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    内容:

    燃煤锅炉袋式除尘器用新型滤料的研发及其应用

    沈恒根  李  华  东华大学环境科学与工程学院,上海200051,[email protected]

    刘书平  王成彪  上海博格工业用布有限公司,上海201706,[email protected]

    方爱民  肖宝恒  国电南京环保研究院,南京 210031

     

      简介燃煤电厂锅炉袋式除尘器使用情况和国内外使用差异,重点介绍了PPS和PPS+P84纤维针刺毡滤料及其使用条件、新近研发的低阻高效PPS和PPS+P84梯度针刺毡滤料、高温高硫系统使用的PTFE纤维复合梯度针刺毡滤料。给出了部分滤料的试验测试结果和梯度针刺毡滤料使用工程示例名录。

    关键词  燃煤锅炉  袋式除尘器  梯度滤料  纤维复合  高温滤料

     

    1 前言

    近年来采用袋式除尘器控制微细烟尘倍受关注,综观国内外电厂锅炉袋式除尘器的应用情况,袋式除尘器出口烟尘排放浓度均低于50mg/mN3,甚至达到10mg/mN3以下。对于燃用低硫煤的电厂锅炉,采用电除尘器要达到该浓度有相当难度。与静电除尘器相比,袋式除尘器性能不受飞灰比电阻的影响,飞灰浓度和粒度的变化、锅炉运行负荷的变化、烟气量波动等情况下,对袋式除尘器出口排放浓度影响也极为有限。加之施工安装快捷与运行管理简便,袋式除尘器日渐成为火电厂用户欢迎的除尘设备。

    采用袋式除尘器实施燃煤锅炉烟尘控制,国外已有30余年的应用历史。上一世纪,美国在70年代率先在燃煤锅炉行业采用袋式除尘器;同期澳大利亚也在燃煤锅炉上采用,而且到90年代初期,已在80%以上的电站锅炉除尘项目中使用;70年代中后期开始,欧盟国家以每10年10%的份额递增速率增加袋式除尘器的使用。袋式除尘器已成为发达国家控制大气环境颗粒污染物必不可少的技术装备。

    上世纪

    80年代我国电力部门在多个电厂开始试用袋式除尘器,80年代中期锅炉容量为260T/h(云南巡检司电厂2台×130t/h,玻璃纤维滤袋,过滤风速0.49—0.53m/min,滤袋1080条10m×Φ300mm/台,10袋室,净化后烟气反吹,清灰阻力1200Pa,烟尘排放浓度47—63 mg/mN3),后期已达到1080 t/h,由于采用的滤袋不能满足电厂锅炉长期稳定运行的使用寿命要求等问题,造成90年代初又回落到260t/h,之后10余年无发展。由于袋式除尘器滤袋技术不成熟,电除尘器成为我国燃煤锅炉烟尘控制配套使用的除尘设备。

    2001年底,在内蒙古呼和浩特丰泰发电有限公司采用德国Lurgi公司低压回转脉冲袋式除尘器技术(进口PPS+P84复合滤料,过滤风速1.13m/min,扁圆滤袋长8m,过滤面积25600m2,罗茨风机,回转反吹,清灰阻力900Pa,烟尘排放浓度低于30mg/mN3)首次使用在我国20MW机组配套锅炉上。南环所、武汉天澄、南京龙源、新中环保、清华同方、哈工大环??萍?、东华—博格等一批单位近年纷纷在全国各地电力行业建立了示范工程。

    电厂锅炉除尘使用的袋式除尘器要求与锅炉设备大修期同步,30000小时成为火电厂要求的基本使用期。但是,同为燃煤电站锅炉烟气除尘,国内的应用条件与国外存在差异,主要表现在:

    (1)煤种:国外使用精煤与国内使用原煤,在热值、灰份、含S量等存在差异;

    (2)技术水平:国外发达国家设备自动化程度较高,国内设备手工与自动化结合;

    (3)锅炉设备:国外发达国家的锅炉设备相对要比较先进,国内还存在大量的中小设备(尤其是早期锅炉);等。

    滤料应用环境表现为四高一大一低(排放烟气温度高,烟气中SO2、NOx、O2含量高;含尘浓度大;改造工程要求滤料阻力低),由于燃煤锅炉排放的烟气条件比较恶劣,滤料(滤袋)寿命面临严峻考验。因此在袋式除尘器使用滤料时,借鉴但不盲目照搬国外经验,应考虑国内锅炉实际情况,针对性地选用滤料。加快研发适合国情的新型滤料已成为袋式除尘器推广使用的技术关键。

     

    2  PPS及PPS+P84针刺滤料

    PPS针刺毡是目前用于燃煤电厂锅炉脉冲清灰袋式除尘器选用的主要滤料品种之一,PPS学名聚苯硫醚,化学分子式为:

     

     

    它主要适用于燃用低硫煤的烟气处理。它选用美国、日本等国生产的聚苯硫醚(PPS)纤维,按照耐高温过滤毡的生产工艺制造、加工的过滤材料。

    PPS纤维,全球范围内只有少数几家大型化学公司生产,日本公司的产品占据着主要市场。日本东洋纺(TOYOBO)公司的注册商标为PROCON/普抗,日本东丽(TORAY)公司的注册商标为TORCON/特利通,美国飞利浦(PHILIP)公司的注册商标为RYTON/莱顿或称莱通、赖登。我国目前PPS纤维已生产出样品,但还处于研发、试生产阶段。

    PPS针刺毡的应用条件主要取决于PPS纤维性能,燃煤电厂锅炉烟气除尘比较适宜使用的条件为:烟气温度120—160℃,烟气中SO2含量<800mg/m3、NOx含量<700mg/m3,含氧量<8%,燃煤灰分<30%;锅炉运行启动前,需进行预涂灰;喷油点炉、锅炉爆管、烟气超温时不宜直接进入袋式除尘器,需设旁路烟道;袋式除尘器设计过滤风速1.0m/min左右,除尘器阻力1300—1500Pa。在这些条件下,正常运转的袋式除尘器滤袋保障使用寿命30000h(袋式除尘器投用日开始计算)。

    为了防止PPS针刺毡阻力长期使用后阻力升高,增加耐温能力,采用PPS+P84复合纤维制作针刺毡,P84纤维含量20%左右。

    P84学名聚酰亚胺,P84纤维截面与PPS纤维棒状相比呈多叶状,它的不规则的纤维断面使纤维表面积增大,针刺毡透气性增加,具有降阻增效的效果,同时耐温性可以适当提高。P84纤维系奥地利英太(Inspec Fibres GmbH)公司独家生产。P84纤维在高湿状态下要谨慎使用,防止水解。

    PPS及PPS+P84针刺毡使用之初主要靠国外进口,现在国内已有多家公司可以大批量生产和提供产品。产品质量上国内外已差异不大,产品价格上国外略高于国内。目前国内新建机组配套的燃煤(低硫煤)电厂锅炉袋式除尘器大多选用这些滤料。

     

    3  PPSPPS+P84梯度针刺毡滤料

    在大量生产和推广使用PPS针刺毡的经验基础上,东华—博格技术研究中心对目前使用的PPS及PPS+P84 针刺毡做了进一步改进,研发出新型结构的梯度针刺毡滤料,并在200MW等燃煤(低硫煤)电厂锅炉袋式除尘器中使用。主要技术特点为:

    ⑴ 对传统针刺毡引入覆膜表面过滤技术,引入表面超细纤维层,产生表层过滤效果。把传统针刺毡“表层+深层”过滤方式转变为梯度针刺毡“表层”过滤。不同过滤方式示意图见图1。通过采用超细面层使针刺毡表面更致密,阻挡微细尘粒能力提高,同时表面易清灰。采用扫描电镜观察常规滤料与梯度滤料表面纤维分布图见图2。

          (a)薄膜滤料表面过滤 (b)传统滤料深层过滤 (c)含超细表层滤料过滤

      图1滤料不同过滤方式对比示意图

    ⑵ 针刺毡截面结构上采用纤维细度逐层加大的梯度层次结构,流体通道由传统针刺毡的相当等宽绕形通道改变为相当前窄后宽的绕形通道。新型PPS梯度针刺毡滤料结构示意图见图3,它由表层超细纤维层、细纤维层、基布、粗纤维层4层构成。梯度复合滤料结构电镜观测图见图4。

    采用超细面层后阻挡微细尘粒能力提高,通道前窄后宽滤料内层不易集尘,保持滤料长期稳定运行而阻力上升变化速度减缓。

    ⑶ 针刺毡整体采用PTFE(聚四氟乙烯)浸渗处理,使纤维表面涂有PTFE膜。采用扫描电镜观察滤料内部纤维PTFE膜图见图5。

    通过各项技术改进后,PPS及PPS+P84针刺毡滤料性能得到显著改善,改进后滤料的主要使用技术指标为:

        烟气温度120—180℃,烟气中SO2含量<1000mg/m3、NOx含量<1000mg/m3,含氧量<10%,除尘器阻力1100—1300Pa。

        

                       (a) 梯度滤料                           (b) 常规滤料

    图2滤料表面纤维分布电镜观测图

     

    由上而下

    表  层:超细纤维层

    基  层:细纤维层、

    骨  架:基布

    后表层:粗纤维层

     

    图3  梯度复合滤料结构示意图

         

    图4  梯度复合滤料结构电镜观测图           图5  纤维表面结构PTFE膜电镜观测

     

    4 PTFE梯度复合针刺滤料

    袋式除尘器进一步扩大在燃煤的电厂锅炉使用,需要解决滤料适用范围:高硫煤;锅炉频繁启停(出现低温60—120℃,酸结露腐蚀);锅炉排烟温度达到190—200℃(夏季);锅炉过量鼓风、空气预热器漏风,造成含氧量升高等问题。如果继续使用PPS或PPS+P84针刺毡,势必滤料使用寿命不能得到保证。因此需要采用PTFE纤维替换PPS、P84纤维制作针刺毡滤料。

    PTFE是当今世界上耐腐蚀性能最佳材料之一,具有“塑料王”之称,学名聚四氟乙烯。它具有高度的化学稳定性和卓越的耐化学腐蚀能力,如耐强酸、强碱、强氧化剂等,有突出的耐热、耐寒及耐摩性,具有不沾着、不吸水、不燃烧等特点。PTFE纤维目前全球仅有极少数公司生产。国内上海博格工业用布有限公司业已生产出PTFE梯度针刺毡复合滤料,并在50MW燃煤(高硫煤)电厂锅炉使用。PTFE梯度复合滤料具有满足不同煤种和各种运转条件的特点,由于受PTFE纤维生产量和价格的限制,滤料应用总量还比较有限。在前述复杂运行条件时,PPS针刺毡难以满足使用条件,可以考虑选用PTFE梯度复合针刺毡滤料。需注意以下几点:

    ⑴ 对PTFE纤维进行细度分级,生成不同细度的PTFE纤维,用于生产梯度复合针刺毡滤料。

    ⑵ 针对180—200℃高温烟气时PPS纤维抗化学腐蚀能力下降,限量使用PPS纤维。对于60—120℃低温烟气,烟气中有害物易结露,不宜使用P84纤维,限量使用PPS纤维。

    ⑶ 针对180—200℃高温烟气,作为降低成本的措施可以适量采用不同细度的玻璃纤维,但不得用于滤料表层。

    ⑷ 可以采用PTFE纤维与其它耐高温耐腐蚀纤维组成复合纤维,用于生产梯度复合滤料。但要注意PTFE滤袋废弃物回收处理。

     

    5 不同针刺滤料过滤性能实验测试

    5.1测试装置及实验仪器

    测试装置图如图6所示。装置1测试洁净滤料过滤性能特性,装置2用来测试发尘条件下滤料过滤性能特性。气流由装置上部集气口进入测试管道,采用TSI8520型DuStTrak气溶胶监测仪测试滤料前后环境气溶胶粒径PM10、PM2.5、PM1.0的颗粒物质量浓度;采用数字微压计测试滤料前后压降;采用浮子流量计测试并控制流量。

           

    1.气溶胶监测仪  2. 发尘器  3 .测试管道  4. 测试滤料  5 .数字式微压计  6 .高效滤膜  7 .浮子流量计  8. 真空泵

    6 滤料性能测定实验装置示意图

    5.2清洁滤料阻力和过滤效率

    图7列出了(干球温度22.3℃,相对湿度78%,大气压力105Pa)几种高温针刺毡的清洁阻力状况。HBT梯度滤料的清洁阻力比覆膜滤料低约35%,比FMS系列复合滤料低15%左右,说明HBT梯度滤料具有良好的透气性能。

    图8为几种滤料在实验室环境条件下(干球温度13.8℃,相对湿度40.7%,大气压力105Pa)对环境气溶胶PM10、PM2.5、PM1.0颗粒物的过滤效率η。HBT梯度滤料由于表面使用超细纤维层,其对微细颗粒物的过滤效率接近覆膜滤料。

    5.3发尘条件下滤料阻力随时间变化曲线

    图9为在发尘条件下几种滤料阻力随时间变化曲线。试验粉尘采用电厂飞灰,粉尘堆积密度1.07g/cm3,质量中位径7.7μm,几种标准偏差σ为2.20。

    从图9中可以看出,HBT梯度滤料在发尘条件下的阻力变化要远低于复合滤料和覆膜滤料。由于HBT滤料表层平整和密实,表面光洁度好,易于清灰,所以这种结构可显著地降低运行阻力。

      

    图7几种高温针刺毡的清洁阻力            图8滤料对PM10、PM2.5、PMl.0的过滤效率

    图9 发尘条件下滤料阻力随时间变化曲线

     

    6 典型应用工程示例

    ⑴ 陕西宝鸡热电有限公司50MW液态排渣燃煤粉锅炉(2×200t/h,1×115t/h)复合多管旋风除尘器改造工程项目。

    特点:高温烟气150—190℃,系统要求低阻1000Pa;采用“PPS+P84+适量玻纤”纤维复合,梯度结构,滤料整体PTFE浸渗。已投运1年。

    ⑵ 天津第一热电厂50MW燃煤粉锅炉220t/h锅炉除尘器“电改袋”工程滤袋配套项目。

    特点:高硫煤;采用“PPS+PTFE”纤维复合,梯度结构,滤料整体PTFE浸渗。已投运半年。

    ⑶ 内蒙古丰泰发电有限公司200MW袋式除尘器滤袋整体更换项目

    特点:国内首台200MW以上火电机组袋式除尘器;采用“PPS+P84”纤维复合,梯度结构,滤料整体PTFE浸渗??几?,部分投入使用。

    ⑷  陕西户县热电有限公司燃煤粉锅炉(3×170t/h)复合多管旋风除尘器改造工程项目。

    特点:高硫煤;采用“PTFE+PPS+适量玻纤”纤维复合,梯度结构,滤料整体PTFE浸渗。正在施工。

     

    参考文献(略)

    来源: 作者: 发布时间: 2012/12/1 9:16:24 点击数: 9532
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