壁流式蜂窩陶瓷在模擬高溫含塵煙氣中性能測(cè)試分析

羅民華，朱帥鋒，梁華銀，肖卓豪，李 杰，張振剛，周健兒，羅國華

(1.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院宜興分院，江蘇 宜興 214206)

0 引言

冶金、建材、電力等行業(yè)每年產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔夂写罅课词褂玫臒崮躘1-3]，由于高溫?zé)煔夂瑝m量高，在進(jìn)行換熱時(shí)塵粒沖刷換熱器管壁及黏附在換熱材料表面，甚至出現(xiàn)沉積堵塞等問題[4]，極大地影響了換熱設(shè)備的使用壽命及換熱效率。采用科學(xué)有效的高溫除塵技術(shù)使煙氣在高溫環(huán)境下過濾凈化，避免熱回收階段的灰塵污染[5]，同時(shí)達(dá)到無塵排放。因此，高溫含塵煙氣除塵并高效回收利用，不僅可以降低能源消耗，還可以提供優(yōu)質(zhì)環(huán)境和公眾健康效益[6]。

近年來，壁流式蜂窩陶瓷因具有耐高溫、耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等突出優(yōu)點(diǎn)被運(yùn)用于高溫含塵煙氣凈化[7,8]。壁流式蜂窩陶瓷作為高溫除塵過濾體，兩端壓力降低以及清潔再生效果是評(píng)價(jià)其過濾性能和流動(dòng)性能的重要指標(biāo)[1,8,9]。傳統(tǒng)壁流式蜂窩陶瓷在長(zhǎng)期的除塵運(yùn)行過程中，孔道壁內(nèi)微孔中容易吹進(jìn)微細(xì)粉塵，并在聯(lián)通微孔的頸部塞積，從而降低蜂窩陶瓷的孔隙率、增大壓力損失，以及降低對(duì)含塵廢氣過濾的處理效率且反清洗再生性能較差[10,11]。采用先進(jìn)多孔陶瓷膜技術(shù)[12]對(duì)壁流式蜂窩陶表面進(jìn)行涂膜，膜層的孔徑比載體孔徑更細(xì)，可以有效阻止微細(xì)粉塵進(jìn)入孔道[13]，增加過濾器在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的再生性和使用壽命。目前缺少對(duì)涂膜前后壁流式蜂窩陶瓷在高溫除塵中優(yōu)化測(cè)試分析。因此，試驗(yàn)自制了一套具有完整測(cè)試系統(tǒng)的壁流式蜂窩陶瓷高溫運(yùn)行過濾性能測(cè)試平臺(tái)，模擬真實(shí)工業(yè)高溫含塵煙氣工況。即在設(shè)定的煙氣流量Q、溫度T、粉塵濃度C、粉塵顆粒度分布等工況參數(shù)及設(shè)定的反沖洗壓力下，對(duì)涂膜和未涂膜壁流式蜂窩陶瓷進(jìn)行連續(xù)性測(cè)試。通過廣泛的試驗(yàn)，目的是論證以壁流式蜂窩陶瓷膜用于高溫含塵氣體高效除塵的可行性，為壁流式蜂窩陶瓷在高溫除塵中耐用性和脈沖清洗策略提供科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

壁流式蜂窩陶瓷高溫運(yùn)行過濾性能測(cè)試平臺(tái)如圖1 所示。整個(gè)高溫含塵煙氣發(fā)生裝置和測(cè)試系統(tǒng)組成包括：燃燒系統(tǒng)、粉塵煙氣模擬系統(tǒng)、高溫除塵系統(tǒng)、高壓反吹系統(tǒng)及完整測(cè)試系統(tǒng)。整個(gè)裝置的動(dòng)力設(shè)備為高溫引風(fēng)機(jī)（或鍋爐引風(fēng)機(jī)）；過濾裝置是以壁流式蜂窩陶瓷為過濾體的過濾箱體；粉塵收集裝置為位于過濾器下部的集塵箱體。其中，高溫?zé)煔饽M系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥蔂t內(nèi)燃燒器燃燒產(chǎn)生，其溫度和流量可調(diào)。高溫?zé)煔馀c微細(xì)粉塵在粉塵預(yù)混室中產(chǎn)生高溫含塵廢氣，模擬粉塵采用煤粉灰，粉塵粒徑分布、濃度可調(diào)。高溫含塵廢氣進(jìn)入壁流式蜂窩陶瓷除塵器內(nèi)的軸向平行的蜂窩孔道，相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵孔[14]，在蜂窩孔道的蜂窩壁上分布大量的貫穿性孔道。由于蜂窩孔道的出口端被封閉，含微塵廢氣只能通過壁流式蜂窩陶瓷貫穿性微孔的壁面從相鄰的蜂窩孔道流出，而廢氣中粉塵則在經(jīng)過蜂窩壁時(shí)被截留[8,10,14]。測(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)溫孔、壓力傳感器及高溫流量計(jì)。測(cè)溫孔用于測(cè)試入口煙氣溫度；壓力傳感器用于記錄除塵器兩端壓力變化以及反吹壓力。觀測(cè)反吹系統(tǒng)壓力表進(jìn)行設(shè)定值反吹，并可根據(jù)壓力表讀數(shù)來調(diào)整反吹壓力。

圖1 壁流式蜂窩陶瓷高溫運(yùn)行過濾性能檢測(cè)平臺(tái)示意圖Fig.1 Running under the high temperature wall flow ceramic honeycomb filter performance testing platform

測(cè)試中所用先進(jìn)商用壁流式蜂窩陶瓷全長(zhǎng)305 mm，孔邊長(zhǎng)5.0 mm×5.0 mm，有效長(zhǎng)290 mm，一端通孔數(shù) 12×12+11×11=265，過濾面積 A=1.537 m2。壁流式蜂窩陶瓷載體平均孔徑為13 μm，孔隙率為 43 %；頂膜平均孔徑 3.2 μm，厚度為70 μm—80 μm。壁流式蜂窩陶瓷過濾元件的工作原理圖如圖2 所示。

圖2 壁流式蜂窩陶瓷高溫除塵過濾原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of wall flow honeycomb ceramic filter

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 初始過濾性能測(cè)試

初始過濾性能測(cè)試主要測(cè)試進(jìn)氣流速以及進(jìn)氣溫度對(duì)壁流式蜂窩陶瓷過濾壓力的影響。試驗(yàn)首先在常溫下通入潔凈氣體，只改變引風(fēng)機(jī)的氣體流量。試驗(yàn)采用先增大、后減小流速，采集不同流速下過濾壓力，最后計(jì)算流速與平均壓力的關(guān)系曲線，分析得出初步結(jié)論。然后開始點(diǎn)火，使通入氣體溫度不斷升高，不加粉塵，并根據(jù)實(shí)際情況加大流量，使整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)升溫至設(shè)定溫度。升溫過程中，記錄不同溫度下對(duì)應(yīng)的過濾壓力，采集數(shù)據(jù)并作圖分析得出結(jié)論，其結(jié)果為后續(xù)高溫測(cè)試的變量控制提供依據(jù)。

1.2.2 壁流式蜂窩陶瓷在高溫含塵廢氣中連續(xù)性測(cè)試

在相同工況下，對(duì)涂膜和未涂膜壁流式蜂窩陶瓷進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)整理分析。試驗(yàn)過程為：采用高溫大流量連續(xù)性測(cè)試和反吹洗性能試驗(yàn)測(cè)試，調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁浚瓜到y(tǒng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度約10 min。然后調(diào)節(jié)閥門（或閘板）使流量至所需要運(yùn)行測(cè)試時(shí)的流量。觀察溫度變化，調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁?，使系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度約20 min，并在運(yùn)行過程中維持在此溫度值。根據(jù)設(shè)定的粉塵濃度，調(diào)節(jié)粉塵發(fā)生器的轉(zhuǎn)速，加入粉塵。記錄運(yùn)行測(cè)試過程中的各參數(shù)值，至壁流式蜂窩陶瓷背壓升至設(shè)定值。停止加灰和停風(fēng)機(jī)，以設(shè)定的高壓空氣壓力值進(jìn)行反沖洗。然后開風(fēng)機(jī)，記錄反沖洗后的背壓值，觀察是否恢復(fù)到接近初始背壓值，記錄流量等參數(shù)。再加入粉塵，重新運(yùn)行測(cè)試，注意調(diào)節(jié)燃料量，使溫度盡快穩(wěn)定在設(shè)定值。重復(fù)上述步驟，觀察反沖洗后背壓是否穩(wěn)定在接近初始背壓值的某一數(shù)值。如果數(shù)值升高，需要調(diào)高反沖洗壓力再進(jìn)行反吹洗；如果反沖洗5次背壓都穩(wěn)定在某一數(shù)值，則此工況運(yùn)行測(cè)試結(jié)束。將記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析連續(xù)運(yùn)行除塵系統(tǒng)內(nèi)過濾壓力變化，研究未過濾性和反吹系再生性。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 進(jìn)氣流量的影響

圖3 是進(jìn)氣流量對(duì)過濾壓力影響的測(cè)試結(jié)果。從圖3 明顯可以看出，過濾壓力隨入口流量增大而呈線性增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)整理可得出潔凈過濾體對(duì)流體的阻礙作用所產(chǎn)生的壓力損失與流量成正比。對(duì)比涂膜前后，涂膜后的過濾壓力增加。因?yàn)槟涌讖礁?xì)，過濾壁對(duì)流體阻礙增強(qiáng)，且隨著流速不斷增加阻礙性增強(qiáng)。試驗(yàn)測(cè)得過濾流速為1.88 cm/s 時(shí)（參照市場(chǎng)公開參數(shù)），涂膜后壁流式蜂窩陶瓷過濾壓力為437 Pa，比無頂膜壁流式蜂窩陶瓷過濾壓力374 Pa 高16.8 %，比先進(jìn)同類產(chǎn)品的過濾壓力720 Pa 低39.0 %。

圖3 涂膜前后過濾壓力與流量的關(guān)系Fig.3 The filtration pressure before and after the film changes with the flow rate

2.2 進(jìn)氣溫度的影響

圖4 為裝置點(diǎn)火后記錄無粉塵時(shí)隨著氣流溫度升高背壓變化的測(cè)試結(jié)果。由圖4 可知，進(jìn)氣溫度從20 ℃上升到432 ℃，系統(tǒng)壓降從470 Pa 上升到1080 Pa，隨著溫度升高過濾壓力不斷增加。分析認(rèn)為，氣體隨著溫度升高氣體分子之間距離增大，壓強(qiáng)不斷變大，氣體與壁面之間流動(dòng)摩擦更大。同時(shí)，當(dāng)相鄰的氣體層相對(duì)移動(dòng)時(shí)，則氣體分子在紊亂熱運(yùn)動(dòng)過程中不斷地由這一層滲入到另一層。由于動(dòng)量轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生內(nèi)摩擦，這樣就阻礙它們相互移動(dòng)，造成壓力損失增加。所以，氣體的黏度隨著溫度升高而增加，隨著溫度升高，壁流式蜂窩陶瓷過濾壓力增大。

圖4 系統(tǒng)壓降隨溫度的變化Fig.4 System pressure drop varies with inlet temperature

2.3 涂膜對(duì)壁流式蜂窩瓷在高溫除塵中的過濾效率和再生性能的影響

通過點(diǎn)火后調(diào)試設(shè)備，運(yùn)行到設(shè)定工況后，在高溫下進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行和反吹洗測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)記錄每個(gè)反吹灰周期數(shù)據(jù)并整理成圖表。圖5 是未涂膜壁流式蜂窩陶瓷流量為24 Nm3/h，溫度控制在450 ℃—500 ℃，入口粉塵濃度為7.6 g/m3條件下壓降變化示意圖。

圖5 無頂膜時(shí)高溫測(cè)試的壓降變化Fig.5 Change of pressure drop at high temperature without film coating

裝備未涂膜過濾體的設(shè)備在設(shè)定流速下運(yùn)行初始阻力為350 Pa。在阻力達(dá)到800 Pa 時(shí)，用0.35 MPa 壓力反沖清洗蜂窩陶瓷后，過濾背壓恢復(fù)初始阻力為350 Pa。在運(yùn)行600 min 時(shí)間內(nèi)，用0.35 MPa 反吹壓力反沖后，阻力從350 Pa 逐漸增大到400 Pa，此時(shí)需要增大反吹壓力。繼續(xù)測(cè)試運(yùn)行1800 min 時(shí)，反吹壓力從0.4 MPa 逐步調(diào)大至 0.5 MPa，反沖后載體初始阻力逐漸增大至550 Pa。結(jié)果表明，反吹洗效果較差。這是由于隨著清灰周期增加，清灰后蜂窩瓷壁面存留由粉塵。因此，反吹洗后內(nèi)部存有殘存壓降，使得過濾壓力不斷增加。然而采用連續(xù)反沖三次的方法使得載體過濾壓力降至500 Pa。阻力隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，反沖后初始背壓一直處于一種上升的趨勢(shì)。反沖洗效果越來越差，反沖洗后不能恢復(fù)，阻力明顯增加到1110 Pa。分析認(rèn)為：一方面是因?yàn)殡S著過濾時(shí)間延長(zhǎng)，壁面由殘存微細(xì)粉塵不容易被清洗干凈而造成初始?jí)毫υ黾樱涣硪环矫媸且驗(yàn)榭椎辣谥形⒖资遣灰?guī)則的聯(lián)通結(jié)構(gòu)，在高壓脈沖氣體反吹過程中，仍然有大量顆粒物在微孔的頸部塞積，導(dǎo)致大量粉塵顆粒殘留在蜂窩陶瓷過濾體的孔道壁中。即使增加反吹壓力也不能夠恢復(fù)，考慮可能造成堵塞。

圖6 為經(jīng)過涂膜后，壁流式蜂窩陶瓷測(cè)試在高溫含塵煙氣流量為 24 m3/h、溫度 450 ℃—500 ℃、入口粉塵濃度為8.6 g/m3工況條件下，壓降變化示意圖。

圖6 涂膜后高溫測(cè)試的壓降變化Fig.6 Change of pressure drop at high temperature after coating

高溫連續(xù)運(yùn)行測(cè)試是在初始阻力為410 Pa，背壓達(dá)到800 Pa 左右時(shí)，用0.4 MPa 反沖洗壓力清灰至初始過濾壓力410 Pa。設(shè)備在前5 h 內(nèi)一直保持阻力在400 Pa—800 Pa 之間運(yùn)行，期間過濾阻力經(jīng)反沖洗后，能保持在平均430 Pa 且反吹周期較穩(wěn)定。通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，說明涂膜后壁流式蜂窩陶瓷能夠在穩(wěn)定反吹洗壓力下連續(xù)清洗和恢復(fù)，很容易反吹洗干凈且反吹灰后殘存在壁面的灰塵較少，從而能夠使過濾壓力保持穩(wěn)定。測(cè)量出口粉塵濃度保持0.06 mg/m3—0.10 mg/m3，過濾效率達(dá)99.99 %，說明涂膜后蜂窩陶瓷具有很好的過濾性。3000 min 后再增加過濾壓力至1000 Pa，用0.5 MPa 反吹洗壓力仍能夠使其恢復(fù)至430 Pa。這表明表面涂覆了一層孔徑較細(xì)膜層之后，使得細(xì)小顆粒的粉煤灰不能進(jìn)入蜂窩陶瓷載體，都滯留在頂膜表面。此時(shí)，用高壓反沖洗再生系統(tǒng)就更加容易。隨著過濾壓力增加，反沖壓力也需要相應(yīng)增大，但增量并不多。同時(shí)，陶瓷膜微細(xì)孔徑能夠保證過濾掉粒徑更細(xì)粉塵，可以降低PM 顆粒物排放。

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)通過自制壁流式蜂窩陶瓷高溫運(yùn)行過濾性能測(cè)試平臺(tái)很好地調(diào)整測(cè)試所需要的工況，保證煙氣流量Q、粉塵濃度C、粉塵顆粒度分布、溫度T在相同工況參數(shù)下，對(duì)涂膜前后過濾性能和反吹洗再生性能進(jìn)行測(cè)試。

（2）壁流式蜂窩瓷的過濾壓力隨流速增加呈線性增長(zhǎng)。設(shè)備能夠準(zhǔn)確測(cè)試孔徑大小等各項(xiàng)參數(shù)對(duì)過濾壓力的影響，可以很好地對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)。本測(cè)試經(jīng)過工藝改進(jìn)測(cè)得流速在1.88 cm/s 時(shí)，涂膜后過濾壓力為437 Pa，比未涂膜時(shí)過濾壓力374 Pa 高16.8%。

（3）壁流式蜂窩陶瓷系統(tǒng)過濾壓力隨著進(jìn)氣溫度的增加而升高，且溫度升高越快過濾壓力增加越多。對(duì)于高溫運(yùn)行下壁流式蜂窩陶瓷，過濾阻力不僅來自于壁面阻礙作用，還有氣體隨溫度變化導(dǎo)致過濾壓力變大。

（4）通過對(duì)涂膜和未涂膜壁流式蜂窩陶瓷高溫連續(xù)運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比分析，頂膜技術(shù)可以使壁流式蜂窩陶瓷用于高溫?zé)煔獬龎m更容易清洗再生，能夠過濾更細(xì)粉塵，過濾效率達(dá)99.9 %且隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，壓力損失不會(huì)增加且能夠保持周期性變化，大大增加了其使用壽命，持久耐用。在考慮大流量工況時(shí)，可以考慮增加過濾元件個(gè)數(shù)。