高温过滤材料的应用及发展趋势
摘要:综述了国内外高温滤料的研究和发展情况，介绍了各种高温滤料的性能及其在相关行业的应用状况，分析了高温滤料的市场前景和技术发展趋势。
关键词:耐高温,过滤材料,纤维,袋式除尘器
1 前言
当前，我国经济已进入高速发展阶段，以资源、能源消耗性为主的重工业（电力、建材、冶金、化工等）迅速发展，我国已成为世界第一大钢铁、水泥、煤炭、化纤生产国；第二大电力、有色金属、化肥生产国。2008年，我国钢铁产量突破5亿吨，约占全球产量的40%，连续23年居世界第1位；水泥产量13.9亿吨，约占全球产量的1/2，连续24年居世界第1位；火电发电量27,793亿千瓦时，仅次于美国，居世界第2位。上述高耗能、高污染产业的发展，带来了严重的环境污染问题，由于空气、水以及工业等环境污染带来的经济损失每年在1000亿元以上，我国“十五”期间用于环境保护的投资为GDP的2.2%。我国近年来废气中主要污染物排放量见表1。
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重工业排放的大气污染物以高温烟气为主要特征，烟尘类颗粒物为主要控制对象之一。作为控制总量法规，国家对工业领域的各类锅炉、炉窑制定的排放值陆续进行修订，严格要求其降低排放量。由于袋式除尘技术能使烟气出口烟尘浓度小于30mg/m3，高温烟气排放控制技术已由电除尘技术逐步转变到以袋式除尘技术为主。
袋式除尘器是治理大气污染的高效除尘设备，主要优点是：不受粉尘种类、粒径大小以及粉尘浓度（可高至≥1000g/m3）、比电阻的限制；除尘效率可稳定达到99.5%～99.99%，排放浓度＜30mg/m3，甚至＜5mg/m3；可有耐常温80℃～130℃、耐高温180℃～260℃、耐腐蚀、拒水防油、防燃防爆、长寿命（1.5～4年）等不同性能的各种滤料供选择；处理风量大，占地面积小，能适应工艺负荷变化和风量的波动；可不停机而分室停风进行维修换袋；可利用原有的电除尘器、效率较低的袋式除尘器的壳体，改造成为新的高效袋式除尘器；结构较电除尘器简单，一次性投资较低，可灵活分室，模块式布置。
袋式除尘器的缺点是：要求控制烟气的温度在滤袋所能承受的范围内，以防止超高温或酸结露损伤滤袋，防止水结露糊袋；袋除尘器本体阻力较电除尘器大，一般为1000～1500Pa，最大为2000Pa；滤料寿命一般为1～3年，每隔数年就需更换滤袋。
在化学、石油、冶金、电力、水泥等工业生产中，会产生大量的高温含尘气体，涉及含尘气体在高温下直接净化除尘和应用的领域十分广泛。
以前高温烟尘的治理主要是采用电除尘器，但随着国家对环保标准的不断提高，特别是近年来国家对烟尘排放标准提高，出口浓度指标为50～100mg/m3，有的地方要求排放浓度＜50mg/m3，甚至20～30mg／m3，而电除尘器已难以达到，从而推动了袋式除尘器的应用。
近10年来，袋式除尘技术发展迅速，过去在应用中遇到的耐高温、耐腐蚀、抗结露、抗静电过滤材料的许多技术难题已逐步得到解决，袋式除尘技术和产品已完全可以满足当前国内冶金、建材、化工、电力等行业处理各类性质烟气的需要。
高温气体介质过滤除尘技术的核心是高温滤料。滤料是袋式除尘器的关键材料，其优劣直接关系到除尘器性能，一般应满足以下条件：结构合理，粉尘捕集率高；剥离性能好，易清灰，不易结垢；透气性适宜，阻力低；具有足够的强度，尺寸稳定性好；具有良好的耐温、耐化学腐蚀、耐氧化、抗水解和适应性广等性能；原料来源广泛，性能稳定可靠；价格低，寿命长。
国家标准《袋式除尘器用滤料及滤袋技术条件》(GB12625-2007）及环保产品认定条件《袋式除尘器用滤料》（HCRJ042-1999）中对滤料、滤袋的设计、加工、性能指标和检验方法等分别提出了技术要求。
本文综述了国内外高温滤料的研究和发展情况，对其性能及其在相关行业中的应用情况进行了总结，分析了其市场前景和技术发展趋势。
2 高温滤料的研究和产业发展现状
2.1 高温滤料的研究和开发进展
纤维过滤最早出现在我国，源于中国古代的纺织技术。随着西方工业的发展，特别是合成纤维的出现，作为过滤烟尘的纤维过滤材料，不再靠单纯的纺织工艺提高滤料的性能，而是引入了物理和化学的加工、处理方法，使滤料的强度、耐热、耐腐、透气、阻燃等性能显著提高，价格更加低廉，品种日趋多样化。到20世纪80年代，欧美研制出一些性能更加优越的纤维滤料，如美国戈尔公司生产的聚四氟乙烯（特氟隆，PTFE）覆膜滤料能够高效地捕集亚微米粒子；由美国唐纳森公司研发的褶皱滤料过滤面积比普通滤料大许多倍，而今已经能够过滤数百摄氏度的高温烟气。纤维滤料发展到今天，不仅可以接近100%地过滤超细粒子，而且可以过滤高温甚至粘性较高或湿度较大的烟尘。
我国的滤料和袋式除尘技术是同步发展的。70年代开发了玻璃纤维机织滤料、208涤纶绒布、729聚酯机织滤料。80年代初，随着非织造布的发展，又研制成功了合成纤维针刺毡，使袋式除尘器的除尘效果提高了一个数量级；之后，又研制成功了芳砜纶针刺毡滤料，可耐温210℃，并应用于钢铁、有色、炭黑等工业的高温烟气处理；防静电、耐高温、抗腐蚀、防油防水等合成纤维针刺毡产品的开发和生产基本满足了除尘的需求。90年代后期，我国又开发了聚四氟乙烯微孔覆膜滤料，实现了表面过滤，达到高效低阻的效果。目前我国已能生产玻纤机织布、常温化纤针刺毡、防静电针刺毡、防油防水针刺毡、耐高温耐腐蚀针刺毡、各种玻纤滤料及聚四氟乙烯覆膜滤料等。同时，布袋缝制技术水平也有了长足的进步，有的已达到国外先进水平。
但目前，我国耐高温纤维的研制仍处于初级阶段，国产的耐高温合成纤维较少，多数依赖进口。目前用于高炉煤气净化的国产耐高温滤料品种较少，使用纤维的品种只集中在玻璃纤维和间位芳纶两种原料上。在我国水泥、电力、钢铁、垃圾焚烧等行业除尘应用的P84（聚酰亚胺）纤维全球只有奥地利的1家公司生产，价格昂贵。PPS（聚苯硫醚）纤维过去只有日本 2 家公司生产，2007年美国也有 1 家公司开始生产，国内现已能批量生产，使PPS纤维价格略有下降。PTFE纤维过去只有奥地利和日本的2家公司批量生产，价位很高，目前国内已有公司生产该产品，在垃圾焚烧炉袋式除尘器和火电厂燃煤锅炉袋式除尘器上都有应用，并取得了良好的业绩。高端滤料市场不管是火电厂用的PPS滤料，还是水泥厂用的P84滤料、玻纤覆膜滤料，垃圾焚烧炉用的P84滤料、PTFE滤料、玻纤覆膜滤料等附加值比较高的滤料，主要还是为美国和欧洲一些国家的滤料公司所垄断，在新建的大型项目上更是如此。
2.2 近年来新开发的高温滤料
在袋式除尘器的应用中，经常遇到处理高温烟气的场合，如水泥工业窑头窑尾烟气、钢铁工业中的高炉煤气、火电厂燃煤锅炉烟气、垃圾焚烧烟气等。将高温烟气进行高效除尘，对节能降耗、保护环境具有重大意义。但高温烟气除尘也对滤料、除尘器提出了更高的要求。
近年来，高温滤料的发展很快，市场上不仅有国内开发的新滤料，也有国外进口的滤料，品种繁多，性能各异，主要有下述几大类型：
（1）高效高性能滤料
高效高性能滤料具有良好的物理、化学性能，收尘率高，粉尘剥离性能好，低压损，使用寿命长。主要品种有：
1）加厚型膨体玻纤布过滤材料：使用温度可在200℃～260℃之间。
2）各种耐高温纤维滤料：聚酰亚胺纤维（P84）、聚丙硫醚纤维（Ryton）、芳香族聚酰胺纤维（Nomex、Conex）、预氧化碳纤维等分别和玻纤混配复合，制成针刺过滤毡滤料，使用温度在180℃～250℃。覆膜滤料：表面经覆膜形成光滑面，其除尘机理为微孔筛滤，除尘效率高，对极细的粉尘也十分有效，粉尘剥离性能好。膜的憎水性使潮湿的粉尘也难以粘附，可作为高温除尘用滤料，使用温度在200℃～260℃之间。
（2）超高温滤料
采用此类滤料对工业生产中产生的各类高温烟气过滤不必预先冷却，但滤料价格昂贵，主要用于温度环境十分恶劣的场合，用量很少。超高温滤料有：
1）金属纤维针刺毡：可在300℃～600℃高温下使用，一般使用温度为450℃。这类纤维毡有不锈钢针刺毡等。
2）高硅氧滤料：这种滤料由一种特殊玻璃纤维制成，可在600℃高温中长期使用，最高使用温度达800℃。
3）陶瓷纤维滤料：此类滤料可在760℃长期使用，最高使用温度可达1000℃。
（3）触媒涂层滤料
触媒涂层滤料是在滤布表面涂复脱氮触媒，使滤料具有除尘与脱氮功能，若与碱性吸收剂并用，还可除去酸性气体，如二氧化硫、氮氧化物等。
3 常用高温滤料的性能及特点
3.1 芳香族聚酰胺纤维滤料
美塔斯（Metamax），长期耐温204℃，瞬时耐温240℃；耐酸性、抗水解性稍差，其主要应用于经彻底脱硫的循环流化床锅炉或含硫极低的烟气过滤场合；诺梅克斯（Nomex），耐碱性能很强，耐酸性能中等，是处理180℃～220℃高温腐蚀性气体的良好材料，国外除在各种工业炉窑烟气净化中普遍应用外，在燃煤锅炉烟气净化方面也已取得满意效果；芳砜纶在100℃～270℃范围内可保持良好的纤维尺寸稳定性，并有良好的耐腐蚀性能，国外现已用于260℃以下的烟气净化。
3.2 PPS纤维滤料
长期耐温190℃，瞬时耐温240℃，是一种耐高温、耐酸碱、抗水解性能极好的滤料，具备了作为高性能纤维的各种特点；可抵抗多种酸、碱和氧化剂的化学腐蚀；具有较好的耐水解能力，特别适合在高湿的烟气中使用；典型用途是用于城市垃圾焚烧炉、公用工程锅炉、燃煤锅炉、医院焚烧炉、热电联产锅炉上的脉冲袋式过滤器中，也可用PPS纤维取代其他不耐高温或化学品及不耐潮湿的合成纤维滤料。但是PPS耐氧化性稍差，当烟气含氧量超过15%时，就不能使用该种滤料。
3.3 P84纤维滤料
长期耐温230℃，瞬时耐温260℃；由一种缩聚型聚合物制成，不耐水解；截面呈三叶瓣形，因单纤维表面积增加，能有效地捕集颗粒；是非热塑性纤维，耐受脉冲清灰的磨损能力比玻璃纤维强，因而在要求耐磨性好的工况下可用P84取代玻璃纤维或混合使用；优良的耐酸性和良好的耐碱性使其在燃煤锅炉除尘上得到广泛应用。其抗氧化性能比PPS滤料好，但耐酸、抗水解性能稍差，耐碱性差，适合在低含硫量的炉窑烟气处理中使用。
3.4 PTFE纤维滤料
长期耐温260℃，瞬时耐温300℃；可在-180℃～260℃的范围内长期使用，在高温下强度保持率高；是目前滤料中耐化学腐蚀性最好的一种滤料，可耐受各种酸碱及强氧化物的腐蚀，水解稳定性和阻燃性都很好；具有较高的过滤效率和良好的清灰性能，即使在温度较高的情况下，表面也只粘附少量的灰尘，具有很高的性价比；突出优点是使用寿命长，在滤袋室工作温度为166℃～204℃的情况下，滤袋寿命可长达6年。适合在各种炉窑特别是电力燃煤锅炉、垃圾焚烧炉上使用。其缺点是抗拉、耐磨、抗折性较差，且价格较高（相当于玻璃纤维滤料的10倍），在国外使用很多，在国内多用于复合滤料中。
3.5 玻璃纤维滤料
长期耐温260℃，瞬时耐温300℃；具有突出的尺寸稳定性，拉伸断裂强度高，耐腐蚀性强，表面光滑，憎水透气，容易清灰，化学稳定性好；能耐大部分酸（氢氟酸除外）的腐蚀，但室温下的强碱及高温下的中等碱性将侵蚀玻璃；缺点是水汽对玻纤有一定影响，抗折、耐磨性能较差，在高过滤风速、脉冲清灰或清灰剧烈时会降低滤料寿命。
3.6 ePTFE覆膜滤料
以分散聚四氟乙烯树脂为原料制成的微孔膜与各种基材复合而成。长期耐温260℃，瞬时耐温300℃，表面过滤阻力小，粉尘层易剥落；能够迅速有效地截留微米级超细粉尘；由于ePTFE微孔膜表面光滑，不结露，易清灰，清灰后不改变空隙率，因此在覆膜滤料投入运行后，压力损失低且不随使用时间的延长而增大；滤袋使用寿命长。20世纪70-80年代由美国开始研发，现已占全球市场份额的1/3左右。近年来，国内已有数家公司研发成功并获得应用，随着国家对大气污染治理力度的不断加大，高效、低阻、长寿命的聚四氟乙烯微孔薄膜覆合滤料在烟气治理行业中越来越受到重视，该类滤料使用前景广阔。
几种常见高温滤料主要性能比较见表2。
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4 高温滤料在相关行业的应用及市场前景
4.1 燃煤电厂锅炉
火力发电站由于多使用燃煤锅炉，其所排废气的量大，烟气成分复杂，对大气造成的污染严重。火力电厂燃煤锅炉的烟气是电力行业中最主要的污染源。燃煤电厂的废气主要来源于锅炉燃烧产生的烟气、气力输灰系统中间灰库排气和煤场产生的含尘废气，以及煤场、原煤破碎及煤输送所产生的煤尘。其中，锅炉燃烧产生的烟气量和其所含的污染物排放量远远大于其他废气，是污染治理的重点。
目前，我国燃煤电厂装机容量已达60,132万kW，约占总容量的75.87%。“十一五”规划提出，为适应国民经济发展，到2020年全国燃煤发电装机容量将达到60万MW。为了减轻由于燃煤电厂的发展带来的环境污染问题，我国提高了电厂锅炉烟尘的排放标准。这一要求给高温袋式除尘器处理锅炉烟尘带来机遇，近几年国内部分电厂锅炉陆续使用了袋式除尘器，对滤料的要求是耐温180℃～200℃，抗氧化、耐腐蚀。
燃煤电厂锅炉选择滤料时应考虑其耐温、耐酸碱、耐氧化和耐水解等问题。滤袋应使用在高于酸露点10℃、低于许可温度的范围内。滤料应使用针刺毡，厚度以530～550g/m2为宜。选用滤料时应根据用户具体情况综合考虑确定。国外使用较为成功的滤料有：Dralon、Ryton、Tefom、Nomex，此外，也有P84、玻纤、Atefaire、Dayex等滤料供选择。国内常用的滤料有：PPS滤料及PPS与其他纤维的复合滤料等。
4.2 钢铁工业
钢铁工业中高温炉窑众多,节能降耗、保护环境是其可持续发展的重要任务之一。转炉、高炉、焦炉煤气的干法净化不仅可显著降低环境污染，还可大幅度提高煤气的热值，节省能源。据估算,与湿法除尘相比可提高热值20%左右，具有很大的经济效益。
而随着除尘技术的进步，烧结烟气使用高温袋式除尘器也将变成可能。钢铁工业中不同的炉窑对滤料的耐温要求也各异，如高炉、转炉煤气除尘用滤料要求耐温达到300℃以上，但对滤料的其他要求相对较低；烧结烟气对滤料的要求是耐温150℃～200℃即可，但要求要有较强的耐磨性和耐腐蚀性。钢铁工业对高温滤料需求的空间很大，且技术要求也相对较高。
高炉煤气干法除尘有其特殊性：一是用于煤气除尘，净化度要求很高；二是灰量多，粉尘粘而细；三是高温净化。国内较为常用的滤料有：诺梅克斯、玻璃纤维/P84复合针刺毡、纯玻纤滤料等。
4.3 水泥工业
水泥工业的粉尘污染在工业领域中占2/3。为改变粉尘污染，水泥工业应淘汰落后设备、上大改小，并应大量采用袋式除尘器。不少企业为了满足新的水泥工业污染排放标准，将原来窑头、窑尾的电除尘器改造成高温袋式除尘器，取得了明显效果。
新型干法窑窑尾收尘选用的滤料，必须满足耐高温、耐化学腐蚀、疏水、易清灰等要求，玻纤系列滤料使用较普遍。反吹风清灰类收尘器多采用玻纤织布或玻纤膨体纱类滤料，它们具有低价优势。近几年窑尾袋除尘器大部分采用玻纤覆膜滤料，部分采用玻纤/P84复合针刺毡或Nomex+RH。在选择滤料时，首先要注意烟气特性对滤料性能的影响，主要考虑烟气的温度、湿度、腐蚀性以及氧化剂等因素。除了烟气特性外，粉尘浓度、除尘效率、阻力、粉尘剥离率也影响着滤料的选择；同时，滤料经向纬向断裂强度和断裂伸长率也是需要考虑的重要因素。
4.4 城市垃圾焚烧炉
随着我国城市化进程的加快，近几年国内各地将陆续建设垃圾焚烧厂，仅北京在2008年就建设了日处理能力2000吨左右的垃圾处理厂4～5座。所有的垃圾焚烧炉都是采用袋式除尘器和高温滤料除尘，日处理能力2000吨的垃圾焚烧厂需要采用总过滤面积为8000～10,000m2的除尘器。焚烧炉采用的过滤材料多为P84、PTFE及复合滤料，其耐温要求多在150℃左右，对耐酸、碱腐蚀要求较高。
5 高温滤料的技术发展趋势
随着环境保护的要求日益提高，袋式除尘器对滤料的过滤效率、使用寿命的要求也越来越高，高温滤料技术将围绕材质、织物结构、表面处理等方面不断发展。
（1）高温滤料将随着除尘器等相关技术的进步而发展，提高过滤负荷是袋式除尘器的发展方向
过滤负荷大则过滤面积减少，除尘系统的一次性投资也相应减少，因此提高过滤负荷是袋式除尘器的发展方向。从过滤负荷看，普通玻璃纤维的过滤负荷一般为30～40m3/m2·h，过高则会导致过滤效率下降，排放浓度超标；玻璃纤维膨体纱过滤布的过滤负荷可提高30％，达到40～50m3/m2·h；玻璃纤维针刺毡的过滤负荷可达到50～60m3/m2·h，玻纤覆膜滤料的过滤负荷可达60m3/m2·h以上。
（2）作为新一代高效滤料的覆膜滤料将在不断完善基础上获得更加广泛的应用
覆膜过滤技术即表面过滤技术，是在滤料表面构造一层微孔膜态物。它依赖于成型膜的致密度以及附着在膜表面的粉尘层过滤微米数量级及其以上粒径的颗粒物。该膜态物本身具有耐水、耐油、耐腐蚀、透气性好、透气量高、微粒过滤等物理特性，扩大了袋式除尘器的使用范围。覆膜滤料的微孔结构滤尘效率极高，比普通的滤料提高了一个数量级，可满足严格的排放要求，特别是对人体可吸入性粉尘（<5μm）同样有很好的过滤效果。
（3）各种复合滤料制造技术将有效地推动高温滤料的系列化和多功能化，适应不同工况需求
复合滤料是指采用两种以上方法制成或由两种以上材料复合而成的滤料，主要体现在以下方面：
1）纤维材料复合
主要是将化学纤维和玻璃纤维进行复合，并进行特殊的化学处理。发挥了两种或两种以上纤维的优点，克服了化学纤维不耐高温、玻璃纤维不耐折的缺点，是价廉物美的耐高温滤料新品种。复合滤料的开发立足于市场的需求，针对各行业的实际工况精心设计，满足客户的要求，弥补了合成纤维性能之间的空白，更适合我国的实际情况。
2）渐进式滤料
是指滤料在加工时根据具体工况的需要选择不同细度的纤维和各层面不同的针刺密度加工工艺，使滤料结构具有不同的密度梯度。迎尘面的超细纤维层主要起过滤作用，有少数超细颗粒会进入超细纤维层。但穿透这层纤维的颗粒很少在滤料深层停留，将会被气流带走，其清洁阻力比PPS覆膜滤料约低35%，因此可保证滤料的高过滤精度和低而稳定的压差。另外，其余层面采用较粗的纤维，并在保障强力剥离的情况下适当降低针刺密度，确保粉尘不进入滤料深层，具有高效的三维过滤效果。
3）预涂层处理
将配制好的粉剂用特殊工艺溶进已缝制好的滤袋滤料内部，再用粘结剂固定，使滤袋未使用前就已具有高效收尘的能力。经预涂层处理后的滤袋在使用前形成了稳定的粉尘初层，比自然形成的粉尘初层具有两方面的优越性：预涂层在形成粉尘初层方面，可以选择透气性好、不易结块的粉剂，甚至可以选用阻燃、抗静电粉剂，容尘量也可控制，并且比自然形成粉尘初层过程的时间短，克服了新滤料前期除尘效率不高的弊病；在粉尘初层稳定性方面，预涂层的粉剂经粘结剂固定，稳定性好，可以降低压力波动对稳定生产的不利影响。
（4）高温滤料将向非织造布过滤材料、复合膜技术的过滤材料发展，向采用高技术、高性能的玻璃纤维、聚四氟乙烯、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维、金属纤维等材料开发多功能的滤料发展
国外对过滤材料的研究生产应用，已形成一个较完整的系统。每个滤布材料的性能（如透气性、强度、截留粒子能力等），都有一套完整的测试和试验手段，采用新材料开发的滤布不断增加。为了减少清灰阻力，国外已从织布类滤料开始向纤维栅类滤料过渡。纤维栅类滤料是将长纤维上下纵向布置形成一根根的栅栏，当一层栅栏过滤效果不理想时，再加上另一层栅栏，直至达到理想的过滤效果。为了减少粉尘泄漏、提高过滤性能、降低成本、延长使用寿命，可将细直径的玻璃纤维与耐高温的合成纤维优势互补，制成复合针刺毡滤料。
6 结语
袋式除尘器凭借其极高的除尘效率而得到广泛应用，其节能、环保意义重大。今后的15～20年，我国的袋式除尘器、高温滤料将会随着各行业对节能降耗及环保要求的不断提高而得到快速发展。随着技术水平的提高，其核心材料—高温滤料的各项性能将越发完善，使用性能将逐渐增强。将来还会有更多多功能、高附加值的功能性纤维和特种滤料问世。
由于滤料是易损部件，2～3年就需更换。随着国家环保标准的日趋严格和节能减排、清洁生产观念的深入人心，高温滤料的市场潜力巨大。滤料生产企业应加强技术革新，进一步提高产品质量，改变目前高端高温滤料主要靠进口的局面，降低应用企业环保投入成本，使高温袋式除尘技术的应用不断扩大。
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