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电袋复合除尘器滤料技术的发展及应用
点击次数:504 发布时间:2017-09-19

介绍了燃煤锅炉电袋复合除尘器滤料技术的发展演变过程。2010年之前燃煤锅炉在应用PPS滤袋过程中存在短期内大面积破损情况。研究查明,这种异常破袋由化学破损造成,直接原因是烟气中SO_x、NO_x浓度大且运行温度不当加剧PPS氧化、腐蚀。通过技术创新研发一种耐腐高强滤料,抗化学性能强于PPS,能够大幅延长滤袋使用寿命。2010年之后,耐腐高强滤料得到大规模推广应用,推动了燃煤锅炉电袋复合除尘器滤料技术进步。

电袋复合除尘

电袋复合除尘器是指在一个紧凑的箱体内,将静电除尘和袋式除尘有机复合的除尘设备。其工作原理是综合粉尘荷电、粉尘分级、荷电粉尘过滤的协同作用,具有长期稳定低排放、运行阻力低、滤袋寿命长等优点,被广泛应用于燃煤锅炉烟尘净化,实现了烟尘超低排放、稳定达标[1]。

滤袋是电袋复合除尘器的核心部件,它的使用寿命长短直接影响除尘器的可靠性及运行经济性[2]。影响滤袋使用寿命的因素较多,燃煤锅炉电袋复合除尘器在实践中,由于一些煤粉炉烟气中SOx、NOx浓度高和运行温度波动幅度大,PPS滤袋在短时内易发生快速氧化、腐蚀而造成大量化学破损。这种破损现象在煤粉炉烟气工况中较为普遍,且造成的后果较为严重。本文针对PPS滤袋易发生化学破坏的问题,阐述了滤料技术的创新及应用。

1PPS滤料应用情况

PPS是一种高分子材料,化学名称为聚苯硫醚,有耐温(190℃)、抗酸、抗碱、抗水解性能优,抗氧化性能较弱等特点,是燃煤锅炉过滤式除尘器的主打滤材。2000年之后,我国燃煤锅炉袋式除尘器和电袋复合除尘器大量选用以PPS为主材的滤料,一直延续到2010年左右。

一般燃煤锅炉电袋复合除尘器设计滤袋使用寿命≥4年或3万小时,多数工程项目达到设计值,有个别项目大幅超过设计值达6年以上。当然,也有个别工程项目滤袋使用寿命未能达到设计值,滤袋大面积提前老化而破损。2008上半年,*电袋复合除尘器PPS滤袋大面积破损案例发生在山西某热电厂2×200MW机组。

这起破袋事件当时在行业内引起了很大反响,其它数起异常破袋在随后2~3年里陆续发生。这一时期内,破袋原因众说纷纭,电袋产生臭氧造成破袋的议论沸沸扬扬,极大影响了电袋复合除尘技术的发展,也成为电袋复合除尘技术迫在眉睫急需探明的问题。

2PPS滤袋异常破损规律

为了探明PPS滤袋异常破损的原因及寻求解决办法,电袋复合除尘器的龙头企业联合滤材滤袋厂家积极开展了研究工作,对破损滤袋进行了大量性能检测,测试了锅炉烟气成分、浓度、温度并连续跟踪记录。经整理和归类,PPS滤袋发生异常破损的共性规律为:

1)异常破袋案例均发生在煤粉炉使用场合,尚未发现循环流化床锅炉的案例;2)发生滤袋异常破损的使用时间长短不一,短则半年,长则2~3年,大多数在1~2年。使用时间的长短与烟气条件相关,即“烟气中SOx、NOx浓度越高或烟温上下限超温越明显,则使用的时间越短;3)破损后滤料断裂强度大幅衰减,残余强度低,一般经纬两向的残余强度只有新滤料的1/3左右;4)通过电子扫描镜微观检查滤料纤维,表面粗糙,轴向有裂纹或断裂

甚至粉碎(如图1、图2所示),用红外分析仪测试其波形,同比未使用PPS波形发生变异(如图3所示);5)破损滤料纤维色泽变化较大,一般呈深黄或褐色,从滤料刮下的残余粉尘测试出的pH值在1~3。

电袋复合除尘

电袋复合除尘

3PPS滤袋异常破损的原因分析

滤袋异常破损规律中的一些特征说明了滤袋快速老化与烟气中SOx、NOx浓度大小及运行温度紧密相关。当这些成分浓度达到一定值时,在温度作用下,氧化、腐蚀而破坏PPS分子链结构,导致纤维断裂甚至碎化。工程实践及各种试验结果证明了这种分析的客观性与正确性。根据PPS分子结构链特点,SOx、NOx与PPS分子结构的氧化反应过程见图4、图5。

电袋复合除尘

电袋复合除尘

臭氧虽然是氧化性极强的物质,但在电袋复合除尘器中的量级很低,高压电源产生的自由氧量有限,且在高温条件下自由氧结合成臭氧和臭氧分解成自由氧的速度极快,因此电袋中存在臭氧的浓度极低。福州大学化工学院[3]、华北电力大学环境科学与工程学院[4]等单位专门设立课题,研究臭氧对PPS滤袋性能的影响,结果表明电袋中的臭氧浓度<0.015mg/m3。

假如电袋中产生臭氧、快速氧化PPS而造成破袋的事实存在,工程案例中的破袋规律将完全不是这样。实践与试验研究证明,PPS异常破损与电袋臭氧无关。

3.1燃煤锅炉烟气中能够破坏PPS的主要成分(氧化剂)

以往,对燃煤锅炉烟气中容易破坏PPS的氧化剂成分,普遍仅认为O2是氧化剂,因而在应用中往往较关注控制烟气中的氧量。实际烟气中的SO3、NO2氧化性强于O2,是引起PPS化学破损的主要元凶。

厦门三维丝公司“PPS氧化反应模型及量子化学计算过程方法”研究结果表明,SO2、NO及PPS分析结构发生反应的能垒大,对PPS的氧化性很弱;而SO3、NO2与PPS分析结构发生反应的能垒小,氧化性极强[5]。

化学成分能垒的大小依次为O2、NO2、SO3。由于烟气中存在活性较强的SO3、NO2,在一定温度条件下与H2O化合成硫酸、硝酸,这两种酸除了有腐蚀性之外,也是强氧化剂。

通过上述分析,可知PPS滤袋在循环流化床锅炉应用中不会发生异常化学破损现象的原因。一般循环流化床锅炉均采取炉内脱硫,进入除尘器烟气中的SOx浓度低,同时流化床炉膛的燃烧温度低,产生的NOx浓度也低。因此,循环流化床烟气低SOx、低NOx工况的特点是避免PPS异常化学破损的主要原因。

3.2烟气温度对PPS化学破坏的影响

PPS耐温高达190℃~200℃,这是特指它的物理耐温性能,若运行温度接近或超过它的耐温性能时,PPS将会发生收缩、软化、熔解等物理性能的变化而破损。一般要求PPS运行温度≤160℃,主要还是从化学角度出发考虑PPS的老化速度问题,因为烟气中含有一定浓度的氧化剂与PPS发生反应。根据化学反应规律,温度是影响反应速度的重要因素。在化学成分浓度相同情况下,温度越高化学反应速度越快。所以PPS滤袋运行温度越高则使用寿命越短。反之,运行温度越低则使用寿命越长。

另外,由于燃煤锅炉烟气含有SO3,下限温度一旦低于酸露点时,化合形成的硫酸黏附于PPS滤袋,相当于增加了破坏PPS的化学物质及浓度,反而会缩短PPS滤袋使用寿命。滤袋在使用过程中,酸结露产生的硫酸将*

性残留在滤袋上。所以在工程应用选用PPS滤袋时,对运行温度的下限均有严格要求。

一般烟气中的SOx、NOx浓度越高,上限温度则越低,下限温度则越高,此时要求温度波动幅度较小;反之,SOx、NOx浓度越低,上限温度则可适当高些,下限温度则可低些,温度波动幅度可适当大些。

4耐腐高强滤料技术的研发与应用

工程实践证明,以PPS为主材滤料时,使用条件具有局限性,难以满足我国燃煤机组炉型、煤种多样化的要求,因此研发适用性和抗化学性更强的滤料是必要的。

为了提升燃煤锅炉滤料的抗化学性能,有多种方法,如:1)改良PPS提升其抗氧化性能;2)选择其它综合性能更优的滤材;3)在滤料结构上混用不同材质等。从现状来看,方法一涉及PPS粒子问题,属化工原料范畴。现有滤材中都存在性能优缺点问题,取代材质一时难度大,方法三属滤料工艺技术,有取长补短优势,实现的条件相对成熟。

4.1PTFE滤料技术发展应用情况

PTFE化学名称为聚四氟乙烯,又被称为工程塑料王,具有耐温、抗酸、抗碱、抗氧化、抗黏附,摩擦系数低、延伸性优、绝缘性优等特点,广泛应用于工业领域。近年来,PTFE随着拉丝工艺的发展应用于滤料技术的进步很快,PTFE滤料已成为垃圾焚烧炉袋式除尘器的滤材。

PTFE滤料的抗化学性能极优,但物理特性仍存在不足,如100%PTFE滤料的加工工艺难度较大、经纬强度较低且延伸率较大、未经过覆膜处理时过滤精度较低、综合成本较高等。因此100%PTFE尚不具备作为燃煤锅炉用滤料的条件。

4.2滤料结构分析

滤料结构分为织造和非织造两种,工业滤料中可以根据材质特性而选择,但大多数用非织造结构见图6。图6非织造针刺毡断面结构示意非织造滤料结构与钢筋混泥土类似,其中基布类似于钢筋,滤料内外层纤维网类似于混泥土,两种结构结合为一体,提高了滤料整体的黏合与抗拉性能。由于纯PPS滤料基布与内外纤维层的材质相同,一旦老化时强度同时衰减,结构上不能起到互补作用。

电袋复合除尘

4.3耐腐高强滤料技术的研发及应用

耐腐高强滤料采取了PPS与PTFE材质混用的结构,首先把基布材质更换为PTFE,发挥了PTFE抗化学性能优的特点,类似混泥土中提高钢筋的性能,使基布在使用过程中长期保留原有的强度;其次,滤料内外纤维层采用PPS与PTFE混纺,类似提高混泥土标号,两种材质纤维之间相互缠绕,滤料内外纤维层原来由PPS承担的强度作用分解为由PTFE和PPS两种纤维共同分摊,即使PPS纤维老化断裂,但PTFE纤维仍可保留原有强度,减缓了滤料整体强度下降速度。PPS与PTFE混纺后的耐腐高强滤料同比100%PTFE滤料,还具有提高过滤精度、降低滤料延伸率、降低滤袋成本等优势。

耐腐高强滤料中混用PPS纤维的各种材质混用比例,要根据烟气工况的特点选择。一般在烟气温度常出现>170℃时,采取PTFE与PI(P84)混纺,当烟温<160℃时,随燃用煤硫份的高低来确定不同纤维的混合比例,硫份越高,PTFE材质的比例越高。

因此,在选用耐腐高强滤料时,要根据烟气特点,使滤料与之相匹配,才能保证滤袋的使用寿命。自2009年下半年开始,耐腐高强滤料逐渐应用并成为燃煤锅炉的主打滤料,大幅度提高了电袋复合除尘器滤袋的使用寿命。

案例1:太原某热电厂#7、#8炉2×200MW机组电袋复合除尘器,炉型为煤粉炉,无脱硝装置,烟气中SOxzui大浓度达7000mg/m3,NOx浓度达1000mg/m3,日烟温在80℃~175℃间波动,2008年原PPS使用寿命仅为半年。2009年采用耐腐高强滤料换袋,使用寿命大于2.5年,第二次换袋提高PTFE使用比例后,耐强滤袋使用寿命达4年以上。

案例2:安徽某电厂#1炉660MW机组电袋复合除尘器,炉型为煤粉炉,无脱硝装置,燃用低硫煤,选用耐腐高强滤料,滤袋使用寿命达到4.5年以上。

案例3:内蒙古某电厂#7、#8炉电袋复合除尘器,炉型为煤粉炉,无脱硝装置,燃用低硫煤。由于机组运行初期的烟温经常高达220℃,原PPS滤袋使用寿命仅为半年。2010年采用PTFE与PI混纺的耐腐高强滤料换袋,使用寿命达5年以上,至今仍在使用中。

5滤料其它新技术发展应用情况

近年来,我国环保对燃煤机组提出了更严格的超低排放要求,超净电袋复合除尘器成为一种新的除尘工艺技术,并对滤料的过滤性能提出了更高要求,以提高过滤精度为主向的超细面层梯度结构滤料和超微孔覆膜滤料也得到了进一步发展。同时,纯PPS、耐腐高强滤料等废弃滤袋的回收与利用工艺技术快速发展和应用,解决了滤袋的二次污染问题,进一步加快了我国燃煤锅炉滤料技术的发展,提高了应用水平。

6结语

近年来,我国燃煤锅炉除尘技术为适应复杂和多变的烟气工况条件而取得瞩目的发展和突破,电袋复合除尘器作为一种创新除尘技术也不例外,十余年发展过程中遇到许多诸如PPS滤袋异常破损等问题。问题并不可怕,只要客观准确分析原因,把握正确方向,科学技术创新,难题则随之迎刃而解。耐腐高强滤料虽然提升了抗化学性能,但实践中仍要重视对烟气工况条件的控制,提高除尘运行管理水平,才能确保滤袋的综合性能和使用寿命。

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