聚四氟乙烯覆膜滤料及其在水泥行业粉尘污染控制应用
介绍了水泥行业的炉窑等高温烟气除尘工况对滤料技术要求，分析了聚四氟乙烯微孔薄膜与各种针刺毡复合滤料性能特点。指出聚四氟乙烯微孔薄膜复合滤料能够满足在水泥行业等高温腐蚀性烟气除尘工程的使用要求，具有较为广阔的应用前景。
我国水泥产量持续增长，连续22年产量居全球第一，技术不断进步，广泛采用新型干法水泥窑技术，为节能减排所作的贡献受到社会赞誉。以2007年为例，全国关停立窑生产企业520家，淘汰立窑水泥熟料与上年相比增长17%，粉尘污染物排放量得到一定程度抑制。日产能4000，5000，10000t规模的生产线，全线采用袋式除尘器已不鲜见，处理风量为几十万m3/h到数百万m3/h的袋式除尘器在水泥生产企业已不稀罕，特别是窑尾高温烟气也已采用袋式除尘器，发展势头令人鼓舞。
但是随着我国经济发展和人们生活质量期望值的提高，《国家环境保护“十二五”规划》、水泥行业“十二五”规划出台及新的《环境空气质量标准》(GB3095—2012)实施，对水泥行业的除尘要求愈来愈高，从宏观层面看，水泥行业的节能减排任务依然十分艰巨。
1、水泥行业除尘的滤料技术
水泥工艺的含尘气体参数差异较大，其中窑尾排放的烟气由于高温以及含尘浓度、粉尘粒径、含湿量以至于风量有较大的变化波动范围，还含有SOx、NOx等有害腐蚀性气体。因此用于窑尾的袋式除尘器滤料的选用要充分考虑到耐温耐湿、耐腐蚀、抗氧化、耐水解等综合性能，要从粉尘和气相污染物的排放限值，一次投资和经常运行费用，使用寿命的比较加以确定，在这一方面已有不少工程技术人员作过研究，并积累了不少颇为有益的经验。
由于我国水泥生产规模庞大，对滤料的需求量十分可观。例如5000t/d熟料生产线的窑尾处理风量约100万m3/h，10000t/d的窑尾处理风量则达约200万m3/h，所用滤袋的一次投资和经常费用不能小视，从全国规模考虑，滤料有其使用合理、可靠、经济性的意义不言而喻。
1.1、玻璃纤维滤料
水泥烟气除尘用玻璃纤维滤料已有较长历史。这是由玻璃纤维的性能和国家社会经济发展水平决定的。玻璃纤维有诸多优良性能，主要是抗拉强度较高、耐高温、耐腐蚀、几何尺寸稳定、表面光滑、价格相对便宜。其缺点是抗折性能差，这是玻纤用于滤料的一个致命性缺点。
1.2、聚四氟乙烯纤维
聚四氟乙烯(PTFE)由于优异性能，得到广泛应用。可以毫不夸张地说，PTFE的使用水平一定程度上反映了该国的技术经济发展程度。
PTFE的主要优异性能有：良好的耐温性能(正常使用温度为-250～260℃，瞬时可承受290℃高温)和耐湿性能，极其稳定的化学物理性能，耐强酸、强碱、油脂、酮、醚等侵蚀，能耐王水腐蚀，被誉为“塑料之王”;物理力学性能好，静摩擦系数在塑料中为最小，自润滑性能优良;不吸水，不被水解;对氧作用的极其稳定性，即抗氧化能力极强;阻燃性好，极限氧指数(LOI)高达95%以上。
1.3、聚苯硫醚(PPS)
PPS有良好的性能，化学物理稳定性好，能耐酸碱腐蚀，与其他高性能滤材相比，价格不是很高。其一个主要缺点是抗氧化能力较差，使用寿命受到人们的质疑。
1.4、聚酰亚胺(P84)
P84的性能优良，是一种公认的高性能滤料，但是其耐水解能力较差，此外价格昂贵。在工程使用上受到一定的限制。
国内外广泛应用的P84、PPS、PTFE和玻璃纤维等的性能各有特点，但是综合看，PTFE的优点更突出。例如正常使用温度，PTFE明显高，抗酸碱腐蚀性能明显要好。水泥行业窑尾等高温烟气除尘目前采用PPS滤料居多，但是其对氧化剂(例如O2)敏感，抗氧化性能还不够。而P84则耐水解能力较低。滤料的抗氧化和耐水解在工程实际使用有十分重要的意义。抗氧化是滤料介质对因受氧元素作用可能发生的氧化可承受能力。对PPS，在氧过量的烟气中，如有大量的氧存在，其能够攻击PPS分子中的硫(S)键，并与之结合生成硫氧化物(SOx)，使PPS纤维颜色变深变脆，强度降低。因此，在有较多氧的气氛中，PPS滤料的使用要谨慎。
以聚缩型聚合体加工成的合成纤维不耐水解，在水泥行业，特别是机窑头尾、烘干装置的尾气等，如用P84等就有可能出现水解。所用的滤料不仅要能耐高温、腐蚀，又要能耐水解或抗氧化，或同时具备。
2、复合滤料的开发及应用
PTFE有塑料之王的美称，其性能之优异已为工程技术界共识，在燃煤电站锅炉、垃圾焚烧、水泥行业机窑的烟尘除尘已得到成功应用，但是相对于玻璃纤维价格较高。玻璃纤维也具有相当优良的性能，这2种纤维的技术性能和经济性向我们提出了这样的思路：能否将这2种纤维复合，以尽可能提高其性价比。国外公司已有此种复合滤料的产品。国内生产厂家也进行了研发，并已成功研发这种具有高性能的复合纤维，而且性价比与国外公司产品相比明显高。
2.1、PTFE/玻纤复合滤料
其优点：
①PTFE纤维的使用温度高，长期使用为260℃，瞬时能承受280～290℃的高温，与玻璃纤维的使用温度大致匹配，即两者的耐高温性能同时相得益彰;
②PTFE纤维的横断面呈近似六边形，比表面积增加，较圆形断面的纤维表面积增加近60%，即此种纤维表面捕集灰尘微粒的效应强，可充分提高除尘效率，而玻璃纤维的断面为圆形，此2种纤维的复合可避免玻纤圆形断面的相对弊端;
③PTFE纤维由于其横断面为近似六边形，且表面不像玻纤那样光滑，有较好的抱合缠绕力。玻纤表现相对光滑和圆形横断面所带来的抱合粘合力较差的缺点得以弥补。当然这还要由特定的工艺条件保障。玻璃纤维表面还需经必要的改性处理;
④PTFE长纤维与玻纤复合可以机织成布，也可以采用一定的工艺过程切断成短纤维，经开松、梳理、针刺等多道工艺成毡，最后加工成滤袋。缝纫用线为PTFE缝纫线。
2.2、PTFE微孔薄膜覆膜滤料
PTFE微孔薄膜是一种具有很多微孔，且孔径可达亚微米至几微米的、且较均匀的一种高分子膜。从电镜扫描(SEM)照片(见图1)可以看出，这种膜是由纵横交错的纤维构成的三维结构膜，具有PTFE固有的一切优异特性。
图1 PTFE微孔薄膜电镜照片
膜分离技术是一种新型的分离技术，其应用十分广泛。膜分离技术既可用于气相成分分离，也可用于气固两相分离，除尘是气固两相分离技术的实际应用。
作为过滤介质，PTFE薄膜必须满足的基本条件是具有多孔性，即有足够大的空隙率，从而能凭借筛分、拦截、扩散和惯性碰撞、以至静电效应等多种捕集机理实现气固分离。分离效率与微孔薄膜的几何结构、孔径、固相微粒物性参数、气相物性参数和流动特性参数(包括雷诺数Re)等多种因素有关，这一方面已有许多经实际使用效果验证的研究成果发表。
覆膜滤料能实现表面过滤，代替未覆膜滤料的深层过滤(见图2)，从而使除尘效率提高一个数量级，而滤料的阻力可降低15%～25%，是一种当之无愧的节能环保产品。应当说明，深层过滤滤料的运行阻力随使用时间而增加，覆膜滤料的运行阻力经不长时间即保持定长，尽管初期短时间其阻力略高于未覆膜滤料(见图3)，此外覆膜滤料因清灰容易，剥离率高，可降低清灰脉冲频率，延长脉冲周期，可节省脉冲气用量。此外，脉冲阀是以脉冲累计使用次数为其寿命的判断依据，脉冲周期的延长即表明增长了脉冲阀寿命，增加了除尘器的运行可靠性。以上的分析说明，覆膜滤料从另一角度节省袋式除尘器所需的资源和能源，延长了滤袋寿命，提高了设备可靠性。
图2 表面过滤和深层过滤示意图
图3 覆膜与未覆膜滤料的运行阻力示意图
3、结束语
(1)PTFE有极好的耐酸碱腐蚀、耐高温、耐高湿、耐水解和抗氧化的优异性能，水泥行业炉窑和电站燃煤锅炉、垃圾焚烧等的烟气除尘领域具有广泛的应用前景。
(2)复合滤料综合具有单一滤料的优点，PTFE/玻纤复合滤料具有一定的优势。
(3)袋式除尘器是控制粉尘的重要设备，滤料是其核心技术，选用时，要综合考虑技术经济因素，对特殊氛围、工况苛刻的烟气必须选用高性能滤料，例如PTFE。
(4)PTFE薄膜具有优异性能，其覆膜得到的滤料是重要的节能减排产品。国内技术已和国外先进技术水平相当。
