高溫陶瓷膜除塵器在粉煤灰循環應用工藝上的研究

錢均新

(江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司，江蘇 宜興 214221)

高溫陶瓷膜除塵器在粉煤灰循環應用工藝上的研究

錢均新

(江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司，江蘇 宜興 214221)

高溫陶瓷除塵器的核心元件是陶瓷過濾管，陶瓷除塵器的除塵機理與濾袋式除塵器的工作原理相類似，是一種新型、高效、節能的氣固分離設備，不同之處在于過濾介質為陶瓷過濾管，陶瓷過濾管是由陶瓷纖維、陶瓷耐火骨料及高溫陶瓷結合劑經高溫燒結而成的一種多孔梯度陶瓷纖維復合膜過濾元件，它具有良好的微孔性能、機械性能、熱性能，適用于各種高壓、高溫含塵(煙塵)氣體中耐各種介質腐蝕性能和高溫氧化性能，其應用領域非常廣泛，針對目前國家對煙塵排放日趨重視的前提，具有很好的推廣價值。

高溫陶瓷膜除塵器；袋式除塵器；陶瓷過濾管；粉煤灰

0 引言

中國每年消耗電煤17億t，產生粉煤灰4億t，這種由無數微小球體組成的固體廢棄物，含有多種有害成分，堆存成本高昂，粉塵污染嚴重，針對如此龐大的固體廢棄物粉煤灰如何處理？是否能夠進行循環利用變廢為寶？在成本允許的范圍內由電廠粉煤灰進行循環應用研究已成為必然，在國家相關部委的大力支持下，大唐、華電、神華、中煤等國內大型能源企業紛紛投向這一領域。在粉煤灰循環應用工藝中高溫煙氣凈化是必不可少且非常重要的流程，直接關系到粉煤灰中有用成分的回收率高低和此工藝對環境的污染程度，目前采用的二級旋風工藝已遠遠滿足不了工藝要求，急需開發新的高溫煙氣凈化技術。高溫陶瓷過濾技術是國際上近年來主要發展的高溫含塵氣體凈化技術，我國在高溫氣體過濾除塵方面與先進國家相比還有很大差距，尤其是在高溫過濾元件產品和制作技術方面，總體看來，國內在高溫陶瓷過濾技術研究方面缺乏系統性、針對性，大多偏重于微孔陶瓷支撐體的制備和流體的流動特性、熱力特性方面的理論研究，而沒有深入的研究微孔陶瓷支撐膜上的涂膜技術，對高溫氣體凈化用大尺寸陶瓷纖維復合膜過濾材料與制備技術的研究幾乎是一片空白，因而開發新一代低成本、耐高溫、高強度、低壓差的陶瓷纖維復合膜過濾元件以及相配套的過濾系統和裝置勢在必行。根據粉煤灰循環應用的工藝特性，從單管和多管的冷態試驗數據作一較為系統的分析，得到了很多技術數據，為類似工藝提供一些工業化指導。

1 陶瓷膜過濾管過濾性能研究的技術路線

針對粉煤灰顆粒本身具有粒徑小、重量輕、易團聚及工藝中水分大等特點，為了對陶瓷過濾管的循環再生性能、出口濃度、過濾效率及過濾管的耐腐蝕性和冷熱沖擊性能進行詳細的試驗研究，制定了研究技術路線，見圖1。

2 陶瓷膜過濾管對粉煤灰過濾的性能試驗

2.1 單根過濾管過濾性能試驗及測定

2.1.1實驗裝置與流程

單根過濾管過濾性能測試采用的流程如圖2所示，該裝置依據國際上通用的過濾介質檢驗標準EN779和VDI3926建立，采用光學粒子計數法來精確評價陶瓷膜過濾管的各種過濾性能。陶瓷濾管置于裝置內，通過畢托管調節氣量，無粉塵加入時，測定過濾管的初始壓降特性，在氣體入口處通過加料器勻速定量加入粉塵，測定過濾管長周期操作下的過濾與反吹循環性能，采用光學粒子計數器測得濾管進出口的濃度和粒徑分布，計算分離效率。使用強度測試平臺測定過濾管的抗折強度，采用掃描電鏡獲得過濾管的微觀結構，評價過濾管支撐體與過濾膜的特性。

圖1 陶瓷膜過濾管過濾性能研究的技術路線

圖2 單根過濾管試驗裝置與流程

2.1.2實驗結果與討論

(1)過濾管的初始壓降特性

隨機抽樣3根陶瓷過濾管，測定濾管的初始壓降特性。

從表1可以看出，純氣流工況下，3根濾管的初始壓降性能比較接近，平均誤差<5%。

(2)過濾管循環再生性能

隨意選取1根陶瓷過濾管，在過濾裝置入口以恒定濃度加料，測定長周期運行下過濾管的循環再生性能。

圖5 單根過濾管不同循環次數下的累積體積效率

表2 過濾管性能檢測實驗條件

從圖3可以看出濾管的壓降上升速率緩慢，反吹后的殘余壓降穩定，約為1.2 kPa，再生性能良好， 20 min過濾周期內，濾管壓降平均上升約0.45 kPa。

圖3 過濾管循環再生性能

(3)過濾管出口濃度與過濾效率

圖4 過濾管出口濃度變化

隨著過濾循環次數的增加，過濾管的過濾精度和效率增加，出口濃度逐漸減小，10多次循環后出口濃度已小于0.5 mg/m3，滿足工業應用要求。

從圖5中可以看出，隨著過濾循環次數的增加，累積體積效率逐漸增大，8次循環之后，過濾管對大于2 μm的粉塵顆粒過濾效率接近100%。

2.2 多根過濾管過濾性能試驗及測定

2.2.1實驗裝置與流程

選用某大型煤炭企業集團提供的粉煤灰粉作為實驗粉料，評價多根過濾管的過濾性能。測定過濾管的初始壓降，使用Welas2000粒子分析儀測得濾管進出口的濃度和粒徑分布，在氣體入口通過加料器以恒定濃度加入粉塵，通過長周期循環考核過濾管的再生性能。過濾管性能達到穩定狀態時，在過濾器的進口管路中通入水蒸氣，模擬現場工藝氣中水蒸氣含量較高的工況。數據采集系統實現對氣流流量、過濾管壓降及溫濕度等參數的采集和記錄。

圖6 多根過濾管試驗裝置與流程

2.2.2實驗結果與討論

(1)過濾管的初始壓降特性

如圖7所示，將15根過濾管分成5組過濾單元，每組共用一個反吹系統，采用與工業相同的分組反吹方式進行清灰。

圖7 過濾管布置圖

首先測定每組過濾管的初始壓降，評價5組過濾管之間的壓降差異。

從圖8中可以看出，5組過濾單元的初始壓降十分接近，說明15根過濾管的壓降差別較小，產品質量穩定且能滿足工業化的生產。

(2)過濾管循環再生性能

實驗用粉煤灰粉SEM圖片與粒徑分布測定如下所示，使用COULTER分析儀測得的結果與SEM結果接近，實驗用粉料的中位粒徑約為20 μm。

圖8 各組過濾單元初始壓降對比

表3 過濾管性能檢測實驗條件

圖9 粒徑分布圖

采用分組循環反吹清灰方式，經過5次循環(即第1組至第5組濾管都清灰完畢)，各組濾管的表面的粉塵負荷基本相同。在此基礎上，繼續長周期循環操作，考察各組過濾管的再生性能。

圖10 過濾管長周期循環曲線

濾管壓降的上升速率約為8 Pa/min，經過約30次循環后，濾管的殘余壓降基本保持不變，濾管的性能達到穩定狀態。

(3)過濾管出口濃度與粒徑分布

圖11 過濾管出口粉塵濃度變化

隨著過濾循環次數的增加，過濾管出口的粉塵濃度逐漸減小，在25次循環后出口濃度基本上低于0.5 mg/m3，滿足工業應用要求。

圖12 過濾管出口粉塵粒徑分布

粒徑分布圖的縱坐標為dv/v，橫坐標為粒徑(μm)。過濾管過濾精度高，出口的粒徑大部分小于1 μm。

(4)加濕工況下過濾管的循環性能

采用加濕器控制操作濕度，由濕度傳感器測量并記錄濕度的變化值。

加濕器產生的水蒸汽在加料口處與粉料一起進入到過濾器內部，加濕實驗的操作相對濕度約為58%。由于粉煤灰粉具有很強的吸濕性，加濕的過程容易團聚成塊，從圖13可以看出過濾循環性能受濕氣的影響波動較大，在高濕度工況下過濾管的循環再生性能較差，在工業化生產中必須重視煙氣露點的控制。

圖13 實驗操作相對濕度變化

2.3 過濾管耐腐蝕與冷熱沖擊性能

為了更好的驗證其耐腐蝕和冷熱沖擊性能，采用陶瓷過濾管與粉煤灰在電爐中一起加溫煅燒及同時空冷的方法，對過濾管造成冷熱沖擊，反復加熱和冷卻一定周期后，將過濾管從電爐中取出，觀察其外觀狀態，為了測定過濾管的表面膜是否存在沖擊損傷或腐蝕，小心刮取表面膜殘留物質，與粉塵樣品做XRD對比分析，分析表明過濾膜表面刮取下來的物質和粉塵樣品的XRD分析接近，說明過濾膜沒有出現腐蝕和破損，能夠在工業應用上進行長周期運行。

3 結論

(1)針對粉煤灰循環工藝開發的高溫陶瓷膜過濾器克服了旋風分離、袋式除塵器、電除塵等設備所存在的弱點,在國內外均屬領先水平，其設備性能、處理效果等方面均優于國內外同類過濾裝置,具有較高的推廣價值。

(2)不斷完善陶瓷膜過濾元件的各種性能，開發出一套適應于該行業可批量生產的低成本、高性能的高溫陶瓷過濾元件，并建立相關評價技術規范和裝置。因此，高溫煙氣過濾關鍵技術的突破，不僅可大力促進我國過濾材料行業的技術升級換代，大幅度提高行業的整體技術水平，而且對我國高溫過濾技術產業化發展具有十分重要的指導意義和作用。

(3)陶瓷膜過濾中試裝置在粉煤灰循環工藝上的成功應用，解決了高溫狀態下煙氣直接除塵的技術難題，解決了微細粉塵直排引起的二次環境污染,實現了環保治理與可持續發展的同步進行。下步應在中試研究基礎上，通過相似放大理論總結大型裝置的設計方法，編寫優化設計軟件，為今后過濾裝置的設計和工業化應用提供必要技術支持。打破該領域國外公司的壟斷局面，同時做到制備工藝簡單、成本低、利于國內推廣。多孔陶瓷煙氣凈化、收塵設備的高效和長壽命使得它們在這一市場中將占有相當份額，而且隨著環保和資源利用要求水準日益提高，這一份額會持續增大，預計在產業化后的未來五年內，國內在高溫煙氣凈化除塵設備的年產值將達數十億元是有可能的。

[1] 張殿印，王純.脈沖袋式除塵器手冊[M].北京：化學工業出版社,2011:21-50，218-222，498-511.

[2] 張殿印，王純，俞非漉.袋式除塵技術[M].北京：冶金工業出版社,2008:82-159，301-319，4566-4579.

ApplicationResearchofHighTemperatureCeramicMembraneDedusterinFlyashCycle

QIAN Jun-xin
(Jiangsu Yixing Nonmetallic Chemical Machinery Factory Co., Ltd. Yixing 214221, China)

The core element of high temperature ceramic membrane deduster is ceramic filter tube, the dedusting mechanism of ceramic deduster similar to bag deduster, is a new type, highly efficient, energy saving gas-solid separation device, they are different in that filter medium is ceramic filter tube, the ceramic filter tube made from ceramic fiber, ceramic refractory aggregate and high temperature ceramic bond through sinter, it is a kind of porous gradient ceramic fiber composite membrane filter element, has good microporous performance, mechanical property, thermal properties. This applies to all kinds of high pressure, high temperature gas including dust (smoke), corrosion resistance of various media and high-temperature oxidation. The application field is very extensive, our government pay more and more attention to soot emissions, so the deduster is worth popularizing.

high temperature ceramic membrane deduster；bag deduster; ceramic filter tube； flyash

2013-12-16

錢均新(1969-)，男，江蘇宜興人，高級工程師，大學本科，主要從事除塵器、過濾機、過濾器、化工陶瓷的設計，現任江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司研究所所長。

TQ174.6

B

1003-8884(2014)02-0013-06