高温陶瓷膜除尘器在粉煤灰循环应用工艺上的研究

钱均新

(江苏省宜兴非金属化工机械厂有限公司，江苏 宜兴 214221)

高温陶瓷膜除尘器在粉煤灰循环应用工艺上的研究

钱均新

(江苏省宜兴非金属化工机械厂有限公司，江苏 宜兴 214221)

高温陶瓷除尘器的核心元件是陶瓷过滤管，陶瓷除尘器的除尘机理与滤袋式除尘器的工作原理相类似，是一种新型、高效、节能的气固分离设备，不同之处在于过滤介质为陶瓷过滤管，陶瓷过滤管是由陶瓷纤维、陶瓷耐火骨料及高温陶瓷结合剂经高温烧结而成的一种多孔梯度陶瓷纤维复合膜过滤元件，它具有良好的微孔性能、机械性能、热性能，适用于各种高压、高温含尘(烟尘)气体中耐各种介质腐蚀性能和高温氧化性能，其应用领域非常广泛，针对目前国家对烟尘排放日趋重视的前提，具有很好的推广价值。

高温陶瓷膜除尘器；袋式除尘器；陶瓷过滤管；粉煤灰

0 引言

中国每年消耗电煤17亿t，产生粉煤灰4亿t，这种由无数微小球体组成的固体废弃物，含有多种有害成分，堆存成本高昂，粉尘污染严重，针对如此庞大的固体废弃物粉煤灰如何处理？是否能够进行循环利用变废为宝？在成本允许的范围内由电厂粉煤灰进行循环应用研究已成为必然，在国家相关部委的大力支持下，大唐、华电、神华、中煤等国内大型能源企业纷纷投向这一领域。在粉煤灰循环应用工艺中高温烟气净化是必不可少且非常重要的流程，直接关系到粉煤灰中有用成分的回收率高低和此工艺对环境的污染程度，目前采用的二级旋风工艺已远远满足不了工艺要求，急需开发新的高温烟气净化技术。高温陶瓷过滤技术是国际上近年来主要发展的高温含尘气体净化技术，我国在高温气体过滤除尘方面与先进国家相比还有很大差距，尤其是在高温过滤元件产品和制作技术方面，总体看来，国内在高温陶瓷过滤技术研究方面缺乏系统性、针对性，大多偏重于微孔陶瓷支撑体的制备和流体的流动特性、热力特性方面的理论研究，而没有深入的研究微孔陶瓷支撑膜上的涂膜技术，对高温气体净化用大尺寸陶瓷纤维复合膜过滤材料与制备技术的研究几乎是一片空白，因而开发新一代低成本、耐高温、高强度、低压差的陶瓷纤维复合膜过滤元件以及相配套的过滤系统和装置势在必行。根据粉煤灰循环应用的工艺特性，从单管和多管的冷态试验数据作一较为系统的分析，得到了很多技术数据，为类似工艺提供一些工业化指导。

1 陶瓷膜过滤管过滤性能研究的技术路线

针对粉煤灰颗粒本身具有粒径小、重量轻、易团聚及工艺中水分大等特点，为了对陶瓷过滤管的循环再生性能、出口浓度、过滤效率及过滤管的耐腐蚀性和冷热冲击性能进行详细的试验研究，制定了研究技术路线，见图1。

2 陶瓷膜过滤管对粉煤灰过滤的性能试验

2.1 单根过滤管过滤性能试验及测定

2.1.1实验装置与流程

单根过滤管过滤性能测试采用的流程如图2所示，该装置依据国际上通用的过滤介质检验标准EN779和VDI3926建立，采用光学粒子计数法来精确评价陶瓷膜过滤管的各种过滤性能。陶瓷滤管置于装置内，通过毕托管调节气量，无粉尘加入时，测定过滤管的初始压降特性，在气体入口处通过加料器匀速定量加入粉尘，测定过滤管长周期操作下的过滤与反吹循环性能，采用光学粒子计数器测得滤管进出口的浓度和粒径分布，计算分离效率。使用强度测试平台测定过滤管的抗折强度，采用扫描电镜获得过滤管的微观结构，评价过滤管支撑体与过滤膜的特性。

图1 陶瓷膜过滤管过滤性能研究的技术路线

图2 单根过滤管试验装置与流程

2.1.2实验结果与讨论

(1)过滤管的初始压降特性

随机抽样3根陶瓷过滤管，测定滤管的初始压降特性。

从表1可以看出，纯气流工况下，3根滤管的初始压降性能比较接近，平均误差<5%。

(2)过滤管循环再生性能

随意选取1根陶瓷过滤管，在过滤装置入口以恒定浓度加料，测定长周期运行下过滤管的循环再生性能。

图5 单根过滤管不同循环次数下的累积体积效率

表2 过滤管性能检测实验条件

从图3可以看出滤管的压降上升速率缓慢，反吹后的残余压降稳定，约为1.2 kPa，再生性能良好， 20 min过滤周期内，滤管压降平均上升约0.45 kPa。

图3 过滤管循环再生性能

(3)过滤管出口浓度与过滤效率

图4 过滤管出口浓度变化

随着过滤循环次数的增加，过滤管的过滤精度和效率增加，出口浓度逐渐减小，10多次循环后出口浓度已小于0.5 mg/m3，满足工业应用要求。

从图5中可以看出，随着过滤循环次数的增加，累积体积效率逐渐增大，8次循环之后，过滤管对大于2 μm的粉尘颗粒过滤效率接近100%。

2.2 多根过滤管过滤性能试验及测定

2.2.1实验装置与流程

选用某大型煤炭企业集团提供的粉煤灰粉作为实验粉料，评价多根过滤管的过滤性能。测定过滤管的初始压降，使用Welas2000粒子分析仪测得滤管进出口的浓度和粒径分布，在气体入口通过加料器以恒定浓度加入粉尘，通过长周期循环考核过滤管的再生性能。过滤管性能达到稳定状态时，在过滤器的进口管路中通入水蒸气，模拟现场工艺气中水蒸气含量较高的工况。数据采集系统实现对气流流量、过滤管压降及温湿度等参数的采集和记录。

图6 多根过滤管试验装置与流程

2.2.2实验结果与讨论

(1)过滤管的初始压降特性

如图7所示，将15根过滤管分成5组过滤单元，每组共用一个反吹系统，采用与工业相同的分组反吹方式进行清灰。

图7 过滤管布置图

首先测定每组过滤管的初始压降，评价5组过滤管之间的压降差异。

从图8中可以看出，5组过滤单元的初始压降十分接近，说明15根过滤管的压降差别较小，产品质量稳定且能满足工业化的生产。

(2)过滤管循环再生性能

实验用粉煤灰粉SEM图片与粒径分布测定如下所示，使用COULTER分析仪测得的结果与SEM结果接近，实验用粉料的中位粒径约为20 μm。

图8 各组过滤单元初始压降对比

表3 过滤管性能检测实验条件

图9 粒径分布图

采用分组循环反吹清灰方式，经过5次循环(即第1组至第5组滤管都清灰完毕)，各组滤管的表面的粉尘负荷基本相同。在此基础上，继续长周期循环操作，考察各组过滤管的再生性能。

图10 过滤管长周期循环曲线

滤管压降的上升速率约为8 Pa/min，经过约30次循环后，滤管的残余压降基本保持不变，滤管的性能达到稳定状态。

(3)过滤管出口浓度与粒径分布

图11 过滤管出口粉尘浓度变化

随着过滤循环次数的增加，过滤管出口的粉尘浓度逐渐减小，在25次循环后出口浓度基本上低于0.5 mg/m3，满足工业应用要求。

图12 过滤管出口粉尘粒径分布

粒径分布图的纵坐标为dv/v，横坐标为粒径(μm)。过滤管过滤精度高，出口的粒径大部分小于1 μm。

(4)加湿工况下过滤管的循环性能

采用加湿器控制操作湿度，由湿度传感器测量并记录湿度的变化值。

加湿器产生的水蒸汽在加料口处与粉料一起进入到过滤器内部，加湿实验的操作相对湿度约为58%。由于粉煤灰粉具有很强的吸湿性，加湿的过程容易团聚成块，从图13可以看出过滤循环性能受湿气的影响波动较大，在高湿度工况下过滤管的循环再生性能较差，在工业化生产中必须重视烟气露点的控制。

图13 实验操作相对湿度变化

2.3 过滤管耐腐蚀与冷热冲击性能

为了更好的验证其耐腐蚀和冷热冲击性能，采用陶瓷过滤管与粉煤灰在电炉中一起加温煅烧及同时空冷的方法，对过滤管造成冷热冲击，反复加热和冷却一定周期后，将过滤管从电炉中取出，观察其外观状态，为了测定过滤管的表面膜是否存在冲击损伤或腐蚀，小心刮取表面膜残留物质，与粉尘样品做XRD对比分析，分析表明过滤膜表面刮取下来的物质和粉尘样品的XRD分析接近，说明过滤膜没有出现腐蚀和破损，能够在工业应用上进行长周期运行。

3 结论

(1)针对粉煤灰循环工艺开发的高温陶瓷膜过滤器克服了旋风分离、袋式除尘器、电除尘等设备所存在的弱点,在国内外均属领先水平，其设备性能、处理效果等方面均优于国内外同类过滤装置,具有较高的推广价值。

(2)不断完善陶瓷膜过滤元件的各种性能，开发出一套适应于该行业可批量生产的低成本、高性能的高温陶瓷过滤元件，并建立相关评价技术规范和装置。因此，高温烟气过滤关键技术的突破，不仅可大力促进我国过滤材料行业的技术升级换代，大幅度提高行业的整体技术水平，而且对我国高温过滤技术产业化发展具有十分重要的指导意义和作用。

(3)陶瓷膜过滤中试装置在粉煤灰循环工艺上的成功应用，解决了高温状态下烟气直接除尘的技术难题，解决了微细粉尘直排引起的二次环境污染,实现了环保治理与可持续发展的同步进行。下步应在中试研究基础上，通过相似放大理论总结大型装置的设计方法，编写优化设计软件，为今后过滤装置的设计和工业化应用提供必要技术支持。打破该领域国外公司的垄断局面，同时做到制备工艺简单、成本低、利于国内推广。多孔陶瓷烟气净化、收尘设备的高效和长寿命使得它们在这一市场中将占有相当份额，而且随着环保和资源利用要求水准日益提高，这一份额会持续增大，预计在产业化后的未来五年内，国内在高温烟气净化除尘设备的年产值将达数十亿元是有可能的。

[1] 张殿印，王纯.脉冲袋式除尘器手册[M].北京：化学工业出版社,2011:21-50，218-222，498-511.

[2] 张殿印，王纯，俞非漉.袋式除尘技术[M].北京：冶金工业出版社,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

钱均新(1969-)，男，江苏宜兴人，高级工程师，大学本科，主要从事除尘器、过滤机、过滤器、化工陶瓷的设计，现任江苏省宜兴非金属化工机械厂有限公司研究所所长。

TQ174.6

B

1003-8884(2014)02-0013-06