我國高溫煙氣非織造過濾材料的現狀與發展前景

趙 奕，靳向煜，吳海波，黃 晨，劉嘉煒

(東華大學 產業用紡織品教育部工程研究中心,上海 201620)

隨著工業技術的快速發展，我國在鋼鐵、煤炭、水泥、化纖領域的制造與生產規模已位居全球第一，在火電、有色金屬冶煉、化肥領域位居世界前列。然而，各大支柱產業的發展帶來了嚴重的大氣污染問題。據文獻報道，2015年我國煙粉塵排放量高達約1 540萬 t[1-2]，其中工業煙、粉塵排放量為1 232.6萬 t，是我國煙、粉塵排放的最主要組成部分[3]。工業煙、粉塵主要來源于燃煤高溫煙氣、重油燃燒排放以及垃圾焚燒。針對工業生產與工業焚燒造成的大氣污染，越來越多的標準與法規相繼出臺以限制工業煙粉塵的排放。目前，國家環境空氣質量標準GB 3095—2012要求，工業區顆粒物PM10和PM2.5的年均排放濃度限值分別為70和35 μg/m3，總懸浮顆粒物年均排放濃度不得超過200 μg/m3。采用高溫煙氣非織造過濾材料可有效捕獲高溫煙粉塵顆粒物質，并起到過濾煙粉塵以及凈化空氣的作用，是緩解乃至解決煙氣環境問題的主要手段。諸如工況環境溫度高、氣體腐蝕性強等特殊作業環境對高溫煙氣除塵用過濾材料提出了較高的要求，即過濾材料必須具備較高的過濾效率、優異的耐高溫性能、較長的使用壽命以及合理的價格等條件。由于產品技術要求高且行業涉及面廣，高溫環保濾料逐漸成為產業用紡織品行業中的一個重要領域。

我國高溫煙氣過濾材料產業集群以“東有江蘇阜寧，西有河北泊頭，南有浙江天臺，北有遼寧撫順”的形式快速發展[4]。2018年，以江蘇東方濾袋股份有限公司和江蘇藍天環保集團有限公司為首的江蘇阜寧地區規模以上的環保濾料集群產值約達23億元，以浙江嚴牌過濾技術股份有限公司、浙江華基環保科技有限公司及浙江恒澤濾料有限公司為首的浙江天臺地區環保率濾料年產值約達20億元。據統計，江蘇省鹽城市阜寧縣擁有200余家濾袋企業，其中48家企業年產值高于3 000萬元，具有從原料到環保濾料非織造材料及配套設備的全套生產工藝和設備，加速了當地濾料產品的研發水平，提升了濾料產品檔次和區域品牌影響力[5]。浙江省臺州市天臺縣生產機織濾料的規模居我國前列，其生產的機織濾料多以具有三維結構的雙層織物和高強度的單絲濾布為主。此外，針刺非織造過濾布的發展趨勢也不容忽視，以芳綸、聚四氟乙烯等材料為代表的耐高溫產品和以滌綸等材料為主的常規產品共計40余種，總規格達1 000余種[6]。

1 高溫煙氣濾材原料及加工成型

隨著我國非織造技術的不斷革新以及高性能非織造過濾材料的開發，袋式除塵過濾材料的過濾效率大幅提高。隨后，耐高溫、抗腐蝕的功能化過濾材料問世，大量用于處理垃圾焚燒、重油燃燒、燃煤供能等產生的高溫煙氣，有效改善了粉塵顆粒對空氣的污染[7]。從我國發展趨勢及各國所呈現的知識產權成果來看，目前高溫煙氣非織造過濾材料用纖維原料主要為聚苯硫醚、聚四氟乙烯、芳綸、玻璃纖維、P84聚酰亞胺、亞克力和滌綸聚酯，且由這些材料制備的濾料普遍具有耐高溫或耐化學性的特點。

1.1 聚苯硫醚濾料

聚苯硫醚(PPS)纖維在400 ℃時才會發生分解，因此其在200～220 ℃時具有熱穩定性好、阻燃、耐輻射、耐化學腐蝕、絕緣以及力學性能優良等特點[8-9]。2018年，我國PPS纖維的年產量為4 000～5 000 t，年進口量為4 000～5 000 t[10]，市場價約為6.5萬元/t，主要用于燃煤電廠的粉塵過濾。PPS纖維濾料的抗水解功能優異，適宜在高濕的煙氣工況中使用[11]。但由于PPS是由對二氯苯和硫化鈉縮聚而成，其分子結構中的二價硫易造成PPS纖維氧化，進而造成濾袋降解，尤其將加快在NO2、NO和臭氧環境下的PPS濾料老化速度，致使其使用壽命迅速下降[8]。為提高PPS的耐氧化性能，采用二氧化鈦等抗氧化劑與PPS熔融共混，可使改性PPS纖維的抗氧化性能提高約30%，耐受溫度約達280 ℃。《紡織工業“十三五”發展規劃》提出，可通過提升PPS纖維高品質與差別化開發應用水平，來滿足我國高溫過濾材料日益增長的需求[9, 12]。由此可見，PPS纖維具有良好的應用前景。

1.2 聚四氟乙烯濾料

聚四氟乙烯(PTFE)纖維化學穩定性好，耐高溫、耐酸堿、抗老化且阻燃性能優良，其熔點為327 ℃[13]。目前制備PTFE纖維的常用方法為膜裂紡絲法、糊料擠出紡絲法和載體紡絲法，其中載體紡絲包括干法紡絲、濕法紡絲和靜電紡絲[14]。膜裂法是非織造用PTFE纖維的主要生產方法，其生產工藝簡單、無污染，且制得的纖維強度高，但存在的纖維直徑不勻和對生產溫度的要求較高等缺點限制了該法的應用。目前上海靈氟隆新材料有限公司等單位突破了其中一些技術難題，已具備生產PTFE纖維用膜、膜裂長絲和短纖以及縫紉線的技術[15]。2018年，我國PTFE纖維的生產規模已達約20 000 t，市場價為8.0萬～8.5萬元/t。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》[16]提出要提高垃圾焚燒處理率，即減少垃圾填埋土地的新要求。PTFE纖維濾料因具有極強的耐高溫特性和優良的耐化學穩定性，在高溫和腐蝕性氣體中的使用壽命較長[13]，這一特定優良性能使其更加符合垃圾處理的新要求。將PTFE纖維與普通針刺氈、玻璃纖維濾布進行復合，可獲得過濾精度高且清灰性能強的PTFE覆膜濾料[11]。由此可見，PTFE濾料具有廣闊的應用前景。

1.3 芳綸濾料

間位芳綸Nomex纖維的熱分解溫度可達371 ℃，瞬時工作溫度高達240 ℃[17]。相比Kevelar纖維， Nomex纖維成本較低，市場價約為12萬元/t。圣歐芳綸和煙臺氨綸股份有限公司的Nomex纖維產能在國內位居前例，年產量總和超2 000 t[18]。Nomex濾料的基布以芳綸機織布為主，其耐溫性能優于PPS濾料，力學性能和耐堿性優于芳砜綸纖維。通過針刺法加固的纖維間相互纏結抱合，形成的濾料蓬松且具有大量微孔的結構，有助于濾料攔截塵埃顆粒和容塵，同時良好的滲透性保證了氣體的流通。芳綸濾料適合在高溫、無酸、含水較少的工況中使用，廣泛應用于水泥窯頭、窯尾的煙氣過濾。

1.4 玻璃纖維濾料

玻璃纖維具有良好的絕緣性、耐熱性、抗腐蝕性和力學強度，是高溫濾料中用量最大的纖維原材料之一[19]。玻璃纖維濾料基布分為短纖基布和長纖基布，其中短纖包括普通玻璃短纖和純無堿玻璃纖維。2018年我國玻璃纖維總產量約為450萬 t，市場價約為普通玻璃短纖9 000 元/t、純無堿玻璃纖維11 000元/t[20]、玻璃纖維長纖基布4.6～8.0 元/m2。玻璃纖維針刺氈主要通過覆膜技術與PTFE膜復合形成具有易清灰、耐磨、耐折、高強等特點的高溫濾袋，煙氣過濾后的顆粒物排放濃度可達5～10 mg/m3，因此玻璃纖維濾料主要用于水泥窯頭、窯尾的煙氣過濾。

1.5 P84聚酰亞胺濾料

P84聚酰亞胺纖維是一種阻燃且耐溫穩定的纖維材料，其截面為不規則葉片狀。由P84聚酰亞胺纖維制備的濾料的最高耐受溫度可達260 ℃，常用于鋼鐵高爐、玻璃膠化、烘干過程中的過濾[21]，目前市場價約為16.5萬～17.0萬元/t。P84聚酰亞胺不耐酸堿且易于水解。當使用P84聚酰亞胺濾料時，需對廢氣進行一定的脫硫前處理，以降低氮氧化合物、硫氧化合物以及含氧和含水量等。P84聚酰亞胺纖維常與其他纖維混合，可充分發揮各類纖維的優點。例如：氟美斯(FMS)是由玻璃纖維針刺氈基布與P84纖維制備而成的，其濾料層緊密，纖維間纏結作用較強，適用于過濾風速高的特殊工況[15]；80%的PTFE纖維和20%的P84聚酰亞胺纖維混合制得的針刺非織造材料可用于過濾石油焦玻璃產生的煙氣。

1.6 亞克力濾料

亞克力纖維是聚丙烯腈類纖維中的一種，其外觀呈圓形或八字形，表面光滑，亞克力纖維具有更高的抗熱性能，同時抗化學腐蝕、耐水解及耐光照性優異。近年來，我國亞克力濾料以引進東洋紡的亞克力纖維為主，年進口量為7 000～8 000 t，而國產亞克力纖維的產能基本為零。憑借亞克力纖維獨特的性能，亞克力濾袋被廣泛用于陶瓷工業及含水率高的工況環境。

1.7 滌綸濾料

非織造用滌綸纖維主要有普通型、高收縮型、雙組分型、低熔點黏結型、阻燃型、遠紅外型等。濾料中的滌綸纖維主要為普通型滌綸，熔點約為260 ℃，瞬時工作溫度可達150 ℃[22]，市場價約為8 700元/t[23]。滌綸纖維濾袋具有耐酸、耐堿、耐磨的特點，其氈類濾材在常溫下具有良好的過濾清灰功能，因此被廣泛應用于常溫空氣過濾領域。

1.8 高溫煙氣濾材加工成型技術

我國在高溫煙氣過濾領域的研究起步較晚，1970年開發了玻璃纖維和滌綸纖維的機織高溫濾料。此后，過濾材料的成型方式也由原來的機織成型逐步轉化為以針刺、水刺等非織造技術為主的新一代快速、環保的加工成型技術。PPS、PTFE、玻璃纖維、P84、滌綸纖維的針刺濾料及其混合纖維的針刺濾料已被廣泛應用于高溫環保濾料領域。針刺高溫濾料所采用的加筋基布分為經編基布和機織基布兩類。經編基布由于其特殊的線圈結構(見圖1)，伸長性良好，具有較好的針刺低損傷效果。利用水刺技術成型的高溫煙氣濾材的纖維原料包括PPS、滌綸、滌綸/錦綸6雙組分纖維等。對于高溫煙氣濾材的加工技術而言，水刺成型技術與針刺成型技術的產品風格不同、生產速度不同，生產能耗也存在較大差別。從能耗方面考慮，水刺工藝的電耗能、水耗能較大，相比之下，針刺成型技術更為環保且成本較低。

2 高溫煙氣濾材的后整理技術

2.1 燒毛整理技術

燒毛整理可除去非織造材料表面的絨毛并形成一定的纖維間熔結，從而獲得表面光潔的非織造材料。由于整理過程中非織造材料與燒毛用的金屬輥表面接觸時間較短，因此既可有效燒去非織造材料表面的絨毛或熔結絨毛，又不會使非織造材料燃燒受損。

近年來，研究人員發現經燒毛-軋光整理的非織造材料具有更好的高溫過濾效果，如滌綸、玻璃纖維、聚苯硫醚等多種纖維原料的針刺非織造材料通過上下軋輥燒毛-軋光整理后，針刺非織造材料的孔徑減小，縱橫向強力基本不變，但濾效高達99.99%[24-26]。對高溫濾料進行燒毛處理可改善濾料的表面光滑度、平整度以及厚度均勻度，有利于清灰，且孔徑減小后粉塵不易進入濾料深層，明顯提高了濾料的使用壽命及過濾效果。

2.2 涂層整理技術

非織造涂層是在非織造基材上均勻地涂覆高分子聚合物或其他功能性物質，涂層后可在非織造基材表面形成一層連續且具有特殊功能性的膜[27]。這種涂層復合材料不僅具有非織造材料原有的特性，還增加了表面涂層賦予的功能。一般而言，非織造材料起骨架作用，為材料提供力學性能，而涂覆層提供材料的功能性。

PTFE乳液涂層劑是一種理想的功能性涂層劑[28]。Park等[29]采用PTFE乳液對PTFE/玻璃纖維復合濾料進行發泡涂層整理，在過濾速度為3 m/min，初始壓降為35.29 Pa，除塵頻率為6.5 m3/ h，最大壓降為980.29 Pa的條件下，復合濾料的過濾性能較好。杜林娜[30]利用PTFE發泡涂層在纖網表面形成“微孔”，采用PTFE對易受空氣氧化的PPS進行浸漬涂層，可有效提高非織造材料的抗氧化性、耐磨性以及拒水性。盧英俏[31]通過在PTFE涂層劑中添加一定的黏合劑和水性環氧樹脂對涂層的配方進行改進，并將其用于PPS過濾材料表面涂層，結果表明，經PTFE復合涂層劑整理后PPS濾料的表面形成了連續的薄膜，減緩了過濾過程中高溫氣體對PPS濾料的氧化作用，降低了其對PPS濾料的損害，使濾料的力學性能得到較好的保持。

2.3 覆膜整理技術

隨著近年來人們環保意識的增強和國家環保政策的不斷加強，目前新建企業，江浙滬等地區要求工業煙粉塵排放量低于10 mg/m3。單一的過濾基材無法達到此要求，研究發現覆膜工藝可有效提高環保濾料的過濾效率和精度。PTFE微孔膜具有良好的抗氧化和耐高溫抗腐蝕性，該膜可在濾料表層形成分布均勻且孔徑小的過濾面，能夠提高濾料的高溫除塵效率，且具有易清灰、使用壽命較長的特點[32]。目前，高溫環保濾料企業的產品中，約70%都為PTFE覆膜濾料。按厚度分，PTFE膜可分為薄膜(2～3 μm)和厚膜(8～10 μm)兩種；按耐溫范圍分，可分為常溫膜和高溫膜，常溫膜一般為薄膜，用于過濾要求煙粉塵排放量低于10 mg/m3的環境，而高溫膜一般為厚膜，用于過濾要求煙粉塵排放量低于5 mg/m3的環境。

目前，覆膜工藝主要有膠黏法和高溫熱壓法[33-34]。膠黏法通過在基布表面涂上一層較薄的黏合劑，使薄膜與基布覆合。由于黏合劑在高溫下易融化，將堵塞薄膜上的微孔，導致濾料透氣性下降。高溫熱壓法不使用黏合劑，其在高溫下將薄膜與基布熱壓復合，透氣效果優于膠黏法[32]。高溫熱壓法覆膜的在線設備如圖2(a)所示，復合過濾材料的上層為PTFE薄膜，下層為玻璃纖維針刺氈或PTFE等其他耐高溫纖維氈。PTFE薄膜的表觀形貌如圖2(b)和2(c)所示。采用高溫熱壓法將PTFE膜復合到高溫過濾基布上是目前高溫濾料市場中廣泛使用的后整理方式。

高溫熱壓法作為一種優良的非織造濾料覆膜方法，應用較為廣泛。魏海眉等[34]將PET非織造材料基材與PTFE微孔膜進行高溫熱壓復合，有效提高了覆膜濾料的過濾效率。但高溫熱壓法無法將傳統的PTFE薄膜與基布緊密地黏結在一起。為提高PTFE薄膜與基布的黏結強度：林茂泉[35]將經γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯劑(KH550)表面改性整理的PTFE薄膜與玻璃纖維機織布進行覆膜，改善了玻璃纖維基布PTFE薄膜的黏結效果；Wang等[36]利用高錳酸鉀和硝酸的混合溶液對PTFE薄膜進行化學改性，增加了PTFE微孔膜表面的親水基團，提高了PTFE微孔薄膜的黏結性和親水性。

2018年國內PTFE膜用量約為109m2，市場價為3～5 元/m。PTFE覆膜技術的關鍵點包括：覆膜基材的性能及表觀性能；膜材料的性能控制，涉及PTFE原材料質量、基帶質量以及成膜后的拉伸性能；膜與非織造材料之間的復合技術，涉及加工過程中溫度、速度以及壓力等工藝參數。

2.4 功能性整理技術

Dai等[37]研究表明，以PE/PP雙組分纖維為原料，通過撒粉裝置將具有降解催化功能的MnO2納米晶體噴灑入梳理成型的纖網，經同步固化和靜電駐極后整理制備集高效、低阻、過濾、高溫催化功能于一體的非織造過濾材料，結果表明，所制備的過濾材料的濾效、濾阻和品質因子分別為72%、54 Pa和0.22 Pa-1，甲醛降解率達100%。Su等[38]基于靜電紡聚丙烯腈纖維集合體與電噴霧TiO2分散液的反向集聚，制得納米顆粒與超細纖維均勻復合的層次結構材料，結果表明，該材料將甲苯降解并轉化為CO2的效率接近100%。針對有機揮發類物質的過濾，Yang等[39]基于在線復合的整理方法將混有納米TiO2的聚乙烯吡咯烷酮溶液與聚酰胺酸溶液通過兩個反向的噴絲管同步靜電紡，待纖維膜成形后于80～400 ℃高溫煅燒，獲得力學性能良好的多功能光降解催化過濾聚酰亞胺非織造材料。非織造材料的高孔隙率[40-41]、可控的孔徑分布[42]，以及與功能性納米顆粒之間良好的結合效果促進了其在功能性過濾領域的應用。

采用表面化學改性或層層復合物理疊加工藝，將光降解催化劑以浸漬或涂覆的方式負載于纖維材料上[43]，賦予其對有毒或有害氣體的降解性能，可避免有毒、有害物質的二次污染。常用的催化劑有兩類：一是如MnO2、CuO、Fe2O3等金屬氧化物，其通過催化氧化作用降解有毒物質；二是以TiO2為代表的半導體材料，其通過光催化作用降解特殊場合氣體中的有毒、有害物質。目前常用Ag修飾TiO2，含有Ag修飾TiO2負載后纖維材料催化吸收光譜更寬，不再局限于382 nm的紫外光，可提高TiO2光催化效率[44]。

2.5 后整理技術分析

通過分析近年來高溫煙氣濾材后整理技術的最新研究進展并結合工廠的實際生產情況，得到上述4種后整理技術的優缺點，如表1所示。

表1 4種后整理技術的優缺點

3 存在的主要問題

我國高溫過濾用紡織品行業近年來的發展穩步上升，但在纖維原料生產、加工成型、后整理及裝備、功能化材料技術等方面仍存在薄弱點，主要體現為：PPS、亞克力聚合體原料國產化不足，目前仍需大量進口，制約了燃煤發電用、陶瓷工業用高溫過濾材料的發展進程；熱覆合裝備精度不夠，設備仍依賴引進，不利于我國濾料加工覆合領域的技術拓展；離線式100%濾效的PTFE濾料加工技術及裝備有待研發，主要是開松與梳理過程中純PTFE纖維靜電大，阻礙了垃圾焚燒用濾料產品的加工效果；用于分解二噁英的濾料及裝備研發不足，難以深化濾料功能性材料技術的研究[4]。

此外，高溫濾料生產的智能化技術與裝備、產品自主創新水平、后整理覆膜工業規模、產品生產標準體系方面仍有不足。智能化技術與裝備不足：與國外先進成套濾料生產設備相比，我國濾料非織造材料設備的智能化元件、網絡化車間管理體系嚴重不足，難以實現集聚數據可視化、在線監控、預防性維護及智能決策等功能的非織造設備智能制造與信息物理系統的融合。產品自主創新水平低：以中端或低端卷材為主，鮮有高檔終端高溫煙氣過濾產品。后整理覆膜工業規模不足：主要以作坊形式存在，膜與過濾基材之間的工藝匹配性難以達到佳境，產品無法達到統一的高質量要求，阻礙我國覆膜后整理技術和工藝的發展進程。產品生產標準體系未建成：過濾用紡織品生產標準嚴重不足的問題較為突出，尤其是玻璃纖維針刺過濾材料生產車間缺乏完善的生產標準，難以確保生產安全。

4 我國高溫煙氣濾材發展戰略思考

經濟的蓬勃發展對我國高溫煙氣過濾材料生產技術提出了更高的需求，特別是濾料原料技術，規模化后整理技術，先進及智能化裝備技術，以及安全、環保化工業生產技術。這些技術的發展與突破有望精準提升我國高溫煙氣過濾材料的檔次，并擴大其在燃煤、重油燃燒、垃圾焚燒等煙氣過濾領域中的應用。

(1) 在濾料原料技術方面，加強專用高溫濾料原料的國產化技術，尤其是在量大面廣的PPS聚合體濾料原料、亞克力聚合體濾料原料的國產研發技術上，突破生產技術瓶頸，開發出燃煤發電領域、高含水率工況用的高質量環保濾料。

(2) 目前，我國高溫過濾非織造材料的后整理技術仍處于起步時期，PTFE覆膜整理的技術有待規范化、規模化，應進一步提高相應膜材料的質量把控等級，以提升高溫過濾非織造材料在工況中的過濾精度和均勻度。

(3) 在先進裝備技術方面，主要在覆膜后整理工藝中，提高國產熱覆合專用設備的精度，減少對進口設備的依賴，自主研發高精度PTFE覆膜玻璃纖維濾料。在純PTFE濾料的加工技術及裝備上需要解決開松、梳理工藝中存在纖維自身摩擦產生大量靜電的問題，力爭從設備改進、技術優化兩方面突破工藝瓶頸問題，從而解決離線式純PTFE濾料的加工難題。此外，推進高溫煙氣過濾非織造濾料的生產裝備從自動化向智能化的演變，加強非織造智能設備的自主開發及重點應用，建立濾料生產及整理過程中設備之間的聯通及數據共享，結合裝置工作狀況感知系統，達到實時監控非織造設備狀態的目標，推進非織造設備制造智能化，建立智能化、數字化的網絡管理體系。

(4) 以環境問題較突出的玻璃纖維針刺高溫過濾非織造材料生產為例，加工成型過程中產生大量的玻璃纖維揚塵，影響了生產一線操作人員的身體健康，同時也制約了玻璃纖維高溫濾料的高速、綠色工業化生產進程。未來，需對玻璃纖維針刺設備及廠房進行定點吸塵、阻塵、排塵的多方位改進，并制定嚴格的生產標準，確保安全、環保的生產環境。

5 結 語

隨著我國環保政策的不斷加強，高溫煙氣過濾材料的性能要求也將不斷提高，高質量、功能化、智能化、綠色生產的高溫過濾材料終端產品將有著廣闊的發展空間和較好的市場前景。攻克高溫過濾非織造材料在濾料原料技術、加工成型與后整理技術、先進及智能裝備技術、環保生產方面的關鍵技術問題，將推進高溫過濾材料的技術進步與應用，有望進一步降低多領域高溫工況中的粉塵排放，助力我國燃煤、重油燃燒、垃圾焚燒等工業的可持續發展，同時帶來巨大的社會效益和經濟效益。

6 致 謝

本文中的調研工作得到江蘇阜寧過濾材料產業基地、中國環保產業協會袋式除塵委員會、江蘇阜寧縣委組織部、江蘇阜寧縣阜城街道、上海靈氟隆新材料有限公司、江蘇東方濾袋有限公司、江蘇藍天環保集團有限公司、浙江天臺縣產業用布行業協會、浙江省產業用紡織品和非織造布行業協會、江蘇省紡織工業協會等單位的大力支持，以及東華大學邢斌、馬佳佳、徐歡、倪瑞燕等同學的幫助，在此一并致以謝意。