高温烟气过滤陶瓷的研究及应用现状
时间：2021-01-07 12:00:45 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：随着经济的快速发展，我国工业排放的高温烟气粉体日趋增多，高温烟气粉尘的排放不仅污染环境，而且造成大量的热能浪费。高温烟气除尘再利用是一项有效利用气体热能的技术，其中过滤关键部分为高温烟气过滤陶瓷材料。本文主要对国内外多种高温过滤陶瓷的研究及应用现状展开对比，阐述各种高温烟气过滤材质的优缺点。并指出现阶段高温过滤陶瓷研究及应用所面临的问题，以期为后续研究提供参考。
关键词：高温烟气；过滤陶瓷；抗热震性
1 引言
高温烟气除尘是指在高温条件下直接对烟气进行气固分离，实现气体净化的一项技术，它可以最有效地利用气体的物理显热、化学潜热和动力能以及最大程度地利用气体中的有用资源。因此，它不仅成为电力、能源和相关加工工业的研究热点，也是过滤行业的重要研究课题。
由于陶瓷材料具有优良的热稳定性和化学稳定性，它的工作温度可高达1000℃，并且在氧化、还原等高温环境下具有很好的抗腐蚀性，因此，陶瓷材料是高温气体除尘的优良选材。
2国外研究及开发现状
上世纪70年代，国外就开展了对高温气体除尘技术的研究开发工作。早期，美国能源部开展以无机膜过滤介质为主的高温气体过滤除尘技术的开发，德、日、英等发达国家也都开展了类似的研究工作。上世纪90年代中期，高温气体除尘技术取得很大进展。首先，一批先进的高性能无机膜过滤材料的开发为高温气体过滤除尘技术的工业化应用奠定了基础；其次，高温除尘工艺技术的提高，如系统高温密封和过滤元件试片自保护密封技术、过滤元件试片再生技术、气体在线检测技术以及系统自动控制技术等，也都大大推动了高温气体过滤除尘技术的工业化应用[1～2]。
Sawada等[3]对陶瓷过滤材料的抗热震性进行了理论和试验分析研究。他采用以下计算公式对不同材料的抗热震性因子R进行了计算，计算公式为：
R = ■
其中：S为材料强度；ν为泊松比；E和α分别为杨氏模量和热膨胀系数。计算结果如表1所示。从表中可以看出，单相SiC-SiC及两相莫来石SiC多孔陶瓷材料的抗热震性因子R值低，抗热震性能差。堇青石由于热膨胀系数小，抗热震性因子达521。复合陶瓷抗热震性优于单上述陶瓷，CCD复合陶瓷的抗热震性因子高达1652，是两相莫来石-SiC陶瓷的15倍。
近年来，许多国家都开展了对高温陶瓷过滤材料的研究工作，其中包括过滤管材质选择、结构设计、成型和制备工艺、高温性能和高温相结构、过滤管的综合性能测试和技术评价及经济可靠性分析等。
德国Schumacher公司生产的SiC-A12O3双层试管式滤管，表层孔径为10～20 μm，耐温达1000℃[4]；美国Buell公司、美国西屋公司以及美国电力研究所等用直径为10～12 μm的陶瓷纤维（由质量分数为62%的Al2O3、24%的SiO2、14%的B2O3组成）编织成过滤袋，该过滤袋在816℃、0.98 MPa的条件下用0.033 m/s的过滤速度进行试验，除尘效率高达99.7%，压力降为176 ～1489 Pa[5]；美国Acurex公司采用直径为3 μm的陶瓷纤维编织成毯，两面再蒙上一层陶瓷纤维布或者不锈钢丝网，在800℃、0.98 MPa条件下试验，过滤速度为0.1 m/s，除尘效率可达99.9%，清灰采用脉冲空气反吹，在高温下反吹5×104次，纤维布和毯的强度仍可满足需求[6]。
美国西屋公司开发的交叉流式无机膜过滤器，在加利福尼亚Montebelfo的Texaco汽化炉上做了8000 h的示范实验，该气化炉的工作压力为1.0～3.0MPa，气体温度为650～900℃[7]。结果表明，交叉流式过滤器极易在角部断裂并在过滤体中形成纵向裂缝。此外，日本研制的蜂房式过滤器（一般由多铝红柱石或堇青石制成），除尘效率达99%，耐温400℃。
美国Dupunt Lanxide公司生产的PRD-66型试管式陶瓷过滤器外表面涂有碳化硅砂粒的强化尼龙纤维丝缠绕，内表面是渗透率较高的碳化硅刚性架，除尘效率达99%以上；日本Asahi公司生产的均质堇青石陶瓷滤管，孔径为40～60 μm，耐温达1000℃，抗热冲击性较好[8]。
在这些高温陶瓷过滤材料中，最有影响的是日本Asahi玻璃公司生产的堇青石陶瓷滤管、美国Cera Mem公司开发的堇青石蜂窝块状过滤管以及美国3M公司推出的陶瓷纤维编织过滤管等。美国Cera Mem公司研制的多孔陶瓷膜过滤器，其面积与体积比达到500 m2/m3（布袋除尘器仅为33 m2/m3），可直接安装在烟气道中滤去99%的烟尘[9]。国外研制的主要高温陶瓷过滤材料的性能如表2所示。
3国内研究及开发现状
我国在高温气体过滤除尘研究应用方面与先进国家相比还有较大差距，基本上处于实验阶段，尤其是在先进的高温过滤材料和制备技术方面更有待于提高。尽管如此，国内一些研究单位围绕着高温气体过滤除尘技术开展了大量的研究工作。其中，北京钢铁研究总院、国家电力公司热工研究院和山西煤化所共同承担了“高温煤气除尘工艺技术与设备的实验研究”，开展了高性能金属过滤材料的研制、高温过滤器的设计与制作、脉冲反吹再生技术的开发以及高温煤气过滤除尘中试实验，除尘效率达99%，实验取得了很好的过滤效果。但金属过滤材料不耐高温，抗腐蚀性能差，实验设计还有待进一步提高。北京市劳动保护科学研究所研制的微孔陶瓷器在实验室进行冷态模拟实验，在工业热态实验中陶瓷管性能稳定，除尘效率高。田贵山等[10]分析了IGCC和PFBC中应用的高温高压煤气和烟气尘粒含量，总结了燃气轮机透平保护标准和环保要求，对较适合的除尘技术进行了综合分析比较，并分析了各除尘技术存在的问题，认为刚性陶瓷过滤器具有广泛的应用前景。并在之后的研究中，对陶瓷过滤器元件内的气体流动按正向和反向两种流动情况，得出了气体在陶瓷过滤器元件的正向与反向流动规律，为今后设计陶瓷过滤器元件的结构等参数奠定了理论基础。
