高效袋式除尘滤料新趋势：多叶型纤维与在线实炉测试的联合突破

基于 Evonik Fibres 与南非 Eskom 的燃煤锅炉袋式除尘滤料原位对比试验解读

关键词
高效过滤,袋式除尘,多叶型纤维,燃煤锅炉,Evonik,过滤机理,静电除尘,工业烟气治理

过去十多年，全球燃煤电厂用煤量持续攀升，尤其是中国、印度以及部分东欧国家的新增燃煤装机依然可观。在排放标准方面，烟尘排放限值则越来越严苛，20 mg/Nm³ 甚至更低已成为大型燃煤机组袋式除尘与静电除尘（ESP）改造项目的普遍目标。在多煤源掺烧、工况波动剧烈、烟气成分复杂的现实条件下，如何通过高性能过滤材料与科学的在线测试手段保障长期稳定达标，正在成为工业烟气治理领域的技术焦点。

本文基于 Evonik Fibres GmbH 的 Florin Popovici 在 Coal-Gen Europe 2011 上发表的研究成果，对其在燃煤锅炉袋式除尘器（Fabric Filter Plant, FFP）中开展的高效滤料设计思路与原位测试方法进行系统解读[1]。这一研究以煤粉锅炉袋式除尘为典型场景，通过对比不同纤维结构与纤维截面形貌（圆形、多叶型、多叶混纺）对过滤机理、压差与清灰频次的影响，给出了兼顾超低排放与寿命成本的有价值路径，对当前国内袋式除尘与静电除尘+布袋组合工艺的滤料选型具有一定参考意义。

在燃煤电厂的袋式除尘器中，最常用的滤料结构是针刺毡。典型构成为：一层机织基布（支撑织物，俗称布底）上针刺铺设一到多层纤维絮层，经过针刺压实后形成具有一定厚度与孔隙结构的过滤介质。PPS（聚苯硫醚）、P84（PI 聚酰亚胺）、PTFE（聚四氟乙烯）、PAN（聚丙烯腈）及其复合，是目前燃煤锅炉烟气治理中最主流的耐温化纤体系[1]。工程实践中，为在高温、含硫、含水等复杂烟气环境中，同时兼顾化学稳定性、过滤精度与运行成本，滤料供应商通常采用“功能纤维”复合设计：例如用 PPS 提供骨架强度与抗酸碱能力，再用 P84 或细旦 PTFE 改善过滤性能；有时还会在过滤面端增加一层更细的纤维层，构建更致密、更高比表面积的“表层过滤层”，提升对超细颗粒的截留能力。

与很多现场认识不同的是，袋式除尘器真正实现高效拦截粉尘，并非依靠“裸滤料”本身，而是滤料表面形成的“永久粉尘层”。在燃煤锅炉袋除工程中，常见做法是在新投运滤袋前使用氢氧化钙或碳酸钙进行预涂层操作，先在滤料表面建立起一层稳定、多孔的粉尘骨架，使后续飞灰主要在这层永久粉尘层上进行深度过滤。随后，运行中不断累积的飞灰形成可周期清除的“可清除粉尘层”，通过脉冲反吹按压差或定时控制剥离。滤料在这一过程中扮演的关键角色，是支撑并稳定粉尘层结构，而非单纯充当“筛网”。

若永久粉尘层结构不稳定，飞灰便会钻入滤料内部“吃滤料”，在纤维层深部沉积形成堵塞，不仅增加运行压差，还会在脉冲清灰时产生所谓“pulsing puff”（脉冲烟扑），即被强制吹穿的细粉颗粒瞬时穿过滤层，表现为袋后瞬态高排放。这类现象在高比过滤风速、煤质频繁切换的项目上尤为突出。由此可见，滤料结构与纤维截面形貌对粉尘层结构的稳定性和可清灰性有本质影响，也是高效袋式除尘工程设计的核心隐含变量之一。

Popovici 团队的研究从纤维“微结构”入手，对比了不同纤维细度与截面形状对过滤性能的影响规律。以相同线密度（dtex，单位长度质量）比较时，多叶型不规则截面的 P84 纤维，其投影直径比圆形纤维约大 30%[1]。简言之，在相同重量下，多叶纤维“看起来更粗”，占据空间更大，通过针刺工艺交织后形成的针刺毡整体孔隙率更高、孔道更曲折。这种“疏而不漏”的结构一方面提供了更大的总比表面积（利于捕集细颗粒），另一方面保持了较理想的整体通气性（控制压差增长）。

从过滤机理角度看，纤维细度越细、截面越复杂，比表面积越大，纤维之间形成的微孔道越多，粉尘颗粒跨越滤层时路径越曲折，惯性碰撞、截留、扩散等多种机理协同作用更明显。Popovici 等与维也纳工业大学合作开展的 CFD（计算流体力学）模拟显示，在由多叶型 P84 纤维构成的针刺毡中，气流在纤维间形成大量低速流动区，这些低速区有利于细微粉尘在纤维“叶片”之间沉积，实现对纤维和粉尘层的“充电”效应，同时又不会显著阻断主要流道。这意味着，即便粉尘富集在纤维截面凹槽之间，整体过滤层仍能保持较高的孔隙率与较温和的压差水平。

更重要的是，由多叶型纤维构建的粉尘层本身呈不规则、多孔结构，复制了滤料的微观几何特征，使永久粉尘层本身同样表现出“高比表面积+高通气性”的优点。这类粉尘层在脉冲清灰时结构更稳定、不易整体塌陷，因此清灰后依然能快速恢复稳定的表层过滤状态，避免“滤料裸露—压差再爬升—频繁脉冲”的恶性循环。实际测试表明，以 0.6 dtex 极细 P84 多叶纤维构成的针刺毡，在适当工况下可以实现极低的颗粒物排放，同时保持相对温和的运行压差，这与我国近年来部分高端燃煤机组采用 P84 或 P84/PPS 复合滤料实现超低排放的实践高度吻合。

传统滤料评价多依赖实验室小样测试或中试装置，但这往往难以真实再现大型燃煤电厂的烟气成分、温度波动、粉尘粒径分布及长期工况冲击。针对这一痛点，Evonik 开发了 Evonik Filtration Test Rig（EFTR），一种可安装在实际袋式除尘器上的工业尺度原位测试平台[1]。EFTR 的核心思路是：在电厂现有布袋除尘器的管板上安装专用测试接口与罩体，使少量试验滤袋在完全相同的烟气环境、温度和粉尘条件下运行，同时配备独立的抽风机、仪表与控制系统，对每条试验袋的风量、压差、脉冲次数等关键性能指标进行逐袋监测与记录。

该装置包括：带引风系统的测试平台、压力与流量监测及控制单元、视窗接口以及对接原除尘器管板的袋帽组件。通过 EFTR，可在不影响主机组安全生产与主除尘系统达标排放的前提下，在线比较不同滤料配方、不同纤维结构、不同后处理工艺在真实锅炉烟气中的表现，为滤料选型与寿命预测提供更可靠的依据。这种“原位测试+多配方并行”的方法，相比纯实验室测试更贴近工程，也为电厂在静电除尘改造为袋式除尘或 ESP+FF 组合工艺时，优化滤料方案提供了可行路径。

在南非 Eskom Hendrina 燃煤电厂，Evonik 使用 EFTR 对三种基于 PPS 的滤袋进行了并行对比测试：三种滤袋均采用 PPS 基布和 2.2 dtex PPS 作为内层纤维，区别在于过滤表面层的纤维结构不同：第一种滤袋采用 1.3 dtex 细旦 PPS 圆形纤维作为过滤面；第二种滤袋采用 P84 1.7 dtex 不规则多叶纤维与 Procon PPS 1.7 dtex 三叶型纤维的混纺作为过滤面；第三种滤袋则采用 2.2 dtex PPS 圆形纤维作过滤面。三者在测试中的过滤风速统一折算为 1.4 m/min，压差控制策略完全一致，前 30 天脉冲触发压力上限设定为 13 mbar，下限为 9 mbar，最后两天略微下调下限至 8 mbar。

衡量滤料过滤性能与可清灰性的关键指标是单位时间脉冲次数（即平均清灰频率），在同风量和同压差控制逻辑下，所需脉冲次数越少，意味着粉尘层结构越稳定、过滤层越不易“被堵死”，过滤阻力增长更缓。EFTR 的对比结果清晰地表明：采用 P84 多叶纤维与 Procon 三叶 PPS 复合的第二种滤袋，其平均脉冲频率比第一种细旦 PPS 圆形纤维滤袋降低约 80%，比第三种 2.2 dtex PPS 圆形纤维滤袋降低约 50%[1]。更值得注意的是，虽然三种滤袋设定的压差触发区间完全一致，第一种 1.3 dtex PPS 细旦滤袋的平均运行压差却整体偏高，这从侧面说明“盲目追求更细的圆形纤维”并不等同于综合过滤性能更优，其永久粉尘层更易致密化、更难清灰，导致压差控制更吃力。

从袋寿命与全寿命周期成本的角度看，每一次脉冲清灰都是对滤料的一次机械冲击，会导致纤维疲劳、损伤甚至滤袋破漏，因此清灰次数与滤袋寿命之间具有明显负相关关系。在同等达标排放和工况条件下，能够显著降低脉冲频次的滤料方案，往往可以带来更长的滤袋寿命、更低的布袋更换成本及更平稳的系统压差运行，从而减少引风机能耗与运维工作量。Evonik 在全球多个燃煤电厂的实际运行数据也印证：基于 P84 多叶纤维的滤料，在严格烟尘排放指标要求下，往往能够以更长的使用周期和更温和的压差曲线，抵消其初始材料成本上的部分劣势，整体性价比更优。

从这项研究可以看到，面向严格颗粒物限值和复杂煤质条件，高性能滤料设计正从“材料选型”走向“纤维结构+粉尘层结构+在线测试”的系统工程：一方面，需要理解多叶型、三叶型等异形纤维在微观流场和尘饼结构中的独特优势；另一方面，更需要依托类似 EFTR 这样的原位测试平台，在真实锅炉工况下验证滤料方案的长期表现，而不是仅凭实验室指标做决策。对于正在推进超低排放改造、考虑静电除尘+袋式除尘协同治理的电力、钢铁、水泥等行业用户而言，这种以纤维微结构为核心的高效滤料与工业原位测试结合的研究路径，提供了值得借鉴的技术方向。

参考文献
[1] Popovici F. High Performance Filtration – In Situ Testing of Filter Media in Coal Fired Boiler Bag Houses[C]//Coal-Gen Europe Conference & Exhibition 2011. Prague, Czech Republic: PennWell, 2011.

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