精品高温烟尘颗粒捕集技术设备构成与材料制备.docx

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精品高温烟尘颗粒捕集技术设备构成与材料制备

1高温烟气粉尘捕集技术

在化工、石油、冶金、电力及其他行业中，常产生高温含尘气体。

由于不同工艺需要或回收能量抑或达到环保排放标准，都需对这些高温含尘气体进行除尘。

在高温条件下，由于粘滞力有较大变化，湿度大幅下降，细颗粒凝聚现象大为降低，所以对微粒的分离有较高难度。

另外，高温时采用的设备材质、结构形式以及热膨胀等问题往往影响设备的正常运行。

因此，高温条件下气固分离技术在工程中属于有较高难度且亟需开发的课题，是国内外一项高新技术。

高温高效除尘技术的特点是：

所要求净化的含尘气体温度高（600℃-1400℃）；颗粒细（通常dp<5～10μm，甚至在亚微米级）；净化标准高（出口浓度常要求1～50mg/m3（标），甚至更小）。

对于如此苛刻的要求，采用简单的气固分离设备是远远达不到的。

2陶瓷高温除尘简介

陶瓷过滤器按结构形式可分为纤维袋式陶瓷过滤器、织状陶瓷过滤器、烛状（管状）陶瓷过滤器、交叉流式陶瓷过滤器、蜂房式陶瓷过滤器等；按陶瓷材料特性又可分为刚性陶瓷过滤器和柔性陶瓷过滤器。

多孔陶瓷过滤材料主要特点：

（1）材料孔隙率高，最高可达60%以上。

孔径均匀且易于控制。

过滤精度高，可达0.1微米，适用于各种介质精密过滤。

（2）耐酸碱性好。

适用于强酸（硫酸、硝酸、盐酸）、强碱（氢氧化钠等）和各种有机溶剂的过滤。

（3）机械强度高，工作压力可达6MPa，压差可达1MPa。

（4）耐高温，具有良好的急热急冷性能，工作温度最高可达800℃。

适用于各种高温气体过滤。

（5）过滤元件使用寿命长，长期使用，微孔形貌不发生变化，便于清洗再生。

多孔陶瓷过滤元件的过滤是集吸附、表面过滤和深层过滤相结合的一种过滤方式。

对于液固、气固系统的过滤与分离来讲，其过滤机理主要为惯性冲撞、扩散和截留。

过滤过程可分为三个阶段：

第一阶段，过滤滤料是清洁的，随着粉尘颗粒在滤料表面的堆积，滤料的结构发生变化；紧接着是第二阶段，随着粉尘堆积量的增加，滤料阻力、过滤效率也逐渐增大，这是过滤的主要阶段。

堆积的粉尘应有一定的限量，超过限量将会导致滤料发生变形、损坏、风量下降、过滤效率降低等不良后果，所以，必须采取滤料的清灰处理，以恢复其过滤能力，这就是过滤的第三阶段——滤料的清灰再生。

3国内外反应器研究现状

在我国，陶瓷过滤器用于煤气过滤除尘的研究处于起步阶段。

目前只有东南大学、西安交通大学、石油大学、北京化工大学、辽宁工程技术大学等单位对陶瓷过滤器进行研究。

按照结构分类，可分为烛状（管状）陶瓷过滤器、蜂房式陶瓷过滤器、纤维袋式陶瓷过滤器、织状陶瓷过滤器、交叉流式陶瓷过滤器等；按陶瓷材料特性又可分为刚性陶瓷过滤器和柔性陶瓷过滤器。

1管状（烛状）陶瓷过滤器

试管式过滤器是一种形如试管的陶瓷过滤管，工业上用多个试管式过滤元件组成多层试管式过滤器，如图1所示。

含尘气体从下部进入过滤器，由管外部穿过陶瓷壁而实现过滤，捕集下来的颗粒落入灰斗中。

当穿过陶瓷管的压降因粉尘粘在陶瓷管外壁而逐渐增加到一定值后，需用高压空气脉冲反吹，实现了在线清灰。

试管式过滤器的管板与过滤器壁的连接涉及到密封、热膨胀等问题，因此管板上的布管必须考虑到管板强度、滤管之间的粉尘夹带和粉尘架桥等问题。

图1多层试管式陶瓷过滤器元件示意图

辽宁省煤炭工业学校、辽宁工程技术大学等单位共同研究烛状（或管状）陶瓷过滤元件技术，取得了很好的试验效果。

他们从陶瓷过滤元件的制作材料的选取、加工工艺以及其对多空陶瓷的性能的影响等方面分别进行试验研究，重点介绍了烛状（或管状）陶瓷过滤元件，因为这种元件工艺简单。

选用粘土烧结炭化硅材料，造孔剂采用锯末，实验结果除尘效率达99%，净化后煤气中的尘粒小于5微米，完全满足环保要求。

表1陶瓷过滤器元件特性

堆积密度

1.0g/cm3

平均孔径

2~50微米

四点弯曲强度

15~20MPa

热胀性

<1%

孔隙率

40%

化学成分

SiC

内径

10mm

外径

20mm

壁厚

5mm

长度

0.1~1.0m

图2管状陶瓷过滤器元件示意图

常用的试管式陶瓷过滤元件的外径60ram，内径30～40mm，长约0.5m～1.5m，其底部封闭，顶部开口，顶部有一瓶颈，用于将过滤元件固定在管板上。

含尘气体从过滤元件的外表面穿过多孔的陶瓷管壁而实现过滤，净化气体则从每根过滤元件的中心向上流出，被捕集的飞灰颗粒堆积在过滤元件的外表面而形成粉尘层。

当过滤元件外表面粉尘层堆积到一定厚度后，因过滤压降增加太大，必须采用高压气体进行脉冲反吹清洗，使得过滤元件再生，以实现连续过滤。

早期的陶瓷滤管为单层结构，目前常采用双层结构。

双层陶瓷过滤元件其典型结构为：

用碳化硅颗粒胶结成基体，平均孔径在100～125微米，所用材料的粒径为50～300微米、基体厚8.5～15mm。

在基体外有一薄层的滤膜结构，由2.5～3微米的碳化硅和刚玉纤维烧结而成，其厚度为150～300微米，平均孔径在10～30微米。

基体保证过滤元件的强度和刚度，薄层滤膜保证过滤精度。

经过试验比较，推荐采用薄层孔径10微米、厚度为50～200微米。

近几年来，德、英、日等国的一些公司相继开发了多种双层碳化硅过滤元件，其中德国的Schumacher

Gmbh＆CO．生产的SCHUMALITH和DIA-SCHUMALITH代表了双层过滤元件的研究开发过程。

自1985年以来，此公司相继开发了F-40、10-20、TF-20、T10-20系列，他们的主要特性如下表：

表2DIA-SCHUMALITH双层过滤元件的参数

2蜂窝式陶瓷过滤器

蜂窝式陶瓷过滤器的除尘装置的除尘原理是在过滤体中有平行的蜂窝孔道，相邻的蜂窝孔道两端交替堵孔，蜂窝孔道的蜂窝壁上均布微孔，当含尘气体通过微孔时，粉尘颗粒被捕捉留着孔道内，达到除尘目的。

从国外来看，常用的有美国CeraMem公司生产的圆柱型蜂窝式陶瓷过滤元件，直径305mm，长度为381mm，通道为4*4mm，每平方英寸（=6.452cm2）有25个通道，孔隙率30%~50%，平均孔径为4~50微米。

如图3所示。

在氧化条件下，耐温1000℃，且抗热冲击。

为了提高脉冲反吹性能，通道表面覆盖了一层膜，可以实现微滤，膜孔径0.2~0.5微米，比支撑体孔径小100倍。

荷兰Delft工业大学的1.5MW（热能）实验装置上，安装了3个CeraMem公司生产的蜂窝式过滤元件。

在800℃下，25h的运行结果表明，过滤器脉冲反吹性能好，没有出现粉尘阻塞通道现象。

图3蜂窝陶瓷示意图

目前，以壁流式蜂窝陶瓷作为过滤体的除尘装置，可以克服以微孔陶瓷管为过滤体的除尘器的缺点，受到了广泛关注。

安装方式分为两种：

一种是蜂窝孔道轴向水平安装，一种是蜂窝孔道轴向垂直安装。

景德镇陶瓷学院发明一个蜂窝状陶瓷过滤器的专利技术，如下图所示，它包括壳体1，进气管道4，排气管道5，反吹管道8，收尘箱17，以及必要的防爆装置，其特征是在壳体1内自下而上设有至少两层蜂窝孔道轴向垂直安装的陶瓷过滤体组件2，在层与层之间设有倾斜的落灰板6。

既可以大量处理含粉尘气体，又具有良好的冲洗效果，并解决了粉尘收集的难题。

（专利号200520111666.0）

图3蜂窝状陶瓷过滤器的结构示意图

3移动床层型陶瓷过滤器

上述两种过滤器为刚性陶瓷过滤器，它们具有极高的除尘效率和简单的结构，许多国家争相研究开发，已进入200～300℃范围的示范运行，但在更高温度下，却出现因温度和机械冲击而脆裂或密封失效等难题。

而移动颗粒层具有良好的耐高温性能，特别是移动颗粒层过滤技术克服了以往不能连续运行的缺点，使得过滤除尘过程连续而稳定，

与刚性陶瓷过滤器一起被认为是最具发展前途的高温除尘技术。

美国燃烧工程开发了一种逆流式移动床型的颗粒层过滤器。

它用直径为2~3mm的氧化铝珠，铺成厚度为0.61m的床层。

在840℃条件下试验，其流量为0.18~0.2m3/s，压降为5880~6860Pa。

除尘效率为99%，大于5微米的颗粒均能除净。

当床层被灰尘堵塞时，则用气动方法把含尘氧化铝珠提升到器顶，通过高温气的反吹，使之清除堵灰。

然后再循环回床层上去重复使用。

另外，日本川崎重工采用顺流式移动颗粒床层过滤器来过滤高炉烟气，颗粒直径1~5mm，床层厚度100~200mm，移动速度为0.001~0.1m/s，过滤速度为0.1~0.3m/s，压降为1960Pa，除尘效率达95%~97%。

国内研究移动床层的以国家电力公司热工研究院为代表，如下图为其设计的移动床层陶瓷过滤系统的实验装置。

基本过程为：

含尘气流由入口管导入颗粒层，颗粒层由料斗供入并向下移动，而含尘气体则向上流动，形成逆流式过滤过程;具有介质颗粒分配料腿，使介质颗粒在床层中的分配均匀；含尘气体入口管采用文丘利管形式，使得气体中的尘粒混合均匀，并通过扩压管降低其动能;有两个出口管，使出口气体流场均匀；在清洁气体出口附近有一反射筛，防止非稳态过滤时介质颗粒随气流的飞扬和夹带;过滤气体的流量可在30-300m3/h（标）变化，对应的平均表观过滤流速约在0.066～0166m3/h；过滤器入口和出口温度的测量是用镍铬—镍硅热电偶测量，压降是由引出的差压计而得。

图4高温无筛移动颗粒层过滤实验系统示意图

4过滤材料研究进展

陶瓷过滤材料表现有很好的耐高温和抗腐蚀性能，但其韧性差，抗热震性有待进一步提高，陶瓷过滤材料的损坏基本表现为热应力作用下的破坏，因此在一些试验过程中需要采用热气体进行滤材的反吹再生。

陶瓷过滤管很容易在过滤介质较高的温度梯度和热应力作用下发生裂纹和断裂。

脆性是陶瓷材料的共同致命弱点，是由其共价键和离子键的本质所决定的，脆性一直是工程陶瓷推广应用的主要障碍。

陶瓷的断裂是由存在于材料表面或内部的微小裂纹源处的应力集中，当应力增大到一定数值后，微裂纹便突然迅速扩展并导致最终的断裂。

陶瓷中裂纹扩展的阻力主要来源于裂纹扩展后的表面能，要提高陶瓷材料的断裂韧性首先要避免陶瓷中出现大的微裂纹源，需要从陶瓷的成型和烧结方面加以改进，设法增加陶瓷中新断裂面的表面能，或者使裂纹分叉、偏转，以增加断裂面的面积，或者增加在裂纹扩展时其他形式吸收能量的过程。

如下表可了解到相关材料的分类。

表3纤维材料分类

经过多年来的研究，提高陶瓷材料韧性的主要有效方法如下：

1.采用高纯、超细的粉末原料，改进成型和烧结方法，以获得结构细密、均匀的陶瓷材料，并减少有害的杂质。

2.引入细小弥散分布的第二相颗粒，实现颗粒增强与增韧：

其主要原理是通过两相的热膨胀系数不同，在基体与第二相颗粒间产生一个有利的压应力，使裂纹尖端的张应力得以缓解，并造成裂纹的偏转。

3.通过相变增韧：

ZrO2陶瓷在不同的温度下具有不同的结构，即当温度改变时，它发生结构上的变化，这种变化称为固态相变。

ZrO2在1100℃以上是一种称为四方相的结构，简称为T相，在1100℃以下则是一种称为单斜相的结构，简称为m相，从T相转变到m相时，将伴随有5%左右的体积膨胀，并造成纯的ZrO2陶瓷在冷却时碎裂。

4.纤维增强与增韧：

在陶瓷粉料中加入陶瓷晶须（短纤维）或长纤维，这些纤维对陶瓷起到增强的作用，在断裂过程中，裂纹的扩展，需要把断裂面上的纤维拔出，阻力大大增加，从而显著地提高断裂韧性。

值得注意的是，在高温下使用时玻璃纤维和多晶纤维会产生玻璃的结晶化、晶粒长大、晶型转变等现象，引起纤维质量的下降。

陶瓷的增韧是陶瓷研究中最重要的部分。

目前陶瓷材料的增韧主要通过三个途径：

复合、预应力法、相转变法。

如下图为陶瓷的增韧机理图。

图4陶瓷增韧机理图

1.陶瓷基复合材料在陶瓷基复合材料中，玻璃、氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅等常用材料被用作基体，碳化硅晶须、碳化硅纤维、各种碳纤维等被用作增强体，在获得的许多复合材料中，韧性与应力一应变性能都得到提高。

研究者们提出了一系列不同的增韧机理，如微裂纹化、相转变、裂缝偏移、裂缝弯弓、金属相造成的塑性形变；以及纤维或晶须增强的种种机理如应力传递、基体预应力、界面磨擦、纤维拔出等。

在许多情况下是多种现象同时发生，利用不同的增韧机理的结合来达到显著的增韧效果。

2.预应力法

将陶瓷基体和纤维织品经过液态化混合处理后，材料表面冷却快，内部冷却慢，在表面形成一层硬壳，此时硬壳的热膨胀系数与内部是不同的，材料再冷却时，表面就会受到压缩应力。

纤维增强的复合材料也能预置压缩应力，先使纤维处于拉伸状态，在纤维上包覆基体材料，并使之固化，完全固化后再撤销纤维上的应力，纤维要恢复原先的弹性形变，材料就受到一个压缩应力，从而利用基体中纤维之间的热膨胀系数的不同而到达增韧效果。

3.相转变法

相转变是指因温度或应力的变化引起晶体结构的变化。

通过分散相的体积变化可以向裂缝表面施加一个压缩应力，从而阻止裂缝增长，故成为一种增韧机理。

其中发生相转变的陶瓷是氧化锆及氧化锆与氧化铝的混合物。

东华大学邱燃等采用氧化铝、氧化硅、氧化锆、高岭土和玻璃水等陶瓷基体复合陶瓷纤维、陶瓷纤维布、陶瓷纤维毯等陶瓷制品，利用氧化锆的相变增韧和陶瓷纤维增韧等增韧机理制得具有一定弹性和高强度的优良力学性能的复合型陶瓷过滤材料。

武汉理工大学王耀明等利用堇青石为原料，用震动热浇注成型工艺，通过调整骨料粒径等级、造孔剂及结合剂的加入量制备气孔率为48％，孔径为128微米，热稳定性好和机械强度高的高温烟气净化用多孔堇青石陶瓷支撑体材料。