芳砜纶在耐高温滤料中的应用
摘要:芳砜纶是我国自主开发的一种耐高温合成纤维。介绍了芳砜纶的性能及其在耐高温滤料中的应用前景,并对耐高温滤料市场的需求及部分耐高温滤料的特性做了简单介绍。
关键词:芳砜纶,过滤材料,耐高温,应用
0 前言
随着科学技术及现代工业的飞速发展,高温含尘废热烟气直接排放造成的环境污染给人类的生存与健康带来了越来越大的危害,如何对这些高温含尘气体除尘便成了棘手的问题。袋式除尘器以其除尘效率高,不会造成二次污染,便于回收干料等性能,在大气污染的治理方面做出了巨大的贡献,目前国内外的应用越来越广,已占所有除尘设备的80%。而袋式除尘器的核心是配套滤袋的优良材料。
芳砜纶(商品名Tanlon,简称PSA)是上海纺织科学研究院和上海合成纤维研究所共同开发的具有自主知识产权的一种芳香族有机耐高温合成纤维,现已投产,它的问世填补了我国耐250℃高温等级合成纤维的空白。目前,类似的纤维只有少数几个发达国家才能生产,耐高温合成纤维的开发和应用是国家科技水平和实力的象征[ 1 ] 。芳砜纶具有优良的耐热性、热稳定性、高温尺寸稳定性、阻燃性、电绝缘性能、良好的物理机械性能及化学稳定性。芳砜纶的加工性能良好,可用普通设备加工成纱线、机织布、针织布和非织造布等,尤其适用于耐高温滤料,具有良好的发展潜力和市场前景。
1 耐高温滤料的应用
发达国家的高温气体袋式除尘装置100%都采用耐高温纤维滤料。国内的滤料市场也很广大, 其中钢铁行业主要有高炉、电炉、转炉和烧结炉四大产生高温烟气的污染源,有色冶金行业的冶炼炉、贵铅炉、沸腾炉、闪烁炉和矿热炉都产生高温烟尘,是袋式过滤器的使用大户[ 2 ] 。上海宝钢100 t 电炉、150 t转炉烟气处理都采用袋式除尘器,过滤面积达到7万m2 以上。我国水泥工业每年向大气排放的烟尘、粉尘在1 000万t以上,成为粉尘污染的大户,预计正在改造的老线和新线共计560条干法水泥生产线都将使用耐高温纤维滤袋式除尘器。我国火力发电厂占总发电量的90%以上,达2亿 kW装机容量,按1 kW 装机容量使用滤料0. 8 m2 计算,如有50%机组采用袋式除尘器,其配套滤料需用量将达8 000万m2 ,仅此项用量就相当可观。还有许多化工产品是在高温环境中通过气凝胶生产的粉状产品,这些产品基本上也是用袋滤器来收集的,如炭黑、三聚氰胺等[ 3 ] 。生活垃圾是现代生活中一个急需解决的严峻问题,目前城市垃圾处理市场正在崛起,各大中城市将兴建焚烧炉。2004 年全国共投资150亿在各地兴建了300多座垃圾废弃物焚烧处理中心,所有焚烧炉的除尘均采用耐高温袋式除尘器。另外,“非典”疫情引起了各级政府的高度重视,医院垃圾处理袋式除尘器将会迅速发展。
随着大气环境治理的进一步深化和废气排放标准逐渐与国际接轨,钢铁、冶金、建材、热电厂、垃圾焚烧、煤炭、水泥、化工等行业的高温烟尘(很多过滤温度都超过200℃)除尘都将逐渐改用耐高温滤料。由于耐高温滤料属于易损件,平均2～3年就要更换,因此其消费量将急剧增加。目前仅5% 的企业采用耐高温滤料,消费量就有500 t/ a。长期以来我国产业用有机耐高温滤料一直依赖进口, 市场被欧、美、日等国家和地区所垄断,技术被其封锁,国产耐高温滤料的开发成功和投产将打破这种局面。
2 耐高温滤料所需性能及类型
2. 1 对滤料的要求
滤料是袋式除尘器的关键材料,其性能的优劣直接关系到除尘器性能的好坏。仅仅从温度方面去考虑滤料的性能是远远不够的,因为不同的烟气和粉尘往往含有SOx、NOx、HCl及二噁英等各种复杂的腐蚀性化学物质,因此在选择滤料时应考虑以下要求: ①化学稳定性好,耐酸耐碱,能耐较高温度; ②结构合理,过滤性能好,在某些高浓度烟尘场合收尘效率可达99. 99%; ③剥离性好,易清灰,透气性好,阻力低; ④质地应均匀,尺寸稳定,机械强度高,使用寿命长; ⑤原料来源广泛,性能稳定可靠; ⑥价格低,寿命长。
2. 2 滤料的种类
滤料的性能除了取决于纤维的性能外,还取决于滤料的结构及制作工艺,而且不同的使用场合对滤料有不同的性能要求,滤料的性能直接影响袋式除尘器的除尘效果[ 4 ] 。
2.2.1 织造滤料
织造滤料具有如下特点:强度和耐磨性好,能承受较大压力和过滤磨啄性粉尘;适于制成大直径、长滤袋;易形成平整和较光滑表面或薄型柔软的织物,有利于滤袋的清灰。但是,织造滤料生产工艺流程长,与非织造滤料(如针刺毡)相比,在同样滤速情况下,滤料本身的阻力大;织造滤料只有在形成粉尘层后,才能阻挡较小颗粒物,滤尘清灰后,捕尘率会明显下降。
2.2.2 非织造滤料
目前使用较多的是针刺毡滤料。针刺毡滤料中的纤维呈立体交错排列,这种结构既有利于形成粉尘层,清灰后也不存在直通的孔隙,捕尘效果稳定,因而捕尘率高于一般织造滤料;自身的透气性好,阻力低;生产流程简单,产品成本低。目前几乎全部使用线密度为2 dtex的短纤维。
2.2.3 复合滤料
为了发挥材料所长,避其所短,可用两种或两种以上各具特色的材料加工成复合滤料,聚四氟乙烯( PTFE)覆膜滤料即属此种滤料。这种覆膜滤料是由美国戈尔公司最先开发出来的新型复合滤料。覆膜滤料表面所覆的是膨体聚四氟乙烯( ePTFE) 微孔薄膜,孔径小到1 ～2 μm 以下,基底可以是 PTFE纤维、玻璃纤维(GF)等制成的针刺毡或机织布。滤料覆膜后当量孔径变小,因而不需要形成粉尘层,只依靠自身的捕尘功能即可有良好的捕尘效果,同时可控制粉尘进入滤料深处,防止滤料被堵塞。另外,覆膜滤料表面动摩擦系数减小,提高了清灰性能,滤料滤膜有助于提高自身的疏水性,可防止滤料因结露造成滤袋结垢。
3 芳砜纶的性能及其滤料的过滤特性
早期的滤料品种局限于聚酯纤维(使用温度 < 130℃)与GF (使用温度130 ～280℃)两大类。随着耐温要求的提高,国内外的专家们研制开发了以间位芳纶(Nomex、Conex) 、聚酰亚胺( P84) 、聚苯硫醚( PPS) 、聚四氟乙烯、芳砜纶等为原料的耐高温滤料,以适应各种不同烟气的处理需要。表1列出了几种耐高温滤料的主要性能。
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Nomex易被SOx 侵蚀,因此在烧煤的电厂中往往不能应用。PPS抗硫酸效果很好,在燃煤锅炉上是最适合的滤料,但其缺点是抗氧化性差,且长期工作温度应控制在190℃以下,在工况温度高于 200℃场合的应用受到影响。P84纤维由于不规则的多叶形截面使得其比表面积增大,过滤效果好, 可在260℃长期使用,但是目前纤维产量少且价格相当高。GF作为滤料最杰出的优点是耐高温、尺寸稳定性好、拉伸断裂强度高,除了氟化氢、高温高碱外,对其他介质都很稳定,但其缺点是耐折性差,清灰时易产生落纤[ 5 ] 。
芳砜纶的主要性能列于表2。从表2 中可看到,芳砜纶是制作袋式除尘器配套滤袋的优良材料,不仅耐热性良好,而且还具有优良的抗热氧老化的稳定性,热收缩小,能保持良好的尺寸稳定性以及良好的抗酸性能等,可在高温下长期使用,非常适用于耐高温滤料,价格相对P84、PPS、Nomex 也较便宜。另外,芳砜纶的纤维摩擦系数小,用其制成的滤袋清灰容易;由于芳砜纶耐温较高,因此可与PTFE (固化温度260℃)热压粘合制成过滤效果好且稳定的覆膜滤料。
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表3是采用2 dtex ×51 mm芳砜纶短纤维制成的针刺毡滤料在袋式除尘器中配套使用时过滤效果的检测结果。该针刺毡的制造过程是:先将纤维混合开松,经梳理成网后预刺,再将纤维网平铺在事先织好的底布上下两面,用针刺机反复穿刺,针上的钩刺带着纤维上下运动,使上下两面纤维网中的纤维与底布互相缠结成为毡,最后再经热定型、热压、化学表面处理。从检测结果可见,芳砜纶滤料使用情况良好。此外,芳砜纶可与其他纤维(如聚酯纤维、GF、预氧丝等)混纺或交织制备一系列不同工作温度的耐高温滤料,以降低成本。
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在使用芳砜纶滤料制品时需注意:该纤维易受到冶金与矿石生产工序中存在于烟道气体中的氟化物影响,应尽量避免接触之;暴露在紫外线中纤维表面会降解,产生一种深古铜色的有效的紫外线防御层以减少强力损失;对于湿度太高、酸度太高同时温度超过250℃以上的高温烟气不宜采用芳砜纶制作的滤料。
另外,芳砜纶除了不耐几种强极性溶剂(如 DMAc、DMF、DMSO、六磷胺、N2甲基砒咯烷酮和浓硫酸)以外,一般在常温下对各种化学物品均能保持良好的稳定性,因此可以制成各种过滤织物,在化工生产中用以过滤各种液体。
4 结语
钢铁、水泥、电力、化工、医药、燃煤锅炉及垃圾焚烧等工业对耐高温纤维滤料的需求进入高速增长期。芳砜纶的优良性能使得其非常适宜用于耐高温滤料,不仅可以单独使用,还能与其他纤维混合制作耐高温滤料,弥补其他纤维的缺陷,是制作袋式除尘器配套滤袋的优良材料。因此,应尽快加速芳砜纶的产业化,这不仅具有良好的经济效益, 同时还能为我国的环保事业作出贡献。
参考文献
[ 1 ] 张玉华,沙玉明,汪晓峰. 芳砜纶在防护用品中的应用[ J ]. 技术创新, 2005, (6) : 1822
[ 2 ] 姜坪,刘梅红. 空气过滤材料的发展与应用[ J ]. 现代纺织技术, 2002, 10 (4) : 52254
[ 3 ] 王小兵,朱平. 玻璃纤维过滤材料在冶金、水泥、化工等行业中的应用[ G]. 第一届中国国际过滤材料研讨会论文集. 上海:中国技术市场协会, 2002 : 1952 200
[ 4 ] 范柏祥. 滤料过滤性能测试装置与应用研究[D ]. 沈阳:东北大学, 2003
[ 5 ] 梅毅. 玻璃纤维过滤材料国内外走俏[ J ]. 建材市场, 2002, (3) : 33
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