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除尘滤料的发展历史、现状与趋势

浏览: 时间:2017-10-25
粉尘是我国最严重的职业病危害因素,袋式除尘控制粉尘的最有效手段。袋式除尘器在中国已有60余年的发展历史,如今已被广泛用于电力、钢铁、水泥、有色、垃圾焚烧等诸多领域,成为粉尘控制的主流技术。由于袋除尘以过滤理论为基础,对颗粒通过扩散、截留、惯性、沉降等机理捕获,因此具有过滤效率高、控制粉尘粒径小的优点,成为粉尘治理和空气净化的最有效技术。
袋式除尘技术
在中国滤料的研发进程中,人们以提高效率、降低阻力为原则,相机开发了从机制布、绒布到针刺毡、覆膜针刺毡、浸渍针刺毡、水刺毡等一系列滤料。另外,由于不同的烟气环境给袋除尘器滤料提出了新要求,耐温、耐腐、疏油、疏水、抗静电等特种滤料也得以快速研发与普及,袋除尘器滤料还与袋式除尘技术互为依托,相互促进,相辅相成,不断前进,滤料也由一个附属性配材发展到一个年产值30亿元的产业,制造设备技术快速发展,产品质量已接近国际水平,并逐步进入国际市场。
1国产滤料发展史
我国滤料的发展可分为三个时期:
第一时期是从上世纪五十年代起到八十年,为滤料起步阶段,表现为自主研发、小规模应用滤料阶段,滤料的主要种类为机织布;
第二时期是从上世纪八十年代到上世纪末,为滤料成熟阶段,滤料研发加速,针刺毡出现开启了袋除尘及滤料应用的大规模普及,滤料主要种类为针刺毡;
第三时期从本世纪初到现在,为滤料高速发展阶段,随着袋除尘器在燃煤电厂的成功应用,以及国家环保标准的升级,适应于各种苛刻烟气环境的耐温、耐腐的国产滤料及纤维百花齐放,开启了滤料大规模产业化的新时代。
1.1第一时期
上世纪五、六十年代,袋式除尘器使用的滤料为普通工业机织布,个别高端应用场合采用工业呢。1974年武汉安全研究所研制了208涤纶绒布,并广泛应用于各种常温工业场所,开始了滤料国产化的进程,也使我国袋式除尘器进入新的时期。
尽管目前已有许多性能更加优良的滤料,但208涤纶绒布至今尚有个别地区在使用。208涤纶绒布是我国袋式除尘滤料由天然纤维织造转向采用合成纤维材料的开始,其研制使我国袋式除尘滤料从使用一般工业织物跨越到开始专门制造袋式除尘专用工业织造物——袋式除尘过滤材料的时代。
该时期内,形成我国第一代袋式除尘过滤材料。此阶段,高温场所使用玻纤织布(素布)。
1.2第二时期
1980年东北大学与抚顺第三毛纺厂研制开发了针刺毡非织造滤料,由传统的织造滤料走向非织造滤料是滤料织造技术革命性的转变。与织造滤料相比,非织造滤料具有低阻高效的特点,且生产流程短,易于形成一条龙自动化生产线,具有生产效率高、产品成本低、质量稳定的优点;更重要的是,非织造滤料便于根据不同行业、不同除尘设备对滤料种类、品种型号等要求实时进行材质、工艺及织物参数调整(包括符合),量身定做适合于当时当地工况所需要的过滤材料,这也是非织造滤料几十年快速发展的根本原因。非织造针刺毡可广泛用于反吹风、机械振打、脉冲反吹等多种袋除尘器,该种滤料至今仍是行业的主流滤料。同一时期,在高温滤料场所开始对玻纤纱线作硅油、石墨处理,形成的耐高温玻纤称作第二代玻纤布。
1985年宝钢设计院与上海火炬工业用布厂合作研制开发筒型聚酯机织滤料729滤料,用于反吹风长袋。729滤料的研发不仅解决了我国急需的高强低伸的过滤材料,采用缎纹织造方法和热定型后处理工艺,也为我国后续机织滤料的研发提供了新思维和技术平台。729滤料的研发使我国袋式除尘进入大型化、长滤袋的历史阶段。
1985年,应行业发展的需求,东北大学与晶花产业用布厂研制了Nomex耐高温针刺毡,并在高温烟气领域推广应用。这项研究采用粗纱工艺解决了高静电纤维在没有适当消静电剂条件下纺纱技术。Nomex针刺毡的研制应用标志着我国步入了高端滤料的研制和生产,对高温烟尘的合理排放提供了有效的控制手段。
80年代末我国开展了燃煤锅炉袋式除尘技术的应用研究。在北京劳动保护研究所牵头,东北大学等单位参加的七五攻关项目中,开始使用过滤理论对滤料结构进行系统设计,并根据制造设备和工艺的特点进行了参数优化,使滤料的研制与生产进入了较为科学化时代。
该研究探索了玻璃纤维毡暨玻纤复合毡的基本工艺,自此玻纤滤料也快速发展。90年代初期,南京玻纤研究院与南京三五二一厂研制出玻璃纤维毡、后处理工艺及配方,随后抚顺博格工业滤布厂和营口玻纤二厂合作研制并推广玻纤复合针刺毡。性价比优良的玻纤复合针刺毡的研制化解了在高温纤维由国外公司完全控制、高温纤维价格居高不下、纤维数量受控形势下,高温滤料无法大规模推广应用的难题。玻纤复合针刺毡成为我国独树一帜的滤料技术。
90年代中期,上海凌桥环保设备厂和上海四氟塑料厂先后自主研制出聚四氟乙烯膜过滤材料。覆膜滤料本是美国戈尔公司控制的专有技术,长期以高技术滤料傲居于中国市场。国产覆膜滤料打破了戈尔公司一统天下的垄断局面,使覆膜滤料得以在我国迅速推广使用。覆膜滤料的研制与推广应用标志着我国滤料进入世界先进水平行列。
同期东北大学与抚顺晶花产业用布厂研制推广高密面层过滤材料。高密面层滤料是以超细纤维组成面层,粗纤维做底层,经特殊扎光工艺的梯度滤料。它是一种阻力比覆膜滤料,过滤效率与覆膜滤料相近的滤料——即高效低阻节能型过滤材料。近十多年来,该种滤料结构型式得以迅速发展。
1.3第三时期
进入二十一世纪后,国家在环保排放监管上加大力度,陆续颁布了各行业的新排放标准,由原来的每立米几百毫克降低到50毫克甚至更低,给烟尘治理提出了新的要求。静电除尘器由于本身的技术特点所限,在一些场所很难达到排放要求,人们开始在一些苛刻烟气领域开始袋除尘的尝试。
2001年内蒙丰泰电厂袋除尘的成功开启了燃煤电厂袋式除尘大规模应用的新篇章,PPS(聚苯硫醚)滤料的份额大幅攀升。起初,各电厂使用纯进口PPS滤料,之后国内一些企业利用进口的PPS纤维研制了国产PPS滤料。由于进口PPS纤维的配额及市场限制,2007年-2010年东北大学、江苏瑞泰、南京三五二一特种装备厂联合研发了具有自主知识产权的国产PPS纤维及国产PPS滤料。几乎同时期,四川德阳也研发出了国产PPS纤维。中国已成为世界上制造和使用PPS滤料最多的国家。
烟气环境的苛刻条件对滤料提出了新的要求,也给各种原料纤维提供了良好的机会。烟台氨纶生产的国产芳纶,上海凌桥、常州中澳等企业生产的PTFE纤维,近来出现芳砜纶纤维,聚酰亚胺类纤维,以及金属纤维、宣武岩纤维也给滤料行业注入新的活力和更广的产品原料选择,使中国成为全球最活跃的滤料市场,从而把我国袋式除尘滤料推向创新时期。
在2010-2015年的国家十二五计划,我国PPS与PTFE混纺新型滤料在燃煤电厂得到成功应用,滤袋的破损率大大降低;同期,东北大学与浙江宇邦滤材科技有限公司、中钢天澄环保公司联合研发出海岛纤维滤料并应用于鞍钢冶金烟气治理获得成功;与厦门三维丝环保公司、南京三五二一环保公司研发出水刺毡滤料,在燃煤电厂得到广泛推广应用。
2滤料技术进步
根据现场应用需求的变化,在滤料发展的60年中,滤料无论从品种上、设备上还是规模上都有了很大的发展。
2.1滤料品种
按照滤料的加工方式和产品形式,滤料在发展过程中出现了如下产品:
1)208涤纶绒布。它是以涤纶短纤维交织形成斜织物之后,又在表面起绒的过滤材料。位于容尘面的绒毛在过滤时被压紧覆于布面上,较大地提高了过滤效率。在反吹时,成为松散状态,有利于粉尘剥离。
208涤纶绒布具有较好的耐腐蚀性、较小的吸湿性和较高的过滤效率以及在干燥状态下较好的清灰性能。所以研制出来以后迅速地替代了普通工业机织布和工业滤气呢。但是,结露后粉尘粘结到绒毛层上,通常无法清理并会使滤料阻力迅速增高,导致除尘器无法工作。
2)729机织滤料。它是我国首次采用缎纹织造,并经过热定型后处理的机织滤料。前期Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型采用棉型纤维(1.4×38mm),Ⅳ选用高强低伸型中长纤维(2.0×51mm)。棉型纤维过滤性能好,中长纤维有利于清灰。前期采用反织法工艺,尘面(五枚三飞经线缎纹)在外,净面(五枚二飞纬线)在内,适用于外滤。后又开发适用于内滤尘面在内,净面在外的正织法工艺。
729滤料组织致密耐磨性好,高强低伸型经向伸长小,适用于反吹清灰类弱清灰强度的长滤袋除尘器。
3)针刺毡滤料。它以基布为基础,在其上将纤维通过梳理成网或气流成网,通过针刺机将纤网针刺,形成上下勾连、具有三维结构的非织造滤料,再经烧毛、扎光、热定型等后处理制成成品。针刺毡纤维呈三维立体结构,过滤效率高,透气性好,阻力低,在过滤过程中阻力增长慢。在经过先进技术优化后,凭借细纤维和高密面层三维结构使其具有更高的捕集效率、低阻力和堪比覆膜滤料的清灰能力,具有较好的可靠性,在业内获得了广泛的应用,成为目前袋除尘器滤料的主流。
针刺毡的出现开创了我国非织造滤料的时代,技术研发与成品改良层出不穷。针刺毡按纤维材质结构等分为十余个种类,百余个型号。
4)覆膜滤料是以机织滤料或针刺毡滤料为基底,在其表面上覆一层经过双向拉伸制作成的微孔聚四氟乙烯薄膜。滤料覆膜以后形成以表面过滤为主、疏油、疏水的过滤材料,具有过滤效率高、易清灰的特点。但覆膜滤料在安装管理中应该谨慎操作,否则覆膜容易刮破、损害,造成较大面积起层脱落,性能受损。
5)浸渍滤料及涂层滤料
浸渍滤料是让普通针刺毡通过PTFE乳液,经高温、压光等处理后在滤料表面形成PTFE的浸渍层,增强了滤料的耐温、耐腐,提升了滤料的清灰能力。
涂层滤料使用涂抹或喷涂的方法,将PTFE乳液均匀的覆于针刺毡表面,形成微孔化PTFE层,具有耐温、耐腐、易清灰的优点,比浸渍方式节省成本,治理更加稳定。
6)水刺滤料
普通针刺毡利用金属钩针使杂乱无序的纤维互相缠绕抱合从而形成具有一定强力的过滤毡,该法的缺点就是对纤维与基布损伤大,孔径分布较大,且过滤毡层会产生针眼(粉尘容易切入)。最近正在加紧研发的水刺滤料采用高压、高密度水针代替机械钩针,最大限度地减少了对纤维和基布的损伤,同时避免出现针眼,孔径分布小且平均孔径更小,真正实现“高效低阻长寿命”优异性能,将是未来高端过滤材料的代表。
7)海岛纤维滤料
理论研究证明,过滤材料的捕集效率随着纤维直径的减小提高,因此,降低纤维直径一直是人们追求的目标。海岛纤维采用双组份耦合纺丝技术,制成单丝在1微米甚至纳米级的超细纤维。基于此纤维经过特殊工艺制成的过滤材料,无论在过滤精度还是过滤效率上都有很高的提升。
3.2产量规模
滤料品种不断创新的同时,滤料的产量也飞速发展,1985年、2005年和2008年全国滤料产量见表1所示。
表1全国滤料产量变化单位:万m2
袋式除尘技术
可以看出,我国滤料产量从1985年到2005年, 20年产量翻22倍。本世纪滤料更是快速发展,从2005到2016的10余年间,滤料产量几乎翻了2.5倍。我国年产量200万m2以上滤料企业15家以上,另有外资企业5家,其中年产量超过500万m2大型企业5家。
3.3  设备进步
我国滤料制造行业从最初的国产化研制到目前年产值50亿元,产业发展的一个明显特征是企业装备水平有了极大提高,部分企业已淘汰了老式梳理、针刺设备,采用新型梳理机、针刺机。在开松、梳理和铺网工序上,由老式的机械棉箱改进为气压棉箱,并采用大毛仓,梳理机由单锡林单道夫改进为双锡林双道夫,并且有少数企业采用带有自动称重和不匀度自动调整系统的梳理机械。
由于梳理设备的进步,使纤网不均匀度已可达到1℅左右。针刺机的针刺频率已达到1500次/min,布针密度达到5000针/m,针板已采用重量更轻的铝合金材料,整机由单针板改进为双针板。针刺机的技术进步提高了生产速度和滤料的制造质量,降低了能耗、占地面积及噪声。后处理已由过去的分单元进行烧毛、热定型、扎光、浸渍、涂层、干燥等处理改造为连续进行各种后处理工艺的一条龙后处理生产线,不仅提高了生产效率,更重要的是提高了后处理的品质。
后处理的烧毛机由单火口发展为双火口,可以更好的调整烧毛的温度、速度,控制烧毛的强度。轧光机由原来的双辊轧机发展到三辊轧机、轧辊表面温度达到300℃,不均匀度小于1℃。热定型设备由蒸气加热变为燃气加热、有的还辅以红外加热,热定型温度普遍可达到300℃,定型机内温度不均匀度小于5℃。
一些企业已装备有5.2m宽幅滤料生产线及5.2m宽幅处理生产线,已达到国外滤料生产水平。
我国有三家企业已经建成水刺滤料生产线,填补了世界上除尘用水刺滤料的空白,使我国滤料制造技术领先于世界。
滤袋缝制在80年代仅有晶花产业用布厂采用三针缝纫机三线同时缝制。现在所有制袋企业基本采用三针缝制。目前有许多企业已采用自动缝合(热合)生产线缝合滤袋,缝合速度达到15m/min,而且为了提高过滤效率,在缝线针孔与条逢采用密封处理。
3.4  国际竞争
就针刺毡滤料而言,我国自80年代中期就对日本有少量出口,但直到2000年后,才有较大量增长,但仍以常温滤料为主,高温滤料主要是随国外项目中的袋式除尘器一同供应。
2000年以来,多家外资滤料企业登陆中国,在中国设厂,抢夺中国市场。同时值得指出的是,在残酷的市场争夺中,中国滤料(包括合资企业和中国民营企业的滤料)凭借着优良的品质、较低的价格在国际舞台上占据越来越重要的位置并开始进入欧美市场。
4 滤料标准与质量检测
质量是产品的生命,随着社会的发展和行业应用水平的提高,产品质量逐渐成为决定市场的最主要因素。产品质量的提高依赖于两个因素,一是产品质量保证的标准,一是产品质量保证的检测技术。
4.1  标准制订
80年代,在中国环保产业协会袋式除尘委员会组织下,开展了袋式除尘系列标准的起草与制定工作,其中包括滤料及配件标准。1990年,由东北大学、抚顺晶花产业用布厂起草并完成了国家标准GB12625-90《袋式除尘用滤料技术条件》,并于2009年进行了修订,成为GB6719-2009《袋式除尘技术要求》。
与德国、美国和日本三个世界上具有滤料标准的国家相比,中国滤料国家标准兼顾了方法标准和产品标准两个方面,内容完善、实用。仅20年的现场应用和实践表明,这些标准在推动我国滤料技术进步和质量监督中起到了重要作用。
1998年制定了国家环保产品认定条件HCRJ 015-1998《袋式除尘器 滤袋》、HCRJ 042-1999 《袋式除尘器用滤料》。2006年,在对该标准作一定修订的基础上转为国家环境保护行业标准HJ/T327-2006《袋式除尘器 滤袋》、HJ/T324-2006《袋式除尘器用滤料》。
在此期间,还制定了覆膜滤料标准,玻纤滤料标国家准。
鉴于中国滤料研发历史、研究水平、国家标准的历史和影响力,并考虑中国滤料市场和中国滤料企业参与国际竞争、进入国际市场的需求,2005年中国与德国、美国、日本、奥地利一起进行了滤料过滤性能测试ISO国际标准制定工作,起草了“ISO 11057-2011 空气质量——可清灰滤料过滤性能测试”(ISO 11057 Air quality — Test method for filtration acterization of cleanable filter media),该标准与中国国标GB6719-2009的测试装置、测试方法完全兼容。针对滤料在现场应用中的耐久性,又起草了ISO 16891:2016 Test methods for evaluating degradation of acteristics of cleanable filter media可清灰滤料性能衰变评价的测试方法。
4.2  检测技术
检测技术对行业产品质量监督、维护行业秩序、保护用户合法权益起着关键的作用。
我国滤料产品的性能测试和研究起源于80年代,国家环保产品(滤料)质量检测单位——东北大学滤料检测中心经过近30年的发展,已拥有世界一流水平的测试系统和设备,能完成过滤材料全部性能检测,其中包括滤料的织物性能、强力性能、透气性能、过滤性能、耐热性能、疏水疏油性能、防静电性能、阻燃性能及材质分析,不仅满足滤料研发,而且对全国滤料质量监控、用户招标的公正性测试、用户质量纠纷仲裁起到了重要作用。
目前企业也加强了对产品测试的投入,一些滤料排头企业已经或正在建立滤料生产和质量控制所需的实验室,可完成滤料常规织物性能的检测,有少数企业还配有防静电性能及纤维性能等检测设备。
5 发展趋势
我国滤料行业早期是依靠产学研结合发展起来的。30多年前,中国的计划经济为早期滤料的研发提供了生产条件和物质基础,产学研优势互补、强强联合的模式也不断促进着我国滤料技术的快速进步。从30年前的208绒布、针刺毡、729机织布、耐高温针刺毡、覆膜滤料到高密面层滤料、梯度滤料,从天然纤维滤料、涤纶滤料、玻纤滤料到NOMEX、PPS、PTFE滤料,已由原来的几年一个新品种发展到现在的每年十多个品种,新产品研发已经成为企业的首要任务,企业在滤料研发中也扮演着越来越重要的角色。
从滤料行业的发展过程来看,由于我国在客观条件上的限制和行业的特殊性,该行业也出现了一些问题。我国滤料企业基本上都是民营,绝大多数企业规模小,资产量不高,难以同时承担多个大型项目,亟待快速发展,扩大生产能力,扩充资金来源;另外,滤料行业高水平管理人才及技术人才奇缺,以致管理水平、技术水平总体上不高。
由于人才缺乏及各地区经济发展不平衡,造成人才流动性大,一定程度延缓了企业的发展速度;再者,尽管我国滤料品种种类已基本上与世界水平同步,但产品质量稳定性差,这成为影响我国滤料发展的重要瓶颈。
在滤料研发过程中,其性能与产品适应性依赖于纤维的特性,滤料需求的巨大市场推动着纤维的创新与进步。近年来,高性能纤维得到迅速发展,芳纶、PPS、聚酰亚胺、PTFE纤维全部国产化,而且在世界占比十分可观,甚至有一定比例的出口。
由于中国袋除尘应用环境的苛刻性(如烟气的温度、湿度、化学成分等),工艺参数控制稳定性以及设备的管理水平,使得国产化滤料不得不适应不同工况,砥砺前行。这也为我国滤料的创新提供了发展的压力与动力,近年来研发的PPS/PTFE混纺滤料、海岛纤维滤料、水刺毡滤料、PM2.5专用滤料等都为世界首创,达到了国际领先水平。

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