CN105289150A - 一种陶瓷纤维高温气体过滤器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气固分离领域，具体涉及一种陶瓷纤维高温气体过滤器及其制备方法，构成过滤器的过滤层由陶瓷纤维构成，过滤层中气流通孔的孔径沿通路方向一端小、一端大。陶瓷纤维高温气体过滤器的制备方法包括以下操作：a、选择N种不同长径比范围的陶瓷纤维，N≥2；b、将上述N种不同长径比范围的陶瓷纤维分别与粘结剂、分散剂混合得到注模浆料；c、将上述长径比范围最小的陶瓷纤维注模浆料注入模具内，并抽滤，待成型后按照上述注模方法，将其他长径比范围的陶瓷纤维注模浆料按长径比范围从小到大依次注入模具内，并抽滤成型，成型的过滤材料和模具一起进行干燥，再对其进行脱模、烧成，获得陶瓷纤维高温气体过滤器。

Description

一种陶瓷纤维高温气体过滤器及其制备方法

技术领域

本发明涉及气固分离领域，具体涉及一种陶瓷纤维高温气体过滤器及其制备方法。

背景技术

在现代工业生产过程中，如冶金、建材、化工、电力、机械等行业的各种工业炉窑都排放大量高温含尘有害气体，严重地污染大气环境。由于废气的温度及烟气量的变化范围广，且高温条件下废气的粘滞力有较大变化，湿度大幅下降，细颗粒凝聚现象大为降低，对这种高温废气中微粒进行分离处理难度较高。随着高温除尘技术的发展，对除尘设备的简单化、高温化、高效化要求日趋强烈，而陶瓷制品恰恰具有耐高温的独特优势。上世纪70年代以来，世界先进国家一直不断研究各种材质和结构的高温气体过滤处理技术和设备，希望能够改善陶瓷过滤材料抗热震性和提高金属过滤材料耐高温腐蚀性，并且解决多孔陶瓷过滤材料过滤阻力大、易堵塞等问题。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种陶瓷纤维高温气体过滤器，它抗热震性好、再生性能好，过滤阻力小，避免出现堵塞等问题。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种陶瓷纤维高温气体过滤器，构成过滤器的过滤层由陶瓷纤维构成，过滤层中气流通孔的孔径沿通路方向一端小、一端大。

本发明的另一个目的是提供一种陶瓷纤维高温气体过滤器的制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种陶瓷纤维高温气体过滤器的制备方法，包括以下操作：

a、选择N种不同长径比范围的陶瓷纤维，N≥2；

b、将上述N种不同长径比范围的陶瓷纤维分别与粘结剂、分散剂混合得到注模浆料；

c、将上述长径比范围最小的陶瓷纤维注模浆料注入模具内，并抽滤，待成型后按照上述注模方法，将其他长径比范围的陶瓷纤维注模浆料按长径比范围从小到大依次注入模具内，并抽滤成型，成型的过滤材料和模具一起进行干燥，再对其进行脱模、烧成，获得陶瓷纤维高温气体过滤器。

按照上述方法得到的陶瓷纤维高温气体过滤材料，能达到高强、轻质、耐高温、防腐蚀、抗热冲击以及高效除尘的目的，极大地改善了多孔陶瓷滤芯的抗热震性和清灰再生性能，阻力小，不易堵塞，大大提高了除尘效率，延长使用寿命。

附图说明

图1是本发明制备的桶状陶瓷纤维高温气体过滤材料径向剖视图。

具体实施方式

一种陶瓷纤维高温气体过滤器，构成过滤器的过滤层由陶瓷纤维构成，过滤层中气流通孔的孔径沿通路方向一端大、一端小。

上述过滤层采用了长径比范围不同的陶瓷纤维而构成，形成的气流通孔的孔径沿通路方向是逐渐增大的，且陶瓷纤维的长径比范围沿气流通过方向也是逐渐增大。上述过滤器在处理高温含尘气体时，气流由过滤层孔径较小的一面进入，过滤介质中粒径小于过滤层外表面孔径的颗粒一部分通过过滤层后从孔径稍大的内层面通过，从而可以减少颗粒物对过滤通道的堵塞，那么尺寸较大的粉尘颗粒就会被截留收集，由于截留的粉尘颗粒尺寸较大，不会造成过滤器的堵塞，同时大颗粒粉尘之间形成的空隙也较大，保证了高温空气流通路径的畅通，这样的过滤器过滤阻力小不会出现堵塞，并将大部分粉尘进行了有效的收集，同时抗热震性好、再生性能好。

进一步的技术方案，所述的过滤层整体呈桶管状，管内侧为出气侧、管外侧为进气侧，进气侧的孔径小于出气侧的孔径。桶管状过滤器在过滤气体时，气体由管外侧进入管内侧，过滤面积比较大，在过滤高温含尘气体时能充分发挥过滤功能，同时利于过滤器的再生处理。

进一步的技术方案，所述的过滤层整体呈板状，一侧板面为出气侧、另一侧板面为进气侧，进气侧的孔径小于出气侧的孔径。即高温含尘气体由孔径小的一侧板面进入，由孔径大的一侧出气，板状过滤器也可以实现过滤粉尘的作用。过滤器的形状可以根据需要进行选择。

进一步的技术方案，沿管壁和管底的厚度方向自外向内孔径由小变大，所述的孔径由小变大的规律为阶梯状梯度变化。这里孔径大小取决于构成该过滤器的陶瓷纤维的长径比，陶瓷纤维的长径比在气流通路方向上阶梯式由小到大变化，就可以得到气流通孔由小变大阶梯状梯度变化的过滤层，这种孔径阶梯状梯度变化的过滤器便于制作，使用效果也最好。

一种陶瓷纤维高温气体过滤材料的制备方法，包括以下操作：

a、选择N种不同长径比范围的陶瓷纤维，N≥2；

b、将上述N种不同长径比范围的陶瓷纤维分别与粘结剂、分散剂混合得到注模浆料；

c、将上述长径比范围最小的陶瓷纤维注模浆料注入模具内，并抽滤，待成型后按照上述注模方法，将其他长径比范围的陶瓷纤维注模浆料按长径比范围从小到大依次注入模具内，并抽滤成型，成型的过滤材料和模具一起进行干燥，再对其进行脱模、烧成，获得陶瓷纤维高温气体过滤器。

通过上述方法将陶瓷纤维分为几种长径比范围不同的浆料，在注模时按不同长径比范围将注模浆料从小到大依次注入模具内。一般是，先将长径比范围最小的陶瓷纤维浆料注入模具内，并抽滤，抽滤后原有注模浆料中的大部分的粘合剂、分散剂被抽滤除去并循环利用进行配料，而留在模具内的陶瓷纤维就在模具内壁处形成薄层，待该薄层稍成型即可进行第二次注浆，即按照上述方式，将后续的陶瓷纤维注模浆料按序依次注入模具内，注模结束，将成型的过滤材料和模具一起进行干燥，再对其进行脱模、烧成，获得陶瓷纤维高温气体过滤器。该陶瓷纤维高温气体过滤器其微观结构可以认为是呈层状的，在气体通过过滤层的方向上，陶瓷纤维长径比范围是逐层增大的，烧成后形成过滤孔的孔径在气体穿过的方向上，也是逐层增大的。这里制作过滤层所需要的陶瓷纤维具体是几种，量是多少，可以根据实际需要的过滤器的强度、厚度进行选择。

需要注意，抽滤的真空度不宜过大，过大将会使注模料浆中粘结剂被抽滤掉过多，导致最终过滤层的强度会受到影响。另外，注模料浆中陶瓷纤维的浓度、抽滤时的真空度，其实对过滤层中形成的孔径大小并无任何影响。

进一步的技术方案，将所述操作b中长径比范围相邻的A和B两种陶瓷纤维注模浆料部分进行混合得到A+B中间注模浆料，按照操作c中注模方法，待长径比范围小的A注模浆料注入模具抽滤成型后、长径比范围大的B注模浆料注入模具前，将所述A+B中间注模浆料注入到模具内，抽滤成型；所述的A+B中间注模浆料中长径比范围相邻的两种浆料所占体积均为各自注入前注模浆料总体积的1/10～1/3。上述注浆方式，即在长径比范围临近的陶瓷纤维层之间还增加有中间过渡层，该中间过渡层是由与之相邻的陶瓷纤维层所用的陶瓷纤维注模浆料A和B经混合后注入模具成型后得到。增加中间过渡层使得过滤器中陶瓷纤维长径比范围在气流通过的方向上的变化趋于平缓，使得形成的过滤器相邻陶瓷纤维层之间的孔径尺寸的梯度变化变小，这样的结构一方面可以提高过滤器的强度，确保结构稳定性，同时使得形成的孔道利于易造成堵塞的超微细小粉尘的通过。

所述的模具为一端封闭的管体，管体的管壁以及管端均匀布满有若干抽滤孔，贴合管体内侧布置有过滤网形成的内衬。根据过滤器的形状可以选择合适的模具进行注模，在本发明中，过滤器优选一端封闭的管体状，那么在注模时就可以选择上述模具来完成过滤器的制作。本发明中，制模的具体操作是，将上述模具安装固定于尺寸稍大的管体内部，该模具可以随该稍大的管体绕轴线往复转动，所述的稍大的管体一端与注浆管路连通，一端与抽滤器连通，安装结束后，通过注浆管路先将长径比范围最小的注模浆料注入模具内，注模浆料应充满整个模具的模腔，同时开启抽滤器进行抽滤，注模浆料中大部分的粘合剂、分散剂被抽滤除去，由于过滤网的尺寸是小于陶瓷纤维的，那么陶瓷纤维就留在模具内并在过滤网构成的内衬上形成薄层，待该薄层稍成型即可进行第二次注浆，即按照上述方式，将后续的不同长径比范围的陶瓷纤维浆料按序依次注入模具内，注模结束，将成型的过滤材料和模具一起进行干燥，再对其进行脱模、烧成，获得陶瓷纤维高温气体过滤器。上述模具制备得到的过滤器呈一端封闭的管体状，其中长径比范围最小的陶瓷纤维位于过滤器的第一层即管体最外层，长径比范围最大的第N种陶瓷纤维位于过滤器的管体最内层，即过滤器由内层到外层的陶瓷纤维长径比范围逐渐减小，过滤孔由内层到外层的孔径也逐渐减小。正是这种过滤孔孔径大小逐层变化的结构彻底改善了陶瓷纤维过滤器在处理高温含尘气体时的性能，它处理高温气体时阻力小，不易堵塞，清灰再生性能好，大大提高了除尘效率，延长了使用寿命。该制备工艺简单、一体成型、可耐800℃及以下的高温气体。

需要注意的是：注模浆料注入所述的模具内时，注模浆料应充满整个模腔。这样可以保证在抽滤后，陶瓷纤维在模具内形成的薄层厚度均匀。

进一步的技术方案是，所述操作b中陶瓷纤维与粘结剂质量比为0.3～2:100，所述陶瓷纤维为硅酸铝纤维、高铝纤维、含锆硅酸铝纤维、氧化铝纤维中的一种或多种，所述陶瓷纤维直径为3～15μm，长度为1～600μm；所述操作b中所述粘结剂为水玻璃、硅溶胶、铝溶胶、磷酸二氢铝、硅胶中的一种或多种与水的混合物，其中水玻璃、硅溶胶、铝溶胶、磷酸二氢铝、硅胶中的一种或多种与水的质量比为0.1～1:10；所述的陶瓷纤维注模浆料中混合掺杂有机纤维，有机纤维的加入量占陶瓷纤维和粘结剂总质量的0.01～0.05，所述有机纤维为聚丙烯、聚丙烯腈、聚酯的短纤维中的一种或几种，纤维直径10～100μm，纤维长度10～1000μm。陶瓷纤维耐高温、耐腐蚀，具有良好的耐用性。粘结剂可以增强各组分之间的粘结强度，进一步保证了陶瓷纤维高温气体过滤材料的高强度。有机纤维加入过滤层的内层，注模成型的材料在高温下烧成以后，有机纤维全部消失，从而增加了过滤层内层的孔径。

进一步的技术方案是，所述操作c中烧成温度为850～1200℃，保温1～3h。烧成是将成型的过滤材料在一定条件下进行热处理，使之发生一系列物理化学变化，形成预期的矿物组成和微孔结构，从而达到固定外形并获得所要求性能的工序，它是决定陶瓷纤维高温气体过滤器形状以及其中过滤孔形成的非常重要的步骤。

实施例1

a、选择长径比范围分别为1～20、20～60，2种不同的陶瓷纤维；所述陶瓷纤维为硅酸铝纤维。

b、将上述2种不同长径比范围的陶瓷纤维分别与粘结剂、分散剂、聚丙烯的短纤维进行混合搅拌得到注模浆料，其中上述两种陶瓷纤维与粘结剂以质量比0.3:100、1:100；所述粘结剂为水玻璃与水的混合物，其中水玻璃与水的质量比为0.1:10；聚丙烯的短纤维占陶瓷纤维、粘结剂的总质量的0.01；聚丙烯的短纤维直径10～100μm，纤维长度10～1000μm；分散剂加入量占陶瓷纤维、粘结剂的总质量的0.1。

c、按陶瓷纤维长径比范围从小到大，先将第1种长径比范围1～20的陶瓷纤维注模浆料部分注入成型模具中并开始进行真空抽滤成型，待第1种长径比范围的陶瓷纤维浆料剩余量为其注入前注模浆料总体积的1/10时，将第2种长径比范围20～60的陶瓷纤维的注模浆料与剩余的第1种长径比范围最小的陶瓷纤维注模浆料同时注入成型模具中进行抽滤成型，然后将剩余的第2种长径陶瓷纤维的注模浆料注入成型模具中，真空抽滤，成型的过滤材料和模具一起进行干燥，再对其进行脱模、900℃烧成1h，获得桶状的陶瓷纤维高温气体过滤器。

实施例2

a、选择长径比范围分别为1～20、20～60、60～120、120～200，4种高铝纤维。

b、将上述4种不同长径比范围的高铝纤维分别与分散剂、聚丙烯腈的短纤维进行混合搅拌得到注模浆料，其中上述4种陶瓷纤维与粘结剂以质量比0.3:100、0.6:100、1.2:100、1.5:100；所述粘结剂为硅溶胶与水的混合物，其中硅溶胶与水的质量比为0.5:10；聚丙烯腈的短纤维占陶瓷纤维、粘结剂的总质量的0.03；聚丙烯腈的短纤维直径10～20μm，纤维长度10～1000μm；分散剂加入量占陶瓷纤维、粘结剂的总质量的0.3。

c、按陶瓷纤维长径比范围从小到大依次将注模浆料注入模具内并抽滤成型，在长径比范围小的注模浆料注入抽滤成型后、长径比范围大的注模浆料注入前，将一大一小长径比范围相邻的陶瓷纤维注模浆料混合得到的注模浆料注入到模具内，抽滤成型，所述的混合注模浆料中长径比范围相邻的两种浆料所占体积均为注入前注模浆料总体积的1/3，成型的过滤材料和模具一起进行干燥，再对其进行脱模、1000℃烧成2h，获得桶状的陶瓷纤维高温气体过滤材器。

实施例3

a、选择长径比范围分别为1～20、20～60、60～120、120～200、200～300、300-500，6种含锆硅酸铝纤维。

b、将上述6种不同长径比范围的高铝纤维分别与分散剂、聚酯的短纤维进行混合搅拌得到注模浆料，其中上述6种陶瓷纤维与粘结剂以质量比02:100、0.5:100、0.8:100、1:100、1.2:100、1.5:100；所述粘结剂为铝溶胶与水的混合物，其中铝溶胶与水的质量比为1:10；聚酯的短纤维占陶瓷纤维、粘结剂的总质量的0.05；聚酯的短纤维直径15～25μm，纤维长度10～1000μm；分散剂加入量占陶瓷纤维、粘结剂的总质量的0.5。

c、按陶瓷纤维长径比范围从小到大依次将注模浆料注入模具内并抽滤成型，在长径比范围小的注模浆料注入抽滤成型后、长径比范围大的注模浆料注入前，将长径比范围相邻的陶瓷纤维注模浆料混合得到的注模浆料注入到模具内，抽滤成型，所述的混合注模浆料中长径比范围相邻的两种浆料所占体积均为注入前注模浆料总体积的1/2，成型的过滤材料和模具一起进行干燥，再对其进行脱模、1200℃烧成3h，获得桶状的陶瓷纤维高温气体过滤材器。

实施例4

a、选择长径比范围分别为1～20、20～60，2种陶瓷纤维；所述陶瓷纤维为氧化铝纤维。

b、将上述2种不同长径比范围的高铝纤维分别与分散剂、聚丙烯、聚丙烯腈的短纤维进行混合搅拌得到注模浆料，其中上述2种陶瓷纤维与粘结剂以质量比0.3:100、1:100；所述粘结剂为硅胶与水的混合物，其中硅胶与水的质量比为0.6:10；聚丙烯的短纤维占陶瓷纤维、粘结剂的总质量的0.03；聚丙烯腈、聚酯的短纤维直径10～25μm，纤维长度10～1000μm；分散剂加入量占陶瓷纤维、粘结剂的总质量的0.2。

c、按陶瓷纤维长径比范围从小到大，先将第1种长径比范围最小的陶瓷纤维浆料部分注入成型模具中并开始进行真空抽滤成型，待第1种长径比范围最小的陶瓷纤维浆料剩余量为其注入前浆料总体积的1/10时，将第2种长径比范围稍大的陶瓷纤维的浆料与剩余的第1种长径比范围最小的陶瓷纤维浆料同时注入成型模具中进行抽滤成型，然后将剩余的第2种长径陶瓷纤维的浆料注入成型模具中，真空抽滤，成型的过滤材料和模具一起进行干燥，再对其进行脱模、1100℃烧成2.5h，获得桶状的陶瓷纤维高温气体过滤器。

以上实施例中制备得到的陶瓷纤维高温气体过滤器结构和性能如下表所示：

显气孔是指制品中与外界相通能为流体填充的气孔，通过上表内容显示：显气孔率说明了所制备的陶瓷纤维高温气体过滤器的内层和外层形成了大量的与外界相通的微孔，其中内层显气孔率大于外层显气孔率，进一步说明了在高温气体穿过过滤层的方向上，过滤层对气体的阻力逐渐变小，相应输送气流的设备运行能耗被降低。用上述制备得到的过滤器处理高温含尘气体，阻力小，不易堵塞，再生性能好，强度好。

Claims (10)

1.一种陶瓷纤维高温气体过滤器，其特征在于：构成过滤器的过滤层由陶瓷纤维构成，过滤层中气流通孔的孔径沿通路方向一端小、一端大。

2.如权利要求1所述的陶瓷纤维高温气体过滤器，其特征在于：所述的过滤层整体呈桶管状，管内侧为出气侧、管外侧为进气侧，进气侧的孔径小于出气侧的孔径。

3.如权利要求1所述的陶瓷纤维高温气体过滤器，其特征在于：所述的过滤层整体呈板状，一侧板面为出气侧、另一侧板面为进气侧，进气侧的孔径小于出气侧的孔径。

4.如权利要求2所述的陶瓷纤维高温气体过滤器，其特征在于：沿管壁和管底的厚度方向自外向内孔径由小变大，所述的孔径由小变大的规律为层状梯度变化。

5.如权利要求1所述陶瓷纤维高温气体过滤器的制备方法，包括以下操作：

a、选择N种不同长径比范围的陶瓷纤维，N≥2；

b、将上述N种不同长径比范围的陶瓷纤维分别用溶剂将其分散均匀得到注模浆料；

c、将上述陶瓷纤维注模浆料按长径比范围从小到大依次注入模具内，并抽滤成型，再对成型的过滤材料干燥，烧成，获得陶瓷纤维高温气体过滤器。

6.如权利要求5所述的陶瓷纤维高温气体过滤器的制备方法，其特征在于：所述操作b中溶剂为粘结剂、分散剂。

7.如权利要求5所述的陶瓷纤维高温气体过滤器的制备方法，其特征在于：将所述操作b中长径比范围相邻的A和B两种陶瓷纤维注模浆料部分进行混合得到A+B中间注模浆料，按照操作c中注模方法，待长径比范围小的A注模浆料注入模具抽滤成型后、长径比范围大的B注模浆料注入模具前，将所述A+B中间注模浆料注入到模具内，抽滤成型；所述的A+B中间注模浆料中长径比范围相邻的两种浆料所占体积均为各自注入前注模浆料总体积的1/10～1/3。

8.如权利要求5所述的陶瓷纤维高温气体过滤器的制备方法，其特征在于：所述的模具为一端封闭的管体，管体的管壁以及管端均匀布满有若干抽滤孔，贴合管体内侧布置有过滤网形成的内衬，注模浆料注入所述的模具内时，注模浆料应充满整个模腔。

9.如权利要求5所述的陶瓷纤维高温气体过滤器的制备方法，其特征在于：所述操作b中陶瓷纤维与粘结剂质量比为0.3～2:100，所述陶瓷纤维为硅酸铝纤维、高铝纤维、含锆硅酸铝纤维、氧化铝纤维中的一种或多种，所述陶瓷纤维直径为3～15μm，长度为1～600μm；所述操作b中所述粘结剂为水玻璃、硅溶胶、铝溶胶、磷酸二氢铝、硅胶中的一种或多种与水的混合物，其中水玻璃、硅溶胶、铝溶胶、磷酸二氢铝、硅胶中的一种或多种与水的质量比为0.1～1:10；所述的陶瓷纤维注模浆料中混合掺杂有机纤维，有机纤维的加入量占陶瓷纤维和粘结剂总质量的0.01～0.05，所述有机纤维为聚丙烯、聚丙烯腈、聚酯的短纤维中的一种或几种，纤维直径≥25μm，纤维长度10～1000μm。

10.如权利要求5所述的陶瓷纤维高温气体过滤器的制备方法，其特征在于：所述操作c中烧成温度为850～1200℃，保温1～3h。