錢均新

(江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司，江蘇 宜興 214221)

高溫陶瓷膜除塵器在粉煤灰循環(huán)應(yīng)用工藝上的研究

錢均新

(江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司，江蘇 宜興 214221)

高溫陶瓷除塵器的核心元件是陶瓷過(guò)濾管，陶瓷除塵器的除塵機(jī)理與濾袋式除塵器的工作原理相類似，是一種新型、高效、節(jié)能的氣固分離設(shè)備，不同之處在于過(guò)濾介質(zhì)為陶瓷過(guò)濾管，陶瓷過(guò)濾管是由陶瓷纖維、陶瓷耐火骨料及高溫陶瓷結(jié)合劑經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的一種多孔梯度陶瓷纖維復(fù)合膜過(guò)濾元件，它具有良好的微孔性能、機(jī)械性能、熱性能，適用于各種高壓、高溫含塵(煙塵)氣體中耐各種介質(zhì)腐蝕性能和高溫氧化性能，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，針對(duì)目前國(guó)家對(duì)煙塵排放日趨重視的前提，具有很好的推廣價(jià)值。

高溫陶瓷膜除塵器；袋式除塵器；陶瓷過(guò)濾管；粉煤灰

0 引言

中國(guó)每年消耗電煤17億t，產(chǎn)生粉煤灰4億t，這種由無(wú)數(shù)微小球體組成的固體廢棄物，含有多種有害成分，堆存成本高昂，粉塵污染嚴(yán)重，針對(duì)如此龐大的固體廢棄物粉煤灰如何處理？是否能夠進(jìn)行循環(huán)利用變廢為寶？在成本允許的范圍內(nèi)由電廠粉煤灰進(jìn)行循環(huán)應(yīng)用研究已成為必然，在國(guó)家相關(guān)部委的大力支持下，大唐、華電、神華、中煤等國(guó)內(nèi)大型能源企業(yè)紛紛投向這一領(lǐng)域。在粉煤灰循環(huán)應(yīng)用工藝中高溫?zé)煔鈨艋潜夭豢缮偾曳浅Ｖ匾牧鞒?，直接關(guān)系到粉煤灰中有用成分的回收率高低和此工藝對(duì)環(huán)境的污染程度，目前采用的二級(jí)旋風(fēng)工藝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工藝要求，急需開(kāi)發(fā)新的高溫?zé)煔鈨艋夹g(shù)。高溫陶瓷過(guò)濾技術(shù)是國(guó)際上近年來(lái)主要發(fā)展的高溫含塵氣體凈化技術(shù)，我國(guó)在高溫氣體過(guò)濾除塵方面與先進(jìn)國(guó)家相比還有很大差距，尤其是在高溫過(guò)濾元件產(chǎn)品和制作技術(shù)方面，總體看來(lái)，國(guó)內(nèi)在高溫陶瓷過(guò)濾技術(shù)研究方面缺乏系統(tǒng)性、針對(duì)性，大多偏重于微孔陶瓷支撐體的制備和流體的流動(dòng)特性、熱力特性方面的理論研究，而沒(méi)有深入的研究微孔陶瓷支撐膜上的涂膜技術(shù)，對(duì)高溫氣體凈化用大尺寸陶瓷纖維復(fù)合膜過(guò)濾材料與制備技術(shù)的研究幾乎是一片空白，因而開(kāi)發(fā)新一代低成本、耐高溫、高強(qiáng)度、低壓差的陶瓷纖維復(fù)合膜過(guò)濾元件以及相配套的過(guò)濾系統(tǒng)和裝置勢(shì)在必行。根據(jù)粉煤灰循環(huán)應(yīng)用的工藝特性，從單管和多管的冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作一較為系統(tǒng)的分析，得到了很多技術(shù)數(shù)據(jù)，為類似工藝提供一些工業(yè)化指導(dǎo)。

1 陶瓷膜過(guò)濾管過(guò)濾性能研究的技術(shù)路線

針對(duì)粉煤灰顆粒本身具有粒徑小、重量輕、易團(tuán)聚及工藝中水分大等特點(diǎn)，為了對(duì)陶瓷過(guò)濾管的循環(huán)再生性能、出口濃度、過(guò)濾效率及過(guò)濾管的耐腐蝕性和冷熱沖擊性能進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)研究，制定了研究技術(shù)路線，見(jiàn)圖1。

2 陶瓷膜過(guò)濾管對(duì)粉煤灰過(guò)濾的性能試驗(yàn)

2.1 單根過(guò)濾管過(guò)濾性能試驗(yàn)及測(cè)定

2.1.1實(shí)驗(yàn)裝置與流程

單根過(guò)濾管過(guò)濾性能測(cè)試采用的流程如圖2所示，該裝置依據(jù)國(guó)際上通用的過(guò)濾介質(zhì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)EN779和VDI3926建立，采用光學(xué)粒子計(jì)數(shù)法來(lái)精確評(píng)價(jià)陶瓷膜過(guò)濾管的各種過(guò)濾性能。陶瓷濾管置于裝置內(nèi)，通過(guò)畢托管調(diào)節(jié)氣量，無(wú)粉塵加入時(shí)，測(cè)定過(guò)濾管的初始?jí)航堤匦?，在氣體入口處通過(guò)加料器勻速定量加入粉塵，測(cè)定過(guò)濾管長(zhǎng)周期操作下的過(guò)濾與反吹循環(huán)性能，采用光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器測(cè)得濾管進(jìn)出口的濃度和粒徑分布，計(jì)算分離效率。使用強(qiáng)度測(cè)試平臺(tái)測(cè)定過(guò)濾管的抗折強(qiáng)度，采用掃描電鏡獲得過(guò)濾管的微觀結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)過(guò)濾管支撐體與過(guò)濾膜的特性。

圖1 陶瓷膜過(guò)濾管過(guò)濾性能研究的技術(shù)路線

圖2 單根過(guò)濾管試驗(yàn)裝置與流程

2.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)過(guò)濾管的初始?jí)航堤匦?/p>

隨機(jī)抽樣3根陶瓷過(guò)濾管，測(cè)定濾管的初始?jí)航堤匦浴?/p>

從表1可以看出，純氣流工況下，3根濾管的初始?jí)航敌阅鼙容^接近，平均誤差<5%。

(2)過(guò)濾管循環(huán)再生性能

隨意選取1根陶瓷過(guò)濾管，在過(guò)濾裝置入口以恒定濃度加料，測(cè)定長(zhǎng)周期運(yùn)行下過(guò)濾管的循環(huán)再生性能。

圖5 單根過(guò)濾管不同循環(huán)次數(shù)下的累積體積效率

表2 過(guò)濾管性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)條件

從圖3可以看出濾管的壓降上升速率緩慢，反吹后的殘余壓降穩(wěn)定，約為1.2 kPa，再生性能良好， 20 min過(guò)濾周期內(nèi)，濾管壓降平均上升約0.45 kPa。

圖3 過(guò)濾管循環(huán)再生性能

(3)過(guò)濾管出口濃度與過(guò)濾效率

圖4 過(guò)濾管出口濃度變化

隨著過(guò)濾循環(huán)次數(shù)的增加，過(guò)濾管的過(guò)濾精度和效率增加，出口濃度逐漸減小，10多次循環(huán)后出口濃度已小于0.5 mg/m3，滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

從圖5中可以看出，隨著過(guò)濾循環(huán)次數(shù)的增加，累積體積效率逐漸增大，8次循環(huán)之后，過(guò)濾管對(duì)大于2 μm的粉塵顆粒過(guò)濾效率接近100%。

2.2 多根過(guò)濾管過(guò)濾性能試驗(yàn)及測(cè)定

2.2.1實(shí)驗(yàn)裝置與流程

選用某大型煤炭企業(yè)集團(tuán)提供的粉煤灰粉作為實(shí)驗(yàn)粉料，評(píng)價(jià)多根過(guò)濾管的過(guò)濾性能。測(cè)定過(guò)濾管的初始?jí)航?，使用Welas2000粒子分析儀測(cè)得濾管進(jìn)出口的濃度和粒徑分布，在氣體入口通過(guò)加料器以恒定濃度加入粉塵，通過(guò)長(zhǎng)周期循環(huán)考核過(guò)濾管的再生性能。過(guò)濾管性能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在過(guò)濾器的進(jìn)口管路中通入水蒸氣，模擬現(xiàn)場(chǎng)工藝氣中水蒸氣含量較高的工況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流流量、過(guò)濾管壓降及溫濕度等參數(shù)的采集和記錄。

圖6 多根過(guò)濾管試驗(yàn)裝置與流程

2.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)過(guò)濾管的初始?jí)航堤匦?/p>

如圖7所示，將15根過(guò)濾管分成5組過(guò)濾單元，每組共用一個(gè)反吹系統(tǒng)，采用與工業(yè)相同的分組反吹方式進(jìn)行清灰。

圖7 過(guò)濾管布置圖

首先測(cè)定每組過(guò)濾管的初始?jí)航担u(píng)價(jià)5組過(guò)濾管之間的壓降差異。

從圖8中可以看出，5組過(guò)濾單元的初始?jí)航凳纸咏?，說(shuō)明15根過(guò)濾管的壓降差別較小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定且能滿足工業(yè)化的生產(chǎn)。

(2)過(guò)濾管循環(huán)再生性能

實(shí)驗(yàn)用粉煤灰粉SEM圖片與粒徑分布測(cè)定如下所示，使用COULTER分析儀測(cè)得的結(jié)果與SEM結(jié)果接近，實(shí)驗(yàn)用粉料的中位粒徑約為20 μm。

圖8 各組過(guò)濾單元初始?jí)航祵?duì)比

表3 過(guò)濾管性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)條件

圖9 粒徑分布圖

采用分組循環(huán)反吹清灰方式，經(jīng)過(guò)5次循環(huán)(即第1組至第5組濾管都清灰完畢)，各組濾管的表面的粉塵負(fù)荷基本相同。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)長(zhǎng)周期循環(huán)操作，考察各組過(guò)濾管的再生性能。

圖10 過(guò)濾管長(zhǎng)周期循環(huán)曲線

濾管壓降的上升速率約為8 Pa/min，經(jīng)過(guò)約30次循環(huán)后，濾管的殘余壓降基本保持不變，濾管的性能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)過(guò)濾管出口濃度與粒徑分布

圖11 過(guò)濾管出口粉塵濃度變化

隨著過(guò)濾循環(huán)次數(shù)的增加，過(guò)濾管出口的粉塵濃度逐漸減小，在25次循環(huán)后出口濃度基本上低于0.5 mg/m3，滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

圖12 過(guò)濾管出口粉塵粒徑分布

粒徑分布圖的縱坐標(biāo)為dv/v，橫坐標(biāo)為粒徑(μm)。過(guò)濾管過(guò)濾精度高，出口的粒徑大部分小于1 μm。

(4)加濕工況下過(guò)濾管的循環(huán)性能

采用加濕器控制操作濕度，由濕度傳感器測(cè)量并記錄濕度的變化值。

加濕器產(chǎn)生的水蒸汽在加料口處與粉料一起進(jìn)入到過(guò)濾器內(nèi)部，加濕實(shí)驗(yàn)的操作相對(duì)濕度約為58%。由于粉煤灰粉具有很強(qiáng)的吸濕性，加濕的過(guò)程容易團(tuán)聚成塊，從圖13可以看出過(guò)濾循環(huán)性能受濕氣的影響波動(dòng)較大，在高濕度工況下過(guò)濾管的循環(huán)再生性能較差，在工業(yè)化生產(chǎn)中必須重視煙氣露點(diǎn)的控制。

圖13 實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)濕度變化

2.3 過(guò)濾管耐腐蝕與冷熱沖擊性能

為了更好的驗(yàn)證其耐腐蝕和冷熱沖擊性能，采用陶瓷過(guò)濾管與粉煤灰在電爐中一起加溫煅燒及同時(shí)空冷的方法，對(duì)過(guò)濾管造成冷熱沖擊，反復(fù)加熱和冷卻一定周期后，將過(guò)濾管從電爐中取出，觀察其外觀狀態(tài)，為了測(cè)定過(guò)濾管的表面膜是否存在沖擊損傷或腐蝕，小心刮取表面膜殘留物質(zhì)，與粉塵樣品做XRD對(duì)比分析，分析表明過(guò)濾膜表面刮取下來(lái)的物質(zhì)和粉塵樣品的XRD分析接近，說(shuō)明過(guò)濾膜沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕和破損，能夠在工業(yè)應(yīng)用上進(jìn)行長(zhǎng)周期運(yùn)行。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)粉煤灰循環(huán)工藝開(kāi)發(fā)的高溫陶瓷膜過(guò)濾器克服了旋風(fēng)分離、袋式除塵器、電除塵等設(shè)備所存在的弱點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外均屬領(lǐng)先水平，其設(shè)備性能、處理效果等方面均優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類過(guò)濾裝置,具有較高的推廣價(jià)值。

(2)不斷完善陶瓷膜過(guò)濾元件的各種性能，開(kāi)發(fā)出一套適應(yīng)于該行業(yè)可批量生產(chǎn)的低成本、高性能的高溫陶瓷過(guò)濾元件，并建立相關(guān)評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范和裝置。因此，高溫?zé)煔膺^(guò)濾關(guān)鍵技術(shù)的突破，不僅可大力促進(jìn)我國(guó)過(guò)濾材料行業(yè)的技術(shù)升級(jí)換代，大幅度提高行業(yè)的整體技術(shù)水平，而且對(duì)我國(guó)高溫過(guò)濾技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有十分重要的指導(dǎo)意義和作用。

(3)陶瓷膜過(guò)濾中試裝置在粉煤灰循環(huán)工藝上的成功應(yīng)用，解決了高溫狀態(tài)下煙氣直接除塵的技術(shù)難題，解決了微細(xì)粉塵直排引起的二次環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)了環(huán)保治理與可持續(xù)發(fā)展的同步進(jìn)行。下步應(yīng)在中試研究基礎(chǔ)上，通過(guò)相似放大理論總結(jié)大型裝置的設(shè)計(jì)方法，編寫優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，為今后過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)和工業(yè)化應(yīng)用提供必要技術(shù)支持。打破該領(lǐng)域國(guó)外公司的壟斷局面，同時(shí)做到制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、利于國(guó)內(nèi)推廣。多孔陶瓷煙氣凈化、收塵設(shè)備的高效和長(zhǎng)壽命使得它們?cè)谶@一市場(chǎng)中將占有相當(dāng)份額，而且隨著環(huán)保和資源利用要求水準(zhǔn)日益提高，這一份額會(huì)持續(xù)增大，預(yù)計(jì)在產(chǎn)業(yè)化后的未來(lái)五年內(nèi)，國(guó)內(nèi)在高溫?zé)煔鈨艋龎m設(shè)備的年產(chǎn)值將達(dá)數(shù)十億元是有可能的。

[1] 張殿印，王純.脈沖袋式除塵器手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2011:21-50，218-222，498-511.

[2] 張殿印，王純，俞非漉.袋式除塵技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)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

錢均新(1969-)，男，江蘇宜興人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事除塵器、過(guò)濾機(jī)、過(guò)濾器、化工陶瓷的設(shè)計(jì)，現(xiàn)任江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司研究所所長(zhǎng)。

TQ174.6

B

1003-8884(2014)02-0013-06