壁流式蜂窩陶瓷在模擬高溫含塵煙氣中性能測試分析

羅民華，朱帥鋒，梁華銀，肖卓豪，李 杰，張振剛，周健兒，羅國華

(1.景德鎮陶瓷大學，江西 景德鎮 333403；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院宜興分院，江蘇 宜興 214206)

0 引言

冶金、建材、電力等行業每年產生大量的高溫煙氣含有大量未使用的熱能[1-3]，由于高溫煙氣含塵量高，在進行換熱時塵粒沖刷換熱器管壁及黏附在換熱材料表面，甚至出現沉積堵塞等問題[4]，極大地影響了換熱設備的使用壽命及換熱效率。采用科學有效的高溫除塵技術使煙氣在高溫環境下過濾凈化，避免熱回收階段的灰塵污染[5]，同時達到無塵排放。因此，高溫含塵煙氣除塵并高效回收利用，不僅可以降低能源消耗，還可以提供優質環境和公眾健康效益[6]。

近年來，壁流式蜂窩陶瓷因具有耐高溫、耐腐蝕、機械強度大、結構穩定等突出優點被運用于高溫含塵煙氣凈化[7,8]。壁流式蜂窩陶瓷作為高溫除塵過濾體，兩端壓力降低以及清潔再生效果是評價其過濾性能和流動性能的重要指標[1,8,9]。傳統壁流式蜂窩陶瓷在長期的除塵運行過程中，孔道壁內微孔中容易吹進微細粉塵，并在聯通微孔的頸部塞積，從而降低蜂窩陶瓷的孔隙率、增大壓力損失，以及降低對含塵廢氣過濾的處理效率且反清洗再生性能較差[10,11]。采用先進多孔陶瓷膜技術[12]對壁流式蜂窩陶表面進行涂膜，膜層的孔徑比載體孔徑更細，可以有效阻止微細粉塵進入孔道[13]，增加過濾器在長期運行時的再生性和使用壽命。目前缺少對涂膜前后壁流式蜂窩陶瓷在高溫除塵中優化測試分析。因此，試驗自制了一套具有完整測試系統的壁流式蜂窩陶瓷高溫運行過濾性能測試平臺，模擬真實工業高溫含塵煙氣工況。即在設定的煙氣流量Q、溫度T、粉塵濃度C、粉塵顆粒度分布等工況參數及設定的反沖洗壓力下，對涂膜和未涂膜壁流式蜂窩陶瓷進行連續性測試。通過廣泛的試驗，目的是論證以壁流式蜂窩陶瓷膜用于高溫含塵氣體高效除塵的可行性，為壁流式蜂窩陶瓷在高溫除塵中耐用性和脈沖清洗策略提供科學技術指導。

1 試 驗

1.1 試驗系統

壁流式蜂窩陶瓷高溫運行過濾性能測試平臺如圖1 所示。整個高溫含塵煙氣發生裝置和測試系統組成包括：燃燒系統、粉塵煙氣模擬系統、高溫除塵系統、高壓反吹系統及完整測試系統。整個裝置的動力設備為高溫引風機（或鍋爐引風機）；過濾裝置是以壁流式蜂窩陶瓷為過濾體的過濾箱體；粉塵收集裝置為位于過濾器下部的集塵箱體。其中，高溫煙氣模擬系統產生的高溫煙氣由爐內燃燒器燃燒產生，其溫度和流量可調。高溫煙氣與微細粉塵在粉塵預混室中產生高溫含塵廢氣，模擬粉塵采用煤粉灰，粉塵粒徑分布、濃度可調。高溫含塵廢氣進入壁流式蜂窩陶瓷除塵器內的軸向平行的蜂窩孔道，相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵孔[14]，在蜂窩孔道的蜂窩壁上分布大量的貫穿性孔道。由于蜂窩孔道的出口端被封閉，含微塵廢氣只能通過壁流式蜂窩陶瓷貫穿性微孔的壁面從相鄰的蜂窩孔道流出，而廢氣中粉塵則在經過蜂窩壁時被截留[8,10,14]。測試系統包括測溫孔、壓力傳感器及高溫流量計。測溫孔用于測試入口煙氣溫度；壓力傳感器用于記錄除塵器兩端壓力變化以及反吹壓力。觀測反吹系統壓力表進行設定值反吹，并可根據壓力表讀數來調整反吹壓力。

圖1 壁流式蜂窩陶瓷高溫運行過濾性能檢測平臺示意圖Fig.1 Running under the high temperature wall flow ceramic honeycomb filter performance testing platform

測試中所用先進商用壁流式蜂窩陶瓷全長305 mm，孔邊長5.0 mm×5.0 mm，有效長290 mm，一端通孔數 12×12+11×11=265，過濾面積 A=1.537 m2。壁流式蜂窩陶瓷載體平均孔徑為13 μm，孔隙率為 43 %；頂膜平均孔徑 3.2 μm，厚度為70 μm—80 μm。壁流式蜂窩陶瓷過濾元件的工作原理圖如圖2 所示。

圖2 壁流式蜂窩陶瓷高溫除塵過濾原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of wall flow honeycomb ceramic filter

1.2 試驗過程

1.2.1 初始過濾性能測試

初始過濾性能測試主要測試進氣流速以及進氣溫度對壁流式蜂窩陶瓷過濾壓力的影響。試驗首先在常溫下通入潔凈氣體，只改變引風機的氣體流量。試驗采用先增大、后減小流速，采集不同流速下過濾壓力，最后計算流速與平均壓力的關系曲線，分析得出初步結論。然后開始點火，使通入氣體溫度不斷升高，不加粉塵，并根據實際情況加大流量，使整個測試系統升溫至設定溫度。升溫過程中，記錄不同溫度下對應的過濾壓力，采集數據并作圖分析得出結論，其結果為后續高溫測試的變量控制提供依據。

1.2.2 壁流式蜂窩陶瓷在高溫含塵廢氣中連續性測試

在相同工況下，對涂膜和未涂膜壁流式蜂窩陶瓷進行測試和數據整理分析。試驗過程為：采用高溫大流量連續性測試和反吹洗性能試驗測試，調節燃氣流量，使系統溫度穩定在設定溫度約10 min。然后調節閥門（或閘板）使流量至所需要運行測試時的流量。觀察溫度變化，調節燃氣流量，使系統溫度穩定在設定溫度約20 min，并在運行過程中維持在此溫度值。根據設定的粉塵濃度，調節粉塵發生器的轉速，加入粉塵。記錄運行測試過程中的各參數值，至壁流式蜂窩陶瓷背壓升至設定值。停止加灰和停風機，以設定的高壓空氣壓力值進行反沖洗。然后開風機，記錄反沖洗后的背壓值，觀察是否恢復到接近初始背壓值，記錄流量等參數。再加入粉塵，重新運行測試，注意調節燃料量，使溫度盡快穩定在設定值。重復上述步驟，觀察反沖洗后背壓是否穩定在接近初始背壓值的某一數值。如果數值升高，需要調高反沖洗壓力再進行反吹洗；如果反沖洗5次背壓都穩定在某一數值，則此工況運行測試結束。將記錄數據進行整理分析連續運行除塵系統內過濾壓力變化，研究未過濾性和反吹系再生性。

2 結果分析與討論

2.1 進氣流量的影響

圖3 是進氣流量對過濾壓力影響的測試結果。從圖3 明顯可以看出，過濾壓力隨入口流量增大而呈線性增長，數據整理可得出潔凈過濾體對流體的阻礙作用所產生的壓力損失與流量成正比。對比涂膜前后，涂膜后的過濾壓力增加。因為膜層孔徑更細，過濾壁對流體阻礙增強，且隨著流速不斷增加阻礙性增強。試驗測得過濾流速為1.88 cm/s 時（參照市場公開參數），涂膜后壁流式蜂窩陶瓷過濾壓力為437 Pa，比無頂膜壁流式蜂窩陶瓷過濾壓力374 Pa 高16.8 %，比先進同類產品的過濾壓力720 Pa 低39.0 %。

圖3 涂膜前后過濾壓力與流量的關系Fig.3 The filtration pressure before and after the film changes with the flow rate

2.2 進氣溫度的影響

圖4 為裝置點火后記錄無粉塵時隨著氣流溫度升高背壓變化的測試結果。由圖4 可知，進氣溫度從20 ℃上升到432 ℃，系統壓降從470 Pa 上升到1080 Pa，隨著溫度升高過濾壓力不斷增加。分析認為，氣體隨著溫度升高氣體分子之間距離增大，壓強不斷變大，氣體與壁面之間流動摩擦更大。同時，當相鄰的氣體層相對移動時，則氣體分子在紊亂熱運動過程中不斷地由這一層滲入到另一層。由于動量轉移而產生內摩擦，這樣就阻礙它們相互移動，造成壓力損失增加。所以，氣體的黏度隨著溫度升高而增加，隨著溫度升高，壁流式蜂窩陶瓷過濾壓力增大。

圖4 系統壓降隨溫度的變化Fig.4 System pressure drop varies with inlet temperature

2.3 涂膜對壁流式蜂窩瓷在高溫除塵中的過濾效率和再生性能的影響

通過點火后調試設備，運行到設定工況后，在高溫下進行連續運行和反吹洗測試實驗。實驗記錄每個反吹灰周期數據并整理成圖表。圖5 是未涂膜壁流式蜂窩陶瓷流量為24 Nm3/h，溫度控制在450 ℃—500 ℃，入口粉塵濃度為7.6 g/m3條件下壓降變化示意圖。

圖5 無頂膜時高溫測試的壓降變化Fig.5 Change of pressure drop at high temperature without film coating

裝備未涂膜過濾體的設備在設定流速下運行初始阻力為350 Pa。在阻力達到800 Pa 時，用0.35 MPa 壓力反沖清洗蜂窩陶瓷后，過濾背壓恢復初始阻力為350 Pa。在運行600 min 時間內，用0.35 MPa 反吹壓力反沖后，阻力從350 Pa 逐漸增大到400 Pa，此時需要增大反吹壓力。繼續測試運行1800 min 時，反吹壓力從0.4 MPa 逐步調大至 0.5 MPa，反沖后載體初始阻力逐漸增大至550 Pa。結果表明，反吹洗效果較差。這是由于隨著清灰周期增加，清灰后蜂窩瓷壁面存留由粉塵。因此，反吹洗后內部存有殘存壓降，使得過濾壓力不斷增加。然而采用連續反沖三次的方法使得載體過濾壓力降至500 Pa。阻力隨著運行時間延長，反沖后初始背壓一直處于一種上升的趨勢。反沖洗效果越來越差，反沖洗后不能恢復，阻力明顯增加到1110 Pa。分析認為：一方面是因為隨著過濾時間延長，壁面由殘存微細粉塵不容易被清洗干凈而造成初始壓力增加；另一方面是因為孔道壁中微孔是不規則的聯通結構，在高壓脈沖氣體反吹過程中，仍然有大量顆粒物在微孔的頸部塞積，導致大量粉塵顆粒殘留在蜂窩陶瓷過濾體的孔道壁中。即使增加反吹壓力也不能夠恢復，考慮可能造成堵塞。

圖6 為經過涂膜后，壁流式蜂窩陶瓷測試在高溫含塵煙氣流量為 24 m3/h、溫度 450 ℃—500 ℃、入口粉塵濃度為8.6 g/m3工況條件下，壓降變化示意圖。

圖6 涂膜后高溫測試的壓降變化Fig.6 Change of pressure drop at high temperature after coating

高溫連續運行測試是在初始阻力為410 Pa，背壓達到800 Pa 左右時，用0.4 MPa 反沖洗壓力清灰至初始過濾壓力410 Pa。設備在前5 h 內一直保持阻力在400 Pa—800 Pa 之間運行，期間過濾阻力經反沖洗后，能保持在平均430 Pa 且反吹周期較穩定。通過數據對比分析，說明涂膜后壁流式蜂窩陶瓷能夠在穩定反吹洗壓力下連續清洗和恢復，很容易反吹洗干凈且反吹灰后殘存在壁面的灰塵較少，從而能夠使過濾壓力保持穩定。測量出口粉塵濃度保持0.06 mg/m3—0.10 mg/m3，過濾效率達99.99 %，說明涂膜后蜂窩陶瓷具有很好的過濾性。3000 min 后再增加過濾壓力至1000 Pa，用0.5 MPa 反吹洗壓力仍能夠使其恢復至430 Pa。這表明表面涂覆了一層孔徑較細膜層之后，使得細小顆粒的粉煤灰不能進入蜂窩陶瓷載體，都滯留在頂膜表面。此時，用高壓反沖洗再生系統就更加容易。隨著過濾壓力增加，反沖壓力也需要相應增大，但增量并不多。同時，陶瓷膜微細孔徑能夠保證過濾掉粒徑更細粉塵，可以降低PM 顆粒物排放。

3 結論

（1）試驗通過自制壁流式蜂窩陶瓷高溫運行過濾性能測試平臺很好地調整測試所需要的工況，保證煙氣流量Q、粉塵濃度C、粉塵顆粒度分布、溫度T在相同工況參數下，對涂膜前后過濾性能和反吹洗再生性能進行測試。

（2）壁流式蜂窩瓷的過濾壓力隨流速增加呈線性增長。設備能夠準確測試孔徑大小等各項參數對過濾壓力的影響，可以很好地對工藝進行改進。本測試經過工藝改進測得流速在1.88 cm/s 時，涂膜后過濾壓力為437 Pa，比未涂膜時過濾壓力374 Pa 高16.8%。

（3）壁流式蜂窩陶瓷系統過濾壓力隨著進氣溫度的增加而升高，且溫度升高越快過濾壓力增加越多。對于高溫運行下壁流式蜂窩陶瓷，過濾阻力不僅來自于壁面阻礙作用，還有氣體隨溫度變化導致過濾壓力變大。

（4）通過對涂膜和未涂膜壁流式蜂窩陶瓷高溫連續運行測試數據結果對比分析，頂膜技術可以使壁流式蜂窩陶瓷用于高溫煙氣除塵更容易清洗再生，能夠過濾更細粉塵，過濾效率達99.9 %且隨著運行時間增長，壓力損失不會增加且能夠保持周期性變化，大大增加了其使用壽命，持久耐用。在考慮大流量工況時，可以考慮增加過濾元件個數。