耐高溫除塵過(guò)濾材料的進(jìn)展

劉　威　金　江　馬　飛

（中山大學(xué)惠州研究院工業(yè)源廢氣治理工程中心 廣東惠州 516081）

引言

在我國(guó)目前的工業(yè)能源布局體系中，涉及高溫含塵廢氣領(lǐng)域較多，高溫除塵材料的應(yīng)用范圍十分廣泛，如煤炭、鋼鐵、水泥等行業(yè)。上世紀(jì)70年代左右時(shí)間，高溫氣體除塵技術(shù)的研究開始發(fā)展，最初階段采用除塵方式多為水噴淋濕法除塵，即先將工廠排出的高溫含塵廢氣進(jìn)行水洗噴淋冷卻，降低廢氣的溫度，水洗進(jìn)行除塵,顆粒物與水一同排出。這樣既浪費(fèi)了大量熱能又浪費(fèi)水資源，造成二次污染。因此為能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高溫含塵廢氣的綜合利用及粉塵顆粒過(guò)濾凈化，必須采用直接除塵過(guò)濾的方式,使用過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行氣固分離。由于在高溫、高濃度、高腐蝕廢氣中工作，因此對(duì)過(guò)濾材料具有很高的性能要求，過(guò)濾介質(zhì)的材料選擇是其中研發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵，這需要采用目前國(guó)際上較先進(jìn)的耐高溫材料，并必須滿足過(guò)濾性、使用壽命、節(jié)能環(huán)保、市場(chǎng)接受能力等多方面的要求。

1　高溫過(guò)濾技術(shù)概述

在高溫除塵領(lǐng)域中,能否解決高溫?zé)焿m中的顆粒物是很大一部分問(wèn)題，因此高溫除塵技術(shù)與煙塵的凈化技術(shù)是相同的。在我國(guó)煤炭是主要能源，每年燃燒的煤炭產(chǎn)生大量高溫?zé)焿m，目前的能源結(jié)構(gòu)中72%的燃煤用蒸汽燃料。發(fā)電行業(yè)是最大的用煤領(lǐng)域，其他包括：水泥、鋼鐵、建筑及礦產(chǎn)等，包含民用，共占消耗總量的83.1%[1]。高溫除塵過(guò)濾技術(shù)主要應(yīng)用于以上領(lǐng)域，煤炭燃燒產(chǎn)生的大量煙塵溫度高，顆粒物濃度大，腐蝕性強(qiáng)，對(duì)過(guò)濾技術(shù)提出了較高的要求。

高溫除塵過(guò)濾技術(shù)將節(jié)約資源、技術(shù)研發(fā)和環(huán)境保護(hù)統(tǒng)一為一個(gè)整體是實(shí)施我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措，該技術(shù)的開發(fā)研究是實(shí)施潔凈能源及減少霧霾的有力保證。耐高溫過(guò)濾除塵的難點(diǎn)是：含塵廢氣溫度高(600～1400℃)；顆粒細(xì)(顆粒物粒徑范圍5～10μm，甚至亞微米級(jí))；氣體排放標(biāo)準(zhǔn)高(出口處含塵濃度范圍10～50mg/m3)。對(duì)于目前日益嚴(yán)重的霧霾現(xiàn)象，未來(lái)排放標(biāo)準(zhǔn)將越來(lái)越嚴(yán)苛，因此采用一般的凈化過(guò)濾技術(shù)是達(dá)不到的[2]。

2　高溫除塵設(shè)備的現(xiàn)狀

2.1　高性能機(jī)械除塵器

機(jī)械式高性能除塵器包括了單級(jí)、多級(jí)旋風(fēng)除塵器，其原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)速產(chǎn)生的離心慣性力不同產(chǎn)生線速度差，從而去除高溫氣流中粉塵顆粒，顆粒物粒徑相對(duì)較大（大于10μm）。市場(chǎng)較多廢氣排放企業(yè)采用旋風(fēng)除塵器，主要是由于其運(yùn)行成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但因其運(yùn)行時(shí)施加到顆粒物上的慣性力較低，所以對(duì)粉塵粒徑在5～10μm范圍的顆粒無(wú)效，多數(shù)細(xì)微顆粒隨高溫氣流排放到大氣中。為有效去除高溫氣流中的粉塵顆粒，顆粒載荷范圍在0.01%～0.03%內(nèi)，氣流切線速度范圍在20～30m/s內(nèi)。對(duì)于高溫含塵廢氣其顆粒物粒徑及氣流速度都大大超出以上范圍，故旋風(fēng)除塵器無(wú)法滿足高溫除塵的需求，目前市場(chǎng)上一般采用其作為后接備份的除塵設(shè)備。當(dāng)工業(yè)排出的高溫廢氣含塵濃度降低到1%以下，再利用旋風(fēng)除塵器進(jìn)行二次除塵[3]。

2.2　電除塵器

在60年代早期，靜電除塵器已應(yīng)用在高溫高壓下進(jìn)行除塵。目前國(guó)外，例如美國(guó)正在研究壓力達(dá)1.0MPa，最高使用溫度達(dá) 900℃情況下的靜電除塵設(shè)備，在600—800℃的溫度下對(duì)粒徑小于10μm顆粒物除塵效率達(dá)99.6%，所捕獲顆粒大約20%粒徑在3μm以下，平均粒徑大約5μm[4]。該技術(shù)離實(shí)際應(yīng)用仍然存在一定距離，例如：熱膨脹性能差、使用壽命短、供電不穩(wěn)定、對(duì)廢氣成分敏感、無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定性運(yùn)行等，以技術(shù)成熟度而言該技術(shù)仍不能工業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計(jì)未來(lái)10-20年將具有廣闊的市場(chǎng)前景[4]。

2.3　高性能阻擋式過(guò)濾器

阻擋式過(guò)濾方式包含：陶瓷過(guò)濾、纖維過(guò)濾、金屬網(wǎng)過(guò)濾、顆粒床過(guò)濾等。理論上阻擋式過(guò)濾除塵效率可達(dá)90%以上，過(guò)濾阻力1～4kPa，4KPa以上便形成堵塞，可去除粒徑10μm以上粉塵顆粒。其中金屬網(wǎng)過(guò)濾核心材料是由經(jīng)過(guò)處理的金屬纖維組成濾網(wǎng)，只要以不銹鋼為主，為提高耐高溫性能可參雜其他金屬元素[5]。但因金屬自身耐高溫性不強(qiáng)，易氧化，金屬纖維物所在較低的溫度范圍內(nèi)（300—500℃）腐蝕氧化。而顆粒床過(guò)濾，其由顆粒物組成過(guò)濾層，耐高溫性能好，但阻力大，粉塵易堆積，在高速、高溫氣流下運(yùn)行時(shí)，無(wú)法反吹，再生性能差。纖維過(guò)濾采用高性能有機(jī)纖維，無(wú)法耐高溫，300℃以上溫度容易出現(xiàn)自然、熔融，還存在易磨損等問(wèn)題，并不適合高溫除塵過(guò)濾[6]。因此采用陶瓷材質(zhì)進(jìn)行凈化過(guò)濾是在高溫高壓廢氣中除塵過(guò)濾的有效方法。美國(guó)3M公司的陶瓷過(guò)濾材料實(shí)驗(yàn)表明，耐高溫陶瓷過(guò)濾除塵效率極佳，其對(duì)10微米以上顆粒物除塵效率可達(dá)到99%以上，含塵廢氣經(jīng)過(guò)凈化后氣流中的顆粒物濃度小于5mg/Nm3，最大顆粒物直徑小于5微米。該材料采用氧化鋁陶瓷顆粒燒結(jié)成型，最高可耐1200℃高溫，在市場(chǎng)上目前已經(jīng)成熟，為最常用的高溫氣凈化技術(shù)[7]。

3　陶瓷過(guò)濾器的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外一些院校在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及小型試驗(yàn)裝置上開展了一些冷態(tài)和熱態(tài)性能實(shí)驗(yàn)，對(duì)陶瓷過(guò)濾材料的耐高溫性、過(guò)濾性能、構(gòu)型、可靠性以及脈沖反吹清洗等性能進(jìn)行測(cè)試，并取得一些進(jìn)展。圖1為陶瓷過(guò)濾器的縱向剖面圖。含塵高溫廢氣從過(guò)濾管的外側(cè)穿過(guò)陶瓷管壁的孔道，顆粒物被截留在孔道外而高溫氣體直接穿過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)濾。凈化后的高溫氣流從陶瓷管的中心流過(guò)，向上排出，外側(cè)粉塵顆粒被捕集、堆積，從而形成一層粉塵膜厚度范圍在1-10mm，該膜成為一道天然的過(guò)濾層繼續(xù)粉塵的過(guò)濾。當(dāng)粉塵堆積較厚時(shí)（一般不超過(guò)5cm）陶瓷管外側(cè)會(huì)形成堵塞，此時(shí)過(guò)濾壓力增大，氣流無(wú)法通過(guò)孔道，因此必須脈沖反吹沖擊，從陶瓷管內(nèi)側(cè)采用壓縮空氣進(jìn)行反吹的（反吹壓力在0.5MPa左右），使得過(guò)濾陶瓷管重新開始過(guò)濾，高溫廢氣能夠不斷通過(guò)從而達(dá)到連續(xù)過(guò)濾的目的[8]。

圖1　縱向剖面圖

4　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在研究實(shí)驗(yàn)方面，國(guó)外已經(jīng)取得了多項(xiàng)成果。1996年芬蘭赫爾辛基，由15塊3*1米陶瓷板組成的耐高溫凈化過(guò)濾器由赫爾辛基大學(xué)環(huán)境學(xué)院進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)1年的實(shí)驗(yàn)，其中有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行了約300h，在這期間連續(xù)采用 5.0 MPa壓力的壓縮空氣對(duì)板壁進(jìn)行反吹，當(dāng)廢氣顆粒物濃度變化范圍在300～700 mg/（kg·W）時(shí)，經(jīng)檢測(cè)該設(shè)備出口濃度為0.5～15 mg/（kg·W），實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行非常穩(wěn)定[9]。

在我國(guó)，南京工業(yè)大學(xué)的金江教授等人對(duì)陶瓷纖維過(guò)濾器其以及纖維的過(guò)濾機(jī)理進(jìn)行了較為深入的實(shí)驗(yàn)和研究，分析了纖維長(zhǎng)徑比可能是造成到陶瓷纖維過(guò)濾器過(guò)濾效率的主要因素，同時(shí)還深入分析了陶瓷纖維以及過(guò)粉塵的顆粒粒徑大小、分布對(duì)過(guò)濾效率，壓降、滲透率等性能的影響[10]。中國(guó)石油大學(xué)崔元山等人還對(duì)于陶瓷纖維粘結(jié)機(jī)理進(jìn)行研究，驗(yàn)證了不同溶膠對(duì)陶瓷纖維的粘接效果，測(cè)試了陶瓷纖維過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)對(duì)粉塵反吹的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了較為深入的研究，得到了很多研究數(shù)據(jù)，其成果已經(jīng)在環(huán)保領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[11]。

從總體發(fā)展上來(lái)看，陶瓷除塵過(guò)濾材料表現(xiàn)出了很好的耐高溫及抗腐蝕性能，但其缺點(diǎn)明顯：韌性差，抗熱震性方面需要提高，自重大，易碎。面對(duì)目前工業(yè)上高溫除塵的苛刻環(huán)境,傳統(tǒng)上的多孔陶瓷過(guò)濾材料以及金屬類多孔過(guò)濾材料的應(yīng)用前景將受到極大的限制。

5　本文的研究意義

目前，總結(jié)下來(lái)本文中列舉的高溫除塵技術(shù)有：旋風(fēng)除塵、陶瓷過(guò)濾除塵、水噴琳除塵、纖維過(guò)濾、靜電除塵等技術(shù)，這些技術(shù)成熟可實(shí)用，已在市場(chǎng)上獲得很多成功案例。但以上除塵技術(shù)在廢氣凈化的應(yīng)用過(guò)程中大都存在一些問(wèn)題，研發(fā)一種新的氣固分離除塵技術(shù)及相應(yīng)的除塵、收塵設(shè)備是眼下所必須考慮的問(wèn)題，而陶瓷纖維材料以及無(wú)機(jī)粘結(jié)材料的出現(xiàn)為氣固分離技術(shù)的研究提供了一種可能性。陶瓷纖維除塵器作為一種耐高溫凈化材料，其性價(jià)比高，不產(chǎn)生二次污染，運(yùn)行費(fèi)用低，耐高溫（1200℃），使用壽命長(zhǎng)，是各種廢氣處理較為適宜和具有前途的方法之一，尤其是較高的分離效率（出口處的含塵濃度可小于10 g/Nm3），更是其他除塵器無(wú)法比較的。

結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境要求的逐漸提高，在高溫除塵領(lǐng)域陶瓷纖維材料的研究值得進(jìn)一步探討，也是后續(xù)研究的目標(biāo)。

[1]彭萬(wàn)旺，步學(xué)朋.煤炭加壓氣化及高溫煤氣凈化和脫硫技術(shù)開發(fā)[J].潔凈煤技術(shù)，2000，6（2）：43～48.

[2]章名耀.增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)[M].南京:東南大學(xué)出版社，1998.

[3]姬忠禮，時(shí)銘顯.高溫陶瓷過(guò)濾技術(shù)的進(jìn)展[J].動(dòng)力工程，1997.17（3）:59～72.

[4]戢緒國(guó)，王乃計(jì)，彭萬(wàn)旺.熱煤氣凈化新技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),1998，23（2）：194～197.

[5]薛友祥,王耀明.多孔陶瓷及過(guò)濾器在過(guò)濾技術(shù)中的應(yīng)用[J].過(guò)濾與分離，1996，8（3）：37～41.

[6]姬忠禮.高溫陶瓷過(guò)濾元件的研究進(jìn)展[J].化工裝備技術(shù)，2000，21（3）：1～6.

[7]許世森.高溫?zé)煔猓簹猓﹥艋夹g(shù)的分析評(píng)價(jià)[J].熱力發(fā)電，1995，3：37～40.

[8]王乃計(jì).美國(guó)高溫氣體除塵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].潔凈煤技術(shù)，1996，2（4）：43～47.

[9]謝可玉，王乃計(jì).高溫煤氣凈化工藝研究.高溫煤[R].氣凈化工藝研究項(xiàng)目鑒定報(bào)告.95～152，北京，煤炭科學(xué)研究總院北京煤化學(xué)研究所，1997，11.

[10]Kelsall G J,Smith M A,Cannon M F.Low emissions Combustor Development for an industrial Gas Turbine to Utilize LCV Fuel Gas[J].ASME Journal of Engineering of Gas Turbines and Power，1994，11(6):559～566.

[11]陳明召編著.除塵技術(shù)的基本理論及應(yīng)用[M].北京：建筑工業(yè)出版社，1981.