高溫?zé)煔膺^濾陶瓷的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

田維++稅安澤++柯善軍

摘 要：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國工業(yè)排放的高溫?zé)煔夥垠w日趨增多，高溫?zé)煔夥蹓m的排放不僅污染環(huán)境，而且造成大量的熱能浪費。高溫?zé)煔獬龎m再利用是一項有效利用氣體熱能的技術(shù)，其中過濾關(guān)鍵部分為高溫?zé)煔膺^濾陶瓷材料。本文主要對國內(nèi)外多種高溫過濾陶瓷的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀展開對比，闡述各種高溫?zé)煔膺^濾材質(zhì)的優(yōu)缺點。并指出現(xiàn)階段高溫過濾陶瓷研究及應(yīng)用所面臨的問題，以期為后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：高溫?zé)煔?；過濾陶瓷；抗熱震性

1 引言

高溫?zé)煔獬龎m是指在高溫條件下直接對煙氣進行氣固分離，實現(xiàn)氣體凈化的一項技術(shù)，它可以最有效地利用氣體的物理顯熱、化學(xué)潛熱和動力能以及最大程度地利用氣體中的有用資源。因此，它不僅成為電力、能源和相關(guān)加工工業(yè)的研究熱點，也是過濾行業(yè)的重要研究課題。

由于陶瓷材料具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，它的工作溫度可高達1000℃，并且在氧化、還原等高溫環(huán)境下具有很好的抗腐蝕性，因此，陶瓷材料是高溫氣體除塵的優(yōu)良選材。

2 國外研究及開發(fā)現(xiàn)狀

上世紀70年代，國外就開展了對高溫氣體除塵技術(shù)的研究開發(fā)工作。早期，美國能源部開展以無機膜過濾介質(zhì)為主的高溫氣體過濾除塵技術(shù)的開發(fā)，德、日、英等發(fā)達國家也都開展了類似的研究工作。上世紀90年代中期，高溫氣體除塵技術(shù)取得很大進展。首先，一批先進的高性能無機膜過濾材料的開發(fā)為高溫氣體過濾除塵技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；其次，高溫除塵工藝技術(shù)的提高，如系統(tǒng)高溫密封和過濾元件試片自保護密封技術(shù)、過濾元件試片再生技術(shù)、氣體在線檢測技術(shù)以及系統(tǒng)自動控制技術(shù)等，也都大大推動了高溫氣體過濾除塵技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用[1～2]。

Sawada等[3]對陶瓷過濾材料的抗熱震性進行了理論和試驗分析研究。他采用以下計算公式對不同材料的抗熱震性因子R進行了計算，計算公式為：

R = ■

其中：S為材料強度；ν為泊松比；E和α分別為楊氏模量和熱膨脹系數(shù)。計算結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，單相SiC-SiC及兩相莫來石SiC多孔陶瓷材料的抗熱震性因子R值低，抗熱震性能差。堇青石由于熱膨脹系數(shù)小，抗熱震性因子達521。復(fù)合陶瓷抗熱震性優(yōu)于單上述陶瓷，CCD復(fù)合陶瓷的抗熱震性因子高達1652，是兩相莫來石-SiC陶瓷的15倍。

近年來，許多國家都開展了對高溫陶瓷過濾材料的研究工作，其中包括過濾管材質(zhì)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、成型和制備工藝、高溫性能和高溫相結(jié)構(gòu)、過濾管的綜合性能測試和技術(shù)評價及經(jīng)濟可靠性分析等。

德國Schumacher公司生產(chǎn)的SiC-A12O3雙層試管式濾管，表層孔徑為10～20 μm，耐溫達1000℃[4]；美國Buell公司、美國西屋公司以及美國電力研究所等用直徑為10～12 μm的陶瓷纖維（由質(zhì)量分數(shù)為62%的Al2O3、24%的SiO2、14%的B2O3組成）編織成過濾袋，該過濾袋在816℃、0.98 MPa的條件下用0.033 m/s的過濾速度進行試驗，除塵效率高達99.7%，壓力降為176 ～1489 Pa[5]；美國Acurex公司采用直徑為3 μm的陶瓷纖維編織成毯，兩面再蒙上一層陶瓷纖維布或者不銹鋼絲網(wǎng)，在800℃、0.98 MPa條件下試驗，過濾速度為0.1 m/s，除塵效率可達99.9%，清灰采用脈沖空氣反吹，在高溫下反吹5×104次，纖維布和毯的強度仍可滿足需求[6]。

美國西屋公司開發(fā)的交叉流式無機膜過濾器，在加利福尼亞Montebelfo的Texaco汽化爐上做了8000 h的示范實驗，該氣化爐的工作壓力為1.0～3.0MPa，氣體溫度為650～900℃[7]。結(jié)果表明，交叉流式過濾器極易在角部斷裂并在過濾體中形成縱向裂縫。此外，日本研制的蜂房式過濾器（一般由多鋁紅柱石或堇青石制成），除塵效率達99%，耐溫400℃。

美國Dupunt Lanxide公司生產(chǎn)的PRD-66型試管式陶瓷過濾器外表面涂有碳化硅砂粒的強化尼龍纖維絲纏繞，內(nèi)表面是滲透率較高的碳化硅剛性架，除塵效率達99%以上；日本Asahi公司生產(chǎn)的均質(zhì)堇青石陶瓷濾管，孔徑為40～60 μm，耐溫達1000℃，抗熱沖擊性較好[8]。

在這些高溫陶瓷過濾材料中，最有影響的是日本Asahi玻璃公司生產(chǎn)的堇青石陶瓷濾管、美國Cera Mem公司開發(fā)的堇青石蜂窩塊狀過濾管以及美國3M公司推出的陶瓷纖維編織過濾管等。美國Cera Mem公司研制的多孔陶瓷膜過濾器，其面積與體積比達到500 m2/m3（布袋除塵器僅為33 m2/m3），可直接安裝在煙氣道中濾去99%的煙塵[9]。國外研制的主要高溫陶瓷過濾材料的性能如表2所示。

3 國內(nèi)研究及開發(fā)現(xiàn)狀

我國在高溫氣體過濾除塵研究應(yīng)用方面與先進國家相比還有較大差距，基本上處于實驗階段，尤其是在先進的高溫過濾材料和制備技術(shù)方面更有待于提高。盡管如此，國內(nèi)一些研究單位圍繞著高溫氣體過濾除塵技術(shù)開展了大量的研究工作。其中，北京鋼鐵研究總院、國家電力公司熱工研究院和山西煤化所共同承擔(dān)了“高溫煤氣除塵工藝技術(shù)與設(shè)備的實驗研究”，開展了高性能金屬過濾材料的研制、高溫過濾器的設(shè)計與制作、脈沖反吹再生技術(shù)的開發(fā)以及高溫煤氣過濾除塵中試實驗，除塵效率達99%，實驗取得了很好的過濾效果。但金屬過濾材料不耐高溫，抗腐蝕性能差，實驗設(shè)計還有待進一步提高。北京市勞動保護科學(xué)研究所研制的微孔陶瓷器在實驗室進行冷態(tài)模擬實驗，在工業(yè)熱態(tài)實驗中陶瓷管性能穩(wěn)定，除塵效率高。田貴山等[10]分析了IGCC和PFBC中應(yīng)用的高溫高壓煤氣和煙氣塵粒含量，總結(jié)了燃氣輪機透平保護標準和環(huán)保要求，對較適合的除塵技術(shù)進行了綜合分析比較，并分析了各除塵技術(shù)存在的問題，認為剛性陶瓷過濾器具有廣泛的應(yīng)用前景。并在之后的研究中，對陶瓷過濾器元件內(nèi)的氣體流動按正向和反向兩種流動情況，得出了氣體在陶瓷過濾器元件的正向與反向流動規(guī)律，為今后設(shè)計陶瓷過濾器元件的結(jié)構(gòu)等參數(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

田貴山教授等山東省陶瓷基復(fù)合材料研究中心課題組成員，在先進的陶瓷過濾材料的制備和陶瓷過濾器裝置化研究方面進行了大量的研究工作[11～13]。該課題組2001年獲得了“高溫氣體凈化用陶瓷過濾器的研制”863項目資助，并取得了一系列的研究成果。此項目研制了適合的陶瓷過濾元件結(jié)構(gòu)、多孔陶瓷的制造、成型工藝及性能測試；改進了流動與過濾性能實驗平臺方案，并進行了實驗；完成了處理能力4000 m3/h，過濾精度達到1 μm，最大工作壓力1 MPa、工作溫度可達500℃的高溫陶瓷過濾器的設(shè)計、加工和高溫應(yīng)用考核實驗。極大的縮短了我國與國外先進國家在高溫過濾材料技術(shù)領(lǐng)域的差距，也為國內(nèi)高溫陶瓷過濾材料的研究及發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。該研究對大力推進和發(fā)展我國的潔凈煤事業(yè)、解決潔凈煤技術(shù)中高溫?zé)釟怏w凈化問題以及日益嚴重的冶煉爐高溫含塵氣體凈化問題都具有極大的促進作用。

4 高溫?zé)煔膺^濾陶瓷的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，多孔陶瓷高溫過濾技術(shù)已成為分離與凈化材料領(lǐng)域中的一個重要分支，在國際上得到廣泛的研制、開發(fā)和應(yīng)用，世界陶瓷分離膜市場正以30%以上的年增長速度增長[14]。它不僅解決了高溫高壓介質(zhì)、強酸堿介質(zhì)和化學(xué)溶劑介質(zhì)等難過濾問題，而且還是目前唯一有可能集過濾、催化等功能為一體的一種多功能過濾材料。

高溫陶瓷過濾材料用于高溫含塵氣體的凈化不僅可以高效清除高溫、高壓煙氣中的塵粒，同時還可有效去除氣體中的有害物質(zhì)，因而具有其它高溫氣體凈化技術(shù)所不具有的優(yōu)越性，是高溫氣體過濾材料的最佳選擇[15]。據(jù)報道，采用孔徑為40～60 μm的陶瓷過濾器可以進行高溫?zé)煔?，如化鐵爐、增壓流化床循環(huán)（PFBC）燃煤鍋爐排放煙氣除塵凈化、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電系統(tǒng)的高溫煤氣凈化、石油催化裂解裝置中高溫氣體過濾及催化劑的回收、汽車尾氣凈化、焚燒爐的高溫廢氣凈化、金屬工業(yè)、電石氣爐、核廢氣處理、高壓熱氣體凈化、玻璃陶瓷工業(yè)等高溫?zé)煔鈨艋萚16～17]。工作溫度可達600℃，3 um以上塵埃粒子去除效率≥ 99%，而阻力降< 500 mm 水柱。由于高溫工業(yè)氣體中含有大量的顯熱或潛熱以及可供回收重復(fù)利用的物質(zhì)（如石化工業(yè)中的固體催化劑），它的合理利用具有十分巨大的經(jīng)濟價值。各種高溫含塵氣體的特性如表3所示[18]。

5 高溫?zé)煔膺^濾陶瓷面臨的問題

目前，高溫陶瓷過濾技術(shù)作為二十一世紀的關(guān)鍵技術(shù)已被各國公認為最具發(fā)展前景的過濾技術(shù)。但是，已開發(fā)出的均質(zhì)多孔陶瓷和普通陶瓷分離膜在高溫氣體凈化中均面臨孔徑分布不易控制、過濾速度低、使用壽命較低及抗熱震性不高的問題。均質(zhì)多孔陶瓷顯氣孔率低，過濾速度無法滿足工業(yè)過濾煙氣要求的速度；普通陶瓷分離膜層可以做得很薄，過濾阻力大幅度降低，但分離膜的氣孔率一般較低（≤45%），其過濾速度雖比同孔徑的均質(zhì)多孔陶瓷大得多，但仍不能滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，且其抗熱震性能最好為900℃至室溫8次不裂，難以滿足900℃以上高溫氣體過濾和抵抗頻繁脈沖冷空氣反吹帶來的急冷急熱破壞，因此，需要研制抗熱震性能更好、顯氣孔率高、孔徑分布可控、過濾速度更高的高溫陶瓷過濾材料。

參考文獻

[1] 谷磊，劉有智，申紅艷，等.高溫氣體過濾除塵技術(shù)和材料開發(fā)進展[J].化工生產(chǎn)與技術(shù)，2006，13（6）：61-62

[2] 姬宏杰，楊家寬，肖波.陶瓷高溫除塵技術(shù)的研究進展[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2003，29（2）：17-20

[3] Sawada Y， Hiramatsu K， Kawamoto H， et al. Evaluation on fundamental properties of filter materials at high temperature[A]. Dittler A， Hemmer G， Kasper G， High temperature gas cleaning[C].Dusseldorf （ Germany） ：Electric Power Research Institute， 1999：393

[4] Ciliberti D F， Lippert T E. Gas-cleaning technology for high-temperature high-pressure gas streams-1984 annual report[R]. California：Electric Power Research Institute，Inc，1986

[5] Kanaoka J， Chikao R， Kishima L W， et al. Observation of the process of dust accumulation on a rigid ceramic filter surface and the mechanism of cleaning dust from the filter surface[J]. Adv Powder Technology，1999，10（4）：417-426

[6] 姬忠禮，時銘顯.高溫陶瓷過濾技術(shù)的進展[J].動力工程，1997，17（3）：59-65.

[7] 況春江，方玉誠.高溫氣體介質(zhì)過濾除塵技術(shù)和材料的發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2002，12（5）：22-23

[8] 盂廣耀，彭定坤.無機膜-新的工業(yè)革命[J].自然雜志，1996，18（3）：151

[9] Tian G S，Ma Z J，Zhang X Y， et al. Pulse cleaning flow models and numerical computation of candle porous ceramic pieces[J].Journal of Environmental Sciences，2001，14（2）：210-215

[10] 許坷敬，孟凡濤，田貴山，等.陶瓷過濾器材料及其制備技術(shù)進展[J].山東工程學(xué)院學(xué)報，2002，66（3）：62-67

[11] 許坷敬，田貴山，任京城，等.用于凈化高溫煤氣陶瓷過濾元件的制備及其研究[J].中國陶瓷工業(yè)，2005，12（2）：l-5

[12] 田貴山，唐竹興，許坷敬，等.梯度孔陶瓷過濾元件的制備方法[P].中國專利：ZL03112045.8，2006

[13] Crull A. Prospects for inorganic membranes business[J].Key engineering Materials.1991，61（62）：297-298

[14] 時銘顯.高溫氣體除塵技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展[A].第五屆全國非均項分離學(xué)術(shù)討論會論文集[C].北京：1997，14

[15] Peukert W. High temperature filtration in the process industry[J].Filtration&Separation，l998，35（5）：461-464

[16] 姬宏杰，楊家寬，肖波.陶瓷高溫除塵技術(shù)的研究進展[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2003， 29（2）：17-20

[17] Larbote A，Prouzet E.Bertrand M.Performances of ceramic filters in the air purification[A].Abstract book of 7th international conference on inorganic membranes[C]，Dalian，2002，23-26

[18] 姬忠禮，時銘顯.高溫陶瓷過濾管研究進展[J].化工裝備技術(shù)，2000，2l（3）：1-6