陶瓷纤维在高温烟气过滤中的应用

梁振江,邓 辉,张 杰,朱珍军

(天津工业大学 纺织学院，天津 300380)

陶瓷纤维在高温烟气过滤中的应用

梁振江,邓 辉,张 杰,朱珍军

(天津工业大学 纺织学院，天津 300380)

文章介绍了陶瓷纤维用于高温烟气过滤的可行性，概述了陶瓷纤维的物理化学性质和国内的研究现状，将陶瓷纤维和其它无机纤维进行了对比分析，探讨了陶瓷纤维在高温烟气过滤中的优缺点，为陶瓷纤维的进一步研究开发提供一定参考。

陶瓷纤维；高温过滤；过滤材料

1 引言

陶瓷纤维是一种集传统绝热材料、耐火材料优良性能于一体的纤维状轻质耐火材料[1]，是继碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维之后应用较为广泛的无机耐高温烟气过滤材料。陶瓷纤维按微观结构形态可以分为玻璃态纤维和结晶质纤维；按其化学组成可分为非氧化物和氧化物陶瓷纤维二大类；按使用温度可以分为低档陶瓷纤维(使用温度为800 ℃～1100 ℃)、中档陶瓷纤维(使用温度为1200 ℃～1300 ℃)、高档陶瓷纤维(使用温度1300 ℃～1500 ℃)；按照材料的形态可以分为散状陶瓷纤维、定形陶瓷纤维、不定形陶瓷纤维、混配(纺)陶瓷纤维[2]。不论以哪种方式对陶瓷纤维分类，陶瓷纤维的本质还是不变的，化学组成是相同的，即陶瓷纤维的主要成分是碳化硅、氧化铝或多铝硅酸盐[3]。

陶瓷纤维的使用温度范围是800 ℃～1500 ℃。在高温烟气过滤行业，参照热能动力工程的划分标准，可将待过滤的烟气划分为常温烟气(<120 ℃)、常高温烟气(<250 ℃)、亚高温烟气(250 ℃～450 ℃)、超高温烟气(<800 ℃)，一般工厂及行业烟气温度范围在250 ℃～280 ℃[4]。陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有质轻、热稳定性好、耐高温、比热容小、耐机械振动等优良特性[5]，并且陶瓷纤维可以通过双面针刺的工艺制作陶瓷纤维针刺毡，其在高温和低温环境中被广泛使用。因此，陶瓷纤维可以在高温烟气过滤中作为滤料使用。

2 陶瓷纤维的特性

2.1 陶瓷纤维的物理性质

陶瓷纤维的主要化学组成成分为氧化铝，因此陶瓷纤维在一定程度上表现出氧化铝的特性，即难溶于水的白色固体，无臭、无味，易吸潮而不潮解(灼烧过的不吸湿)。因其又含有部分碳化硅，这样既增强了陶瓷纤维的硬度，也增强了该纤维的熔沸点，所以在较高的温度下也不发生形变。与传统轻质耐火材料相比，陶瓷纤维具有气孔率高、气孔孔径和比表面积大等优点，一般陶瓷纤维气孔率大于90%[6]。

2.2 陶瓷纤维的化学性质

陶瓷纤维含碱量极低，几乎不和冷、热水作用，除氰氟酸、磷酸和强酸外，其他酸碱对它的侵蚀作用很小，在氧化气氛下非常稳定[7]。在使用过程中无毒、无害，不会有二次污染，对环境无不良影响。

2.3 陶瓷纤维的其它性质

陶瓷纤维除了作为高温烟气过滤材料应用在过滤方面，因其独特的多孔状纤维结构，还可应用于很多领域。陶瓷纤维的其它性质常表现为：多孔状结构，导热系数很低。常用于作为保温隔热材料，如石油化工设备、容器、管道和航空航天等的隔热保温材料；不燃或者有自熄性。常用作防火材料，如高档写字楼中的档案库、金库、保险柜等重要场所的绝热、防火隔层，消防自动防火帘等；绝缘性。陶瓷纤维的化学组成物质为共价键化合物，无导电性，常用来做绝缘材料，如电线杆上固定电线的瓷瓶等。陶瓷纤维除了以上特性外还有隔音、防辐射等特性。

3 陶瓷纤维的国内研究进展

我国陶瓷纤维已处于持续调整发展的阶段，陶瓷纤维的生产工艺与设备，尤其是干法针刺毯的生产工艺与设备具有世界先进水平[8]。金江等[9]通过将陶瓷纤维层和硅酸钙互相黏附在一起，构成一种耐高温陶瓷纤维气体过滤材料，其可耐200 ℃～1200 ℃的高温，过滤阻力低，分离效率高且容易再生，可以广泛应用于高温烟气、干法除尘等除尘过滤领域。李超[10]发明了一种具有倒锥形非织造布本体、圆形圈、第一半圆形加强筋和第二半圆形加强筋的陶瓷纤维原料非织造布过滤结构，结构简单、过滤效率高、耐高温、耐高压、耐腐蚀且可反复冲洗使用，拥有使用寿命长、生产成本低、适用范围广、易推广等优点。孙扬善等[11]研究了由莫来石纤维和硅酸铝纤维组成的陶瓷纤维过渡层对高温气体过滤用碳化硅非对称过滤膜的成膜和过滤压降的影响，发现当支撑体和过滤膜之间的陶瓷纤维过渡层厚度为60 μm左右时，过滤膜的过滤压降最小，同时还大大提高了成膜过程中过滤膜的均匀性和完整性；王娟[12]设计了一种由圆形本体、紧固圈、圆形连接板、固定孔和过滤孔组成的陶瓷纤维原料滚筒式过滤结构，该结构具有结构简单、使用装配便捷、过滤效率高、耐高温高压且可反复冲洗使用等优点，同时该过滤结构生产成本低、易推广。

与其它传统高温烟气滤料相比较，陶瓷纤维滤料具有高效低阻、使用寿命长、清灰容易和后期维护简单等优势，近二十年高温气体除尘过滤材料的研究取得了重大进展，一批先进过滤材料得以开发，尤其是陶瓷纤维复合增强材料的开发使得陶瓷过滤材料的韧性得到很大提高[13]。开发和研制更加高效的高温烟气陶瓷纤维过滤装置，对环境保护和社会发展具有重要意义。

4 陶瓷纤维与其他高温过滤材料的比较

用于高温过滤烟气过滤材料的无机纤维除了玄武岩纤维以外，还有多种高性能纤维，例如碳纤维、玻璃纤维和石棉纤维等。它们具有无机纤维的部分或全部的特性，如耐高温性、阻燃性、强度大、模量高、化学性质稳定、吸声隔音、透电波、抗震和介点绝缘等。这些纤维虽然具有多种优异的性能，但也具有一定的缺陷。例如，碳纤维表面化学性呈惰性、表面能低、表面光滑，在使用过程中易引发静电等；玄武岩纤维密度较大，在梳理成网时易出现脱落现象，且表面光滑、脆性大等；玻璃纤维硬度过高、卷曲度小、耐磨性能差；石棉纤维在使用过程中会产生致癌物质，环保性很差等。

陶瓷纤维作为理想的高温烟气过滤材料，其主要优点主要表现为：过滤方面：具有较高的除尘效率，可达99%以上；具有较高的强度和耐热性；具有良好的耐高温气体腐蚀和化学腐蚀。制作工艺方面：具有加工容易、施工方便等特点，并且原料来源较为广泛。环保方面：在使用过程中不会产生二次污染，不会产生有毒有害气体，对环境无任何影响。经济方面：具有良好的再生性能，使用寿命长，原料廉价易得，成品加工流程短等。陶瓷纤维作为高温滤料，在使用过程中清灰也比较容易，因此具有良好的经济特性。

陶瓷纤维虽然有很多优良的特性，但其最主要的缺点是不耐磨、不耐碰撞，不能抵抗高速气流的冲刷，不能抵抗熔渣的侵蚀。因此在使用过程中常通过径复合、预应力法和相转变法来提高陶瓷的韧性[14]，实际生产中一般是通过降低陶瓷纤维脆性的方法实现。

5 结束语

随着科学的发展，时代的进步，人们生活水平的日益提高，对生活质量的要求也越来越高。环境是人类和一切生物赖以生存的基础，空气质量的好坏直接影响环境的好坏，进而影响人们的生活质量。空气中有毒、有害物质和颗粒粉尘物质的减少有助于空气质量的提高，因此在高温烟气过滤过程中，过滤材料的过滤效率和质量直接影响着空气质量。陶瓷纤维虽然有很高的过滤效率、耐高温、耐化学腐蚀，但其在使用过程中也常出现各种问题，因此对现有陶瓷纤维的升级改进是今后的努力方向之一。

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TheApplicationofCeramicFiberinHighTemperatureFlueGasFiltration

LiangZhenjiang,DengHui,ZhangJie,ZhuZhenjun

(School of Textile， Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300380, China)

This paper introduced the feasibility of ceramic fiber used as a high temperature flue gas filter, summarized the physical and chemical properties of ceramic fiber and its domestic current research, analyzed and compared ceramic fiber and other inorganic fibers, discussed the advantages and disadvantages of ceramic fiber used in high temperature flue gas filtration. It provides references for further development of ceramic fiber.

ceramic fiber; high temperature filter; filter material

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A

1009-3028(2017)06-0044-03

2017-09-26

梁振江(1993—)，男，河南开封人，硕士研究生。