CN115382303A - 用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料及其制备方法 - Google Patents

用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料及其制备方法，从迎尘面依次包括金属丝网烧结层、金属粉末烧结层。本发明设计了一种具有梯级孔结构的金属过滤材料，采用多层金属丝网为迎尘面，复合一层金属粉末经高温真空烧结而成一种迎尘面具有二维直通孔而净气层具有三维大孔的新型粗效过滤材料结构，孔径可以依据过滤粉尘的粒径分布进行调控，该结构设计充分利用了二维过滤材料的直通孔的优势，拦截了大颗粒粉尘，而净气层的大孔设计（孔径小于迎尘面的直通孔孔径），拦截中位粒径的颗粒，并确保了微细颗粒的顺利通过，从而实现低阻粗效的稳定过滤，满足了垃圾焚烧工艺过程省煤器保护器对过滤材料低阻粗效的需求。

Description

用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材 料及其制备方法
技术领域
本发明属于过滤与分离技术领域，具体涉及一种用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料及其制备方法。
背景技术
由于垃圾焚烧锅炉烟气有较强的吸湿性，导致现有的传统工艺普遍存在如下缺点：
1）省煤器、空预器易积灰，运行阻力大；清灰频繁，能耗大且容易爆管；且空预器低温腐蚀严重；
2）布袋除尘器容易糊袋，运行阻力大；飞灰量大，飞灰量处理费用高；
3）积灰导致换热效率下降，排烟温度高，烟气热损失大；锅炉尾部二噁英再生严重。
为了更好的解决传统工艺的缺点，工艺设计人员提出了在省煤器前端布置一个保护器（预除尘）的方案，从而减少锅炉尾部烟道省煤器、空预器的积灰磨损，减少尾部布袋除尘器飞灰处理量。而过滤材料的设计和选择则是决定该方案可行性的重点与难点。该方案对过滤材料的要求与常规过滤材料完全不同，要求耐高温，使用温度最高可达500℃；粗效过滤，去除大部分的粗颗粒，保护器出口粉尘排放浓度介于100mg/m3~1000mg/m3，且易清灰，阻力不高于1200Pa。然而，现有传统粗效过滤材料的结构一般为二维丝网结构的金属滤料和三维深层过滤结构的纤维毡金属滤料两种，二维的丝网结构孔径大且为直通孔，粉尘易穿透，形成的粉饼层不稳定，过滤效率与过滤阻力波动大，后者深层过滤，清灰性能较差，滤料短期内就会被粉尘堵塞，阻力居高不下而失效。为了解决过滤效率、过滤阻力稳定性和易清灰的难题，本发明的创新在于设计了一种具有梯级孔结构的金属过滤材料，采用多层金属丝网为迎尘面，复合一层金属粉末经高温真空烧结而成一种迎尘面具有二维直通孔而净气层具有三维大孔的新型粗效过滤材料结构，孔径可以依据过滤粉尘的粒径分布进行调控，该结构设计充分利用了二维过滤材料的直通孔的优势，拦截了大颗粒粉尘，而净气层的大孔设计（孔径小于迎尘面的直通孔孔径），拦截中位粒径的颗粒，并确保了微细颗粒的顺利通过，从而实现低阻粗效的稳定过滤，确保系统正常运行。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明设计了一种多层金属丝网复合金属粉末烧结过滤材料，充分利用大孔径金属丝网拦截大颗粒粉尘，利用金属粉末层进一步拦截中位粒径的颗粒物，让微细颗粒顺利通过的同时，保证整个滤料在使用过程中“过滤”与“再生”阻力与效率的稳定性，形成一种具有粗效过滤的稳定结构，解决了单独使用金属丝网粉饼不稳定，阻力波动大，单独使用粗效的金属粉末烧结毡时大颗粒易进入造成深层易堵塞的等不足，实现了拦截大颗粒且形成稳定粉饼易清灰的粗效过滤结构。以满足垃圾焚烧工艺中省煤器保护器对过滤材料的特殊要求。
为实现上述目的，本发明提出了一种用于垃圾焚烧炉省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料及其制备方法，从迎尘面依次包括金属丝网烧结层、金属粉末烧结层，孔径沿迎尘面向净气面由大梯级变小。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料，从迎尘面依次包括金属丝网烧结层、金属粉末烧结层。
进一步地，所述的过滤材料的孔径沿迎尘面向净气面由大梯级变小。
进一步地，所述的金属丝网烧结层由保护网、过滤控制网、支撑网组成。
进一步地，所述金属粉末烧结层中金属粉末为316L不锈钢粉末、铁铝合金粉末、钛合金粉末或镍合金粉末中的一种或多种混合，所述金属粉末包含多种粒径，粒径范围为15~100μm。
上述的用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料的制备方法包括以下步骤：
（1）金属丝网烧结层的制备：在过滤控制网的两侧覆上支撑网，用压延机进行压制后覆上保护网并在一端焊接固定，得到烧结网坯料，将烧结网坯料在真空炉中进行真空预烧结，结束后对坯料进行强制冷却，直至炉温降至室温，得到金属丝网烧结层，备用；
（2）金属粉末烧结层乳液的制备：称取不同粒径的金属粉末，在500 r/min搅拌下加入到水相中，搅拌2 min后进行超声处理，随后继续500 r/min磁力搅拌10 min，得到金属粉末分散液作为水相，以粘结剂作为油相，并在室温下将水相加入油相，以 15000 r/min均质速率均质5 min，即得不同粒径的Pickering乳液；
（3）烧结坯料的制备：利用空气喷枪按粉末粒径从大至小的顺序将步骤（2）配制的Pickering乳液依次逐层喷涂在步骤（1）的金属丝网烧结层，在金属丝网烧结层复合一层不同粒径金属粉末层的烧结坯料；
（4）过滤材料的制备：将步骤（3）的烧结坯料送入脱脂炉进行脱脂，再将脱脂后的复合坯料送入真空烧结炉或气氛烧结炉中进行高温烧结，即得用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料。
进一步地，所述的保护网、过滤控制网、支撑网材质为316L不锈钢材料或镍基合金材，所述过滤控制网的孔径为20-50μm。
进一步地，所述的金属粉末为316L不锈钢粉末、铁铝合金粉末、钛合金粉末或镍合金粉末中的一种或多种混合，其粒径范围为15~100μm。
进一步地，所述的粘结剂为矿物油、酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛中的一种或多种复配。
进一步地，步骤（1）中真空预烧结条件为：烧结温度为1000~1100℃，保温时间为25分钟~50分钟。
进一步地，步骤（4）中脱脂条件为：脱脂气氛为氮气，脱脂温度阶梯升温工序，温度为220-540℃，当温度低于350℃时，按升温速率10~20℃，超过350℃，按升温速率5℃升温，脱脂时间为45- 90min。
进一步地，脱脂后的复合坯料送入真空烧结炉或气氛烧结炉中进行高温烧结，烧结温度为1050~1150℃。烧结时间为55~95min。
本发明的优点在于，将特定粒径金属粉末配制为Pickering乳液，具有抗聚集、絮凝、奥氏熟化、粒径可调等优点，满足逐层喷涂的梯级孔制备要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；图中：1-金属丝网烧结层；2-金属粉末烧结层；
图2为高温粗效金属多孔过滤材料过滤原理图；
图3为金属粉末Pickering乳液的粒径分布观察；
图4为某垃圾焚烧厂高温省煤器入口粉尘粒径分布；
图5为高温粗效金属多孔过滤材料老化前后压差曲线；
图6为高温粗效金属多孔过滤材料显微镜图；
图7为常规高温高效金属多孔过滤材料显微镜图；
图8为常规高温高效金属多孔过滤材料老化前后压差曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明所采用的技术方案具体按照以下步骤实现。
具体为，第一步，根据具体垃圾焚烧项目省煤器入口烟尘颗粒物的粒径分布，选择相应规格的金属网分别作为保护网、过滤控制网、支撑网，并将进行逐一检验，确保所选取的金属网无缺陷，如漏丝、破损和油污等；
第二步，在过滤控制网的两侧覆上支撑网，用压延机进行压制；在压制后的控制网上取样，进行冒泡检验，观察泡点是否均匀、稳定，且泡点压力值达到设计要求。
第三步，在上述的压制好的控制网两侧覆上保护网并在一端焊接固定，得到烧结网坯料。
第四步，将上述多层丝网坯料在真空炉中进行真空预烧结，结束后对坯料进行强制冷却，直至炉温降至室温备用；
第五步，将金属粉末进行筛分，得到不同粒度区间的粉末原材料；称取特定粒径的金属粉末，在500 r/min搅拌下加入到水相中，搅拌2 min后进行超声处理（超声频率40kHz，超声时间2 min），随后继续500 r/min磁力搅拌10 min，得到金属粉末分散液作为水相；称取一定质量的粘结剂作为油相。室温下均质水相加入油相，以 15000 r/min均质速率均质5 min，得到Pickering乳液。根据需要重复以上步骤，制备若干特定粒径的金属粉末Pickering乳液。所得的Pickering乳液中金属的粒径分布可用显微法观察进行分析；
第六步，利用空气喷枪按粉末粒径从大小的顺序将上述配制好的乳液依次逐层喷涂在烧结的多层丝网，每喷一种乳液需间隔一定时间，以保证浆液被吸附完全，再进行下一种乳液喷涂。形成金属丝网烧结层复合金属粉末层烧结坯料。
第七步，将上述坯料送入脱脂炉进行脱脂（脱脂气氛为氮气，脱脂温度阶梯升温工序，温度范围为220-540℃，脱脂时间45- 90min），将脱脂后的复合坯料送入真空烧结炉或气氛烧结炉中进行高温烧结，即得本发明用于垃圾焚烧炉省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料，其结构设计如图1所示。
所述的高温粗效金属多孔过滤材料以未喷涂金属粉末的一面为迎尘面（烟气进方向），以金属粉末烧结层作为净气面（烟气出方向），其过滤机理如图2。
本发明的技术特征还在于，所述的金属丝网包括保护网、过滤控制网、支撑网材质必须为316L不锈钢材料或镍基合金材；所述的金属粉末为316L不锈钢粉末、铁铝合金粉末、钛合金粉末或镍合金粉末中的一种或多种混合。
所述的过滤控制网孔径不小于15um，更进一步的孔径优选范围在20~50um可调可控。
所述的金属粉末平均粒径不小于10um，更进一步的粒径优选范围在15~100um。
所述的粘结剂为矿物油、酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛中的一种或多种复配。
实施例1
（1）以某垃圾焚烧炉高温省煤器入口粉尘浓度的粒径分布为设计依据，如图4所示，该项目粉尘平均粒径为219um，但其在粒径35um占有较高比例，因此，选择过滤控制网的孔径40~50um，按步骤第一至第四步制作预烧结多层丝网坯料；
（2）按孔径35um、30 um、25 um、20 um的设计要求，配置4种金属粉末Pickering乳液，利用空气喷枪按粉末粒径从大小的顺序将上述配制好的乳液依次逐层喷涂在烧结的多层丝网，每喷一种乳液需间隔5~15min，以保证浆液被吸附完全，再进行下一种乳液喷涂。形成金属丝网烧结层复合金属粉末层烧结坯料；
（3）将上述坯料送入脱脂炉进行脱脂（脱脂气氛为氮气，脱脂温度阶梯升温工序，温度范围为220-540℃，当温度低于350℃时，按升温速率10℃/min，超过350℃，按升温速率5℃/min升温至540℃并保温，脱脂总时间控制在70min），将脱脂后的复合坯料送入真空烧结炉中进行高温烧结，烧结温度设定为1050℃，烧结时间为60min。即得用于垃圾焚烧炉省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料。
（4）取样测试高温粗效金属多孔过滤材料的克重、厚度、透气量及模拟过滤性能测试，见表1、图5。结果表明，残余压差老化前达到425Pa，经4285次喷吹老化后（间隔5s喷吹1次），残余压差为245Pa，表明老化后形成较为稳定粉饼层，滤料内部并无堵塞，清灰效果良好，达到了设计目标。
（5）为了进一步说明本发明高温粗效金属多孔过滤材料的粗效低阻特性，我们选取了常规高温高效金属过滤材料（对比例）进行对比分析，显微镜观察如图6、图7，从图6显微可以看出，本发明高温粗效金属多孔过滤材料由上层金属丝网与下层粉末层构成，而常规高温高效金属多孔过滤材料则由粉末层构成，并进一步地对两种滤料的克重、厚度、透气量及模拟过滤性能测试，见表2、图5和图8。通过对比发现本发明高温粗效金属多孔过滤材料与常规高温高效金属多孔过滤材料性能对比，本发明实现了低阻、粗效稳定过滤效果。
表1
Figure 853405DEST_PATH_IMAGE001
表2 实施例1与对比例过滤性能测试
Figure DEST_PATH_IMAGE002
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料，其特征在于：从迎尘面依次包括金属丝网烧结层、金属粉末烧结层。
2.根据权利要求1所述的用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料，其特征在于：所述的过滤材料的孔径沿迎尘面向净气面由大梯级变小。
3.根据权利要求1所述的用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料，其特征在于：所述的金属丝网烧结层由保护网、过滤控制网、支撑网组成。
4.根据权利要求1所述的用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料，其特征在于：所述金属粉末烧结层中金属粉末为316L不锈钢粉末、铁铝合金粉末、钛合金粉末或镍合金粉末中的一种或多种混合，所述金属粉末包含多种粒径，粒径范围为15~100μm。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）金属丝网烧结层的制备：在过滤控制网的两侧覆上支撑网，用压延机进行压制后覆上保护网并在一端焊接固定，得到烧结网坯料，将烧结网坯料在真空炉中进行真空预烧结，结束后对坯料进行强制冷却，直至炉温降至室温，得到金属丝网烧结层，备用；
（2）金属粉末烧结层乳液的制备：称取不同粒径的金属粉末，分别在500 r/min搅拌下加入到水相中，搅拌2 min后进行超声处理，随后继续500 r/min磁力搅拌10 min，得到金属粉末分散液作为水相，以粘结剂作为油相，并室温下将水相加入油相，以 15000 r/min均质速率均质5 min，即得不同粒径的Pickering乳液；
（3）烧结坯料的制备：利用空气喷枪按粉末粒径从大至小的顺序将步骤（2）配制的Pickering乳液依次逐层喷涂在步骤（1）的金属丝网烧结层，在金属丝网烧结层复合一层不同粒径金属粉末层的烧结坯料；
（4）过滤材料的制备：将步骤（3）的烧结坯料送入脱脂炉进行脱脂，再将脱脂后的复合坯料送入真空烧结炉或气氛烧结炉中进行高温烧结，即得用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料。
6.根据权利要求5所述的用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料的制备方法，其特征在于：所述的保护网、过滤控制网、支撑网材质为316L不锈钢材料或镍基合金材，所述过滤控制网的孔径为20-50μm。
7.根据权利要求5所述的用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料的制备方法，其特征在于：所述的金属粉末为316L不锈钢粉末、铁铝合金粉末、钛合金粉末或镍合金粉末中的一种或多种混合，其粒径范围为15~100μm。
8.根据权利要求5所述的用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料的制备方法，其特征在于：所述的粘结剂为矿物油、酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛中的一种或多种复配。
9.根据权利要求5所述的用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中真空预烧结条件为：烧结温度为1000~1100℃，保温时间为25分钟~50分钟。
10.根据权利要求5所述的用于垃圾焚烧工艺省煤器保护器的高温粗效金属多孔过滤材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中脱脂条件为：脱脂气氛为氮气，脱脂温度阶梯升温工序，温度为220-540℃，当温度低于350℃时，按升温速率10~20℃，超过350℃，按升温速率5℃升温，脱脂时间为45- 90min。
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