耐高温除尘过滤材料的进展

刘　威　金　江　马　飞

（中山大学惠州研究院工业源废气治理工程中心 广东惠州 516081）

引言

在我国目前的工业能源布局体系中，涉及高温含尘废气领域较多，高温除尘材料的应用范围十分广泛，如煤炭、钢铁、水泥等行业。上世纪70年代左右时间，高温气体除尘技术的研究开始发展，最初阶段采用除尘方式多为水喷淋湿法除尘，即先将工厂排出的高温含尘废气进行水洗喷淋冷却，降低废气的温度，水洗进行除尘,颗粒物与水一同排出。这样既浪费了大量热能又浪费水资源，造成二次污染。因此为能够实现对高温含尘废气的综合利用及粉尘颗粒过滤净化，必须采用直接除尘过滤的方式,使用过滤介质进行气固分离。由于在高温、高浓度、高腐蚀废气中工作，因此对过滤材料具有很高的性能要求，过滤介质的材料选择是其中研发的技术关键，这需要采用目前国际上较先进的耐高温材料，并必须满足过滤性、使用寿命、节能环保、市场接受能力等多方面的要求。

1　高温过滤技术概述

在高温除尘领域中,能否解决高温烟尘中的颗粒物是很大一部分问题，因此高温除尘技术与烟尘的净化技术是相同的。在我国煤炭是主要能源，每年燃烧的煤炭产生大量高温烟尘，目前的能源结构中72%的燃煤用蒸汽燃料。发电行业是最大的用煤领域，其他包括：水泥、钢铁、建筑及矿产等，包含民用，共占消耗总量的83.1%[1]。高温除尘过滤技术主要应用于以上领域，煤炭燃烧产生的大量烟尘温度高，颗粒物浓度大，腐蚀性强，对过滤技术提出了较高的要求。

高温除尘过滤技术将节约资源、技术研发和环境保护统一为一个整体是实施我国国民经济可持续发展的重要战略举措，该技术的开发研究是实施洁净能源及减少雾霾的有力保证。耐高温过滤除尘的难点是：含尘废气温度高(600～1400℃)；颗粒细(颗粒物粒径范围5～10μm，甚至亚微米级)；气体排放标准高(出口处含尘浓度范围10～50mg/m3)。对于目前日益严重的雾霾现象，未来排放标准将越来越严苛，因此采用一般的净化过滤技术是达不到的[2]。

2　高温除尘设备的现状

2.1　高性能机械除尘器

机械式高性能除尘器包括了单级、多级旋风除尘器，其原理是利用高速旋转的风速产生的离心惯性力不同产生线速度差，从而去除高温气流中粉尘颗粒，颗粒物粒径相对较大（大于10μm）。市场较多废气排放企业采用旋风除尘器，主要是由于其运行成本较低，结构简单的特点。但因其运行时施加到颗粒物上的惯性力较低，所以对粉尘粒径在5～10μm范围的颗粒无效，多数细微颗粒随高温气流排放到大气中。为有效去除高温气流中的粉尘颗粒，颗粒载荷范围在0.01%～0.03%内，气流切线速度范围在20～30m/s内。对于高温含尘废气其颗粒物粒径及气流速度都大大超出以上范围，故旋风除尘器无法满足高温除尘的需求，目前市场上一般采用其作为后接备份的除尘设备。当工业排出的高温废气含尘浓度降低到1%以下，再利用旋风除尘器进行二次除尘[3]。

2.2　电除尘器

在60年代早期，静电除尘器已应用在高温高压下进行除尘。目前国外，例如美国正在研究压力达1.0MPa，最高使用温度达 900℃情况下的静电除尘设备，在600—800℃的温度下对粒径小于10μm颗粒物除尘效率达99.6%，所捕获颗粒大约20%粒径在3μm以下，平均粒径大约5μm[4]。该技术离实际应用仍然存在一定距离，例如：热膨胀性能差、使用寿命短、供电不稳定、对废气成分敏感、无法长期稳定性运行等，以技术成熟度而言该技术仍不能工业化应用，预计未来10-20年将具有广阔的市场前景[4]。

2.3　高性能阻挡式过滤器

阻挡式过滤方式包含：陶瓷过滤、纤维过滤、金属网过滤、颗粒床过滤等。理论上阻挡式过滤除尘效率可达90%以上，过滤阻力1～4kPa，4KPa以上便形成堵塞，可去除粒径10μm以上粉尘颗粒。其中金属网过滤核心材料是由经过处理的金属纤维组成滤网，只要以不锈钢为主，为提高耐高温性能可参杂其他金属元素[5]。但因金属自身耐高温性不强，易氧化，金属纤维物所在较低的温度范围内（300—500℃）腐蚀氧化。而颗粒床过滤，其由颗粒物组成过滤层，耐高温性能好，但阻力大，粉尘易堆积，在高速、高温气流下运行时，无法反吹，再生性能差。纤维过滤采用高性能有机纤维，无法耐高温，300℃以上温度容易出现自然、熔融，还存在易磨损等问题，并不适合高温除尘过滤[6]。因此采用陶瓷材质进行净化过滤是在高温高压废气中除尘过滤的有效方法。美国3M公司的陶瓷过滤材料实验表明，耐高温陶瓷过滤除尘效率极佳，其对10微米以上颗粒物除尘效率可达到99%以上，含尘废气经过净化后气流中的颗粒物浓度小于5mg/Nm3，最大颗粒物直径小于5微米。该材料采用氧化铝陶瓷颗粒烧结成型，最高可耐1200℃高温，在市场上目前已经成熟，为最常用的高温气净化技术[7]。

3　陶瓷过滤器的研究现状

国内外一些院校在实验室环境及小型试验装置上开展了一些冷态和热态性能实验，对陶瓷过滤材料的耐高温性、过滤性能、构型、可靠性以及脉冲反吹清洗等性能进行测试，并取得一些进展。图1为陶瓷过滤器的纵向剖面图。含尘高温废气从过滤管的外侧穿过陶瓷管壁的孔道，颗粒物被截留在孔道外而高温气体直接穿过，从而实现过滤。净化后的高温气流从陶瓷管的中心流过，向上排出，外侧粉尘颗粒被捕集、堆积，从而形成一层粉尘膜厚度范围在1-10mm，该膜成为一道天然的过滤层继续粉尘的过滤。当粉尘堆积较厚时（一般不超过5cm）陶瓷管外侧会形成堵塞，此时过滤压力增大，气流无法通过孔道，因此必须脉冲反吹冲击，从陶瓷管内侧采用压缩空气进行反吹的（反吹压力在0.5MPa左右），使得过滤陶瓷管重新开始过滤，高温废气能够不断通过从而达到连续过滤的目的[8]。

图1　纵向剖面图

4　国内外研究现状

在研究实验方面，国外已经取得了多项成果。1996年芬兰赫尔辛基，由15块3*1米陶瓷板组成的耐高温净化过滤器由赫尔辛基大学环境学院进行了长达1年的实验，其中有效实验时间进行了约300h，在这期间连续采用 5.0 MPa压力的压缩空气对板壁进行反吹，当废气颗粒物浓度变化范围在300～700 mg/（kg·W）时，经检测该设备出口浓度为0.5～15 mg/（kg·W），实验过程中设备运行非常稳定[9]。

在我国，南京工业大学的金江教授等人对陶瓷纤维过滤器其以及纤维的过滤机理进行了较为深入的实验和研究，分析了纤维长径比可能是造成到陶瓷纤维过滤器过滤效率的主要因素，同时还深入分析了陶瓷纤维以及过粉尘的颗粒粒径大小、分布对过滤效率，压降、渗透率等性能的影响[10]。中国石油大学崔元山等人还对于陶瓷纤维粘结机理进行研究，验证了不同溶胶对陶瓷纤维的粘接效果，测试了陶瓷纤维过滤材料的结构强度。同时对粉尘反吹的静态性能和动态性能进行了较为深入的研究，得到了很多研究数据，其成果已经在环保领域得到了广泛应用[11]。

从总体发展上来看，陶瓷除尘过滤材料表现出了很好的耐高温及抗腐蚀性能，但其缺点明显：韧性差，抗热震性方面需要提高，自重大，易碎。面对目前工业上高温除尘的苛刻环境,传统上的多孔陶瓷过滤材料以及金属类多孔过滤材料的应用前景将受到极大的限制。

5　本文的研究意义

目前，总结下来本文中列举的高温除尘技术有：旋风除尘、陶瓷过滤除尘、水喷琳除尘、纤维过滤、静电除尘等技术，这些技术成熟可实用，已在市场上获得很多成功案例。但以上除尘技术在废气净化的应用过程中大都存在一些问题，研发一种新的气固分离除尘技术及相应的除尘、收尘设备是眼下所必须考虑的问题，而陶瓷纤维材料以及无机粘结材料的出现为气固分离技术的研究提供了一种可能性。陶瓷纤维除尘器作为一种耐高温净化材料，其性价比高，不产生二次污染，运行费用低，耐高温（1200℃），使用寿命长，是各种废气处理较为适宜和具有前途的方法之一，尤其是较高的分离效率（出口处的含尘浓度可小于10 g/Nm3），更是其他除尘器无法比较的。

结语

随着社会对环境要求的逐渐提高，在高温除尘领域陶瓷纤维材料的研究值得进一步探讨，也是后续研究的目标。

[1]彭万旺，步学朋.煤炭加压气化及高温煤气净化和脱硫技术开发[J].洁净煤技术，2000，6（2）：43～48.

[2]章名耀.增压流化床联合循环发电技术[M].南京:东南大学出版社，1998.

[3]姬忠礼，时铭显.高温陶瓷过滤技术的进展[J].动力工程，1997.17（3）:59～72.

[4]戢绪国，王乃计，彭万旺.热煤气净化新技术[J].煤炭学报,1998，23（2）：194～197.

[5]薛友祥,王耀明.多孔陶瓷及过滤器在过滤技术中的应用[J].过滤与分离，1996，8（3）：37～41.

[6]姬忠礼.高温陶瓷过滤元件的研究进展[J].化工装备技术，2000，21（3）：1～6.

[7]许世森.高温烟气（煤气）净化技术的分析评价[J].热力发电，1995，3：37～40.

[8]王乃计.美国高温气体除尘技术发展现状[J].洁净煤技术，1996，2（4）：43～47.

[9]谢可玉，王乃计.高温煤气净化工艺研究.高温煤[R].气净化工艺研究项目鉴定报告.95～152，北京，煤炭科学研究总院北京煤化学研究所，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]陈明召编著.除尘技术的基本理论及应用[M].北京：建筑工业出版社，1981.