā)展[46]。在燃煤電廠電除塵系統(tǒng)的提效技改工程中，電場(chǎng)裝置與過(guò)濾效率高且經(jīng)濟(jì)的濾料復(fù)合的電-袋除塵系統(tǒng)成為電除塵系統(tǒng)的理想替代物。100%PTFE濾料過(guò)濾效率高且耐腐蝕性好，其在煤電除塵領(lǐng)域已具有較廣泛的應(yīng)用[32,47-48]。

2013年末，燃煤電廠除塵系統(tǒng)包含3個(gè)部分：電除塵系統(tǒng)、袋除塵系統(tǒng)和電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)，其占全國(guó)機(jī)組容量的比例分別為79.9%、8.8%和11.3%[47]。然而，至2015年底時(shí)，電除塵系統(tǒng)的比例由79.9%降至60%[32]。由此可知，袋除塵系統(tǒng)和電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)在煤電煙塵過(guò)濾領(lǐng)域增長(zhǎng)速度快且仍具有較大的增長(zhǎng)空間。資料顯示[49]，2015年我國(guó)燃煤電廠機(jī)組容量約9×105MW。根據(jù)除塵系統(tǒng)改造實(shí)際工程，215、320和600 MW機(jī)組配置的電-袋除塵系統(tǒng)的正常處理風(fēng)量分別約為1.5×106、2×106和4×106m3/h[50-52]。近幾年，火電行業(yè)雖有800、1000 MW等大機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，但我國(guó)煤電機(jī)組主要集中在300 MW左右。本文以320 MW 機(jī)組容量(相應(yīng)濾料使用量為37 063 m2)為基數(shù)，預(yù)測(cè)2020年燃煤電廠行業(yè)對(duì)PTFE濾料的需求量。

2015年底，若袋除塵系統(tǒng)和電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)在燃煤電廠除塵領(lǐng)域所占的比例分別為10%和30%，濾料在煤電行業(yè)的使用量約為25 018 t，PTFE微孔膜的使用量約4.19×107m2、PTFE縫合線的用量為712 t；其中，含PTFE纖維的濾料的使用量約5 028 t(約20%)，且其在袋除塵系統(tǒng)和電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)中的使用量分別為1 251和3 753 t。基于濾料復(fù)合結(jié)構(gòu)特征，“十二五”末，煤電煙塵凈化系統(tǒng)中，袋除塵系統(tǒng)消耗PTFE纖維和基布分別為629和251 t；電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)消耗PTFE纖維和基布分別為3 017和754 t?！笆濉逼陂g，若袋除塵系統(tǒng)和電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)在煤電煙塵過(guò)濾領(lǐng)域的增長(zhǎng)率與目前的增長(zhǎng)速度(15%)相同，在煤電除塵領(lǐng)域，袋除塵系統(tǒng)和電-袋復(fù)合除塵對(duì)含PTFE纖維的濾料的年均需求量分別為943和2 828 t，對(duì)PTFE微孔膜的需求量為6.29×106m2、PTFE縫合線的年均需求量為107 t。根據(jù)濾料中纖維和基布的質(zhì)量比關(guān)系可知，PTFE短纖維和基布在袋除塵系統(tǒng)與電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)中的年均需求量分別為472和189、2 262和566 t(見(jiàn)表2)，因此，“十三五”期間，煤電煙塵過(guò)濾領(lǐng)域?qū)ΤＲ?guī)PTFE濾料和100%PTFE濾料的累計(jì)需求量分別為4 715和14 140 t，同理，對(duì)PTFE纖維、基布、縫合線和微孔膜的累計(jì)需求量分別為13 670、3 775、535 t和3.145×107m2(見(jiàn)表3)。

3.3 鋼鐵行業(yè)

鋼鐵行業(yè)是工業(yè)煙塵主要來(lái)源之一，其煙塵量占工業(yè)煙塵總量的40%。為滿足新標(biāo)準(zhǔn)粉塵含量排放的要求，過(guò)濾效率高的袋除塵系統(tǒng)在鋼鐵煙塵過(guò)濾領(lǐng)域得到快速發(fā)展，其在整個(gè)鋼鐵行業(yè)的占有率達(dá)95%[53-54]。傳統(tǒng)電除塵系統(tǒng)由于無(wú)法滿足國(guó)家煙塵排放的新限值，其在鋼鐵除塵領(lǐng)域的占有率大幅度下降，僅占約5%。

資料[55-56]顯示，2015年中國(guó)粗鋼和生鐵的總量分別為9.1億t和7.3億t。我國(guó)雖已建成3 200、4 500以及大于等于5 000 m3等大容積高爐，但目前鋼鐵高爐容積主要集中于1 000～2 000 m3。結(jié)合全國(guó)鋼鐵產(chǎn)能，本文選取2 500 m3容積高爐作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)鋼鐵除塵系統(tǒng)實(shí)際改造工程可知，2 500 m3鋼鐵熔爐產(chǎn)能為200萬(wàn)t/a，煙塵凈化需配置14 328 m2濾料?；谥袊?guó)鋼鐵產(chǎn)量和高爐配置，2015年鋼鐵行業(yè)需配置的濾料總面積約1.11×107m2，相應(yīng)的濾料使用量為6 276 t、PTFE微孔膜的使用量為1.110×107m2、PTFE縫合線的使用量為189 t；其中，常規(guī)PTFE濾料的規(guī)模約1 332 t。根據(jù)濾料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，PTFE纖維和基布的使用量為1 066和266 t(見(jiàn)表1)。

在袋除塵系統(tǒng)中，其核心部件(濾料)的使用壽命約1.5～3 a，不同的燃煤品質(zhì)及工況條件使煙塵的理化性質(zhì)差異性大、對(duì)耐高溫濾料的損毀程度也不同，因此，根據(jù)燃煤品質(zhì)和工況條件，袋除塵系統(tǒng)內(nèi)的耐高溫濾料需定期更換，PTFE濾料在鋼鐵煙塵凈化領(lǐng)域的需求量將快速增加?！笆濉逼陂g，若采用常規(guī)PTFE濾料替換袋除塵系統(tǒng)中配置的耐高溫濾料且更換濾料的比例為17%，鋼鐵除塵系統(tǒng)對(duì)常規(guī)PTFE濾料的年均需求量為1 132 t、累計(jì)需求量為5 660 t。其中，PTFE纖維、基布、縫合線和微孔膜年均需求量分別為566、226、32 t和1.89×106m2，累計(jì)需求量分別為2 830、1 130 t、160 t和9.45×106m2(見(jiàn)表2、3)。

3.4 水泥行業(yè)

水泥煙塵的特點(diǎn)：溫度高且變化范圍大(60～260 ℃)、濕度高、微細(xì)塵粒濃度高、含重金屬等有害元素。早期，水泥粉塵過(guò)濾采用電除塵系統(tǒng)、粉塵排放濃度為50 mg/m3。然而，隨著新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，水泥行業(yè)煙塵的顆粒物濃度排放限值由100 mg/m3降低至30 mg/m3，電除塵系統(tǒng)無(wú)法滿足新排放標(biāo)準(zhǔn)，電除塵系統(tǒng)面臨提效技改。利用靜電發(fā)生裝置和殼體，電除塵系統(tǒng)與袋除塵系統(tǒng)復(fù)合而成的電-袋除塵系統(tǒng)可有效降低顆粒物排放濃度，且長(zhǎng)期使用經(jīng)濟(jì)效益顯著，此為水泥行業(yè)電-袋復(fù)合除塵系統(tǒng)得以迅速發(fā)展的原因[29]。至2014年末，電-袋式除塵系統(tǒng)在水泥行業(yè)的使用率超過(guò)80%[30]。

我國(guó)雖有最大產(chǎn)能可達(dá)12 000 t/d的水泥生產(chǎn)線，但單條生產(chǎn)線的產(chǎn)能均值約4 500 t/d。2015年，我國(guó)水泥總產(chǎn)量為23.5億t[43]，全國(guó)日均總產(chǎn)能7.83×106t/d。根據(jù)除塵系統(tǒng)改造工程實(shí)例[29]可知，若將產(chǎn)能4 500 t/d單條水泥生產(chǎn)線的電除塵系統(tǒng)改為電-袋除塵系統(tǒng)，濾料的需求量為9 888 m2?；谠摳脑旃こ讨袨V料的用量規(guī)格，2015年底，若水泥煙塵凈化系統(tǒng)的提效技改工程已完成90%，濾料、PTFE微孔膜和PTFE縫合線在水泥除塵領(lǐng)域的使用量分別為10 327 t、1.55×107m2和264 t；其中，100%PTFE濾料的使用量約1 860 t(見(jiàn)表1)。結(jié)合濾料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，“十二五”末，PTFE纖維和基布的使用量分別為1 488 t和372 t?！笆濉逼陂g，在水泥粉塵凈化系統(tǒng)中，電-袋除塵系統(tǒng)中配置的濾料每年需更換的比例約17%且全部更換為100%PTFE濾料，因此，水泥除塵領(lǐng)域?qū)?00% PTFE濾料的年均需求量約1 581 t、累積需求量為7 905 t；PTFE微孔膜和縫合線的年均需求量約2.11×106m2和50 t，累計(jì)需求量約1.055×107m2和180 t。相應(yīng)地，PTFE纖維和基布的年均需求量為1 265和316 t、累積需求量為6 325和1 580 t。然而，隨著電除塵系統(tǒng)提效技改工程的進(jìn)一步推進(jìn)，100%PTFE纖維濾料在水泥粉塵過(guò)濾領(lǐng)域的需求量將會(huì)進(jìn)一步增加。

4 結(jié) 論

由于極好的耐腐蝕性、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和良好的力學(xué)性能，PTFE濾料在工業(yè)煙塵凈化領(lǐng)域的使用量快速增加，尤其是在垃圾焚燒、煤電、鋼鐵和水泥行業(yè)?；诠I(yè)煙塵排放濃度的低限值和“十三五”規(guī)劃，結(jié)合PTFE濾料在“十二五”期間的發(fā)展趨勢(shì)，本文合理分析垃圾焚燒、煤電、鋼鐵和水泥行業(yè)煙塵過(guò)濾領(lǐng)域在“十三五”期間對(duì)PTFE濾料的需求量。同時(shí)，根據(jù)PTFE濾料的結(jié)構(gòu)特征，研究進(jìn)一步分析了PTFE纖維、基布、縫紉線和微孔膜的需求量。研究數(shù)據(jù)顯示，在2016—2020年，垃圾焚燒、煤電、鋼鐵和水泥除塵系統(tǒng)對(duì)PTFE濾料需求量的年復(fù)合增長(zhǎng)率均超過(guò)10%，有的行業(yè)甚至超過(guò)20%(如垃圾焚燒)。此外，隨著行業(yè)發(fā)展以及煙塵過(guò)濾系統(tǒng)的升級(jí)，“十三五”期間，工業(yè)煙塵凈化領(lǐng)域?qū)TFE濾料的需求量將會(huì)進(jìn)一步增加。

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Structure and development of polytetrafluoroethylene anti-corrosion filtration materials

XU Yukang， ZHU Shang， JIN Xiangyu

(EngineeringResearchCenterofTechnicalTextiles,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to study the market industrial demand for polytetrafluoroethylene (PTFE) filter material, the main aspects (application in the field of filtration of industrial flue dust, structure and component of filters, and development in the purifying industry dust field) of polytetrafluoroethy-lene anti-corrosion filtration materials are reviewed. More importantly, the development of PTFE filters applied in the four main industrial fields (namely, waste incineration, coal-fired power plants, steel and cement) in the time period between 2016 and 2020 is analyzed. Additionally, on the basis of the structural characteristics of anti-corrosion filters, demands of PTFE split-film fiber, bearing cloth, sewing and micro-pore membrane are also predicted reasonably. The analysis indicates that the cumulative demands of PTFE filter materials of the purification system in the four main industrial fields will be 880, 18 855.5, 5 660 and 7 905 tons, respectively, implying that the increase ratio is over 10%. Analysis of demands of PTFE filter materials in next five years could provide the industry-purification system with a significant reference.

polytetrafluoroethylene; anti-corrosive; filter material; industrial dust

10.13475/j.fzxb.20160603911

2016-06-15

2017-02-17

上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(滬CXY-2014-025)；國(guó)家博士研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CUSF-DH-D-2015012)

徐玉康(1989—)，男，博士生。研究方向?yàn)楦咝Ь鬯姆蚁┠透g過(guò)濾材料。靳向煜，通信作者，E-mail：jinxy@ dhu.edu.cn。

TS 151

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