水泥行業(yè)用超低排放過濾材料性能評價與研究

費傳軍，尹奕玲，張振，徐濤，郭曉蓓

（南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司，江蘇 南京211112）

0 引言

當(dāng)前水泥行業(yè)施行的是GB 4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物三項污染物排放限值分別為30 mg/m3、200 mg/m3、400 mg/m3， 重 點 區(qū) 域 限 值20 mg/m3、100 mg/m3、320 mg/m3。但是，2018 年以來，“超低排放”概念植入水泥行業(yè)， 國內(nèi)多省市相繼出臺水泥工業(yè)大氣污染物特別排放值實施計劃， 部分嚴苛地區(qū)要求顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10 mg/m3、30 mg/m3、50 mg/m3， 相較于現(xiàn)行標準，排放值嚴格程度大幅提高。

水泥工業(yè)對大氣產(chǎn)生影響的主要污染源是粉塵和廢氣， 粉塵主要是由于水泥生產(chǎn)過程中原料、燃料和水泥成品儲運，物料的破碎、烘干、粉磨、煅燒等工序產(chǎn)生的廢氣排放或外逸而引起的，其中原料粉磨及煅燒發(fā)生的粉塵排放最為嚴重，約占水泥廠粉塵總排放量的70% 以上， 排放的粉塵粒徑分布見表1[1]。

表1 水泥窯粉塵種類及粒徑分布

針對水泥行業(yè)顆粒物排放控制，現(xiàn)有的主要除塵技術(shù)包括電除塵、 袋除塵以及電袋復(fù)合除塵三種。電除塵的除塵性能受粉塵性質(zhì)影響較大，對細顆粒過濾效率不高且會產(chǎn)生無組織排放。袋除塵是采用柔性介質(zhì)作為核心過濾材料實現(xiàn)對顆粒捕集的技術(shù)。袋除塵效率在99%以上，即使對超細粒子仍能保持較高效率。電袋復(fù)合除塵結(jié)合了前兩者技術(shù)，但微細粉塵的過濾必須依靠袋除塵才可達到嚴格的排放標準。袋除塵作為處理微細煙塵的首選技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水泥行業(yè)，占比達90%，是滿足逐漸升級的環(huán)境排放標準的主流技術(shù)。三種除塵技術(shù)的比較見表2[2]。

表2 三種除塵技術(shù)比較

袋除塵的核心是過濾材料（以下簡稱濾料），濾料本身是否能達到攔截性能高、清灰性能好的目標是除塵器能否實現(xiàn)高效低阻運行的關(guān)鍵因素[3]。水泥工業(yè)用濾料的選擇必須根據(jù)工況的需求來定。對常用的濾料進行研究， 探尋每種濾料的優(yōu)劣勢，可為今后水泥行業(yè)用超低排放過濾材料的研究及開發(fā)明確方向[4]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

如表3 所示，為水泥行業(yè)常用的過濾材料。

表3 過濾材料

圖1 測試裝置結(jié)構(gòu)

1.2 試驗裝置和方法

動態(tài)過濾效率測試裝置如圖1 所示。儀器型號FilTEqGmbH， 用來測試發(fā)塵條件下實驗用濾料隨過濾時間增加在運行時的動態(tài)阻力、殘余阻力值和動態(tài)過濾效率。

該裝置是濾料動態(tài)過濾測試系統(tǒng)根據(jù)VDI 3926 標準比較不同可脈沖清潔的濾料特征； 測試過程分為清潔、老化、穩(wěn)定、測量四個階段，通過該四個階段的運行結(jié)果了解濾料在實際除塵項目中的表現(xiàn)。

（1）濾料清潔階段：即初始性能測試階段，30 次定壓清灰，脈沖噴吹條件為濾料壓降達到1 000 Pa；

（2）濾料老化階段：即調(diào)試階段，10 000 次定時清灰，脈沖噴吹條件為時間間隔5 s；

（3）濾料穩(wěn)定階段：即恢復(fù)階段，10 次定壓清灰，脈沖噴吹條件為濾料壓降達到1 000 Pa；

（4） 濾料測量階段： 即正式性能測試階段，30次或7 300 s 雙條件限制定壓清灰，脈沖噴吹條件為濾料壓降達到1 000 Pa。

1.3 試驗條件和要求

動態(tài)過濾系統(tǒng)測試條件見表4。

動態(tài)過濾系統(tǒng)測試步驟：

（1）記錄環(huán)境溫度、大氣壓力，控制相對濕度＜50%；

（2）等待泵流量達到設(shè)定值，記錄濾料的初始壓差，設(shè)定清灰阻力為1 000 Pa；

（3）讓粉塵在一定的溫度范圍內(nèi)干燥3 個小時以上；

（4）將粉塵裝入發(fā)塵器中，達到測試條件中要求的發(fā)塵濃度并記錄；

（5）將裁剪后的試樣固定在試樣夾上，將試樣和夾具一起稱量；

（6）稱量絕對濾料，記為n1，并裝入采樣部分；

（7）開動真空泵，進行測試，電腦自動記錄整個測試中的瞬時阻力值；

（8）取出濾料夾具并稱量，得出受檢濾料捕集粉塵量；

（9）取出絕對濾料并稱重，記為n2，利用質(zhì)量法求得出口粉塵濃度C0，計算公式：

表4 動態(tài)過濾系統(tǒng)測試條件

式中，Q—氣體流量，m3/h；t—發(fā)塵時間，h；

（10) 自動記錄殘余阻力值，記錄發(fā)塵時間t。

2 結(jié)果與分析

2.1 濾料過濾性能分析

2.1.1 濾料的清灰性能

圖2 為清潔期清灰周期隨噴吹次數(shù)的變化曲線，五種濾料的清灰周期都是向下遞減的，因為每次噴吹后，濾料內(nèi)部都會殘留粉塵，經(jīng)過30 次噴吹，殘余的粉塵量逐漸增多，殘余阻力也是遞增的，所以達到清灰阻力的時間越來越短。平均清灰周期規(guī)律為：4＜1＜3＜5＜2， 其中3 種覆膜濾料每次噴吹的時間相當(dāng)，說明濾料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、過濾性能較好。特別對于玻纖濾料來說，清灰頻率影響使用壽命，在相同的使用期限內(nèi)，噴吹周期長，說明清灰頻率低，清灰次數(shù)少，可以延長玻纖濾料的使用壽命。

圖3 為測量期清灰周期隨噴吹次數(shù)的變化曲線，平均清灰周期規(guī)律為：4＜1＜3＜2＜5。結(jié)合圖2 和圖3 來看，覆膜類濾料（樣品1、2、5）在老化期過后，清灰周期都略有下降，但整個過程十分平緩，說明其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，過濾性能穩(wěn)定。測量期時，樣品1 的清灰周期約為350 s， 樣品2 和5 的清灰周期約為600 s，樣品1 的清灰周期更低，清灰頻率更高，而對于玻纖濾料（樣品1）來說，耐折性能比針刺氈差，清灰頻率高對使用壽命影響較大，因此清灰周期短對玻纖覆膜濾料的使用壽命不利。對于非覆膜濾料（樣品3、4），老化期過后的測量期仍然表現(xiàn)出清灰周期隨噴吹次數(shù)明顯下將，說明主要起到過濾作用的粉餅層并非穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)， 在使用過程中，清灰周期衰減得更快，阻力上升得更快，導(dǎo)致非覆膜濾料的使用壽命相較于其他產(chǎn)品會更短。

圖2 清潔期清灰周期隨噴吹次數(shù)的變化曲線

2.1.2 濾料的動態(tài)過濾效率

在濾料清潔階段和濾料測量階段測試粉塵排放濃度，同時計算出濾料的過濾效率，得出相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

圖3 測量期清灰周期隨噴吹次數(shù)的變化曲線

由表5 可以看出，覆膜濾料的過濾效率大于非覆膜濾料，且覆膜濾料在清潔階段和測量階段的過濾效率變化不大，說明覆膜濾料為表面過濾，主要起到過濾效率的是PTFE 薄膜。非覆膜濾料為一個深層過濾，存在粉餅層形成（過濾時）—破壞（清灰時）—再形成（過濾時）的動態(tài)過程，粉餅層形成后起到主要的過濾作用。

其次，覆膜玻纖布的過濾效率比覆膜針刺氈類濾料低。玻纖覆膜布的過濾效果取決于膜的性能和覆膜效果， 想要提高玻纖覆膜布的整體過濾效果，提升PTFE 膜性能和控制覆膜過程是關(guān)鍵。

針刺氈類濾料是非織造濾料，它是在基布基礎(chǔ)上，用針刺方式對高度蓬松的纖維網(wǎng)進行加工，并經(jīng)過復(fù)雜的工藝過程使纖維成三維結(jié)構(gòu)， 這種立體交錯的結(jié)構(gòu)有利于粉塵層的形成。因此樣品2、5過濾效率最高。

2.1.3 濾料的孔徑分布及微觀結(jié)構(gòu)

濾料的基本性能參數(shù)及孔徑見表6。

表5 濾料過濾效率對比表

表6 濾料的基本性能參數(shù)及孔徑

覆膜濾料的平均孔徑比非覆膜濾料小， 這和覆膜濾料的過濾效率高于非覆膜濾料的結(jié)果是相吻合的。但是覆膜濾料的平均孔徑和最大孔徑相差較大，非覆膜濾料的孔徑分布更為均勻。因此，根據(jù)粉塵顆粒的分布和排放要求， 選擇合適的過濾材料，有利于提高過濾效率。

為了研究覆膜濾料的平均孔徑和最大孔徑相差較大的原因，以芳綸針刺氈和覆膜芳綸針刺氈為例，進行了SEM 表面形貌的分析（圖4），發(fā)現(xiàn)覆膜后的化纖針刺氈會存在纖維裸漏在膜表面的現(xiàn)象， 膜表面被纖維穿透導(dǎo)致了孔徑的大幅增加。因此，化纖針刺氈的表面燒毛和熱壓覆膜過程控制尤為重要，適當(dāng)減少表面絨毛、選擇合適的熱壓復(fù)合參數(shù)，對覆膜濾料過濾性能的進一步提升會有所幫助。

圖4 芳綸針刺氈和覆膜芳綸針刺氈的表面SEM 圖譜

3 結(jié)論

（1）覆膜濾料的清灰周期隨噴吹次數(shù)增加變化平緩，而非覆膜濾料的清灰周期下降明顯，因此在相同的時間內(nèi)，非覆膜濾料清灰頻率更高，壽命衰減更快。

（2） 覆膜濾料的過濾效率普遍大于非覆膜濾料，因此針對水泥行業(yè)超低排放要求，覆膜濾料是首選。

（3）覆膜濾料的平均孔徑更小，但是非覆膜濾料的孔徑分布更為均勻，因此根據(jù)水泥行業(yè)不同部位粉塵顆粒的分布和排放要求，選擇合適的過濾材料，有利于提高過濾效率。