耐高溫除塵過濾材料的進展

劉　威　金　江　馬　飛

（中山大學惠州研究院工業源廢氣治理工程中心 廣東惠州 516081）

引言

在我國目前的工業能源布局體系中，涉及高溫含塵廢氣領域較多，高溫除塵材料的應用范圍十分廣泛，如煤炭、鋼鐵、水泥等行業。上世紀70年代左右時間，高溫氣體除塵技術的研究開始發展，最初階段采用除塵方式多為水噴淋濕法除塵，即先將工廠排出的高溫含塵廢氣進行水洗噴淋冷卻，降低廢氣的溫度，水洗進行除塵,顆粒物與水一同排出。這樣既浪費了大量熱能又浪費水資源，造成二次污染。因此為能夠實現對高溫含塵廢氣的綜合利用及粉塵顆粒過濾凈化，必須采用直接除塵過濾的方式,使用過濾介質進行氣固分離。由于在高溫、高濃度、高腐蝕廢氣中工作，因此對過濾材料具有很高的性能要求，過濾介質的材料選擇是其中研發的技術關鍵，這需要采用目前國際上較先進的耐高溫材料，并必須滿足過濾性、使用壽命、節能環保、市場接受能力等多方面的要求。

1　高溫過濾技術概述

在高溫除塵領域中,能否解決高溫煙塵中的顆粒物是很大一部分問題，因此高溫除塵技術與煙塵的凈化技術是相同的。在我國煤炭是主要能源，每年燃燒的煤炭產生大量高溫煙塵，目前的能源結構中72%的燃煤用蒸汽燃料。發電行業是最大的用煤領域，其他包括：水泥、鋼鐵、建筑及礦產等，包含民用，共占消耗總量的83.1%[1]。高溫除塵過濾技術主要應用于以上領域，煤炭燃燒產生的大量煙塵溫度高，顆粒物濃度大，腐蝕性強，對過濾技術提出了較高的要求。

高溫除塵過濾技術將節約資源、技術研發和環境保護統一為一個整體是實施我國國民經濟可持續發展的重要戰略舉措，該技術的開發研究是實施潔凈能源及減少霧霾的有力保證。耐高溫過濾除塵的難點是：含塵廢氣溫度高(600～1400℃)；顆粒細(顆粒物粒徑范圍5～10μm，甚至亞微米級)；氣體排放標準高(出口處含塵濃度范圍10～50mg/m3)。對于目前日益嚴重的霧霾現象，未來排放標準將越來越嚴苛，因此采用一般的凈化過濾技術是達不到的[2]。

2　高溫除塵設備的現狀

2.1　高性能機械除塵器

機械式高性能除塵器包括了單級、多級旋風除塵器，其原理是利用高速旋轉的風速產生的離心慣性力不同產生線速度差，從而去除高溫氣流中粉塵顆粒，顆粒物粒徑相對較大（大于10μm）。市場較多廢氣排放企業采用旋風除塵器，主要是由于其運行成本較低，結構簡單的特點。但因其運行時施加到顆粒物上的慣性力較低，所以對粉塵粒徑在5～10μm范圍的顆粒無效，多數細微顆粒隨高溫氣流排放到大氣中。為有效去除高溫氣流中的粉塵顆粒，顆粒載荷范圍在0.01%～0.03%內，氣流切線速度范圍在20～30m/s內。對于高溫含塵廢氣其顆粒物粒徑及氣流速度都大大超出以上范圍，故旋風除塵器無法滿足高溫除塵的需求，目前市場上一般采用其作為后接備份的除塵設備。當工業排出的高溫廢氣含塵濃度降低到1%以下，再利用旋風除塵器進行二次除塵[3]。

2.2　電除塵器

在60年代早期，靜電除塵器已應用在高溫高壓下進行除塵。目前國外，例如美國正在研究壓力達1.0MPa，最高使用溫度達 900℃情況下的靜電除塵設備，在600—800℃的溫度下對粒徑小于10μm顆粒物除塵效率達99.6%，所捕獲顆粒大約20%粒徑在3μm以下，平均粒徑大約5μm[4]。該技術離實際應用仍然存在一定距離，例如：熱膨脹性能差、使用壽命短、供電不穩定、對廢氣成分敏感、無法長期穩定性運行等，以技術成熟度而言該技術仍不能工業化應用，預計未來10-20年將具有廣闊的市場前景[4]。

2.3　高性能阻擋式過濾器

阻擋式過濾方式包含：陶瓷過濾、纖維過濾、金屬網過濾、顆粒床過濾等。理論上阻擋式過濾除塵效率可達90%以上，過濾阻力1～4kPa，4KPa以上便形成堵塞，可去除粒徑10μm以上粉塵顆粒。其中金屬網過濾核心材料是由經過處理的金屬纖維組成濾網，只要以不銹鋼為主，為提高耐高溫性能可參雜其他金屬元素[5]。但因金屬自身耐高溫性不強，易氧化，金屬纖維物所在較低的溫度范圍內（300—500℃）腐蝕氧化。而顆粒床過濾，其由顆粒物組成過濾層，耐高溫性能好，但阻力大，粉塵易堆積，在高速、高溫氣流下運行時，無法反吹，再生性能差。纖維過濾采用高性能有機纖維，無法耐高溫，300℃以上溫度容易出現自然、熔融，還存在易磨損等問題，并不適合高溫除塵過濾[6]。因此采用陶瓷材質進行凈化過濾是在高溫高壓廢氣中除塵過濾的有效方法。美國3M公司的陶瓷過濾材料實驗表明，耐高溫陶瓷過濾除塵效率極佳，其對10微米以上顆粒物除塵效率可達到99%以上，含塵廢氣經過凈化后氣流中的顆粒物濃度小于5mg/Nm3，最大顆粒物直徑小于5微米。該材料采用氧化鋁陶瓷顆粒燒結成型，最高可耐1200℃高溫，在市場上目前已經成熟，為最常用的高溫氣凈化技術[7]。

3　陶瓷過濾器的研究現狀

國內外一些院校在實驗室環境及小型試驗裝置上開展了一些冷態和熱態性能實驗，對陶瓷過濾材料的耐高溫性、過濾性能、構型、可靠性以及脈沖反吹清洗等性能進行測試，并取得一些進展。圖1為陶瓷過濾器的縱向剖面圖。含塵高溫廢氣從過濾管的外側穿過陶瓷管壁的孔道，顆粒物被截留在孔道外而高溫氣體直接穿過，從而實現過濾。凈化后的高溫氣流從陶瓷管的中心流過，向上排出，外側粉塵顆粒被捕集、堆積，從而形成一層粉塵膜厚度范圍在1-10mm，該膜成為一道天然的過濾層繼續粉塵的過濾。當粉塵堆積較厚時（一般不超過5cm）陶瓷管外側會形成堵塞，此時過濾壓力增大，氣流無法通過孔道，因此必須脈沖反吹沖擊，從陶瓷管內側采用壓縮空氣進行反吹的（反吹壓力在0.5MPa左右），使得過濾陶瓷管重新開始過濾，高溫廢氣能夠不斷通過從而達到連續過濾的目的[8]。

圖1　縱向剖面圖

4　國內外研究現狀

在研究實驗方面，國外已經取得了多項成果。1996年芬蘭赫爾辛基，由15塊3*1米陶瓷板組成的耐高溫凈化過濾器由赫爾辛基大學環境學院進行了長達1年的實驗，其中有效實驗時間進行了約300h，在這期間連續采用 5.0 MPa壓力的壓縮空氣對板壁進行反吹，當廢氣顆粒物濃度變化范圍在300～700 mg/（kg·W）時，經檢測該設備出口濃度為0.5～15 mg/（kg·W），實驗過程中設備運行非常穩定[9]。

在我國，南京工業大學的金江教授等人對陶瓷纖維過濾器其以及纖維的過濾機理進行了較為深入的實驗和研究，分析了纖維長徑比可能是造成到陶瓷纖維過濾器過濾效率的主要因素，同時還深入分析了陶瓷纖維以及過粉塵的顆粒粒徑大小、分布對過濾效率，壓降、滲透率等性能的影響[10]。中國石油大學崔元山等人還對于陶瓷纖維粘結機理進行研究，驗證了不同溶膠對陶瓷纖維的粘接效果，測試了陶瓷纖維過濾材料的結構強度。同時對粉塵反吹的靜態性能和動態性能進行了較為深入的研究，得到了很多研究數據，其成果已經在環保領域得到了廣泛應用[11]。

從總體發展上來看，陶瓷除塵過濾材料表現出了很好的耐高溫及抗腐蝕性能，但其缺點明顯：韌性差，抗熱震性方面需要提高，自重大，易碎。面對目前工業上高溫除塵的苛刻環境,傳統上的多孔陶瓷過濾材料以及金屬類多孔過濾材料的應用前景將受到極大的限制。

5　本文的研究意義

目前，總結下來本文中列舉的高溫除塵技術有：旋風除塵、陶瓷過濾除塵、水噴琳除塵、纖維過濾、靜電除塵等技術，這些技術成熟可實用，已在市場上獲得很多成功案例。但以上除塵技術在廢氣凈化的應用過程中大都存在一些問題，研發一種新的氣固分離除塵技術及相應的除塵、收塵設備是眼下所必須考慮的問題，而陶瓷纖維材料以及無機粘結材料的出現為氣固分離技術的研究提供了一種可能性。陶瓷纖維除塵器作為一種耐高溫凈化材料，其性價比高，不產生二次污染，運行費用低，耐高溫（1200℃），使用壽命長，是各種廢氣處理較為適宜和具有前途的方法之一，尤其是較高的分離效率（出口處的含塵濃度可小于10 g/Nm3），更是其他除塵器無法比較的。

結語

隨著社會對環境要求的逐漸提高，在高溫除塵領域陶瓷纖維材料的研究值得進一步探討，也是后續研究的目標。

[1]彭萬旺，步學朋.煤炭加壓氣化及高溫煤氣凈化和脫硫技術開發[J].潔凈煤技術，2000，6（2）：43～48.

[2]章名耀.增壓流化床聯合循環發電技術[M].南京:東南大學出版社，1998.

[3]姬忠禮，時銘顯.高溫陶瓷過濾技術的進展[J].動力工程，1997.17（3）:59～72.

[4]戢緒國，王乃計，彭萬旺.熱煤氣凈化新技術[J].煤炭學報,1998，23（2）：194～197.

[5]薛友祥,王耀明.多孔陶瓷及過濾器在過濾技術中的應用[J].過濾與分離，1996，8（3）：37～41.

[6]姬忠禮.高溫陶瓷過濾元件的研究進展[J].化工裝備技術，2000，21（3）：1～6.

[7]許世森.高溫煙氣（煤氣）凈化技術的分析評價[J].熱力發電，1995，3：37～40.

[8]王乃計.美國高溫氣體除塵技術發展現狀[J].潔凈煤技術，1996，2（4）：43～47.

[9]謝可玉，王乃計.高溫煤氣凈化工藝研究.高溫煤[R].氣凈化工藝研究項目鑒定報告.95～152，北京，煤炭科學研究總院北京煤化學研究所，1997，11.

[10]Kelsall G J,Smith M A,Cannon M F.Low emissions Combustor Development for an industrial Gas Turbine to Utilize LCV Fuel Gas[J].ASME Journal of Engineering of Gas Turbines and Power，1994，11(6):559～566.

[11]陳明召編著.除塵技術的基本理論及應用[M].北京：建筑工業出版社，1981.