高温废气过滤除尘技术研究进展

      陶瓷纤维过滤器和织状过滤器的柔度较大,故称为柔性陶瓷。该种陶瓷的形状极易改变,可做成多种形状,其核尺寸较大,晶格密度较小。其组成材料包括:各种配比的氧化硅、氧化铝、氧化硼组合;氧化铝、氧化硅石组合;碳化硅、氧化硅组合。

      烛状过滤器、交叉流式过滤器、蜂房式过滤器均属刚性陶瓷过滤器。刚性陶瓷过滤器材料可用氧化物、非氧化物及其混合物组成,最普遍的氧化物包括:氧化铝、多铝红柱石 (3Al2O3·2SiO2) 、堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2) 、硅酸铝泡沫、黏土组合铝、火烧黏土及由化学蒸汽渗透(CVI) 而产生的连续陶瓷纤维组合而成。非氧化物包括:黏土结合的碳化硅、烧结的氮化硅、再结晶碳化硅及由化学蒸汽渗透(CVI) 而产生的碳化硅强化纤维。刚性陶瓷的核尺寸较小,晶格密度较高。见报道的日本Asahi 公司生产的均质堇青石陶瓷滤管孔径为40 - 60 mm ,耐温达1 000 ℃,抗热冲击性较好[11 ] 。

      泡沫陶瓷过滤器是一种气孔率高达70 % - 90 % ,体积密度只有0. 3 - 0. 6 g/ cm3 ,具有三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构,强度没有方向性的变化的多孔陶瓷制品。泡沫陶瓷使用方便、价格便宜、制造工艺简单,通常用回弹性高、孔径均匀的泡沫塑料作为前驱体浸渍陶瓷料浆烧制而成。它除了具有耐高温、耐腐蚀等一般陶瓷所具有的性能外,且具有密度小、气孔率高、比表面积大,对流体自扰性强等特点[12 ] 。

      4 　国外高温过滤除尘技术的研究现状

      美国高温气体陶瓷净化除尘技术的研究起步较早,其主要的代表技术有陶瓷过滤技术、颗粒床过滤技术和错流过滤技术等[5 ] 。

      全美从事陶瓷除尘技术的机构很多,其中Westinghouse (西屋) 是最典型的一个。其陶瓷管高温气体过滤技术较为成熟,具有以下特点: ①整套系统具备相当高的除尘效率,且压力损失始终保持稳定; ②密封、金属结构及脉冲反冲管具备良好操作特性; ③瓷管的整体机械强度高; ④系统可靠性好,这主要表现在系统操作范围宽且不形成灰饼等。

      德国Schumacher 公司、美国西屋公司、日本的AsahiGlass 公司等[8 ] 已开发出烛状陶瓷过滤器,除尘效率均达99 %以上。烛状陶瓷过滤器适用于高温(260 - 1 093 ℃) 、高压(1. 0 - 3. 0 MPa) 条件下尘粒去除。当输入载荷达0. 5 %时,输出尘粒粒度小于0. 5μm ,体积分数低于5 ×10 - 6 ,满足高温高压煤(烟) 气净化要求。英国Grimethorpe 电厂测试了烛状陶瓷过滤器特性[8 ] 。

      美国西屋公司开发的交叉流式过滤器[8 ] 可在650 - 900 ℃,1. 0 - 3. 0 MPa 条件下运行,在加利福尼亚Montebello 的 Texaco 气化炉上做了示范试验并经过了8 000 h 的测试。日本旭硝子株式会社[12 ]开发研制的高温废气处理用陶瓷过滤器为圆管状多孔堇青石(LOTEC - M) ACTF 型陶瓷管过滤器,孔径为40 - 60μm ,方向孔径无梯度,通孔率为16 % - 22 % ,抗弯强度为15 - 18 MPa ,耐热性优良, 可处理高达 1 000 ℃的高温含尘烟气,几乎能100 %地过滤直径大于孔径的1/ 20 以上的粉尘。为了使过滤器能连续运行,采用反洗的方式进行定期清灰,即通过安装在各清洁室出口的喷射器,将高压反洗气流短时间吹入清洁室内,一般在0. 2 - 0. 3 s 完成, 并可联机反洗, 其收尘效率达99. 999 %。芬兰的 Ahlstrow公司和美国的Babcock&Wilcox 公司等锅炉制造厂都引进了ACTF 技术。

      旭硝子株式会社还开发了APT 型颗粒捕集器。该捕集器的过滤器主要材质为堇青石。堇青石是以电熔法制造的堇青石玻璃经结晶化处理而制得的。将堇青石制成具有一排贯穿孔的平板,并在一边预留一定间隔的狭缝(用于净化气体的排出) ,然后将一定数量(根据处理废气量确定) 的平板叠层制成过滤器部件,整体呈盒状。其常用规格为:高140 mm ×宽103 mm ×长200 mm、体积2. 9 L、重量1. 8 kg、贯通孔形状3 mm ×5 mm(椭圆形) 、贯通孔数量17 ×37、过滤面积0. 9 m2 。一般采用高压空气(0. 6 - 0. 8 MPa) 脉冲气流进行反吹,将颗粒堆积层吹落,反吹时间为0. 2 - 0. 5 s。APT装置在1 000 h 运行考核中,颗粒捕集率在96 %以上,压力损失保持在9 - 11 kPa。

      俄罗斯S.V. Entin 等[13 ]进行了耐火材料生产中除尘工艺的研究,并设计出一套实验装置。该装置采用的是盘状多孔不锈钢过滤板对含尘气体进行过滤。除尘过程中,含尘气体通过进气管进入过滤器的除尘室,粉尘粒子沉积到过滤体的外表面,处理后的气体穿过过滤体进入净气室,最终由出气管排出。采用U 形管压力计测定过滤阻力,通过过滤器的气体体积由压缩空气测量试管和MMN 微型压力计控制,过滤效果由过滤器内外气体的含尘浓度对比进行评价。该装置适用于建筑材料、食品、化工、冶金以及核电等行业。俄罗斯B.L. Krasnyi 等[14 ] 深入研究多孔陶瓷过滤元件后认为:利用多孔陶瓷作为过滤元件具有很多优点,如高的使用温度和高的耐热性、耐腐蚀、抗振性,能同时除去粉尘及氮氧化物等。但该种陶瓷必须利用特殊工艺进行生产,以便控制其孔径和孔径分布。这种多孔陶瓷根据拓扑学规律可以分为2 类,即:有组织性和无组织性微观结构材料。无组织性微观结构的陶瓷由粉末和纤维或两者混合而成。由粉末制得的多孔陶瓷开孔率为20 % - 45 % ,孔径为5 - 400μm。而由纤维制得的多孔陶瓷开孔率为30 % - 90 % ,孔径为5 - 200μm。有组织性微观结构的多孔陶瓷包括网状、细胞状、蜂窝状等结构,其结构由预置系统决定。网状结构的材料由纺织或编织机制得的陶瓷纤维所制成,其开孔率为20 % - 80 % ,孔径约20 - 200μm ,但是由于其高温下使用寿命短,用压缩空气喷吹清灰再生后易破坏,所以未能得到广泛应用。由陶瓷片充填细胞状泡沫多孔脉石制得的细胞渗透陶瓷材料其开孔率为75 % - 95 % ,孔径为200 - 500μm;而采用特制钢模挤压可塑性陶瓷粉末或其与纤维质混合物所制得的细胞渗透材料,其生坯干燥焙烧后开孔率为50 % - 80 % ,方形开孔尺寸约800 - 7 000μm。B. L. Krasnyi 等最终研制出FKI - 45 除尘器,属袋式除尘器。装置中采用盘状多孔渗透陶瓷制造管状过滤器件,直径为60 - 62 mm ,厚度约8 - 23 mm , 可以耐1 000 ℃高温。

      日本Imada. K. 等[15 ]在废气除尘移动床材料的研究中, 用作移动床的材料为颗粒直径1 - 10 mm、气孔率20 % - 60 %的多孔粒径材料。该移动床材料已被应用于炼钢、炼铁、焦炭炉的废气除尘。

      英国太棉公司(TENMAT) 研制的太棉高温气体过滤器是专门为超过袋式除尘器、电除尘器等传统除尘器所承受的工作温度而开发的一种硬式表面过滤器。太棉可长期应用于 1 200 ℃的高温烟气系统,最高可耐1 600 ℃,使用过程中遇火不燃烧,具有超强的耐酸碱性能,使用寿命长达10 a 以上, 而袋式除尘器一般1 a 多就需更换。同时,太棉除尘器能过滤小于1μm的尘粒,过滤效率达99. 99 %以上。由于太棉过滤器滤料好、设备简单、寿命长、不用维护等优势,使得除尘总费用远远低于袋式除尘设备。