一、立項依據

當前，中國經濟已進入高速發展階段，以資源、能源消耗性為主的重工業（電力、建材、冶金、化工等）迅速發展。2013年鋼鐵產量突破7,億,t，約占全球產量的40%；水泥產量24億,t，約占全球產量的1/2；火電發電量32000億,kWh。上述高耗能、高污染產業的發展，伴之而來的是嚴重的環境污染問題，特別是近來全國大范圍的霧霾天氣顯得更為突兀。據統計由于空氣、水以及工業等環境污染帶來的經濟損失每年超過3000億人民幣。重工業大氣污染物以高溫煙氣為主要特征，因此煙塵類顆粒物成為為主要控制對象之一。作為控制總量法規，國家對工業領域的各類鍋爐、爐窯制定的排放值陸續進行修訂，嚴格要求降低排放量。過去高溫煙塵的治理主要是采用電除塵器，但隨著國家對環保標準的不斷提高，特別是近年來國家對煙塵排放的要求提高，出口的質量濃度指標應為50-100,mg/m3，有的地方要求排放的質量濃度<50,mg/m3，甚至控制在20-30,mg/m3，而電除塵器已難以達到該要求，因此袋式除塵器得到很大的推廣應用。近年，袋式除塵技術發展迅速，已在冶金、建材、化工、電力等行業進行應用，然而傳統袋式除塵器的缺點是：溫度受限制，不能超過濾袋所能承受的范圍內；除塵器本體阻力較電除塵器大；壽命較短，一般為1-3年。因此，袋式除塵技術的核心是高溫過濾材料，優劣直接關系到除塵器性能。目前，高溫煙氣過濾材料主要包括耐高溫針刺濾料和耐高溫覆膜濾料兩種, 其主要成分是玻璃纖維織物復合其它材料制備而成。然而，隨著我國對環境要求的持續增加，需要高溫除塵的工藝也隨之增加，如目前的脫硝工藝需要在較高的溫度下進行（350度左右），由于高溫過濾材料的限制，往往脫硝工藝安裝在除塵之前，造成了脫硝催化劑容易磨損或由于灰塵造成催化劑的中毒，導致脫硝成本較高；此外，在冶金工業、化工工業在高溫煙氣余熱利用過程中需要高溫除塵的工藝也逐漸增多，而目前的工藝限制高溫煙氣余熱的高效利用。然而，目前的過濾材料普遍存在使用溫度過低的特點，急需要開發一種新型的實驗溫度高的過濾材料，且原料來源廣泛，性能穩定可靠，價格低、壽命長。

我國是煤炭大國，煤炭在能源消費結構中的比重占70%以上，煤炭資源將在很長時間內作為我國一次能源的主要支柱。我國的煤炭利用約80%是通過燃燒方式實現，燃煤煙氣除塵所得的粉煤灰約占原煤質量的15%-40%。我國粉煤灰年排放5-6億噸，堆積量超過60億噸，是我國產生量、堆積量最大的工業固體廢棄物之一。粉煤灰的堆積，不僅占用了大量土地(據統計每1億噸粉煤灰占地約1萬畝)，而且造成嚴重的環境問題和安全隱患，因此，如何高效利用粉煤灰成為了國內外的研究熱點。目前國內外對粉煤灰利用最普遍的方法是用做建筑和回填材料。由于建材市場需求與粉煤灰產生地的不匹配，我國中西部地區粉煤灰的徹底利用難以實現，這也導致了我國粉煤灰總體利用率偏低。隨著科學技術的進步，粉煤灰在發達國家的認識正從廢棄物向礦物資源轉變。在英國，被認為是一種優良和經濟的材料。美國把粉煤灰列入礦物資源的第七位，相應地針對粉煤灰的利用也從簡單的減量化、低附加值利用向高附加值深加工利用轉變。為提高粉煤灰的利用價值, 國內很多學者應用化學化工方法分離其中的有價組分，開發鋁、鐵、硅等系列化工產品，如氧化鋁、氯化鋁、氯化鐵、凈水劑、氧化硅、鋁硅鐵合金等，中國大唐、中煤、中鋁等企業投入了大量的人力和物力對這些技術進行集中研發，但該技術尚處于試驗或者工業示范階段，沒有完全成熟,而且面臨成本過高以及二次污染等難以解決的問題。在這種情況下，特別是中國面臨環境惡化及資源短缺等一系列問題集中爆發的態勢下，有必要對其它高值化技術進行研發，以滿足整個社會和大眾對環保和資源的日益緊迫需求。

因此，本課題結合對于袋式除塵器高溫過濾材料的實際需求，利用粉煤灰為主要原料，通過物相結構調控制備出高性能纖維材料，然后進行表面處理制備成高溫過濾材料，以滿足目前高溫過濾材料的需求，同時降低原料成本，實現以廢制廢的目的，為實現國家節能減排目標、推動產業結構調整提供有效技術支撐。

二、研究基礎

項目建議人申請并建設了北京市固體廢棄物資源化與管理重點實驗室，依托該試驗室，前期對于粉煤灰制備纖維技術進行了大量的研究，先后研發了以粉煤灰為主要原料制備陶瓷纖維的核心技術和關鍵工藝裝備，獲得了粉煤灰在線除雜工藝技術，建立了年產1萬噸的工業化生產線，申請專利9項，授權6項；另外，項目建議人開發并建立了利用粉煤灰為主要原料制備粉煤灰連續纖維的實驗技術裝置，成功開發了粉煤灰通過物相結構調控制備性能可控的連續纖維的技術，并系統研究了過濾材料空隙結構與性能的關系，發表論文3篇。

三、研究目標

項目針對我國高溫過濾材料使用壽命較短、使用溫度過低及成本高等問題，結合我國中西部地區粉煤灰綜合利用較低、產品附加值較小等問題，系統研究以粉煤灰為主要原料，通過物相結構調控開發出具有自主知識產權的具有高附加值的高性能系列高溫纖維過濾材料。著力攻克目前高溫纖維過濾材料實驗溫度較低、使用壽命較短及原料來源相對緊缺等問題，研制出系列高溫纖維過濾材料高值化利用新技術，建立相應的示范生產線，為粉煤灰的高值化提供技術原型與示范，同時實現以廢制廢的目的。

四、研究內容與考核指標

1、研究內容：

本課題以粉煤灰為主要原料，通過物相結構調控，研究開發出使用溫度高、使用壽命長的高溫纖維過濾材料的工藝與技術裝備，建立示范工廠，具體研究內容如下：

(1)粉煤灰物相結構調控制備高溫纖維過濾材料的工業示范生產的關鍵技術與裝備：系統研究高溫纖維過濾材料制備過程中在線測定改性粉煤灰熔體溫度和漏板溫度的方法和溫度控制技術；研究影響全電熔爐能耗和延長窯爐壽命的因素，針對這些因素，提出降低能耗、延長窯爐壽命的方法；對全電熔爐的窯爐的爐型進行改進，研究提高窯爐的熔化率的技術；研究將人工加料裝置改為自動加料裝置的技術；研究提高鉬電極壽命的方法，研究自動控制裝置對漏板和鉬電極的電工參數的控制技術；研究纖維成型過程中的拉絲漏板、涂油器、集束輪等裝置的升級改造技術；開發改性粉煤灰的混料制球技術；系統開發適用于不同環境的纖維材料。

(2)粉煤灰制備高溫纖維性能及表面處理-浸潤技術研究：研究纖維的密度、強度、化學穩定性、耐溫性、耐疲勞性、電性能的測定技術并得出性能參數；開發控制改性粉煤灰與纖維性能控制技術；纖維表面改性技術是進一步提高纖維性能的有效途徑。纖維表面處理劑由成膜劑、潤滑劑、偶聯劑等組分構成，不同組分、配比和配制工藝制備的表面處理劑對纖維成型工藝、纖維制品加工工藝有較大影響，對纖維增強復合材料性能也有較大影響。課題擬根據粉煤灰纖維制品的使用溫度范圍對表面處理劑進行研究，設計不同的組分和配方，對表面處理劑的制備工藝進行研究，在生產線上進行不同配方表面處理劑對纖維成型工藝、纖維制品加工工藝影響的研究、進行不同浸潤劑對纖維增強復合材料性能的影響。

(3)粉煤灰纖維高溫過濾材料的制備技術：系統研究高溫纖維過濾材料的復合制備技術，獲得高溫使用的覆膜技術；采用摩擦儀測試法，測試研究覆膜的粘合牢度，在此基礎上研究復合技術對覆膜牢度的影響規律。

(4)粉煤灰纖維高溫過濾材料的性能：系統研究高溫過濾材料微觀結構、空隙分布特征、拉伸斷裂強力、透氣率、處理劑含量等性能指標，研究制備技術對各項性能指標的影響規律；系統研究制備高溫過濾材料的高溫使用性能，測試評價高溫過濾材料的高溫性能及使用壽命；測試研究高溫纖維過濾材料使用過程中濾料阻力關系，研究粉塵在過濾材料中的分布特征；系統研究高溫過濾材料的耐化學腐蝕性特征。

(5)粉煤灰纖維高溫過濾材料工業示范生產線的建立：在上述研究的基礎上，建立年產3000噸粉煤灰高溫纖維過濾材料工業示范生產線。

2、考核指標

實現利用粉煤灰為主要原料制備高溫纖維過濾材料的關鍵技術與核心裝備，建立年產3000噸的工業示范生產線一條；形成高溫纖維過濾材料使用溫度達到400度、500度和600度三個系列產品；產品性能符合國家相關標準；發表論文10篇，申請國家發明專利3項，實用新型專利3項；培養研究生3-5人。