CN101954246B - 粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜及制法 - Google Patents
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Abstract
粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜及制法属于多孔陶瓷过滤管制造技术领域，其特征在于，把陶瓷纤维制成纤维膜浆料，在具有孔径大于表面膜粉料粒径的支撑体表面制备出设定厚度的陶瓷纤维过滤膜，烘干后，再在此陶瓷纤维膜外面制备出具有过滤作用的过滤膜并高温烧结。本发明制备出的双层非对称表面膜与传统的单层颗粒表面膜相比，具有可以有效降低过滤管的过滤压降，从而延长过滤管的使用寿命的优点。
Description
技术领域
本发明属于多孔陶瓷过滤管制造技术领域，特别涉及了一种高温过滤多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜的制备方法。该种双层非对称表面膜主要用于高温气体过滤除尘领域。
背景技术
传统的火力发电不仅能源利用效率低，而且排放出大量粉尘，对环境污染很严重。因此，能源利用率高且几乎没有粉尘排放的新型火力发电系统，如整体煤气化联合循环(IGCC)、增压流化床燃烧联合循环(PFBC)等洁净煤发电系统，备受青睐，前景广阔。在这些洁净煤发电系统中，煤经高温气化成为含有大量粉尘的粗煤气，粗煤气经高温除尘子系统除去粉尘，然后洁净的煤气再经除硫、氮后就可以在燃气轮机中燃烧发电了。如果洁净煤气中粉尘含量超标将严重损坏燃气轮机的叶片，减少燃气轮机的寿命。高温除尘子系统中的核心部件是高强度耐高温多孔陶瓷过滤管。
现在常用的高强度耐高温多孔陶瓷过滤管的结构包含两部分，一部分是位于过滤管内层提供力学强度的支撑体层，另一部分是附在支撑体层外面的起除去粉尘作用的表面膜层。支撑体层的原料通常是粒径几百微米的耐高温陶瓷粉料，如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、莫来石(3Al2O3·2SiO2)、氧化铝(Al2O3)、堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)等。支撑体层厚度约10～20mm。表面膜层的原料是粒径几微米到几十微米的耐高温陶瓷粉料，其厚度约为100-200μm。高温气体除尘要求在满足除尘要求(煤气粉尘浓度降至5mg/m3，除尘效率可达99.5％以上)的前提下，过滤管内外两侧的过滤压降越小越好。因为过滤压降小的除尘系统的寿命更长。影响过滤压降的因素主要有支撑体和表面膜的厚度、气孔率和孔径。由于支撑体的强度对气孔率和气孔孔径的变化很敏感，所以通过调整支撑体的气孔率和孔径来调整过滤压降的方法不能有效地降低过滤压降。另一个可以有效降低过滤管的过滤压降的方法就是降低表面膜的厚度。
表面膜需要保证过滤后的气体中粒径5μm以上的粉尘不大于10mg/m3，所以表面膜粉料颗粒粒径很小，而支撑体层的平均孔径约为几十微米，远大于表面膜粉料的平均粒度。因此在支撑体上制膜时，会有部分表面膜粉料进入支撑体的孔隙中，这就使得表面膜层的实际厚度(从进入支撑体孔隙的表面膜料底面算起到表面膜外表面)大于其名义厚度(支撑体表面到表面膜外表面的厚度)。通常其实际厚度约为名义厚度的1.5倍。进入支撑体孔内的这部分表面膜粉料明显增加了过滤管的过滤压降，而对过滤除尘则是多余的。
目前德国ball公司、日本中央电力研究院、英国工业过滤器和泵公司等开发的都是具有单层表面膜的多孔陶瓷过滤管，其支撑体层采用碳化硅、莫来石、堇青石等材料，而表面膜层多采用莫来石、氧化铝、碳化硅、堇青石等材料。这种具有单层表面膜的过滤管都存在着制膜过程中表面膜粉料进入支撑体孔隙中使表面膜的实际厚度大于其名义厚度的问题，因此需要进一步从结构设计的角度在保证过滤精度的前提下阻止表面膜粉料进入支撑体孔隙，以降低表面膜厚度，从而降低过滤压降。
发明内容
本发明的目的在于开发一种用于高温气体过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜的制备方法。该结构的表面膜是在原具有单层表面膜过滤管的支撑体层和表面膜层之间增加一层陶瓷纤维过渡层，这一陶瓷纤维过渡层将有效阻止表面膜粉料进入支撑体孔隙，从而有效降低过滤压降，同时还可以使表面膜成膜更加均匀，更加完整。
粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜的特征之一在于，是一种洁净煤发电系统中用于过滤粉尘用的附在多孔陶瓷支撑体层外面的一种双层非对称表面膜，含有：陶瓷纤维过渡层和过滤膜层，其中：
陶瓷纤维过渡层，涂覆在所述多孔陶瓷支撑体层外面，所述陶瓷纤维过渡层由莫来石纤维构成，所述莫来石纤维的单根纤维直径分布在1μm～500μm之间，长径比均大于10；过滤膜层制膜在由所述陶瓷纤维过渡层构成的陶瓷纤维坯膜上，所述过滤膜层由作为陶瓷粉料的碳化硅粉和作为粘结剂的高岭土构成。
根据所述的粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜而提出的制法，其特征之一在于，依次含有以下步骤：
步骤(1).把质量为2g、单根直径分布在1μm～500μm、长径比大于10的莫来石纤维和质量为1.5g的羧甲基纤维素钠加入烧杯中，加入足量的水，加热煮沸并同时搅拌，直至莫来石纤维分散均匀且使陶瓷纤维浆料中莫来石纤维质量分数达到5％，得到40g所述陶瓷纤维膜浆料；
步骤(2).把质量为9g、平均粒径为54μm的碳化硅粉和质量为1g的高岭土在35ml去离子水中磁力搅拌混匀，得到45g过滤膜浆料，其中碳化硅粉的质量百分数为20％；
步骤(3).用步骤(1)得到的莫来石纤维浆料在以碳化硅为骨料的多孔陶瓷支撑体上用流延法制备莫来石纤维膜，经110℃下烘干，再在该莫来石纤维坯膜上制备过滤膜，并经110℃烘干后，形成双层非对称表面膜，最后将具有该双层非对称表面膜的多孔陶瓷过滤管在1280℃下烧结3小时。
粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜的特征之二在于，是洁净煤发电系统中过滤粉尘时附在多孔陶瓷过滤管的多孔陶瓷支撑体层外面的一种双层非对称表面膜，含有：陶瓷纤维过渡层和过滤膜层，其中：
陶瓷纤维过渡层涂覆在所述多孔陶瓷支撑体上，该陶瓷纤维过渡层由莫来石纤维和硅酸铝纤维构成的混合纤维共同组成，该莫来石纤维的单根纤维直径分布在1μm～500μm之间，长径比大于10，该硅酸铝纤维的单根纤维直径也分布在1μm～500μm之间，长径比也大于10；
过滤膜层制膜在由所述陶瓷纤维过渡层构成的陶瓷纤维坯膜上，该过滤膜层由作为陶瓷粉料的莫来石粉和作为粘结剂的高岭土构成。
根据所述的粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜而提出的制法，其特征之二在于，依次含有以下步骤：
步骤(1).把质量为1g，直径分布在1μm～500μm之间，长径比大于10的莫来石纤维棉和质量为1g，直径分布在1μm～500μm之间，长径比大于10的硅酸铝纤维棉加入烧杯中，再加入2g聚乙烯醇和适量的水，加热煮沸并同时搅拌，直到所述莫来石纤维分散均匀且使陶瓷纤维浆料中莫来石纤维质量分数达到10％，得到10g重的所述陶瓷纤维膜浆料；
步骤(2).把质量为9g，粒径为20μm的莫来石粉和质量为1g的高岭土在35ml去离子水中磁力搅拌分散，得到45g过滤膜浆料，其中莫来石粉的质量百分数为20％；
步骤(3)把步骤(1)制得的莫来石纤维和硅酸铝纤维混合浆料在所述碳化硅多孔陶瓷支撑体上用流延法制备成陶瓷纤维坯膜，再在110℃下烘干；然后在所述陶瓷纤维坯膜上利用步骤(2)得到的过滤膜浆料采用流延法制成过滤膜，再在110℃下烘干；最后把具有所述双层非对称表面膜的碳化硅多孔陶瓷支撑体在1280℃下烧结3小时。
粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜的特征之三在于，是一种洁净煤发电系统中用于粉尘过滤的多孔陶瓷过滤管内附在多孔陶瓷支撑体层外面的一种双层非对称表面膜，含有：陶瓷纤维过渡层和过滤膜层，其中：
陶瓷纤维过渡层，涂覆在所述多孔陶瓷支撑体上，该陶瓷纤维过渡层由作为陶瓷纤维的莫来石纤维和硅酸铝纤维混合而成的混合纤维构成，该莫来石纤维和硅酸铝纤维的质量分别为1g和2g，直径分布均在1μm～500μm之间，而且长径比大于10，过滤膜层制膜在由所述陶瓷纤维过渡层构成的陶瓷纤维坯膜上，该过滤膜层由作为陶瓷粉料的氧化铝粉和作为粘结剂的高岭土粉构成。
根据所述的粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜而提出的制法，其特征之三在于，依次含有以下步骤：
步骤(1).把作为陶瓷纤维的莫来石纤维和硅酸铝纤维构成的混合纤维、作为分散剂的羧甲基纤维素钠一起加入烧杯，其中，莫来石纤维和硅酸铝纤维的直径分布均在1μm～500μm之间，长径比均大于10，莫来石纤维的质量为1g，硅酸铝纤维的质量为2.2g，然后加入足量的水，加热煮沸并同时搅拌，直到莫来石纤维分散均匀且使陶瓷浆料中莫来石纤维质量分数达到15％，得到21.3g所述陶瓷纤维膜浆料；
步骤(2).把9g粒径12μm的氧化铝粉和1g高岭土在35ml去离子水中磁力搅拌均匀，得到45g过滤膜浆料，其中氧化铝粉的质量百分数为20％；
步骤(3).把步骤(1)得到的陶瓷纤维膜浆料在碳化硅多孔陶瓷支撑体上用流延法制备出陶瓷纤维坯膜，在110℃下烘干，再把步骤(2)得到的过滤膜浆料在该陶瓷纤维坯膜上用流延法制备出过滤膜，在110℃下烘干后，最后把具有该双层非对称表面膜的多孔陶瓷过滤管在1280℃下烧结3小时。
本发明采用的带有陶瓷纤维过渡层的双层非对称表面膜有效地降低了过滤压降，同时陶瓷纤维膜表面有更好的吸附浆料的能力，能够促进结构更完整、厚度更可控的过滤膜的形成。总体上来说，本发明的优点是结构设计合理，制备简单，成本低廉，有效提高了高温气体过滤用多孔陶瓷过滤管的性能。
附图说明
图1是本发明提供的具有双层非对称表面膜的多孔陶瓷结构示意图。
图2是本发明提供的具有双层非对称表面膜的多孔陶瓷SEM图。
图3是本发明提供的制备双层非对称表面膜的流程图。
具体实施方式
具体地说，本发明提出一种具有双层结构的非对称表面膜的制备方法，其特征在于：将陶瓷纤维制成纤维浆料，在具有孔径大于表面膜粉料粒径的支撑体表面采用特定的制膜方法(例如浸浆提拉法、喷涂法、流延法等)制备出一定厚度的陶瓷纤维过渡膜。然后将此陶瓷纤维膜烘干，再在此陶瓷纤维膜外面采用特定的制膜方法制备出一定厚度的过滤膜。最后将此陶瓷纤维过渡膜和过滤膜高温烧结。其具体工艺过程如下：
(1)首先进行陶瓷纤维浆料的制备；将陶瓷纤维和分散剂加入到一定溶剂中，将溶剂加热并不停搅拌该混合液，直至陶瓷纤维均匀分散开；
(2)将步骤1制备出的分散性良好的陶瓷纤维浆料通过合适的制膜方法涂覆在多孔陶瓷支撑体上，形成一定厚度的表面完整、膜厚均匀的陶瓷纤维坯膜，并将其在一定温度烘干；
(3)制备过滤膜的浆料；选用特定平均粒度的陶瓷粉料和粘结剂，将之分散在特定溶剂中，最终形成固体颗粒分散良好且粘度合适的过滤膜浆料；
(4)将步骤3制备出的浆料采用合适的制膜方法在陶瓷纤维坯膜上形成厚度合适、完整性好的过滤膜坯膜，并将之烘干；
(5)将制得的含有过滤膜和陶瓷纤维过渡膜的双层非对称多孔陶瓷表面膜在特定温度范围烧结，使二者之间以及陶瓷纤维过渡膜与支撑体之间均形成一个层与层之间牢固结合的复合结构多孔陶瓷。
在上述陶瓷纤维浆料中，所使用的陶瓷纤维可以是莫来石纤维和硅酸铝纤维以及它们构成的混合纤维；所用纤维直径从1μm到500μm，所用纤维长径比大于10；
在上述陶瓷纤维浆料中，所使用的陶瓷纤维的质量分数为5～15％，分散剂的质量分数为3.75～20％；
在上述陶瓷纤维浆料中，所使用的溶剂是水；
在上述陶瓷纤维浆料中，所使用的分散剂可以为聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠中的一种或多种物质；
在上述过滤膜浆料中，所使用的陶瓷粉料可以为莫来石、氧化铝、碳化硅中的一种或多种；
在上述过滤膜浆料中，所使用的陶瓷粉料的粒径为12～54μm，过滤膜浆料中陶瓷粉的质量分数为20％；
在上述过滤膜浆料中，所使用的粘结剂为高岭土，粘结剂在过滤膜浆料中的质量分数为2.2％；
在上述双层非对称表面膜结构中，陶瓷纤维过渡层的厚度为10～50μm，过滤膜层的厚度在150～200μm；
在上述过滤膜和纤维膜的成膜方法是流延法。
以下结合实施例进一步阐明本发明的特点，但不局限于实例。为了检验本发明所设计的陶瓷纤维过渡层的可行性和先进性，以下实例以含有莫来石纤维过渡膜的双层非对称表面膜的多孔陶瓷和不含莫来石纤维过渡层的单层表面膜多孔陶瓷片做对比。
实施例1
首先将2g直径分布为1μm到500μm，长径比大于10的莫来石纤维和1.5g羧甲基纤维素钠加入烧杯中，然后加入足量的水，加热煮沸并同时搅拌，直至莫来石纤维分散均匀且莫来石纤维质量分数达到5％，得到纤维膜浆料。另将9g粒径54μm的碳化硅粉和1g高岭土在35ml去离子水中磁力搅拌混匀，得到过滤膜浆料。
用制得的莫来石纤维浆料在碳化硅支撑体片上采用流延法制备出纤维坯膜，将纤维坯膜在110℃下烘干。然后再在此莫来石纤维坯膜上用流延法制备出过滤膜，同样在110℃烘干。最后将此具有双层非对称表面膜的多孔陶瓷在1280℃烧结3h。
不含莫来石纤维过渡层的单层过滤膜多孔陶瓷的制备方法是将过滤膜浆料直接在碳化硅支撑体片上用流延法制备出过滤膜层。其烘干温度和烧结制度同含有莫来石纤维过渡层的多孔陶瓷片一样。此处通过控制流延次数来保证双层非对称表面膜中过滤膜的厚度与单层表面膜的名义厚度相同。
分别测量具有双层非对称表面膜和单层表面膜多孔陶瓷片的支撑体及其完整结构的过滤压降，发现具有双层非对称表面膜的多孔陶瓷片的过滤压降与其支撑体的过滤压降相比只上升了3％，而具有单层表面膜的多孔陶瓷片的过滤压降则上升了18％。测得双层非对称表面膜中陶瓷纤维膜厚度为10μm，过滤膜厚度为140μm，而单层过滤膜的名义厚度为140μm。
实施例2
首先将1g直径分布为1μm到500μm，长径比大于10的莫来石纤维、1g直径分布为1μm到500μm，长径比大于10的硅酸铝纤维和2g聚乙烯醇加入烧杯中，然后加入足量的水，加热煮沸并同时搅拌，直至莫来石纤维分散均匀且莫来石纤维质量分数达到10％，得到纤维膜浆料。另将9g粒径20μm的莫来石粉和1g高岭土在35ml去离子水中磁力搅拌混匀，得到过滤膜浆料。
用制得的莫来石纤维和硅酸铝纤维混合浆料在碳化硅支撑体片上采用流延法制备出纤维坯膜，将纤维坯膜在110℃下烘干。然后再在此莫来石纤维坯膜上用流延法制备出过滤膜，同样在110℃烘干。最后将此具有双层非对称表面膜的多孔陶瓷片在1280℃烧结3h。
不含莫来石纤维过渡层的单层过滤膜多孔陶瓷片的制备方法是将过滤膜浆料直接在碳化硅支撑体片上用流延法制备出过滤膜层。其烘干温度和烧结制度同含有莫来石纤维过渡层的多孔陶瓷片一样。此处通过控制流延次数来保证双层非对称表面膜中过滤膜的厚度与单层表面膜的名义厚度相同。
分别测量具有双层非对称表面膜和单层表面膜的多孔陶瓷片的支撑体及其完整结构的过滤压降，发现具有双层非对称表面膜的多孔陶瓷片的过滤压降与其支撑体的过滤压降相比只上升了9％，而具有单层表面膜的多孔陶瓷片的过滤压降则上升了30％。测得双层非对称表面膜中陶瓷纤维膜厚度为50μm，过滤膜厚度为150μm，而单层过滤膜的名义厚度为150μm。
实施例3
首先将1g直径分布为1μm到500μm，长径比大于10的莫来石纤维、2g直径分布为1μm到500μm，长径比大于10的硅酸铝纤维和2.2g羧甲基纤维素钠加入烧杯中，然后加入足量的水，加热煮沸并同时搅拌，直至纤维分散均匀且纤维质量分数达到15％，得到纤维膜浆料。另将9g粒径12μm的氧化铝粉和1g高岭土在35ml去离子水中磁力搅拌混匀，得到过滤膜浆料。
用制得的莫来石纤维和硅酸铝纤维混合浆料在碳化硅支撑体片上采用流延法制备出纤维坯膜，将纤维坯膜在110℃下烘干。然后再在此莫来石纤维坯膜上用流延法制备出过滤膜，同样在110℃烘干。最后将此具有双层非对称表面膜的多孔陶瓷片在1280℃烧结3h。
不含莫来石纤维过渡层的单层过滤膜多孔陶瓷的制备方法是将过滤膜浆料直接在碳化硅支撑体片上用流延法制备出过滤膜层。其烘干温度和烧结制度同含有莫来石纤维过渡层的多孔陶瓷片一样。此处通过控制流延次数来保证双层非对称表面膜中过滤膜的厚度与单层表面膜的名义厚度相同。
分别测量具有双层非对称表面膜和单层表面膜多孔陶瓷片的支撑体及其完整结构的过滤压降，发现具有双层非对称表面膜的多孔陶瓷片的过滤压降与其支撑体的过滤压降相比只上升了8％，而具有单层表面膜的多孔陶瓷片的过滤压降则上升了28％。测得双层非对称表面膜中陶瓷纤维膜厚度为30μm，过滤膜厚度为150μm，而单层过滤膜的名义厚度为150μm。
具有双层非对称表面膜和单层表面膜的多孔陶瓷片涂膜前后过滤压降的上升比例对比表
Claims (3)
1.粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜，其特征在于，是一种洁净煤发电系统中用于过滤粉尘用的附在多孔陶瓷支撑体层外面的一种双层非对称表面膜，含有：陶瓷纤维过渡层和过滤膜层，所述的粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜而提出的制法，其特征在于，依次含有以下步骤：
步骤(1)、把质量为2g、单根直径分布在1μm～500μm、长径比大于10的莫来石纤维和质量为1.5g的羧甲基纤维素钠加入烧杯中，加入足量的水，加热煮沸并同时搅拌，直至莫来石纤维分散均匀且使陶瓷纤维浆料中莫来石纤维质量分数达到5％，得到40g所述陶瓷纤维膜浆料；
步骤(2)、把质量为9g、平均粒径为54μm的碳化硅粉和质量为1g的高岭土在35ml去离子水中磁力搅拌混匀，得到45g过滤膜浆料，其中碳化硅粉的质量百分数为20％；
步骤(3)、用步骤(1)得到的陶瓷纤维膜浆料在以碳化硅为骨料的多孔陶瓷支撑体上用流延法制备莫来石纤维膜，经110℃下烘干，再在该莫来石纤维坯膜上制备过滤膜，并经110℃烘干后，形成双层非对称表面膜，最后将具有该双层非对称表面膜的多孔陶瓷过滤管在1280℃下烧结3小时。
2.粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜，其特征在于，是洁净煤发电系统中过滤粉尘时附在多孔陶瓷过滤管的多孔陶瓷支撑体层外面的一种双层非对称表面膜，含有：陶瓷纤维过渡层和过滤膜层，粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜而提出的制法，其特征在于，依次含有以下步骤：
步骤(1)、把质量为1g，直径分布在1μm～500μm之间，长径比大于10的莫来石纤维棉和质量为1g，直径分布在1μm～500μm之间，长径比大于10的硅酸铝纤维棉加入烧杯中，再加入2g聚乙烯醇和适量的水，加热煮沸并同时搅拌，直到所述莫来石纤维分散均匀且使陶瓷纤维浆料中莫来石纤维质量分数达到10％，得到10g重的所述陶瓷纤维膜浆料；
步骤(2)、把质量为9g，粒径为20μm的莫来石粉和质量为1g的高岭土在35ml去离子水中磁力搅拌分散，得到45g过滤膜浆料，其中莫来石粉的质量百分数为20％；
步骤(3)、把步骤(1)制得的陶瓷纤维膜浆料在所述碳化硅多孔陶瓷支撑体上用流延法制备成陶瓷纤维坯膜，再在110℃下烘干；然后在陶瓷纤维坯膜上利用步骤(2)得到的过滤膜浆料采用流延法制成过滤膜，再在110℃下烘干；最后把具有所述双层非对称表面膜的碳化硅多孔陶瓷支撑体在1280℃下烧结3小时。
3.粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜，其特征在于，是一种洁净煤发电系统中用于粉尘过滤的多孔陶瓷过滤管内附在多孔陶瓷支撑体层外面的一种双层非对称表面膜，含有：陶瓷纤维过渡层和过滤膜层，所述的粉尘过滤用多孔陶瓷过滤管的双层非对称表面膜而提出的制法，其特征在于，依次含有以下步骤：
步骤(1)、把作为陶瓷纤维的莫来石纤维和硅酸铝纤维构成的混合纤维、作为分散剂的羧甲基纤维素钠一起加入烧杯，其中，莫来石纤维和硅酸铝纤维的直径分布均在1μm～500μm之间，长径比均大于10，莫来石纤维的质量为1g，硅酸铝纤维的质量为2g，然后加入2.2g羧甲基纤维素钠和足量的水，加热煮沸并同时搅拌，直到莫来石纤维分散均匀且使陶瓷纤维浆料中莫来石纤维质量分数达到15％，得到21.3g所述陶瓷纤维膜浆料；
步骤(2)、把9g粒径12μm的氧化铝粉和1g高岭土在35ml去离子水中磁力搅拌均匀，得到45g过滤膜浆料，其中氧化铝粉的质量百分数为20％；
步骤(3)、把步骤(1)得到的陶瓷纤维膜浆料在碳化硅多孔陶瓷支撑体上用流延法制备出陶瓷纤维坯膜，在110℃下烘干，再把步骤(2)得到的过滤膜浆料在该陶瓷纤维坯膜上用流延法制备出过滤膜，在110℃下烘干后，最后把具有双层非对称表面膜的多孔陶瓷过滤管在1280℃下烧结3小时。
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