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陶瓷過濾除塵技術

日期:2018年4月28日 18:44

目前,高溫除塵器主要有布袋除塵器、移動床除塵器、陶瓷除塵器等,其中陶瓷除塵器具有出色的熱穩定性和化學穩定性,除塵效率高,使用壽命長,因此,陶瓷過濾器已成為一項重要的高溫除塵技術.

  1陶瓷過濾元件及結構

  陶瓷過濾元件按陶瓷的微孔結構可分為均質陶瓷和復合膜層陶瓷,復合膜層結構包括雙層和多層結構.雙層結構是由微孔孔徑較大的支撐層和孔徑相對較小的膜過濾層組成,這種結構克服了傳統陶瓷過濾元件壓力損失高、過濾效率低的問題,實現了表面過濾,是近些年來開發應用最為典型的一種結構形式.

  按形狀又可分為試管式和錯流式片狀2種結構,試管式過濾器是一種形如試管的陶瓷過濾管,工業上用多個試管式過濾元件組成多層試管式過濾器,如圖1所示.含塵氣體從下部進入過濾器,由管外部穿過陶瓷壁而實現過濾,捕集下來的顆粒落入灰斗中.當穿過陶瓷管的壓降因粉塵粘在陶瓷管外壁而逐漸增加到一定值后,需用高壓空氣脈沖反吹,實現了在線清灰.試管式過濾器的管板與過濾器壁的連接涉及到密封、熱膨脹等問題,因此管板上的布管必須考慮到管板強度、濾管之間的粉塵夾帶和粉塵架橋等問題.

 

  復合膜層結構中膜層的孔隙率、厚度及孔徑大小對過濾元件的過濾性能有著重要的影響.通過重復噴涂可得到多層表面過濾薄膜,提高過濾效率,但是重復噴涂的熱處理成本很高.

  由3M公司生產的CVI-SiC復合型過濾管由3層結構組成:外層過濾層、中間纖維層和構成過濾器支撐基體的纖維內層.在外層過濾層和中間纖維層內部沉積著約1~2μm的碳化硅顆粒,而在內層纖維層沉積有約100μm的碳化硅.

  CVI-SiC的氧化穩定性和表面涂層的穩定性,及Nextel或Nicalon纖維在高溫氧化性環境中的應用穩定性是纖維纏繞和纖維強化CVI-SiC或者SiC-SiC復合型試管式過濾元件存在的問題.

  2濾餅的研究

  濾餅對陶瓷過濾器的過濾起著重要作用.含塵氣流經過陶瓷孔隙時,在慣性碰撞、擴散和架橋等作用下,粉塵顆粒被陶瓷捕捉,在陶瓷表面逐漸形成一層由粉塵組成的濾餅.當氣流的壓力降因粉塵粘在陶瓷管外壁而逐漸增加到一定值后,需要進行清灰,使濾餅脫落.壓降升高的原因主要有3條:(1)每次反吹清灰之后,陶瓷表面的殘留粉塵會增加;(2)濾餅層的致密化和陶瓷過濾薄膜孔隙的孔體積下降及孔徑的縮小;(3)由于粉塵和過濾器之間的化學反應和燒結等作用引起過濾介質中孔隙的堵塞.

  Hurley認為在1 000℃以上的高溫條件下,玻璃質的硅酸鹽化合物對粉塵沉積物的粘性起主要作用,但是在低溫條件下,卻是硫酸鹽化合物起主要作用,尤其是在含鈣量高的粉塵中.

  3陶瓷過濾器安全系統

  由于種種原因,陶瓷過濾管經常會破裂.一旦某一個過濾元件破裂,含塵氣流就會進入過濾器清潔氣室,從清潔氣出口進入后續工藝,如燃氣渦輪機等,影響后續工作.為了避免這種情況的發生,必須建立一套過濾器的安全系統.

  文獻報道了一種故障安全保險技術(Coupled Pressure Pulse,CPP).圖3為CPP技術原理圖,圖3(a)是傳統的清灰裝置,其通風管管口與過濾管保持一段距離,且管口徑小.脈沖氣流從通風管口進入過濾管,氣流動能轉化為靜壓,實現清灰.當過濾管破裂時,含塵氣流直接進入清潔氣室.

 

  清灰強度取決于脈沖氣流速度、質量流量和反吹系統的結構尺寸.圖3(b)是CPP技術,它的通風管直接與過濾管相連,省去了通風管口與過濾管的距離,同時保證通風管與過濾管的口徑一致,而且將通風管設成多孔.當過濾管破裂時,多孔性通風管可以起到過濾管作用,阻止含塵氣流進入清潔氣室,成為保險過濾管.

 

  圖4為CPP技術在過濾器中的應用原理.在大型過濾設備里,每個過濾元件設一個保險過濾管,再把這些過濾管分組.過濾時,待過濾氣流首先經過過濾管,再經過保險過濾管、液壓閥,最后進入清潔氣室.期間的壓力損失比噴射脈沖要小.如果過濾管破裂,含塵氣流會以很高的表面速度通過保險過濾管.為了控制清潔氣流的粉塵濃度,保險過濾管必須要有高除塵率.由于氣流的高表面速度,粉塵會滲透到過濾管很深處,保險過濾管很快就會被堵塞.為了避免在清灰時粉塵被再次揚起,需要用具有深層過濾特性的過濾元件.

  CPP清灰技術與傳統脈沖噴射清灰技術相比有明顯的優點:清灰強度更高,而清灰氣流壓力只比系統壓力高出0.05~0.2MPa,對于危險性的黏性粉塵也能夠穩定過濾,避免了因濾餅破裂而經常關閉系統.而且,系統的剩余壓降也很低.因此,可以延長過濾周期,提高過濾速度,降低成本.

  4陶瓷過濾器高溫氣體凈化技術

  在傳統工藝中,高溫氣體的除塵和脫硫脫氮是分開進行的,在選擇性催化還原脫氮之前先除塵,或者在燃燒之后再脫硫.這種多步操作增加了成本,也浪費能源.因此,在陶瓷高溫除塵器的基礎上,高溫氣體凈化一體化技術應運而生.

  圖5為催化性陶瓷過濾元件,即在陶瓷過濾器外表面涂一層過濾薄膜,在陶瓷內部加催化劑作為催化層.這種技術可用于脫氮脫硫、HCl等潛在的氣態催化劑毒物的凈化,及催化氧化VOC.

 

  催化劑和陶瓷過濾管的組合方式較多,比較常用的方法有:(1)在多孔支撐層表面涂一層催化劑涂層,此法的催化劑層的厚度和結構變化的自由度很小,而且制造也比較困難. (2)在陶瓷過濾管制造過程中,將催化劑混入陶瓷顆粒,一起做成過濾元件,這種方法催化劑的接觸面損失比較大. (3)在原來的陶瓷管上增加一根多孔內嵌管,在內嵌管和支撐管之間形成一層催化劑顆粒層.這種方法的優點是對催化性過濾器的潛在應用具有一定的靈活性,相對催化劑薄膜制作時間少;另外,如果填充具有高表面積的催化劑顆粒,就會提高催化能力.

  運用一體化技術的首要條件就是在最佳的催化溫度和過濾速度下,催化能力要盡可能的高,而壓差要盡可能的低,特別是高溫氣體.加大過濾管的厚度,延長氣流在陶瓷內的停留時間,可以提高過濾管的催化能力,但是這樣過濾管的壓降也增大了.所以,要調整這兩者的關系,以最小的壓降取得最佳的催化性能.文獻[12]利用納米材料TiO2作為催化劑的載體,用特制的TiO2溶膠,通過溶膠凝膠過程,制得TiO2納米材料.在這個過程中,可以使用乙酰丙酮和乙酸作為絡合劑控制鈦醇鹽的水解和凝縮.催化劑采用V2O5-WO3體系,用浸漬法把催化劑整合到多孔陶瓷過濾元件上,使其具有最高的比表面積和最低的孔隙堵塞機率.試驗結果表明,在過濾速度為2 cm?s-1,進氣NO濃度為5×10-4,300℃的條件下,NO的轉化率達96%,而壓降只有21mbar,完全滿足高溫除塵的要求.如果用SiO2代替TiO2作為催化劑,可以提高NO的轉化率.而添加Pt的TiO2-V2O5催化劑系統,丙烯的氧化率達到了100%.

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