新型高精度聚酰亞胺水刺濾料的研究

蔡偉龍，李彪，王巍

（廈門三維絲環(huán)保股份有限公司，福建 廈門 361101）

新型高精度聚酰亞胺水刺濾料的研究

蔡偉龍，李彪，王巍

（廈門三維絲環(huán)保股份有限公司，福建 廈門 361101）

在針刺聚酰亞胺濾料研究基礎(chǔ)上，引入新型水刺工藝，制備水刺聚酰亞胺濾料。通過孔徑分析、阻力特性和過濾性能等試驗(yàn)，對針刺法制備的新型聚酰亞胺濾料與水刺法制備的聚酰亞胺濾料進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，新型水刺聚酰亞胺濾料微孔集中在更小孔徑范圍內(nèi)，具有更低的運(yùn)行阻力、更長的清灰周期及更高的粉塵排放精度。

聚酰亞胺；水刺；高精度過濾；濾料

前言

近年來，我國各大城市霧霾天數(shù)大幅增加，空氣中粉塵等污染物的治理已被提上了日程。水泥行業(yè)的粉塵排放是空氣中粉塵污染物的主要貢獻(xiàn)者之一，國家對水泥行業(yè)的粉塵限額排放要求也逐級(jí)趨嚴(yán)。《水泥工藝污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2004）要求窯尾煙塵排放濃度≤50mg/m3，而近兩年頒布的《水泥工藝污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2013）已要求窯尾煙塵排放濃度≤30mg/m3。該標(biāo)準(zhǔn)已接近甚至已超過歐美發(fā)達(dá)國家的排放要求。

鑒于我國水泥行業(yè)的體量大，在“十三五”或“十四五”期間，該標(biāo)準(zhǔn)很可能會(huì)進(jìn)一步提高，這就要求水泥行業(yè)對粉塵排放技術(shù)也要進(jìn)一步趨嚴(yán)。袋式或者電袋復(fù)合除塵器是解決窯尾煙塵達(dá)標(biāo)排放的主要手段之一，而濾袋是袋式除塵器的“核心”部件，其是否能進(jìn)行高精度除塵并擁有較低的運(yùn)行阻力、較長的使用壽命，很大程度上決定了除塵器的性能的優(yōu)劣。針刺聚酰亞胺（下稱：PI）材質(zhì)濾料是水泥窯現(xiàn)今最常用的濾料之一[1]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)了新型水刺PI濾料。

1 試驗(yàn)

1.1 濾料制備

針刺PI濾料：纖維經(jīng)開松梳理，鋪成纖網(wǎng)，經(jīng)預(yù)針刺作用后進(jìn)入復(fù)刺主刺，再經(jīng)烘干后整理處理成成品。

水刺PI濾料：纖維經(jīng)開松梳理，鋪成纖網(wǎng)，經(jīng)預(yù)針刺作用后進(jìn)入水刺，水刺機(jī)的高壓“水針”對預(yù)刺后的纖網(wǎng)進(jìn)行固結(jié)，再經(jīng)烘干后整理處理成成品。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

OerlikonNeumag針刺生產(chǎn)線、Fleissner高壓水刺機(jī)AquaJet 4-2600-5、孔徑分析儀、FILTE-q公司VDI。

1.3 濾料性能評(píng)估試驗(yàn)

1.3.1 微孔分析

利用孔徑分析儀，依據(jù)泡壓濾速原理對濾料進(jìn)行孔徑測試。

1.3.2 VDI過濾性能試驗(yàn)

采用VDI儀器，依據(jù)《袋式除塵器技術(shù)要求》（GB/T 6719-2009）[2]中的濾料過濾性能檢測對濾料進(jìn)行過濾性能分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PI纖維

PI纖維簡稱PI纖維，是主鏈上含有PI環(huán)的一類聚合物，其芳香結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使PI纖維材料具有優(yōu)異的性能。PI纖維的極限氧指數(shù)（LOI）高達(dá)38%，極限氧指數(shù)是指聚合物在氧氣和氮?dú)饣旌蠚怏w中當(dāng)剛能支撐其燃燒時(shí)氧氣的體積分?jǐn)?shù)濃度，是表征材料燃燒行為的指數(shù)。由PI纖維制成的濾料可在240℃以下連續(xù)使用，瞬時(shí)使用溫度可達(dá)260℃。

2.2 針刺成型工藝與水刺成型工藝

2.2.1 針刺纏結(jié)機(jī)理

纖維經(jīng)預(yù)針刺作用后進(jìn)入主針刺，主針刺連續(xù)分布了多道上下針板，上下針板對進(jìn)入內(nèi)部的纖網(wǎng)層進(jìn)行高頻率的上針刺與下針刺，從而對布料進(jìn)行加固。當(dāng)纖網(wǎng)層進(jìn)入主針刺內(nèi)，鋼針利用勾刺將纖維帶入纖網(wǎng)層內(nèi)部，經(jīng)上下針板等連續(xù)多道針板的作用，纖維最終被固結(jié)。主針板的鋼針頭部區(qū)域帶勾刺，在高頻率條件上下振動(dòng)，易與纖維發(fā)生剛性作用使纖維受損傷。

2.2.2 水刺纏結(jié)機(jī)理

水經(jīng)加壓后再經(jīng)過水針板形成高壓“水針”，預(yù)刺后的纖網(wǎng)層進(jìn)入到水刺區(qū)后，高壓“水針”帶動(dòng)纖網(wǎng)層的纖維穿過纖網(wǎng)層，穿過纖網(wǎng)層的“水針”射到托網(wǎng)簾后，形成不同方向的反射作用，對纖網(wǎng)層起到類似“勾刺”作用。經(jīng)過多道高壓“水針”的正反面纏結(jié)，纖網(wǎng)層的纖維最終被纏結(jié)。因高壓“水針”與纖維之間的作用是柔性的，所以水刺成型對纖維的損失遠(yuǎn)小于針刺成型的濾料。

2.3 孔徑分析

以針刺為主刺的濾料，一般鋼針都是毫米級(jí)，刺針將纖維帶入纖網(wǎng)后再從纖網(wǎng)出來，經(jīng)固結(jié)后的濾料會(huì)有一定的針孔。而水刺技術(shù)中所用水針孔一般是100μm、120μm、140μm[3]，遠(yuǎn)小于針刺技術(shù)用刺針的大小，且針孔孔密度為10～30孔/cm大于針刺刺針的密度，故以水刺技術(shù)為主刺對纖網(wǎng)中的纖維纏結(jié)得更密實(shí)，針孔遠(yuǎn)比針刺的小。

由圖1可看出針刺PI濾料存有部分孔徑大于50μm的微孔，而水刺PI則沒有；針刺PI在30～50μm的微孔數(shù)量是水刺PI的3～4倍，水刺PI的微孔主要分布在30μm以下，其中10～30μm的微孔占比接近60%，10μm以下的微孔達(dá)35%左右；相對針刺PI濾料，孔徑小且集中度高，可以推測其具有更高的過濾精度。

圖1 針刺PI與水刺PI孔徑分布對比

濾料的過濾主要依靠粉餅層進(jìn)行過濾，粉餅層又可分為一次粉餅層與二次粉餅層，一次粉餅層是粉塵進(jìn)入濾料表層，與濾料一起形成的過濾層，二次粉餅層是粉塵被濾料截留在濾料迎塵面表面形成的。一次粉餅層的形成與濾料本身的材質(zhì)有關(guān)系，也與濾料表面微孔分布及微孔大小密切聯(lián)系。一般微孔孔徑較小的濾料形成的一次粉餅層對粉塵攔截效果更佳。在清灰后的瞬間，濾料迎塵面表面的粉餅層還未來得及生成，又或者面對能穿過二次粉餅層的粉塵顆粒，對于這兩種情況，濾料與粉塵形成的一次粉餅層的性能就起到?jīng)Q定性作用。濾料對于粉塵的捕集機(jī)理是依靠濾料的纖維或粉餅層對粉塵顆粒進(jìn)行截留、慣性碰撞、擴(kuò)散及重力作用等將粉塵攔截，從宏觀表現(xiàn)上看，主要是“篩分”原理，“篩分”粉塵的微孔依靠濾料表面形成的粉餅層，及粉塵與濾料之間形成的一次粉塵層，而一次粉塵層的質(zhì)量是與濾料的微孔性能相關(guān)，故濾料的孔徑大小及孔徑分布對濾料攔截粉塵的能力就顯得十分重要。

2.4 過濾性能測試

對濾料的過濾性能檢測過程中，體現(xiàn)濾料性能最主要的是老化階段及經(jīng)過老化后的對濾料進(jìn)行定壓噴吹的模擬。模擬過濾性能檢測，老化過程一般設(shè)置間隔5s進(jìn)行噴吹，共噴吹1萬次。在老化過程中，粉塵于極短的時(shí)間內(nèi)在濾料迎塵面表面形成粉餅層，經(jīng)脈沖噴吹后，迎塵面表面的粉塵層掉落后又再度迅速形成，如此循環(huán)。另一方面，濾料在老化過程中不斷對粉塵進(jìn)行過濾，當(dāng)粉餅層掉落后的時(shí)刻，濾料的性能顯得尤為重要。性能較差的濾料在此過程中，阻力上升極快，表現(xiàn)在實(shí)際工況中，則是進(jìn)出口壓差較大，需進(jìn)行高頻清灰。

定壓噴吹的模擬階段最能體現(xiàn)濾料使用穩(wěn)定后的性能，此階段的清灰周期、運(yùn)行阻力及排放濃度等對濾料在實(shí)際工況中的運(yùn)行都十分具有參考意義。清灰周期越長、運(yùn)行阻力越低、粉塵排放濃度越低，則表面濾料的過濾性能越好，該濾料在實(shí)際工況運(yùn)行中則越具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.4.1 濾料的老化過程

如圖2所示，水刺PI濾料的起始阻力比針刺濾料的大，主要是水刺PI較密實(shí)，透氣量較小。在1萬次老化過程中，水刺PI濾料與針刺PI濾料的阻力都逐漸上升。在噴吹后期，水刺濾料阻力上升的趨勢小于針刺濾料。噴吹6100～6400次時(shí)，兩者的阻力相近，超過6400次后，水刺PI濾料的阻力已經(jīng)小于針刺濾料的阻力。

圖2 針刺PI與水刺PI老化過程阻力對比

2.4.2 模擬過濾性能檢測階段（最后30次定壓噴吹）

如圖3所示，定壓噴吹30個(gè)周期過程中，水刺PI濾料與針刺PI濾料運(yùn)行阻力趨于平緩，水刺PI濾料在整個(gè)過程中運(yùn)行阻力始終低于針刺濾料50Pa左右，表明水刺PI濾料比針刺PI濾料具有更低的運(yùn)行阻力。

圖3 針刺PI與水刺PI阻力對比

如圖4所示，定壓噴吹30個(gè)周期過程中，水刺PI濾料與針刺PI濾料清灰周期也趨于平緩，水刺PI濾料在整個(gè)過程中的清灰周期始終比針刺濾料多200s左右，表明水刺PI濾料比針刺PI濾料具有更長的運(yùn)行周期，即在運(yùn)行相同的時(shí)間內(nèi)，水刺PI濾料的清灰次數(shù)會(huì)遠(yuǎn)低于針刺PI濾料。

圖4 針刺PI與水刺PI清灰周期對比

如圖5所示，運(yùn)行30個(gè)周期后，水刺PI濾料的過濾效率為99.9998%，針刺PI濾料的過濾效率為99.9965%，水刺PI濾料的過濾效率比針刺PI濾料高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明水刺PI濾料在控制粉塵排放方面具有更強(qiáng)的攔截能力。

圖5 針刺PI與水刺PI過濾效率對比

3 結(jié)論

（1）PI纖維由于良好的機(jī)械性能和耐溫性能，可在240℃以下連續(xù)使用，瞬間運(yùn)行溫度可達(dá)280℃，適用于水泥高溫?zé)煔夥蹓m過濾。

（2）水刺PI濾料是依靠高壓“水針”對纖維進(jìn)行柔性纏結(jié)，相對于針刺，大大減少了對纖維的損傷。另外，“水針”比鋼針細(xì)，也沒有鋼針的勾刺影響，造就了水刺PI濾料孔徑分布相對集中，同時(shí)也避免了較大孔徑的產(chǎn)生。

（3）在老化過程完成后，水刺PI濾料相對于針刺PI濾料的性能優(yōu)勢已完全體現(xiàn)出更低的運(yùn)行阻力、更高的運(yùn)行周期、更高的過濾效率。

（4）水刺PI濾料能夠滿足水泥行業(yè)的粉塵高精度過濾，且具有更低的運(yùn)行成本。

[1] 殷煥榮，李茹雅，等.水泥窯布袋除塵幾種常見濾料的性能研究[J].四川建材，2011（8）：23-25.

[2] GB/T 6719-2009袋式除塵器技術(shù)要求[S].

[3] 鄧文義，沈恒根，蘇亞欣.燃燒源PM2.5控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].大氣污染防治，2013（1）：85-90.

Research on Polyimide Spunlaced Filter Materials with New-type and High Precision

CAI Wei-long, LI Biao, WANG Wei
(Xiamen Savings Environmental Protection Co., Ltd, Fujian Xiamen 361101, China)

Based on the research of acupuncture polyimide filter,a new spunlace technique was introduced to prepare spunlace polyimide filter. The results show that the new spunlace polyimide filter prepared by spunlace method, possesses smaller pore size distribution, lower operating resistance, longer cleaning cycle and higher dust discharge accuracy. However,the polyamide filter prepared by acupuncture method exhibits a decreased filtration performance.

polyimide; spunlace; high precision filtration; filter material

X701 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-5377（2017）09-0039-04