陶瓷過濾除塵技術(shù)
目前，高溫除塵器主要有布袋除塵器、移動(dòng)床除塵器、陶瓷除塵器等，其中陶瓷除塵器具有出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，除塵效率高，使用壽命長(zhǎng)，因此，陶瓷過濾器已成為一項(xiàng)重要的高溫除塵技術(shù).
1 陶瓷過濾元件及結(jié)構(gòu)
陶瓷過濾元件按陶瓷的微孔結(jié)構(gòu)可分為均質(zhì)陶瓷和復(fù)合膜層陶瓷，復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)包括雙層和多層結(jié)構(gòu). 雙層結(jié)構(gòu)是由微孔孔徑較大的支撐層和孔徑相對(duì)較小的膜過濾層組成，這種結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)陶瓷過濾元件壓力損失高、過濾效率低的問題，實(shí)現(xiàn)了表面過濾，是近些年來開發(fā)應(yīng)用最為典型的一種結(jié)構(gòu)形式.
按形狀又可分為試管式和錯(cuò)流式片狀2種結(jié)構(gòu)，試管式過濾器是一種形如試管的陶瓷過濾管，工業(yè)上用多個(gè)試管式過濾元件組成多層試管式過濾器，如圖1 所示. 含塵氣體從下部進(jìn)入過濾器，由管外部穿過陶瓷壁而實(shí)現(xiàn)過濾，捕集下來的顆粒落入灰斗中. 當(dāng)穿過陶瓷管的壓降因粉塵粘在陶瓷管外壁而逐漸增加到一定值后，需用高壓空氣脈沖反吹，實(shí)現(xiàn)了在線清灰. 試管式過濾器的管板與過濾器壁的連接涉及到密封、熱膨脹等問題，因此管板上的布管必須考慮到管板強(qiáng)度、濾管之間的粉塵夾帶和粉塵架橋等問題.
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復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)中膜層的孔隙率、厚度及孔徑大小對(duì)過濾元件的過濾性能有著重要的影響. 通過重復(fù)噴涂可得到多層表面過濾薄膜，提高過濾效率，但是重復(fù)噴涂的熱處理成本很高.
由3M 公司生產(chǎn)的CVI-SiC 復(fù)合型過濾管由3層結(jié)構(gòu)組成：外層過濾層、中間纖維層和構(gòu)成過濾器支撐基體的纖維內(nèi)層. 在外層過濾層和中間纖維層內(nèi)部沉積著約1～2 μm 的碳化硅顆粒，而在內(nèi)層纖維層沉積有約100 μm 的碳化硅.
CVI-SiC 的氧化穩(wěn)定性和表面涂層的穩(wěn)定性，及Nextel 或Nicalon 纖維在高溫氧化性環(huán)境中的應(yīng)用穩(wěn)定性是纖維纏繞和纖維強(qiáng)化CVI-SiC 或者SiC-SiC 復(fù)合型試管式過濾元件存在的問題.
2 濾餅的研究
濾餅對(duì)陶瓷過濾器的過濾起著重要作用. 含塵氣流經(jīng)過陶瓷孔隙時(shí)，在慣性碰撞、擴(kuò)散和架橋等作用下，粉塵顆粒被陶瓷捕捉，在陶瓷表面逐漸形成一層由粉塵組成的濾餅. 當(dāng)氣流的壓力降因粉塵粘在陶瓷管外壁而逐漸增加到一定值后，需要進(jìn)行清灰，使濾餅脫落. 壓降升高的原因主要有3條：(1)每次反吹清灰之后，陶瓷表面的殘留粉塵會(huì)增加；(2)濾餅層的致密化和陶瓷過濾薄膜孔隙的孔體積下降及孔徑的縮。(3)由于粉塵和過濾器之間的化學(xué)反應(yīng)和燒結(jié)等作用引起過濾介質(zhì)中孔隙的堵塞.
Hurley 認(rèn)為在1 000 ℃以上的高溫條件下，玻璃質(zhì)的硅酸鹽化合物對(duì)粉塵沉積物的粘性起主要作用，但是在低溫條件下，卻是硫酸鹽化合物起主要作用，尤其是在含鈣量高的粉塵中.
3 陶瓷過濾器安全系統(tǒng)
由于種種原因，陶瓷過濾管經(jīng)常會(huì)破裂. 一旦某一個(gè)過濾元件破裂，含塵氣流就會(huì)進(jìn)入過濾器清潔氣室，從清潔氣出口進(jìn)入后續(xù)工藝，如燃?xì)鉁u輪機(jī)等，影響后續(xù)工作. 為了避免這種情況的發(fā)生，必須建立一套過濾器的安全系統(tǒng).
文獻(xiàn)報(bào)道了一種故障安全保險(xiǎn)技術(shù)(Coupled Pressure Pulse，CPP). 圖3 為CPP 技術(shù)原理圖，圖3(a)是傳統(tǒng)的清灰裝置，其通風(fēng)管管口與過濾管保持一段距離，且管口徑小. 脈沖氣流從通風(fēng)管口進(jìn)入過濾管，氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓，實(shí)現(xiàn)清灰. 當(dāng)過濾管破裂時(shí)，含塵氣流直接進(jìn)入清潔氣室.
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清灰強(qiáng)度取決于脈沖氣流速度、質(zhì)量流量和反吹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸. 圖3(b)是CPP 技術(shù)，它的通風(fēng)管直接與過濾管相連，省去了通風(fēng)管口與過濾管的距離，同時(shí)保證通風(fēng)管與過濾管的口徑一致，而且將通風(fēng)管設(shè)成多孔. 當(dāng)過濾管破裂時(shí)，多孔性通風(fēng)管可以起到過濾管作用，阻止含塵氣流進(jìn)入清潔氣室，成為保險(xiǎn)過濾管.
圖4 為CPP 技術(shù)在過濾器中的應(yīng)用原理. 在大型過濾設(shè)備里，每個(gè)過濾元件設(shè)一個(gè)保險(xiǎn)過濾管，再把這些過濾管分組. 過濾時(shí)，待過濾氣流首先經(jīng)過過濾管，再經(jīng)過保險(xiǎn)過濾管、液壓閥，最后進(jìn)入清潔氣室. 期間的壓力損失比噴射脈沖要小.如果過濾管破裂，含塵氣流會(huì)以很高的表面速度通過保險(xiǎn)過濾管. 為了控制清潔氣流的粉塵濃度，保險(xiǎn)過濾管必須要有高除塵率. 由于氣流的高表面速度，粉塵會(huì)滲透到過濾管很深處，保險(xiǎn)過濾管很快就會(huì)被堵塞. 為了避免在清灰時(shí)粉塵被再次揚(yáng)起，需要用具有深層過濾特性的過濾元件.
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CPP 清灰技術(shù)與傳統(tǒng)脈沖噴射清灰技術(shù)相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)：清灰強(qiáng)度更高，而清灰氣流壓力只比系統(tǒng)壓力高出0.05～0.2MPa，對(duì)于危險(xiǎn)性的黏性粉塵也能夠穩(wěn)定過濾，避免了因?yàn)V餅破裂而經(jīng)常關(guān)閉系統(tǒng). 而且，系統(tǒng)的剩余壓降也很低. 因此，可以延長(zhǎng)過濾周期，提高過濾速度，降低成本.
4 陶瓷過濾器高溫氣體凈化技術(shù)
在傳統(tǒng)工藝中，高溫氣體的除塵和脫硫脫氮是分開進(jìn)行的，在選擇性催化還原脫氮之前先除塵，或者在燃燒之后再脫硫. 這種多步操作增加了成本，也浪費(fèi)能源. 因此，在陶瓷高溫除塵器的基礎(chǔ)上，高溫氣體凈化一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.
圖5 為催化性陶瓷過濾元件，即在陶瓷過濾器外表面涂一層過濾薄膜，在陶瓷內(nèi)部加催化劑作為催化層. 這種技術(shù)可用于脫氮脫硫、HCl 等潛在的氣態(tài)催化劑毒物的凈化，及催化氧化VOC.
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催化劑和陶瓷過濾管的組合方式較多，比較常用的方法有：(1)在多孔支撐層表面涂一層催化劑涂層，此法的催化劑層的厚度和結(jié)構(gòu)變化的自由度很小，而且制造也比較困難. (2)在陶瓷過濾管制造過程中，將催化劑混入陶瓷顆粒，一起做成過濾元件，這種方法催化劑的接觸面損失比較大. (3)在原來的陶瓷管上增加一根多孔內(nèi)嵌管，在內(nèi)嵌管和支撐管之間形成一層催化劑顆粒層. 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)催化性過濾器的潛在應(yīng)用具有一定的靈活性，相對(duì)催化劑薄膜制作時(shí)間少；另外，如果填充具有高表面積的催化劑顆粒，就會(huì)提高催化能力.
運(yùn)用一體化技術(shù)的首要條件就是在最佳的催化溫度和過濾速度下，催化能力要盡可能的高，而壓差要盡可能的低，特別是高溫氣體. 加大過濾管的厚度，延長(zhǎng)氣流在陶瓷內(nèi)的停留時(shí)間，可以提高過濾管的催化能力，但是這樣過濾管的壓降也增大了. 所以，要調(diào)整這兩者的關(guān)系，以最小的壓降取得最佳的催化性能. 文獻(xiàn)[12]利用納米材料TiO2 作為催化劑的載體，用特制的TiO2 溶膠，通過溶膠凝膠過程，制得TiO2 納米材料. 在這個(gè)過程中，可以使用乙酰丙酮和乙酸作為絡(luò)合劑控制鈦醇鹽的水解和凝縮. 催化劑采用V2O5-WO3 體系，用浸漬法把催化劑整合到多孔陶瓷過濾元件上，使其具有最高的比表面積和最低的孔隙堵塞機(jī)率. 試驗(yàn)結(jié)果表明，在過濾速度為2 cm?s-1，進(jìn)氣NO 濃度為5×10-4，300 ℃的條件下，NO 的轉(zhuǎn)化率達(dá)96%，而壓降只有21mbar，完全滿足高溫除塵的要求. 如果用SiO2 代替TiO2 作為催化劑，可以提高NO 的轉(zhuǎn)化率. 而添加Pt 的TiO2-V2O5 催化劑系統(tǒng)，丙烯的氧化率達(dá)到了100%.
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