壁流式蜂窝陶瓷在高温除尘技术中的应用

徐鹏 吴汉阳

摘 要：高温烟气除尘再利用是一项有效利用气体热能的技术，同时也是一项先进的环保技术。耐高温过滤材料的开发是高温烟气除尘技术的关键。本文从高温除尘技术角度出发，重点介绍了壁流式蜂窝陶瓷及其在高温烟气除尘技术领域中的应用，概述了壁流式蜂窝陶瓷的一些应用性能指标及其测试方法，对指导壁流式蜂窝陶瓷的生产及其在高温过滤除尘方面的应用具有一定的现实意义。

关键词：高温除尘;陶瓷过滤材料;壁流式蜂窝陶瓷

1 前言

冶金、建材、电力及煤化工等行业每年产生大量的高温烟气，这些烟气含尘量高，尘粒易附着，烟气中高温段含有大量的高品位余热，由于工艺、能量回收抑或满足环保排放标准的需要，必须对这些高温含尘烟气进行处理。近年来，国家在环境污染治理方面加大力度，“超低排放”、“近零排放”对除尘器及除尘技术提出了更高的要求，一些传统的除尘器及除尘技术难以实现对超细粉尘尤其是高温条件下超细粉尘的捕集。多孔陶瓷材料含有大量的微细孔隙结构，比表面积大，耐高温、耐腐蚀、机械强度高且结构稳定不易变形，基于多孔陶瓷材料的高温无机陶瓷滤材用于高温含尘气体的净化具有耐高温、过滤精度高的特点，不仅可以实现粉尘的超低排放，还可以负载特定的催化剂，在除尘的同时，实现脱硫、脱硝烟气净化。

2 高温除尘技术

高温气体除尘是指在高温条件下直接进行气固分离，最大程度地利用气体显热、潜热和动力能。通常所指的高温除尘，是指260℃以上气体的直接气固分离。由于运行温度高，高温除尘对其使用滤料的机械性能、热和化学稳定性提出了很高的要求，并且高温除尘设备所采用的容器和滤料材料必须能够经受住高温、高压的反复冲击。在一些特殊工况中，如核废料处理和石油裂解等，其尾气温度高达1000℃以上，在这种情况下，只能采用无机耐温滤料[1]。

目前常用的除尘技术主要有机械式除尘技术、电除尘技术、湿式除尘技术以及过滤式除尘技术。高温旋风除尘器是一种典型的机械式除尘器，具有结构简单、操作方便、造价较低的特点，根据不同的工艺要求可用于不同温度及高磨蚀场合。旋风除尘器的工作原理决定了其除尘效率与粉尘颗粒大小密切相关，对于50 μm的粉尘，除尘效率可以达到96%以上;但对5 μm粉尘，除尘效率只有73%左右;而对1 μm粉尘，除尘效率仅为27%左右[2]。而高温条件下，湿度大幅下降，且粘滞力与常温时相比有较大变化，细颗粒凝聚现象大为降低，烟气中存在大量的超细粉尘，因而使用旋风除尘器处理高温烟气中的粉尘无法达到环保要求，只能作为预除尘器设备，在二次除尘前先去除烟气中的部分大颗粒粉尘。静电除尘器利用高电压产生电晕使尘粒荷电，然后施加收尘电压捕集带电的尘粒。静电除尘器效率高，压损低（一般小于200 Pa），但一次性投资高，占地面积大，高温条件下难以维持稳定的电晕，阴极寿命短、对粉尘的比电阻和气体成分等性质敏感，还存在电极腐蚀和高电压击穿等问题，因而也不适用于高温条件下的烟气除尘。湿式除尘器形式很多，总体上包括以喷雾塔和旋风洗涤器为代表的低能湿式除尘器（压损0.2 ～ 1.5 KPa）以及文丘里洗涤器为代表的高能湿式除尘器（压损2.5 ～ 9 KPa）。湿式除尘器能耗高，产生二次污染，用于高温除尘，流程长、设备多、操作复杂，更重要的是浪费了烟气中的高品位热能。过滤式除尘技术利用高温过滤材料实现气固分离，其基本原理是尘粒通过过滤材料时受到惯性碰撞、截留、扩散、静电、筛滤等作用从气流中被分离出来。过滤式除尘技术不仅可以最大程度地利用物理显热，提高能源利用率，同时可以简化工艺过程，节省工艺设备投资。高温气体过滤除尘技术的关键在于高温滤材的开发，传统的过滤式除尘器多以纤维滤袋为过滤材料，纤维滤袋除尘效率高、速度快、清灰方式简单，但滤袋使用寿命短，更换频繁。此外，纤维滤袋最高只能在200 ～ 300℃的环境下长期使用，无法满足更高温度工况下的除尘要求。目前，高温滤材研究较多的有耐高温金属滤材及高温陶瓷滤材。耐高溫金属滤材具有良好的耐温性能和机械性能，本身具有极好的韧性和导热能力，但金属滤材的强度会随着温度的增加逐渐减弱，存在最高使用温度限制。高温陶瓷滤材具有良好的化学稳定性和抗酸碱腐蚀性，同时能承受高达1000℃以上的高温。此外，高温陶瓷滤材具有非常大的内部比表面积，对5  μm以下的超细粉尘仍然具有99%以上的过滤效率。尤其是近年来，随着高温除尘技术的迅猛发展，陶瓷滤材推陈出新，与之相应的配套设备也不断被改进，无机陶瓷滤材在高温除尘技术领域的应用受到了越来越广泛的关注。

3 壁流式蜂窝陶瓷及其在高温除尘技术中的应用

随着技术的不断进步，高温陶瓷滤材具有越来越多样化的结构和组成，可以满足不同工业生产条件下的除尘要求。目前，在高温作用下用于除尘净化的陶瓷滤材根据其在使用时的形状和安装排列方式的不同，可以分为挂烛式、列管式以及块状蜂窝式。挂烛式高温陶瓷滤材设计成中空烛管状，一端开口一端封闭，含尘气流从管外到管内，粉尘在外表面沉降形成粉尘层，借助脉冲清灰方式使附着于烛管外壁的粉尘脱落并掉入置于下方的灰斗中。列管式陶瓷滤材设计成两端开口，含尘气流由上端开口进入，粉尘一部分直接掉入灰斗，一部分受碰撞、扩散或静电作用被粘附、拦截在管内表面。清灰时采用逆气流脉动喷吹，气流由管外进入管内，这种清灰方式耗气量大，但有利于提高陶瓷滤材的使用寿命。 块状蜂窝式陶瓷滤材多采用壁流式蜂窝结构，如图1所示，该结构具有规则的平行通道，所有通道的进/出口被交错密封，形成独立的进气通道和排气通道，从滤材进气通道进入的含尘气体必须经过内部多孔薄壁到相邻的排气通道流出，粉尘被多孔薄壁拦截在入口一侧。采用脉冲反吹方式进行清灰。

以多孔陶瓷为过滤体的高温除尘技术是目前净化处理高温含尘废气最为先进的技术。目前，使用较多的高温陶瓷过滤体多以管状陶瓷体为主，为了获得较高的粉尘捕集效率，陶瓷管往往采用阵列排布且管体设计得很长，一方面设备占地面积大，不易安装及维修，另一方面过大的长径比使得陶瓷管在安装、运行及清灰过程中非常容易破损。而壁流式陶瓷滤材被设计成蜂窝块状结构，与其它陶瓷滤材相比，壁流式蜂窝陶瓷滤材具有非常大的比表面积，过滤除尘效率显著提高，同时有效的解决了除尘设备在安装及使用过程中滤材容易破损的问题。

美国CeraMem公司生产的圆柱型蜂窝陶瓷滤材，直径305 mm，长度为381 mm，通道为4 ×4 mm，每平方英寸布有25个平行通道，孔隙率30 ～ 50%，平均孔径为4 ～ 50 μm。在氧化条件下，耐温1000℃，且抗热冲击。为了提高脉冲反吹性能，通道表面覆盖一层膜，可以实现微滤，膜孔径0.2 ～ 0.5 μm，比支撑体孔径小100倍。在800℃下，25 h的运行结果表明，过滤器脉冲反吹性能好，没有出现粉尘阻塞通道的现象[3]。

李艳丽等[4]利用莫来石和碳化硅作基体材料，添加活性炭为造孔剂，制备了壁流式蜂窝陶瓷体，考察了不同成型工艺、干燥工艺以及烧成工艺对陶瓷体基本性能的影响，同时确定了陶瓷体达到最佳孔隙率时的造孔剂用量。莫来石基体具有优异的耐酸碱、抗氧化及耐高温性能，配合抗热震性好的碳化硅材料，一方面降低了生产成本，另一方面能更好的满足高温、高热震、强腐蚀的工业除尘环境。

CN 102924068 A公开了一种高温废气净化用壁流式蜂窝陶瓷过滤体及其制备方法[5]。选用堇青石、钛酸铝、苏州土及氧化铝为基础原料，核桃壳粉为造孔剂。堇青石和钛酸铝具有较低的热膨胀系数，在苏州土和氧化铝的包裹作用下，高温反应原位生成针状莫来石，获得的陶瓷过滤体具有很高的强度。通过控制堇青石和钛酸铝的颗粒级配，保证陶瓷过滤体具有较高的气孔率和合适的孔径分布。利用该发明提供的配方体系，控制烧成工艺（低于1250℃采用弱还原气氛，1250℃以上采用中性气氛），可以获得具有优良抗热冲击性能、较高气孔率、较高强度以及平均孔径在5 ～ 15 μm之间的壁流式蜂窝陶瓷过滤体，克服了现有技术采用单一原料或普通颗粒所制备的陶瓷过滤体抗热冲击性能差、强度低、孔隙率低等问题，能够很好地满足高温含尘废气净化处理的技术要求。

CN 203764018 U公开了一种组合壁流式蜂窝陶瓷气体除尘装置[6]。该装置由进气管道、壁流式蜂窝陶瓷过滤体组件、除尘装置壳体、整体固定框架、反冲洗系统、排气管道、收尘装置和自动控制系统以及必要的防爆装置组成。壁流式蜂窝陶瓷过滤体采用耐腐蚀涂层对蜂窝陶瓷微孔进行表面改性处理，提高了蜂窝陶瓷在腐蚀性环境下的工作寿命。该除尘装置净化效率高、耐高温、装置容积较小、压力损失不大、耐腐蚀、使用寿命长、易安装维护、设备投资及运行费用低。

CN 105999909 A公布了一种带余热回收的高温废气除尘过滤装置[7]。该装置包含两个除尘工作室，工作室中用壁流式蜂窝陶瓷滤材为过滤体，蜂窝过滤体兼具高温粉尘过滤和余热回收功能。燃烧炉燃烧产生的高温含尘废气经由除尘工作室，粉尘被蜂窝陶瓷过滤体捕集，处理后的净气导入后续的脱硝反应塔脱硝后经烟囱排出。该装置使用壁流式蜂窝陶瓷滤材为过滤体，应用于高温废气处理，一方面不易破损、变形和腐蚀，粉尘捕集时间短，反吹频率高，压力损失较小;另一方面蓄热和余热回收性能优异，与脱硝反应塔配合，除尘脱硝同步进行。

4 壁流式蜂窝陶瓷滤材的性能

4.1 孔径、孔隙率与比表面积

多孔薄壁是壁流式蜂窝陶瓷滤材的基本作用单元。根据过滤除尘机理，含尘气流中的粉尘经碰撞、拦截、扩散、筛分及重力沉降等作用被拦截在多孔薄壁一侧，气体则通过多孔薄壁进入相邻的净气通道排出。由此可见，孔径与孔隙率是壁流式蜂窝陶瓷滤材的首要性能指标。壁孔孔径过大，细颗粒粉尘随气流一起通过多孔薄壁进入净气通道排出，过滤效率大大降低;壁孔孔径过小，绝大部分粉尘颗粒被拦截，过滤捕集效率提高，但过滤容量减小，同时压力损失也急剧增大，设备运行能耗和滤材的破损率随之增加。比表面积是指单位质量或单位体积的表面积。比表面积与孔径、孔隙率及气孔形状等有关。孔隙率越大，孔径越小，气孔形状越复杂，其比表面积越大。多孔陶瓷的比表面主要由中孔与小孔提供。

白佳海等[8]对壁流式堇青石蜂窝陶瓷气孔的形成和气孔率的控制进行了研究和探讨，同时考察了烧成制度等工艺因素与壁流式堇青石蜂窝陶瓷性能之间的关系。结果表明：单一造孔剂无法获得理想的高孔隙率，使用有机和无机造孔剂复合造孔的方法可制得显气孔率60.1%，热膨胀系数2.12×10-6℃-1、抗热冲击温差高于750℃、轴向抗压强度高于15 MPa、流速损失系数为0.39的壁流式堇青石蜂窝陶瓷。

冯青等[9]选用液体排除法，通过自制一套专用测量装置，对不同工艺制备的壁流式蜂窝陶瓷孔结构参数进行了测定，在此基础上详细讨论了测量原理和计算方法，测定结果用于壁流式蜂窝陶瓷的制造工艺改进和过滤性能的预测有积极的指导意义。

赵斌娟等[10]分析了壁流式蜂窝陶瓷压力的损失机理，包括过滤壁上的透过压力损失、进口收缩压力损失、出口扩散压力损失以及进/出口流道内的摩擦阻力损失，建立了各类压力损失的相应公式及总压力损失公式，通过数值计算确定了压力损失公式中相关待定系数。由此得到的压力损失公式能够较准确的估算壁流式蜂窝陶瓷在不同流量下的压力损失值。

4.2 收尘效率、过滤容量、压力损失与堵塞

收尘效率是指蜂窩陶瓷滤材对流体中的固相颗粒的收集能力。这是过滤所需要的特性。过滤容量是指陶瓷滤材过滤层的单位面积、单位压差、单位时间的流体渗透量。它与滤材的孔隙率及毛细管的直径平方成正比。压力损失是指流体通过滤材前后的压差，多孔蜂窝陶瓷的压损一般很小，可以试验标定。

堵塞是指颗粒堆积在过滤层外部或内部而使过滤容量下降。

5 结语

高温烟气除尘技术可以最大程度地利用气体的物理显热、化学潜热和动力能以及最有效地利用气体中的有用资源，因而是一项具有广阔应用前景的新技术，在全世界范围内发展十分迅速。近年来，国内外在高温烟气除尘技术方面取得了很大的进展。一批批先进过滤材料的开发，陶瓷过滤材料抗热震性的改善，高温除尘工艺技术的提高，大大推动了高温烟气过滤除尘技术的工业化应用。尽管如此，目前高温除尘技术还处于发展阶段，还需要解决高温过滤材料的寿命、效率、循环再生等问题。陶瓷高温过滤除尘技术已成为高温烟气除尘领域的一个重要分支，在国际上得到广泛的研究、开发和应用。壁流式蜂窝陶瓷滤材应用于高温烟气除尘不仅能满足高温高压、强酸碱腐蚀工况的除尘要求，而且还是目前唯一有可能集过滤除尘、脱硫脱硝等功能为一体的一种多功能过滤材料，不仅可以高效清除高温、高压烟气中的尘粒，同时还可以有效去除气体中的有害物质，具有其它耐高温滤材无可比拟的优越性，是高温烟气过滤材料的最佳选择。

参考文献

[1] 刘侃，赵毅.高温除尘无机滤料国内外进展综述[J].环境工程，2017，35（6）：69-72.

[2] 杨高强，黄亚继，袁琦.高温烟气除尘技术及其进展[J].第九届长三角能源论坛论文集，184-186.

[3] 姬宏杰.陶瓷高温除尘及自清灰初步研究[D].武汉：华中科技大学，2003.

[4] 李艳丽.新型蜂窝陶瓷的制备与性能研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[5] 周健儿，李家科等.一种高温废气净化用壁流式蜂窝陶瓷过滤体及其制备方法.CN，102924068 A [P].2013-02-13.

[6] 周健儿，汪永清等.组合壁流式蜂窝陶瓷气体除尘装置.CN，203764018 U [P].2014-08-13.

[7] 武雄晖，潘吉庆，倪寿才.一种带余热回收的高温废气除尘过滤装置.CN，105999909 A [P].2016-10-12.

[8] 白佳海.堇青石蜂窝陶瓷的研究[D].南京：南京工业大学，2004.

[9] 冯青，周建儿，罗民华，梁华银，王德林，李智华.壁流式蜂窝陶瓷孔结构参数的测定[J].中国陶瓷，2008，44（3）：29-31.

[10] 赵斌娟，袁寿奇，加藤征三，西村.壁流式蜂窝陶瓷微粒过滤器压力损失公式的建立[J].农业机械学报，2004，35（6）：44-47.