高溫氣體過濾除塵材料
在現代工業生產中,涉及高溫含塵氣體的凈化除塵領域十分廣泛。高溫氣體除塵技術的研究開發始于上世紀70年代,傳統的除塵方式多為濕法除塵,先將高溫氣體進行冷卻,然后冷態下進行除塵,這樣浪費了大量熱資源。而高溫氣體的直接凈化除塵技術是實現高溫氣體資源綜合利用的關鍵技術,也是一項先進的環保技術。目前的直接高溫除塵器主要有高溫旋風除塵器, 旋流式分離器(龍卷風除塵器) ,多管除塵器以及介質過濾除塵器等。
在諸多高溫氣體凈化除塵工藝技術中,介質過濾凈化除塵技術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,節省了設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勢。高溫氣體介質過濾除塵技術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。其過濾機制主要有慣性碰撞、攔截和擴散效應3種, 3種機理的主要區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異的耐溫性和力學性能, 在常溫下金屬材料的強度是陶瓷材料的10 倍, 即使在700℃高溫其強度仍數倍于陶瓷材料。金屬材料良好的導熱性和韌性使其具有優異的抗熱震性能, 并且適于連續的反向脈沖清洗,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。這些優異性能使得金屬過濾材料在高溫氣體除塵應用中具有很好的適應性和優越性。
金屬材料良好的塑性使其可以拉拔成金屬細絲或纖維,進而編織成網或鋪制成氈。粉狀顆粒材料經燒結可以制成燒結金屬粉末和金屬膜。金屬多孔過濾材料按結構形式分,主要有燒結金屬絲網、金屬纖維氈、燒結金屬粉末和金屬膜等。
燒結金屬絲網采用多層金屬編織絲網為原料,通過特殊的疊層設計、復合壓制和真空(或保護氣氛) 燒結等工藝制備而成。在發達國家,其制作工藝已相當成熟,如日本的Nippon Seison公司就是以生產多層網為主的過濾器公司。此外, 德國、美國、英國也能批量生產。它在潔凈煤發電技術的高溫除塵領域具有很好的應用前景。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,經過結構優化后,能夠有效濾除細微顆粒。從20 世紀70 年代開始,比利時BEK2 AERT公司開始了大批量生產不銹鋼纖維氈,產品質量達到了世界先進水平。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業化開發方面也取得了突破性的進展。這種材料在化工、化纖、冶金等領域具有廣泛的應用,如在天然氣集輸過程中,它可代替某些過濾介質。
燒結金屬粉末是依靠熔融金屬霧化制粉后壓制成形和燒結而得。燒結金屬粉末可制成各種復雜形狀,并且有較高的過濾精度。新近開發出的Fe3Al燒結金屬粉末過濾材料,是一種廉價的帶有戰略意義的材料,具有突出的抗高溫氧化和耐硫腐蝕性能。在煤的潔凈燃燒聯合循環發電工藝技術中具有重要應用前景,它具有非常高的過濾精度。
金屬燒結絲網、金屬纖維氈和燒結金屬粉末作為金屬多孔材料的不同結構形式,各自有著不同的優點。金屬絲網具有很高的整體強度和剛性,空隙分布均勻,再生性好,過濾元件壽命長。燒結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。燒結金屬粉末可制成各種復雜形狀,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、密封性能好等優點逐漸受到青睞,它因可以達到很高的過濾精度,耗材少而倍受關注,成為取代金屬絲網、氈、燒結粉末等材料的新的多孔金屬過濾材料。
多孔膜在燒結時,以顆粒表面質點的擴散來進行傳質。燒結推動力是粉狀顆粒的表面能大于多晶燒結體的晶界能。經燒結后,晶界能取代表面能,這就是多孔金屬膜機械強度大、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法, 相分離瀝濾法等。
多孔金屬膜有以下優點。( 1)機械強度高, 耐壓性能好(耐壓高達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)具有良好的熱傳導性和散熱能力,因此可減小膜組件的熱應力,提高膜的使用壽命,非常適合高溫領域的應用。( 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)具有很強的應用價值,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,適應范圍寬。
20世紀90年代出現了不銹鋼膜,主要用于液- 固、氣- 固、固- 固分離,現在已經商品化。不過,目前市場上涉及金屬膜的研究單位和公司已經很多,現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點,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,穩定性不好等,使其制備和應用受到極大限制。陶瓷材料因具有優良的熱穩定性和化學穩定性,可在高達1000℃ 溫度下工作,并且在氧化、還原等高溫環境下具有很好的抗腐蝕性而成為高溫氣體除塵的優良選材之一。陶瓷微孔材料從材質上可分為氧化物、非氧化物和復合物類。其中屬非氧化物陶瓷材料的碳化硅具有強度高、導熱性好、熱膨脹系數小、抗熱沖擊性強、透氣性好、低壓降等優良性能, 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
目前應用于高溫除塵的多孔陶瓷制備技術主要有造孔劑法、發泡法等。多孔陶瓷材料在高溫除塵應用方面有其獨特的優點,其主要特點如下:
(1)孔隙率高,可達到60%以上,孔徑均勻且易于控制。過濾精度高,可達0. 1μm ,適用于各種介質精密過濾。
(2)耐酸堿性好,適用于強酸或強堿以及各種有機氣氛中工作。
(3)機械強度高,可耐受較高的工作壓力及壓力降。
(4)耐高溫,工作溫度可達800℃,適用于各種高溫氣體過濾。
(5)過濾元件使用壽命長,經濟性好,長期使用時微孔形貌不發生變化,且再生性好。
2. 2 多孔陶瓷材料高溫除塵的研究現狀
在高溫氣體除塵技術研究的早期,美國開展了以陶瓷過濾介質為主的高溫氣體過濾除塵技術的開發,德、日、英等發達國家也開展了類似的研究工作。而進入90年代中期以來,隨著一批先進的高性能過濾材料的開發成功,高溫氣體介質過濾除塵技術的工業化應用進入了實質性階段,圍繞著陶瓷過濾材料抗熱震性的改善,取得了實質性進展,尤其是陶瓷纖維增強復合多孔材料的開發,使得陶瓷過濾材料抗熱震性得到顯著改善。在開發的高性能材料中,有日本Asahi公司生產的勻質堇青石陶瓷濾管,德國Schumacher 公司生產的SiC - Al2O3 雙層試管式濾管,德國 BWF公司生產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公司生產的PRD - 66 型管狀碳化硅陶瓷過濾器,芬蘭Helsinki技術大學的高溫管式過濾器, 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,都得到了成功的應用。
中國科學技術大學固態化學與無機膜研究所一直致力于陶瓷膜制備技術和應用基礎研究, 且已經實現了成果轉化。遼寧省煤炭工業學校、遼寧工程技術大學等單位共同研究燭狀(或管狀)陶瓷過濾元件技術,取得了很好的試驗效果。該陶瓷過濾元件除塵效率可達99%以上,凈化后氣體塵粒小于5μm,為進一步開展研究奠定了基礎。
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點,是一種優良的過濾材料,在高溫干式除塵方面有著較好的應用。
3 新型過濾材料
早期的研究主要集中在陶瓷過濾技術方面, 陶瓷材料的突出優點是具有優良的熱穩定性和化學穩定性。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良的力學性能。但其仍有不少缺點:金屬活性較高,制備困難,危險性高;金屬容易氧化,使用中穩定性不高;金屬材料在極高溫環境下強度仍然不夠高等。因此, 綜合陶瓷材料和金屬材料的優點,開發新型和復合高性能材料倍受關注。
3. 1 金屬陶瓷復合材料
金屬陶瓷膜的開發受到國內外學者的廣泛重視,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、可焊接性和強度, 而惰性材料的陶瓷膜層則賦予了金屬膜良好的環境和物料適應性, 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膜具有陶瓷膜的所有優點, 而且具有金屬材料良好的強度、塑性、韌性和可焊接性。中國在20世紀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,出現多孔金屬鈦/沸石復合膜等材料。
3. 2 復合陶瓷材料
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,陶瓷復合材料和陶瓷纖維增強材料則有著顯著的優勢。王耀明等研制了一種具有梯度孔結構堇青石陶瓷纖維復合膜過濾元件,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體系為高溫陶瓷結合劑的工藝配方體系。經過測試,發現這種孔梯度陶瓷纖維膜管,具有機械強度高、熱穩定性好、便于清洗、使用壽命長等優點。
另外SiC 多孔陶瓷具有高溫強度高、抗氧化、抗熱震好、密度小、較高的熱導率等特點,在高溫除塵領域具有很好的應用前景。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的Cerafill2H10陶瓷纖維過濾材料, 其孔隙率達90%, 可在950℃下長期使用。
3. 3 新型合金材料
近年來,國內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。這些材料具有優異的抗高溫氧化和耐腐蝕性能,具有極強的競爭力。
3. 4 其它新型材料
其它一些性能優良的高溫過濾材料也受到研究者的關注。一種由玻璃纖維、PPS纖維和活性碳纖維復合,經過PTFE化學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,用該兩種材料復合而成P84 /Glass 復合針刺氈,它是一種綜合性能極佳的耐高溫過濾材料。
4 結語
面對高溫除塵的苛刻環境,傳統陶瓷多孔材料或金屬多孔材料的應用都將受到限制。因此, 金屬陶瓷復合材料,以及耐腐蝕性和耐高溫的金屬復合材料和其它新型材料的開發必將是科研工作者未來關注的重點,同時,要進一步優化制造工藝,降低制造成本,早日實現高性能新型高溫過濾材料的工業化應用。
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