JP2001046818A - Ceramic filter element and its manufacture - Google Patents

Ceramic filter element and its manufacture

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JP2001046818A
JP2001046818A JP11223981A JP22398199A JP2001046818A JP 2001046818 A JP2001046818 A JP 2001046818A JP 11223981 A JP11223981 A JP 11223981A JP 22398199 A JP22398199 A JP 22398199A JP 2001046818 A JP2001046818 A JP 2001046818A
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JP
Japan
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mullite
filter
ceramic
filter element
ceramic filter
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JP11223981A
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Japanese (ja)
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Isao Ikeda
功 池田
Makoto Ikeda
誠 池田
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Toshiba Corp
Toshiba Development and Engineering Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/52Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve characteristics such as strength, corrosion resistance, thermal impact resistance, and the like, while pressure loss and capturing performance of a ceramic filter element are maintained. SOLUTION: In a ceramic filter element wherein a filter layer comprising ceramics is formed on a substrate comprising a ceramic fiber, the substrate comprises principally a mullite long filter woven by a filament winding method, a pitch between respective adjoining long fiber bundles in a structure of the woven layer is wider than the width of the long fiber bundle, and the porosity of the substrate is 40-70 vol.%.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は高温の燃焼ガスから
粉塵を捕集するための高温ガス脱塵用の多孔質セラミッ
クフィルターエレメントおよびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a porous ceramic filter element for removing dust from a high-temperature combustion gas and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、石炭を燃料とする加圧流動床ボイ
ラー(PFBC)及び石炭ガス化複合発電(IGCC)
の開発が進められている。しかしながら、これらのもの
はいずれも燃料として石炭を用いているため粉塵が発生
し、この粉塵を取り除く必要がある。また、粉塵は高温
のガス中に混入しているため、フィルターは高温に耐え
られるものでなくてはならない。このような要求を満た
すものとして多孔質セラミックフィルターエレメントが
用いられるようになっている。
2. Description of the Related Art In recent years, pressurized fluidized bed boilers (PFBC) and coal gasification combined cycle power generation (IGCC) using coal as fuel have been developed.
Is being developed. However, since all of these use coal as fuel, dust is generated, and it is necessary to remove the dust. In addition, since dust is mixed in a high-temperature gas, the filter must be able to withstand high temperatures. A porous ceramic filter element has been used to satisfy such requirements.

【0003】例えば、図1に示すような石炭ガス化炉で
使用されている脱塵システム1では、ガス化されたもの
が入る高温ガス流入経路2と、ガスが排出される高温ガ
ス流出経路3を備え、内部には管板5に取り付けられた
セラミックフィルターエレメント4が複数本設置され、
逆円錐型を有したケーシングの下方部にダストホッパー
6が取り付けられた構造となっている。
For example, in a dust removal system 1 used in a coal gasifier as shown in FIG. 1, a high-temperature gas inflow path 2 into which gas is introduced and a high-temperature gas outflow path 3 through which gas is discharged. , A plurality of ceramic filter elements 4 attached to the tube sheet 5 are installed inside,
The dust hopper 6 is attached to the lower part of a casing having an inverted conical shape.

【0004】高温ガス流入経路2から流れ込んだ石炭ガ
スがセラミックフィルターエレメント4を通過すると、
石炭ガスに含まれていた粉塵が除去され、浄化されたガ
スが高温ガス流出経路3より排出され、粉塵はダストホ
ッパー6で捕集される仕組みである。また、この捕集作
業を長時間連続的に続けるとセラミックフィルターの表
面に粉塵が堆積して通気抵抗が増大するため捕集効率が
大幅に低下する。そのため高温ガス流入経路2と高温ガ
ス流出経路3との差圧を差圧計9により感知し、差圧が
ある一定値以上に達すると逆洗タンク7及び逆洗弁8に
より石炭ガスの流れと逆向きの逆洗気流を噴出し、セラ
ミックフィルターエレメント表面に堆積した粉塵を吹き
飛ばし、捕集効率を回復させるようになっている。
When the coal gas flowing from the hot gas inflow path 2 passes through the ceramic filter element 4,
The dust contained in the coal gas is removed, the purified gas is discharged from the high-temperature gas outflow passage 3, and the dust is collected by the dust hopper 6. In addition, if this collecting operation is continuously performed for a long time, dust accumulates on the surface of the ceramic filter and the air flow resistance increases, so that the collecting efficiency is greatly reduced. Therefore, the pressure difference between the hot gas inflow path 2 and the hot gas outflow path 3 is sensed by the differential pressure gauge 9, and when the pressure difference reaches a certain value or more, the backwash tank 7 and the backwash valve 8 reverse the flow of the coal gas. The direction of the backwash air is blown out, and the dust accumulated on the surface of the ceramic filter element is blown off to recover the collection efficiency.

【0005】従来、このような高温ガス脱塵システムに
おけるセラミックフィルターエレメントには、所定の粒
子径をもったセラミック粉末に結合材として粘土鉱物ま
たは基材のセラミック粉末より低融点の材料を添加して
フィルター形状に成形した後、結合材の軟化する近傍の
焼成温度で焼成することにより作製されるモノリシック
多孔質セラミックが使用されていた。特に化学的安定
性、耐熱衝撃性の観点からコーディエライト、SiC製
の多孔質モノリシックセラミック材料がよく使用されて
いた。
Conventionally, a ceramic filter element having a predetermined particle size is added to a ceramic filter element in such a high-temperature gas dedusting system by adding a clay mineral or a material having a lower melting point than the ceramic powder of the base material as a binder. A monolithic porous ceramic produced by firing into a filter shape and firing at a firing temperature near the softening of the binder has been used. Particularly, from the viewpoints of chemical stability and thermal shock resistance, porous monolithic ceramic materials made of cordierite or SiC have been often used.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記モ
ノリシックセラミックフィルターは、セラミック粉末を
結合材で固めた多孔質材料であり、気孔率50%の構造
体では10MPa程度の強度しか有していなかった。
However, the monolithic ceramic filter is a porous material obtained by hardening ceramic powder with a binder, and has a strength of only about 10 MPa in a structure having a porosity of 50%.

【0007】PFBCパイロットプラントにおいてはボ
イラー起動時の軽油燃焼から石炭燃焼への切り替え時、
負荷変動時および燃料緊急停止時などには、燃焼空気と
燃料のバランスがくずれて一時的に酸素不足となること
によって未燃焼分が発生する。この未燃焼分はセラミッ
クフィルターに飛来して蓄積する。この未燃焼分は酸素
量が不足している間はフィルター内に蓄積されたままで
あるが、ボイラーの燃焼状態が安定しフィルターの酸素
濃度が増加するとともにフィルター内で急激に燃焼しチ
ューブ内外に大きな温度差を生じさせ、フィルターエレ
メントを破損させる。
In the PFBC pilot plant, when switching from light oil combustion to coal combustion at the time of boiler startup,
When the load fluctuates or when the fuel is suddenly stopped, the balance between the combustion air and the fuel is lost, and the amount of unburned fuel is generated due to a temporary lack of oxygen. The unburned components fly to the ceramic filter and accumulate. This unburned portion remains accumulated in the filter while the amount of oxygen is insufficient, but the combustion state of the boiler stabilizes and the oxygen concentration of the filter increases. This causes a temperature difference and damages the filter element.

【0008】また、脱塵時には500℃〜900℃の高
温下に曝されているが、逆洗気流の噴射により急激にフ
ィルター表面が冷却されるため、低強度のモノリシック
セラミックフィルターは熱衝撃により破損してしまう。
その他、フィルターエレメントの取り替え作業時に他エ
レメントと接触して破損する問題も生じている。
[0008] In addition, when dust is removed, the filter is exposed to a high temperature of 500 ° C to 900 ° C. However, since the surface of the filter is rapidly cooled by the injection of the backwash air flow, the low-strength monolithic ceramic filter is damaged by thermal shock. Resulting in.
In addition, there is also a problem in that the filter element comes into contact with another element and is damaged when the filter element is replaced.

【0009】従って、本発明のセラミックフィルターエ
レメント及びその製造方法は、セラミックフィルターエ
レメントの圧力損失及び捕集性能を維持しつつ、強度、
耐食性及び耐熱衝撃性等の特性を向上させることを目的
としている。
Therefore, the ceramic filter element and the method of manufacturing the same according to the present invention maintain strength and pressure while maintaining pressure loss and trapping performance of the ceramic filter element.
The purpose is to improve properties such as corrosion resistance and thermal shock resistance.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
発明者らは、種々の構造部材により高強度の多孔質フィ
ルター材料の作製を試みた。その結果、強度の高いセラ
ミック長繊維材料をセラミックフィルターの基材材料と
して用い、その表面にフィルター層としてのろ過膜を付
与することによりモノリシックセラミック製のフィルタ
ー材料より高強度、高信頼性の多孔質セラミックフィル
ター材料を得るに至った。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the inventors have attempted to produce a porous filter material having high strength by using various structural members. As a result, a high strength and highly reliable porous material is used as compared to a monolithic ceramic filter material by using a ceramic long fiber material with high strength as the base material of the ceramic filter and applying a filtration membrane as a filter layer on the surface. A ceramic filter material was obtained.

【0011】本発明のセラミックフィルターエレメント
は請求項1に記載したように、セラミック繊維からなる
基材にセラミックからなるフィルター層を形成したセラ
ミックフィルターエレメントにおいて、前記基材は主と
してムライト長繊維からなり、かつ前記基材の気孔率は
40〜70容量%であることを特徴としている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a ceramic filter element in which a filter layer made of ceramic is formed on a base made of ceramic fibers. In addition, the porosity of the substrate is 40 to 70% by volume.

【0012】本発明に用いられるムライト長繊維はフィ
ラメントワインディング法により製織され、その製織さ
れた層の構造体中における隣り合う各長繊維束間のピッ
チが長繊維束幅よりも広いことが好ましい。また、本発
明に用いられるムライト長繊維はアルミナゾル及びシリ
カゾルを含浸焼成してなる主としてムライトからなる結
合部により結合固化されており、かつ前記結合部におけ
るジルコニア含有量は20重量%未満であることが好ま
しい。
The mullite filament used in the present invention is woven by a filament winding method, and the pitch between adjacent filament bundles in the woven layer structure is preferably wider than the width of the filament bundle. Further, the mullite filament used in the present invention is bound and solidified by a bonding portion mainly composed of mullite obtained by impregnating and firing alumina sol and silica sol, and the zirconia content in the bonding portion is less than 20% by weight. preferable.

【0013】本発明に用いられるフィルター層は、平均
粒径5〜100μmの主としてムライト質からなる粉末
と、等モルのカルシア(CaO)及びジルコニア(Zr
2)を含み、前記カルシア(CaO)及びジルコニア
(ZrO2 )の含有量が前記ムライト粉末に対して1〜
20重量%である混合物を焼成することによって形成さ
れていることが好ましい。
The filter layer used in the present invention is composed of a powder mainly composed of mullite having an average particle size of 5 to 100 μm, and equimolar amounts of calcia (CaO) and zirconia (Zr).
O 2 ), and the content of the calcia (CaO) and zirconia (ZrO 2 ) is 1 to the mullite powder.
It is preferably formed by firing a mixture that is 20% by weight.

【0014】本発明のセラミックスフィルターの製造方
法は、主としてムライト長繊維からなるものにアルミナ
ゾル及びシリカゾルを含浸させ、1150℃〜1300
℃で焼成することによって基材を形成する工程と、前記
基材にセラミックからなるフィルター層を形成する工程
とを具備することを特徴とするものである。
In the method for producing a ceramics filter of the present invention, a filter mainly comprising mullite filaments is impregnated with alumina sol and silica sol,
A step of forming a substrate by baking at a temperature of ° C .; and a step of forming a filter layer made of ceramic on the substrate.

【0015】また、本発明のセラミックフィルターの製
造方法は、主としてムライト長繊維からなる基材を形成
する工程と前記基材にムライト、ジルコン酸カルシウム
及び前記ムライトに対して0.1〜20重量%のカオリ
ナイトからなる混合物を付加し、1100℃〜1300
℃で焼成してフィルター層を形成する工程とを具備する
ことを特徴とするものである。
Further, the method for producing a ceramic filter according to the present invention comprises a step of forming a base material mainly composed of mullite filaments, wherein the base material comprises mullite, calcium zirconate and 0.1 to 20% by weight based on the mullite. Of kaolinite from 1100 ° C. to 1300
And forming a filter layer by baking at a temperature of ℃.

【0016】本発明においてフィルター基材の一方を封
止したセラミックフィルターの製造方法は、セラミック
繊維からなる基材にセラミックからなるフィルター層を
形成することによってフィルター基材を作製する工程
と、前記フィルター基材又は前記フィルター基材の一方
の開放部を封止する片端封止材の少なくとも一方にムラ
イト、ジルコン酸カルシウム及びカオリナイトからなる
混合物を塗布し両者を接続する工程と前記フィルター基
材と片端封止材とを接続したものを焼成する工程とを具
備することを特徴とするものである。
In the present invention, a method of manufacturing a ceramic filter in which one of the filter base materials is sealed includes a step of preparing a filter base material by forming a filter layer made of ceramic on a base material made of ceramic fibers; A step of applying a mixture of mullite, calcium zirconate and kaolinite to at least one of a base material or a one-end sealing material for sealing one open portion of the filter base material and connecting both, and the filter base material and one end Baking a product connected to the sealing material.

【0017】本発明はセラミックフィルターエレメント
の基材としてムライト長繊維を用いることによって、気
孔率が40〜70容量%のセラミックフィルターエレメ
ントにおいても、強度、耐熱衝撃性を維持することがで
きる。
In the present invention, strength and thermal shock resistance can be maintained even in a ceramic filter element having a porosity of 40 to 70% by volume by using mullite long fibers as a base material of the ceramic filter element.

【0018】また、フィラメントワインディング法によ
り製織し、その製織された層の構造体中における隣り合
う各長繊維束間のピッチを長繊維束幅よりも広くするこ
とで、所定の気孔率を確保することができる。
Further, a predetermined porosity is ensured by weaving by a filament winding method and by making the pitch between adjacent long fiber bundles in the structure of the woven layer wider than the long fiber bundle width. be able to.

【0019】本発明に用いられるムライト長繊維はアル
ミナゾル、シリカゾルを含浸して焼成することにより、
主としてムライトからなる結合部を形成し、より強度の
高い基材を形成することができる。このような結合部に
20%未満のジルコニアを含有させることによって、耐
アルカリ性を向上させることができる。
The mullite filaments used in the present invention are impregnated with alumina sol and silica sol and fired to obtain
By forming the bonding portion mainly composed of mullite, it is possible to form a substrate having higher strength. By including less than 20% of zirconia in such a joint, alkali resistance can be improved.

【0020】本発明に用いられるフィルター層の形成に
平均粒径5〜100μmのムライト粉末を用いることに
よって、目的とする脱塵粒子の粒径に合わせて気孔径を
調節することができる。また、カルシア、ジルコニアを
等モルずつ、かつムライト粉末に対して1〜20重量%
の範囲で添加させることによって、耐熱性及び耐アルカ
リ性を向上させることができる。
By using mullite powder having an average particle size of 5 to 100 μm for forming the filter layer used in the present invention, the pore size can be adjusted according to the target particle size of the dust-removed particles. In addition, calcia and zirconia are equimolar and 1 to 20% by weight based on the mullite powder.
, The heat resistance and alkali resistance can be improved.

【0021】本発明では、ムライト長繊維からなるもの
に、アルミナゾル及びシリカゾルを含浸させ1150℃
〜1300℃で焼成することによって、強度の高い基材
を作製することができる。
In the present invention, mullite filaments are impregnated with alumina sol and silica sol at 1150 ° C.
By firing at 〜1300 ° C., a substrate having high strength can be produced.

【0022】本発明においてフィルター層を形成する際
にムライト粉末に0.1〜20重量%のカオリナイトを
添加することによって、ムライト粉末を比較的容易に固
化させることができ、さらには低融点化によるフィルタ
ーの目詰まりも抑制することができる。
In the present invention, when the filter layer is formed, by adding 0.1 to 20% by weight of kaolinite to the mullite powder, the mullite powder can be relatively easily solidified, and the melting point can be reduced. Clogging of the filter due to the above can be suppressed.

【0023】また、本発明のセラミックフィルターエレ
メントにおいては、フィルター基材と片端封止材とをム
ライト、ジルコン酸カルシウム及びカオリナイトからな
るものを焼成して接合することで、フィルター基材と片
端封止材を十分に一体化させることができる。
Further, in the ceramic filter element of the present invention, the filter base material and the one-end sealing material are fired and joined to one composed of mullite, calcium zirconate and kaolinite, thereby joining the filter base material with the one-end sealing material. The stopper can be sufficiently integrated.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】セラミック長繊維材料にはシリカ
繊維、アルミナ繊維、SiC繊維、ムライト繊維など各
種材料があるが、フィルターエレメントの素材として用
いる場合には、耐熱性、耐アルカリ性に優れ、かつ逆洗
洗浄などの熱応力負荷に耐えられる低熱膨張性であるこ
とが必要となる。また長繊維材料で多孔質体を作製する
場合、長繊維の配列によりフィルター基材の気孔径及び
気孔率が制御されるため、長繊維を規則正しく配列する
ことが必要である。また長繊維のフィルター基材を形状
保持するために固めたり、フィルター層としての粉末を
結合するための結合材にも高温下での強度低下を生じ
ず、かつ耐アルカリ性に優れた材料を選定する必要があ
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Ceramic long fiber materials include various materials such as silica fiber, alumina fiber, SiC fiber and mullite fiber. When used as a material for a filter element, they have excellent heat resistance and alkali resistance. It is necessary to have a low thermal expansion property capable of withstanding a thermal stress load such as back washing. When a porous body is made of a long fiber material, the pore diameter and the porosity of the filter substrate are controlled by the arrangement of the long fibers, so that it is necessary to regularly arrange the long fibers. In addition, select a material that does not cause a decrease in strength at high temperatures and has excellent alkali resistance as a binder for solidifying a long fiber filter base material to maintain its shape and for binding powder as a filter layer. There is a need.

【0025】すなわち本発明に係わるセラミックフィル
ターエレメントは、セラミック繊維からなる基材にセラ
ミックからなるフィルター層を形成したセラミックフィ
ルターエレメントにおいて、前記基材は主としてムライ
ト長繊維からなり、かつ前記基材の気孔率は40〜70
容量%であることを特徴とするものである。
That is, a ceramic filter element according to the present invention is a ceramic filter element in which a ceramic filter layer is formed on a ceramic fiber base material, wherein the base material is mainly composed of mullite filaments and the pores of the base material are Rate is 40-70
% By volume.

【0026】また、本発明に用いられるムライト長繊維
はフィラメントワインディング法により製織され、その
製織された層の構造体中における隣り合う各長繊維束間
のピッチが長繊維束幅よりも広いことが好ましい。
The mullite filament used in the present invention is woven by a filament winding method, and the pitch between adjacent filament bundles in the structure of the woven layer is larger than the width of the filament bundle. preferable.

【0027】ムライト長繊維材料は室温強度が2GPa
と非常に高くアルミナ繊維、SiC繊維よりも耐熱性に
は劣るものの1200℃までは強度劣化も比較的少ない
ものである。また、ムライト長繊維は低熱膨張性の材料
であるため、逆洗洗浄等の急激な温度変化に対しても強
く高温脱塵用のフィルター基材用材料として優れてい
る。従って、本発明ではムライト長繊維をセラミックフ
ィルターエレメントに用いることによって、圧力損失を
起こさない程度の気孔率40〜70容量%を維持しつ
つ、セラミックフィルターエレメントの強度を向上させ
るものである。
The mullite filament material has a room temperature strength of 2 GPa.
Although the heat resistance is extremely high and the heat resistance is inferior to the alumina fiber and the SiC fiber, the strength deterioration is relatively small up to 1200 ° C. Further, since mullite long fiber is a material having low thermal expansion, it is strong against a rapid temperature change such as backwashing and washing, and is excellent as a material for a filter base material for high-temperature dust removal. Therefore, in the present invention, the strength of the ceramic filter element is improved by using the mullite long fiber for the ceramic filter element while maintaining the porosity of 40 to 70% by volume so as not to cause a pressure loss.

【0028】このような長繊維材料により多孔質フィル
ター基材を形成する場合、長繊維束同志で織り重なった
空隙部がフィルター基材内部の気孔となるため、ランダ
ム配向に繊維を巻いていくとフィルター基材の場所によ
って気孔径のばらつき、気孔率のむらを生じ、フィルタ
ー基材として使用するとフィルターエレメント内の各場
所によって通気圧損の差が生じて、場合によっては破損
することが考えられる。従って、繊維の製織方法の選
択、繊維束ピッチ及び製織角θの制御により、フィルタ
ーエレメント内の空隙径、空隙分布を制御する必要があ
る。
When a porous filter substrate is formed from such a long-fiber material, the voids woven by long fiber bundles become pores inside the filter substrate. It is conceivable that the pore size varies and the porosity becomes uneven depending on the location of the filter substrate, and that when used as a filter substrate, a difference in aeration pressure loss occurs at each location in the filter element and the filter element may be damaged in some cases. Therefore, it is necessary to control the pore diameter and the pore distribution in the filter element by selecting the fiber weaving method and controlling the fiber bundle pitch and the weaving angle θ.

【0029】本発明においては空隙径、空隙分布の制御
を行うことができる製織方法として、フィラメントワイ
ンディング法を用いることが好ましい。フィラメントワ
インディング法は一束の長繊維束を回転する中子に巻き
付けることにより繊維構造体を作製する方法であり、繊
維のトラバーススピードにより回転軸との製織角を決定
することができる。
In the present invention, it is preferable to use a filament winding method as a weaving method capable of controlling the void diameter and the void distribution. The filament winding method is a method of producing a fibrous structure by winding a bundle of long fibers around a rotating core, and the weaving angle with the rotation axis can be determined by the traverse speed of the fibers.

【0030】また、脱塵システム稼働時にフィルターエ
レメント構造部材に応力が発生する場合、「フィルター
長手軸方向応力/フィルター円周方向応力」は製織角θ
によりcos2 θ/sin2 θで表されるため、製織角
θを制御することによりフィルターエレメントに発生す
る応力を負担することができる。
When stress is generated in the filter element structural member during operation of the dust removal system, "stress in the longitudinal axis direction of the filter / stress in the circumferential direction of the filter" is determined by the weaving angle θ.
Is expressed as cos 2 θ / sin 2 θ, so that the stress generated in the filter element can be borne by controlling the weaving angle θ.

【0031】また、フィラメントワインディング法にお
いて繊維同志で織り重なった空隙形状、空隙分布を均一
にもった多孔質基材を作製するには製織角を制御するだ
けでなく、繊維束ピッチを制御する必要がある。フィラ
メントワインディング法では分割巻き、順次巻き、ラン
ダム巻きなど幾通りかの巻きパターンがあるが、いずれ
のパターンにおいても繊維束はある一定の製織角θのも
と規則正しいピッチで配列されていく。1層の構造体の
なかで繊維束幅Wの繊維を配向角θで製織した場合、中
子の表面を完全に繊維で覆い緻密体を作製するには繊維
束ピッチPとW/cosθが等しくなるようにする。し
かしながら、この構造体においては繊維が密に配列して
いるため、ガスが通過する空隙が少なくなり、気孔率も
低くなるためにガス通気圧損が高くなり、捕集効率が低
くなる。そのためW/cosθを繊維束幅Wより大きく
することにより空隙が形成される。長繊維材料によりフ
ィルターエレメント材を作製する場合は1.5≦P/
(W/cosθ)≦8となるように制御する。P/(W
/cosθ)が1.5より小さくなると気孔率が低下し
て通気圧損が高くなり、P/(W/cosθ)が8より
大きくなるとフィルターエレメント基材自体の気孔率が
上昇すると同時に気孔径も大きくなりフィルター基材の
強度が大幅に低下する。
In the filament winding method, in order to produce a porous base material having uniform void shape and uniform void distribution woven together by fibers, it is necessary to control not only the weaving angle but also the fiber bundle pitch. There is. In the filament winding method, there are several winding patterns such as split winding, sequential winding, and random winding. In each of the patterns, the fiber bundles are arranged at a regular pitch under a certain weaving angle θ. When a fiber having a fiber bundle width W is woven at an orientation angle θ in a one-layer structure, the fiber bundle pitch P is equal to W / cos θ to completely cover the surface of the core with the fiber. To be. However, in this structure, since the fibers are densely arranged, the number of voids through which the gas passes is reduced, and the porosity is also reduced, so that the gas ventilation pressure loss is increased and the collection efficiency is reduced. Therefore, voids are formed by making W / cos θ larger than the fiber bundle width W. When the filter element material is made of a long fiber material, 1.5 ≦ P /
Control is performed so that (W / cos θ) ≦ 8. P / (W
(/ Cos θ) is smaller than 1.5, the porosity is reduced and the ventilation pressure loss is increased. When P / (W / cos θ) is larger than 8, the porosity of the filter element substrate itself is increased and the pore diameter is also increased. The strength of the filter substrate is greatly reduced.

【0032】好ましくはP/(W/cosθ)を2から
6の範囲になるように繊維束ピッチPを制御することに
より気孔率が50%前後で、平均気孔径が100〜40
0μmである低圧損のフィルター基材を作製することが
できる。
Preferably, the porosity is about 50% and the average pore diameter is 100 to 40 by controlling the fiber bundle pitch P so that P / (W / cos θ) is in the range of 2 to 6.
A filter substrate having a low pressure loss of 0 μm can be produced.

【0033】また、このような本発明に用いられるムラ
イト長繊維としては、直径5〜200μm、長さ1mm
以上の連続繊維を用いることが好ましい。
The mullite filament used in the present invention has a diameter of 5 to 200 μm and a length of 1 mm.
It is preferable to use the above continuous fibers.

【0034】図2に本発明に用いられる中子の一例を示
す。図2(a)に示すように、中子10は中子10を回
転させるための中子シャフト11が中心軸に設けられて
おり、中子10の表面にはフィラメント束12が製織角
θでまきつけられていく。また、図2(b)に示すよう
に、各フィラメント束12の間には、空隙部13が存在
する。ここで、Pは繊維束ピッチをあらわし、Wは繊維
束幅をあらわしている。
FIG. 2 shows an example of the core used in the present invention. As shown in FIG. 2A, a core shaft 11 for rotating the core 10 is provided on a center axis of the core 10, and a filament bundle 12 is formed on the surface of the core 10 at a weaving angle θ. I will be attracted. In addition, as shown in FIG. 2B, a gap 13 exists between the filament bundles 12. Here, P represents a fiber bundle pitch, and W represents a fiber bundle width.

【0035】また本発明に係わるセラミックフィルター
エレメントは、セラミック繊維で形成された基材とセラ
ミック粉末で形成されたフィルター層より構成されたセ
ラミックフィルターエレメントにおいて、基材の形成材
料であるムライト長繊維がアルミナゾル、シリカゾルを
含浸して焼成することによって形成される実質的にムラ
イト質の結合部により結合固化され、かつ結合部には2
0重量%未満のジルコニアを含有することを特徴とする
ものである。また上記基材は1150℃〜1300℃の
温度範囲で焼成することが好ましい。このような温度範
囲で焼成することにより、結合部をより高強度のムライ
ト質とすることができる。また結合部を長繊維と同材質
のムライトとしたのは、長繊維と結合部の熱膨張の差に
よるミスマッチを低減させるためである。
The ceramic filter element according to the present invention is a ceramic filter element comprising a base material formed of ceramic fibers and a filter layer formed of ceramic powder, wherein the mullite filament as a base material is used. Bonded and solidified by a substantially mullite bonding portion formed by impregnating and firing alumina sol and silica sol, and 2
It is characterized by containing less than 0% by weight of zirconia. Preferably, the base material is fired in a temperature range of 1150 ° C to 1300 ° C. By baking in such a temperature range, the bonding portion can be made to have higher strength mullite. The reason why the joining portion is made of mullite made of the same material as the long fiber is to reduce a mismatch due to a difference in thermal expansion between the long fiber and the joining portion.

【0036】ムライト長繊維による多孔質基材は、長繊
維にアルミナゾルとシリカゾルの混合物を含浸、焼成固
化して作製する。含浸方法としてはフィラメントワイン
ディングによる製織時、繊維に含浸しながら製織する方
法と、フィラメントワインディングにより多孔質基材を
作り上げた後、ゾル混合物をディップして含浸する方法
があるが、ゾルのため両方法とも比較的容易に均一な含
浸が可能である。またアルミナゾルとシリカゾルの混合
物からムライト質への結晶化は、1200℃程度の低温
で可能である。
A porous substrate made of mullite long fiber is prepared by impregnating a long fiber with a mixture of alumina sol and silica sol, and baking and solidifying the mixture. As a method of impregnation, when weaving by filament winding, there is a method of weaving while impregnating the fiber, and a method of forming a porous substrate by filament winding, and then dipping and impregnating a sol mixture. In both cases, uniform impregnation is relatively easy. Crystallization of a mixture of alumina sol and silica sol into mullite can be performed at a low temperature of about 1200 ° C.

【0037】一般にムライトは高融点材料であるため
に、粉末を含浸して焼成固化する場合には1400℃以
上の高温で焼結しなければならず、その場合にはムライ
ト繊維の耐熱温度を越えてしまうために基材の強度劣化
が生じる。しかしながらアルミナゾル、シリカゾルを含
浸焼成することにより低温焼成が可能となり、ムライト
繊維の強度劣化を最小限に抑えることができる。また焼
成温度を1150℃以上としたのは、それ以下の温度で
焼成した場合は非晶質が形成されるために結合部の強度
が低く、フィルターエレメント構造体としての強度的信
頼性が低下するからである。また焼成温度を1300℃
以下としたのは、1300℃を超える温度で熱処理を行
うとムライト長繊維の結晶組織が肥大化し、大きな強度
低下を招くからである。
In general, mullite is a high melting point material. Therefore, when impregnating and baking and solidifying powder, mullite must be sintered at a high temperature of 1400 ° C. or more. As a result, the strength of the substrate deteriorates. However, by impregnating and firing alumina sol and silica sol, low-temperature firing becomes possible, and deterioration in the strength of mullite fibers can be minimized. The reason why the firing temperature is set to 1150 ° C. or higher is that when firing at a temperature lower than 1150 ° C., an amorphous material is formed, so that the strength of the bonding portion is low and the strength reliability as a filter element structure is reduced. Because. The firing temperature is 1300 ° C
The reason for this is that if the heat treatment is performed at a temperature exceeding 1300 ° C., the crystal structure of the mullite long fiber is enlarged, leading to a large decrease in strength.

【0038】このようなムライト質からなる結合部はジ
ルコニアを20%未満の範囲で含有することが好まし
い。このように結合部にジルコニアを含有させることに
より、耐アルカリ性を向上させることができる。高温脱
塵フィルターは腐食環境下に曝され、特にナトリウム、
カリウム等のアルカリ蒸気に浸食されることが考えられ
る。ムライト自体も化学的には安定な材料であるが、ム
ライト中のシリカ成分がアルカリ金属と反応してケイ酸
ナトリウム等の低融点化合物を生成する可能性がある。
従って、本発明ではムライト質結合部にアルカリに対す
る耐食性に優れるジルコニアを含有させることにより、
結合部の耐アルカリ性を向上させることができる。本発
明においてムライト質結合部のジルコニア含有量を20
重量%未満としたのは、それ以上の含有量ではムライト
とジルコニアの熱膨張差により亀裂が入り、フィルター
基材の強度低下を招くからである。
It is preferable that such a mullite bonding portion contains zirconia in a range of less than 20%. By including zirconia in the bonding portion as described above, alkali resistance can be improved. High temperature dust filters are exposed to corrosive environments, especially sodium,
It may be eroded by alkali vapor such as potassium. Mullite itself is a chemically stable material, but the silica component in the mullite may react with an alkali metal to form a low-melting compound such as sodium silicate.
Therefore, in the present invention, by containing zirconia excellent in corrosion resistance to alkali in the mullite bonding portion,
The alkali resistance of the joint can be improved. In the present invention, the zirconia content of the mullite joint is 20
The reason for the content being less than% by weight is that if the content is more than that, cracks are formed due to the difference in thermal expansion between mullite and zirconia, and the strength of the filter substrate is reduced.

【0039】しかしながら、ジルコニアの融点はムライ
トの融点以上であるために、粉末を含浸して焼成固化さ
せるには1500℃以上でなければならず、ムライト長
繊維の強度を低下させてしまう。しかし、近年になって
他材料との複合化及び低温焼成が可能なジルコニアゾル
が開発されため、本発明においてはこのジルコニアゾル
を用いることが好ましい。
However, since the melting point of zirconia is higher than the melting point of mullite, it must be 1500 ° C. or higher to impregnate and solidify the powder by firing, which lowers the strength of the mullite filament. However, a zirconia sol that can be combined with other materials and fired at a low temperature has recently been developed. Therefore, in the present invention, it is preferable to use this zirconia sol.

【0040】更に、本発明に係わるセラミックフィルタ
ーエレメントのフィルター層は、平均粒径5〜100μ
mの主としてムライト質からなる粉末と、等モルのカル
シア(CaO)及びジルコニア(ZrO2 )を含み、前
記カルシア(CaO)及びジルコニア(ZrO2 )の含
有量がフィルター層を形成するムライト粉末に対して1
〜20wt%である混合物を焼成することによって形成さ
れていることが好ましい。このようなカルシアとジルコ
ニアの等モル混合物としてはジルコン酸カルシウムであ
ることが好ましい。また、本発明のフィルター層はフィ
ルター層の構成材料であるムライト粉末に対してさらに
カオリナイトを0.1〜20重量%添加したものを11
00℃〜1300℃で焼成を施して形成されたものであ
ることが好ましい。
Further, the filter layer of the ceramic filter element according to the present invention has an average particle size of 5 to 100 μm.
m, mainly composed of mullite, and equimolar calcia (CaO) and zirconia (ZrO 2 ), wherein the content of the calcia (CaO) and zirconia (ZrO 2 ) is based on the mullite powder forming the filter layer. 1
Preferably, it is formed by firing a mixture of about 20 wt%. The equimolar mixture of calcia and zirconia is preferably calcium zirconate. The filter layer of the present invention is obtained by adding 0.1 to 20% by weight of kaolinite to mullite powder which is a constituent material of the filter layer.
It is preferably formed by baking at 00 ° C to 1300 ° C.

【0041】フィルター層としてのムライト粉末の粒径
を5〜100μmと制限したのは、IGCC、PFBC
などで排出されるダストの粒径が2μmから30μmと
幅広く、目的の脱塵粒子径に合わしてフィルター層とし
ての気孔径を種々調整できるようにするためである。ま
た、カルシア(CaO)及びジルコニア(ZrO2 )を
等モルずつ含み、かつ前記カルシア(CaO)及びジル
コニア(ZrO2 )の含有量がフィルター層を形成する
ムライト粉末に対して1〜20wt%であるとしたのは、
ジルコン酸カルシウムを生成させるためである。このジ
ルコン酸カルシウムはフィルター層としてのムライト粉
末を結合するに用いられる。結合材としてジルコン酸カ
ルシウムを使用するのは、カルシウム成分がカオリナイ
トのアルミナ、シリカ分と高融点のガラス質またはアノ
ルタイト(CaAl2 ・Si2 8 )等の結晶化合物を
形成して耐熱性を向上させるためである。上記のように
カルシア(CaO)及びジルコニア(ZrO2 )の量を
規定したのは、カルシア(CaO)及びジルコニア(Z
rO2 )の含有量が1重量%未満ではフィルター膜とし
てのムライト粉末を固化することが難しく、20重量%
を超えるものではムライトとジルコニアの熱膨張係数差
による亀裂が生じやすくなり、フィルター膜としてのム
ライト粉末の脱落が生じやすくなるためである。
Particle size of mullite powder as filter layer
IGCC, PFBC
The particle size of the dust discharged by
Wide and filter layer suitable for the target particle size
This is to enable various adjustments of the pore diameter. Ma
Calcia (CaO) and zirconia (ZrO)Two)
Equimolar each, and said calcia (CaO) and jill
Konia (ZrOTwo) Content forms a filter layer
The reason that the content is 1 to 20% by weight based on the mullite powder is as follows.
This is for generating calcium zirconate. This
Calcium ruconate is mullite powder as filter layer
Used to join the ends. Zirconic acid as binder
The reason why calcium is used is that the calcium component is
Alumina, silica content and high melting point glassy or anodic
Luteite (CaAlTwo・ SiTwoO 8)
It is for improving heat resistance by forming. As described above
Calcia (CaO) and zirconia (ZrOTwo) Amount
The specified ones are calcia (CaO) and zirconia (Z
rOTwoIf the content of) is less than 1% by weight, the filter membrane is used.
Difficult to solidify all mullite powder, 20% by weight
Exceeding the thermal expansion coefficient difference between mullite and zirconia
Cracks are likely to occur due to
This is because the light powder is likely to fall off.

【0042】本発明のセラミックフィルターの製造方法
は、主としてムライト長繊維からなるものにアルミナゾ
ル及びシリカゾルを含浸させ、1150℃〜1300℃
で焼成することによって基材を形成する工程と、前記基
材にセラミックからなるフィルター層を形成する工程と
からなるものである。
In the method for producing a ceramic filter of the present invention, a filter mainly composed of mullite filaments is impregnated with alumina sol and silica sol,
And a step of forming a filter layer made of ceramic on the base material.

【0043】このようにすることで、基材に用いられた
ムライト長繊維を結合固化し、セラミックフィルターエ
レメントの強度を向上させることができる。
By doing so, the mullite long fiber used for the base material is bonded and solidified, and the strength of the ceramic filter element can be improved.

【0044】また本発明のセラミックフィルターエレメ
ントの他の製造方法は、主としてムライト長繊維からな
る基材を形成する工程と前記基材にムライト、ジルコン
酸カルシウム及び前記ムライトに対して0.1〜20重
量%のカオリナイトからなる混合物を付加し、1100
℃〜1300℃で焼成してフィルター層を形成する工程
とからなるものである。
Another method for producing the ceramic filter element of the present invention comprises a step of forming a base material mainly composed of mullite filaments, and the step of forming a base material comprising mullite, calcium zirconate and 0.1 to 20 wt. A mixture consisting of 1% by weight of kaolinite is added and 1100
Baking at a temperature of from 1 ° C. to 1300 ° C. to form a filter layer.

【0045】ジルコン酸カルシウムはフィルター層とし
てのムライト粉末を結合するに用いられ、カオリナイト
は低温焼成化のために用いられる。結合材としてジルコ
ン酸カルシウムを使用するのは、カルシウム成分がカオ
リナイトのアルミナ、シリカ分と高融点のガラス質また
はアノルタイト(CaAl2 ・Si2 8 )等の結晶化
合物を形成して耐熱性を向上させるためである。このジ
ルコン酸カルシウムの添加量は、フィルター膜としての
ムライト粉末に対して1〜20重量%とすることが好ま
しい。1重量%未満ではフィルター膜としてのムライト
粉末を固化することが難しく、20重量%を超えるもの
ではムライトとジルコニアの熱膨張係数差による亀裂が
生じやすくなり、フィルター膜としてのムライト粉末の
脱落が生じやすくなるためである。また、カオリナイト
の添加量はフィルター層としてのムライト粉末に対して
0.1〜20重量%とすることが好ましい。これはカオ
リナイトの添加量が0.1重量%未満ではフィルター膜
としてのムライト粉末を固化することが難しく、20重
量%を超えると結合部が低融点化してしまうからであ
る。この場合、フィルターエレメントを高温下において
連続使用するとフィルター膜にダストが融着して目詰ま
りを生じ、逆洗洗浄によってもフィルターエレメントの
捕集性能が回復できなくなり、結果としてエレメントの
寿命を低下させてしまう。このようなフィルター層の焼
成は1100℃〜1300℃で行われることが好まし
い。これは、1100℃未満ではムライト粉末の焼成固
化が十分に行われず、非常に脆い材料となり、1300
℃を超えると焼結のため緻密化が進行し、気孔が小さく
なってしまうためである。さらに緻密化が進行すると、
焼結収縮するためにフィルター基材表面に無数の亀裂が
生じ、フィルター層を形成することができなくなり、基
材の繊維強度も劣化してしまう。本発明では、上記の範
囲により焼成を行うことによって低収縮率のフィルター
膜の焼成固化が可能となり、フィルター基材としてのム
ライト長繊維の強度低下を最小限に抑えることができる
ようになる。
Calcium zirconate is used to bind mullite powder as a filter layer, and kaolinite is used for low-temperature firing. The reason for using calcium zirconate as a binder is that the calcium component forms a high-melting glassy or crystalline compound such as anorthite (CaAl 2 · Si 2 O 8 ) with alumina and silica of kaolinite to improve heat resistance. It is to improve. The addition amount of the calcium zirconate is preferably 1 to 20% by weight based on the mullite powder as the filter membrane. If it is less than 1% by weight, it is difficult to solidify the mullite powder as a filter membrane, and if it exceeds 20% by weight, cracks are likely to occur due to the difference in thermal expansion coefficient between mullite and zirconia, and the mullite powder as a filter membrane will fall off. This is because it becomes easier. The amount of kaolinite is preferably 0.1 to 20% by weight based on the mullite powder as the filter layer. This is because if the amount of kaolinite is less than 0.1% by weight, it is difficult to solidify the mullite powder as a filter membrane, and if it exceeds 20% by weight, the bonding portion will have a low melting point. In this case, if the filter element is continuously used at a high temperature, dust is fused to the filter membrane and clogging occurs, and the collecting performance of the filter element cannot be recovered even by the backwashing, and as a result, the life of the element is shortened. Would. The firing of such a filter layer is preferably performed at 1100 ° C to 1300 ° C. If the temperature is lower than 1100 ° C., sintering and solidification of the mullite powder is not sufficiently performed, and the mullite powder becomes a very brittle material.
If the temperature exceeds ℃, sintering causes densification to proceed and pores become small. As further densification progresses,
Due to sintering shrinkage, countless cracks are generated on the surface of the filter base material, making it impossible to form a filter layer and deteriorating the fiber strength of the base material. In the present invention, by baking within the above range, a filter film having a low shrinkage rate can be fired and solidified, and a decrease in strength of the mullite long fiber as a filter substrate can be minimized.

【0046】更に本発明に係わるセラミックフィルター
エレメントは、フィルターの片端がムライト質の封止材
により封じられた構造を持ち、フィルター基材と封止材
とをムライト、ジルコン酸カルシウム及びカオリナイト
からなる混合物を塗布、焼成することにより一体化した
ものである。
Further, the ceramic filter element according to the present invention has a structure in which one end of the filter is sealed with a mullite sealing material, and the filter substrate and the sealing material are made of mullite, calcium zirconate and kaolinite. The mixture is integrated by coating and firing.

【0047】封止材としてムライト質のものを用いるこ
とによって、封止材とフィルター基材との熱膨張係数の
差異を最小限に抑え、強度に優れるフィルターを作製す
ることができる。また、封止材とフィルター基材の一体
化のための塗布材としてムライト、ジルコン酸カルシウ
ム及びカオリナイトからなる混合物を用いることによっ
て、耐熱性、強度に優れたセラミックフィルターエレメ
ントを作製することができる。
By using a mullite material as the sealing material, a difference in thermal expansion coefficient between the sealing material and the filter substrate can be minimized, and a filter having excellent strength can be manufactured. Further, by using a mixture of mullite, calcium zirconate and kaolinite as a coating material for integrating the sealing material and the filter substrate, a ceramic filter element having excellent heat resistance and strength can be produced. .

【0048】本発明の片端を封止したセラミックフィル
ターエレメントの具体例を図3に示す。図3aはフィル
ター基材14及び片端封止材15の双方の接合部に段差
を設けて接合したものである。図3bは片端封止材15
の接合部にのみ段差を設けてフィルター基材14と接合
したものである。また、図3cは片端封止材15をフィ
ルター基材14の内部に挿入して封止したものである。
以上は本発明の具体的な例であって、必ずしも本発明の
形態は上記の形態である必要はない。
FIG. 3 shows a specific example of a ceramic filter element having one end sealed according to the present invention. FIG. 3A shows a structure in which both the filter base material 14 and the one-end sealing material 15 are joined to each other with a step provided therebetween. FIG. 3b shows one end sealing material 15
Are provided with a step only at the joint of the filter substrate 14 and joined to the filter base material 14. FIG. 3C shows a case where the one-end sealing material 15 is inserted into the inside of the filter base material 14 and sealed.
The above is a specific example of the present invention, and the embodiment of the present invention does not necessarily need to be the above embodiment.

【0049】以下、本発明に係わるセラミックフィルタ
ーエレメントおよびその製造方法について具体的に説明
する。
Hereinafter, the ceramic filter element and the method of manufacturing the same according to the present invention will be specifically described.

【0050】[0050]

【実施例】[第1実施形態]第1実施形態では気孔率と
強度等との関係についての比較を行った。
EXAMPLES [First Embodiment] In the first embodiment, the relationship between the porosity and the strength was compared.

【0051】実施例1 図2に示されるような中子を用いてセラミックフィルタ
ーエレメントを作製した。中子の直径は50mmで中子
端面にはシャフトを取り付け、回転させることにより繊
維を巻いていく。繊維はムライト長繊維(東芝モノフラ
ックス株式会社)で直径10μmの繊維が3840本束
になったヤーンを使用した。1ヤーンあたりの繊維束幅
Wは1mmである。繊維配向角θは60°として繊維束
ピッチが10mmとなるように1層あたり16分割でフ
ィラメントワインディング法で製織した。積層数として
同様のパターンで10層製織した。この場合、P/(W
/cosθ)は5となる。
Example 1 A ceramic filter element was manufactured using a core as shown in FIG. The core has a diameter of 50 mm, a shaft is attached to the end face of the core, and the fiber is wound by rotating. The yarn used was a mullite long fiber (Toshiba Monoflux Co., Ltd.) made of 3840 bundles of 10 μm diameter fibers. The fiber bundle width W per yarn is 1 mm. The fiber orientation angle θ was 60 °, and the fiber bundle was woven by the filament winding method in 16 divisions per layer so that the fiber bundle pitch was 10 mm. Ten layers were woven in the same pattern as the number of laminations. In this case, P / (W
/ Cos θ) is 5.

【0052】比較例1 実施例1と同様の中子、繊維を用いて繊維配向角60
°、繊維束ピッチ2mmとなるように1層あたり80分
割でフィラメントワインディグ法で製織した。積層数と
して同様のパターンで10層製織した。この場合、P/
(W/cosθ)は1となる。
Comparative Example 1 Using the same core and fiber as in Example 1, a fiber orientation angle of 60
° and a fiber bundle pitch of 2 mm, and woven by a filament winding method at 80 divisions per layer. Ten layers were woven in the same pattern as the number of laminations. In this case, P /
(W / cos θ) is 1.

【0053】比較例2 実施例1と同様の中子、繊維を用いて繊維配向角60
°、繊維束ピッチ20mmとなるように1層あたり8分
割でフィラメントワインディグ法で製織した。積層数と
して同様のパターンで10層製織した。この場合、P/
(W/cosθ)は10となる。
Comparative Example 2 Using the same core and fiber as in Example 1, a fiber orientation angle of 60 was used.
° and a fiber bundle pitch of 20 mm, and woven by a filament winddig method in 8 divisions per layer. Ten layers were woven in the same pattern as the number of laminations. In this case, P /
(W / cos θ) is 10.

【0054】次に、実施例1および比較例1、2の構造
体にアルミナゾル、シリカゾルを固形分のモル比で3:
2となるように混合し、含浸させた。乾燥後、大気中、
50℃/hの昇温速度で1200℃−2hで焼成し、基
材を作製した。更に基材表面にフィルター層を作製する
ために平均粒径35μmのムライト粉末に結合材として
ジルコン酸カルシウムを5重量部、カオリナイトを5重
量部添加してポットローラで混合後、基材表面に泥しょ
うを塗布した。この基材を乾燥後、100℃/hの昇温
速度で1150℃−4hで焼成してセラミックフィルタ
ーエレメントを作製した。
Next, alumina sol and silica sol were added to the structures of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 in a molar ratio of solid content of 3:
2 and impregnated. After drying, in the air,
The substrate was fired at a temperature rising rate of 50 ° C./h at 1200 ° C. for 2 hours to prepare a substrate. Further, 5 parts by weight of calcium zirconate and 5 parts by weight of kaolinite are added as binders to mullite powder having an average particle size of 35 μm to form a filter layer on the surface of the base material, and mixed with a pot roller. The slurry was applied. After drying this substrate, it was fired at 1150 ° C. for 4 hours at a temperature increase rate of 100 ° C./h to produce a ceramic filter element.

【0055】フィルターの評価としては、水銀ポロシメ
ータによる気孔率、平均気孔径の評価、リング状の試験
片を切り出してのCリング圧縮強度試験を行った。
As for the evaluation of the filter, the porosity and average pore diameter were evaluated by a mercury porosimeter, and a C-ring compression test was performed by cutting a ring-shaped test piece.

【0056】表1に気孔率、基材平均気孔径及び強度の
測定結果を示す。また、これらと合わせて比較材として
のモノリシックのコーディエライトの測定結果も示す。
Table 1 shows the measurement results of the porosity, the average pore diameter of the substrate, and the strength. In addition, the measurement results of monolithic cordierite as a comparative material are also shown.

【0057】[0057]

【表1】 [Table 1]

【0058】比較例1の材料は強度は高く、構造材料と
しての信頼性は高いものの気孔径が小さく、通気圧損が
高くフィルターとしての連続使用は機能面から問題があ
り、フィルター材料としては適していない。また比較例
2は気孔率が高すぎるために強度が低くなり、構造部材
としての信頼性は低かった。これに対して実施例1はコ
ーディエライトセラミックとフィルターとしての同等の
機能(気孔径、気孔率)を有しており、かつ強度が高い
ため多孔質材料として非常に優れていることが確認され
た。
The material of Comparative Example 1 has a high strength and a high reliability as a structural material, but has a small pore diameter, a high air pressure loss, and has a problem in terms of function in continuous use as a filter, and is suitable as a filter material. Absent. In Comparative Example 2, the porosity was too high and the strength was low, and the reliability as a structural member was low. On the other hand, it was confirmed that Example 1 had the same function (pore diameter, porosity) as a cordierite ceramic and a filter, and was very excellent as a porous material because of its high strength. Was.

【0059】[第2実施形態]第2実施形態ではジルコ
ニア量及び焼結温度がムライト長繊維複合体に与える影
響について検討を行った。
[Second Embodiment] In the second embodiment, the effect of the amount of zirconia and the sintering temperature on the mullite long fiber composite was examined.

【0060】実施例2 材料特性評価には実施形態1と同様のムライト長繊維を
使用した。繊維を12ヤーン/インチのクロスに織り、
50mm角に切り出した後に10枚積層した。アルミナ
ゾル、シリカゾルの固形分モル比が3:2となるように
混合した後、ジルコニアゾルを固形分で10重量%添加
し、クロス繊維に含浸させた。その後、乾燥後、大気
中、50℃/hの昇温速度で1200℃−2hで焼成し
た。
Example 2 The same mullite fiber as that in Embodiment 1 was used for evaluating the material properties. Weave the fibers into a 12 yarn / inch cloth,
After cutting into a 50 mm square, 10 sheets were laminated. After mixing the alumina sol and the silica sol so that the solid content molar ratio was 3: 2, zirconia sol was added at 10% by weight in terms of solid content to impregnate the cloth fibers. Then, after drying, it was baked in the air at 1200 ° C. for 2 hours at a temperature rising rate of 50 ° C./h.

【0061】比較例3 実施例2と同様の方法にて含浸クロスを製造した後、大
気中、50℃/hの昇温速度で1100℃−2h、およ
び1350℃−2hで焼成した。
Comparative Example 3 An impregnated cloth was produced in the same manner as in Example 2, and then fired in the air at 1100 ° C. for 2 hours and 1350 ° C. for 2 hours at a heating rate of 50 ° C./h.

【0062】比較例4 実施例2と同様に繊維を12ヤーン/インチのクロスに
織り、50mm角に切り出した後に10枚積層した。ア
ルミナゾル、シリカゾルの固形分モル比が3:2となる
ように混合した後、ジルコニアゾルを固形分で30重量
%添加し、クロス繊維に含浸した。その後、乾燥後、大
気中、50℃/hの昇温速度で1100℃−2h、12
00℃−2h、1300℃−2hで焼成した。
Comparative Example 4 In the same manner as in Example 2, fibers were woven into a cloth of 12 yarns / inch, cut into 50 mm squares, and laminated into 10 sheets. After mixing the alumina sol and the silica sol so that the solid content molar ratio was 3: 2, zirconia sol was added at 30% by weight in terms of solid content, and the cloth fibers were impregnated. Then, after drying, 1100 ° C. for 2 hours at a temperature increase rate of 50 ° C./h in the air, 12
It baked at 00 degreeC-2h and 1300 degreeC-2h.

【0063】実施例2および比較例3、4の構造体から
短冊状の試験片を切り出して1000℃での曲げ試験を
実施した。更に1000℃−100h大気中に暴露して
熱劣化後の1000℃での曲げ強度を測定した。表2に
熱劣化前後の強度の測定結果を示す。
From the structures of Example 2 and Comparative Examples 3 and 4, strip-shaped test pieces were cut out and subjected to a bending test at 1000 ° C. Furthermore, the sample was exposed to the atmosphere at 1000 ° C. for 100 hours, and the flexural strength at 1000 ° C. after thermal degradation was measured. Table 2 shows the measurement results of strength before and after thermal deterioration.

【0064】[0064]

【表2】 [Table 2]

【0065】比較例3、比較例4の1350℃焼結体に
はムライト長繊維の結晶組織の肥大化が生じ、ムライト
長繊維自体の強度特性を大幅に下回る強度となった。比
較例3、比較例4の1100℃焼結体は50MPa程度
の強度で、熱劣化も少なくモノリシック材料の多孔体と
比較すると強度は高かったが、結合材が完全に結晶化し
ていなかったため高温のアルカリ腐食環境下においては
強度劣化が起こりやすいものとなった。比較例4の12
00℃焼結体は熱劣化試験前の強度は140MPa程度
と非常に高いものの、熱劣化試験後には強度は1/2以
下に激減した。また、SEMによる観察を行ったとこ
ろ、結合部には無数の亀裂が生じていることが認められ
た。これはジルコニアの含有量が多いために熱膨張差に
より、亀裂が発生したものと考えられる。これに対し
て、実施例2は強度130MPa程度であり、熱劣化も
生じていないことが確認された。
In the sintered bodies of Comparative Examples 3 and 4 at 1350 ° C., the crystal structure of the mullite filaments was enlarged, and the strength was much lower than the strength characteristics of the mullite filaments themselves. The 1100 ° C. sintered bodies of Comparative Example 3 and Comparative Example 4 had a strength of about 50 MPa, were less thermally degraded, and were higher in strength than a porous body of a monolithic material, but had a high temperature because the binder was not completely crystallized. Under the alkaline corrosion environment, the strength deteriorated easily. 12 of Comparative Example 4
The strength of the 00 ° C. sintered body before the heat deterioration test was as high as about 140 MPa, but after the heat deterioration test, the strength was sharply reduced to 以下 or less. Further, observation by SEM revealed that countless cracks were formed in the joint. This is considered to be because cracks were generated due to a difference in thermal expansion due to a large content of zirconia. On the other hand, in Example 2, the strength was about 130 MPa, and it was confirmed that thermal deterioration did not occur.

【0066】[第3実施形態]第3実施形態では、フィ
ルター材料としてのフィルター膜の材料特性を評価し
た。
[Third Embodiment] In the third embodiment, the material characteristics of a filter film as a filter material were evaluated.

【0067】実施例3 平均粒径35μmのムライト粉末にジルコン酸カルシウ
ム5重量部、カオリナイト5重量部を添加してスラリー
濃度60%となるように水を添加してポットローラーで
4h混合した。真空脱泡後、泥しょう鋳込み法により、
50mm角の成形体を作製した。乾燥後、昇温速度10
0℃/hで1150℃−4hで焼成して試験片を作製し
た。
Example 3 5 parts by weight of calcium zirconate and 5 parts by weight of kaolinite were added to mullite powder having an average particle diameter of 35 μm, and water was added so that the slurry concentration became 60%, followed by mixing with a pot roller for 4 hours. After vacuum degassing, by the slurry casting method,
A 50 mm square molded body was produced. After drying, heating rate 10
A test piece was prepared by firing at 0 ° C./h at 1150 ° C. for 4 hours.

【0068】比較例5 実施例3と同様の方法にて50mm角の成形体を作製
し、乾燥後、昇温速度100℃/hで1050℃−4
h、1350℃−4hで焼成して試験片を作製した。
Comparative Example 5 A 50 mm square molded body was produced in the same manner as in Example 3, dried, and heated at a rate of 100 ° C./h at 1050 ° C.-4.
for 1 h at 1350 ° C. to produce a test piece.

【0069】比較例6 平均粒径35μmのムライト粉末にジルコン酸カルシウ
ム25重量部、カオリナイト5重量部を添加してスラリ
ー濃度60%となるように水を添加してポッローラーで
4h混合した。真空脱泡後、泥しょう鋳込み法により、
50mm角の成形体を作製した。乾燥後、昇温速度10
0℃/hで1150℃−4h、1350℃−4hで焼成
して試験片を作製した。
Comparative Example 6 25 parts by weight of calcium zirconate and 5 parts by weight of kaolinite were added to mullite powder having an average particle size of 35 μm, water was added so that the slurry concentration became 60%, and the mixture was mixed for 4 hours with a pop roller. After vacuum degassing, by the slurry casting method,
A 50 mm square molded body was produced. After drying, heating rate 10
A test piece was prepared by firing at 0 ° C./h at 1150 ° C. for 4 h and at 1350 ° C. for 4 h.

【0070】比較例7 平均粒径35μmのムライト粉末にジルコン酸カルシウ
ム5重量部、カオリナイト25重量部を添加してスラリ
ー濃度60%となるように水を添加してポットローラー
で4h混合した。真空脱泡後、泥しょう鋳込み法によ
り、50mm角の成形体を作製した。乾燥後、昇温速度
100℃/hで1150℃−4hで焼成して試験片を作
製した。
Comparative Example 7 5 parts by weight of calcium zirconate and 25 parts by weight of kaolinite were added to mullite powder having an average particle diameter of 35 μm, and water was added so that the slurry concentration became 60%, followed by mixing with a pot roller for 4 hours. After vacuum degassing, a 50 mm square molded body was produced by a slurry casting method. After drying, the specimen was fired at a heating rate of 100 ° C./h at 1150 ° C. for 4 hours to produce a test piece.

【0071】実施例3および比較例5、6、7の構造体
の寸法測定を実施し、焼成固化前後の収縮率を測定した
後、短冊状の試験片を切り出して1000℃での曲げ試
験を実施した。更に1000℃−100h大気中に暴露
して熱劣化後の1000℃での曲げ強度を測定した。ま
た、ろ過膜の機能評価として水銀ポロシメーターにより
気孔率、平均気孔径を測定した。
The dimensions of the structures of Example 3 and Comparative Examples 5, 6, and 7 were measured, and the shrinkage rates before and after firing and solidification were measured. Then, strip-shaped test pieces were cut out and subjected to a bending test at 1000 ° C. Carried out. Furthermore, the sample was exposed to the atmosphere at 1000 ° C. for 100 hours, and the flexural strength at 1000 ° C. after thermal degradation was measured. Further, as a function evaluation of the filtration membrane, the porosity and the average pore diameter were measured by a mercury porosimeter.

【0072】表3にこれらの気孔率、気孔径、収縮率及
び曲げ強度についての測定結果を示す。
Table 3 shows the measurement results of the porosity, the pore diameter, the shrinkage, and the bending strength.

【0073】[0073]

【表3】 [Table 3]

【0074】比較例5の1050℃焼結体は、気孔率、
気孔径はフィルター膜としての機能を満たすことができ
るが、焼成固化が不十分のため構造材料としての強度が
不足しており、高温ガス脱塵中においてはフィルター層
の剥離が発生するため信頼性に乏しいものとなった。ま
た比較例5、6の1350℃焼結体は焼結が進行してお
り構造材としての強度は高いものの、石炭灰等の数ミク
ロンレベルのダストを分離するにはフィルター層として
の気孔率が小さすぎ、圧力損失の増加、捕集性能の大幅
な低下につながり、フィルター膜としては十分な機能を
発揮できないものであった。更に比較例6の1150℃
焼結体は強度の劣化が大きく、SEMによる観察では多
孔体表面に無数の微少亀裂が存在しており、フィルター
膜としては不適当であった。比較例7の1150℃焼結
体は結合部のガラス質の軟化により高温強度が十分では
なく、フィルター膜としては不適当であった。これに対
して実施例3は気孔率、気孔径がフィルター層としての
機能を十分に発揮できるものであり、また強度も熱劣化
により低下しておらず、焼成収縮も非常に小さいために
フィルター基材との一体化も十分可能であり、フィルタ
ー膜として適していることが確認された。
The sintered body at 1050 ° C. of Comparative Example 5 had a porosity,
Although the pore size can fulfill the function as a filter membrane, the strength as a structural material is insufficient due to insufficient calcination and solidification, and the filter layer peels off during high-temperature gas dedusting, so reliability is high. Became poor. Although the sintered bodies at 1350 ° C. of Comparative Examples 5 and 6 have advanced sintering and have high strength as a structural material, the porosity as a filter layer is high for separating dust of several microns such as coal ash. It was too small, leading to an increase in pressure loss and a significant decrease in trapping performance, and it was not possible to exhibit a sufficient function as a filter membrane. 1150 ° C of Comparative Example 6
The sintered body was greatly deteriorated in strength, and when observed with a SEM, numerous microcracks were present on the surface of the porous body, which was unsuitable as a filter film. The 1150 ° C. sintered body of Comparative Example 7 had insufficient high-temperature strength due to softening of the vitreous joint, and was unsuitable as a filter film. On the other hand, in Example 3, the porosity and the pore diameter were able to sufficiently function as a filter layer, and the strength was not reduced by thermal deterioration, and the firing shrinkage was extremely small. The integration with the material was sufficiently possible, and it was confirmed that it was suitable as a filter membrane.

【0075】[第4実施形態]第4実施形態においては
キャンドルタイプのフィルター構造体としたときの、フ
ィルターエレメントの片端の封止方法による強度の違い
を評価した。
[Fourth Embodiment] In the fourth embodiment, when a candle type filter structure was used, the difference in strength due to the sealing method of one end of the filter element was evaluated.

【0076】実施例4 図3に示すようにフィルター基材とムライト質からなる
片端封止材との一体化を試みた。ムライト粉末に対して
ジルコン酸カルシウム10重量%、カオリナイト15重
量%を添加したスラリーを片端封止材に塗布した後、基
材にはめ込み1150℃−4hで焼成、一体化を試み
た。その後、常温から1000℃までの熱サイクルを5
0回実施し、観察を行った。
Example 4 As shown in FIG. 3, an attempt was made to integrate a filter substrate and a mullite one-end sealing material. A slurry in which 10% by weight of calcium zirconate and 15% by weight of kaolinite were added to the mullite powder was applied to the one-end sealing material, and then fitted into the base material, fired at 1150 ° C. for 4 hours, and integration was attempted. Then, a heat cycle from normal temperature to 1000 ° C. is performed for 5
It was performed 0 times and observed.

【0077】その観察結果によると、フィルター基材と
片端封止材の接合箇所には、特に亀裂等の発生はなく、
フィルター基材と片端封止材とは十分に一体化している
ことが確認された。従って、このような方法により一体
化されたフィルター基材と片端封止材よりなるセラミッ
クフィルターエレメントは亀裂等の発生がなく、信頼性
に優れるものであることがわかる。
According to the observation results, there is no particular crack at the joint between the filter substrate and the one-end sealing material.
It was confirmed that the filter substrate and the one-end sealing material were sufficiently integrated. Therefore, it can be seen that the ceramic filter element composed of the filter base material and the one-end sealing material integrated by such a method has no cracks or the like and is excellent in reliability.

【0078】[0078]

【発明の効果】上記したように、本発明に係わるセラミ
ックフィルターエレメントおよびその製造方法によれ
ば、圧力損失及び捕集性能を維持しつつ、強度、耐食性
及び耐熱衝撃性等の特性を向上させることができ、モノ
リシックセラミックフィルターエレメントと比較して優
れた特性を有するセラミックフィルターエレメントを提
供することが可能となる。
As described above, according to the ceramic filter element and the method of manufacturing the same according to the present invention, it is possible to improve properties such as strength, corrosion resistance and thermal shock resistance while maintaining pressure loss and trapping performance. Thus, it is possible to provide a ceramic filter element having excellent characteristics as compared with a monolithic ceramic filter element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 高温ガス脱塵システムの一例を示した概略
図。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a high-temperature gas dedusting system.

【図2】 本発明に係わる長繊維材料製織構造およびそ
の拡大図。
FIG. 2 is a woven structure of a long fiber material according to the present invention and an enlarged view thereof.

【図3】 本発明に係わる片端を封止したセラミックフ
ィルターエレメントの具体例を示した断面図。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a specific example of a ceramic filter element with one end sealed according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 高温ガス脱塵システム 2 高温ガス流入経路 3 高温ガス流出経路 4 セラミックフィルターエレメント 5 管板 6 ダストホッパー 7 逆洗タンク 8 逆洗弁 9 差圧計 10 中子 11 中子回転シャフト 12 フィラメント束 13 空隙部 14 フィルター基材 15 片端封止材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hot gas dust removal system 2 Hot gas inflow path 3 Hot gas outflow path 4 Ceramic filter element 5 Tube sheet 6 Dust hopper 7 Backwash tank 8 Backwash valve 9 Differential pressure gauge 10 Core 11 Core rotation shaft 12 Filament bundle 13 Air gap Part 14 Filter base material 15 One-end sealing material

フロントページの続き (72)発明者 池田 誠 神奈川県川崎市川崎区日進町7番地1 東 芝電子エンジニアリング株式会社内 Fターム(参考) 4D019 AA01 BA05 BA06 BA07 BB02 BB07 BC20 BD01 CA03 CB06 DA02 Continuation of the front page (72) Inventor Makoto Ikeda 7-1, Nisshincho, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture F-term in Toshiba Electronics Engineering Co., Ltd. 4D019 AA01 BA05 BA06 BA07 BB02 BB07 BC20 BD01 CA03 CB06 DA02

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 セラミック繊維からなる基材にセラミッ
クからなるフィルター層を形成したセラミックフィルタ
ーエレメントにおいて、 前記基材は主としてムライト長繊維からなり、かつ前記
基材の気孔率は40〜70容量%であることを特徴とす
るセラミックフィルターエレメント。
1. A ceramic filter element in which a filter layer made of ceramic is formed on a base made of ceramic fibers, wherein the base is mainly made of mullite filaments, and the porosity of the base is 40 to 70% by volume. A ceramic filter element, characterized in that:
【請求項2】 前記ムライト長繊維はフィラメントワイ
ンディング法により製織され、その製織された層の構造
体中における隣り合う各長繊維束間のピッチが長繊維束
幅よりも広いことを特徴とする請求項1記載のセラミッ
クフィルターエレメント。
2. The mullite filaments are woven by a filament winding method, and the pitch between adjacent filament bundles in the woven layer structure is wider than the filament width. Item 7. A ceramic filter element according to Item 1.
【請求項3】 前記ムライト長繊維はアルミナゾル及び
シリカゾルを含浸焼成してなる主としてムライトからな
る結合部により結合固化されており、かつ前記結合部に
おけるジルコニア含有量は20重量%未満であることを
特徴とする請求項1記載のセラミックフィルターエレメ
ント。
3. The mullite filaments are bonded and solidified by a bonding portion mainly composed of mullite obtained by impregnating and firing alumina sol and silica sol, and the zirconia content in the bonding portion is less than 20% by weight. The ceramic filter element according to claim 1, wherein
【請求項4】 前記フィルター層は、平均粒径5〜10
0μmの主としてムライト質からなる粉末と、等モルの
カルシア(CaO)及びジルコニア(ZrO 2 )を含
み、前記カルシア(CaO)及びジルコニア(Zr
2 )の含有量が前記ムライト粉末に対して1〜20重
量%である混合物を焼成することによって形成されたこ
とを特徴とする請求項1記載のセラミックフィルターエ
レメント。
4. The filter layer has an average particle size of 5-10.
0 μm powder consisting mainly of mullite and equimolar
Calcia (CaO) and zirconia (ZrO Two)
And calcia (CaO) and zirconia (Zr
OTwo) Is 1 to 20 weights with respect to the mullite powder.
% Formed by firing the mixture which is
The ceramic filter according to claim 1, wherein
Rement.
【請求項5】 主としてムライト長繊維からなるものに
アルミナゾル及びシリカゾルを含浸させ、1150℃〜
1300℃で焼成することによって基材を形成する工程
と、 前記基材にセラミックからなるフィルター層を形成する
工程とを具備することを特徴とするセラミックフィルタ
ーエレメントの製造方法。
5. A material mainly composed of long mullite fibers impregnated with alumina sol and silica sol,
A method for manufacturing a ceramic filter element, comprising: a step of forming a base material by firing at 1300 ° C .; and a step of forming a filter layer made of ceramic on the base material.
【請求項6】 主としてムライト長繊維からなる基材を
形成する工程と、 前記基材にムライト、ジルコン酸カルシウム及び前記ム
ライトに対して0.1〜20重量%のカオリナイトから
なる混合物を付加し、1100℃〜1300℃で焼成し
てフィルター層を形成する工程とを具備することを特徴
とするセラミックフィルターエレメントの製造方法。
6. A step of forming a base material mainly composed of mullite filaments, and adding a mixture of mullite, calcium zirconate and 0.1 to 20% by weight of kaolinite to the mullite to the base material. Baking at 1100 ° C. to 1300 ° C. to form a filter layer.
【請求項7】 セラミック繊維からなる基材にセラミッ
クからなるフィルター層を形成することによってフィル
ター基材を作製する工程と、 前記フィルター基材又は前記フィルター基材の一方の開
放部を封止する片端封止材の少なくとも一方にムライ
ト、ジルコン酸カルシウム及びカオリナイトからなる混
合物を塗布し両者を接続する工程と、 前記フィルター基材と片端封止材とを接続したものを焼
成する工程とを具備することを特徴とするセラミックフ
ィルターエレメントの製造方法。
7. A step of forming a filter substrate by forming a filter layer made of ceramic on a substrate made of ceramic fibers, and one end for sealing the filter substrate or one open portion of the filter substrate. A step of applying a mixture comprising mullite, calcium zirconate and kaolinite to at least one of the sealing materials and connecting them, and a step of firing the filter base and the one-end sealing material connected to each other. A method for manufacturing a ceramic filter element, comprising:
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006212551A (en) * 2005-02-04 2006-08-17 Hitachi Zosen Corp Filter member and its manufacturing method

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