高温烟气过滤陶瓷的研究及应用现状

田维++税安泽++柯善军

摘 要：随着经济的快速发展，我国工业排放的高温烟气粉体日趋增多，高温烟气粉尘的排放不仅污染环境，而且造成大量的热能浪费。高温烟气除尘再利用是一项有效利用气体热能的技术，其中过滤关键部分为高温烟气过滤陶瓷材料。本文主要对国内外多种高温过滤陶瓷的研究及应用现状展开对比，阐述各种高温烟气过滤材质的优缺点。并指出现阶段高温过滤陶瓷研究及应用所面临的问题，以期为后续研究提供参考。

关键词：高温烟气；过滤陶瓷；抗热震性

1 引言

高温烟气除尘是指在高温条件下直接对烟气进行气固分离，实现气体净化的一项技术，它可以最有效地利用气体的物理显热、化学潜热和动力能以及最大程度地利用气体中的有用资源。因此，它不仅成为电力、能源和相关加工工业的研究热点，也是过滤行业的重要研究课题。

由于陶瓷材料具有优良的热稳定性和化学稳定性，它的工作温度可高达1000℃，并且在氧化、还原等高温环境下具有很好的抗腐蚀性，因此，陶瓷材料是高温气体除尘的优良选材。

2 国外研究及开发现状

上世纪70年代，国外就开展了对高温气体除尘技术的研究开发工作。早期，美国能源部开展以无机膜过滤介质为主的高温气体过滤除尘技术的开发，德、日、英等发达国家也都开展了类似的研究工作。上世纪90年代中期，高温气体除尘技术取得很大进展。首先，一批先进的高性能无机膜过滤材料的开发为高温气体过滤除尘技术的工业化应用奠定了基础；其次，高温除尘工艺技术的提高，如系统高温密封和过滤元件试片自保护密封技术、过滤元件试片再生技术、气体在线检测技术以及系统自动控制技术等，也都大大推动了高温气体过滤除尘技术的工业化应用[1～2]。

Sawada等[3]对陶瓷过滤材料的抗热震性进行了理论和试验分析研究。他采用以下计算公式对不同材料的抗热震性因子R进行了计算，计算公式为：

R = ■

其中：S为材料强度；ν为泊松比；E和α分别为杨氏模量和热膨胀系数。计算结果如表1所示。从表中可以看出，单相SiC-SiC及两相莫来石SiC多孔陶瓷材料的抗热震性因子R值低，抗热震性能差。堇青石由于热膨胀系数小，抗热震性因子达521。复合陶瓷抗热震性优于单上述陶瓷，CCD复合陶瓷的抗热震性因子高达1652，是两相莫来石-SiC陶瓷的15倍。

近年来，许多国家都开展了对高温陶瓷过滤材料的研究工作，其中包括过滤管材质选择、结构设计、成型和制备工艺、高温性能和高温相结构、过滤管的综合性能测试和技术评价及经济可靠性分析等。

德国Schumacher公司生产的SiC-A12O3双层试管式滤管，表层孔径为10～20 μm，耐温达1000℃[4]；美国Buell公司、美国西屋公司以及美国电力研究所等用直径为10～12 μm的陶瓷纤维（由质量分数为62%的Al2O3、24%的SiO2、14%的B2O3组成）编织成过滤袋，该过滤袋在816℃、0.98 MPa的条件下用0.033 m/s的过滤速度进行试验，除尘效率高达99.7%，压力降为176 ～1489 Pa[5]；美国Acurex公司采用直径为3 μm的陶瓷纤维编织成毯，两面再蒙上一层陶瓷纤维布或者不锈钢丝网，在800℃、0.98 MPa条件下试验，过滤速度为0.1 m/s，除尘效率可达99.9%，清灰采用脉冲空气反吹，在高温下反吹5×104次，纤维布和毯的强度仍可满足需求[6]。

美国西屋公司开发的交叉流式无机膜过滤器，在加利福尼亚Montebelfo的Texaco汽化炉上做了8000 h的示范实验，该气化炉的工作压力为1.0～3.0MPa，气体温度为650～900℃[7]。结果表明，交叉流式过滤器极易在角部断裂并在过滤体中形成纵向裂缝。此外，日本研制的蜂房式过滤器（一般由多铝红柱石或堇青石制成），除尘效率达99%，耐温400℃。

美国Dupunt Lanxide公司生产的PRD-66型试管式陶瓷过滤器外表面涂有碳化硅砂粒的强化尼龙纤维丝缠绕，内表面是渗透率较高的碳化硅刚性架，除尘效率达99%以上；日本Asahi公司生产的均质堇青石陶瓷滤管，孔径为40～60 μm，耐温达1000℃，抗热冲击性较好[8]。

在这些高温陶瓷过滤材料中，最有影响的是日本Asahi玻璃公司生产的堇青石陶瓷滤管、美国Cera Mem公司开发的堇青石蜂窝块状过滤管以及美国3M公司推出的陶瓷纤维编织过滤管等。美国Cera Mem公司研制的多孔陶瓷膜过滤器，其面积与体积比达到500 m2/m3（布袋除尘器仅为33 m2/m3），可直接安装在烟气道中滤去99%的烟尘[9]。国外研制的主要高温陶瓷过滤材料的性能如表2所示。

3 国内研究及开发现状

我国在高温气体过滤除尘研究应用方面与先进国家相比还有较大差距，基本上处于实验阶段，尤其是在先进的高温过滤材料和制备技术方面更有待于提高。尽管如此，国内一些研究单位围绕着高温气体过滤除尘技术开展了大量的研究工作。其中，北京钢铁研究总院、国家电力公司热工研究院和山西煤化所共同承担了“高温煤气除尘工艺技术与设备的实验研究”，开展了高性能金属过滤材料的研制、高温过滤器的设计与制作、脉冲反吹再生技术的开发以及高温煤气过滤除尘中试实验，除尘效率达99%，实验取得了很好的过滤效果。但金属过滤材料不耐高温，抗腐蚀性能差，实验设计还有待进一步提高。北京市劳动保护科学研究所研制的微孔陶瓷器在实验室进行冷态模拟实验，在工业热态实验中陶瓷管性能稳定，除尘效率高。田贵山等[10]分析了IGCC和PFBC中应用的高温高压煤气和烟气尘粒含量，总结了燃气轮机透平保护标准和环保要求，对较适合的除尘技术进行了综合分析比较，并分析了各除尘技术存在的问题，认为刚性陶瓷过滤器具有广泛的应用前景。并在之后的研究中，对陶瓷过滤器元件内的气体流动按正向和反向两种流动情况，得出了气体在陶瓷过滤器元件的正向与反向流动规律，为今后设计陶瓷过滤器元件的结构等参数奠定了理论基础。

田贵山教授等山东省陶瓷基复合材料研究中心课题组成员，在先进的陶瓷过滤材料的制备和陶瓷过滤器装置化研究方面进行了大量的研究工作[11～13]。该课题组2001年获得了“高温气体净化用陶瓷过滤器的研制”863项目资助，并取得了一系列的研究成果。此项目研制了适合的陶瓷过滤元件结构、多孔陶瓷的制造、成型工艺及性能测试；改进了流动与过滤性能实验平台方案，并进行了实验；完成了处理能力4000 m3/h，过滤精度达到1 μm，最大工作压力1 MPa、工作温度可达500℃的高温陶瓷过滤器的设计、加工和高温应用考核实验。极大的缩短了我国与国外先进国家在高温过滤材料技术领域的差距，也为国内高温陶瓷过滤材料的研究及发展打下了良好的基础。该研究对大力推进和发展我国的洁净煤事业、解决洁净煤技术中高温热气体净化问题以及日益严重的冶炼炉高温含尘气体净化问题都具有极大的促进作用。

4 高温烟气过滤陶瓷的应用现状

目前，多孔陶瓷高温过滤技术已成为分离与净化材料领域中的一个重要分支，在国际上得到广泛的研制、开发和应用，世界陶瓷分离膜市场正以30%以上的年增长速度增长[14]。它不仅解决了高温高压介质、强酸碱介质和化学溶剂介质等难过滤问题，而且还是目前唯一有可能集过滤、催化等功能为一体的一种多功能过滤材料。

高温陶瓷过滤材料用于高温含尘气体的净化不仅可以高效清除高温、高压烟气中的尘粒，同时还可有效去除气体中的有害物质，因而具有其它高温气体净化技术所不具有的优越性，是高温气体过滤材料的最佳选择[15]。据报道，采用孔径为40～60 μm的陶瓷过滤器可以进行高温烟气，如化铁炉、增压流化床循环（PFBC）燃煤锅炉排放烟气除尘净化、整体煤气化联合循环（IGCC）发电系统的高温煤气净化、石油催化裂解装置中高温气体过滤及催化剂的回收、汽车尾气净化、焚烧炉的高温废气净化、金属工业、电石气炉、核废气处理、高压热气体净化、玻璃陶瓷工业等高温烟气净化等[16～17]。工作温度可达600℃，3 um以上尘埃粒子去除效率≥ 99%，而阻力降< 500 mm 水柱。由于高温工业气体中含有大量的显热或潜热以及可供回收重复利用的物质（如石化工业中的固体催化剂），它的合理利用具有十分巨大的经济价值。各种高温含尘气体的特性如表3所示[18]。

5 高温烟气过滤陶瓷面临的问题

目前，高温陶瓷过滤技术作为二十一世纪的关键技术已被各国公认为最具发展前景的过滤技术。但是，已开发出的均质多孔陶瓷和普通陶瓷分离膜在高温气体净化中均面临孔径分布不易控制、过滤速度低、使用寿命较低及抗热震性不高的问题。均质多孔陶瓷显气孔率低，过滤速度无法满足工业过滤烟气要求的速度；普通陶瓷分离膜层可以做得很薄，过滤阻力大幅度降低，但分离膜的气孔率一般较低（≤45%），其过滤速度虽比同孔径的均质多孔陶瓷大得多，但仍不能满足工业应用的要求，且其抗热震性能最好为900℃至室温8次不裂，难以满足900℃以上高温气体过滤和抵抗频繁脉冲冷空气反吹带来的急冷急热破坏，因此，需要研制抗热震性能更好、显气孔率高、孔径分布可控、过滤速度更高的高温陶瓷过滤材料。

参考文献

[1] 谷磊，刘有智，申红艳，等.高温气体过滤除尘技术和材料开发进展[J].化工生产与技术，2006，13（6）：61-62

[2] 姬宏杰，杨家宽，肖波.陶瓷高温除尘技术的研究进展[J].工业安全与环保，2003，29（2）：17-20

[3] Sawada Y， Hiramatsu K， Kawamoto H， et al. Evaluation on fundamental properties of filter materials at high temperature[A]. Dittler A， Hemmer G， Kasper G， High temperature gas cleaning[C].Dusseldorf （ Germany） ：Electric Power Research Institute， 1999：393

[4] Ciliberti D F， Lippert T E. Gas-cleaning technology for high-temperature high-pressure gas streams-1984 annual report[R]. California：Electric Power Research Institute，Inc，1986

[5] Kanaoka J， Chikao R， Kishima L W， et al. Observation of the process of dust accumulation on a rigid ceramic filter surface and the mechanism of cleaning dust from the filter surface[J]. Adv Powder Technology，1999，10（4）：417-426

[6] 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）：59-65.

[7] 况春江，方玉诚.高温气体介质过滤除尘技术和材料的发展[J].新材料产业，2002，12（5）：22-23

[8] 盂广耀，彭定坤.无机膜-新的工业革命[J].自然杂志，1996，18（3）：151

[9] Tian G S，Ma Z J，Zhang X Y， et al. Pulse cleaning flow models and numerical computation of candle porous ceramic pieces[J].Journal of Environmental Sciences，2001，14（2）：210-215

[10] 许坷敬，孟凡涛，田贵山，等.陶瓷过滤器材料及其制备技术进展[J].山东工程学院学报，2002，66（3）：62-67

[11] 许坷敬，田贵山，任京城，等.用于净化高温煤气陶瓷过滤元件的制备及其研究[J].中国陶瓷工业，2005，12（2）：l-5

[12] 田贵山，唐竹兴，许坷敬，等.梯度孔陶瓷过滤元件的制备方法[P].中国专利：ZL03112045.8，2006

[13] Crull A. Prospects for inorganic membranes business[J].Key engineering Materials.1991，61（62）：297-298

[14] 时铭显.高温气体除尘技术的现代发展[A].第五届全国非均项分离学术讨论会论文集[C].北京：1997，14

[15] Peukert W. High temperature filtration in the process industry[J].Filtration&Separation，l998，35（5）：461-464

[16] 姬宏杰，杨家宽，肖波.陶瓷高温除尘技术的研究进展[J].工业安全与环保，2003， 29（2）：17-20

[17] Larbote A，Prouzet E.Bertrand M.Performances of ceramic filters in the air purification[A].Abstract book of 7th international conference on inorganic membranes[C]，Dalian，2002，23-26

[18] 姬忠礼，时铭显.高温陶瓷过滤管研究进展[J].化工装备技术，2000，2l（3）：1-6