壁流式蜂窩陶瓷在高溫除塵技術(shù)中的應用

徐鵬 吳漢陽

摘 要：高溫煙氣除塵再利用是一項有效利用氣體熱能的技術(shù)，同時也是一項先進的環(huán)保技術(shù)。耐高溫過濾材料的開發(fā)是高溫煙氣除塵技術(shù)的關(guān)鍵。本文從高溫除塵技術(shù)角度出發(fā)，重點介紹了壁流式蜂窩陶瓷及其在高溫煙氣除塵技術(shù)領域中的應用，概述了壁流式蜂窩陶瓷的一些應用性能指標及其測試方法，對指導壁流式蜂窩陶瓷的生產(chǎn)及其在高溫過濾除塵方面的應用具有一定的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：高溫除塵;陶瓷過濾材料;壁流式蜂窩陶瓷

1 前言

冶金、建材、電力及煤化工等行業(yè)每年產(chǎn)生大量的高溫煙氣，這些煙氣含塵量高，塵粒易附著，煙氣中高溫段含有大量的高品位余熱，由于工藝、能量回收抑或滿足環(huán)保排放標準的需要，必須對這些高溫含塵煙氣進行處理。近年來，國家在環(huán)境污染治理方面加大力度，“超低排放”、“近零排放”對除塵器及除塵技術(shù)提出了更高的要求，一些傳統(tǒng)的除塵器及除塵技術(shù)難以實現(xiàn)對超細粉塵尤其是高溫條件下超細粉塵的捕集。多孔陶瓷材料含有大量的微細孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積大，耐高溫、耐腐蝕、機械強度高且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易變形，基于多孔陶瓷材料的高溫無機陶瓷濾材用于高溫含塵氣體的凈化具有耐高溫、過濾精度高的特點，不僅可以實現(xiàn)粉塵的超低排放，還可以負載特定的催化劑，在除塵的同時，實現(xiàn)脫硫、脫硝煙氣凈化。

2 高溫除塵技術(shù)

高溫氣體除塵是指在高溫條件下直接進行氣固分離，最大程度地利用氣體顯熱、潛熱和動力能。通常所指的高溫除塵，是指260℃以上氣體的直接氣固分離。由于運行溫度高，高溫除塵對其使用濾料的機械性能、熱和化學穩(wěn)定性提出了很高的要求，并且高溫除塵設備所采用的容器和濾料材料必須能夠經(jīng)受住高溫、高壓的反復沖擊。在一些特殊工況中，如核廢料處理和石油裂解等，其尾氣溫度高達1000℃以上，在這種情況下，只能采用無機耐溫濾料[1]。

目前常用的除塵技術(shù)主要有機械式除塵技術(shù)、電除塵技術(shù)、濕式除塵技術(shù)以及過濾式除塵技術(shù)。高溫旋風除塵器是一種典型的機械式除塵器，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、造價較低的特點，根據(jù)不同的工藝要求可用于不同溫度及高磨蝕場合。旋風除塵器的工作原理決定了其除塵效率與粉塵顆粒大小密切相關(guān)，對于50 μm的粉塵，除塵效率可以達到96%以上;但對5 μm粉塵，除塵效率只有73%左右;而對1 μm粉塵，除塵效率僅為27%左右[2]。而高溫條件下，濕度大幅下降，且粘滯力與常溫時相比有較大變化，細顆粒凝聚現(xiàn)象大為降低，煙氣中存在大量的超細粉塵，因而使用旋風除塵器處理高溫煙氣中的粉塵無法達到環(huán)保要求，只能作為預除塵器設備，在二次除塵前先去除煙氣中的部分大顆粒粉塵。靜電除塵器利用高電壓產(chǎn)生電暈使塵粒荷電，然后施加收塵電壓捕集帶電的塵粒。靜電除塵器效率高，壓損低（一般小于200 Pa），但一次性投資高，占地面積大，高溫條件下難以維持穩(wěn)定的電暈，陰極壽命短、對粉塵的比電阻和氣體成分等性質(zhì)敏感，還存在電極腐蝕和高電壓擊穿等問題，因而也不適用于高溫條件下的煙氣除塵。濕式除塵器形式很多，總體上包括以噴霧塔和旋風洗滌器為代表的低能濕式除塵器（壓損0.2 ～ 1.5 KPa）以及文丘里洗滌器為代表的高能濕式除塵器（壓損2.5 ～ 9 KPa）。濕式除塵器能耗高，產(chǎn)生二次污染，用于高溫除塵，流程長、設備多、操作復雜，更重要的是浪費了煙氣中的高品位熱能。過濾式除塵技術(shù)利用高溫過濾材料實現(xiàn)氣固分離，其基本原理是塵粒通過過濾材料時受到慣性碰撞、截留、擴散、靜電、篩濾等作用從氣流中被分離出來。過濾式除塵技術(shù)不僅可以最大程度地利用物理顯熱，提高能源利用率，同時可以簡化工藝過程，節(jié)省工藝設備投資。高溫氣體過濾除塵技術(shù)的關(guān)鍵在于高溫濾材的開發(fā)，傳統(tǒng)的過濾式除塵器多以纖維濾袋為過濾材料，纖維濾袋除塵效率高、速度快、清灰方式簡單，但濾袋使用壽命短，更換頻繁。此外，纖維濾袋最高只能在200 ～ 300℃的環(huán)境下長期使用，無法滿足更高溫度工況下的除塵要求。目前，高溫濾材研究較多的有耐高溫金屬濾材及高溫陶瓷濾材。耐高溫金屬濾材具有良好的耐溫性能和機械性能，本身具有極好的韌性和導熱能力，但金屬濾材的強度會隨著溫度的增加逐漸減弱，存在最高使用溫度限制。高溫陶瓷濾材具有良好的化學穩(wěn)定性和抗酸堿腐蝕性，同時能承受高達1000℃以上的高溫。此外，高溫陶瓷濾材具有非常大的內(nèi)部比表面積，對5? μm以下的超細粉塵仍然具有99%以上的過濾效率。尤其是近年來，隨著高溫除塵技術(shù)的迅猛發(fā)展，陶瓷濾材推陳出新，與之相應的配套設備也不斷被改進，無機陶瓷濾材在高溫除塵技術(shù)領域的應用受到了越來越廣泛的關(guān)注。

3 壁流式蜂窩陶瓷及其在高溫除塵技術(shù)中的應用

隨著技術(shù)的不斷進步，高溫陶瓷濾材具有越來越多樣化的結(jié)構(gòu)和組成，可以滿足不同工業(yè)生產(chǎn)條件下的除塵要求。目前，在高溫作用下用于除塵凈化的陶瓷濾材根據(jù)其在使用時的形狀和安裝排列方式的不同，可以分為掛燭式、列管式以及塊狀蜂窩式。掛燭式高溫陶瓷濾材設計成中空燭管狀，一端開口一端封閉，含塵氣流從管外到管內(nèi)，粉塵在外表面沉降形成粉塵層，借助脈沖清灰方式使附著于燭管外壁的粉塵脫落并掉入置于下方的灰斗中。列管式陶瓷濾材設計成兩端開口，含塵氣流由上端開口進入，粉塵一部分直接掉入灰斗，一部分受碰撞、擴散或靜電作用被粘附、攔截在管內(nèi)表面。清灰時采用逆氣流脈動噴吹，氣流由管外進入管內(nèi)，這種清灰方式耗氣量大，但有利于提高陶瓷濾材的使用壽命。 塊狀蜂窩式陶瓷濾材多采用壁流式蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)具有規(guī)則的平行通道，所有通道的進/出口被交錯密封，形成獨立的進氣通道和排氣通道，從濾材進氣通道進入的含塵氣體必須經(jīng)過內(nèi)部多孔薄壁到相鄰的排氣通道流出，粉塵被多孔薄壁攔截在入口一側(cè)。采用脈沖反吹方式進行清灰。

以多孔陶瓷為過濾體的高溫除塵技術(shù)是目前凈化處理高溫含塵廢氣最為先進的技術(shù)。目前，使用較多的高溫陶瓷過濾體多以管狀陶瓷體為主，為了獲得較高的粉塵捕集效率，陶瓷管往往采用陣列排布且管體設計得很長，一方面設備占地面積大，不易安裝及維修，另一方面過大的長徑比使得陶瓷管在安裝、運行及清灰過程中非常容易破損。而壁流式陶瓷濾材被設計成蜂窩塊狀結(jié)構(gòu)，與其它陶瓷濾材相比，壁流式蜂窩陶瓷濾材具有非常大的比表面積，過濾除塵效率顯著提高，同時有效的解決了除塵設備在安裝及使用過程中濾材容易破損的問題。

美國CeraMem公司生產(chǎn)的圓柱型蜂窩陶瓷濾材，直徑305 mm，長度為381 mm，通道為4 ×4 mm，每平方英寸布有25個平行通道，孔隙率30 ～ 50%，平均孔徑為4 ～ 50 μm。在氧化條件下，耐溫1000℃，且抗熱沖擊。為了提高脈沖反吹性能，通道表面覆蓋一層膜，可以實現(xiàn)微濾，膜孔徑0.2 ～ 0.5 μm，比支撐體孔徑小100倍。在800℃下，25 h的運行結(jié)果表明，過濾器脈沖反吹性能好，沒有出現(xiàn)粉塵阻塞通道的現(xiàn)象[3]。

李艷麗等[4]利用莫來石和碳化硅作基體材料，添加活性炭為造孔劑，制備了壁流式蜂窩陶瓷體，考察了不同成型工藝、干燥工藝以及燒成工藝對陶瓷體基本性能的影響，同時確定了陶瓷體達到最佳孔隙率時的造孔劑用量。莫來石基體具有優(yōu)異的耐酸堿、抗氧化及耐高溫性能，配合抗熱震性好的碳化硅材料，一方面降低了生產(chǎn)成本，另一方面能更好的滿足高溫、高熱震、強腐蝕的工業(yè)除塵環(huán)境。

CN 102924068 A公開了一種高溫廢氣凈化用壁流式蜂窩陶瓷過濾體及其制備方法[5]。選用堇青石、鈦酸鋁、蘇州土及氧化鋁為基礎原料，核桃殼粉為造孔劑。堇青石和鈦酸鋁具有較低的熱膨脹系數(shù)，在蘇州土和氧化鋁的包裹作用下，高溫反應原位生成針狀莫來石，獲得的陶瓷過濾體具有很高的強度。通過控制堇青石和鈦酸鋁的顆粒級配，保證陶瓷過濾體具有較高的氣孔率和合適的孔徑分布。利用該發(fā)明提供的配方體系，控制燒成工藝（低于1250℃采用弱還原氣氛，1250℃以上采用中性氣氛），可以獲得具有優(yōu)良抗熱沖擊性能、較高氣孔率、較高強度以及平均孔徑在5 ～ 15 μm之間的壁流式蜂窩陶瓷過濾體，克服了現(xiàn)有技術(shù)采用單一原料或普通顆粒所制備的陶瓷過濾體抗熱沖擊性能差、強度低、孔隙率低等問題，能夠很好地滿足高溫含塵廢氣凈化處理的技術(shù)要求。

CN 203764018 U公開了一種組合壁流式蜂窩陶瓷氣體除塵裝置[6]。該裝置由進氣管道、壁流式蜂窩陶瓷過濾體組件、除塵裝置殼體、整體固定框架、反沖洗系統(tǒng)、排氣管道、收塵裝置和自動控制系統(tǒng)以及必要的防爆裝置組成。壁流式蜂窩陶瓷過濾體采用耐腐蝕涂層對蜂窩陶瓷微孔進行表面改性處理，提高了蜂窩陶瓷在腐蝕性環(huán)境下的工作壽命。該除塵裝置凈化效率高、耐高溫、裝置容積較小、壓力損失不大、耐腐蝕、使用壽命長、易安裝維護、設備投資及運行費用低。

CN 105999909 A公布了一種帶余熱回收的高溫廢氣除塵過濾裝置[7]。該裝置包含兩個除塵工作室，工作室中用壁流式蜂窩陶瓷濾材為過濾體，蜂窩過濾體兼具高溫粉塵過濾和余熱回收功能。燃燒爐燃燒產(chǎn)生的高溫含塵廢氣經(jīng)由除塵工作室，粉塵被蜂窩陶瓷過濾體捕集，處理后的凈氣導入后續(xù)的脫硝反應塔脫硝后經(jīng)煙囪排出。該裝置使用壁流式蜂窩陶瓷濾材為過濾體，應用于高溫廢氣處理，一方面不易破損、變形和腐蝕，粉塵捕集時間短，反吹頻率高，壓力損失較小;另一方面蓄熱和余熱回收性能優(yōu)異，與脫硝反應塔配合，除塵脫硝同步進行。

4 壁流式蜂窩陶瓷濾材的性能

4.1 孔徑、孔隙率與比表面積

多孔薄壁是壁流式蜂窩陶瓷濾材的基本作用單元。根據(jù)過濾除塵機理，含塵氣流中的粉塵經(jīng)碰撞、攔截、擴散、篩分及重力沉降等作用被攔截在多孔薄壁一側(cè)，氣體則通過多孔薄壁進入相鄰的凈氣通道排出。由此可見，孔徑與孔隙率是壁流式蜂窩陶瓷濾材的首要性能指標。壁孔孔徑過大，細顆粒粉塵隨氣流一起通過多孔薄壁進入凈氣通道排出，過濾效率大大降低;壁孔孔徑過小，絕大部分粉塵顆粒被攔截，過濾捕集效率提高，但過濾容量減小，同時壓力損失也急劇增大，設備運行能耗和濾材的破損率隨之增加。比表面積是指單位質(zhì)量或單位體積的表面積。比表面積與孔徑、孔隙率及氣孔形狀等有關(guān)。孔隙率越大，孔徑越小，氣孔形狀越復雜，其比表面積越大。多孔陶瓷的比表面主要由中孔與小孔提供。

白佳海等[8]對壁流式堇青石蜂窩陶瓷氣孔的形成和氣孔率的控制進行了研究和探討，同時考察了燒成制度等工藝因素與壁流式堇青石蜂窩陶瓷性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：單一造孔劑無法獲得理想的高孔隙率，使用有機和無機造孔劑復合造孔的方法可制得顯氣孔率60.1%，熱膨脹系數(shù)2.12×10-6℃-1、抗熱沖擊溫差高于750℃、軸向抗壓強度高于15 MPa、流速損失系數(shù)為0.39的壁流式堇青石蜂窩陶瓷。

馮青等[9]選用液體排除法，通過自制一套專用測量裝置，對不同工藝制備的壁流式蜂窩陶瓷孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了測定，在此基礎上詳細討論了測量原理和計算方法，測定結(jié)果用于壁流式蜂窩陶瓷的制造工藝改進和過濾性能的預測有積極的指導意義。

趙斌娟等[10]分析了壁流式蜂窩陶瓷壓力的損失機理，包括過濾壁上的透過壓力損失、進口收縮壓力損失、出口擴散壓力損失以及進/出口流道內(nèi)的摩擦阻力損失，建立了各類壓力損失的相應公式及總壓力損失公式，通過數(shù)值計算確定了壓力損失公式中相關(guān)待定系數(shù)。由此得到的壓力損失公式能夠較準確的估算壁流式蜂窩陶瓷在不同流量下的壓力損失值。

4.2 收塵效率、過濾容量、壓力損失與堵塞

收塵效率是指蜂窩陶瓷濾材對流體中的固相顆粒的收集能力。這是過濾所需要的特性。過濾容量是指陶瓷濾材過濾層的單位面積、單位壓差、單位時間的流體滲透量。它與濾材的孔隙率及毛細管的直徑平方成正比。壓力損失是指流體通過濾材前后的壓差，多孔蜂窩陶瓷的壓損一般很小，可以試驗標定。

堵塞是指顆粒堆積在過濾層外部或內(nèi)部而使過濾容量下降。

5 結(jié)語

高溫煙氣除塵技術(shù)可以最大程度地利用氣體的物理顯熱、化學潛熱和動力能以及最有效地利用氣體中的有用資源，因而是一項具有廣闊應用前景的新技術(shù)，在全世界范圍內(nèi)發(fā)展十分迅速。近年來，國內(nèi)外在高溫煙氣除塵技術(shù)方面取得了很大的進展。一批批先進過濾材料的開發(fā)，陶瓷過濾材料抗熱震性的改善，高溫除塵工藝技術(shù)的提高，大大推動了高溫煙氣過濾除塵技術(shù)的工業(yè)化應用。盡管如此，目前高溫除塵技術(shù)還處于發(fā)展階段，還需要解決高溫過濾材料的壽命、效率、循環(huán)再生等問題。陶瓷高溫過濾除塵技術(shù)已成為高溫煙氣除塵領域的一個重要分支，在國際上得到廣泛的研究、開發(fā)和應用。壁流式蜂窩陶瓷濾材應用于高溫煙氣除塵不僅能滿足高溫高壓、強酸堿腐蝕工況的除塵要求，而且還是目前唯一有可能集過濾除塵、脫硫脫硝等功能為一體的一種多功能過濾材料，不僅可以高效清除高溫、高壓煙氣中的塵粒，同時還可以有效去除氣體中的有害物質(zhì)，具有其它耐高溫濾材無可比擬的優(yōu)越性，是高溫煙氣過濾材料的最佳選擇。

參考文獻

[1] 劉侃，趙毅.高溫除塵無機濾料國內(nèi)外進展綜述[J].環(huán)境工程，2017，35（6）：69-72.

[2] 楊高強，黃亞繼，袁琦.高溫煙氣除塵技術(shù)及其進展[J].第九屆長三角能源論壇論文集，184-186.

[3] 姬宏杰.陶瓷高溫除塵及自清灰初步研究[D].武漢：華中科技大學，2003.

[4] 李艷麗.新型蜂窩陶瓷的制備與性能研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[5] 周健兒，李家科等.一種高溫廢氣凈化用壁流式蜂窩陶瓷過濾體及其制備方法.CN，102924068 A [P].2013-02-13.

[6] 周健兒，汪永清等.組合壁流式蜂窩陶瓷氣體除塵裝置.CN，203764018 U [P].2014-08-13.

[7] 武雄暉，潘吉慶，倪壽才.一種帶余熱回收的高溫廢氣除塵過濾裝置.CN，105999909 A [P].2016-10-12.

[8] 白佳海.堇青石蜂窩陶瓷的研究[D].南京：南京工業(yè)大學，2004.

[9] 馮青，周建兒，羅民華，梁華銀，王德林，李智華.壁流式蜂窩陶瓷孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的測定[J].中國陶瓷，2008，44（3）：29-31.

[10] 趙斌娟，袁壽奇，加藤征三，西村.壁流式蜂窩陶瓷微粒過濾器壓力損失公式的建立[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2004，35（6）：44-47.