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我国袋式除尘技术历史、现状与发展趋势综述

更新时间:2022-02-16 09:49 来源:中国环保产业协会 作者: 柳静献 毛宁 等 阅读:2628 网友评论0

【qy88千-赢-国-际-网-页-手-机-登-录固废峰会讯】袋式除尘作为工业烟尘控制的主流技术,在我国经历了几十年的发展,已被应用到诸多工业领域,适用于很多苛刻的烟气环境。文章系统论述了我国袋除尘主机设备、滤料及配件的历史发展与现状,分析了当前市场上袋除尘产品的形式分类、主流技术、性能特点与应用情况,讨论了与其配套的系列化标准以及滤料的关键性能参数,展望了袋除尘主体设备、滤料及配件的技术发展趋势。

1 概述

袋式除尘器是利用由纤维加工成的过滤材料对颗粒物进行捕集的设备,由除尘器主机、滤袋和相关配件组成[1]。袋式除尘技术具有过滤效率高、排放浓度低等优点,特别是对微细粒子的捕集效果好,其过滤性能与粉尘性质无关,适用于众多对工业烟尘排放要求苛刻的场合,目前已经成为工业粉尘和烟尘控制的主流技术之一[2-4]。袋式除尘随我国工业需求而出现,历经70多年发展,从无到有,由小众的附属设备成长为坐拥200亿元市场的大行业,其产品与技术从初期的落后发展到如今的世界领先水平,而且为应对世界上最高标准的工业应用、最复杂的现场工况、最苛刻的粉尘排放要求,创新研发了许多新技术??梢宰院赖厮?,我国现在不仅拥有世界上最强大的袋式除尘制造工业体系,可以设计、制造出最优良的袋式除尘器主机、滤料及相关配件,而且还具有完善的袋式除尘研发体系和丰富的人才储备,可以推动袋式除尘技术不断向前发展。

本文针对袋式除尘器,从主机、滤料、配件三方面进行分析,论述其各自的类型、特点与技术发展方向,并讨论与之相关的标准。

2 袋式除尘器主机

2.1 袋式除尘器发展历史

2.1.1 起步阶段(1950—1969年)

20世纪50年代初期,国内主要采用旋风与洗涤塔之类的湿式除尘器,之后在国外袋式除尘设备的影响下,除尘器逐渐开始了从人工拍打清灰到机械抖动、反吹风清灰的演变。60年代在翻阅国外资料的基础上,我国自制了用于鞍钢炼铁厂高炉喷煤粉系统的气环反吹袋除尘器、用于富春江冶炼厂的炼铜烟气脉冲除尘器,袋除尘行业由此进入起步阶段。

2.1.2 引进与自主研发阶段(1970—1989年)

随着我国重工业的快速发展,各个行业对除尘设备的需求也越来越大,一些部门和企业陆续引进了德国、英国、美国、日本的相关技术设备,业内技术人员在此基础上,通过学习、消化、吸收,陆续研制出我国自主的除尘技术与装备。1971年鞍山焦耐设计研究总院与武汉安全环保研究院、哈尔滨机械厂、上海耐火材料厂、沈阳气动仪表厂、鞍山无线电四厂研制出我国第一套MC型脉冲袋式除尘器,开启了我国袋除尘自主研发的新篇章。1977年合肥水泥研究设计院为常州水泥厂转窑烟气设计了反吹风缩袋清灰型玻纤袋房,实现了水泥窑尾高温烟气的首次突破;1979年武汉安全环保研究院、潜江县机械厂研制出我国第一套环隙脉冲除尘器;1980年上海劳动?;ぱ芯克胛饨旧璞赋а兄屏怂撑绾投耘缧吐龀宄酒?;1981年重庆钢铁设计研究院研制出我国第一套反吹风袋除尘系列化除尘器;1988年原国家建筑材料工业局在引进美国Fuller公司全套水泥厂除尘器的基础上,推出了包括箱式脉冲、反吹风及库顶除尘的系列化产品。

在宝钢一期工程期间,我国钢铁行业引进了大型反吹风袋式除尘器,之后由重庆钢铁设计研究院开始自主设计并制造大型反吹风袋式除尘器,这标志着袋式除尘器由小型化向大型化转变。

2.1.3 大型化阶段(1990—2009年)

中国经济的强势崛起在很大程度上是依托于我国重工业和电力行业的迅猛发展,这也导致我国的大气环境长期处于高负荷状态,从而引发了大气污染问题。钢铁、水泥和火电作为三大重污染行业格外引人关注,国家出台的越来越严格的烟气排放标准,给环保行业带来了巨大的挑战与机遇,各行业用户和环保企业也加快了创新与应用的步伐[5-7]。

1994年,由武汉安全环保研究院(其除尘板块后变为中钢集团天澄环??萍脊煞萦邢薰荆┭芯?、设计了高炉煤气干法除尘用袋式除尘器,彻底改变了传统的高炉煤气净化使用的湿式除尘方式。高炉煤气袋式除尘采用氮气或净化后的煤气进行脉冲反吹清灰,解决了煤气净化系统使用袋式除尘器的安全性问题,是袋式除尘技术的重大创新。

1999年,由江苏科林环保设备有限公司研发、设计并制造的15800m2长袋脉冲除尘器在安阳钢铁集团100t直流电炉烟气除尘项目上成功应用,开启了大型长袋脉冲除尘器应用的先河。

2000年,中钢集团天澄环??萍脊煞萦邢薰驹谖涓制铰淖唐鞠钅恐?,成功将原有电除尘器改造为袋除尘器,使烟尘排放浓度由原来的百余毫克降至十几毫克,由此揭开了我国电改袋的序幕。

2005年,由宝钢设计研究院研发的钢铁行业掺烧煤气的350MW机组锅炉烟气除尘长袋低压脉冲除尘器成功应用,为钢铁行业自备电厂的袋式除尘提供了关键技术和宝贵经验。宝钢与抚顺天宇滤材有限公司联合研发的适用于煤气+煤混烧的耐高温复合梯度滤料为我国滤料向专精方向研发指明了道路。

钢铁行业涵盖矿石粉碎、原料准备、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等主体工艺,以及焦化、石灰窑、粉煤制备等附属工艺,其流程长、工艺复杂、产尘环节多、非封闭岗位多,工业粉尘及烟尘排放严重,对袋除尘技术提出了更高的要求。对于袋除尘而言,钢铁冶炼是其使用最早、应用最普遍的行业,可以追溯到20世纪60年代。目前在烧结和焦化,炼铁高炉煤气、炉前、矿槽,炼钢的二次烟气等环节都使用了大型袋式除尘设备,对于5000m3的高炉,其高炉煤气和炉前、原料系统的风量都可达100万m3/h以上;炼钢中使用的除尘器其处理烟气量达300万m3/h以上,过滤面积高达40000m2。袋式除尘在钢铁行业中的占有率不仅达到98%以上,而且实现了10mg/m3甚至5mg/m3的超低排放目标[8]。

水泥行业早在20世纪70年代就开始应用袋式除尘器,尤其是在规模较小的立窑上。水泥行业的袋式除尘设备大型化是从引进美国Fuller公司的气箱脉冲除尘器开始,伴随着立窑改为回转窑,窑容由日产2500t向5000t、10 000t转变,以及国家对水泥行业的排放标准不断提高而稳步向前推进的。对于日产10 000t的生产线,其窑头烟气量在100万m3/h以上,过滤面积为17 000m2;窑尾烟气量在200万m3/h以上,过滤面积达34 000m2,烟气温度为220℃—250℃。大规模的除尘器不仅需要对整体结构、进风通道、风流分布、喷吹系统、清灰模式等诸多方面进行优化设计,而且对滤料的耐温性、耐腐性、过滤精度、清灰性能、阻力、使用寿命等都提出了更严苛的要求。诸多的现场应用表明,我国水泥行业在应用袋式除尘设备后烟尘控制效果显著,10mg/m3甚至5mg/m3的排放浓度已经相当普遍,袋除尘在水泥行业中的占有率在95%以上。

2005年,合肥水泥设计研究院研究设计的长袋低压脉冲除尘器应用于华润珠江水泥厂5000t/d生产线,采用中箱体进风、P84滤料等多项技术对窑尾烟气进行低阻高效净化,滤袋使用寿命达6年之久?;笾榻嘁の猜龀宕鞠钅靠戳宋夜笮退嘁の渤酒魇褂煤舷寺肆系睦?,为推进我国水泥行业窑尾通过使用袋除尘实现超低排放起到了引领作用,并且由此推进了我国高性能纤维聚酰亚胺及其滤料的自主研发及广泛应用。

火电作为烟尘排放的主要行业之一,静电除尘是其主流除尘技术。虽然静电除尘在阻力、可靠性上有一定的优势,但存在排放浓度受粉尘性质(煤种)影响较大、随使用时间延长效率降低、极板振打会产生二次扬尘等问题。随着排放标准越来越严格,内蒙古丰泰电厂于2001年引进德国鲁奇公司技术,在200MW机组上尝试回转脉冲除尘技术获得成功,排放浓度在30mg/m3以下,由此揭开了我国火电行业应用袋除尘的序幕。

2003年,由中钢集团天澄环??萍脊煞萦邢薰?、东北大学、焦作电厂共同完成的国家863计划项目电厂大型机组袋式除尘是电力行业300MW以上大型机组开始推广应用自主设计研发的袋式除尘器的开端,项目研发的径流式脉冲袋式除尘器烟气气流直进直出,气流通畅,流线平滑、短捷,是一种新型低阻高效袋式除尘器,是袋除尘领域的创新产品,具有世界领先水平。电力行业自此开始大力推进袋式除尘器的应用。

随着火电行业烟尘排放标准的逐步升级,排放标准从200mg/m3(GB 13223—1996)升级到50mg/m3(GB 13223—2003),再到20mg/m3和30mg/m3(GB 13223— 2011)[9, 10]。袋除尘在火电厂的应用比例逐渐提高,市场份额从零逐渐增加到目前的35%以上,应用的机组规模也从最初的200MW增加到600MW再到如今的1000MW,无论是应用于几大电力集团的稳定工况还是自备电厂和坑口电厂的复杂工况,排放浓度均满足国家标准。

我国垃圾焚烧行业起步较晚,借鉴国外经验,一开始就规定在烟气处理系统中采用袋式除尘,从而为袋除尘在我国垃圾焚烧行业的快速发展铺平了道路。由于忽略了垃圾焚烧行业烟气处理的特殊性,导致了最初应用时袋除尘频频失效问题。经过艰难探索,在综合分析我国城市垃圾与国外垃圾相比具有热量小、湿度大、来源复杂等特点后,合肥水泥研究设计院设计的采用PTFE覆膜滤袋的除尘路线成为我国垃圾焚烧行业烟气处理的可靠技术路线。

2.1.4 超低排放与污染物协同去除(2010年以后)

随着环保行业排放标准的升级,10mg/m3甚至5mg/m3的超低排放成为行业常态。龙净环保股份有限公司和浙江菲达环??萍脊煞萦邢薰鞠嗉萄蟹⒉⑼瞥隽嘶诰驳绯竞筒即拘牡绱春铣炯际?,并在国内600MW、1000MW机组上成功应用,实现了5mg/m3的超低排放目标。与之配套研发的PPS+PTFE/PTFE复合滤袋也为电袋复合技术的成功应用提供了关键材料。

2019年,由武汉天澄环??萍脊煞萦邢薰?、东北大学、浙江宇邦滤材科技有限公司、鞍山钢铁集团有限公司合作完成了国家863计划项目“钢铁窑炉烟尘PM2.5控制技术与装备”,项目开创了预荷电脉冲袋式除尘技术,并同时研发了海岛纤维超细面层梯度滤料,具有世界领先水平。这是我国工业窑炉烟气颗粒物超低排放技术取得的最新成就。

福建龙净环保股份有限公司基于耐高温合金滤袋所研发的新型高效除尘装备,是常规超净电袋的升级产品,其具有耐超高温(400℃—800℃)、过滤精度高、能长期保持超低排放(<10mg/m3)、运行阻力低(≤1000Pa)、能耗低、滤袋寿命长(≥8年)等特点,并且废旧滤料回收利用简易、价值高、无二次污染,处于国际领先水平,在氢氧化铝焙烧炉上的成功应用填补了国内外袋除尘设备在该领域的空白。

排放标准升级意味着环保成本的提高,燃煤锅炉在提供热源的同时,其烟气处理工艺愈加复杂,脱硝、除尘、脱硫、“脱白”等独立工艺不断挤占有限的空间,一次投资与运行成本也不断挤压着锅炉主体工艺的利润。在此形势下,脱硝与除尘、脱硫与除尘协同治理的工艺路线、一体化设备、复合型滤料进入探索尝试阶段。另外,考虑到脱硝催化剂300℃—400℃的最佳温度窗口,以及烟尘对脱硝催化剂的不利影响,超高温过滤介质(金属滤袋、陶瓷过滤器)、除尘脱硝双效陶瓷管等产品也应运而生。

中钢集团天澄环??萍脊煞萦邢薰究⒌腟DS干法脱硫+预荷电袋滤器+中低温SCR脱硝+余热回收的技术工艺具有流程短、净化效率高、阻力低、占地面积小和运行费用省等显著特点,在焦炉烟气脱硫脱硝工程中的首台(套)重大技术装备示范应用自投入运营以来,系统运行稳定可靠,颗粒物排放浓度为3.1—5.9mg/m3,SO2排放浓度为0.1—1.8mg/m3,NOx排放浓度为121—144mg/m3。一体化装置运行总阻力为700—1000Pa,比常规布置节省运行费用40%以上,余热回收生产热水105t/h,取得了环保和节能的双重效益。该工艺提供了一种焦炉烟气多污染物协同治理的新途径,凸显出了短流程的优点,并为用户显著降低了运行成本。

另外,我国许多行业面临产能激增、排放标准升级而空间场地不增的严苛局势,在除尘器占地面积不变、主体设备不改的前提下,有效扩大过滤面积的改进式褶皱滤袋、滤筒除尘应运而生。我国工业规模庞大且工艺众多,拥有各种复杂的工艺流程与运行条件,这也促使了除尘行业“百花齐放”的发展态势。

2.2 袋式除尘器类型

袋式除尘器按照传统清灰方式可分为机械振打式除尘器、反吹风除尘器、脉冲清灰除尘器等[11]。在工艺优化与技术进步中,机械清灰逐渐退出了历史舞台,脉冲清灰成为目前应用最广泛的袋除尘类型[12]。根据除尘器的主体结构,目前市场上主要有长袋低压脉冲除尘器、回转脉冲/反吹风除尘器和电袋复合除尘器三种形式:

(1)长袋低压脉冲除尘器使用长达8m的圆形滤袋且纵横排列,与每个脉冲阀相连的喷吹管下部一排开口对应一排滤袋,脉冲喷吹清灰压力为0.2—0.3MPa,风流以直进直出为主向,从除尘器主体偏下部或灰斗进风居多,其具有阻力小、清灰效果好、故障率低的优点[13]。

(2)回转脉冲/反吹风除尘器把椭圆形滤袋按照同心圆方式组成几个分隔单元,上面布置可旋转的三臂清灰机构,三臂下部开一排风口进行随机脉冲喷吹或反吹风清灰。该类型除尘器需要的脉冲阀少、清灰柔和、对滤袋振动小、二次扬尘少,但滤袋经向热收缩大,把袋笼顶起时容易导致旋臂机构故障,喷吹系统故障时影响面大[14]。

(3)电袋复合除尘器将静电除尘与袋式除尘相结合,形成前电后袋或电袋镶嵌结构,前序的静电除尘可去除大部分粉尘,并使颗粒带电,不仅减轻了后序袋除尘的负荷、提高了捕集效率,而且带电颗粒在滤料表面形成的尘饼更加蓬松,阻力增长慢[15,16]。但电袋复合除尘器由于使用了两套设施,不仅故障点增加,而且提高了一次投资和运行成本。

2.3 袋式除尘器发展趋势

2.3.1 设备大型化

基于主体工艺产能的进一步扩大,烟气量也随之增加。另外,随着排放标准的趋严,过滤风速降低、设备进一步增大将是未来的发展趋势。对于5mg/m3的超低排放,过滤风速最好在0.7m/min以下。

2.3.2 设计??榛?/p>

针对中小型除尘器及系列化除尘器,??榛杓剖腔?。近年来,计算机技术被广泛应用于袋除尘领域,使零部件设计实现了标准化、设备方案设计实现了快捷化,设备设计和工程设计高效准确。

2.3.3 气流均布设计

风量增大、设备大型化、滤袋数量增多等将更难保证袋式除尘器内部风流的均匀性,为避免气流不均、局部气流过大造成的阻力增加和对滤袋的冲刷破坏,气流模拟与物理模型实验结合是准确提升袋式除尘器气流分布的有效手段[17,18]。

2.3.4 除尘器运行状态监控智能网络化

物联网背景下,生产企业对除尘器运行状态及实时控制技术提出了更高的信息化要求,通过对大数据的分析可以获得建设性决策支持?;谠萍扑愕脑宋芾砟J降玫狡笠翟嚼丛蕉嗟闹厥?。

2.3.5 加工制造智能化

随着劳动力短缺、劳动力成本上升及自动化加工水平的提高,除尘器加工制造工艺精细化、自动化和智能化受到重视,操作机械手、焊接与装配机器人正在进入除尘器工厂。

2.3.6 基于碳捕集的除尘器提标改造

碳达峰、碳中和目标的提出,不仅会带来巨量的市场,而且会引发巨大的工业变革与技术换代。在目前污染物超低排放基础上,围绕碳减排直接用于烟气碳捕集的超低袋除尘技术与滤袋会成为袋除尘领域中新的经济增长点。

3 袋除尘滤料

3.1滤料发展历史

3.1.1 起步时期(1950—1979年)

我国最初的滤料是机织布,初期发展缓慢。由于高温烟尘控制的需要,1957年上海耀华玻璃纤维厂基于耐高温的玻璃纤维研发出了玻纤机织布,开启了滤料在高温烟尘方面的应用。20世纪70年代,南京玻璃纤维研究院针对玻纤耐折性差的缺陷,对后处理剂配方进行革新,加工出第二代玻纤机织布,由营口玻璃纤维二厂、沈阳玻璃纤维厂等企业生产。1974年武汉安全环保研究院研制了208涤纶绒布,其具有纤维密度高、厚度大、捕尘效果好的优点[19]。

3.1.2 飞速发展时期(1980—1999年)

1980年,东北工学院(东北大学前身)在研究纤维捕尘机理的基础上,与抚顺第三毛纺厂合作,研制出中国第一块针刺毡滤料并将其应用到各个行业,这不仅奠定了我国针刺毡滤料的工艺基础,对我国滤料行业来说更是具有划时代的意义;在表面过滤与深层过滤的理论指导下,东北工学院(东北大学前身)又设计研发出具有革命性的高密面层针刺毡。随着耐高温纤维的出现与品质的逐渐成熟,我国又陆续研发出耐高温、耐腐蚀的芳纶针刺毡和玻纤复合毡滤料。1990年,参考国外覆膜滤料,上海凌桥环保设备厂与上海四氟塑料厂先后研制出PTFE薄膜及覆膜滤料,填补了国内空白[20]。

3.1.3 大规模应用与发展时期(2000—2010年)

环保标准升级带来了除尘行业的蓬勃发展,60万—100万MW机组燃煤电厂、日产万吨水泥线、超大型钢铁工艺都对除尘和滤袋产生了巨大的需求,国产聚苯硫醚(PPS)纤维及滤料、国产芳纶纤维及滤料、基于进口聚酰亚胺纤维的国产滤料大规模量产,形成了举足轻重的环保产业链[21]。

3.1.4 竞争与创新时期(2010年以后)

超低排放标准的出台,不仅对滤料提出了高效精细的要求,而且工业门类复杂化也对滤料种类及应用的多样化提出了新的需求,这促使我国实现了聚酰亚胺纤维及滤料的国产化,而且研发了国际首创并领先的过滤产品,包括适用于垃圾焚烧烟气的国产聚四氟乙烯(PTFE)纤维及滤料,适用于燃煤电厂复杂工况的PPS/PTFE复合滤料,适用于高温碱性烟气的宝德纶纤维及滤料、高温耐腐耐氧的改性PPS纤维及滤料,适用于PM2.5超细烟尘的海岛纤维及滤料、熔喷纤维表层滤料、水刺加固毡滤料、脱硝除尘一体化滤料等众多产品,滤料行业进入了“百花齐放”阶段。

3.2 滤料性能指标

3.2.1 滤料的织物性能

滤料的织物性能包括克重、厚度及其偏差,透气度及其偏差。参数偏差代表滤料产品不同部位数值的差别,表征滤料的质量控制水平。

3.2.2 滤料强力性能

滤料强力性能包括经向和纬向断裂强力、经向和纬向断裂伸长率,这些参数与滤料使用寿命和耐用性有关。

3.2.3 动态过滤性能

通过实验模拟除尘器中滤袋的过滤捕集和压气清灰过程来测试其在洁净状态、老化过程、稳定过滤状态下滤料的初始阻力、初始过滤周期、残余阻力、终了过滤周期、阻力变化曲线、过滤效率、粉尘剥离率等参数,反映了滤料的动态过滤性能。

3.2.4 PM2.5效率

对微细粒子过滤时,需要进行PM2.5过滤效率的测试。

3.2.5 耐热性能

测试滤料高温烟气中(长期耐温和瞬间耐温)的性能变化,包括机械强力保持率、热收缩率。

3.2.6 耐腐蚀性能

测试滤料在酸性和碱性条件下的机械强力变化率。

3.2.7 耐氧化性能测

试滤料经过氧化剂处理后的强力保持率。

3.2.8 疏油疏水性能

测试滤料的疏油等级和疏水等级。

3.2.9 抗静电性能

在过滤捕集有火灾和爆炸危险性的粉尘如煤粉、粮食粉、木粉时,应使用防静电滤料,其性能参数包括摩擦电位、半衰期、面电荷密度、体积电阻和表面电阻。

3.2.10 阻燃性能

对易发生火灾与爆炸的粉尘,应使用阻燃性滤料,需进行阻燃实验和极限氧指数实验。

3.2.11 滤料材质与纤维分析

为规范市场、保证滤料纤维材质和品种符合要求,需对滤料基布材质、面层纤维材质、含量百分比、纤维直径、外观等进行检测分析。

3.2.12 覆膜牢度

对覆膜滤料应测试微孔膜的附着牢度,覆膜牢度是与覆膜滤料耐用性相关的关键参数。

3.2.13 特殊性能

鉴于玻璃纤维柔韧性和抱合性不足的问题,还应测试其对玻璃纤维滤料的耐折性能、耐磨性能、面层与基布的剥离强度参数。

3.3 目前的滤料类型

3.3.1 针刺毡

由上面层、基布、下面层纤维,通过钢针的上下穿刺钩联加工成厚度为1—2mm的毡料,再经过表面烧毛、轧光、热定型等后整理,以及基于PTFE乳液的浸渍、涂层或覆膜处理,形成低阻高效、清灰性能好的滤料。

3.3.2 高密面层针刺毡

以针刺毡为基础,在其迎尘表面附加一层用超细纤维做成的致密层,近于表面过滤状态的迎尘层可以显著改善滤料的过滤与清灰性能,市场上的梯度滤料、非对称滤料与此类似。鉴于超细纤维单独梳理困难的问题,国内企业把超细纤维与常规纤维相互掺杂后进行梳理铺网,形成的粗细混合纤维作为滤料的迎尘面层。

3.3.3 覆膜滤料

对反复清灰再生的袋除尘滤料而言,压气清灰与粉尘剥离性能至关重要。PTFE薄膜由于具有孔径小、表面光滑的优点,将其附着在滤料迎尘表面后,可极大提升滤料的清灰性能和过滤效率,测试数据表明,覆膜滤料对2.5μm粒子的计数效率在99%以上。覆膜滤料目前是5mg/m3超低排放的首选滤料,但薄膜本身脆弱,如遇含尘气流冲刷、覆膜牢度不达标、压气清灰不当等情况都易导致覆膜损坏,在应用时需十分小心。

3.3.4 水刺毡

针刺毡在使用直径1—2mm的钢针上下穿刺的加工过程中,会在滤料中留下隐匿的钢针孔,当滤料阻力高时,微细粒子会被风流拉拽,造成逃逸。使用直径0.1—0.2mm的高压“水针”替代钢针加固滤料,可极大避免该问题,显著提升滤料效率。实验数据表明,常规针刺毡对2.5μm粒子的计数效率为70%—80%,而水刺毡对2.5μm粒子的计数效率可提升至90%—95%,适合含PM2.5的烟尘的捕集。

3.3.5 海岛纤维滤料

过滤理论与实践表明,纤维直径越细,捕尘效率越高。海岛纤维是应用双组分包裹方式经特殊纺丝工艺制造的直径低于1μm的纤维,海岛纤维经过针刺加工成毡,通过减量化溶去“海”,获得具有超细“岛”纤维的毡料,进行滤料表面处理后,对微细粒子具有极高的效率,对2.5μm粒子的计数效率可达90%—95%,可高效捕集PM2.5微细粒子[22]。

3.4 滤料发展趋势与热点

3.4.1 基于碳捕集的超净低阻高效滤料

伴随着碳达峰、碳中和目标的提出,经袋除尘过滤后烟气中颗粒物浓度控制在1mg/m3以下,可直接进行碳捕集的低阻节能的超净滤料将成为未来滤料研发的新方向?;谌叟缦宋?、纳米纤维、海岛纤维表层的超精细滤料,以及易清灰的功能性乳液浸渍处理、永久极化后处理、超精密覆膜等先进工艺将为新滤料的开发提供技术支撑。

3.4.2 复杂烟气环境的多样性滤料

由于我国工业门类众多、应用场景多种多样,因此所需的特种滤料种类繁多。例如,针对焦化或脱硝前等场景应用的300℃—400℃高耐温滤料、针对难控制的氨逃逸场景应用的耐碱或耐酸碱交替的滤料、针对袋除尘大湿度禁区的超疏水滤料、针对燃爆场所超细粉体收集的抗静电覆膜滤料等差别显著、小批量、高利润的滤料产品将成为袋除尘技术追逐的热点[23]。

3.4.3 功能性滤

料针对烟气复杂污染物联合去除需求,在滤料上负载低温催化剂而形成的“除尘+脱硝”“除尘+脱二噁英”等技术被研发出来并正逐步扩大应用范围。浙江鸿盛环??萍技庞邢薰竞椭泄蒲г汗坦こ萄芯克涎蟹⒌男滦痛呋严醭竟δ苈舜〉昧思际跬黄?,在水泥行业烟气净化项目中获得应用,其以滤袋为载体负载中低温脱硝催化剂,实现了除尘+脱硝耦合烟气治理。现场应用显示,滤袋在运行温度为180℃—220℃时,脱硝率可达92.6%—93.2%;运行温度为220℃—260℃时,脱硝率可达95.1%—97.4%,可实现NOx排放浓度为50—100mg/m3、颗粒物排放浓度小于5mg/m3。

3.4.4 废旧滤袋的回收与再生

我国每年消耗6000多万条滤袋,相当于2亿m3滤料、10万多t纤维,不仅产生了大量的二次污染,对滤料行业来说更是巨大的浪费,如今废旧滤袋处理已成为袋除尘行业的“卡脖子”问题。东北大学经过十余年的潜心研究,开发了针对废旧PPS滤袋、PPS+PTFE复合滤袋、芳纶滤袋的高品质回收利用技术,创新性的技术路线解决了困扰滤料行业多年的废旧滤袋回收难题。江苏奥凯环保公司针对滤料行业及其他行业在役滤袋易出现的高阻力问题,研发了滤袋清洗技术,实现了高阻力滤袋的再生。但是滤袋回收与再生作为一个特殊行业,滤袋的回收、运输、再生等过程都值得关注,政府应出台政策进行引导和扶持。

3.4.5 面积扩大的异形滤袋(褶皱滤袋、滤筒)

由于我国近年来经济发展较快,钢铁、水泥、燃煤电厂等行业产能增长迅猛,烟气量急速增加,但留给除尘设备的占地面积无法随产能增加而扩大,加之对排放浓度的要求愈发严格,因此如何利用有限的空间及最少的工程量、最短的工期实现超低排放是目前业内最现实和迫切的需求。目前,以褶皱滤袋或滤筒来替代常规圆筒成为业内首选[24]。广州市华滤环保设备有限公司研发的超低排放滤筒,采用低克重针刺毡或纺粘滤纸,将其加工成外径不变、圆周30—50个褶、长度2—3m、自带内支撑的滤筒,过滤面积可扩大2—3倍,该滤筒在大折距易清灰的结构设计、技术性能、自动化折叠工艺、等距热熔绑带技术、无毛刺无焊痕螺旋一体式骨架等方面取得了创新突破,在钢铁行业实现了大规模应用,可以将粉尘排放浓度长期稳定控制在10mg/m3以内。抚顺天宇滤材有限公司、苏州恒清环??萍加邢薰狙蟹⒌鸟拗宀ㄐ温舜?,在外径不变的条件下,通过自动缝合技术加工成圆周8—10个褶、长度6—7m的滤袋,使用星形特殊袋笼,过滤面积可扩大1—2倍,在氧化铝、燃煤电厂等行业实现了褶皱滤袋的大型化应用。

4 袋除尘配件

4.1配件类别与发展

袋除尘器除了主机、滤袋外,还包含一些关键配件如脉冲阀、脉冲控制仪和袋笼框架等[25]。我国袋式除尘技术的突飞猛进,离不开脉冲阀、控制仪和袋笼等配件研发技术的快速进步。

4.1.1 脉冲阀

脉冲阀作为袋除尘器中控制压气喷吹的组件,伴随着我国袋除尘器一起出现。常用的脉冲阀是基于弹性膜开闭来控制压缩气体的泄放,主要分为直角阀和淹没阀。直角阀的气流输入口与输出口之间的夹角为90°,其输入口与分气箱连,输出口与除尘器喷吹管连接,常用于小型除尘器;淹没阀直接安装在分气箱上,其输入口淹没在分气箱内,输出口通过连接管与除尘器喷吹管相连,常用于大型除尘器。脉冲阀的接口尺寸决定了其喷吹能力的大小,常用的1英寸阀喷吹10m2左右,3英寸阀喷吹45m2左右。脉冲阀的技术进步体现在所需压缩空气的压力大小上,在保持喷吹效果不变的前提下,经过几十年的努力研发,脉冲阀所需压力越来越小,从0.6MPa逐渐降低至0.2MPa,节能效果显著。

我国在21世纪初就已成功将各种口径的淹没阀国产化,后经过10余年的发展,到2010年前后,国产脉冲阀的各项性能指标均达到了进口阀的水平,从而被广泛使用。与此同时,我国还研究、设计、制造了脉冲阀性能检测系统,起草了脉冲阀产品标准,为脉冲阀的质量控制和技术研发提供了有力的技术支持[26]。

上海袋式除尘配件有限公司、苏州协昌环保有限公司、上海尚泰环保配件有限公司等国内企业为国产脉冲阀的发展做出了很大的贡献。

对大型袋除尘器而言,其脉冲阀用量很大,由于脉冲阀的工作状态无法直观显示,当某个脉冲阀出现故障时,很难及时被人发现,会导致一排滤袋无法得到有效喷吹而近乎失效,从而增加其他滤袋的负荷,如果一台除尘器中有多个脉冲阀出现故障,很多滤袋将同时失去过滤效果。针对脉冲阀无法自我监控状态的问题,苏州协昌环??萍脊煞萦邢薰就ü诼龀宸е屑幼熬嗬氪衅骼醇嗍幽て糇刺?,并通过移动通信网络发送至云端服务器,实现了脉冲阀状态的自我监视、报警等功能,该智能脉冲阀已经被许多企业采用。

4.1.2 脉冲控制仪

脉冲控制仪作为控制脉冲阀开启的设备,经历了从逻辑电路到单片机再到PLC控制仪的转变历程,尽管所用元器件有所变化,但控制仪的功能基本没变[27]。

4.1.3 袋笼框架

袋笼是外滤式袋除尘必不可少的用以支撑滤袋的配件,其产品性能和质量对袋除尘器的长期稳定运行起着重要作用,袋笼本身的质量直接决定着滤袋的耐用性[28]。

袋笼根据其形状分为圆形、椭圆形和异形。常规脉冲除尘器使用与直径130—160mm滤袋配套的圆形袋笼;回转脉冲/反吹风除尘器使用与椭圆形滤袋配套的袋笼;褶皱滤袋使用特殊的单股或双股筋制成的星形袋笼。

袋笼根据其整体节数分为单节袋笼和多节袋笼。不太长的滤袋或滤袋长度虽然达8m但除尘器上部空间在安装时不受限,可使用可靠性好的单节袋笼。除尘器上部仓室安装高度受限时,可考虑2节或3节袋笼,使用多节袋笼时不仅要保证袋笼连接处光滑、不损坏滤袋,而且还要保证连接关节不脱开,尤其是在反复脉冲喷吹振动的情况下。

我国袋笼制造技术已由原来每个纵筋—横环连接处的逐点焊接发展到现在的步进推进式整体多点同时焊接即半自动化整体焊接,并且已初步形成线材成环、校直、焊接一条龙的半自动化生产线。

袋笼的漆层?;ひ灿稍吹募虻ヅ缙?、钝化处理、镀铬处理演变为现在的有机硅静电喷涂。研发的吊挂式袋笼喷涂、干燥一体化处理系统,使袋笼漆层处理由原来的单一纯手工转变为连续、半自动化生产。

4.2 技术发展趋势

4.2.1 智能化配件

脉冲阀与除尘器的智能化既是当前热点,也是未来的发展方向。在加强产品功能性方面,除了监测其开关动作外,如何通过在线监测其喷吹气量来判定其真实效能备受关注。在除尘系统信息化、智能化发展的大背景下,如何通过云模式来强化信息安全的法律意识及技术手段,?;た突桃得孛苡肜娴仁俏蠢醇际跞鹊?。

4.2.2 袋笼可靠性

随着袋除尘应用范围的不断扩大、滤袋形式的转变以及制造技术的升级,袋笼也随之改变。袋笼表面涂层经历了从电镀层到有机硅涂层的变化,但从东北大学滤料检测中心处理的袋笼失效案例来看,袋笼涂层与滤袋黏结导致失效的案例较多,因此袋笼涂层的改进迫在眉睫。对于褶皱滤袋使用的袋笼而言,由于中间从上而下排布多个小面积圆环,压缩空气在喷吹时不但无法到达滤袋下部,而且高压空气吹在袋笼的筋条上,会激发袋笼上下跳动,从而与滤袋内部产生摩擦。因此,褶皱式星形袋笼需要继续进行改进。

4.2.3 滤袋缝制技术

滤袋缝制,尤其是袋口、袋底的缝制是袋除尘行业的生产瓶颈,虽然袋身竖向自动缝制或热熔合技术提高了滤袋的缝制效率,但袋底和袋口仍必须由人工缝制,工作量大、缝制速度慢、人工成本高,这些都已成为袋除尘行业亟待解决的问题[29]。

4.2.4 云管理技术

基于云管理的除尘设备信息系统近年来取得一定进展,智能脉冲阀、智能脉冲控制仪及烟尘治理云平台等袋式除尘装置和系统的智能化与网络化,可实现袋式除尘系统运行状态的远程无线传输与数据分析、故障识别及专家系统诊断,可为企业相关人员和政府相关部门实时提供运行信息,减少巡检工作量,及时发现问题和解决问题,提高了管理的时效性。但对已获取信息的二次利用与推理仍然不足,缺乏真正意义的专业化和智能化,系统的实用性仍需加强。

5 袋除尘标准

5.1 排放标准升级

随着工业规模的扩大、污染形势的加重以及烟尘控制技术的进步,我国烟尘排放标准也在逐渐升级。

2020年我国煤产量为38.4亿t(人均2.7t),进口3亿t,产量占全球总产量的51.6%。针对火电厂烟气排放,我国从1991年开始陆续升级火电厂大气污染物排放标准,从最初的150—3300mg/m3升级至1996年的200mg/m3,后又升级至2003年的50mg/m3,2011年又一次升级排放标准,普通排放限值为30mg/m3(与欧盟标准相当)、特别排放限值为20mg/m3(与美国标准相当)[30]。该标准不仅降低了火电行业对大气环境的污染程度,更有力推动了我国袋除尘行业的持续进步。

2020年我国水泥产量为23.8亿t(人均1.7t),占全球总产量的58%。水泥行业大气污染物排放标准从GB 4915—1996的600mg/m3升级到GB 4915—2004的100mg/m3,后又升级到GB 4915—2013的30mg/m3和20mg/m3(特别排放限值)。窑炉从立窑改成了回转窑,产能也升级至日产5000t和1万t,工艺的进步也促进了环保设备与材料的同步升级。

2020年我国粗钢产量为10.7亿t(人均0.76t),占全球总产量的57.1%。钢铁冶炼生产流程长、工艺复杂、开放或半开放设备多,烟尘和无组织排放都很严重。之前一直执行《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)规定的150mg/m3和《工业炉窑大气污染物排放标准》(GB 9078—1996)规定的100mg/m3。2012年发布的《炼钢工业大气污染物排放标准》(GB 28664—2012)规定了炼钢流程中各工艺环节最低排放限值为30mg/m3或20mg/m3,特别排放限值为15mg/m3;《炼铁工业大气污染物排放标准》(GB 28663—2012)规定了炼铁行业各工艺环节的不同排放限值,最低排放限值为20mg/m3或10mg/m3。

由于我国工业规模大、重污染工业比例高,而且工业烟尘排放在我国中东部地区比较集中,因此一些地区和行业推出了10mg/m3甚至5mg/m3的排放标准,这已然成为全世界最严格的烟尘排放标准。此标准是在接近当前技术极限20mg/m3的基础上,又提高75%,其实现难度极大。在此减排压力下,袋式除尘行业攻坚克难,研发了上下游配套的装备与材料,因此5mg/mm3的超低排放标准已成为行业的普遍烟尘排放限值。

5.2 滤料标准

滤料是除尘器中控制粉尘排放的核心部件,鉴于其重要性,为控制产品质量和规范市场,1990年东北工学院(东北大学前身)和抚顺产业用布厂共同起草了《袋式除尘器用滤料及滤袋技术条件》(GB 12625—1990),该标准是世界上最早的滤料国家标准,包含了滤料和滤袋的产品标准和方法标准。2009年,该标准修订时,国家要求与《袋式除尘器分类及规格性能表示方法》(GB/T 6719—1986)、《袋式除尘器性能测试方法》(GB/T 12138—1989)合并,形成《袋式除尘器技术要求》(GB/T 6719—2009),该标准目前仍是最权威的标准。2010年,国家还发布了针对玻璃纤维的《玻璃纤维过滤材料》(GB/T 25041—2010)。

为了满足环保行业产品质量监督与认证的工作需要,20世纪90年代,在中国环境?;げ敌嶙橹贫斯一繁2啡隙ㄌ跫吨泄肪潮;げ啡隙际跆跫?袋式除尘器用滤料》(HCRJ 042—1999)、《中国环境?;げ啡隙际跆跫?袋式除尘器 滤袋》(HCRJ 015—1998)。2006年中国环境?;げ敌岫匀隙ㄌ跫辛诵薅?,并将其转为环保行业标准《环境?;げ芳际跻?袋式除尘器用滤料》(HJ/T 324—2006)、《环境?;げ芳际跻?袋式除尘器 滤袋》(HJ/T 327—2006)。在此期间,中国环境?;げ敌峄怪贫烁材ぢ肆媳曜肌痘肪潮;げ芳际跻?袋式除尘器用覆膜滤料》(HJ/T 326—2006)。一些工业协会也组织起草了本行业应用的滤料标准,如《燃煤电厂锅炉尾气治理 袋式除尘器用滤料》(JB/T 11261—2012)、《火力发电厂锅炉烟气袋式除尘器滤料滤袋技术条件》(DL/T 1175—2012)等。

近年来,为与国外标准体系接轨,鼓励以团体标准来适应创新产品的需要,一些行业协会又组织相关单位在总结10余年滤料产品发展进步的基础上,推出了《袋式除尘用滤料技术要求》(T/CAEPI 21—2019)、《袋式除尘用超细面层滤料技术要求》(T/CAEPI 24—2019)、《袋式除尘用滤袋技术要求》(T/CAEPI 33—2021)、《袋式除尘用水刺非织造滤料》(T/CNITA 05103—2018)等。

为方便滤料的国际贸易,自2000年起东北大学代表我国与拥有滤料国标的德国、日本、美国、奥地利一起进行ISO国际标准的起草,并于2011年发布了《Air quality — Test method for filtration acterization of cleanable filter media(空气质量——可清灰滤料过滤性能测试)》(ISO 11057—2011),该标准的测试装置、测试方法参考并兼容了我国《袋式除尘器技术要求》(GB/T 6719—2009),这就为我国滤料产品进入国际市场提供了方便。针对滤料在现场应用中出现的失效问题,我国与日本、意大利、法国、韩国等国家联合起草了《Test methods for evaluating degradation of acteristics of cleanable filter media(可清灰滤料性能衰变评价的测试方法)》(ISO 16891—2016)。目前我国仍在参与其他相关ISO标准的起草工作。

5.3 除尘器与配件标准

袋式除尘器标准由来已久,针对不同类型的除尘器发布了相应的标准,袋式除尘器通用类标准有《袋式除尘器分类及规格性能表示方法》(GB 6719—86)、《袋式除尘器性能测试方法》(GB/T 12138—1989)、《袋式除尘系统装置通用技术条件》(GB/T 32155—2015)等。另外,各行业也根据自身特点组织制定了相应的行标,如《环境?;げ芳际跻?脉冲喷吹类袋式除尘器》(HJ/T 328—2006)、《脉冲喷吹类袋式除尘器》(JB/T 8532—1997)、《超长袋脉冲袋式除尘器》(JB/T 13557—2018)、《脉冲喷吹类袋式除尘器》(JB/T 8532—2008)、《燃煤电厂锅炉烟气袋式除尘工程技术规范》(DL/T 1121—2009)等。

针对袋式除尘器配件,各行业组织制定了相应标准,主要有以下三种:

(1)脉冲阀标准:环保行业标准《环境?;げ芳际跻?袋式除尘器用电磁脉冲阀》(HJ/T 284—2006)、机械行业标准《袋式除尘器用电磁脉冲阀》(JB/T 5916—2013)、团体标准《袋式除尘器用脉冲阀技术要求》(T/CAEPI 5—2017)。

(2)电控仪标准:《袋式除尘器用时序式脉冲喷吹电控仪》(JB/T 5915—2006)、《袋式除尘器用压差式清灰控制仪》(JB/T 10340—2014)。

(3)框架标准:《环境?;げ芳际跻?袋式除尘器滤袋框架》(HJ/T 325—2006)、《袋式除尘器用滤袋框架》(JB/T 5917—2013)。

6 结语

我国袋除尘行业从起步到壮大经历了几十年的发展历程,现已成为工业烟尘控制的核心力量:(1)袋式除尘器主体设备可分为长袋低压脉冲、回转反吹和电袋复合除尘三种。从除尘器本身技术来看,气流均布设计、运行状态监控、加工制造精细与智能化是袋除尘行业未来的发展方向;从袋除尘的应用来看,更要关注烟气多污染物的协同脱除与多样化。

(2)我国滤料从无到有,不仅被广泛应用于从常温到高温腐蚀等诸多严苛的工业领域,而且在世界最严苛的烟尘排放标准下,实现了在国际滤料行业里从跟跑、并跑到领跑的转变,创新研发出PPS/PTFE混纺滤料、海岛纤维滤料、水刺毡滤料、熔喷表层滤料、纳米表层滤料、PM2.5专用滤料,引领国际滤料行业不断向前发展。

(3)受主体设备与技术进步影响,智能脉冲阀、云管理等基于信息化的配件技术不断发展。工业应用领域的扩大,对袋笼框架也提出了涂层改进、清灰优化等方面的要求。

(4)服务于袋除尘行业的国标、行标、团标、ISO系列化标准规范了市场、促进了袋除尘技术跃升、极大提升了我国袋除尘产品的质量,从而为袋除尘器在烟尘治理领域中的广泛应用奠定了坚实的基础。

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