CN101296740A - 改进的过滤元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷过滤元件，所述过滤元件由主要包含长度为100～150μm、粗度1～5μm的无机纤维的絮凝浆体制成。该浆体还包含长度为10mm或更长的无机纱，例如长度为10～150mm，粗度为0.1～0.5mm的直径。该浆体在水中形成，水添加有硅胶和淀粉以絮凝该浆体。絮凝的浆体然后被注射到包括适当造型的网模的模具中，并且水被真空装置去除，由此形成的过滤器在烘炉中以120℃干燥8到12小时。纱可以为玻璃或氧化铝单丝或多丝纱，这种纱的添加增强了所生产的陶瓷过滤元件的抗冲击性。

Description

改进的过滤元件

技术领域

本发明涉及一种改进的过滤元件，尤其是用于例如气体过滤的陶瓷过滤元件。

背景技术

由于陶瓷材料对高温固有的耐受性，-须承受高温(例如装入炉子的烟道)的气体过滤元件通常由陶瓷材料制成。这些过滤元件通常采取管的形式，具有允许载有灰尘的气体进入的开口端、和封闭端，也称为烛形过滤器。

如WO 03/090900中所述，过滤元件可以由注塑成型处理制成的无机纤维构成。无机纤维可包括陶瓷纤维、晶体矿物纤维、非晶体矿物纤维、矿棉、玻璃纤维和具有难熔特性的其它纤维。陶瓷纤维可包括含有氧化铝、铝硅酸盐、硅酸钙或其它硅酸盐的纤维。由于纤维的低密度分布，即便在催化剂或其它组成缠结在纤维中时，也可以获得70-80％的孔隙率。

如此制成的过滤元件在微粒保持方面非常好，但由于其高孔隙率而具有低的强度，当定位在过滤器装置中时，过滤元件由于脆性和低的抗冲击性而易于断裂，导致过滤元件的一部分留在固定架中，而一个或更多的其它部分则落入为灰尘提供的收集器中，从而需要修复。在二氧化硅中浸渍该过滤器能够增强过滤器本体对冲击的抵抗，但这往往会堵塞本体内的孔且因而增加将空气吸过过滤器所需要的能量，从而该元件作为灰尘过滤器的效率降低。在WO 05/072848中提出了在过滤结构中包括金属笼的方案，但该方案是昂贵的且可能引起对过滤元件表面的损伤。

另一途径是使用可替换纤维，例如硅灰石等矿物的针形晶体，如GB A 2,298,591中所提出的那样。然而，这仅赋予了小量的强度增加，该元件仍是脆性的。

最后，可以使用例如由金属纤维制成的全金属过滤器，但这种过滤器非常重而且昂贵。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种改进的过滤结构，其因具有增强的韧性而具有显著改进的抗断裂性，而不会损害过滤器的孔隙率、重量或过滤特性，而且即使它由于破裂或断裂而破坏，仍将保持整块，从而它能够容易地修复而且是以相对经济的方式完成修复。

根据本发明，过滤元件由主要包含无机纤维的材料制成，其特征在于，该材料还包含一些无机纱，所述无机纱长度为10mm或更长。

术语“无机纤维”和“无机纱”包括由陶瓷材料、岩石或矿棉、晶体或非晶体纤维、玻璃纤维和具有耐火特性的其它纤维制成的散纤维或纱。陶瓷散纤维和纱可包括含有氧化铝、铝硅酸盐、硅酸钙和其它硅酸盐的散纤维和纱。所使用的纱可以由丝或线纺成，以制成多丝或短纤维纱，或者是挤压成型的单丝纤维。

纱可以设定为长度10mm到150mm，直径0.1～0.5mm，通常情况下平均长度大约50mm。散纤维通常长度为100～500μm，粗度1～5μm。

在过滤器组成中，纱优选占据较少的量，例如占陶瓷散纤维重量的1/30的量级。其它组成可以包括一些非纤维氧化铝、一些硅胶、和淀粉溶液。它们可以被添加到水中形成絮凝浆体，以用于通过注塑成型处理形成过滤元件。

本发明还提供一种制造这种过滤元件的方法，该方法包括成型主要包含无机纤维的浆体，其特征在于，该材料还包含一些无机纱，所述无机纱长度为10mm或更长。浆体可以絮凝，如上文所述。

通过在适当造型的丝网模上成型散纤维、纱等，同时将水用真空装置吸走和去除，该浆体可成型为烛形过滤元件。接着将湿的成型过滤元件从模上移走并在烘炉中干燥。

烘炉以120℃干燥该元件8到12小时。

例如，由该优选方法制成的过滤元件长度可为1到3米，外径为60到150mm。一般，较短的过滤器也具有较小的直径。该元件可包括中空管，该中空管在一端封闭且可具有10到20mm的壁厚，较长和较宽的过滤器通常具有较大的厚度。管的开口端可具有向外延伸的凸缘，从而允许过滤元件被夹持在过滤设备中。

众所周知，未增强的过滤元件是脆性而不结实的。然而，该元件通常是从气体流中过滤非常小、重量轻的微粒，故它们不会经常由于材料的强度受到通常的操作损害而破坏。相反，由于意外的机械冲击(例如，突然的大振动)，该元件则很可能破坏，由于元件是脆性的，所述机械冲击会将它们破坏。根据本发明，用长纱韧化该元件，从而以强度的少量损失为代价，提供了由于机械冲击而破坏的可能性减小、同时在正常工作中也不太可能破坏的过滤元件。

该韧性与材料强度不同，强度是对发生断裂时的峰值应力的度量。通过包含适当种类和数量的长纱，可以显著地增加韧性而不实质性地损害材料强度。

附图说明

现在将以实例的方式参考附图描述根据本发明的过滤元件及其制造方法的优选实施例，其中：

图1是根据本发明的定位在过滤装置中的过滤元件的开口端的截面图；

图2是过滤元件内部的一部分的放大示意图，图示了其组成。

具体实施方式

根据本发明的过滤元件10包括大体上圆筒形的中空本体11，该本体11具有封闭端(未示出)和开口端12，开口端形成有凸缘13。这里显示了定位于过滤机器中的状态，与带有密封垫圈15的管板14、以及夹板16接合，夹板16将凸缘13经垫圈压靠在管板14上。插入件17提供了文丘氏管18。该结构是本领域熟知的类型。

图2显示了元件10的一部分的示意性放大详图。它包含一些长的粗纱20和大量的毡状的散纤维21，散纤维21彼此缠结且与纱20缠结。纱和散纤维均为无机材料，在优选实施例中为陶瓷材料，例如铝硅酸盐。

在制作过滤元件10的过程中，含有纤维21和纱20连同其它成分及絮凝剂的浆体通过注塑成型形成在精细的金属网眼圆柱体上，透过网眼将浆体抽出后，过量的液体-主要是水-将被排掉，而成块的散纤维和纱则留在网眼圆柱体的筛网上。然后将该块移走并插入到模具内，以制造具有封闭端和开口端的长型圆筒形过滤元件。

将由此形成的湿过滤元件从模具上移走，并在烘炉中以120℃干燥8到12小时。

在优选实例中，模制过滤元件10的浆体如下组成：

水1000kg

陶瓷散纤维15kg

陶瓷纱0.5kg

氧化铝1.47kg

硅胶3.69kg

淀粉溶液20kg

陶瓷散纤维长度为100到500μm，直径1到5μm。

陶瓷纱被切成50mm长，但可以为10mm到150mm的长度，且通常粗度为0.1～0.5mm(可与散纤维的长度作比较)。

陶瓷散纤维和纱片被散布在水中，水中加有无机粘合剂，例如硅胶。可以加入粉末形式的可选填充物，例如氧化铝，也可添加活性碳等活性剂或催化剂，搅动该混合物以混合所有的固态成分并使得无机粘合剂涂覆该散纤维、纱和粉末。

然后通过添加淀粉溶液、同时继续搅动，而使浆体絮凝，淀粉溶液优选为阳离子改性的。

也可以使用其它絮凝材料，如聚丙烯酰胺等聚合絮凝体，或用该其他絮凝材料替代淀粉溶液。

通过该方法从浆体制得的过滤元件10长为1到3米，直径为60～150mm，且为包括具有封闭端和开口端的管的通常的“烛”形，该过滤元件10具有10到20mm的壁厚。

仅含有散纤维而不含有纱的浆体的絮凝会产生直径比如为5～50mm的小的离散絮凝体。当添加长纱时，絮凝体由长纱松散地粘合在一起。当模制过滤元件时，离散的絮凝体首先借助浆体的压力被压缩在一起，然后由真空装置压缩。于是，由于硅胶和淀粉引起的纤维和絮凝体之间的粘合，漏斗形过滤元件被保持在一起。当浆体含有附加的长纱时，松散粘合的絮凝体群被压缩在一起，通过硅胶和淀粉而得到同样的粘合，但具有附加的纱和纤维的缠结(例如，如图2所示)。该附加的缠结本身就显现出改善的材料韧性。

纱和散纤维可由任何合适的无机材料制成，例如陶瓷材料、岩石或矿棉、晶体或非晶体纤维、玻璃纤维和具有耐火特性的其它纤维。陶瓷散纤维或纱可以包括含有氧化铝、铝硅酸盐、硅酸钙和其它硅酸盐的散纤维和纱。散纤维和纱可以为相同的材料，或不同的材料。

现有技术的标准的未增强陶瓷过滤元件是相对脆性的，在施加压缩或拉伸载荷时，在它断裂之前不会引起大的移位。换句话说，与机械应变相比，机械应力增加非常快。此外，一旦施加足够的应力引起断裂，未增强材料将不能有效地吸收更多的应力。进一步的移动(即增加的应变)只能产生非常低的应力值，这没有实际用处，操作中意味着过滤元件解体。

通过引入缠结在过滤元件本体内的长纱(如图2)，在断裂后即使有增加的应变，材料仍将承受大量的应力，从而韧性增加。实际上，该元件将保持在一起且继续发挥作用。

所有这些都与材料强度不同，强度是峰值应力的度量(即，在脆性材料中，例如陶瓷，是发生断裂时的应力)。本发明源自于添加适当类型和数量的纱，用该长纱可以显著地增加韧性而不过于损害强度。

通过制作过滤元件材料的实验室样品，已经发现制成未增强陶瓷过滤元件的材料将在非常低的应变(例如2～3％)下断裂，进一步的应变将产生急剧减小的应力。为了证明这一点，我们得到了各种材料的峰值应力、以及超过断裂应变测定的应力的值。

通过制备高达所述量的0.2％的优选实例的浆体混合物的样品，进行实验室试验，使得它包括2kg水、0.03kg散纤维和适当比例的其它成分。浆体以相同的方式制作，只是1型或2型纱与散纤维同时添加到水中，且非常充分地混合，以在添加其它从成分之前将纱散布在散纤维内。

一旦浆体絮凝，就一边在筛网下使用真空装置，一边在上面灌注浆体，从而在水平金属筛网(100×100mm)上形成固体。真空装置去除大部分的水，留下湿的瓦片，瓦片随后在烘炉里以120℃干燥8小时。干燥的瓦片随后进行应力/应变断裂试验。

下表示出了两种不同类型的纤维(A型-玻璃单丝，B型-氧化铝多丝)；A型纤维以两种不同的长度-90和45mm添加：

表1：纤维类型A1-90mm单丝玻璃纱

纱的添加重量百分比/％	峰值破坏应力/KNm-2	6％应变时的应力/KNm-2
			0(30g散纤维，0g纱)	0.37	15
1(30g散纤维，0.3g纱)	0.30	50
			2(30g散纤维，0.6g纱)	0.30	65
3(30g散纤维，0.9g纱)	0.28	110
			5(30g散纤维，1.5g纱)	0.22	100
10(30g散纤维，3.0g纱)	0.13	110

表2：纤维类型A2-45mm单丝玻璃纱

纱的添加重量百分比/％	峰值破坏应力/KNm-2	6％应变时的应力/KNm-2
			0(30g散纤维，0g纱)	0.37	15
5(30g散纤维，1.5g纱)	0.23	140
			10(30g散纤维，3.0g纱)	0.21	160

表3：纤维类型B-50mm扭绞多丝氧化铝纱

纱的添加重量百分比/％	峰值破坏应力/KNm-2	6％应变时的应力/KNm-2
			0(30g散纤维，0g纱)	0.37	15
15(30g散纤维，4.5g纱)	0.25	80
			20(30g散纤维，6.0g纱)	0.29	80
50(30g散纤维，15.0g纱)	0.31	240

从表1可以看出，添加更多的纱会显著增强材料的韧性。因为在含有3％的纱时，6％应变时的应力增加了几乎8倍。但不幸的是，随着纱量增加，峰值破坏应力减少，因此强度随着韧性的增加而损失。超出3％、进一步添加1型纤维是无效的，因为这在使浆体脱水时引起了成型问题-实际上浆体含有松散地粘合在过多的纱上的过少的絮凝物。因而，当成型出瓦片时，它具有缺陷而不能获得进一步的韧性增强。

然而，在表2中，通过使用较短的1型纱(45mm，而不是90mm)，可以将成型问题约束韧性的进一步增强的点后延(可以到10％的纱添加量)。因此，当添加5％的较短1型纱时，材料比使用等量的长纱时更有韧性且强度更大。

而对于2型纱，则可以添加到散纤维中的纱量大于1型。但仍然显示出了相同的趋势，即，纱越多，则韧性增强变多，但强度损失也增加。

Claims (12)

1.一种过滤元件，由主要包含无机纤维的材料制成，其特征在于，该材料还包含一些无机纱，所述无机纱长度为10mm或更长。

2.根据权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述纱包括单丝玻璃纱。

3.根据权利要求1或2所述的过滤元件，其特征在于，所述纱包括多丝氧化铝纱。

4.根据前述权利要求任一项所述的过滤元件，其特征在于，所述纱的长度为10mm到150mm，直径为0.1～0.5mm。

5.根据前述权利要求任一项所述的过滤元件，其特征在于，无机纤维长度为100～150μm，粗度为1到5μm。

6.根据前述权利要求任一项所述的过滤元件，其特征在于，所述纱占无机纤维重量的1/30量级。

7.根据前述权利要求任一项所述的过滤元件，其特征在于，还包括一些非纤维氧化铝、硅胶和淀粉溶液，它们被添加到水中形成絮凝浆体，以供成型过滤元件使用。

8.根据权利要求7所述的过滤元件，其特征在于，所述浆体通过注塑成型形成为过滤元件。

9.一种制造权利要求1到8任一项所述的过滤元件的方法，该方法包括成型主要包含无机纤维的浆体，其特征在于，该材料还包含一些无机纱，所述无机纱的长度为10mm或更长。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述浆体使用硅胶和淀粉溶液絮凝。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，絮凝的浆体被注射到由适当造型的丝网模形成的模具内，浆体中的水被吸掉和去除，留下沉积在丝网模上的纤维，从而留下湿的成型过滤元件。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，接着将湿的成型过滤元件从模具上移走并在烘炉中以120℃干燥8到12小时。

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