隨著工業(yè)進程的不斷加快，工業(yè)生產排放的高溫煙氣粉塵也對環(huán)境造成了影響。為了減少有害粉塵的排放，就需要采用“高溫氣體除塵技術”。

高溫氣體除塵技術是指在高溫條件下（>260 ℃）進行氣體凈化的煙氣氣固分離技術。凈化后的氣體可以直接進行換熱，有效利用氣體中的物理顯熱和化學潛熱，最大效率地利用能源。因此，它已成為電力和能源等高溫工業(yè)和過濾行業(yè)的的重要研究課題。

目前，高溫氣體過濾的關鍵技術之一為高溫過濾用多孔陶瓷材料，它也是目前在高溫煙氣過濾方面實際使用最多的濾材——這是由于陶瓷材料在高溫條件下，耐腐蝕、抗磨損、化學性質穩(wěn)定，且過濾精度高。這些優(yōu)勢使它能夠承受苛刻的工業(yè)條件，逐漸成為重要的高溫氣體過濾材料之一。

多孔陶瓷材料

一、為什么選擇碳化硅？

高溫煙氣除塵用陶瓷膜過濾材料主要由兩個部分構成，即陶瓷膜和支撐體，它們起到的作用分別如下：

（1）陶瓷膜：陶瓷膜很薄，附著在支撐體外表面上，僅100~200μm厚，對高溫含塵煙氣的過濾精度起著決定性作用。除需具有較高的孔隙率和機械強度，同時還需與支撐體有良好的結合強度、相匹配的熱膨脹系數(shù)，以防止在使用時陶瓷膜出現(xiàn)開裂，甚至剝落。

（2）支撐體：支撐體可為陶瓷膜提供可靠的機械強度，能夠承受多次較高壓力反吹“清洗”而不破碎，同時還需要耐受高溫煙氣中酸、堿環(huán)境的腐蝕。另外，支撐體作為陶瓷過濾材料中的重要部分，需要有較大的孔徑和較高的孔隙率，同時具有較窄的孔徑分布以降低過濾壓降。

目前，已報道開發(fā)的陶瓷過濾材料可分為：氧化物多孔陶瓷及非氧化物陶瓷。但是氧化物多孔陶瓷材料（氧化鋁、堇青石、莫來石等）應對苛刻的工業(yè)環(huán)境時或多或少都存在一些不足，如氧化鋁陶瓷熱膨脹系數(shù)較高導致抗熱沖擊性較差、堇青石陶瓷機械性能較差，耐腐蝕性也較差等。

碳化硅粉

而綜合考慮熱導率、熱膨脹性、高溫強度與抗蠕變性等物理性能，與Si₃N₄、Al₂O₃等其他陶瓷材料相比，SiC具有較好的高溫應用優(yōu)勢。因此，碳化硅多孔陶瓷被認為是高溫過濾應用中最具有潛力的材料。

二、工作機制及性能要求

下圖是碳化硅陶瓷膜過濾管的宏觀形貌圖。它有兩個重要的組成部分，即由大尺寸碳化硅顆粒制備的涂覆膜載體和由小尺寸陶瓷顆粒制備的一層或多層陶瓷膜，它是具有非對稱過濾結構的多孔陶瓷。該結構的優(yōu)點在于確保了足夠的過濾效率和過濾精度，并且因為大的孔徑較低過濾壓降，同時也降低了能量的能耗。

多孔碳化硅陶瓷過濾管

在高溫陶瓷膜過濾器的工作過程中（過濾器結構如下圖所示），高溫含塵煙氣會從入口進入過濾器并在外加壓力下從多孔陶瓷膜過濾管的外壁流向內壁，這個過程中煙氣里的塵粒被擋在陶瓷管膜外壁，而從內壁流出的即為凈凈的熱氣體。隨著過濾次數(shù)和時間的增加，陶瓷膜外壁上的灰餅厚度會持續(xù)增加，過濾器內壁和外壁兩側的過濾壓降隨之增大，當達到設定數(shù)值時，系統(tǒng)將由反吹裝置進行脈沖反吹清灰，通過注入高壓氣體出去外壁上的灰餅。在周期性脈沖反吹過程中，由于注入的高壓氣體遠低于含塵煙氣的溫度，因此多孔陶瓷膜過濾管需要經(jīng)受周期性的熱沖擊、冷沖擊同時還有內外壁的過濾壓差。這反映了陶瓷膜過濾管的機械強度和抗熱震性能的重要性。

以陶瓷膜管為核心器件的高溫除塵過濾器示意圖

（結構組成為：1、殼體；2、保溫隔熱層；3、清灰器；4、換熱管；5、陶瓷膜過濾管；6、換熱介質出口；7、測溫熱電偶；8、出煙口；9、花板；10、蓋板；11、反吹氣體管道；12、反吹控制閥；13、反吹噴嘴；14、密封墊；15、換熱介質入口；16、進煙口；17、卸灰閥）

另外，由于高溫煙氣性質復雜，其中固體顆粒物可能含有多種元素（如鈉、鉀、鈣、鐵、鋁、硅等）的氧化物和硫化物等，需要多孔陶瓷膜過濾管在高溫環(huán)境下具有良好的抵御化學侵蝕的能力。

三、過濾用碳化硅多孔陶瓷的制備要點

影響陶瓷膜強度的高低有眾多影響因素，若把范圍局限在多孔陶瓷的微觀結構中，則“孔隙率”是最重要的，其次還有孔隙率、孔徑形狀、大小、分布等。

大量研究表明，強度和孔隙率屬于競爭關系，但多孔陶瓷的強度隨氣孔率增加而下降的速度在不同的多孔陶瓷結構中是不一樣的，例如，由顆粒狀陶瓷粉料燒結而成的多孔陶瓷強度隨著孔隙率的增加，呈現(xiàn)指數(shù)方式的衰減過程；而采用生物模板法制備的多孔陶瓷的強度隨孔徑方向具有很強的取向性，這不同于顆粒堆積制備的多孔陶瓷，如何協(xié)調強度和孔隙率是制備工藝的關鍵所在。

目前，多孔SiC陶瓷主要通過復制、發(fā)泡和添加造孔劑的方法制備，不同的加工方法開發(fā)應用于不同的工業(yè)領域和使用環(huán)境，以滿足孔隙率、孔徑大小和連通度的要求。然而由于多孔SiC陶瓷的燒結溫度至少在1600℃以上，因此要推廣普及多孔SiC陶瓷的使用，關鍵是如何降低其制備溫度從而降低成本，目前業(yè)內多通過原位反應鍵合技術來實現(xiàn)低溫制備的目的。

資料來源：

[1]劉家棟. 高溫過濾用碳化硅陶瓷膜的制備與性能研究[D].中國地質大學(北京),2020.DOI:10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.001547.

[2]司凱凱. 高溫過濾用碳化硅多孔陶瓷熱致?lián)p毀機理研究[D].中國科學院大學(中國科學院過程工程研究所),2021.DOI:10.27550/d.cnki.ghgys.2020.000060.

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