CN109414637A - 过滤器元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种烛式过滤器(10,20)，所述烛式过滤器(10,20)包括中空圆柱形管(11,21)，中空圆柱形管(11,21)具有含内表面(28)和外表面(16,30)的壁(23)，其中所述烛式过滤器包括耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和任选的第二粘合剂，其中所述至少一种粘合剂和任选的第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁(23)的整个厚度上。此外，公开了一种制造烛式过滤器(10,20)的方法，将至少一种粘合剂和任选的第二粘合剂至少基本均匀地分布在烛式过滤器壁(23)的整个厚度上。

Description

过滤器元件及其制造方法
本公开涉及一种用于过滤高温气体的过滤器元件。更具体地，本公开涉及一种包括中空圆柱形管的烛式过滤器，所述中空圆柱形管均匀地更强、在操作期间不易破裂，并且当用催化剂材料处理时，允许催化剂材料在整个壁厚上更均匀地分布。
存在许多方法，其中产生热气态介质，该热气态介质包含必须与该气态介质分离的颗粒材料，以防止污染或去除有害物质。
管状(蜡烛)形状的中空陶瓷多孔过滤器已用于从热气体中除去颗粒材料。在这些热气体过滤系统中，多孔烛式过滤器捕获包含在热气体流中的不希望的颗粒，同时允许经清洁/过滤的气体通过过滤器的孔进入烛式过滤器的中空中心。经清洁/过滤的气体在烛式过滤器的中空中心向上行进，并从烛式过滤器的开口端排出到上部“清洁”腔室中，然后通过排出口从腔室排出。
通常，多个烛式过滤器从跨加压容器水平延伸的管板垂直悬挂在容器中。管板将容器分成两个隔室，下部隔室和上部隔室，在下部隔室中载有颗粒的气体进入容器，在上部隔室中经清洁/过滤的气体流出容器以供进一步使用或处理，或释放到大气中。
每个多孔烛式过滤器包括一端封闭、相对端开口的空心圆柱体。烛式过滤器的开口端可以具有凸缘，该凸缘允许烛式过滤器连接到容器的管板。当载有颗粒的气体通过多孔烛式过滤器时，颗粒捕集在烛式过滤器的外表面上并且经清洁/过滤的气体流过烛式过滤器的孔进入其中空中心、向上并流出位于容器的上部隔室中的烛式过滤器的开口端，并通过加压容器的出口排出。
图1是烛式过滤器的一个说明性实施方案的透视图。
图2是图1中所示的烛式过滤器的剖视图。
图3是包含多个图1和2中所示的烛式过滤器的加压容器的局部剖视侧视图。
本公开描述了用于实现包括中空圆柱形管的烛式过滤器元件的实施方案，该中空圆柱形管能够承受在热气体过滤中遇到的高温，与现有技术的烛式过滤器相比，在正常操作期间更强并且更不易于破裂，在均匀拉伸强度方面明显更强，并且当用催化剂材料处理时，允许催化剂材料在整个壁厚上更均匀地分布。
烛式过滤器可包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，所述烛式过滤器包括：耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和任选的第二粘合剂，其中所述至少一种粘合剂和/或第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。关于任何一个上述实施方案，所述至少一种粘合剂和/或第二粘合剂可包含氨稳定的胶体金属氧化物。
烛式过滤器可包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，所述烛式过滤器包括：耐高温无机纤维和基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上的氨稳定的胶体金属氧化物粘合剂。
烛式过滤器可包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，所述烛式过滤器包括：耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和第二粘合剂，其中所述至少一种粘合剂和/或第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上并且包含至少一种氨稳定的胶体金属氧化物。
烛式过滤器可包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，所述烛式过滤器包括：耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和第二粘合剂，其中所述至少一种粘合剂和第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
烛式过滤器可包括凸缘部分和过滤部分，其中凸缘部分中的烛式过滤器壁的厚度大于过滤部分中的烛式过滤器壁的厚度。烛式过滤器可包括凸缘部分和过滤部分，其中凸缘部分中的烛式过滤器壁的厚度与过滤部分中的烛式过滤器壁的厚度基本相同。
烛式过滤器可包括凸缘部分和过滤部分，其中凸缘部分中的烛式过滤器壁的密度大于过滤部分中的烛式过滤器壁的密度。
烛式过滤器可包括无机粘合剂和单独的第二粘合剂。在某些实施方案中，无机粘合剂和第二粘合剂包含选自以下的胶体金属氧化物分散体：二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、锌、氧化镁、氧化锆或其组合。在其他实施方案中，胶体金属氧化物分散体包含胶体二氧化硅、任选氨稳定的胶体二氧化硅。与具有碱金属稳定的粘合剂的催化烛式过滤器相比，不存在碱金属稳定剂可对某些催化剂材料产生积极影响，从而提高烛式过滤器的催化效率和有效操作寿命。
无机粘合剂和第二粘合剂可包含基本上约100％的胶体二氧化硅分散体，排除水的重量。胶体二氧化硅分散体可具有约30至100％二氧化硅、任选地约30至60％二氧化硅的固体含量。
在某些实施方案中，烛式过滤器包括至少一种催化剂材料。
可以得到烛式过滤器，方法是，在模具中真空浇铸包含耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和载液的浆料以形成圆柱形生坯管；干燥圆柱形生坯管以形成刚性过滤器元件；使刚性过滤器元件接触包含第二粘合剂的溶液或悬浮液至少一次；并且在足以防止第二粘合剂迁移的压力下对刚性过滤器元件进行真空干燥，使得第二粘合剂保持至少基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
制备烛式过滤器的方法包括制备含水浆料并使含水浆料与圆柱形/管状模具接触，其中所述浆料包含耐高温无机纤维和至少一种粘合剂；将浆料真空浇铸在模具上以形成具有凸缘部分和过滤部分的圆柱形生坯管；干燥圆柱形生坯管以形成刚性过滤器元件；使刚性过滤器元件与包含第二粘合剂的溶液接触至少一次；并且在足以防止第二粘合剂迁移的压力下对刚性过滤器元件进行真空干燥，使得第二粘合剂保持至少基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
可将包含第二粘合剂的溶液再次施加到刚性过滤器元件的过滤和/或凸缘部分，并在足以防止第二粘合剂迁移的压力下至少再次进行真空干燥，使得第二粘合剂保持至少基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。常规的过滤器元件在整个壁厚上具有增加和减少的粘合剂浓度的部分，这降低了过滤器的最终机械强度。而且，过滤器壁中具有增加的粘合剂浓度的部分防止任何随后添加的催化剂材料均匀地分布在整个壁厚上。基本上存在于过滤器的外表面处或附近的粘合剂材料防止随后施加到过滤器外表面的催化剂材料穿过壁厚向内行进。这导致在烛式过滤器的外表面处或附近产生非常高浓度的催化剂材料并且在过滤器壁的其余部分中很少或没有催化剂材料。当用催化剂材料处理时，由所公开的过滤器提供的粘合剂的基本均匀分布允许催化剂材料在整个壁厚上更均匀地分布。
在某些实施方案中，刚性过滤器元件基本上完全浸在包含第二粘合剂的溶液中。
烛式过滤器可包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，其中所述烛式过滤器包括耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和第二粘合剂。在某些实施方案中，烛式过滤器包括耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和第二粘合剂，其中第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度轮廓上。
当结合说明性图1-3阅读时，容易理解烛式过滤器。应当注意，烛式过滤器不限于图中所示的任何说明性实施方案，而是应根据本文提供的公开内容在宽度和范围方面进行解释。
图1是烛式过滤器10的一个说明性实施方案的透视图。烛式过滤器10包括具有两个相对端的中空主体11，一端是带凸缘的开口端12，相对端是封闭端14。烛式过滤器10具有内表面(未示出)和外表面16。烛式过滤器具有凸缘部分18和过滤部分19，其中凸缘部分18中的烛式过滤器壁的厚度大于过滤部分19中的烛式过滤器壁的厚度。
图2是图1中所示的烛式过滤器10的剖视图。烛式过滤器20具有围绕腔22的中空主体21，具有两个相对的端部，一端是任选带凸缘的开口端24，相对端是封闭端26。烛式过滤器20的烛式过滤器壁23具有内表面28和外表面30。
图3是包含多个如图1和图2所示的烛式过滤器110的加压容器100的局部剖视侧视图。加压容器100包括具有管板120的气密外壳或外罩，管板120将加压容器100分成下部隔室140和上部隔室150，在下部隔室140中载有颗粒的气体进入加压容器100，在上部隔室150中经清洁/过滤的气体离开加压容器100。管板120包括与垫圈组件中的固定装置160连通的多个孔130，烛式过滤器110从该孔安装。进入口170使得载有颗粒的热气体流能够在压力下引入加压容器100的下部隔室140中。如本文所讨论的，迫使该热气体流通过烛式过滤器110的多孔壁，从而将颗粒滤除在烛式过滤器110的外表面上。经清洁/过滤的气体从烛式过滤器110的开口端通过固定装置160进入上部隔室150，然后通过排出口180离开加压容器100。
在烛式过滤器中可以使用耐高温无机纤维，该耐高温无机纤维能够承受包括烛式过滤器的热气体过滤系统的操作温度。在高于约1000℃的温度下耐热的任何纤维可包括在本文所述的烛式过滤器中。非限制性地，可以用于制备烛式过滤器的合适的无机纤维包括高氧化铝多晶纤维、耐火陶瓷纤维如氧化铝-硅酸盐(铝硅酸盐)纤维、氧化铝-氧化镁-二氧化硅纤维、高岭土纤维、铝酸钙纤维、碱土金属硅酸盐纤维如氧化钙-氧化镁-二氧化硅纤维或氧化镁-二氧化硅纤维、S-玻璃纤维、S2-玻璃纤维、E-玻璃纤维、石英纤维、二氧化硅纤维或其组合。
在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含至少约50重量％的无机纤维。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器元件包含至少约60重量％的无机纤维。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器元件包含至少约70重量％的无机纤维。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器元件包含至少约80重量％的无机纤维。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器元件包含至少约85重量％的无机纤维。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器元件包含至少约90重量％的无机纤维。
根据某些实施方案，用于制备烛式过滤器的无机纤维包括陶瓷纤维。非限制性地，合适的陶瓷纤维包括氧化铝纤维、铝硅酸盐纤维、氧化铝-氧化硼-硅酸盐纤维、氧化铝-氧化锆-硅酸盐纤维、氧化锆-硅酸盐纤维、氧化锆纤维和类似纤维。有用的氧化铝-硅酸盐陶瓷纤维可从Unifrax I LLC(Tonawanda，New York)以注册商标FIBERFRAX商购获得。FIBERFRAX纤维的操作温度高达约1540℃，熔点高达约1870℃。FIBERFRAX纤维可以很容易地形成耐高温烛式过滤器。
铝硅酸盐纤维可包含约40重量％至约60重量％的A12O3和约60重量％至约40重量％的SiO2。铝硅酸盐纤维可包含约50重量％的A12O3和约50重量％的SiO2。铝硅酸盐纤维可包含约30重量％的A12O3和约70重量％的SiO2。铝硅酸盐纤维可包含约45至约51重量％的A12O3和约46至约52重量％的SiO2。铝硅酸盐纤维可包含约30至约70重量％的A12O3和约30至约70重量％的SiO2。氧化铝(alumino)-二氧化硅-氧化镁玻璃纤维可包含约64重量％至约66重量％的SiO2、约24重量％至约25重量％的A12O3和约9重量％至约10重量％的MgO。
E-玻璃纤维通常包含约52重量％至约56重量％的SiO2、约16重量％至约25重量％的CaO、约12重量％至约16重量％的A12O3、约5重量％至约10重量％的B2O3、至多约5重量％的MgO、至多约2重量％的氧化钠和氧化钾以及痕量的氧化铁和氟化物，典型的组成为55重量％的SiO2、15重量％的A12O3、7重量％的B2O3、3重量％的MgO、19重量％的CaO和痕量的上述材料。
术语“低生物持久性(low biopersistent)”和“生物可溶性无机纤维”是指在生理介质中或在模拟生理介质如模拟肺液、盐水溶液、缓冲盐水溶液等中可溶或以其他方式可分解的纤维。纤维的溶解度可以通过测量纤维在模拟生理介质中的溶解度与时间的函数关系来评估。还可以通过观察在试验动物中直接植入纤维的效果或通过检查已暴露于纤维的动物或人来评估生物溶解性，即生物持久性。
在转让给Unifrax I LLC的美国专利号5,874,375中公开了一种测量纤维在生理介质中的生物溶解性(即非耐久性)的方法，该专利在此引入作为参考。其他方法适用于评估无机纤维的生物持久性或生物溶解性。根据某些实施方案，当以0.1g样品暴露于37℃下的0.3ml/min的模拟肺液流时，生物可溶性纤维表现出至少30 ng/cm2-hr的溶解度。根据其他实施方案，当以0.1g样品暴露于37℃下的0.3ml/min的模拟肺液流时，生物可溶性无机纤维可表现出至少50 ng/cm2-hr，或至少100 ng/cm2-hr，或至少1000 ng/cm2-hr的溶解度。
非限制性地，可用于制备烛式过滤器的生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维的合适实例包括在美国专利号6,953,757、6,030,910、6,025,288、5,874,375、5,585,312、5,332,699、5,714,421、7,259,118、7,153,796、6,861,381、5,955,389、5,928,075、5,821,183和5,811,360中公开的那些纤维，这些专利通过引用并入本文。
可以使用的合适的耐高温生物可溶性无机纤维包括但不限于碱土金属硅酸盐纤维如氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维或氧化镁-硅酸盐纤维、氧化钙-硅酸盐纤维、氧化钾-氧化钙-硅酸盐纤维、氧化钾-氧化铝-硅酸盐纤维或氧化钠-氧化铝-硅酸盐纤维。
根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维可包含镁的氧化物和二氧化硅的混合物的纤维化产物。这些纤维通常称为镁硅酸盐纤维。镁硅酸盐纤维通常包含约60至约90重量％的二氧化硅、大于0至约35重量％的氧化镁和任选的5重量％或更少的杂质的纤维化产物。根据某些实施方案，碱土金属硅酸盐纤维包含约65至约86重量％的二氧化硅、约14至约35重量％的氧化镁和任选的5重量％或更少的杂质的纤维化产物。根据某些实施方案，碱土金属硅酸盐纤维包含约70至约86重量％的二氧化硅、约14至约30重量％的氧化镁和5重量％或更少的杂质的纤维化产物。合适的镁硅酸盐纤维可从Unifrax I LLC(Tonawanda，New York)以注册商标ISOFRAX商购获得。市售的ISOFRAX纤维通常包含约70至约80重量％的二氧化硅、约18至约27重量％的氧化镁和4重量％或更少的杂质的纤维化产物。在某些实施方案中，所述纤维包含约85重量％的二氧化硅和15重量％的氧化镁的纤维化产物。
根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维可包含钙、镁的氧化物和二氧化硅的混合物的纤维化产物。这些纤维统称为氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维。根据某些实施方案，氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维包含约45至约90重量％的二氧化硅、大于0至约45重量％的氧化钙、大于0至约35重量％的氧化镁和10％重量或更少的杂质的纤维化产物。根据某些实施方案，氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维可包含大于71.25至约85重量％的二氧化硅、大于0至约20重量％的氧化镁、约5至约28.75重量％的氧化钙和0至约5％重量的氧化锆的纤维化产物。
有用的氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维可从Unifrax I LLC(Tonawanda，New York)以注册商标INSULFRAX商购获得。在某些实施方案中，氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维包含约61至约67重量％的二氧化硅、约27至约33重量％的氧化钙和约2至约7重量％的氧化镁的纤维化产物。在其他实施方案中，氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维包含约79重量％的二氧化硅、约18重量％的氧化钙和约3重量％的氧化镁。其它合适的氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维可以商品名SUPERWOOL 607、SUPERWOOL 607 MAX和SUPERWOOL HT从Thermal Ceramics (Augusta,Georgia)商购获得。SUPERWOOL 607纤维包含约60至约70重量％的二氧化硅、约25至约35重量％的氧化钙、约4至约7重量％的氧化镁和痕量的氧化铝。SUPERWOOL 607 MAX纤维包含约60至约70重量％的二氧化硅、约16至约22重量％的氧化钙和约12至约19重量％的氧化镁和痕量的氧化铝。SUPERWOOL HT纤维包含约74重量％的二氧化硅、约24重量％的氧化钙和痕量的氧化镁、氧化铝和氧化铁。
根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维可包含钙和铝的氧化物的混合物的纤维化产物。根据某些实施方案，至少90重量％的氧化钙-铝酸盐纤维包含约50至约80重量％的氧化钙、约20至小于50重量％的氧化铝和10重量％或更少的杂质的纤维化产物。根据其他实施方案，至少90重量％的氧化钙-铝酸盐纤维包含约50至约80重量％的氧化铝、约20至小于50重量％的氧化钙和10重量％或更少的杂质的纤维化产物。根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维可包含钾、钙和铝的氧化物的混合物的纤维化产物。根据某些实施方案，氧化钾-氧化钙-铝酸盐纤维包含约10至约50重量％的氧化钙、约50至约90重量％的氧化铝、大于0至约10重量％的氧化钾和10重量％或更少的杂质的纤维化产物。
根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维可包含一种或多种碱土金属的氧化物、二氧化硅和其他氧化物组分的混合物的纤维化产物。实例包括二氧化硅和氧化镁；或二氧化硅和氧化钙；或二氧化硅、氧化镁和氧化钙；与氧化锂一起的纤维化产物。其他实例包括二氧化硅和氧化镁与氧化物组分(如氧化锶，氧化锂和氧化锶，或氧化铁)的纤维化产物。这样的纤维可包括粘度调节剂如氧化铝和/或氧化硼。
根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维可包含镁、硅、锂和锶的氧化物的混合物的纤维化产物。根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维包含约65至约86重量％的二氧化硅、约14至约35重量％的氧化镁，以及另外的氧化锂和氧化锶。根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维包含约65至约86重量％的二氧化硅、约14至约35重量％的氧化镁、大于0至约1重量％的氧化锂和大于0至约5重量％的氧化锶。
根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维可包含二氧化硅、氧化镁和至多约1重量％的氧化锂的纤维化产物。根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维包含约65至约86重量％的二氧化硅、约14至约35重量％的氧化镁和大于0至约0.45重量％的氧化锂。根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维包含约65至约86重量％的二氧化硅、约14至约35重量％的氧化镁和大于0至约5重量％的氧化锶。根据某些实施方案，生物可溶性碱土金属硅酸盐纤维包含约70或更高重量％的二氧化硅、氧化镁和大于0至约10重量％的氧化铁。
可以通过短切或切割来使无机纤维变短。可以使用任何合适的短切或切割方法短切纤维，例如，模切、铡刀短切和/或水射流切割。当纤维具有方向性或者是层状而不是无规排列时，无机纤维可以与纤维制造工艺相关地短切或切割。在某些实施方案中，无机纤维可以是熔喷纤维、熔纺纤维、熔融牵伸纤维和/或纺粘纤维。烛式过滤器可包括纺制和吹制的无机纤维的共混物。
在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含至少约50重量％的无机纤维。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含至少约60重量％的无机纤维。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含至少约70重量％的无机纤维。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含至少约80重量％的无机纤维。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含至少约85重量％的无机纤维。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含至少约90重量％的无机纤维。
烛式过滤器还包括粘合剂或多于一种粘合剂的混合物。合适的粘合剂包括有机粘合剂、无机粘合剂和/或其组合。根据某些实施方案，烛式过滤器包括一种或多种有机粘合剂。合适的有机粘合剂的实例包括但不限于天然树脂、合成树脂或淀粉。
除有机粘合剂之外或作为有机粘合剂的替代，烛式过滤器还可包括至少一种无机粘合剂材料。无机粘合剂可以是任何已知的适用于粘合陶瓷纤维的粘合剂。非限制性地，合适的无机粘合剂材料包括胶体分散体如胶体二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、锌、氧化镁或其组合。无机粘合剂可以采用胶体二氧化硅的高固体悬浮液的形式，如30％或更高的二氧化硅。
在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含大于0至约20重量％的无机粘合剂。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含大于0至约15重量％的无机粘合剂。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含大于0至约10重量％的无机粘合剂。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含大于0至约5重量％的无机粘合剂。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含约2至约10重量％的无机粘合剂。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含约2至约7重量％的无机粘合剂。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含约2至约5重量％的无机粘合剂。
无机粘合剂可包含粘土。粘土可以是煅烧的或未煅烧的，并且可以包括但不限于绿坡缕石、球粘土、膨润土、锂蒙脱石、高岭土、蓝晶石、蒙脱石、坡缕石、皂石、海泡石、硅线石或其组合。
烛式过滤器可包括至少一种絮凝剂。非限制性地，合适的絮凝剂包括阳离子淀粉。在某些实施方案中，絮凝剂包括丙烯酸型胶乳、聚氯乙烯、聚乙烯醇和/或聚丙烯酰胺。絮凝剂有助于使浆料中的粘合剂团聚，这提高了烛式过滤器的最终机械强度。
在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含大于约0至约20重量％的有机物含量。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含大于约0至约15重量％的有机物含量。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含大于约0至约10重量％的有机物含量。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含大于约0至约5重量％的有机物含量。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含约2至约15重量％的有机物含量。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含约2至约10重量％的有机物含量。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含约2至约7重量％的有机物含量。在某些实施方案中，最终的烛式过滤器包含约2至约5重量％的有机物含量。
烛式过滤器可包括至少一种催化剂。所述至少一种催化剂可以提供多种功能，也就是说，它能够任选同时促进两种或更多种反应。或者，催化剂的组合可用于实现多种功能。催化剂的各种组合可以施加到烛式过滤器的表面上和/或基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度轮廓上。
在某些实施方案中，烛式过滤器包括铝硅酸盐纤维、氨稳定的胶体二氧化硅和催化剂材料。无用于胶体金属氧化物的碱金属稳定剂可对某些催化剂材料具有积极作用，从而提高催化效率和催化烛式过滤器的有效使用寿命。
包括中空圆柱形管的烛式过滤器可以通过真空浇铸包含耐高温无机纤维、粘合剂和载液如水的浆料而形成。在其他实施方案中，烛式过滤器包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管通过真空浇铸包含耐高温无机纤维、粘合剂、絮凝剂和载液如水的浆料而形成。作为说明性实施方案，将无机纤维、絮凝剂、无机粘合剂溶液或悬浮液与载液混合以形成浆料，将浆料真空浇铸以形成生坯管。
在某些实施方案中，将各组分的浆料湿法铺设在可透过的圆柱形/管状模具上。对模具的开口端施加真空以从浆料中提取大部分水分，从而形成湿的圆柱形“生坯”管，即，在粘合剂固化之前。
将生坯管在约50至约300℃的温度下干燥，在某些实施方案中为约100至约150℃。在某些实施方案中，将生坯管置于干燥炉中，得到刚性过滤器元件。在某些实施方案中，在仍在模具上时将生坯管部分地干燥一个或多个干燥循环。可以进一步干燥生坯管以形成刚性过滤器元件。
可以通过真空或本领域已知的其他常规干燥方法干燥生坯管。在某些实施方案中，在真空干燥之前干燥刚性过滤器元件除去过量的粘合剂，保留足够的量以涂覆各个纤维。
在干燥刚性过滤器元件后，可将其冷却至室温并在包含第二粘合剂的溶液或悬浮液中接触、浸渍或以其它方式浸泡至少一次。在某些实施方案中，将刚性过滤器元件浸没在包含第二粘合剂的溶液或悬浮液中，使得刚性过滤器元件用第二粘合剂完全浸渍到饱和点。在其他实施方案中，刚性过滤器元件部分地浸渍有第二粘合剂。然后可以根据上述程序干燥浸渍的刚性过滤器元件。
在某些实施方案中，将包含第二粘合剂的溶液或悬浮液铺展、刷涂、喷涂和/或涂布在刚性过滤器元件上。
在将第二粘合剂施加到刚性过滤器元件上之后，可以在真空下干燥。在某些实施方案中，刚性过滤器元件在负压和升高的温度下经受真空干燥。在初始真空干燥步骤之后，可以通过本领域已知的其他常规干燥方法进一步干燥刚性过滤器元件。
在某些实施方案中，真空干燥包括将刚性过滤器元件定位在垂直位置，将热空气吹到刚性过滤器元件的外表面上，以及将真空施加到刚性过滤器元件的开口端。真空将热空气从刚性过滤器元件壁中“拉出”，以防止第二粘合剂朝向烛式过滤器的“热”外表面迁移。这防止在干燥期间第二粘合剂的任何显著位移或迁移，使得当刚性过滤器元件已经干燥时，在烛式过滤器壁的整个厚度轮廓上粘合剂的密度大致相同。
在某些实施方案中，在已经用第二粘合剂浸渍的刚性过滤器元件干燥之后，可以用第二粘合剂再次浸渍凸缘区域，以对烛式过滤器的该部分提供进一步的强化，然后如上所述进行干燥。
在进行真空干燥步骤之前和/或之后，可以将包含第二粘合剂的溶液多次施加到刚性过滤器元件上。在某些实施方案中，将包含第二粘合剂的溶液施加到烛式过滤器的凸缘和/或过滤部分至少两次。该额外的浸渍步骤增加了烛式过滤器的凸缘和/或过滤部分的整个厚度轮廓上的密度和强度。
非限制性地，第二粘合剂可包含选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、锌、氧化镁、氧化锆或其组合的胶体金属氧化物分散体。
非限制性地，合适的第二粘合剂材料包括胶体二氧化硅溶液。在本文中，术语“溶液”旨在包括包含胶体无机氧化物的浆料或分散体。可以使用可商购获得的胶体无机氧化物制剂，作为说明而非限制，可从Ecolab, Inc.的全资子公司Nalco Holding Company获得NALCO胶体二氧化硅。
在某些实施方案中，胶体二氧化硅溶液具有超过10％二氧化硅的固体重量百分比浓度。在某些实施方案中，胶体二氧化硅溶液具有较高的固体含量，如30％或更高的二氧化硅。在某些实施方案中，胶体二氧化硅溶液具有较高的固体含量，如35％或更高的二氧化硅。在某些实施方案中，胶体二氧化硅溶液具有较高的固体含量，如40％或更高的二氧化硅。已经发现，与包含10至小于30重量％的二氧化硅固体的常规胶体溶液相比，固体浓度为30至55％的胶体二氧化硅溶液导致所得烛式过滤器的特别好的粘合和机械强度。
胶体无机氧化物溶液组合物可包含约30至100重量％的胶体无机氧化物，排除水的重量。在某些实施方案中，胶体无机氧化物溶液可包含约50至约90％的胶体无机氧化物，并且在其他实施方案中，约80至100％的胶体无机氧化物。在其他实施方案中，胶体无机氧化物溶液组合物包含100重量％的胶体无机氧化物。
胶体金属氧化物溶液的胶体可具有10-300纳米的中值粒度。在某些实施方案中，胶体具有10-70纳米的中值粒度。胶体金属氧化物溶液可包含不同粒度的溶胶。
在某些实施方案中，第二粘合剂和在用于形成生坯管的具有耐高温纤维的初始浆料中使用的所述至少一种粘合剂是显著不同的。在另一个实施方案中，第二粘合剂和所述至少一种粘合剂基本相似。
在某些实施方案中，所述至少一种粘合剂和/或第二粘合剂是氨稳定的。在某些实施方案中，所述至少一种粘合剂和/或第二粘合剂包含氨稳定的胶体二氧化硅分散体。与钠稳定的胶体分散体的600ppm的钠含量相比，氨稳定的分散体可具有小于30ppm的钠含量。
在常规的干燥方法期间，粘合剂会迁移到烛式过滤器的“热”外表面，从而导致在外表面上过多的粘合剂累积并且在烛式过滤器壁的整个厚度轮廓上留下不足量的粘合剂。将刚性过滤器元件浸入包含第二粘合剂的溶液中并随后通过真空干燥干燥刚性过滤器元件的“硬化”步骤防止了这种粘合剂迁移。浸渍步骤允许第二粘合剂均匀地分布在刚性过滤器元件壁的整个厚度轮廓上，并且所述真空干燥步骤保持了这种均匀性。
调节真空干燥中的条件如对烛式过滤器的表面(内表面、外表面或内表面和外表面二者)施加的正压或负压的量的能力获得了用于控制在烛式过滤器壁的整个厚度轮廓上粘合剂迁移程度的快速、简单和可重复的方法。所得到的烛式过滤器的特征在于均匀的强度、密度和相对柔韧性。
硬化步骤不仅增加了烛式过滤器的整体强度，而且增加了其裂缝挠曲和相对柔韧性。由于强度和柔韧性的组合增加，可以在很大程度上避免与现有技术的烛式过滤器相关的传统脆性问题。这种方法还显著提高了烛式过滤器的耐撕裂性，使其易于切割成规定的尺寸。通过该方法赋予的增加的硬度和强度有利地允许将烛式过滤器机械加工到如特定应用所要求那样的紧密公差。机械加工可以伴随有本领域中通常已知的方法。
硬化步骤允许第二粘合剂保持至少基本上分布在烛式过滤器壁的整个厚度轮廓上。与未经历本文所述的硬化步骤的烛式过滤器相比，该方法导致整体强度、韧性、耐热冲击性和柔韧性的增加。烛式过滤器的增加的强度和柔韧性还允许制造更长的管(大于6米，与常规的3米烛式过滤器相比)。由于其增加的体积和表面积，烛式过滤器的增加的长度(大于3米)提高了烛式过滤器的整体效率。
在某些实施方案中，刚性过滤器元件的孔隙率大于80％。在其他实施方案中，刚性过滤器元件的孔隙率大于约82.5％。在其他实施方案中，刚性过滤器元件的孔隙率为约82.5至约86.5％。
在某些实施方案中，最终的烛式过滤器的孔隙率大于约83％，这足以允许烛式过滤器分离气流中的颗粒物质。通过在不同空气速度下测量过滤器两端的压降来测试烛式过滤器的渗透性。烛式过滤器的渗透性(压降)范围为5-14kPa。在某些实施方案中，烛式过滤器表现出小于约4％的灼烧损失。
在某些实施方案中，烛式过滤器的凸缘部分可具有约0.03至约0.3米的直径和约0.01至约0.05米的长度。烛式过滤器的过滤部分可具有约0.01至约0.2米的直径和高至大于约6米的长度，在某些实施方案中，约3至6米。过滤部分的壁厚可为约0.01至约0.05米。在某些实施方案中，烛式过滤器的有效表面为约0.10至约2.0平方米。刚性过滤器元件的密度为约300至约400kg/m3。
在某些实施方案中，烛式过滤器的过滤速度高达约3米/分钟。通过烛式过滤器孔的经清洁/过滤的气体通常包含小于1毫克/平方米的颗粒物质。
常规的烛式过滤器元件用包含催化剂材料的液体浸渍并干燥。催化剂材料主要位于过滤器的表面而不是过滤器壁厚度的其余部分。对于根据本发明方法浸渍和真空干燥的过滤器，在烛式过滤器壁的整个厚度上存在催化剂分布。与其他烛式过滤器相比，催化剂分布在整个过滤器壁上的烛式过滤器的催化活性得到了增强。
1. 提供了第一实施方案的烛式过滤器，所述烛式过滤器包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，所述烛式过滤器包括：
耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和任选的第二粘合剂，其中所述至少一种粘合剂和任选的第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上并且包含氨稳定的胶体金属氧化物。
2. 还提供了第二实施方案的烛式过滤器，所述烛式过滤器包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，所述烛式过滤器包括：
耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和第二粘合剂，其中所述至少一种粘合剂和第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上并包含氨稳定的胶体金属氧化物。
3. 还提供了第三实施方案的烛式过滤器，所述烛式过滤器包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，所述烛式过滤器包括：
耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和第二粘合剂，其中所述至少一种粘合剂和第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上并包含胶体金属氧化物。
4. 还提供了实施方案1-3中任一项所述的烛式过滤器，可包括凸缘部分和过滤部分，其中所述凸缘部分的厚度大于所述过滤部分的厚度。
5. 实施方案1-4中任一项所述的烛式过滤器，可包括凸缘部分和过滤部分，其中所述凸缘部分的密度大于所述过滤部分的密度。
6. 在实施方案1-5中任一项所述的烛式过滤器中，所述胶体金属氧化物可选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、锌、氧化镁、氧化锆或其组合。
7. 在实施方案6所述的烛式过滤器中，所述胶体金属氧化物可包含胶体二氧化硅。
8. 实施方案1-7中任一项所述的烛式过滤器，可进一步包含至少一种絮凝剂。
9. 在实施方案8所述的烛式过滤器中，所述至少一种絮凝剂可包括阳离子淀粉。
10. 在实施方案1-9中任一项所述的烛式过滤器中，所述胶体金属氧化物可不含碱金属稳定剂。
11. 在实施方案1-10中任一项所述的烛式过滤器中，所述烛式过滤器可具有大于80％的孔隙率。
12. 在实施方案11所述的烛式过滤器中，所述孔隙率可大于约82.5％。
13. 在实施方案11所述的烛式过滤器中，所述孔隙率可为约82.5至86.5％。
14. 实施方案1-13中任一项所述的烛式过滤器，还可包含至少一种催化剂材料。
15. 在实施方案14所述的烛式过滤器中，所述至少一种催化剂材料可基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
16. 在实施方案1-15中任一项所述的烛式过滤器中，所述耐高温无机纤维可包括高氧化铝多晶纤维、耐火陶瓷纤维、氧化铝-硅酸盐纤维、氧化铝-氧化镁-硅酸盐纤维、高岭土纤维、铝酸钙纤维、碱土金属硅酸盐纤维、氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维、氧化镁-硅酸盐纤维、S-玻璃纤维、S2-玻璃纤维、E-玻璃纤维、石英纤维、二氧化硅纤维中的至少一种或其组合。
17. 在实施方案16所述的烛式过滤器中，所述耐火陶瓷纤维可包含铝硅酸盐纤维，所述铝硅酸盐纤维包含约30至约70重量％的氧化铝和约30至约70重量％的二氧化硅的纤维化产物。
18. 在实施方案16所述的烛式过滤器中，所述生物可溶性纤维可包括氧化镁-硅酸盐纤维，所述氧化镁-硅酸盐纤维包含约60至约90重量％的二氧化硅和大于0至约35重量％的氧化镁的纤维化产物。
19. 在实施方案16所述的烛式过滤器中，所述生物可溶性纤维可包括氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维，所述氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维包含约45至约90重量％的二氧化硅、大于0至约45重量％的氧化钙和大于0至约35重量％的氧化镁的纤维化产物。
20. 根据实施方案1-19中任一项所述的烛式过滤器，可通过以下的方法获得：
在模具中真空浇铸包含所述耐高温无机纤维、所述至少一种粘合剂和载液的浆料以形成圆柱形生坯管；
干燥圆柱形管以形成刚性过滤器元件；
将刚性过滤器元件浸在包含第二粘合剂的溶液或悬浮液中至少一次；并且
在足以防止第二粘合剂迁移的压力下对刚性过滤器元件进行真空干燥，使得第二粘合剂保持至少基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
21. 还提供了生产烛式过滤器的方法，包括制备含水浆料并使含水浆料与圆柱形/管状模具接触，其中所述浆料包含耐高温无机纤维和至少一种粘合剂；
将浆料真空浇铸在模具上以形成具有凸缘部分和过滤部分的圆柱形生坯管；
干燥圆柱形生坯管以形成刚性过滤器元件；
使刚性过滤器元件与包含第二粘合剂的溶液接触至少一次；并且
在足以防止第二粘合剂迁移的压力下对刚性过滤器元件进行真空干燥，使得第二粘合剂保持至少基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
22. 在实施方案21所述的方法中，可将第二粘合剂溶液再次施加到刚性过滤器元件，任选地再次施加到刚性过滤器元件的凸缘部分，并在足以防止第二粘合剂迁移的压力下再次进行真空干燥，使得第二粘合剂保持至少基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
23. 在实施方案21或22所述的方法中，所述刚性过滤器元件可以基本上完全浸在包含第二粘合剂的溶液中。
虽然已经结合各种实施方案描述了烛式过滤器和制备烛式过滤器的方法，但是应该理解，可以使用其他类似的实施方案，或者可以对所描述的实施方案进行修改和添加以执行相同的功能。应当理解，这里描述的实施方案仅仅是说明性的，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行变化和修改。此外，所公开的所有实施方案不一定是择一的，因为可以组合各种实施方案以提供期望的结果。

Claims (19)

1.一种烛式过滤器，所述烛式过滤器包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，所述烛式过滤器包括：
耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和任选的第二粘合剂，其中所述至少一种粘合剂和任选的第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上并且包含氨稳定的胶体金属氧化物。
2.一种烛式过滤器，所述烛式过滤器包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，所述烛式过滤器包括：
耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和第二粘合剂，其中所述至少一种粘合剂和第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上并包含氨稳定的胶体金属氧化物。
3.一种烛式过滤器，所述烛式过滤器包括中空圆柱形管，所述中空圆柱形管具有含内表面和外表面的壁，所述烛式过滤器包括：
耐高温无机纤维、至少一种粘合剂和第二粘合剂，其中所述至少一种粘合剂和第二粘合剂基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上并包含胶体金属氧化物。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的烛式过滤器，所述烛式过滤器包括凸缘部分和过滤部分，其中所述凸缘部分的厚度大于所述过滤部分的厚度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的烛式过滤器，所述烛式过滤器包括凸缘部分和过滤部分，其中所述凸缘部分的密度大于所述过滤部分的密度。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的烛式过滤器，其中所述胶体金属氧化物选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、锌、氧化镁、氧化锆或其组合，任选地其中所述胶体金属氧化物包括胶体二氧化硅。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的烛式过滤器，所述烛式过滤器进一步包括至少一种絮凝剂，任选地其中所述至少一种絮凝剂包括阳离子淀粉。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的烛式过滤器，其中所述胶体金属氧化物不含碱金属稳定剂。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的烛式过滤器，其中所述烛式过滤器的孔隙率大于80％；任选地其中所述孔隙率大于约82.5％，进一步任选地其中所述孔隙率为约82.5至86.5％。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的烛式过滤器，进一步包括至少一种催化剂材料。
11.根据权利要求10所述的烛式过滤器，其中所述至少一种催化剂材料基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的烛式过滤器，其中所述耐高温无机纤维包括高氧化铝多晶纤维、耐火陶瓷纤维、氧化铝-硅酸盐纤维、氧化铝-氧化镁-硅酸盐纤维、高岭土纤维、铝酸钙纤维、碱土金属硅酸盐纤维、氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维、氧化镁-硅酸盐纤维、S-玻璃纤维、S2-玻璃纤维、E-玻璃纤维、石英纤维、二氧化硅纤维中的至少一种或其组合。
13.根据权利要求12所述的烛式过滤器，其中所述耐火陶瓷纤维包括铝硅酸盐纤维，所述铝硅酸盐纤维包含约30至约70重量％的氧化铝和约30至约70重量％的二氧化硅的纤维化产物。
14.根据权利要求12所述的烛式过滤器，其中所述生物可溶性纤维包括氧化镁-硅酸盐纤维，所述氧化镁-硅酸盐纤维包含约60至约90重量％的二氧化硅和大于0至约35重量％的氧化镁的纤维化产物。
15.根据权利要求12所述的烛式过滤器，其中所述生物可溶性纤维包括氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维，所述氧化钙-氧化镁-硅酸盐纤维包含约45至约90重量％的二氧化硅、大于0至约45重量％的氧化钙和大于0至约35重量％的氧化镁的纤维化产物。
16.根据权利要求1-12中任一项所述的烛式过滤器，其通过以下的方法获得：
在模具中真空浇铸包含所述耐高温无机纤维、所述至少一种粘合剂和载液的浆料以形成圆柱形生坯管；
干燥圆柱形管以形成刚性过滤器元件；
将刚性过滤器元件浸在包含第二粘合剂的溶液或悬浮液中至少一次；并且
在足以防止第二粘合剂迁移的压力下对刚性过滤器元件进行真空干燥，使得第二粘合剂保持至少基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
17.一种生产烛式过滤器的方法，包括制备含水浆料并使含水浆料与圆柱形/管状模具接触，其中所述浆料包含耐高温无机纤维和至少一种粘合剂；
将浆料真空浇铸在模具上以形成具有凸缘部分和过滤部分的圆柱形生坯管；
干燥圆柱形生坯管以形成刚性过滤器元件；
使刚性过滤器元件与包含第二粘合剂的溶液接触至少一次；并且
在足以防止第二粘合剂迁移的压力下对刚性过滤器元件进行真空干燥，使得第二粘合剂保持至少基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中将第二粘合剂溶液再次施加到刚性过滤器元件，任选地再次施加到刚性过滤器元件的凸缘部分，并在足以防止第二粘合剂迁移的压力下再次进行真空干燥，使得第二粘合剂保持至少基本均匀地分布在烛式过滤器壁的整个厚度上。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中所述刚性过滤器元件基本上完全浸在包含第二粘合剂的溶液中。
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