热气体净化用高温陶瓷过滤元件及其制备方法 技术领域
本发明涉及一种热气体净化用高温陶瓷过滤元件技术，属于特种陶瓷技术领域。
背景技术
近年来。随着洁净煤技术和高温气体净化技术的不断发展，世界各国对高温过滤介质的技术性能要求愈来愈高，高温、高压条件下过滤技术作为近二十年来粒子控制技术最主要的发展，其过滤介质在高温高压条件下的化学稳定性是高温过滤介质最难解决的问题之一。陶瓷纤维复合膜材料料由于具有耐高温(1100℃)、高压(2.5MPa)、抗介质腐蚀、热稳定性好、粒子去除效率高(1μm粒子去除效率达99.9％)、阻力小等优点，用于高温含尘气体净化正可以发挥其特点，这是其它材料所不可代替的。
陶瓷纤维膜复合材料由于具有许多优良的特性，如良好的抗热震性、较高的机械强度、轻质、高空隙率等引起国内外的普遍重视。陶瓷纤维复合膜高温陶瓷过滤元件就是针对传统的陶瓷过滤材料存在的一些问题，如材料的过滤阻力、热稳定性及脆性等，尤其是为满足PFBC和IGCC热气体净化系统的需要而发展一种更为先进的热气体净化、过滤元件。
在相关的专利报道中，大多涉及的是一种均制的高温陶瓷过滤元件、陶瓷膜高温陶瓷过滤元件或自支撑的真空成型的陶瓷纤维过滤元件或者陶瓷纤维增强的高温陶瓷过滤元件。如美国专利US5.196.120涉及的一种由刚性基连续陶瓷纤维做基体，采用真空法施加一层非连续陶瓷纤维层的高温复合高温陶瓷过滤元件；美国专利US 4.116.761涉及一种采用均相沉积法在多孔陶瓷基体表面成型陶瓷纤维复合膜层的高温陶瓷过滤元件及制备方法；另外美国专利US5.223.138也涉及了一种采用真空成型工艺制备纤维增强陶瓷过滤元件的制备方法。以上涉及的自支撑的陶瓷纤维高温陶瓷过滤元件具有较高的空隙结构和透气性能，但在高温高压状况下使用时不免存在强度低、热稳定差地问题。采用均相沉积或电泳法在多孔陶瓷基体表面形成的陶瓷纤维复合膜过滤元件虽然具有较好的高温和机械性能，但制造成本很高，不适宜产品的工业化推广应用。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种全新组成的热气体净化用高温陶瓷过滤元件，高温机械强度高，热稳定性能好，产品容重小；本发明同时提供了其简单合理、易于实施、生产成本低的制备方法。
本发明所述的热气体净化用高温陶瓷过滤元件，由陶瓷支撑体和其外表面的陶瓷纤维复合膜构成，形成外滤方式，其陶瓷支撑体和陶瓷纤维复合膜分别由下列重量百分配比的原料制成，
陶瓷支撑体的配料重量百分组成为：
堇青石骨料70-85％、高温结合剂10-30％、增孔剂0-10％；
陶瓷纤维复合膜的配料重量百分组成为：
陶瓷纤维40-60％、结合剂20-30％、耐火骨料20-40％。
其中：
陶瓷支撑体中的高温结合剂优选低热膨胀陶瓷结合剂，其配料重量百分组成为：
耐火粘土25-35％、钾长石30-40％、β-锂辉石30-40％、滑石5-10％。
增孔剂可以选用木榍、木炭、或其它高温易燃尽的物质，优选的为木炭，木炭颗粒的大小以要求的孔径大小决定，粒径以50-300μm适宜，优选为100-200μm。
堇青石骨料容重小，高温热稳定性能好，粒径控制为100-600μm适宜，优选为200-450μm。
陶瓷纤维复合膜中结合剂可以选用硅溶胶、磷酸盐类和陶瓷类结合剂，本发明优选陶瓷类结合剂，其配料重量百分组成为：
耐火粘土50-70％、钾长石20-30％、滑石10-20％。
陶瓷纤维复合膜中的耐火骨料可以为堇青石、碳化硅、莫来石、刚玉中的一种，优选堇青石骨料或刚玉骨料，骨料的粒径控制为50-150μm。
陶瓷纤维复合膜中的陶瓷纤维可以为碳化硅纤维、氧化铝纤维、含锆硅酸铝纤维中的一种，优选含锆硅酸铝纤维，陶瓷纤维的纤维直径控制为3-8μm，纤维长径比控制为10-500，最好分别为3-5μm，150-300。
本发明中的所用原料均可直接购买，其它一些属于本技术领域的常规常识操作和要求，不再赘述。
制备方法如下：
首先采用机械振动热浇注成型工艺成型陶瓷支撑体，烧成后再复合陶瓷纤维复合膜，将陶瓷纤维复合膜配料制成悬浮的料浆，将烧成后的陶瓷支撑体浸入料浆中，实施真空抽滤成型，等陶瓷支撑体外表面形成陶瓷纤维复合膜层后，经干燥、烧成制得产品。
两结合剂使用时越细越好，至少过200目筛。
一般地，陶瓷支撑体的烧成温度为1230-1260℃，陶瓷纤维复合膜的烧成温度为1170-1210℃。
本发明陶瓷纤维复合膜高温陶瓷过滤元件，其支撑体孔径100-150μm，气孔率35-40％，抗弯强度15-25MPa，高温热稳定性指标950℃2-20℃、10次不裂，容重1.35-1.5g/cm3，最高工作温度950℃。陶瓷纤维复合膜孔径10-30μm，气孔率50-75％，抗折强度5-10Mpa，最高工作温度950℃。
本发明热气体净化用高温陶瓷过滤元件全新组成，高温机械强度高，热稳定性能好，产品容重小，耐介质腐蚀，抗热震能力强，过滤效率高，高温使用性能好，适用于各种高温、高压含尘热气体的过滤、净化；制备方法简单合理，易于实施，方便操作控制，生产成本低，利于工业实施。
【附图说明】
图1、长管式高温陶瓷过滤元件。
图2、型烛高温陶瓷过滤元件。
图中：1、3、陶瓷支撑体 2、4、陶瓷纤维复合膜层 5、法兰 6、固定槽。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
试验所用原料组成情况见表1。
表1、试验所用原料化学重量百分组成表
本发明所述的热气体净化用高温陶瓷过滤元件为管状，陶瓷支撑体的重量配料百分组成为：粒径为200-400um的商业合成堇青石骨料73％、高温陶瓷结合剂23％和粒径为100-200μm的木炭增孔剂4％；其中高温陶瓷结合剂的重量配料百分组成为：耐火粘土30％、钾长石25％、β-锂辉石35％、滑石10％，细度控制过200目筛。
陶瓷纤维复合膜的重量配料组成为含锆硅酸铝纤维50％、粒径为80-120um的堇青石骨料20％、结合剂为30％；其中结合剂的重量配料组成为：耐火粘土65％、钾长石25％、滑石10％，细度控制过200目筛。
制备方法：
将陶瓷支撑体配料混料、烘干，以低熔点石蜡做成型剂，采用机械震动热浇注成型工艺成型，然后经过1230℃高温烧成获得陶瓷支撑体。产品性能为：体积密度1.35g/cm3，其孔径130μm，气孔率40％，抗折强度17.8MPa，热稳定性指标950℃-20℃、10次不裂，高温抗折强度(900℃)11.8MPa以上。
陶瓷纤维复合膜层的制备：将纤维直径4.3μm的含锆硅酸铝陶瓷纤维经过机械剪切、球磨制备长径比为250的陶瓷纤维，洗去渣球后，然后以水作分散介质、加入适当0.1wt％(重量百分比)的三聚磷酸钠分散剂，采用高速机械搅拌法使纤维充分分散，然后加入堇青石耐火骨料和结合剂，并加入悬浮料浆重量0.8％的甲基纤维素(CMC)制备稳定的陶瓷纤维悬浮料浆，控制成型料浆浓度20wt％。将陶瓷支撑体表面经处理后，放入装有成型料浆的容器中，采用真空抽滤成型，在陶瓷支撑体的外表面形成一均匀的陶瓷纤维复合膜层后，经干燥后，采用1190℃高温烧成，获得复合有陶瓷纤维复合膜层的本发明产品。复合膜层的性能为：膜层厚度0.3mm，膜层孔径23.4μm，膜层气孔率63.5％，抗弯强度7.8MPa，热稳定性能1000℃-20℃、10次不裂。
本发明陶瓷纤维复合膜高温陶瓷过滤元件，最高使用温度可达950℃，最高工作压力可达1.3MPa，用于高温含尘气体，其过滤速率4-6cm/s，过滤阻力300-500mmH2O，过滤精度1μm，过滤效率大于99.8％，过滤后气体含浓度小于20mg/Nm3。
实施例2
本发明所述的热气体净化用高温陶瓷过滤元件，陶瓷支撑体的配料重量百分组成为：
粒径为300-500μm的堇青石骨料75％、高温结合剂18％、增孔剂7％；
其中，高温结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土30％、钾长石35％、β-锂辉石30％、滑石5％。
陶瓷纤维复合膜的配料重量百分组成为：
纤维直径为6μm的含锆硅酸铝纤维50％、结合剂25％、粒径为80-100μm的堇青石耐火骨料25％；
其中，结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土55％、钾长石25％、滑石20％。
制备方法：
将陶瓷支撑体配料混料、烘干，以低熔点石蜡做成型剂，采用机械震动热浇注成型工艺成型，然后经过1240℃高温烧成制得陶瓷支撑体。
将锆硅酸铝陶瓷纤维经过机械剪切、球磨制备长径比为纤维长径比为200的陶瓷纤维，经分散处理后加入堇青石耐火骨料和结合剂制成成型料浆。将陶瓷支撑体浸入料浆中，采用真空抽滤成型，在陶瓷支撑体的外表面形成陶瓷纤维复合膜层，经干燥后，采用1200℃高温烧成，获得复合有陶瓷纤维复合膜层的本发明产品。
其它同实施例1
实施例3
本发明所述的热气体净化用高温陶瓷过滤元件，陶瓷支撑体的配料重量百分组成为：
粒径为100-600μm的堇青石骨料80％、高温结合剂18％、增孔剂2％；
其中，高温结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土25％、钾长石35％、β-锂辉石32％、滑石8％。
陶瓷纤维复合膜的配料重量百分组成为：
纤维直径为7μm的氧化铝纤维50％、结合剂26％、粒径为50-100μm的堇青石耐火骨料24％；
其中，结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土60％、钾长石23％、滑石17％。
制备方法：
将陶瓷支撑体配料混料、烘干，以低熔点石蜡做成型剂，采用机械震动热浇注成型工艺成型，然后经过1250℃高温烧成制得陶瓷支撑体。
将氧化铝纤维经过机械剪切、球磨制备长径比为纤维长径比为300的纤维，经分散处理后加入堇青石耐火骨料和结合剂制成成型料浆。将陶瓷支撑体浸入料浆中，采用真空抽滤成型，在陶瓷支撑体的外表面形成陶瓷纤维复合膜层，经干燥后，采用1180℃高温烧成，获得本发明产品。
其它同实施例1
实施例4
本发明所述的热气体净化用高温陶瓷过滤元件，陶瓷支撑体的配料重量百分组成为：
粒径为400-550μm的堇青石骨料72％、高温结合剂21％、增孔剂7％；
其中，高温结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土32％、钾长石30％、β-锂辉石32％、滑石6％。
陶瓷纤维复合膜的配料重量百分组成为：
纤维直径为5.5μm的碳化硅纤维45％、结合剂27％、粒径为70-120μm的刚玉耐火骨料28％；
其中，结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土65％、钾长石24％、滑石11％。
制备方法：
将陶瓷支撑体配料混料、烘干，以低熔点石蜡做成型剂，采用机械震动热浇注成型工艺成型，然后经过1240℃高温烧成制得陶瓷支撑体。
将碳化硅纤维经过机械剪切、球磨制备长径比为纤维长径比为350的纤维，经分散处理后加入刚玉耐火骨料和结合剂制成成型料浆。将陶瓷支撑体浸入料浆中，采用真空抽滤成型，在陶瓷支撑体的外表面形成陶瓷纤维复合膜层，经干燥后，采用1200℃高温烧成，获得本发明产品。
其它同实施例1
实施例5
本发明所述的热气体净化用高温陶瓷过滤元件，陶瓷支撑体的配料重量百分组成为：
粒径为450-600μm的堇青石骨料70％、高温结合剂20％、增孔剂10％；
其中，高温结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土26％、钾长石31％、β-锂辉石33％、滑石10％。
陶瓷纤维复合膜的配料重量百分组成为：
纤维直径为5.8μm的碳化硅纤维55％、结合剂25％、粒径为120-150μm的堇青石耐火骨料20％；
其中，结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土60％、钾长石22％、滑石18％。
制备方法：
将陶瓷支撑体配料混料、烘干，以低熔点石蜡做成型剂，采用机械震动热浇注成型工艺成型，然后经过1240℃高温烧成制得陶瓷支撑体。
将碳化硅纤维经过机械剪切、球磨制备长径比为纤维长径比为400的陶瓷纤维，经分散处理后加入堇青石耐火骨料和结合剂制成成型料浆。将陶瓷支撑体浸入料浆中，采用真空抽滤成型，在陶瓷支撑体的外表面形成陶瓷纤维复合膜层，经干燥后，采用1180℃高温烧成，获得本发明产品。
其它同实施例1
实施例6
本发明所述的热气体净化用高温陶瓷过滤元件，陶瓷支撑体的配料重量百分组成为：粒径为200-300μm的堇青石骨料80％、高温结合剂19％、增孔剂1％；
其中，高温结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土29％、钾长石33％、β-锂辉石32％、滑石6％。
陶瓷纤维复合膜的配料重量百分组成为：
纤维直径为5.3μm的锆硅酸铝纤维54％、结合剂24％、粒径为100-130μm的莫来石耐火骨料22％；
其中，结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土56％、钾长石28％、滑石16％。
制备方法：
将陶瓷支撑体配料混料、烘干，以低熔点石蜡做成型剂，采用机械震动热浇注成型工艺成型，然后经过1230℃高温烧成制得陶瓷支撑体。
将锆硅酸铝陶瓷纤维经过机械剪切、球磨制备长径比为纤维长径比为10-500的陶瓷纤维，经分散处理后加入莫来石耐火骨料和结合剂制成成型料浆。将陶瓷支撑体浸入料浆中，采用真空抽滤成型，在陶瓷支撑体的外表面形成陶瓷纤维复合膜层，经干燥后，采用1190℃高温烧成，获得本发明产品。
其它同实施例1
实施例7
本发明所述的热气体净化用高温陶瓷过滤元件，陶瓷支撑体的配料重量百分组成为：
粒径为100-600μm的堇青石骨料80％、高温结合剂18％、增孔剂2％；
其中，高温结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土25％、钾长石35％、β-锂辉石32％、滑石8％。
陶瓷纤维复合膜的配料重量百分组成为：
纤维直径为6.5μm的氧化铝纤维50％、结合剂28％、粒径为50-100μm的碳化硅耐火骨料22％；
其中，结合剂的配料重量百分组成为：耐火粘土60％、钾长石24％、滑石16％。
制备方法：
将陶瓷支撑体配料混料、烘干，以低熔点石蜡做成型剂，采用机械震动热浇注成型工艺成型，然后经过1250℃高温烧成制得陶瓷支撑体。
将氧化铝纤维经过机械剪切、球磨制备长径比为纤维长径比为300的纤维，经分散处理后加入碳化硅耐火骨料和结合剂制成成型料浆。将陶瓷支撑体浸入料浆中，采用真空抽滤成型，在陶瓷支撑体的外表面形成陶瓷纤维复合膜层，经干燥后，采用1180℃高温烧成，获得本发明产品。
其它同实施例1。