燃煤电站布袋除尘技术迭代：纤维材料与结构选择的新趋势

基于 Albany International 在 ICESP X（2006, Australia）会议的布袋除尘应用研究解读

关键词
fabric filter, coal fired power station, fly ash, filter bag, star bag, PPS, 布袋除尘, 静电除尘器改造

过去三十年里，随着燃煤电站排放标准不断收严，布袋除尘（Fabric Filter / Baghouse）在煤电烟气治理中的应用比例持续上升，尤其在澳大利亚、南非、中国和美国等燃煤大国已经与静电除尘器（ESP）形成并行或改造结合的格局[1]。在典型燃煤锅炉中，约 30% 煤炭质量会以飞灰形式随烟气排出，这部分颗粒物如果不能被有效捕集，将直接决定电站的颗粒物排放水平和达标风险。如何在高温、含腐蚀性气体的复杂烟气环境下，选择合适的过滤纤维与布袋结构，在低排放、低阻力和长寿命之间找到平衡，已经成为煤电行业的技术焦点。

本文基于 Albany International 公司 P.W. Bowden 等人在 ICESP X – Australia 2006 上发表的论文[1]，系统梳理了几类典型过滤纤维（玻璃纤维、PAN、PPS、P84、PTFE）在燃煤电站布袋除尘中的适用性、局限性及其在不同型式布袋除尘器中的应用演变，并结合当前国内超低排放背景，对相关技术路线和行业风向进行解读。

在高温含尘烟气中，可选的工业纤维并不多，限制因素主要是长期耐温、抗酸露点腐蚀、抗氧化以及机械强度。最早在澳大利亚和南非大规模应用的 Homopolymer Acrylic（PAN）纤维，凭借较好的纺织加工性，可以方便地制成机织布或针刺毡，曾是燃煤电站布袋除尘的主力材料。PAN 对低硫煤烟气有较好的耐腐蚀性，且成本较低，适合大规模推广[1]。然而其长期耐温约 130–135℃，意味着锅炉尾部布袋除尘系统必须通过引入冷风等方式进行烟气降温，以保护滤袋。这一工况设计直接引出几个工程问题：其一，气量增大导致所需过滤面积上升，布袋除尘器本体体积随之放大；其二，低温运行更接近甚至低于酸露点，一旦燃煤硫分提升或负荷波动，就更容易发生酸露点腐蚀，对 PAN 滤袋寿命不利；其三，PAN 在长期运行中仍存在不可完全消除的收缩问题，尽管通过热定型可以降低初期收缩，但在高负荷电站长期运行条件下，滤袋尺寸变化仍然不可忽视。

与之相对，PPS（Polyphenylene Sulfide）纤维在 1980 年代商业化后，逐步成为燃煤电站脉冲喷吹布袋除尘的主流选择[1]。PPS 可在约 190℃下长期稳定运行，使得大多数燃煤电站布袋除尘系统不再需要通过掺冷风进行温度控制，从设计上就可以减少布袋除尘器所需过滤面积和占地，这一优势在 ESP 外壳改造为布袋除尘器时尤为关键：在既有壳体有限空间内，通过提高运行温度和采用 PPS 针刺毡，可以在约束体积内实现足够的过滤面积和较低的过滤风速。同时，PPS 的热收缩性优于 PAN，配合合理热定型工艺，可将滤袋运行期的尺寸变化控制在相对可控范围内，从而延长滤袋寿命和保持稳定的清灰性能。需要注意的是，PPS 对高浓度 NOx 以及含溴化物工况相对敏感，在采用部分脱硝或含溴助燃剂的燃煤机组上，滤袋选材与烟气路径设计须综合评估。

在更高温段（约 260℃）和特殊腐蚀性场合，玻璃纤维、P84 与 PTFE 等材料则扮演“高端补位”的角色。玻璃纤维具有相对较高的耐温和较低成本，适合用于低过滤风速的反吹型布袋除尘器，但其耐弯曲疲劳差，对机械损伤敏感，因此几乎只以机织玻纤滤布形式使用[1]。为了提高其抗机械损伤和化学稳定性，工程上通常会加入硅油、石墨或 PTFE 表面整理，以改善耐腐蚀和清灰性。美国电力行业在反吹式大布袋房上已积累大量玻纤滤袋应用经验，借助低风速和如声波清灰等措施，滤袋寿命可以超过 10 年。但由于设备体积巨大、占地大，这类低过滤风速玻纤布袋除尘器近年来在新建机组中的新增较少，在澳大利亚大型电站中已基本不再采用。

P84（聚酰亚胺）纤维同样具备较高耐温上限（可达约 260℃），但价格昂贵，且对酸水解敏感，因此在大容量燃煤机组上并未形成主流。其独特价值在于纤维横截面呈三叶形，表面积较大，有利于捕集细微颗粒，因此常以“覆层”方式与 PPS 或 PAN 针刺毡复合，用于提高细颗粒物捕集效率，帮助机组满足更严苛的排放限值。而 PTFE 则被视为“极端工况解决方案”：它拥有优异的耐化学腐蚀与高耐温，但成本极高，纤维本身十分光滑，不利于尘饼形成，过滤效率相对较低，且加工难度与尺寸稳定性问题明显[1]。因此，在燃煤电站领域，纯 PTFE 滤袋通常仅应用在酸碱极端、强腐蚀或兼顾其他特殊功能（如高温脱硫后端）场合，在主流除尘段并不常见。

布袋除尘器的结构型式选择同样深刻影响滤料路线。Bowden 等人对几种典型结构进行了对比：反吹式布袋除尘器以机织玻纤为主，通过低气布比（低过滤风速）实现低机械应力和长寿命；机械振打/气囊收缩式布袋除尘器则在 20 世纪 80 年代曾在澳大利亚多座电站中采用，以 PAN 机织滤布为起点，通过后续对 PAN/PPS 混纺、泡沫涂层等方案的演变，适应不同煤质和运行工况，其滤袋寿命在管理良好情况下可达 30,000–65,000 小时[1]。然而，无论是反吹还是机械振打结构，都因设备体积大、结构复杂、维护成本高，以及难以适应电站频繁负荷波动和高气布比需求，在近二十年间已基本被脉冲喷吹式布袋除尘器所取代。

脉冲喷吹布袋除尘器结合了较高的过滤风速、紧凑布置与自动化清灰的优势，成为新建或 ESP 改造项目中的主流选择，其滤料也几乎清一色采用 PPS 针刺毡。针刺毡通常由 PPS 机织基布和两侧均匀分布的 PPS 针刺纤维网组成，经热定型与表面处理后，用于脉冲喷吹高频清灰[1]。典型设计中，克重约 600 g/m²、厚度 2–2.5 mm，配合一定的表面处理，使得滤料既具备良好的机械强度，又有可控的阻力和排放性能。随着电站燃煤品质、烟气成分和除尘系统设计的差异化趋势，滤料表面整理技术的重要性不断上升。Bowden 团队归纳了几类常用整理方式：

未处理表面主要用于对极细粉尘有较高捕集需求的场合，通过纤维自身结构形成更致密的粉尘层；烧毛（singed）表面可改善表面平整度，减少“毛羽”对粉尘的机械咬附，提高清灰性；泡沫涂层则在滤料表面形成微多孔层，有助于在保证低压降的同时提升初期过滤效率；PTFE 薄膜贴合（膜覆）适用于强黏附性粉尘场合，使粉尘主要停留在膜层表面，通过脉冲清灰易于整体剥离，但成本较高；PTFE 浸渍则通过在纤维间引入 PTFE 相，提高滤料的化学稳定性和抗酸露点腐蚀，兼具一定的清灰改良效果。此外，通过在过滤面覆盖更细旦 PPS 纤维或三叶形 P84 纤维的“盖层网”结构，可以显著提高对亚微米颗粒的捕集能力，在不大幅增加压降的情况下满足更严排放要求。

在结构创新方面，论文中提到的 Star-Bag / Star-Cage 设计为行业提供了增加有效过滤面积的新思路。其核心是将传统圆袋滤袋沿圆周方向做成褶皱状（类似“星形”截面），在不改变花板孔直径的前提下，将滤袋有效过滤面积提升至传统圆袋的约 1.7–2.4 倍[1]。与之匹配的“星形骨架”采用多根径向筋条替代传统圆环和纵筋布置，既防止在负压下褶皱被压合，又能减少传统横筋对滤袋内表面的磨损。工程应用表明，该结构除了提升单位体积内可用过滤面积外，还带来了若干连锁效应：一是单位面积气速降低，粉尘颗粒在滤料表面的冲击和穿透概率下降，有利于降低排放；二是脉冲清灰时滤袋整体变形更充分，粉尘层易于剥离，减少清灰频率；三是由于滤袋内部空腔体积减小，实现同等清灰效果所需的压缩空气量和压力可显著下降，有应用报告显示压缩空气耗量最多可降低约 50%，对电站辅机能耗和压空系统容量优化具有实际意义。

综合来看，Albany International 基于澳大利亚、南非及其他地区燃煤电站的实践，给出的技术路线具有很强的现实启示：一方面，随着燃煤品质变化和排放标准收紧，单一纤维体系已难以覆盖所有工况，PPS 针刺毡+功能化表面整理+局部 P84/PTFE 复合将成为相当长时期内的主流组合；另一方面，在 ESP 改袋和新建机组中，如何在有限空间内通过提高运行温度、采用高性能滤料和新型滤袋结构（如 Star-Bag）实现低排放与低投资平衡，将持续成为工程设计与设备选型的重要方向。结合国内煤电行业正推动的超低排放和深度减排，布袋除尘与静电除尘器的协同优化（例如“前 ESP+后 Fabric Filter”组合），配合更具针对性的滤料与结构选型，将是未来几年行业值得重点关注的风向。

参考文献
[1] Bowden P.W., Neate M.J., Currell B.M., Gerakios M. Fabric Filters for Coal Fired Power Stations[C]// Proceedings of ICESP X – Australia. International Conference on Electrostatic Precipitation, June 2006.

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