隨著工業(yè)進(jìn)程的不斷加快，工業(yè)生產(chǎn)排放的高溫?zé)煔夥蹓m也對(duì)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(shù)”。

高溫氣體除塵技術(shù)是指在高溫條件下（>260 ℃）進(jìn)行氣體凈化的煙氣氣固分離技術(shù)。凈化后的氣體可以直接進(jìn)行換熱，有效利用氣體中的物理顯熱和化學(xué)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(guò)濾行業(yè)的的重要研究課題。

目前，高溫氣體過(guò)濾的關(guān)鍵技術(shù)之一為高溫過(guò)濾用多孔陶瓷材料，它也是目前在高溫?zé)煔膺^(guò)濾方面實(shí)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且過(guò)濾精度高。這些優(yōu)勢(shì)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(guò)濾材料之一。

多孔陶瓷材料

一、為什么選擇碳化硅？

高溫?zé)煔獬龎m用陶瓷膜過(guò)濾材料主要由兩個(gè)部分構(gòu)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(duì)高溫含塵煙氣的過(guò)濾精度起著決定性作用。除需具有較高的孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)還需與支撐體有良好的結(jié)合強(qiáng)度、相匹配的熱膨脹系數(shù)，以防止在使用時(shí)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(jī)械強(qiáng)度，能夠承受多次較高壓力反吹“清洗”而不破碎，同時(shí)還需要耐受高溫?zé)煔庵兴帷A環(huán)境的腐蝕。另外，支撐體作為陶瓷過(guò)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(shí)具有較窄的孔徑分布以降低過(guò)濾壓降。

目前，已報(bào)道開發(fā)的陶瓷過(guò)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(lái)石等）應(yīng)對(duì)苛刻的工業(yè)環(huán)境時(shí)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(dǎo)致抗熱沖擊性較差、堇青石陶瓷機(jī)械性能較差，耐腐蝕性也較差等。

碳化硅粉

而綜合考慮熱導(dǎo)率、熱膨脹性、高溫強(qiáng)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(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，碳化硅多孔陶瓷被認(rèn)為是高溫過(guò)濾應(yīng)用中最具有潛力的材料。

二、工作機(jī)制及性能要求

下圖是碳化硅陶瓷膜過(guò)濾管的宏觀形貌圖。它有兩個(gè)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(duì)稱過(guò)濾結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于確保了足夠的過(guò)濾效率和過(guò)濾精度，并且因?yàn)榇蟮目讖捷^低過(guò)濾壓降，同時(shí)也降低了能量的能耗。

多孔碳化硅陶瓷過(guò)濾管

在高溫陶瓷膜過(guò)濾器的工作過(guò)程中（過(guò)濾器結(jié)構(gòu)如下圖所示），高溫含塵煙氣會(huì)從入口進(jìn)入過(guò)濾器并在外加壓力下從多孔陶瓷膜過(guò)濾管的外壁流向內(nèi)壁，這個(gè)過(guò)程中煙氣里的塵粒被擋在陶瓷管膜外壁，而從內(nèi)壁流出的即為凈凈的熱氣體。隨著過(guò)濾次數(shù)和時(shí)間的增加，陶瓷膜外壁上的灰餅厚度會(huì)持續(xù)增加，過(guò)濾器內(nèi)壁和外壁兩側(cè)的過(guò)濾壓降隨之增大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)將由反吹裝置進(jìn)行脈沖反吹清灰，通過(guò)注入高壓氣體出去外壁上的灰餅。在周期性脈沖反吹過(guò)程中，由于注入的高壓氣體遠(yuǎn)低于含塵煙氣的溫度，因此多孔陶瓷膜過(guò)濾管需要經(jīng)受周期性的熱沖擊、冷沖擊同時(shí)還有內(nèi)外壁的過(guò)濾壓差。這反映了陶瓷膜過(guò)濾管的機(jī)械強(qiáng)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(guò)濾器示意圖

（結(jié)構(gòu)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(guò)濾管；6、換熱介質(zhì)出口；7、測(cè)溫?zé)犭娕迹?、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(zhì)入口；16、進(jìn)煙口；17、卸灰閥）

另外，由于高溫?zé)煔庑再|(zhì)復(fù)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(guò)濾管在高溫環(huán)境下具有良好的抵御化學(xué)侵蝕的能力。

三、過(guò)濾用碳化硅多孔陶瓷的制備要點(diǎn)

影響陶瓷膜強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度和孔隙率屬于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但多孔陶瓷的強(qiáng)度隨氣孔率增加而下降的速度在不同的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)中是不一樣的，例如，由顆粒狀陶瓷粉料燒結(jié)而成的多孔陶瓷強(qiáng)度隨著孔隙率的增加，呈現(xiàn)指數(shù)方式的衰減過(guò)程；而采用生物模板法制備的多孔陶瓷的強(qiáng)度隨孔徑方向具有很強(qiáng)的取向性，這不同于顆粒堆積制備的多孔陶瓷，如何協(xié)調(diào)強(qiáng)度和孔隙率是制備工藝的關(guān)鍵所在。

目前，多孔SiC陶瓷主要通過(guò)復(fù)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(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)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(jié)溫度至少在1600℃以上，因此要推廣普及多孔SiC陶瓷的使用，關(guān)鍵是如何降低其制備溫度從而降低成本，目前業(yè)內(nèi)多通過(guò)原位反應(yīng)鍵合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫制備的目的。

資料來(lái)源：

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

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

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