高温烟气用复合型陶瓷材料的过滤特性研究

刘剑刚李攀刁永发邱燃

1沈阳天一冷热源技术有限公司

2东华大学环境科学与工程学院

高温烟气用复合型陶瓷材料的过滤特性研究

刘剑刚1李攀2刁永发2邱燃2

1沈阳天一冷热源技术有限公司

2东华大学环境科学与工程学院

由于燃煤电厂排放大量可吸入颗粒物和重金属的高温烟气，针对日益严重的高温烟气污染问题，常规的除尘方法必须经降温冷却处理后，才能够进行除尘净化处理。但烟气在经过降温冷却处理阶段，损失了大量的能量，热利用率较低，耗能巨大，而且对细颗粒的脱除效果不好。利用多孔陶瓷除去可吸入颗粒物及其重金属等有毒物质的过滤方法愈来愈受到人们的重视。本文主要介绍陶瓷纤维布的过滤性能进行测试时的实验装置、实验仪器、各个测量指标的测试方法和原理以及试验结果分析。

高温烟气 陶瓷纤维布 过滤

0 引言

为了详细深入了解和掌握陶瓷纤维制品的过滤性能，以微细颗粒为主要过滤控制对象，设计必要的实验装置和采用相应的实验仪器，测试在清洁状态下，不同过滤速度时，不同过滤方式对不同粒径粉尘的过滤阻力和过滤效率。同时根据测试条件下陶瓷纤维制品的测试结果，采用数据回归法拟合不同过滤方式下陶瓷纤维布的压力损失计算式,为工程应用提供参考。

1 陶瓷纤维制品过滤性能测试的主要参数

1）过滤风速

过滤风速v（m/s）是指气体通过陶瓷纤维制品过滤材料的速度，即式中：Q为经过陶瓷纤维制品过滤材料的风量，m3/h；A为陶瓷纤维制品过滤材料的过滤面积，m2。

在实际运行过程中，过滤速度是由滤料种类、粉尘粒径的大小、物理化学性质及其清灰方式等确定的。在试验操作过程中，过滤速度过大，会使滤料两侧的压差增加，也使得已附在陶瓷纤维布上的细小粉尘穿透陶瓷纤维层或者嵌入陶瓷纤维空隙中，同时也有可能使得陶瓷纤维布内部微小纤维颗粒在较大的过滤风速下脱落，导致过滤效率降低达不到规定的排放值甚至得到负的过滤效率。一般应根据粉尘种类及过滤器的清灰方式来选定合适的过滤速度[1～5]。

2）面风速

面风速v（0m/s）是指经过陶瓷纤滤材料断面上通过气流的速度，即

式中：Q为经过陶瓷过滤器的风量，m3/h；F为陶瓷过滤器的迎风面积，m2。

3）过滤效率

过滤效率η（%）指陶瓷纤滤过滤材料或陶瓷过滤器捕集颗粒物的能力，用陶瓷纤滤过滤材料或者陶瓷过滤器前后环境气溶胶颗粒的计重浓度来表示，即

式中：y1为过滤前的环境气溶胶颗粒的计重浓度，mg/m3；y2为过滤后的环境气溶胶颗粒的计重浓度，mg/m3。

4）过滤阻力

过滤阻力△P（Pa）指陶瓷纤维过滤材料或陶瓷过滤设备前后的全压差。在陶瓷纤维过滤材料或陶瓷过滤设备的过滤层过程中，过滤风速一般是比较小的，故通过陶瓷纤维过滤材料或陶瓷过滤设备前后管路中气流为均匀流，因此过滤阻力等于两端的静压差，计算公式如下：

式中：Ps1为过滤前的管路中的静压力，Pa；Ps2为过滤后的管路中的静压力，Pa。

气流通过被测陶瓷纤维过滤材料产生的压力损失为进、出口管中气流的平均全压之差，由清洁滤料的压力损失和陶瓷纤维过滤材料表面粉尘层的压力损失组成。当进、出口管的断面面积相等时，由质量守恒定律得到进出口的过滤风速也是相等的，应用动压计算公式可以知道其进、出口的动压是相等的，由于全压等于动压与静压之和，故可采用其进出口管中气体的平均静压之差计算。测试中陶瓷纤维布的压力损失，即过滤阻力为其进出口管中气体的平均静压之差，根据数字式微压计直接读出得到过滤阻力。

2 过滤特性的实验装置

过滤特性测试装置图如图所示，其中图1为洁净陶瓷纤维布过滤性能特性测定实验装置示意图，图2为测试发尘条件下陶瓷纤维布过滤性能特性测定实验装置示意图。气流由装置上部集气口进入测试管道，采用Grilnln1.108型气溶胶监测仪测试滤料前后环境气溶胶粒径PM10、PM2.5、PM1.0的颗粒物质量浓度，该仪器可以测量大于0.30/0.40/0.50/0.65/0.80/1.0/1.6/ 2.0/3.0/4.0/5.0/7.5/10/15/20μm的粉尘微粒浓度；采用SERIES475 MARKⅡ型数字微压计测量数字微压计测试滤料前后压降；采用转子流量计调节流量并控制过滤风速。

为使发尘器发出的粉尘能够在进口管道内充分扩散，并防止粉尘在进口管道内沉积，故将实验台设计为纵向。实验中被测滤料的过滤风速通过玻璃转子流量计控制，发尘量由发尘器调节，采用的粉尘为滑动性好、粘附性差的滑石粉。滤料的阻力由差压计直接读取，滤料的过滤效率则由设置在滤料前后的颗粒物分析仪读出的前后粉尘浓度计算而得。实验时，通过改变风速、发尘量等来得出滤料过滤风速、阻力、过滤效率之间的关系。本实验装置根据GB12218-89对测试装置要求，经过进一步改进设计的，实验装置如图1、2所示，风道系统的制作与安装要求符合GBJ243[2]。

图1 洁净陶瓷纤维布过滤特性测定实验装置

图2 发尘条件下陶瓷纤维布过滤特性测定实验装置

3 陶瓷纤维布的过滤效率测试

通过对陶瓷纤维布过滤效率的测试，可以全面认识陶瓷纤维制品作为高温过滤材料的必要性和可能性。一方面由于目前常用的干法除尘和湿法除尘方法和技术都有各自的优点和局限性，尤其是对于高温环境下的除尘领域，常规除尘技术受到限制，而采用耐高温、耐酸碱的陶瓷纤维制品可以脱除高温环境下的污染物；另一方面，具有丰富三维网状立体结构的陶瓷纤维制品可以作为过滤材料，能够应用于高温除尘领域。

通过采用冷态实验法对叠加和缝制两种不同的过滤方式来研究陶瓷纤维制品的过滤效率，以此比较和分析两种不同实验条件下陶瓷纤维制品的过滤效果。其中叠加方式是直接将制作好的陶瓷纤维布放在一起，而缝制方式是采用金属软丝直接将准备好的陶瓷纤维制品缝制在一起，经过缝制处理后的陶瓷纤维制品肯定比叠加方式的厚实度，孔隙度也有较大的变化，大的孔隙度减少，小的孔隙度增加，小颗粒被捕集的几率增加，分级效率增加，总过滤效率也得到提高。图3、图4所示分别为两层和三层叠加方式下不同厚度陶瓷纤维布过滤阻力与粒径关系，从图中可以看出，在不同厚度的叠加方式下，过滤效率是不同的，但是总体相差不大。从图上可以看出在不同厚度的2层叠加方式下最高的过滤效率不超过18%；在不同厚度的3层叠加方式下最高的过滤效率不超过20%。

图3 两层叠加方式下不同厚度陶瓷纤维布图过滤效率与粒径关系

图4 三层叠加方式下不同厚度陶瓷纤维布图过滤效率与粒径关系

图5、图6所示分别为两层和三层缝制方式下不同厚度陶瓷纤维布过滤阻力与粒径关系，从图中可以看出，在不同厚度的缝制方式下，过滤效率是不同的，但是总体相差不大。从图上可以看出在不同厚度的两层缝制方式下最高的过滤效率不超过20%，在不同厚度的三层缝制方式下最高的过滤效率不超过22%。

图5 两层缝制方式下不同厚度陶瓷纤维布图过滤效率与粒径关系

图6 三层缝制方式下不同厚度陶瓷纤维布图过滤效率与粒径关系

从上述两种不同的过滤方式下陶瓷纤维布的过滤效率的测试结果来看，在颗粒粒径为0.5μm附近的过滤效率均为7%左右。而在颗粒粒径为4.0μm附近的过滤效率均为20%左右，从总体过滤效果来说，缝制方式的过滤效果要优于叠加方式。再改进生产工艺，采用孔隙率较小的陶瓷纤维布作为高温除尘用过滤材料将会达到更好的过滤效果[4]。

通过对陶瓷纤维布的过滤效率测试，总体效果还是满足高温除尘的要求，但是得到了个别负过滤效率数据。分析其原因是由于陶瓷纤维布内部含有大量的微小结晶颗粒和微细陶瓷纤维，在一定的过滤风速下少量的颗粒和纤维从陶瓷纤维布中脱落出来，导致陶瓷纤维布出口的颗粒物浓度大于进口颗粒物的浓度。为了避免负过滤效率的出现，应该对陶瓷纤维布进行预处理，减少陶瓷纤维布中存在的结晶小颗粒物和细陶瓷纤维。

4 结论

在参照相关过滤器测试标准的基础上，设计了陶瓷纤维布过滤特性的试验装置，对陶瓷纤维布进行了过滤阻力和过滤效率的测试，对比分析了不同过滤方式下的过滤阻力和过滤效率，同时还采用回归分析拟合法得到了不同过滤方式下的过滤阻力的拟合曲线，为陶瓷纤维布的工程应用提供了理论依据。

[1]杜柳柳.袋式除尘器用PTFE复合滤料性能试验研究[D].上海:东华大学,2008

[2]沈恒根.燃煤锅炉袋式除尘器用新型滤料研发及其应用[J].建筑热能通风空调,2006,25(5):30-33

[3]王德英,沈自求.深层过滤理论与技术研究进展[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(1):38

[4]黄继红,茅清希.微孔薄膜滤料阻力实验研究[J].建筑热能通风空调,2001,(1):4-7

[5]王庚,石冰洁,张卫东,等.膨化聚四氟乙烯膜滤料在袋式除尘器中除尘效率的研究[J].工程与技术,2004,(9):23-24

The Pe rform a nc e Re s e a rc h of Ce ra m ic Fibe rs Filtra tion Com pos ite Ma te ria l Applie d in High Te m pe ra ture Dus t-re m oving Fie ld

LIU Jian-gang1,LI Pan2,DIAO Yong-fa2,QIU Ran2
1 Shenyang Tianyi Cold and Heat Source Technique Co.Ltd.
2 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

Due to lots of inhaled Particles and heavy metals in the high temperature gas dusts were emitted from coal fired Power generation plants,it became increasingly serious air pollution of high temperature gas dusts.It must be reduced the temperature and cooling treated,then these high temperature gas dusts could be dust-removing and cleaned. At this moment,heat was lost,heat-utilizing was low,energy consuming was huge,and dust cleaning effect was bad. Using porous ceramics to clean inhaled particles and heavy metals toxicants of new filtering ways had quite recognized. This paper mainly introduces the filtration performance of the ceramic fiber cloth when testing the experimental device, experimental apparatus,the test method,principle of the measurement and analysis of test results.

high temperature gas,ceramic fiber cloth,filtration

1003-0344（2015）01-094-4

2013-10-25

刘剑刚（1956～），男，工程师；沈阳市皇姑区宁山中路5号6088室（110031）；E-mail:foxchang@163.com