CN112299866A - 一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，所述工业高温烟气过滤管道是将氧化铝粉末、玻璃纤维、造孔剂和羧甲基纤维素混合搅拌成干料，然后添加水形成湿料，接着反复挤出形成泥状料并陈腐处理，再挤出得到陶瓷生坯管材，接着在管壁四周涂覆无机膜并干燥，最后通过窑炉高温烧成、冷却而制得。本发明提供的方法能够制备大管径工业高温烟气过滤管道，所得陶瓷管的过滤阻力低、效率快，耐高温性好，耐折性好，使用持久，安装方便，而且使用一段时间后能进行反吹清灰后重复利用，便于推广应用。

Description

一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法
技术领域
本发明涉及废气处理的技术领域，特别是涉及一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法。
背景技术
随着全球经济的快速发展，电力、建材、冶金、钢铁、化工等工业造成了能源消耗日益增加，同时其产生的废气不仅温度高，而且含有大量的粉尘和有害气体，成为环境污染的重要因素之一。近年来，空气环境质量问题受到社会各界广泛关注，因此，针对高温烟气过滤除尘等处理工艺和材料的研究成为目前的热点课题。
高温烟气除尘技术中，已成熟应用的有：纤维过滤、静电除尘和袋式除尘等技术，但这些技术在应用过程中都或多或少存在一些问题。如布袋式除尘器不能承受废气的高温，静电除尘存在一次性投资高，占地面积大和绝缘等方面的问题。因此，高温条件下烟尘的净化技术在化学工程中属于有较高难度且亟需开发的国内外一项高新技术。
近年来，各国积极研发各种高性能的纤维等材料来适应高温烟气除尘的要求，各种新型过滤材料蓬勃发展。高温过滤除尘技术是近年来在颗粒物捕集方面最具发展前途的技术之一，过滤介质是高温过滤技术的核心，过滤介质的好坏直接影响过滤效果及寿命。其中，多孔陶瓷纤维的出现为该技术的研究开发提供了一种可能，如由3M公司的CVI-SiC复合型过滤管由3层结构组成:外层过滤层、中间纤维层和构成过滤器支撑基体的纤维内层。基于此，很多专家学者试图通过研究陶瓷管的结构性能，以此来生产陶瓷管，然而，现有的陶瓷管普遍存在过滤效果差的缺陷，因此，研究新型高温烟气陶瓷过滤管的课题受到普遍关注。
中国发明专利申请号201911124624.3公开了一种高温烟气过滤用多级孔碳化硅多孔陶瓷及其制备方法。其技术方案是：以60-70wt%的碳化硅、8-15wt%的氧化铝粉、10-15wt%的碳源和10-15wt%的单质硅为原料，外加占原料12-18wt%的铝溶胶、0.1-0.6wt%的聚羧酸盐和20-30wt%的水，搅拌，即得碳化硅浆料；将两种孔径的聚氨酯海绵浸入碳化硅浆料中，取出后用对辊挤压成型，得到两种平面尺寸相同的多孔陶瓷素坯，上下叠合整齐，烘干，于埋炭气氛或氮气气氛中以三种不同速率依次升温至200-250℃、600-700℃和1200-1400℃，随炉冷却，制得高温烟气过滤用多级孔碳化硅多孔陶瓷。中国发明专利申请号201410698988.3公开了一种采用热喷涂制备非对称微孔陶瓷过滤管膜的方法；该发明是将冶金工业高温烟气通过热喷涂制备的非对称微孔陶瓷过滤管膜处理后，达到解决粉尘排放量，降低PM2.5污染的效果；非对称微孔陶瓷过滤管采用三层结构，内层为采用等静压成型工艺制备的微孔陶瓷膜过滤管基体，平均孔径较大，确保过滤管的强度，中间为陶瓷纤维层，是过渡连接层，确保支撑基体和表面膜的良好连接，外层采用热喷涂覆膜，得到一层平均粒径较小的分离膜，陶瓷管表面孔径可达到0.5-2.5μm，以实现固体颗粒的表面过滤。
为了有效提高陶瓷管对高温烟气的过滤效果，促进高温烟气除尘材料的发展和应用，有必要提出一种新型陶瓷复合材料过滤管，进而实现高效而持久过滤高温烟气的目的。
发明内容
针对目前高温烟气除尘材料中，布袋除尘不耐高温烟气、大型管状制品不易制备的缺陷，以单一材料组分的陶瓷管除尘效率低、过滤阻力大、对细小颗粒过滤效率不好的问题，本发明提出一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，从而提高了高温烟气过滤管的过滤效率，而且耐高温性好，耐折性好，使用寿命长。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，所述工业高温烟气过滤管道是将氧化铝粉末、玻璃纤维、造孔剂和羧甲基纤维素混合搅拌成干料，然后添加水形成湿料，接着反复挤出形成泥状料并陈腐处理，再挤出得到陶瓷生坯管材，接着在管壁四周涂覆无机膜并干燥，最后通过窑炉高温烧成、冷却而制得。具体制备方法如下：
（1）将氧化铝粉末、玻璃纤维、造孔剂和羧甲基纤维素混合后投入搅拌机中，搅拌均匀，得到干料；
（2）向搅拌机中的干料添加水，湿混均匀，得到带粘性的湿料；
（3）将带粘性的湿料加入小型挤出机中，然后重复挤出3遍得到泥状料，接着将泥状料密封保存，得到陈腐的物料；
（4）将陈腐的物料投入大型的管材挤出设备进行挤出，然后脱模，接着干燥，得到陶瓷生坯管材；
（5）在陶瓷生坯管材管壁四周上均匀涂覆一层膜，然后干燥，得到涂膜的陶瓷生坯管材；
（6）将涂膜的陶瓷生坯管材加入窑炉高温烧成，然后冷却，即可得到工业高温烟气过滤管道，实现了陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道。
优选的，步骤（1）中所述玻璃纤维为长玻纤、短玻纤、无碱玻纤中的一种或两种以上的组合。
优选的，步骤（1）中所述造孔剂为活性炭、黄竹粉中的一种或两种以上的组合。
进一步优选的，所述造孔剂为活性炭、黄竹粉按照质量比例为1:1-5混合而得的混合物。
优选的，步骤（1）中所述干料制备中，氧化铝粉末、玻璃纤维、造孔剂、CMC的质量比例为60:10-30:10-20:3。
优选的，步骤（2）中所述湿料制备中，干料、水的质量比例为100:30-40。
优选的，步骤（3）中所述密封保存为室温下陈腐24-28h。
优选的，步骤（4）中所述干燥的温度为90-100℃，时间为24-28h。
优选的，步骤（5）中所述膜为无机膜。
进一步优选的，所述无机膜主要成分为氧化铝、氧化硅、高岭石中的一种或两种以上的组合。
优选的，步骤（5）中所述干燥的温度为室温，干燥36-40h。
优选的，步骤（6）中所述高温烧成的过程中，0-300℃时的升温速率为5-6℃/min，300-500℃时的升温速率为3-4℃/min，500-800℃时的升温速率为2-3℃/min，800℃时保温2-3h，800-1100℃时的升温速率为2-3℃/min，最后降至200℃时打开炉门自然冷却至室温。
公知的，高温烟气的特殊性在于，高温条件下，废气粘滞性有着较大变化，湿度大幅下降，细颗粒凝聚现象大为降低，所以对于微粒的分离有较高难度。目前常用高温烟气除尘技术中，布袋除尘不能承受废气的高温，湿式除尘使其热能不能综合和利用，静电除尘存在一次性投资高、占地面积大且绝缘要求高等问题，而利用陶瓷纤维制备陶瓷管时，单一的陶瓷管除尘效率低、过滤阻力大、对细小颗粒过滤效率不好。本发明创造性地利用氧化铝粉末、玻璃纤维、造孔剂和羧甲基纤维素为原料挤出成为陶瓷生坯管材，进一步利用涂膜和高温烧成，制得过滤性能和耐久性好的陶瓷基复合材料高温烟气过滤管。
本发明首先选择氧化铝粉末、玻璃纤维、造孔剂和羧甲基纤维素作为原料，通过添加水制备管材挤出料。其中，氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性，是制备陶瓷管的良好原材料；玻璃纤维一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，可以有效增强陶瓷管的耐热性和耐折性，延长使用寿命；造孔剂选择黄竹粉、活性炭中的一种或者两者的组合，不仅成本低，而且造孔效果好；羧甲基纤维素作为粘结剂，其水溶液具有增稠、成膜、黏接效果。通过将上述干料混合后加入水，生产管状制品工艺过程中时，通过干混和湿混中水的添加比例为混合料总重量的30-40%，使得料中的羧甲基纤维素发挥作用，可将几种干料完全粘接起来，形成带粘性的湿料。
进一步的，将带粘性的湿料加入小型挤出机重复挤出，得到的物料既具有一定的强度，又具有一定的粘性，可以保证挤出机中挤出料为泥料，再经室温下密封保存，控制陈腐时间，得到性能优异的管材挤出原料，投入到大型的管材挤出设备挤出、干燥，即可得到陶瓷生坯管材。
更进一步的，陶瓷生坯管材管壁四周上均匀涂覆一层无机膜，然后将涂膜的陶瓷生坯管材加入窑炉进行高温生成，通过调整窑炉的升温速率，优选黄竹粉和活性炭这两种造孔剂按照质量比为1:1-5混合，在高温烧结前期活性炭和黄竹粉烧掉形成气体挥发，并不会生成附加产物，而且在陶瓷支撑体中间原有结构处形成微小孔洞，起到过滤烟气的作用。经高温烧成冷却后，得到具有高效持久过滤性能的高温烟气过滤管道。
本发明制得的高温烟气过滤陶瓷管具有四层结构，即支撑层、中间大孔过滤层、外层微过滤层（分为界面层和膜层），层与层之间结构材料的热膨胀性能相近，避免了烧结后制品尺寸收缩率过高；另外膜层结构的粘结剂熔点温度低于中间层和支撑体粘结剂熔点，防止烧成时支撑体出现塌陷等情况。当所得陶瓷管进行烟气过滤除尘时，因表面是孔径比较小的膜层，绝大多数粉尘被拦截；通过膜层的颗粒直径很小，中间层和支撑体的孔径较大且大多为直孔，颗粒物可以随气体通过此两层结构直接排放到大气中，不易造成堵塞过滤材料的情况。此外在进行反吹清灰时，压缩空气首先经过孔径较大的支撑体和中间层，能量损失小，可以达到较好的清灰作用，使通量和过滤精度恢复率高，而且该管能耐1100℃的高温，耐折强度高，具有良好的使用耐久性。
现有的布袋除尘不耐高温烟气、大型管状制品不易制备的问题以及单一材料组分的陶瓷管除尘效率低、过滤阻力大、对细小颗粒过滤效率不好的问题，限制了其应用。鉴于此，本发明提出一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，将氧化铝粉末、玻璃纤维、造孔剂和羧甲基纤维素混合后投入搅拌机中均匀搅拌成干料；往搅拌机中添加水，将干料湿混形成带粘性的湿料；将湿料用小型挤出机重复挤出3遍后得到泥状料并密封保存，使其在室温下陈腐；陈腐后的料投入大型的管材挤出设备挤出、脱模、干燥得到陶瓷生坯管材；在陶瓷生坯管材管壁四周上均匀涂覆一层膜并置于室温下自然干燥；将涂膜的陶瓷生坯管材通过窑炉高温烧成和冷却，得到高温烟气过滤的管道。本发明的提供的方法能够制备大管径工业高温烟气过滤管道，所得陶瓷管的过滤阻力低、效率快，耐高温性好，耐折性好，使用持久，安装方便，而且使用一段时间后能进行反吹清灰后重复利用，便于推广应用。
本发明提出一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明的方法利用陶瓷基复合材料制备得到的工业高温烟气过滤管道，与传统布袋除尘相比，过滤阻力低、效率快，耐高温性和耐折性好，使用持久，安装方便，而且使用一段时间后能进行反吹清灰后重复利用。
2、本发明的制备方法中，造孔剂在高温烧结前期形成气体挥发，不会生成附加产物，而且在陶瓷支撑体中间原有结构处形成微小孔洞，起到过滤烟气的作用。同时，生产管状制品工艺过程中时，得到的湿料既具有一定的强度，又具有一定的粘性，保证挤出机中挤出料为泥料，再经过陈腐时间的确定与管状模具的挤出与涂膜工艺得到生坯，最后通过控制升温速率高温烧成，制得耐1100℃高温和耐折性好的大型管材，气孔率高，过滤效果好。
附图说明
图1：本发明的方法制得的高温烟气过滤陶瓷管制品的结构示意图。其中：1-外层膜层，2-内层。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）将60kg氧化铝粉末、20kg长玻纤、15kg黄竹粉和活性炭按照质量比为1:3得到的混合造孔剂和3kg羧甲基纤维素混合后投入搅拌机中，搅拌均匀，得到干料；
（2）向搅拌机中添加干料质量35%的水，湿混均匀，得到带粘性的湿料；
（3）将带粘性的湿料加入小型挤出机中，然后重复挤出3遍得到泥状料，接着将泥状料密封保存，室温下陈腐26h，得到陈腐的物料；
（4）将陈腐的物料投入大型的管材挤出设备进行挤出，然后脱模，接着在温度为95℃下干燥26h，得到陶瓷生坯管材；
（5）在陶瓷生坯管材管壁四周上均匀涂覆一层氧化铝无机膜，然后室温干燥38h干燥，得到涂膜的陶瓷生坯管材；
（6）将涂膜的陶瓷生坯管材加入窑炉高温烧成，0-300℃时的升温速率为5℃/min，300-500℃时的升温速率为3℃/min，500-800℃时的升温速率为2℃/min，800℃时保温2h，800-1100℃时的升温速率为2℃/min，最后降至200℃时打开炉门自然冷却至室温，即可得到工业高温烟气过滤管道，实现了陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道。如附图1，1为形成的外层膜层，2为内层。
实施例2
（1）将60kg氧化铝粉末、15kg短玻纤、12kg黄竹粉和活性炭按照质量比为1:2得到的混合造孔剂和3kg羧甲基纤维素混合后投入搅拌机中，搅拌均匀，得到干料；
（2）向搅拌机中添加干料质量32%的水，湿混均匀，得到带粘性的湿料；
（3）将带粘性的湿料加入小型挤出机中，然后重复挤出3遍得到泥状料，接着将泥状料密封保存，室温下陈腐25h，得到陈腐的物料；
（4）将陈腐的物料投入大型的管材挤出设备进行挤出，然后脱模，接着在温度为92℃下干燥24-28h，得到陶瓷生坯管材；
（5）在陶瓷生坯管材管壁四周上均匀涂覆一层氧化硅无机膜，然后室温干燥37h干燥，得到涂膜的陶瓷生坯管材；
（6）将涂膜的陶瓷生坯管材加入窑炉高温烧成，0-300℃时的升温速率为5℃/min，300-500℃时的升温速率为3℃/min，500-800℃时的升温速率为2℃/min，800℃时保温2.5h，800-1100℃时的升温速率为2℃/min，最后降至200℃时打开炉门自然冷却至室温，即可得到工业高温烟气过滤管道，实现了陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道。
实施例3
（1）将60kg氧化铝粉末、25kg无碱玻纤、18kg黄竹粉和活性炭按照质量比为1:4得到的混合造孔剂和3kg羧甲基纤维素混合后投入搅拌机中，搅拌均匀，得到干料；
（2）向搅拌机中添加干料质量38%的水，湿混均匀，得到带粘性的湿料；
（3）将带粘性的湿料加入小型挤出机中，然后重复挤出3遍得到泥状料，接着将泥状料密封保存，室温下陈腐27h，得到陈腐的物料；
（4）将陈腐的物料投入大型的管材挤出设备进行挤出，然后脱模，接着在温度为98℃下干燥24-28h，得到陶瓷生坯管材；
（5）在陶瓷生坯管材管壁四周上均匀涂覆一层高岭石无机膜，然后室温干燥39h干燥，得到涂膜的陶瓷生坯管材；
（6）将涂膜的陶瓷生坯管材加入窑炉高温烧成，0-300℃时的升温速率为6℃/min，300-500℃时的升温速率为4℃/min，500-800℃时的升温速率为3℃/min，800℃时保温2.5h，800-1100℃时的升温速率为3℃/min，最后降至200℃时打开炉门自然冷却至室温，即可得到工业高温烟气过滤管道，实现了陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道。
实施例4
（1）将60kg氧化铝粉末、10kg长玻纤、10kg黄竹粉和活性炭按照质量比为1:1得到的混合造孔剂和3kg羧甲基纤维素混合后投入搅拌机中，搅拌均匀，得到干料；
（2）向搅拌机中添加干料质量30%的水，湿混均匀，得到带粘性的湿料；
（3）将带粘性的湿料加入小型挤出机中，然后重复挤出3遍得到泥状料，接着将泥状料密封保存，室温下陈腐24h，得到陈腐的物料；
（4）将陈腐的物料投入大型的管材挤出设备进行挤出，然后脱模，接着在温度为90℃下干燥28h，得到陶瓷生坯管材；
（5）在陶瓷生坯管材管壁四周上均匀涂覆一层氧化铝无机膜，然后室温干燥36h干燥，得到涂膜的陶瓷生坯管材；
（6）将涂膜的陶瓷生坯管材加入窑炉高温烧成，0-300℃时的升温速率为5℃/min，300-500℃时的升温速率为3℃/min，500-800℃时的升温速率为2℃/min，800℃时保温2h，800-1100℃时的升温速率为2℃/min，最后降至200℃时打开炉门自然冷却至室温，即可得到工业高温烟气过滤管道，实现了陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道。
实施例5
（1）将60kg氧化铝粉末、30kg无碱玻纤、20kg黄竹粉和活性炭按照质量比为1:5得到的混合造孔剂和3kg羧甲基纤维素混合后投入搅拌机中，搅拌均匀，得到干料；
（2）向搅拌机中添加干料质量40%的水，湿混均匀，得到带粘性的湿料；
（3）将带粘性的湿料加入小型挤出机中，然后重复挤出3遍得到泥状料，接着将泥状料密封保存，室温下陈腐28h，得到陈腐的物料；
（4）将陈腐的物料投入大型的管材挤出设备进行挤出，然后脱模，接着在温度为100℃下干燥24h，得到陶瓷生坯管材；
（5）在陶瓷生坯管材管壁四周上均匀涂覆一层高岭石无机膜，然后室温干燥40h干燥，得到涂膜的陶瓷生坯管材；
（6）将涂膜的陶瓷生坯管材加入窑炉高温烧成，0-300℃时的升温速率为6℃/min，300-500℃时的升温速率为4℃/min，500-800℃时的升温速率为3℃/min，800℃时保温3h，800-1100℃时的升温速率为3℃/min，最后降至200℃时打开炉门自然冷却至室温，即可得到工业高温烟气过滤管道，实现了陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道。
测试方法：
过滤性能测试：采用阿基米德原理测试样品的气孔率，用以表征样品的过滤性能，测试结果如表1所示；
耐久性测试：参考GB/T 6569-2006用三点弯曲法测试样品抗折强度，用以表征样品的耐久性能，跨距为30mm，加载速率为0.5mm/min，抗折强度为R=3FL/（2bh2）；其中，R-抗折强度，F-在破坏载荷处产生的最大压力，L跨距，b-样品宽度, h-样品高度。
表1：
Figure 747235DEST_PATH_IMAGE002
由表1可见，本发明能够制备大管径高温烟气过滤陶瓷管，且气孔率高，过滤阻力低；抗折强度高，耐久性好，使用寿命长。

Claims (10)

1.一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，其特征在于，所述工业高温烟气过滤管道是将氧化铝粉末、玻璃纤维、造孔剂和羧甲基纤维素混合搅拌成干料，然后添加水形成湿料，接着反复挤出形成泥状料并陈腐处理，再挤出得到陶瓷生坯管材，接着在管壁四周涂覆无机膜并干燥，最后通过窑炉高温烧成、冷却而制得，具体制备方法如下：
（1）将氧化铝粉末、玻璃纤维、造孔剂和羧甲基纤维素混合后投入搅拌机中，搅拌均匀，得到干料；
（2）向搅拌机中的干料添加水，湿混均匀，得到带粘性的湿料；
（3）将带粘性的湿料加入小型挤出机中，然后重复挤出3遍得到泥状料，接着将泥状料密封保存，得到陈腐的物料；
（4）将陈腐的物料投入大型的管材挤出设备进行挤出，然后脱模，接着干燥，得到陶瓷生坯管材；
（5）在陶瓷生坯管材管壁四周上均匀涂覆一层膜，然后干燥，得到涂膜的陶瓷生坯管材；
（6）将涂膜的陶瓷生坯管材加入窑炉高温烧成，然后冷却，即可得到工业高温烟气过滤管道，实现了陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，其特征在于，步骤（1）中所述玻璃纤维为长玻纤、短玻纤、无碱玻纤中的一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，其特征在于，步骤（1）中所述造孔剂为活性炭、黄竹粉中的一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，其特征在于，步骤（1）中所述干料制备中，氧化铝粉末、玻璃纤维、造孔剂、CMC的质量比例为60:10-30:10-20:3。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，其特征在于，步骤（2）中所述湿料制备中，干料、水的质量比例为100:30-40。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，其特征在于，步骤（3）中所述密封保存为室温下陈腐24-28h。
7.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，其特征在于，步骤（4）中所述干燥的温度为90-100℃，时间为24-28h。
8.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，其特征在于，步骤（5）中所述膜为无机膜，无机膜主要成分为氧化铝、氧化硅、高岭石中的一种或两种以上的组合。
9.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，其特征在于，步骤（5）中所述干燥的温度为室温，干燥36-40h。
10.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料制备工业高温烟气过滤管道的方法，其特征在于，步骤（6）中所述高温烧成的过程中，0-300℃时的升温速率为5-6℃/min，300-500℃时的升温速率为3-4℃/min，500-800℃时的升温速率为2-3℃/min，800℃时保温2-3h，800-1100℃时的升温速率为2-3℃/min，最后降至200℃时打开炉门自然冷却至室温。
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