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技术论文
2010-10-15

PTFE覆膜滤料在袋式除尘器中的应用

摘要:本文介绍了国产化产品大宫聚四氟乙烯薄膜的特点及其PTFE覆膜滤袋在水泥工业高温袋式除尘器中的应用情况。与国外同类著名品牌的相比,大宫聚四氟乙烯薄膜微观结构均匀、超细粉尘过滤效果好、性价比高,可以在水泥等多种行业中发挥重要作用。

  一、概述
 
  近年来,随着新型干法水泥生产的快速发展和国家对环保要求的不断提高,在许多场合的废气除尘袋式除尘器正在逐步替代电收尘器。水泥工业正是如此,大型高温袋收尘器已经越来越多的用于现代干法水泥工业中。
 
  在现阶段淘汰落后产能政策的实施以及煤电等成本上涨都使得水泥行业面临着巨大压力。同比国际先进生产企业,我国水泥行业单位产量综合能耗比高很多。其中不合理滤料的使用也是造成能耗增加的原因之一。
 
  二十世纪九十年代末初,随着新型滤料——聚四氟乙烯(Poly-Tetra Fluoroethylene- PTFE)覆膜滤料的出现,在我国市场上,一些国外知名品牌产品开始在水泥行业得到使用,但其价格昂贵,在水泥这种低附加值高能耗行业里推广使用确实是遥不可及因此,为满足国务院(2006)年初提出的能耗降低4%、粉尘排放小于30mg/Nm3的指标,大宫公司以国产化为目标,自行研发出一种性能价格均优的新型PTFE覆膜滤料—DAGONG-TEX®,来满足中国市场对PTFE覆膜滤料价廉物美的要求。从微观结构、过滤性能、使用周期等均在水泥企业得到实际应用和考验,证明了该滤料与国外同类产品相比,具有相当的优越性。同时在海外市场也得到大量成功的应用。
 
  二、过滤的工作原理
 
  袋式除尘器是一种高效除尘设备,它除尘的机理主要是拦截和过滤。由于它不像电收尘器对粉尘的粒径、比电阻等理化特性敏感,且对2u以下微尘其收尘效果要成倍优于电收尘器。当除尘效率超过99.5%以后,电收尘器的电晕功率急剧增加,如果电除尘器效率在99.8%以下,其能耗低于常规袋除尘器;反之,除尘效率超过99.8%时,其能耗就高于常规袋除尘器。
 
  事实上,按照新标准,除尘效率往往必须达到99.9%以上,导致电收尘器的能耗及初投资急剧增加,从而使电除尘器对袋除尘器的传统优势完全丧失。
 
  而袋式除尘器的核心部件—滤料,其性能的好坏将直接影响设备的能耗。
 
  下面先介绍滤料两大分类,普通滤料和覆膜滤料在过滤原理上的区别。
 
  普通滤料即传统的针刺毡、编织滤料等。其工作原理是所谓的“深层过滤”技术(图1a),即通过滤料纤维的捕集,先在滤料表面形成“一次粉尘层”(即粉饼),再通过这层粉饼来过滤后续的粉尘。在使用初期,由于滤料本身的空隙较大,部分粉尘会穿过滤料排放出去。只有当粉饼形成后,过滤过程才真正开始。继续使用后,滤料表面的粉尘会逐渐渗入到滤料中,导致滤料孔隙堵塞,使设备运行阻力不断增加,直至必须更换滤料为止。
 
  覆膜滤料是在普通滤料表面复合一层聚四氟乙烯(PTFE)薄膜而行成的一种新型滤料。这层薄膜相当于起到了“一次粉尘层”的作用,物料交换是在膜表面进行的,使用之初就能进行有效的过滤。薄膜特有的立体网状结构,使粉尘无法穿过,无孔隙堵塞之虞。这种过滤方式称为“表面过滤”(图1b)。覆膜滤料不仅可实现近于零排放,同时由于薄膜不粘性、摩擦系数小,故粉饼会自动脱落,确保了设备阻力长期稳定,因此充分发挥了袋式除尘器优越性,是理想的过滤材料。
 
  两种滤料的不同过滤方式如图1所示:

 

(a) 普通滤料的深层过滤

(b) 覆膜滤料的表面过滤

图1:普通滤料和覆膜滤料的不同过滤原理(清吹阶段)示意图
 
  普通滤料具有价格低廉的优势,但运行后阻力较大、能耗高,难以长期实现低于30 mg/Nm3的排放指标要求。相比之下,覆膜滤料价格偏高,但排放含尘浓度可达30 mg/Nm3甚至10 mg/Nm3以下,设备是在低压下运行能耗极大的降低,寿命长达3年以上。以实际200,000m3/h水泥磨集尘器按运行阻力降低500Pa计算,其每天节电842.4度,已0.5元/度电费计算可节省约420元钱。按每年正常运转255天计算,每年可节省电费约10.7万元。按三年的正常使用考虑,其性价比更优于普通滤料。
 
  三、DAGONG-TEX®
 
  DAGONG-TEX®膜是以PTFE树脂为原料,经特殊的工艺制成,是一层具有不粘性、光滑和多微孔薄膜,微孔数量可达1×109/cm2,可以覆合在传统的针刺毡和编织滤料表面,具有以下特点:
 
  ●  优异的过滤效率(99.99%以上);
  ●  卓越的尘饼剥离性能;
  ●  光滑表面使糊袋现象大大减少;
  ●  过滤风速高,能耗低;
  ●  可捕集粒径1 mm以下的超细粉尘;
  ●  开孔率:85~93% ;
  ●  孔径分布均匀,控制在0.05~3mm的范围内(可根据实际粉尘的颗粒大小,提供孔径合适的膜材料,以达到最佳的效果)
  ●  温度适用范围:—180~260℃
  ●  耐化学腐蚀性(除熔融碱金属、元素氟气体有轻微腐蚀以外)
 
  DAGONG-TEX®膜的优良性能与其均匀的微孔结构密切相关,如图2所示。
 
  因此可从以下几方面对PTFE薄膜进行评定,其中包括PTFE膜纤维结构的均匀性及PTFE膜的开孔率和PTFE膜纤维结构的刚性及PTFE膜的弹性。

  四、节能、减排与设备及滤料的关系
 
  袋式收尘设备是利用过滤原理,将气体中的固体颗粒进行分离,主要用于收尘、气体净化和粉料回收。其特点是:过滤效率高,在试验室高达99.9999%,在实际工程应用中,可达99.999%以上。经过覆膜滤料过滤后,粉尘浓度可降到10mg/m3以下,甚至达到1mg/m3;同时袋式收尘器的分级效率高,对PM10、PM5、 PM2.5等微细颗粒物也有很高的捕集效率。这是袋式收尘器技术原理所决定的,这个原理就是过滤式收尘器的机理,再小的颗粒物都会被捕集下来。是属于干式气体净化,没有水污染;可以处理高浓度(1000g/m3以上)含尘气体净化或用于物料回收。因而广泛用于钢铁、水泥、电力、有色金属冶炼、垃圾焚烧、铁合金、化工、医药等诸多行业。
 
  使用袋式除尘器,必定用风机给气体施加动能,将粉尘以气体的形式使其强行通过滤料进行过滤,然后把过滤后的清洁气体排入大气。气体的动能来自于风机电机,当人为的降低了气体的动能则动力源的动力消耗也随之大幅下降,而达到节约能源的目的。在除尘系统中,气体的动能取决于风机的全压;而风机全压的大小又完全取决于除尘系统的总阻力;而在袋除尘器中滤袋部分的阻力大约占总阻力的70%以上。我们可以看出滤料的性能决定了设备的阻力,设备的阻力改变了设备的能耗。从下表列出的数据可以看到阻力与能耗的关系:
 
处理风量
Q(m3/h)
压差值
ΔP(Pa)
风机效率
系数(E)
电费单价
D(元/度)
年耗电量
(万元)
480,000.00
250
0.65
0.60
24.13
480,000.00
500
0.65
0.60
48.27
480,000.00
700
0.65
0.60
67.57
600,000.00
250
0.65
0.60
30.17
600,000.00
500
0.65
0.60
60.33
600,000.00
700
0.65
0.60
84.46
800,000.00
250
0.65
0.60
40.22
800,000.00
500
0.65
0.60
80.44
800,000.00
1000
0.65
0.60
160.88
960,000.00
500
0.65
0.60
96.53
960,000.00
1000
0.65
0.60
193.06
表1
 
  目前我公司生产的产品在水泥窑尾袋式除尘器上应用,以07年安装的福建某水泥厂为例;该厂2500T/D的水泥窑尾收尘设备,从使用至今滤袋的平均阻力为1000Pa,比保证阻力低300Pa,比许多其它收尘器阻力低600Pa,目前该厂已提产至2850T/D。按表1以风量480,000m3/h计算,废气风机每年节约电耗至少50万元。
 
  五、DAGONG-TEX®薄膜滤料在水泥工业中的应用
 
  水泥制备工艺流程中的很多环节上都需要进行烟尘治理,其相对于其他工业过程的特殊性在于,同时存在环保除尘设备和工艺除尘装置,既要防止向大气中排放,也需要回收水泥粉末用于后续环节,如水泥磨部位就装有典型的工艺收尘装置。
   
  当然,在工艺流程中并非处处采用覆膜滤料,否则会加大投资和运营成本。按照目前流行的观点,在水泥磨、水泥窑尾以及煤磨等部位最需要采用覆膜滤料。在引入了低温余热发电技术后,水泥窑尾的温度处于滤料可承受的范围内。
 
  DAGONG-TEX®薄膜滤料可在不改变现有设备的条件下使水泥厂环保达标,并实现产量提高、降低成本、节约能源等方面,发挥了重要作用。
 
  下面列举几个实例:
 
  (1)江苏某水泥厂水泥磨用除尘
 
  该公司有一套德国KHD设计制造的5250 t/d水泥熟料生产线,并采用“一托二”粉磨技术,配套了设计能力为300 t/h的水泥粉磨系统,由一台MPS5000BC立磨预粉磨和两台Φ4.2×12.5 m球磨机组成。在窑系统提产到6700 t/d以后,为消化增产的熟料量,水泥磨系统经过改造,除了改进了助磨剂、质量改进剂外,还使用大宫PTFE薄膜滤料,将处理能力提高30%,达到352 t/h(比表面积也从320±10 m2/kg增加到360±10 m2/kg)。
 
  水泥磨系统采用了德国GORCO公司在线脉冲喷吹袋式除尘器,工作参数如下:
 
  过滤风量:           220000 m3/h
  工作温度:           80~100℃
  滤袋条数:           1260条/台
  滤袋规格:           Φ160×4500 mm
  压缩空气消耗:    364 m3/h
  清灰压力:           6 kg/cm3
  处理粉尘浓度:    1000 g/m3
  过滤面积:           2850 m2
  过滤风速:           1.29 m/min
 
  灰斗下料方式:双向绞刀,中间下料。
 
  清灰方式为“COANDA”二级喷吹高效清灰,即:压缩空气经喷吹排管进入文丘里喷射器环气腔后,通过文氏环隙喷出,形成垂直向下的高速气流,并在文丘里管上部形成负压,卷吸大量外部空气向下进行清灰。
 
  原滤袋为普通针刺毡滤袋,运行压差在150~175 mmH2O。在生产普通水泥和复合水泥时,由于大量使用粉煤灰且比表面积控制在360 m2/kg以上,经常造成糊袋,袋收尘入口负压降低,选粉机回粉增加,导致产能降低,必须停磨处理。磨机运转率受很大影响。针对以上情况,并考虑到ISO 14000认证对排放的要求,采用了我们DAGONG-TEX®覆膜滤袋对两台主工艺袋式除尘器进行了改造。
 
  从2002年8月投入使用后三个月内运行压差始终保持在≤95 mmH2O;经环保部门检测,排放浓度<20 mg/m3;半年后压差稳定在115 mmH2O左右。球磨系统单位产量增产7~10%,尤其在生产PC 32.5水泥时,产量近400 t/h,粉煤灰添加量在20%以上时,从未发生过糊袋现象,生产十分顺利。迄今为止,该批DAGONG-TEX®覆膜滤袋已正常工作了3年多并仍在使用。
 
  图6为除尘器的运行压差纪录。
 

图6:DAGONG-TEX®覆膜滤袋的运行压差纪录

  球磨工艺袋式除尘器在使用DAGONG-TEX®覆膜滤袋后,也大大改善了通风和粉尘排放,磨机单位产量和设备运转率提高,维修工作量降低,使综合成本降低。以一台除尘器为例,年节约压缩空气约100,000 m3,折合电费约5万元,以产量提高5%计算,单位水泥电耗降低约1.5 kWh,一台磨机年处理水泥约130万吨,年节省电费用约85万元。虽然覆膜滤袋一次投资成本较高,但按3年的寿命计算,同普通滤袋相比综合费用更低,所节省费用远远高于成本的增加,故使用覆膜滤袋的经济效益十分明显。

  (2)上海某水泥厂窑尾收尘

  该公司原窑尾收尘器为静电收尘除尘器带低温余热发电系统。回转窑产量逐步由原设计的1050 t/d提高到了1500 t/d后,排放远达不到上海市的排放要求,小于等于30毫克。

  为此,2004年3月公司将静电除尘器改造成电-袋复合式除尘器,全部采用国产设备(部件)和技术,经过近5年的运行,系统稳定,完全达到了设计指标。

  该收尘器进口温度230℃左右由于窑尾烟气工况较复杂,湿度高、含尘浓度高、烟气黏附性较强,而且窑尾除尘器在水泥厂中属主要设备,(该系统同时也焚烧工业垃圾)所以要求可靠性高,使用寿命要长,对袋式除尘器而言,则对布袋和脉冲阀等主要部件要求较高,其中占改造投资比例最高的布袋尤为重要。所以,针对该工况的具体情况,我公司采用了不同于国外570克的玻纤覆膜滤袋而选用了800克以上并极具柔软性及耐高温、易清灰、对粉尘捕集率高的窑尾专用玻纤覆膜滤料。

  DAGONG-TEX®覆膜滤袋在该除尘器已成功使用了5年,目前仍在运行中,其运行压差前4年始终稳定在90-100 mmH2O,4能后运行压差开始上升至140-160 mmH2O。每年两次的环保测试表明,粉尘排放浓度都低于20 mg/Nm3。在前三年半,未更换过一只布袋,破损率为零。至今为止滤袋破损率为1%。2006年底,专门取下两只布袋进行测试,结果滤袋表面覆膜完好,滤袋上口部强度指数只下降了10%,下半袋底部强度指数最大下降20%,由此可以判断,完全可以实现5-6年的使用寿命。创国内在窑尾脉冲玻纤覆膜滤袋寿命使用记录。

  袋式除尘器的相关工作参数如下:

  过滤风量:270000 m3/h(原料磨、余热锅炉全开)(实际为300000 m3/h)

  工作温度:<150℃

  滤袋条数:1440条/台     滤袋规格:Φ160×6500 mm

  空气消耗量:3 m3/min       清灰压力:0.25 MPa

  处理粉尘浓度:80 g/m           过滤面积:4705 m2

  过滤风速:0.95~1.06 m/min脉冲阀:淹没阀

  图7为除尘起运行压差的纪录

  该设备4年内的平均阻力不大于1150Pa,按300000m3/h计算,ΔP为500Pa,共节约能耗达120万元。

  (2)上海某水泥厂窑头除尘

  应用在该厂水泥窑头部位(带烘干机)收尘器,DAGONG-TEX®覆膜滤袋至今已成功使用了2年9个月保持零破损。其运行压差始终稳定在70~95mmH2O,粉尘排放浓度都低于20 mg/Nm3。该窑头除尘器前端有烘干机,主要粉尘组成(水泥熟料、黄沙和矿渣),该工况技术描述如下:

  过滤风量:180000 m3/h(实际210000 m3/h)

  工作温度:<150℃       瞬间  220℃

  滤袋条数:1092条/台     滤袋规格:Φ160×6500 mm

  空气消耗量:3 m3/min       清灰压力:0.25 MPa

  处理粉尘浓度:150 g/m3           过滤面积:3566 m2

  过滤风速:0.84~1 m/min

  该设备从2005年5月开始使用,每月都对系统阻力进行跟踪记录,图8为除尘器运行压差的纪录

图8:DAGONG-TEX®覆膜滤袋在水泥窑头运行压差纪录

  实践证明,DAGONG-TEX®覆膜滤袋不仅满足了设计要求,也保证了电-袋复合式除尘器的可靠运行,为国内大量窑头静电除尘器的技术改造提供了宝贵的经验。在这种复合式除尘器中,袋式除尘器正是发挥了收集超细粉尘的优越性,从而弥补了静电除尘器在这方面的弱势。无疑,这对于希望低成本改造原有静电除尘系统的水泥企业来说,是个有效和可靠的选择方案。
 
  六、 结论
 
  DAGONG-TEX®覆膜滤袋完全可以满足低于30 mg/Nm3的粉尘排放指标。同时低阻力的运行也节省了大量的能耗。
经过几年的实践与使用厂家的配合,大宫公司已摸索出一套针对玻纤滤袋使用的规范。
 
  无论从PTFE薄膜的微观结构、工作性能、还是实际使用情况,以及性价比等方面看,DAGONG-TEX®覆膜滤袋不仅拥有我国的自主知识产权,而且与国际著名品牌产品的质量不相上下,甚至部分性能更为优越,完全可以为我国工业的可持续发展和环保事业做出更大的贡献。
 
  参考文献
  1.  林宏:电-袋复合除尘器的开发与应用,天津水泥工业设计院,《水泥》,2005,No.2,p37-40
  2. 方伟,王永健:窑尾电收尘改为电——袋收尘技术和使用经验,水泥技术,2007, No.1
  3.  李钟:水泥粉磨系统提高运转率、增产节能的措施,《2003水泥技术交流大会暨第六届全国水泥技术交流大会论文集》,p173-178
  4.  刘英华:在线脉冲喷吹袋式除尘器及覆膜滤袋之应用,《2003水泥技术交流大会暨第六届全国水泥技术交流大会论文集》,p305-308
  5.  王作杰:水泥窑系统电除尘器改为袋除尘器,《2008中国水泥除尘技术高峰论坛论文集》,p19-23
  6.  张延民:袋除尘节能75%和制造成本降低50%的研究与应用,《2008中国水泥除尘技术高峰论坛论文集》,p77-86