2024年6月13-15日 广州保利世贸博览馆2号馆

        首页新闻动态技术科普
        碳化硅多孔陶瓷:高温气体除尘的利器
        日期:2023-12-14    浏览次数:
        0

        随着工业进程的不断加快,工业生产排放的高温烟气粉尘也对环境造成了影响。为了减少有害粉尘的排放,就需要采用“高温气体除尘技术”。

        碳化硅多孔陶瓷:高温气体除尘的利器

        高温气体除尘技术是指在高温条件下(>260 ℃)进行气体净化的烟气气固分离技术。净化后的气体可以直接进行换热,有效利用气体中的物理显热和化学潜热,最大效率地利用能源。因此,它已成为电力和能源等高温工业和过滤行业的的重要研究课题。

        目前,高温气体过滤的关键技术之一为高温过滤用多孔陶瓷材料,它也是目前在高温烟气过滤方面实际使用最多的滤材——这是由于陶瓷材料在高温条件下,耐腐蚀、抗磨损、化学性质稳定,且过滤精度高。这些优势使它能够承受苛刻的工业条件,逐渐成为重要的高温气体过滤材料之一。

        碳化硅多孔陶瓷:高温气体除尘的利器

        多孔陶瓷材料

        一、为什么选择碳化硅?

        高温烟气除尘用陶瓷膜过滤材料主要由两个部分构成,即陶瓷膜和支撑体,它们起到的作用分别如下:

        (1)陶瓷膜:陶瓷膜很薄,附着在支撑体外表面上,仅100~200μm厚,对高温含尘烟气的过滤精度起着决定性作用。除需具有较高的孔隙率和机械强度,同时还需与支撑体有良好的结合强度、相匹配的热膨胀系数,以防止在使用时陶瓷膜出现开裂,甚至剥落。

        (2)支撑体:支撑体可为陶瓷膜提供可靠的机械强度,能够承受多次较高压力反吹“清洗”而不破碎,同时还需要耐受高温烟气中酸、碱环境的腐蚀。另外,支撑体作为陶瓷过滤材料中的重要部分,需要有较大的孔径和较高的孔隙率,同时具有较窄的孔径分布以降低过滤压降。

        目前,已报道开发的陶瓷过滤材料可分为: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(、堇青石、莫来石等)应对苛刻的工业环境时或多或少都存在一些不足,如氧化铝陶瓷热膨胀系数较高导致抗热冲击性较差、堇青石陶瓷机械性能较差,耐腐蚀性也较差等。

        碳化硅多孔陶瓷:高温气体除尘的利器

        碳化硅粉

        而综合考虑热导率、热膨胀性、高温强度与抗蠕变性等物理性能,与Si3N4、Al2O3等其他陶瓷材料相比,SiC具有较好的高温应用优势。因此,碳化硅多孔陶瓷被认为是高温过滤应用中最具有潜力的材料。

        二、工作机制及性能要求

        下图是碳化硅陶瓷膜过滤管的宏观形貌图。它有两个重要的组成部分,即由大尺寸碳化硅颗粒制备的涂覆膜载体和由小尺寸陶瓷颗粒制备的一层或多层陶瓷膜,它是具有非对称过滤结构的多孔陶瓷。该结构的优点在于确保了足够的过滤效率和过滤精度,并且因为大的孔径较低过滤压降,同时也降低了能量的能耗。

        碳化硅多孔陶瓷:高温气体除尘的利器

        多孔碳化硅陶瓷过滤管

        在高温陶瓷膜过滤器的工作过程中(过滤器结构如下图所示),高温含尘烟气会从入口进入过滤器并在外加压力下从多孔陶瓷膜过滤管的外壁流向内壁,这个过程中烟气里的尘粒被挡在陶瓷管膜外壁,而从内壁流出的即为净净的热气体。随着过滤次数和时间的增加,陶瓷膜外壁上的灰饼厚度会持续增加,过滤器内壁和外壁两侧的过滤压降随之增大,当达到设定数值时,系统将由反吹装置进行脉冲反吹清灰,通过注入高压气体出去外壁上的灰饼。在周期性脉冲反吹过程中,由于注入的高压气体远低于含尘烟气的温度,因此多孔陶瓷膜过滤管需要经受周期性的热冲击、冷冲击同时还有内外壁的过滤压差。这反映了陶瓷膜过滤管的机械强度和抗热震性能的重要性。

        碳化硅多孔陶瓷:高温气体除尘的利器

        以陶瓷膜管为核心器件的高温除尘过滤器示意图

        (结构组成为:1、壳体;2、保温隔热层;3、清灰器;4、换热管;5、陶瓷膜过滤管;6、换热介质出口;7、测温热电偶;8、出烟口;9、花板;10、盖板;11、反吹气体管道;12、反吹控制阀;13、反吹喷嘴;14、密封垫;15、换热介质入口;16、进烟口;17、卸灰阀)

        另外,由于高温烟气性质复杂,其中固体颗粒物可能含有多种元素(如钠、钾、钙、铁、铝、硅等)的氧化物和硫化物等,需要多孔陶瓷膜过滤管在高温环境下具有良好的抵御化学侵蚀的能力。

        三、过滤用碳化硅多孔陶瓷的制备要点

        影响陶瓷膜强度的高低有众多影响因素,若把范围局限在多孔陶瓷的微观结构中,则孔隙率是最重要的,其次还有孔隙率、孔径形状、大小、分布等。

        大量研究表明,强度和孔隙率属于竞争关系,但多孔陶瓷的强度随气孔率增加而下降的速度在不同的多孔陶瓷结构中是不一样的,例如,由颗粒状陶瓷粉料烧结而成的多孔陶瓷强度随着孔隙率的增加,呈现指数方式的衰减过程;而采用生物模板法制备的多孔陶瓷的强度随孔径方向具有很强的取向性,这不同于颗粒堆积制备的多孔陶瓷,如何协调强度和孔隙率是制备工艺的关键所在。

        目前,多孔SiC陶瓷主要通过复制、发泡和添加造孔剂的方法制备,不同的加工方法开发应用于不同的工业领域和使用环境,以满足孔隙率、孔径大小和连通度的要求。然而由于多孔SiC陶瓷的烧结温度至少在1600℃以上,因此要推广普及多孔SiC陶瓷的使用,关键是如何降低其制备温度从而降低成本,目前业内多通过原位反应键合技术来实现低温制备的目的。