在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,涉及高溫含塵氣體的凈化除塵領(lǐng)域十分廣泛。高溫氣體除塵技術(shù)的研究開發(fā)始于上世紀(jì)70年代,傳統(tǒng)的除塵方式多為濕法除塵,先將高溫氣體進(jìn)行冷卻,然后冷態(tài)下進(jìn)行除塵,這樣浪費(fèi)了大量熱資源。而高溫氣體的直接凈化除塵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高溫氣體資源綜合利用的關(guān)鍵技術(shù),也是一項(xiàng)先進(jìn)的環(huán)保技術(shù)。目前的直接高溫除塵器主要有高溫旋風(fēng)除塵器, 旋流式分離器(龍卷風(fēng)除塵器) ,多管除塵器以及介質(zhì)過濾除塵器等。

在諸多高溫氣體凈化除塵工藝技術(shù)中,介質(zhì)過濾凈化除塵技術(shù)因其最大程度地利用了氣體顯熱和有用能源,同時簡化了工藝過程,節(jié)省了設(shè)備投資以及避免了濕法除塵所帶來的二次水污染等而具有顯著的優(yōu)勢。高溫氣體介質(zhì)過濾除塵技術(shù)的核心是高溫過濾材料,由于其在高溫、高腐蝕性氣體中工作,因此對過濾材料具有很高的要求,必須滿足過濾特性、使用壽命、價格等多方面的要求。工業(yè)除塵過濾材料的主要功能是捕集高溫含塵氣體中的顆粒。其過濾機(jī)制主要有慣性碰撞、攔截和擴(kuò)散效應(yīng)3種, 3種機(jī)理的主要區(qū)別是由含塵顆粒粒徑的大小不同所致。按微粒被捕集的方式可將過濾方式分為表面過濾、深層過濾和濾餅過濾。目前常用的有金屬多孔材料和陶瓷多孔材料。

1　多孔金屬材料

金屬過濾材料具有優(yōu)異的耐溫性和力學(xué)性能, 在常溫下金屬材料的強(qiáng)度是陶瓷材料的10 倍, 即使在700℃高溫其強(qiáng)度仍數(shù)倍于陶瓷材料。金屬材料良好的導(dǎo)熱性和韌性使其具有優(yōu)異的抗熱震性能, 并且適于連續(xù)的反向脈沖清洗,再生性好, 使用壽命長。金屬材料還具有很好的加工性和焊接性能。這些優(yōu)異性能使得金屬過濾材料在高溫氣體除塵應(yīng)用中具有很好的適應(yīng)性和優(yōu)越性。

金屬材料良好的塑性使其可以拉拔成金屬細(xì)絲或纖維,進(jìn)而編織成網(wǎng)或鋪制成氈。粉狀顆粒材料經(jīng)燒結(jié)可以制成燒結(jié)金屬粉末和金屬膜。金屬多孔過濾材料按結(jié)構(gòu)形式分,主要有燒結(jié)金屬絲網(wǎng)、金屬纖維氈、燒結(jié)金屬粉末和金屬膜等。

燒結(jié)金屬絲網(wǎng)采用多層金屬編織絲網(wǎng)為原料,通過特殊的疊層設(shè)計、復(fù)合壓制和真空(或保護(hù)氣氛) 燒結(jié)等工藝制備而成。在發(fā)達(dá)國家,其制作工藝已相當(dāng)成熟,如日本的Nippon Seison公司就是以生產(chǎn)多層網(wǎng)為主的過濾器公司。此外, 德國、美國、英國也能批量生產(chǎn)。它在潔凈煤發(fā)電技術(shù)的高溫除塵領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。金屬纖維氈是一種將金屬熔化后,通過真空噴絲制成的金屬織物。它兼具金屬耐高溫和織物高精度的特性,經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,能夠有效濾除細(xì)微顆粒。從20 世紀(jì)70 年代開始,比利時BEK2 AERT公司開始了大批量生產(chǎn)不銹鋼纖維氈,產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了世界先進(jìn)水平。近年來,我國西北有色金屬研究院在金屬纖維氈的研制及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面也取得了突破性的進(jìn)展。這種材料在化工、化纖、冶金等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,如在天然氣集輸過程中,它可代替某些過濾介質(zhì)。

燒結(jié)金屬粉末是依靠熔融金屬霧化制粉后壓制成形和燒結(jié)而得。燒結(jié)金屬粉末可制成各種復(fù)雜形狀,并且有較高的過濾精度。新近開發(fā)出的Fe3Al燒結(jié)金屬粉末過濾材料,是一種廉價的帶有戰(zhàn)略意義的材料,具有突出的抗高溫氧化和耐硫腐蝕性能。在煤的潔凈燃燒聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝技術(shù)中具有重要應(yīng)用前景,它具有非常高的過濾精度。

金屬燒結(jié)絲網(wǎng)、金屬纖維氈和燒結(jié)金屬粉末作為金屬多孔材料的不同結(jié)構(gòu)形式,各自有著不同的優(yōu)點(diǎn)。金屬絲網(wǎng)具有很高的整體強(qiáng)度和剛性,空隙分布均勻,再生性好,過濾元件壽命長。燒結(jié)纖維氈有很高的空隙率,因此透氣性好,并具有很高的過濾精度。燒結(jié)金屬粉末可制成各種復(fù)雜形狀,并且有較高的過濾精度。而同為金屬多孔材料,多孔金屬膜因其過濾面積大、過濾效率高、壓力損失低、密封性能好等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到青睞,它因可以達(dá)到很高的過濾精度,耗材少而倍受關(guān)注,成為取代金屬絲網(wǎng)、氈、燒結(jié)粉末等材料的新的多孔金屬過濾材料。

多孔膜在燒結(jié)時,以顆粒表面質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散來進(jìn)行傳質(zhì)。燒結(jié)推動力是粉狀顆粒的表面能大于多晶燒結(jié)體的晶界能。經(jīng)燒結(jié)后,晶界能取代表面能,這就是多孔金屬膜機(jī)械強(qiáng)度大、耐高壓的原因。目前用于高溫除塵的多孔金屬膜的制備方法主要有懸浮粒子燒結(jié)法, 相分離瀝濾法等。

多孔金屬膜有以下優(yōu)點(diǎn)。( 1)機(jī)械強(qiáng)度高, 耐壓性能好(耐壓高達(dá)7MPa) ,因此膜組件不易損壞,可用增大壓差的方法來提高滲透率,增大膜的分離能力。(2)具有良好的熱傳導(dǎo)性和散熱能力,因此可減小膜組件的熱應(yīng)力,提高膜的使用壽命,非常適合高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。( 3)密封性能好,膜材料是具有良好焊接性能的金屬材料, 因而膜組件易于連接密封。(4)具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值,在過濾過程中,多孔金屬膜吸附量大,支撐性好,過濾面積大,可在線清洗,適應(yīng)范圍寬。

20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了不銹鋼膜,主要用于液- 固、氣- 固、固- 固分離,現(xiàn)在已經(jīng)商品化。不過,目前市場上涉及金屬膜的研究單位和公司已經(jīng)很多,現(xiàn)在比較成功的金屬膜是德國GKN 公司的不銹鋼膜。

2　多孔陶瓷材料

盡管金屬材料有著眾多的優(yōu)點(diǎn),然而它活性較高,容易氧化,尤其是許多高溫含塵氣體具有腐蝕性或氧化性,容易被腐蝕,穩(wěn)定性不好等,使其制備和應(yīng)用受到極大限制。陶瓷材料因具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,可在高達(dá)1000℃ 溫度下工作,并且在氧化、還原等高溫環(huán)境下具有很好的抗腐蝕性而成為高溫氣體除塵的優(yōu)良選材之一。陶瓷微孔材料從材質(zhì)上可分為氧化物、非氧化物和復(fù)合物類。其中屬非氧化物陶瓷材料的碳化硅具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、抗熱沖擊性強(qiáng)、透氣性好、低壓降等優(yōu)良性能, 是首選的高溫陶瓷過濾材料。

2. 1　多孔陶瓷過濾材料的制備及主要特點(diǎn)

目前應(yīng)用于高溫除塵的多孔陶瓷制備技術(shù)主要有造孔劑法、發(fā)泡法等。多孔陶瓷材料在高溫除塵應(yīng)用方面有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),其主要特點(diǎn)如下:

(1)孔隙率高,可達(dá)到60%以上,孔徑均勻且易于控制。過濾精度高,可達(dá)0. 1μm ,適用于各種介質(zhì)精密過濾。

(2)耐酸堿性好,適用于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿以及各種有機(jī)氣氛中工作。

(3)機(jī)械強(qiáng)度高,可耐受較高的工作壓力及壓力降。

(4)耐高溫,工作溫度可達(dá)800℃,適用于各種高溫氣體過濾。

(5)過濾元件使用壽命長,經(jīng)濟(jì)性好,長期使用時微孔形貌不發(fā)生變化,且再生性好。

2. 2　多孔陶瓷材料高溫除塵的研究現(xiàn)狀

在高溫氣體除塵技術(shù)研究的早期,美國開展了以陶瓷過濾介質(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(dá)國家也開展了類似的研究工作。而進(jìn)入90年代中期以來,隨著一批先進(jìn)的高性能過濾材料的開發(fā)成功,高溫氣體介質(zhì)過濾除塵技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性階段,圍繞著陶瓷過濾材料抗熱震性的改善,取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,尤其是陶瓷纖維增強(qiáng)復(fù)合多孔材料的開發(fā),使得陶瓷過濾材料抗熱震性得到顯著改善。在開發(fā)的高性能材料中,有日本Asahi公司生產(chǎn)的勻質(zhì)堇青石陶瓷濾管,德國Schumacher 公司生產(chǎn)的SiC - Al2O3 雙層試管式濾管,德國 BWF公司生產(chǎn)的真空成型陶瓷纖維管等。國外大量專利報道了很多各式各樣的陶瓷膜高溫氣體過濾器。如美國的Dupunt Lanxide公司生產(chǎn)的PRD - 66 型管狀碳化硅陶瓷過濾器,芬蘭Helsinki技術(shù)大學(xué)的高溫管式過濾器, 采用 D IA - Schunalith F40 過濾管的德國Schumacher 公司的小型高溫陶瓷過濾器等,都得到了成功的應(yīng)用。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)固態(tài)化學(xué)與無機(jī)膜研究所一直致力于陶瓷膜制備技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究, 且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化。遼寧省煤炭工業(yè)學(xué)校、遼寧工程技術(shù)大學(xué)等單位共同研究燭狀(或管狀)陶瓷過濾元件技術(shù),取得了很好的試驗(yàn)效果。該陶瓷過濾元件除塵效率可達(dá)99%以上,凈化后氣體塵粒小于5μm,為進(jìn)一步開展研究奠定了基礎(chǔ)。

多孔陶瓷材料具有低密度、高精度、高滲透率、耐腐蝕、耐高溫、抗熱沖擊性好、壓降低以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),是一種優(yōu)良的過濾材料,在高溫干式除塵方面有著較好的應(yīng)用。

3　新型過濾材料

早期的研究主要集中在陶瓷過濾技術(shù)方面, 陶瓷材料的突出優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。但其有著性脆、延展性差、焊接性差、抗熱震性差、操作的長期性、可靠性差等缺點(diǎn)且其反吹性仍存在不少問題。而金屬多孔過濾材料具有良好的耐溫性和優(yōu)良的力學(xué)性能。但其仍有不少缺點(diǎn):金屬活性較高,制備困難,危險性高;金屬容易氧化,使用中穩(wěn)定性不高;金屬材料在極高溫環(huán)境下強(qiáng)度仍然不夠高等。因此, 綜合陶瓷材料和金屬材料的優(yōu)點(diǎn),開發(fā)新型和復(fù)合高性能材料倍受關(guān)注。

3. 1　金屬陶瓷復(fù)合材料

金屬陶瓷膜的開發(fā)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視,并取得一定成果。多孔金屬膜的金屬基體賦予了金屬膜良好的塑性、韌性、可焊接性和強(qiáng)度, 而惰性材料的陶瓷膜層則賦予了金屬膜良好的環(huán)境和物料適應(yīng)性, 是迄今為止性能最好的膜材料之一。一些研究者對此類膜的制備做了研究報道, 20世紀(jì)90 年代, 美國研制成功了一種以多孔不銹鋼為基體、TiO2 陶瓷為膜層材料的“Secp ter金屬膜”。這種被稱為金屬膜的無機(jī)膜具有陶瓷膜的所有優(yōu)點(diǎn), 而且具有金屬材料良好的強(qiáng)度、塑性、韌性和可焊接性。中國在20世紀(jì)90年代, 田茂東和黃子安在多孔鈦基體上制備了SiO2陶瓷膜層,隨后,出現(xiàn)多孔金屬鈦/沸石復(fù)合膜等材料。

3. 2　復(fù)合陶瓷材料

單一組分的陶瓷材料可能存在性脆、焊接性、抗熱震性及焊接性差等缺點(diǎn),陶瓷復(fù)合材料和陶瓷纖維增強(qiáng)材料則有著顯著的優(yōu)勢。王耀明等研制了一種具有梯度孔結(jié)構(gòu)堇青石陶瓷纖維復(fù)合膜過濾元件,以具有特定粒度和粒級級配的堇青石原料作骨料,以C粉為造孔劑,以低熱膨脹SiO2 - Al2O3 - K2O - L i2O體系為高溫陶瓷結(jié)合劑的工藝配方體系。經(jīng)過測試,發(fā)現(xiàn)這種孔梯度陶瓷纖維膜管,具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、便于清洗、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

另外SiC 多孔陶瓷具有高溫強(qiáng)度高、抗氧化、抗熱震好、密度小、較高的熱導(dǎo)率等特點(diǎn),在高溫除塵領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。德國Schu2 macher公司采用真空抽濾法,以SiC和硅酸鋁纖維為主要原料生產(chǎn)的Cerafill2H10陶瓷纖維過濾材料, 其孔隙率達(dá)90%, 可在950℃下長期使用。

3. 3　新型合金材料

近年來,國內(nèi)外一些研究單位圍繞高性能過濾合金材料的研制,取得了富有成效的成果。美國Pall和Mott公司、英國Povair公司、比利時Be2 kaert公司、日本精線公司等分別開發(fā)了Haynes 合金、FeCrAl合金、Hastelloy合金、Inconel合金、 310S等一系列新型材料。這些材料具有優(yōu)異的抗高溫氧化和耐腐蝕性能,具有極強(qiáng)的競爭力。

3. 4　其它新型材料

其它一些性能優(yōu)良的高溫過濾材料也受到研究者的關(guān)注。一種由玻璃纖維、PPS纖維和活性碳纖維復(fù)合,經(jīng)過PTFE化學(xué)處理的針刺過濾材料,其外觀為致密、暗黃色的非織造材料,具有高的過濾效率,低的氣體阻力,并且耐腐蝕,造價較低。另外晏榮華等分析了P84纖維和玻璃纖維的性能,用該兩種材料復(fù)合而成P84 /Glass 復(fù)合針刺氈,它是一種綜合性能極佳的耐高溫過濾材料。

4　結(jié)語

面對高溫除塵的苛刻環(huán)境,傳統(tǒng)陶瓷多孔材料或金屬多孔材料的應(yīng)用都將受到限制。因此, 金屬陶瓷復(fù)合材料,以及耐腐蝕性和耐高溫的金屬復(fù)合材料和其它新型材料的開發(fā)必將是科研工作者未來關(guān)注的重點(diǎn),同時,要進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝,降低制造成本,早日實(shí)現(xiàn)高性能新型高溫過濾材料的工業(yè)化應(yīng)用。

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