[发明专利]高温气-固陶瓷过滤管及制备方法

说明书

技术领域

本发明是对高温气体净化用陶瓷过滤管的改进，尤其涉及一种强度好，高通量、低阻力的高温气-固分离用陶瓷过滤管及制备方法。

背景技术

整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)，因热能利用率高，烟尘排放几乎为0受到青睐，例如中国专利CN101880553A所述。其中煤燃烧热空气洁净用高温气-固分离用陶瓷过滤管，是其中关键和重要核心元件。此工艺中陶瓷过滤管直接将高温煤气过滤净化，要求过滤管在300－900℃高温工作，并有一定的机械强度例如设计强度P_折≥24Mpa，以满足运输、安装及使用(尤其是压力反冲清洁)中不断裂，并有较好的冷热急变性，很高的过滤精度(0.5微米≥99.8%)，尤其是气体通量要大阻力降要小，要求气体过滤通量≥55m³/hm²，压降＜1000pa，如果过滤阻力降增加1%，整个系统能耗就会增加1%，对系统运行能耗影响较大，目前国内技术水平压降通常在1300pa左右。前述使用环境及要求，使得此过滤管制造难度，远大于通常其他应用过滤管，而且客观上陶瓷过滤管强度与过滤通量及阻力本身就是一对矛盾，强度高了，过滤阻力必然会增大通量减少，这是一对难以克服的矛盾，因此行业技术人员都在努力克服之，尤其是将在保证强度下把减少过滤管阻力降作为一个重点攻关方向。

在陶瓷中能满足此过滤要求的过滤管支撑体有：碳化硅材质、莫来石材质，堇青石材质，氮化硅材质。莫来石热传导性能不及碳化硅，因此冷热急变性要低于碳化硅；堇青石，烧成温度偏低，高温机械强度偏低，高温不耐腐蚀，一般情况下难以用于工作温度≥600℃过滤场合；氮化硅，由于颗粒大小商品少，不具有大批量生产原料供应，原料粒径需用户自行制备、分级，因而增加了制造成本；碳化硅(SiC)来源广泛，颗粒大小商品化程度高，价格低廉，具有较高的热传导性能，高的机械强度和化学稳定性，耐腐蚀，抗热冲击性好，因此为首选材质。

满足前述使用要求的过滤管支撑体通常烧成温度都要大于1300℃，而碳化硅材质至少要在1350－1480℃，否则难以保证高温使用强度。然而SiC材质的一个弱点，在800-1200℃容易发生氧化，在此温度区间会在颗粒表面生成相对较疏松的氧化膜，由于此氧化膜疏松不能阻止继续氧化，还会继续向深层氧化；其次，烧成过程中高温使得颗粒表面覆盖有硅酸盐液相，而此液相更是加速促进了SiC表面氧化，从而使SiC材质过滤管烧成技术难度远大于莫来石、堇青石。此外，产生的低熔点液相硅酸盐，不仅在800－1200℃间，液相促进了SiC表面氧化，而且在1200℃后，这部分液相存在还会堵塞流道，此在申请人烧成温度试验中得到证实(烧成温度提高，开孔率、空气流通量下降)，因此虽然制品烧成后具有较高的机械强度，但造成过滤通量减小，阻力大。现有技术人们为避免烧成800-1200℃温度区间下形成低温态的液相硅酸盐，一般不选择含有PbO，B₂O₃，Na₂O等温度较低的硅酸盐矿物作粘结剂，而采用Al₂O₃含量较高的硅酸盐粘结剂例如高岭土，但在此温度范围大部分硅酸盐粘结剂仅保持自身烧结状态，而与SiC颗粒表面粘结力较低，导致制品强度降低(图1)。为保证一定机械强度，只能采取较多粘结剂含量来弥补，然而过量多的粘结剂又会造成粘结剂占据陶瓷骨架颗粒与颗粒间空间，使流道变窄变小，并且多的粘结剂在SiC颗粒表面形成微小颗粒附着，使得骨架颗粒间形成的流道不光滑，两者均使得颗粒形成的微孔流道减小，粘滞系数大，阻力大，达不到低过滤阻力指标要求；再就是，多的粘结剂还会使粘结剂本身形成微孔(图2)，使用过程中过滤阻力增大后用水清洗，客观上会造成部分水吸附在粘结剂微孔道中，而在清洗后的干燥过程又不容易排出，在使用过程中当温度升至水汽化温度以上，此部份水气化膨胀，会使粘结剂产生微裂纹，几经使用清洗裂纹扩大造成过滤管灾难性断裂。

上述现有技术表明特别是SiC材质过滤管支撑体，过滤通量、阻力与烧成粘结强度矛盾客观存在，而且难以克服，寻找平衡点难度较大，是造成现有技术制备SiC材质过滤管难以达到前述IGCC工艺高要求，造成强度指标高了，过滤通量及阻力指标标准降低，反之，强度指标受到影响。