陶瓷過濾器

陶瓷過濾器是使用比較廣的一種過濾器，它採用剛性的微孔材料作為過濾元件。它包括陶瓷、剛玉、碳化硅、砂芯片等一系列的過濾器，如圖1所示。因過大的氣流可使灰塵黏附在過濾器上，造成堵塞，為了防止過大的氣流直接吹射陶瓷杯，因此在陶瓷杯的外面加上一個防護罩，使氣流繞過過濾器的下部，再進入過濾器。為了減小無效的體積，使過濾器的底部為錐形，同時增加了一個分路接頭。一方面可以把灰塵吹走；另一方面，由於氣體不斷流動而加速了氣體交換，減小了滯後時間。為便於更換和清理過濾器，設計了陶瓷過濾器系統。當一個過濾器發生堵塞時，可轉動兩個四通換向閥，把樣氣通入另一個過濾器，堵塞的過濾器則可通過高壓空氣進行反吹，使黏附在陶瓷濾杯上的灰塵除掉。這樣兩個過濾器輪換工作。它適用於較重要的分析系統，以及容易發生堵塞的含塵量較高的取樣系統。 ^[1] 

過濾特性中最主要的是上述的收塵效率，其次還有過濾容量、氣孔堵塞問題等。

對於潔淨的流體，通過陶瓷過濾器層的流體滲透量與面積、壓力差成正比，與板厚、粘性係數成反比。將過濾（器）層看作毛細管的集合，通過毛細管的流體流量，可用下式表示：

v=（π·d⁴·ΔP）/（128η·l）=（π·d⁴·ΔP）/（128α·η·L）

此外，氣扎率ε和單位面積的毛細管數N、毛細管直徑d的關係可用下式表示：

ε=（π/4）d²·N

從而滲透量V可用下式表示：

V=N·v=（d²·ε·ΔP）/（32α·η·L）

式中 V——單位時間單位面積的滲透量（釐米³/釐米²·秒）；

ΔP——壓力差（達因/釐米²）；

η——粘性係數（達因·秒/釐米²）；

L——過濾（器）層的厚度（釐米）；

d——毛細管直徑（釐米）；

l——毛細管長度（釐米）；

α——彎曲度（1～3）。

也就是説，通過陶瓷過濾（器）層的流體滲透量與過濾器的氣孔率及毛細管的直徑平方成正比。增加粘結劑的量，擴大顆粒直徑分佈範圍等使氣孔率ε下降，流體的滲透量降低，因此，粘結劑的量和顆粒直徑分佈應作為過濾器的製造條件。陶瓷過濾器的氣孔率為33±2%，減小厚度，增大氣孔直徑雖可增加滲透量，但收塵效率反而下降。另外，還要考慮強度等因素，然後選定各種條件。

陶瓷過濾器收集的固體堆積在過濾（器）層外面或過濾（器）層內部，堵塞過濾器的氣孔，過濾容量就會下降。這種堵塞狀態可表現為幾種形式，如表面收集固體；固體進入過濾器內層；還有在表面堆積的固體形成粗糙的表層（好象是過濾層那樣），在這些情況下，雖過濾容量都逐漸下降，但下降程度是各不相同的。 ^[2] 

由於陶瓷過濾器本身受到內壓、外壓、壓縮、拉伸等作用力，因而強度是重要特性之一。另外，在高温下（700～1000℃）使用時，過濾器受熱後並不引起軟化和強度下降山是非常重要的特性。雖然強度受骨料質量、骨料顆粒大小、粘結劑質量和混合比等很多因素影響，但是主要與骨料強度、粘結層強度有關。例如，通常用作骨（集）料顆粒的各種材料的強度順序為：

SiC，Al₂O₃>莫來石>陶瓷顆粒>硅砂，碳粒

雖然粘結層的強度主要取決於粘結劑和燒成條件（温度和氣氛），但是調整粘結劑和骨（集）料的熱膨脹係數，確保粘結劑和骨料的粘結力也是很重要的（即熱膨脹係數和粘結力也是影響粘結層強度的重要因素）。

陶瓷過濾器通常具有極其優良的耐酸性，在高温條件下，對於氟酸以外的所有酸仍是穩定的。耐酸性受粘結劑的配合、燒成條件、骨料質量等因素影響。為了獲得耐鹼性、耐蒸氣特性優良的過濾器，需採用特別配製的粘結劑。碳質過濾器具有優良的耐鹼性。

在精密過濾場合（作為特殊的情況），為防止污染液體，不允許有微量的溶出物，採用陶瓷過濾器時，通常沒有溶出物，而且按食品衞生法來檢驗，也是合格的，因此可在禽品工業領域採用

雖然陶瓷過濾器可用於其它多孔體不能達到的高温區域，但是在過濾燃燒廢氣、熔融金屬時，以及處於氣體吹入高温爐內的噴口等場合，最好用於1000℃以下的高温區域。為適應更高的温度區域，考慮了使用粘結劑非常少的，骨料彼此以自相結合的方式構成的過濾器。

在700～1000℃高温區域，抗熱震性優良的碳化硅陶瓷過濾器顯示出良好的效果。其次是氧化鋁陶瓷過濾器。下圖2所示出以碳化硅為骨（集）料，採用特殊配製的陶瓷粘結劑的過濾器的高温強度的變化。由圖2可見，在粘結劑開始軟化的温度以下，出現了高温強度高於常温強度的傾向。

現以碳化硅陶瓷過濾器來探討陶瓷過濾器的抗熱震性。當流體為氣體時，從製品形狀來講，能耐温差達400～700℃的急冷急熱。氧化鋁陶瓷過濾器能耐温差達300～400℃的急冷急熱。這種過濾器所以具有這樣高的抗熱震性，是由於陶瓷具有多孔性，能吸收熱變形所致。 ^[2] 

①除氫氟酸、濃鹼以外，對所有腐蝕液具有極其優良的耐腐蝕性；

②耐熱性能良好，不會產生熱變形、軟化、氧化，在較高温度下仍可使用；

③氣體分佈均勻，可按要求形成0.1～600mm的細孔徑；

④剛性大，在流體壓力作用下並不引起形狀變化和細孔變形；

⑤液體中沒有滲出物，不會污染液體。

陶瓷過濾的研究主要集中於兩個方面：一是陶瓷過濾器的材質，包括陶瓷過濾器的製造工藝及性能；二是陶瓷過濾器的結構，包括過濾器的形狀、安放位置、過濾機制及過濾效果。

選擇過濾器材質要根據過濾所要去除的夾雜物的類型來進行選擇，同時也要考慮材料的抗蠕變及抗熱振性。大量的實驗結果表明，材質、孔隙度和陶瓷過濾器的內表面粗糙度影響過濾效果。

陶瓷過濾器的結構是由其材質決定的，根據材質的不同，可以把陶瓷過濾器分為泡沫陶瓷過濾器和顆粒陶瓷過濾器兩大類。 ^[3] 

泡沫陶瓷過濾器的開孔體積為75%～90%，通常是按每英寸線上的孔數（ppi）來進行分類。如10 ppi的泡沫陶瓷過濾器，其孔徑為1778 μm，範圍為584～3708 μm；30 ppi的泡沫陶瓷過濾器，其孔徑為711 μm，範圍為229～1422 μm。泡沫陶瓷過濾器的厚度一般為25 mm。在澆注系統中有直立安放的，也有水平安放的，其結構根據具體的使用情況來設計。

泡沫陶瓷過濾器曾經選用過的材質有NCL-Mullite，ZrO₂，Zr-SiO₄與Al₂O₃等。採用Al₂O₃泡沫陶瓷，在操作時不易碎，其抗熱振崩裂性能好，在1700℃高温金屬液流動下，抗蠕變變形能力強。因為開孔的孔隙度高（75%～90%）和孔壁很薄，所以泡沫陶瓷過濾器在與金屬液接觸前不需要預熱。

顆粒陶瓷過濾器的結構為上下有孔的支撐板，中間為顆粒填充物，在顆粒上鍍有一層活性吸附材料，見圖3。支撐板的厚度一般為12 mm，孔直徑為4.5～13 mm。

顆粒陶瓷過濾器選用MgO或Al₂O₃作為填充物，根據要過濾夾雜物的類別選用活性吸附劑。對於用稀土金屬處理過的高温合金，選用稀土金屬為活化劑，當使用氧化鈣顆粒時要解決防水化問題。

CaO耐火材料是很好的顆粒陶瓷過濾器的填充材料，它不僅可以依靠物理吸附原理，而且還可以通過化學反應去除夾雜物。但有兩個原因限制了其大量應用：一是需極高的燒結温度（高於1800℃）才能獲得必需的緻密度和機械強度。二是在常温和大氣下易水化。

CaO耐火材料的優點是耐火度高，鹼度高，鋼液過濾性好，資源極為豐富。提高鋼液過濾用CaO耐火材料抗水化性能的途徑是大力提高CaO耐火材料的燒結度，大結晶粒度，採用超高煅燒或電熔石灰；在CaO表面形成一層保護膜；在CaO燒成品上浸上焦油或有機樹脂薄膜作為中間過渡措施；在CaO中加入少量的化學添加劑，其作用是降低CaO的燒結温度，並在燒結後期使燒結體內部產生部分液相，促進CaO晶粒的長大。 ^[3] 

目前，陶瓷過濾器在很多工業領域得到越來越廣泛地應用，如催化貴金屬回收、流化牀燃燒、煅燒、有機廢物氣化發電、建材、化工和各種工業窯、爐等工業過程的高温煙氣淨化。高温煙氣淨化的應用還會出現在冶煉、材料生產和玻璃製造等。這些高温煙塵淨化常是在接近大氣壓條件下進行的。

陶瓷過濾器最突出的應用是燃煤發電領域的煙塵淨化。因為在世界範圍內對電能的需求日益增長，煤是解決電力問題的主要來源。對於這種化石燃料的不可再生性，最大限度地提高發電效率和減少對大氣造成的污染已成為世界各國，特別中國這樣一個燃煤大國的一個主要任務。通過循環流化牀（CFBC）發電和煤氣化（IGCC）發電，及其組合式發電可以實現提高發電效率的目的。煤氣化發電不同於傳統的蒸氣機發電過程，將煤加熱汽化後，在煤氣進入燃氣式發電機（氣燃機）之前，需要先淨化。即任何粉塵或其他雜質必須除去。大多數發電廠將進入氣燃機的允許含塵濃度限制在5 mg/m³以下。理論上最好低於1 mg/m³。除塵系統的工作温度常在350～1000℃、壓力為1～2.5 SPa。因此，要在如此高温、高壓下達到如此高的淨化效果，陶瓷過濾器必然成為第一選擇。 ^[4]