陶瓷过滤器

陶瓷过滤器过滤特性

过滤特性中最主要的是上述的收尘效率，其次还有过滤容量、气孔堵塞问题等。

陶瓷过滤器过滤容量

对于洁净的流体，通过陶瓷过滤器层的流体渗透量与面积、压力差成正比，与板厚、粘性系数成反比。将过滤（器）层看作毛细管的集合，通过毛细管的流体流量，可用下式表示：

v=（π·d⁴·ΔP）/（128η·l）=（π·d⁴·ΔP）/（128α·η·L）

此外，气扎率ε和单位面积的毛细管数N、毛细管直径d的关系可用下式表示：

ε=（π/4）d²·N

从而渗透量V可用下式表示：

V=N·v=（d²·ε·ΔP）/（32α·η·L）

式中 V——单位时间单位面积的渗透量（厘米³/厘米²·秒）；

ΔP——压力差（达因/厘米²）；

η——粘性系数（达因·秒/厘米²）；

L——过滤（器）层的厚度（厘米）；

d——毛细管直径（厘米）；

l——毛细管长度（厘米）；

α——弯曲度（1～3）。

也就是说，通过陶瓷过滤（器）层的流体渗透量与过滤器的气孔率及毛细管的直径平方成正比。增加粘结剂的量，扩大颗粒直径分布范围等使气孔率ε下降，流体的渗透量降低，因此，粘结剂的量和颗粒直径分布应作为过滤器的制造条件。陶瓷过滤器的气孔率为33±2%，减小厚度，增大气孔直径虽可增加渗透量，但收尘效率反而下降。另外，还要考虑强度等因素，然后选定各种条件。

陶瓷过滤器堵塞

陶瓷过滤器收集的固体堆积在过滤（器）层外面或过滤（器）层内部，堵塞过滤器的气孔，过滤容量就会下降。这种堵塞状态可表现为几种形式，如表面收集固体；固体进入过滤器内层；还有在表面堆积的固体形成粗糙的表层（好象是过滤层那样），在这些情况下，虽过滤容量都逐渐下降，但下降程度是各不相同的。

陶瓷过滤器强度

由于陶瓷过滤器本身受到内压、外压、压缩、拉伸等作用力，因而强度是重要特性之一。另外，在高温下（700～1000℃）使用时，过滤器受热后并不引起软化和强度下降山是非常重要的特性。虽然强度受骨料质量、骨料颗粒大小、粘结剂质量和混合比等很多因素影响，但是主要与骨料强度、粘结层强度有关。例如，通常用作骨（集）料颗粒的各种材料的强度顺序为：

SiC，Al₂O₃>莫来石>陶瓷颗粒>硅砂，碳粒

虽然粘结层的强度主要取决于粘结剂和烧成条件（温度和气氛），但是调整粘结剂和骨（集）料的热膨胀系数，确保粘结剂和骨料的粘结力也是很重要的（即热膨胀系数和粘结力也是影响粘结层强度的重要因素）。

陶瓷过滤器耐腐蚀性

陶瓷过滤器通常具有极其优良的耐酸性，在高温条件下，对于氟酸以外的所有酸仍是稳定的。耐酸性受粘结剂的配合、烧成条件、骨料质量等因素影响。为了获得耐碱性、耐蒸气特性优良的过滤器，需采用特别配制的粘结剂。碳质过滤器具有优良的耐碱性。

陶瓷过滤器耐污染性

在精密过滤场合（作为特殊的情况），为防止污染液体，不允许有微量的溶出物，采用陶瓷过滤器时，通常没有溶出物，而且按食品卫生法来检验，也是合格的，因此可在禽品工业领域采用

陶瓷过滤器抗热震性

虽然陶瓷过滤器可用于其它多孔体不能达到的高温区域，但是在过滤燃烧废气、熔融金属时，以及处于气体吹入高温炉内的喷口等场合，最好用于1000℃以下的高温区域。为适应更高的温度区域，考虑了使用粘结剂非常少的，骨料彼此以自相结合的方式构成的过滤器。

在700～1000℃高温区域，抗热震性优良的碳化硅陶瓷过滤器显示出良好的效果。其次是氧化铝陶瓷过滤器。下图2所示出以碳化硅为骨（集）料，采用特殊配制的陶瓷粘结剂的过滤器的高温强度的变化。由图2可见，在粘结剂开始软化的温度以下，出现了高温强度高于常温强度的倾向。

现以碳化硅陶瓷过滤器来探讨陶瓷过滤器的抗热震性。当流体为气体时，从制品形状来讲，能耐温差达400～700℃的急冷急热。氧化铝陶瓷过滤器能耐温差达300～400℃的急冷急热。这种过滤器所以具有这样高的抗热震性，是由于陶瓷具有多孔性，能吸收热变形所致。

陶瓷过滤器是使用比较广的一种过滤器，它采用刚性的微孔材料作为过滤元件。它包括陶瓷、刚玉、碳化硅、砂芯片等一系列的过滤器，如图1所示。因过大的气流可使灰尘黏附在过滤器上，造成堵塞，为了防止过大的气流直接吹射陶瓷杯，因此在陶瓷杯的外面加上一个防护罩，使气流绕过过滤器的下部，再进入过滤器。为了减小无效的体积，使过滤器的底部为锥形，同时增加了一个分路接头。一方面可以把灰尘吹走；另一方面，由于气体不断流动而加速了气体交换，减小了滞后时间。为便于更换和清理过滤器，设计了陶瓷过滤器系统。当一个过滤器发生堵塞时，可转动两个四通换向阀，把样气通入另一个过滤器，堵塞的过滤器则可通过高压空气进行反吹，使黏附在陶瓷滤杯上的灰尘除掉。这样两个过滤器轮换工作。它适用于较重要的分析系统，以及容易发生堵塞的含尘量较高的取样系统。

目前，陶瓷过滤器在很多工业领域得到越来越广泛地应用，如催化贵金属回收、流化床燃烧、煅烧、有机废物气化发电、建材、化工和各种工业窑、炉等工业过程的高温烟气净化。高温烟气净化的应用还会出现在冶炼、材料生产和玻璃制造等。这些高温烟尘净化常是在接近大气压条件下进行的。

陶瓷过滤器最突出的应用是燃煤发电领域的烟尘净化。因为在世界范围内对电能的需求日益增长，煤是解决电力问题的主要来源。对于这种化石燃料的不可再生性，最大限度地提高发电效率和减少对大气造成的污染已成为世界各国，特别中国这样一个燃煤大国的一个主要任务。通过循环流化床（CFBC）发电和煤气化（IGCC）发电，及其组合式发电可以实现提高发电效率的目的。煤气化发电不同于传统的蒸气机发电过程，将煤加热汽化后，在煤气进入燃气式发电机（气燃机）之前，需要先净化。即任何粉尘或其他杂质必须除去。大多数发电厂将进入气燃机的允许含尘浓度限制在5 mg/m³以下。理论上最好低于1 mg/m³。除尘系统的工作温度常在350～1000℃、压力为1～2.5 SPa。因此，要在如此高温、高压下达到如此高的净化效果，陶瓷过滤器必然成为第一选择。

陶瓷过滤的研究主要集中于两个方面：一是陶瓷过滤器的材质，包括陶瓷过滤器的制造工艺及性能；二是陶瓷过滤器的结构，包括过滤器的形状、安放位置、过滤机制及过滤效果。

选择过滤器材质要根据过滤所要去除的夹杂物的类型来进行选择，同时也要考虑材料的抗蠕变及抗热振性。大量的实验结果表明，材质、孔隙度和陶瓷过滤器的内表面粗糙度影响过滤效果。

陶瓷过滤器的结构是由其材质决定的，根据材质的不同，可以把陶瓷过滤器分为泡沫陶瓷过滤器和颗粒陶瓷过滤器两大类。

陶瓷过滤器过滤器

泡沫陶瓷过滤器的开孔体积为75%～90%，通常是按每英寸线上的孔数（ppi）来进行分类。如10 ppi的泡沫陶瓷过滤器，其孔径为1778 μm，范围为584～3708 μm；30 ppi的泡沫陶瓷过滤器，其孔径为711 μm，范围为229～1422 μm。泡沫陶瓷过滤器的厚度一般为25 mm。在浇注系统中有直立安放的，也有水平安放的，其结构根据具体的使用情况来设计。

泡沫陶瓷过滤器曾经选用过的材质有NCL-Mullite，ZrO₂，Zr-SiO₄与Al₂O₃等。采用Al₂O₃泡沫陶瓷，在操作时不易碎，其抗热振崩裂性能好，在1700℃高温金属液流动下，抗蠕变变形能力强。因为开孔的孔隙度高（75%～90%）和孔壁很薄，所以泡沫陶瓷过滤器在与金属液接触前不需要预热。

陶瓷过滤器颗粒陶瓷

颗粒陶瓷过滤器的结构为上下有孔的支撑板，中间为颗粒填充物，在颗粒上镀有一层活性吸附材料，见图3。支撑板的厚度一般为12 mm，孔直径为4.5～13 mm。

颗粒陶瓷过滤器选用MgO或Al₂O₃作为填充物，根据要过滤夹杂物的类别选用活性吸附剂。对于用稀土金属处理过的高温合金，选用稀土金属为活化剂，当使用氧化钙颗粒时要解决防水化问题。

CaO耐火材料是很好的颗粒陶瓷过滤器的填充材料，它不仅可以依靠物理吸附原理，而且还可以通过化学反应去除夹杂物。但有两个原因限制了其大量应用：一是需极高的烧结温度（高于1800℃）才能获得必需的致密度和机械强度。二是在常温和大气下易水化。

CaO耐火材料的优点是耐火度高，碱度高，钢液过滤性好，资源极为丰富。提高钢液过滤用CaO耐火材料抗水化性能的途径是大力提高CaO耐火材料的烧结度，大结晶粒度，采用超高煅烧或电熔石灰；在CaO表面形成一层保护膜；在CaO烧成品上浸上焦油或有机树脂薄膜作为中间过渡措施；在CaO中加入少量的化学添加剂，其作用是降低CaO的烧结温度，并在烧结后期使烧结体内部产生部分液相，促进CaO晶粒的长大。

①除氢氟酸、浓碱以外，对所有腐蚀液具有极其优良的耐腐蚀性；

②耐热性能良好，不会产生热变形、软化、氧化，在较高温度下仍可使用；

③气体分布均匀，可按要求形成0.1～600mm的细孔径；

④刚性大，在流体压力作用下并不引起形状变化和细孔变形；

⑤液体中没有渗出物，不会污染液体。

含煤废水处理陶瓷过滤器是工业(环保)废水处理的一种新型设备，是国家的主要项目产品之一，该设备主要针对化工、冶炼、电力、石化、焦化、煤气、净水处理等方面的油水分离、废水净化和气体除尘处理而设计的高效净化设备，该分离器不是以传统的填充料、钢塑筛网、焦碳、石英砂等作为分离材料，而是以瓷刚玉为原料制作的滤材作为陶瓷过滤器的主要组成部分，而且将传统的分离池、槽、罐等浓缩为一个整体分离设备，大幅度浓缩和精减分离程序和设备，在工艺方面采用了正切分离方式、将吸附、分离的工序有效地结合起来，集聚于设备之中，起到了投资少效率高的双重效果。

含煤废水处理陶瓷过滤器有罐体式和框架式两种结构，罐体式是将滤材置于罐体中，罐体的上空间作用于集聚油类物而排出，罐体的下空间作用于沉积重金属、泥污好惹悬浮物而排出。待滤液体经滤材分离至标准性液体或水。框架式过滤器将分离分单个组装成分离器，采用下进、中出的交错分离工艺，随废水流动的胶体物，悬浮物在压力状态下被带到上部位经排污管排出。