高温气体过滤除尘材料
在现代工业生产中,涉及高温含尘气体的净化除尘领域十分广泛。高温气体除尘技术的研究开发始于上世纪70年代,传统的除尘方式多为湿法除尘,先将高温气体进行冷却,然后冷态下进行除尘,这样浪费了大量热资源。而高温气体的直接净化除尘技术是实现高温气体资源综合利用的关键技术,也是一项先进的环保技术。目前的直接高温除尘器主要有高温旋风除尘器, 旋流式分离器(龙卷风除尘器) ,多管除尘器以及介质过滤除尘器等。
在诸多高温气体净化除尘工艺技术中,介质过滤净化除尘技术因其最大程度地利用了气体显热和有用能源,同时简化了工艺过程,节省了设备投资以及避免了湿法除尘所带来的二次水污染等而具有显著的优势。高温气体介质过滤除尘技术的核心是高温过滤材料,由于其在高温、高腐蚀性气体中工作,因此对过滤材料具有很高的要求,必须满足过滤特性、使用寿命、价格等多方面的要求。工业除尘过滤材料的主要功能是捕集高温含尘气体中的颗粒。其过滤机制主要有惯性碰撞、拦截和扩散效应3种, 3种机理的主要区别是由含尘颗粒粒径的大小不同所致。按微粒被捕集的方式可将过滤方式分为表面过滤、深层过滤和滤饼过滤。目前常用的有金属多孔材料和陶瓷多孔材料。
1 多孔金属材料
金属过滤材料具有优异的耐温性和力学性能, 在常温下金属材料的强度是陶瓷材料的10 倍, 即使在700℃高温其强度仍数倍于陶瓷材料。金属材料良好的导热性和韧性使其具有优异的抗热震性能, 并且适于连续的反向脉冲清洗,再生性好, 使用寿命长。金属材料还具有很好的加工性和焊接性能。这些优异性能使得金属过滤材料在高温气体除尘应用中具有很好的适应性和优越性。
金属材料良好的塑性使其可以拉拔成金属细丝或纤维,进而编织成网或铺制成毡。粉状颗粒材料经烧结可以制成烧结金属粉末和金属膜。金属多孔过滤材料按结构形式分,主要有烧结金属丝网、金属纤维毡、烧结金属粉末和金属膜等。
烧结金属丝网采用多层金属编织丝网为原料,通过特殊的叠层设计、复合压制和真空(或保护气氛) 烧结等工艺制备而成。在发达国家,其制作工艺已相当成熟,如日本的Nippon Seison公司就是以生产多层网为主的过滤器公司。此外, 德国、美国、英国也能批量生产。它在洁净煤发电技术的高温除尘领域具有很好的应用前景。金属纤维毡是一种将金属熔化后,通过真空喷丝制成的金属织物。它兼具金属耐高温和织物高精度的特性,经过结构优化后,能够有效滤除细微颗粒。从20 世纪70 年代开始,比利时BEK2 AERT公司开始了大批量生产不锈钢纤维毡,产品质量达到了世界先进水平。近年来,我国西北有色金属研究院在金属纤维毡的研制及产业化开发方面也取得了突破性的进展。这种材料在化工、化纤、冶金等领域具有广泛的应用,如在天然气集输过程中,它可代替某些过滤介质。
烧结金属粉末是依靠熔融金属雾化制粉后压制成形和烧结而得。烧结金属粉末可制成各种复杂形状,并且有较高的过滤精度。新近开发出的Fe3Al烧结金属粉末过滤材料,是一种廉价的带有战略意义的材料,具有突出的抗高温氧化和耐硫腐蚀性能。在煤的洁净燃烧联合循环发电工艺技术中具有重要应用前景,它具有非常高的过滤精度。
金属烧结丝网、金属纤维毡和烧结金属粉末作为金属多孔材料的不同结构形式,各自有着不同的优点。金属丝网具有很高的整体强度和刚性,空隙分布均匀,再生性好,过滤元件寿命长。烧结纤维毡有很高的空隙率,因此透气性好,并具有很高的过滤精度。烧结金属粉末可制成各种复杂形状,并且有较高的过滤精度。而同为金属多孔材料,多孔金属膜因其过滤面积大、过滤效率高、压力损失低、密封性能好等优点逐渐受到青睐,它因可以达到很高的过滤精度,耗材少而倍受关注,成为取代金属丝网、毡、烧结粉末等材料的新的多孔金属过滤材料。
多孔膜在烧结时,以颗粒表面质点的扩散来进行传质。烧结推动力是粉状颗粒的表面能大于多晶烧结体的晶界能。经烧结后,晶界能取代表面能,这就是多孔金属膜机械强度大、耐高压的原因。目前用于高温除尘的多孔金属膜的制备方法主要有悬浮粒子烧结法, 相分离沥滤法等。
多孔金属膜有以下优点。( 1)机械强度高, 耐压性能好(耐压高达7MPa) ,因此膜组件不易损坏,可用增大压差的方法来提高渗透率,增大膜的分离能力。(2)具有良好的热传导性和散热能力,因此可减小膜组件的热应力,提高膜的使用寿命,非常适合高温领域的应用。( 3)密封性能好,膜材料是具有良好焊接性能的金属材料, 因而膜组件易于连接密封。(4)具有很强的应用价值,在过滤过程中,多孔金属膜吸附量大,支撑性好,过滤面积大,可在线清洗,适应范围宽。
20世纪90年代出现了不锈钢膜,主要用于液- 固、气- 固、固- 固分离,现在已经商品化。不过,目前市场上涉及金属膜的研究单位和公司已经很多,现在比较成功的金属膜是德国GKN 公司的不锈钢膜。
2 多孔陶瓷材料
尽管金属材料有着众多的优点,然而它活性较高,容易氧化,尤其是许多高温含尘气体具有腐蚀性或氧化性,容易被腐蚀,稳定性不好等,使其制备和应用受到极大限制。陶瓷材料因具有优良的热稳定性和化学稳定性,可在高达1000℃ 温度下工作,并且在氧化、还原等高温环境下具有很好的抗腐蚀性而成为高温气体除尘的优良选材之一。陶瓷微孔材料从材质上可分为氧化物、非氧化物和复合物类。其中属非氧化物陶瓷材料的碳化硅具有强度高、导热性好、热膨胀系数小、抗热冲击性强、透气性好、低压降等优良性能, 是首选的高温陶瓷过滤材料。
2. 1 多孔陶瓷过滤材料的制备及主要特点
目前应用于高温除尘的多孔陶瓷制备技术主要有造孔剂法、发泡法等。多孔陶瓷材料在高温除尘应用方面有其独特的优点,其主要特点如下:
(1)孔隙率高,可达到60%以上,孔径均匀且易于控制。过滤精度高,可达0. 1μm ,适用于各种介质精密过滤。
(2)耐酸碱性好,适用于强酸或强碱以及各种有机气氛中工作。
(3)机械强度高,可耐受较高的工作压力及压力降。
(4)耐高温,工作温度可达800℃,适用于各种高温气体过滤。
(5)过滤元件使用寿命长,经济性好,长期使用时微孔形貌不发生变化,且再生性好。
2. 2 多孔陶瓷材料高温除尘的研究现状
在高温气体除尘技术研究的早期,美国开展了以陶瓷过滤介质为主的高温气体过滤除尘技术的开发,德、日、英等发达国家也开展了类似的研究工作。而进入90年代中期以来,随着一批先进的高性能过滤材料的开发成功,高温气体介质过滤除尘技术的工业化应用进入了实质性阶段,围绕着陶瓷过滤材料抗热震性的改善,取得了实质性进展,尤其是陶瓷纤维增强复合多孔材料的开发,使得陶瓷过滤材料抗热震性得到显著改善。在开发的高性能材料中,有日本Asahi公司生产的匀质堇青石陶瓷滤管,德国Schumacher 公司生产的SiC - Al2O3 双层试管式滤管,德国 BWF公司生产的真空成型陶瓷纤维管等。国外大量专利报道了很多各式各样的陶瓷膜高温气体过滤器。如美国的Dupunt Lanxide公司生产的PRD - 66 型管状碳化硅陶瓷过滤器,芬兰Helsinki技术大学的高温管式过滤器, 采用 D IA - Schunalith F40 过滤管的德国Schumacher 公司的小型高温陶瓷过滤器等,都得到了成功的应用。
中国科学技术大学固态化学与无机膜研究所一直致力于陶瓷膜制备技术和应用基础研究, 且已经实现了成果转化。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。该陶瓷过滤元件除尘效率可达99%以上,净化后气体尘粒小于5μm,为进一步开展研究奠定了基础。
多孔陶瓷材料具有低密度、高精度、高渗透率、耐腐蚀、耐高温、抗热冲击性好、压降低以及使用寿命长等优点,是一种优良的过滤材料,在高温干式除尘方面有着较好的应用。
3 新型过滤材料
早期的研究主要集中在陶瓷过滤技术方面, 陶瓷材料的突出优点是具有优良的热稳定性和化学稳定性。但其有着性脆、延展性差、焊接性差、抗热震性差、操作的长期性、可靠性差等缺点且其反吹性仍存在不少问题。而金属多孔过滤材料具有良好的耐温性和优良的力学性能。但其仍有不少缺点:金属活性较高,制备困难,危险性高;金属容易氧化,使用中稳定性不高;金属材料在极高温环境下强度仍然不够高等。因此, 综合陶瓷材料和金属材料的优点,开发新型和复合高性能材料倍受关注。
3. 1 金属陶瓷复合材料
金属陶瓷膜的开发受到国内外学者的广泛重视,并取得一定成果。多孔金属膜的金属基体赋予了金属膜良好的塑性、韧性、可焊接性和强度, 而惰性材料的陶瓷膜层则赋予了金属膜良好的环境和物料适应性, 是迄今为止性能最好的膜材料之一。一些研究者对此类膜的制备做了研究报道, 20世纪90 年代, 美国研制成功了一种以多孔不锈钢为基体、TiO2 陶瓷为膜层材料的“Secp ter金属膜”。这种被称为金属膜的无机膜具有陶瓷膜的所有优点, 而且具有金属材料良好的强度、塑性、韧性和可焊接性。中国在20世纪90年代, 田茂东和黄子安在多孔钛基体上制备了SiO2陶瓷膜层,随后,出现多孔金属钛/沸石复合膜等材料。
3. 2 复合陶瓷材料
单一组分的陶瓷材料可能存在性脆、焊接性、抗热震性及焊接性差等缺点,陶瓷复合材料和陶瓷纤维增强材料则有着显著的优势。王耀明等研制了一种具有梯度孔结构堇青石陶瓷纤维复合膜过滤元件,以具有特定粒度和粒级级配的堇青石原料作骨料,以C粉为造孔剂,以低热膨胀SiO2 - Al2O3 - K2O - L i2O体系为高温陶瓷结合剂的工艺配方体系。经过测试,发现这种孔梯度陶瓷纤维膜管,具有机械强度高、热稳定性好、便于清洗、使用寿命长等优点。
另外SiC 多孔陶瓷具有高温强度高、抗氧化、抗热震好、密度小、较高的热导率等特点,在高温除尘领域具有很好的应用前景。德国Schu2 macher公司采用真空抽滤法,以SiC和硅酸铝纤维为主要原料生产的Cerafill2H10陶瓷纤维过滤材料, 其孔隙率达90%, 可在950℃下长期使用。
3. 3 新型合金材料
近年来,国内外一些研究单位围绕高性能过滤合金材料的研制,取得了富有成效的成果。美国Pall和Mott公司、英国Povair公司、比利时Be2 kaert公司、日本精线公司等分别开发了Haynes 合金、FeCrAl合金、Hastelloy合金、Inconel合金、 310S等一系列新型材料。这些材料具有优异的抗高温氧化和耐腐蚀性能,具有极强的竞争力。
3. 4 其它新型材料
其它一些性能优良的高温过滤材料也受到研究者的关注。一种由玻璃纤维、PPS纤维和活性碳纤维复合,经过PTFE化学处理的针刺过滤材料,其外观为致密、暗黄色的非织造材料,具有高的过滤效率,低的气体阻力,并且耐腐蚀,造价较低。另外晏荣华等分析了P84纤维和玻璃纤维的性能,用该两种材料复合而成P84 /Glass 复合针刺毡,它是一种综合性能极佳的耐高温过滤材料。
4 结语
面对高温除尘的苛刻环境,传统陶瓷多孔材料或金属多孔材料的应用都将受到限制。因此, 金属陶瓷复合材料,以及耐腐蚀性和耐高温的金属复合材料和其它新型材料的开发必将是科研工作者未来关注的重点,同时,要进一步优化制造工艺,降低制造成本,早日实现高性能新型高温过滤材料的工业化应用。
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