PTFE覆膜濾料在袋式除塵器中的應用
內容提供：上海大宮新材料有限公司
摘要:本文介紹了國產化產品大宮聚四氟乙烯薄膜的特點及其PTFE覆膜濾袋在水泥工業高溫袋式除塵器中的應用情況。與國外同類著名品牌的相比，大宮聚四氟乙烯薄膜微觀結構均勻、超細粉塵過濾效果好、性價比高，可以在水泥等多種行業中發揮重要作用。
一、概述
近年來，隨著新型干法水泥生產的快速發展和國家對環保要求的不斷提高，在許多場合的廢氣除塵袋式除塵器正在逐步替代電收塵器。水泥工業正是如此，大型高溫袋收塵器已經越來越多的用于現代干法水泥工業中。
在現階段淘汰落后產能政策的實施以及煤電等成本上漲都使得水泥行業面臨著巨大壓力。同比國際先進生產企業，我國水泥行業單位產量綜合能耗比高很多。其中不合理濾料的使用也是造成能耗增加的原因之一。
二十世紀九十年代末初，隨著新型濾料——聚四氟乙烯（Poly-TetraFluoroethylene-PTFE）覆膜濾料的出現，在我國市場上，一些國外知名品牌產品開始在水泥行業得到使用，但其價格昂貴，在水泥這種低附加值高能耗行業里推廣使用確實是遙不可及。因此，為滿足國務院（2006）年初提出的能耗降低4%、粉塵排放小于30mg/Nm3的指標，大宮公司以國產化為目標，自行研發出一種性能價格均優的新型PTFE覆膜濾料—DAGONG-TEX®，來滿足中國市場對PTFE覆膜濾料價廉物美的要求。從微觀結構、過濾性能、使用周期等均在水泥企業得到實際應用和考驗，證明了該濾料與國外同類產品相比，具有相當的優越性。同時在海外市場也得到大量成功的應用。
二、過濾的工作原理
袋式除塵器是一種高效除塵設備，它除塵的機理主要是攔截和過濾。由于它不像電收塵器對粉塵的粒徑、比電阻等理化特性敏感，且對2u以下微塵其收塵效果要成倍優于電收塵器。當除塵效率超過99.5%以后，電收塵器的電暈功率急劇增加，如果電除塵器效率在99.8%以下，其能耗低于常規袋除塵器；反之，除塵效率超過99.8%時，其能耗就高于常規袋除塵器。
事實上，按照新標準，除塵效率往往必須達到99.9%以上，導致電收塵器的能耗及初投資急劇增加，從而使電除塵器對袋除塵器的傳統優勢完全喪失。
而袋式除塵器的核心部件—濾料，其性能的好壞將直接影響設備的能耗。
下面先介紹濾料兩大分類，普通濾料和覆膜濾料在過濾原理上的區別。
普通濾料即傳統的針刺氈、編織濾料等。其工作原理是所謂的“深層過濾”技術（圖1a），即通過濾料纖維的捕集，先在濾料表面形成“一次粉塵層”（即粉餅），再通過這層粉餅來過濾后續的粉塵。在使用初期，由于濾料本身的空隙較大，部分粉塵會穿過濾料排放出去。只有當粉餅形成后，過濾過程才真正開始。繼續使用后，濾料表面的粉塵會逐漸滲入到濾料中，導致濾料孔隙堵塞，使設備運行阻力不斷增加，直至必須更換濾料為止。
覆膜濾料是在普通濾料表面復合一層聚四氟乙烯（PTFE）薄膜而行成的一種新型濾料。這層薄膜相當于起到了“一次粉塵層”的作用，物料交換是在膜表面進行的，使用之初就能進行有效的過濾。薄膜特有的立體網狀結構，使粉塵無法穿過，無孔隙堵塞之虞。這種過濾方式稱為“表面過濾”（圖1b）。覆膜濾料不僅可實現近于零排放，同時由于薄膜不粘性、摩擦系數小，故粉餅會自動脫落，確保了設備阻力長期穩定，因此充分發揮了袋式除塵器優越性，是理想的過濾材料。
兩種濾料的不同過濾方式如圖1所示：
 (a)普通濾料的深層過濾 |
 (b)覆膜濾料的表面過濾 圖1：普通濾料和覆膜濾料的不同過濾原理（清吹階段）示意圖 |
普通濾料具有價格低廉的優勢，但運行后阻力較大、能耗高，難以長期實現低于30mg/Nm3的排放指標要求。相比之下，覆膜濾料價格偏高，但排放含塵濃度可達30mg/Nm3甚至10mg/Nm3以下，設備是在低壓下運行能耗極大的降低，壽命長達3年以上。以實際200,000m3/h水泥磨集塵器按運行阻力降低500Pa計算，其每天節電842.4度，已0.5元/度電費計算可節省約420元錢。按每年正常運轉255天計算，每年可節省電費約10.7萬元。按三年的正常使用考慮，其性價比更優于普通濾料。
三、DAGONG-TEX®膜
DAGONG-TEX®膜是以PTFE樹脂為原料，經特殊的工藝制成，是一層具有不粘性、光滑和多微孔薄膜，微孔數量可達1×109/cm2，可以覆合在傳統的針刺氈和編織濾料表面，具有以下特點：
●優異的過濾效率（99.99%以上）；
●卓越的塵餅剝離性能；
●光滑表面使糊袋現象大大減少；
●過濾風速高，能耗低；
●可捕集粒徑1mm以下的超細粉塵；
●開孔率：85～93%；
●孔徑分布均勻，控制在0.05～3mm的范圍內（可根據實際粉塵的顆粒大小，提供孔徑合適的膜材料，以達到最佳的效果）
●溫度適用范圍：—180～260℃
●耐化學腐蝕性（除熔融堿金屬、元素氟氣體有輕微腐蝕以外）
DAGONG-TEX®膜的優良性能與其均勻的微孔結構密切相關，如圖2所示。
 圖2 |
因此可從以下幾方面對PTFE薄膜進行評定，其中包括PTFE膜纖維結構的均勻性及PTFE膜的開孔率和PTFE膜纖維結構的剛性及PTFE膜的彈性。
四、節能、減排與設備及濾料的關系
袋式收塵設備是利用過濾原理,將氣體中的固體顆粒進行分離,主要用于收塵、氣體凈化和粉料回收。其特點是：過濾效率高，在試驗室高達99.9999%，在實際工程應用中，可達99.999%以上。經過覆膜濾料過濾后，粉塵濃度可降到10mg/m3以下，甚至達到1mg/m3；同時袋式收塵器的分級效率高，對PM10、PM5、PM2.5等微細顆粒物也有很高的捕集效率。這是袋式收塵器技術原理所決定的，這個原理就是過濾式收塵器的機理，再小的顆粒物都會被捕集下來。是屬于干式氣體凈化，沒有水污染；可以處理高濃度（1000g/m3以上）含塵氣體凈化或用于物料回收。因而廣泛用于鋼鐵、水泥、電力、有色金屬冶煉、垃圾焚燒、鐵合金、化工、醫藥等諸多行業。
使用袋式除塵器，必定用風機給氣體施加動能，將粉塵以氣體的形式使其強行通過濾料進行過濾，然后把過濾后的清潔氣體排入大氣。氣體的動能來自于風機電機，當人為的降低了氣體的動能則動力源的動力消耗也隨之大幅下降，而達到節約能源的目的。在除塵系統中，氣體的動能取決于風機的全壓；而風機全壓的大小又完全取決于除塵系統的總阻力；而在袋除塵器中濾袋部分的阻力大約占總阻力的70%以上。我們可以看出濾料的性能決定了設備的阻力，設備的阻力改變了設備的能耗。從下表列出的數據可以看到阻力與能耗的關系：
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目前我公司生產的產品在水泥窯尾袋式除塵器上應用，以07年安裝的福建某水泥廠為例；該廠2500T/D的水泥窯尾收塵設備，從使用至今濾袋的平均阻力為1000Pa，比保證阻力低300Pa，比許多其它收塵器阻力低600Pa，目前該廠已提產至2850T/D。按表1以風量480,000m3/h計算，廢氣風機每年節約電耗至少50萬元。
五、DAGONG-TEX®薄膜濾料在水泥工業中的應用
水泥制備工藝流程中的很多環節上都需要進行煙塵治理，其相對于其他工業過程的特殊性在于，同時存在環保除塵設備和工藝除塵裝置，既要防止向大氣中排放，也需要回收水泥粉末用于后續環節，如水泥磨部位就裝有典型的工藝收塵裝置。
當然，在工藝流程中并非處處采用覆膜濾料，否則會加大投資和運營成本。按照目前流行的觀點，在水泥磨、水泥窯尾以及煤磨等部位最需要采用覆膜濾料。在引入了低溫余熱發電技術后，水泥窯尾的溫度處于濾料可承受的范圍內。
DAGONG-TEX®薄膜濾料可在不改變現有設備的條件下使水泥廠環保達標，并實現產量提高、降低成本、節約能源等方面，發揮了重要作用。
下面列舉幾個實例：
（1）江蘇某水泥廠水泥磨用除塵
該公司有一套德國KHD設計制造的5250t/d水泥熟料生產線，并采用“一托二”粉磨技術，配套了設計能力為300t/h的水泥粉磨系統，由一臺MPS5000BC立磨預粉磨和兩臺Φ4.2×12.5m球磨機組成。在窯系統提產到6700t/d以后，為消化增產的熟料量，水泥磨系統經過改造，除了改進了助磨劑、質量改進劑外，還使用大宮PTFE薄膜濾料，將處理能力提高30%，達到352t/h（比表面積也從320±10m2/kg增加到360±10m2/kg）。
水泥磨系統采用了德國GORCO公司在線脈沖噴吹袋式除塵器，工作參數如下：
過濾風量：220000m3/h
工作溫度：80～100℃
濾袋條數：1260條/臺
濾袋規格：Φ160×4500mm
壓縮空氣消耗：364m3/h
清灰壓力：6kg/cm3
處理粉塵濃度：1000g/m3
過濾面積：2850m2
過濾風速：1.29m/min
灰斗下料方式：雙向絞刀，中間下料。
清灰方式為“COANDA”二級噴吹高效清灰，即：壓縮空氣經噴吹排管進入文丘里噴射器環氣腔后，通過文氏環隙噴出，形成垂直向下的高速氣流，并在文丘里管上部形成負壓，卷吸大量外部空氣向下進行清灰。
原濾袋為普通針刺氈濾袋，運行壓差在150～175mmH2O。在生產普通水泥和復合水泥時，由于大量使用粉煤灰且比表面積控制在360m2/kg以上，經常造成糊袋，袋收塵入口負壓降低，選粉機回粉增加，導致產能降低，必須停磨處理。磨機運轉率受很大影響。針對以上情況，并考慮到ISO14000認證對排放的要求，采用了我們DAGONG-TEX®覆膜濾袋對兩臺主工藝袋式除塵器進行了改造。
從2002年8月投入使用后三個月內運行壓差始終保持在≤95mmH2O；經環保部門檢測，排放濃度＜20mg/m3；半年后壓差穩定在115mmH2O左右。球磨系統單位產量增產7～10%，尤其在生產PC32.5水泥時，產量近400t/h，粉煤灰添加量在20%以上時，從未發生過糊袋現象，生產十分順利。迄今為止，該批DAGONG-TEX®覆膜濾袋已正常工作了3年多并仍在使用。
圖3為除塵器的運行壓差紀錄。
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圖3：DAGONG-TEX®覆膜濾袋的運行壓差紀錄
球磨工藝袋式除塵器在使用DAGONG-TEX®覆膜濾袋后，也大大改善了通風和粉塵排放，磨機單位產量和設備運轉率提高，維修工作量降低，使綜合成本降低。以一臺除塵器為例，年節約壓縮空氣約100,000m3，折合電費約5萬元，以產量提高5%計算，單位水泥電耗降低約1.5kWh，一臺磨機年處理水泥約130萬噸，年節省電費用約85萬元。雖然覆膜濾袋一次投資成本較高，但按3年的壽命計算，同普通濾袋相比綜合費用更低，所節省費用遠遠高于成本的增加，故使用覆膜濾袋的經濟效益十分明顯。
（2）上海某水泥廠窯尾收塵
該公司原窯尾收塵器為靜電收塵除塵器帶低溫余熱發電系統。回轉窯產量逐步由原設計的1050t/d提高到了1500t/d后，排放遠達不到上海市的排放要求，小于等于30毫克。
為此，2004年3月公司將靜電除塵器改造成電-袋復合式除塵器，全部采用國產設備（部件）和技術，經過近5年的運行，系統穩定，完全達到了設計指標。
該收塵器進口溫度230℃左右由于窯尾煙氣工況較復雜，濕度高、含塵濃度高、煙氣黏附性較強，而且窯尾除塵器在水泥廠中屬主要設備，（該系統同時也焚燒工業垃圾）所以要求可靠性高，使用壽命要長，對袋式除塵器而言，則對布袋和脈沖閥等主要部件要求較高，其中占改造投資比例最高的布袋尤為重要。所以，針對該工況的具體情況，我公司采用了不同于國外570克的玻纖覆膜濾袋而選用了800克以上并極具柔軟性及耐高溫、易清灰、對粉塵捕集率高的窯尾專用玻纖覆膜濾料。
DAGONG-TEX®覆膜濾袋在該除塵器已成功使用了5年，目前仍在運行中，其運行壓差前4年始終穩定在90-100mmH2O，4能后運行壓差開始上升至140-160mmH2O。每年兩次的環保測試表明，粉塵排放濃度都低于20mg/Nm3。在前三年半，未更換過一只布袋，破損率為零。至今為止濾袋破損率為1%。2006年底，專門取下兩只布袋進行測試，結果濾袋表面覆膜完好，濾袋上口部強度指數只下降了10%，下半袋底部強度指數最大下降20%，由此可以判斷，完全可以實現5－6年的使用壽命。創國內在窯尾脈沖玻纖覆膜濾袋壽命使用記錄。
袋式除塵器的相關工作參數如下：
過濾風量：270000m3/h（原料磨、余熱鍋爐全開）（實際為300000m3/h）
工作溫度：＜150℃
濾袋條數：1440條/臺濾袋規格：Φ160×6500mm
空氣消耗量：3m3/min清灰壓力：0.25MPa
處理粉塵濃度：80g/m3過濾面積：4705m2
過濾風速：0.95～1.06m/min脈沖閥：淹沒閥
 圖4為除塵起運行壓差的紀錄 |
該設備4年內的平均阻力不大于1150Pa，按300000m3/h計算，ΔP為500Pa，共節約能耗達120萬元。
（2）上海某水泥廠窯頭除塵
應用在該廠水泥窯頭部位（帶烘干機）收塵器，DAGONG-TEX®覆膜濾袋至今已成功使用了2年9個月保持零破損。其運行壓差始終穩定在70~95mmH2O，粉塵排放濃度都低于20mg/Nm3。該窯頭除塵器前端有烘干機，主要粉塵組成（水泥熟料、黃沙和礦渣），該工況技術描述如下：
過濾風量：180000m3/h（實際210000m3/h）
工作溫度：＜150℃瞬間220℃
濾袋條數：1092條/臺濾袋規格：Φ160×6500mm
空氣消耗量：3m3/min清灰壓力：0.25MPa
處理粉塵濃度：150g/m3過濾面積：3566m2
過濾風速：0.84～1m/min
該設備從2005年5月開始使用，每月都對系統阻力進行跟蹤記錄，圖5為除塵器運行壓差的紀錄
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圖5：DAGONG-TEX®覆膜濾袋在水泥窯頭運行壓差紀錄
實踐證明，DAGONG-TEX®覆膜濾袋不僅滿足了設計要求，也保證了電-袋復合式除塵器的可靠運行，為國內大量窯頭靜電除塵器的技術改造提供了寶貴的經驗。在這種復合式除塵器中，袋式除塵器正是發揮了收集超細粉塵的優越性，從而彌補了靜電除塵器在這方面的弱勢。無疑，這對于希望低成本改造原有靜電除塵系統的水泥企業來說，是個有效和可靠的選擇方案。
六、結論
DAGONG-TEX®覆膜濾袋完全可以滿足低于30mg/Nm3的粉塵排放指標。同時低阻力的運行也節省了大量的能耗。
經過幾年的實踐與使用廠家的配合，大宮公司已摸索出一套針對玻纖濾袋使用的規范。
無論從PTFE薄膜的微觀結構、工作性能、還是實際使用情況，以及性價比等方面看，DAGONG-TEX®覆膜濾袋不僅擁有我國的自主知識產權，而且與國際著名品牌產品的質量不相上下，甚至部分性能更為優越，完全可以為我國工業的可持續發展和環保事業做出更大的貢獻。
參考文獻
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