高溫氣體凈化技術(shù)是新材料、新能源等領(lǐng)域提高生產(chǎn)工藝水平、實行潔凈化生產(chǎn)和節(jié)能減排的一項核心技術(shù)。現(xiàn)有高溫氣體凈化技術(shù)主要包括旋風收塵、電收塵、噴淋、袋收塵及陶瓷膜過濾技術(shù)等。其中旋風收塵除塵效率較低、電收塵效率不穩(wěn)定。采用布袋收塵技術(shù)，在有些高溫環(huán)境下，因控制溫度波動，需采用龐大冷卻系統(tǒng)和控溫設備。若采用噴淋洗滌，耗水量大，余熱得不到利用，易產(chǎn)生低熔點物質(zhì)和有害物質(zhì)等。相比之下，高溫陶瓷膜過濾技術(shù)具有使用溫度高、過濾效率高、應用范圍廣等優(yōu)點，在近20年高溫氣體凈化領(lǐng)域得到較快發(fā)展。高溫陶瓷膜過濾材料作為其核心過濾介質(zhì)，其發(fā)展和應用也引起國際社會廣泛關(guān)注，高溫陶瓷膜材料是當今非常重要的熱氣體凈化用過濾材料之一。
國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展概況
發(fā)展至今，圍繞不同應用領(lǐng)域，國際上已開發(fā)多系列高溫陶瓷膜材料。其中上世紀70年代，日本旭硝子公司開發(fā)了用于冶煉爐方面高溫煙氣除塵的長管式堇青石質(zhì)高溫陶瓷膜材料，進入80年代，隨著陶瓷纖維成型技術(shù)的發(fā)展，英國Ｃａｌｄｏ，Ｇｏｌｓｆｕｍｅ等公司相繼開展了以陶瓷纖維為主的低密度陶瓷纖維膜材料的研究開發(fā)工作，其中包括硅酸鋁短纖維真空抽濾成型、長纖維纏繞成型、針刺成型以及以ＳｉＣ／ＳｉＣ或Ａ2Ｏ3/莫來石連續(xù)纖維增強高溫陶瓷膜過濾元件（ＣＦＣＣｓ）。美國西門子西屋電力公司作為長期從事煤化工及生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域熱氣體凈化技術(shù)主導單位之一，從1988年開始研制氧化物基和非氧化物基高溫陶瓷膜材料，后來為了解決氧化物陶瓷材料存在高溫熱疲勞及非氧化基陶瓷材料存在高溫蠕變等問題，從1994年開始發(fā)展纖維纏繞或編制的連續(xù)陶瓷纖維復合過濾材料（ＣＦＣＣ）。其實真正引起人們對高溫陶瓷膜材料關(guān)注的還是高效、低污染、低成本先進燃煤發(fā)電技術(shù)（ＩＧＣＣ和ＰＦＢＣ）發(fā)展對高溫氣體氣體凈化技術(shù)需要。90年代初，美國西屋技術(shù)研究所承擔了臺套先進流化床發(fā)電系統(tǒng)（ＩＧＣＣ）熱氣體凈化裝置，也開啟了高溫陶瓷膜材料在高溫、高壓氣體凈化領(lǐng)域應用發(fā)展，催生了一些國際上較知名品牌產(chǎn)品誕生，如美國ＰＡＬＬ公司開發(fā)碳化硅系列高溫陶瓷膜過濾材料以及美國3Ｍ公司推出ＣＶＩ－ＳＩＣ高溫復合過濾元件等。
區(qū)別于一般陶瓷膜材料，用于高溫、高壓凈化的陶瓷膜材料除具有一般陶瓷膜材料高機械強度和良好微孔性能外，更需要良好的高溫熱穩(wěn)定性能、高溫耐介質(zhì)腐蝕性能以及較低的透氣阻力等。目前國際上開發(fā)的高溫陶瓷膜材料從材質(zhì)上講大體上可分為兩大類：其一氧化物質(zhì)高溫陶瓷膜材料：如氧化鋁／莫來石、堇青石及各種氧化物纖維等。另一類是非氧化物陶瓷材料，主要指碳化硅系列高溫陶瓷膜材料（包括粘土結(jié)合碳化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅以及反應結(jié)合碳化硅等）。由于材料體系不同，也就導致這些高溫陶瓷膜材料在不同介質(zhì)下耐腐蝕性能差別。比如氧化物陶瓷膜材料通常具有較高機械強度，但熱穩(wěn)定較差，不適宜較高溫度下使用，碳化硅陶瓷膜材料具有非常好熱穩(wěn)定性能，但存在著高溫介質(zhì)氧化和腐蝕問題，因此在含有堿金屬、蒸汽和高溫煤氣下耐腐蝕性相對較差。堇青石質(zhì)高溫陶瓷過濾材料是被最早應用于高溫熱氣體凈化。有較低線脹系數(shù)和高溫熱穩(wěn)定性能，但堇青石陶瓷材料在高溫下，尤其在含堿金屬及硫組分較高的情況下，有可能會因為組成晶體結(jié)構(gòu)中晶粒的增長導致各晶相結(jié)構(gòu)線脹系數(shù)不同而造成產(chǎn)品微裂紋的產(chǎn)生，影響材料的長期使用壽命等。
從微觀結(jié)構(gòu)上來講，高溫陶瓷膜材料可以分為以耐火骨料為主的高密度陶瓷膜材料和以短纖維或連續(xù)纖維為骨架的低密度陶瓷纖維膜材料。相比而言，低密度陶瓷纖維膜材料由于具有較高孔隙結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性能，透氣阻力小，使用溫度高，也成為國際上研制開發(fā)最多的一種陶瓷膜材料表面過濾技術(shù)的發(fā)展，也促使了陶瓷膜材料由最早的單層（均質(zhì)）結(jié)構(gòu)向由高強支撐體和膜分離層構(gòu)成的多層孔梯度結(jié)構(gòu)過渡。這種具有孔梯度結(jié)構(gòu)的陶瓷膜材料，不僅提高過濾精度、降低過濾阻力，而且由于膜層孔徑較小，表面光滑，減少灰層附著力，提高了清灰性能。如Ｐａｌｌ碳化硅高溫陶瓷膜系列產(chǎn)品是由2層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，內(nèi)層為高強度碳化硅陶瓷支撐體，外層為孔徑系列為５～20μｍ莫來石或碳化硅分離膜層構(gòu)成。另一項具有重大意義的研究進展是纖維復合陶瓷過濾材料制備技術(shù)發(fā)展，它使得陶瓷膜材料的韌性和高溫熱穩(wěn)定性能大大提高。如美國Ｍ公司生產(chǎn)的ＣＶＩ－ＳｉＣ復合型過濾管由3層結(jié)構(gòu)組成：外層為過濾層、中間纖維層和構(gòu)成過濾器支撐基體的纖維內(nèi)層．在外層過濾層和中間纖維層內(nèi)部沉積著約1～2μｍ的碳化硅顆粒，而在內(nèi)層纖維層沉積有約100μｍ的碳化硅。美國杜邦公司生產(chǎn)的ＰＲＤ一６６型試管式陶瓷過濾器，外表面由涂有碳化硅砂粒的強化尼龍纖維絲纏繞，內(nèi)表面是滲透率較高的碳化硅剛性架，除塵效率達99．9％以上。另外，美國Ｂ＆Ｗ公司開發(fā)了氧化鋁一氧化鋁纖維復合陶瓷，西屋公司開發(fā)了氧化鋁一莫來石纖維復合陶瓷過濾材料等可以說，為了促進高溫陶瓷膜材料發(fā)展以及在高溫、高壓熱氣體凈化領(lǐng)域應用商業(yè)化，世界各國都做了大量研究工作。其中日本Ａｓｉａｎ公司從1983年開始，就致力于長管式陶瓷膜過濾器（ＡＣＴＦ）在冶煉爐應用方面發(fā)展計劃，87年日本電能公司開始開展陶瓷膜過濾器在ＰＦＢＣ裝置中的商業(yè)化應用研究工作，92年國際能源協(xié)會會（ＩＥＡ）開始選擇ＡＣＴＦ作為過濾試驗項目，并在ＰＦＢＣ和ＩＧＣＣ裝置熱氣體凈化方面進行應用推廣。美國能源部（ＤＯＥ）更是制定了一個為期五年的采用先進陶瓷過濾器凈化高溫氣體商業(yè)化發(fā)展規(guī)劃研究計劃，旨在驗證陶瓷材料高溫可靠性，發(fā)展一種更為先進高溫氣體凈化過濾材料，其中包括采用陶瓷纖維復合材料和其它先進陶瓷材料等。
圍繞這些高溫陶瓷膜材料的發(fā)展，國際上目前主要發(fā)展了兩種類型高溫陶瓷膜過濾裝備，其一是采用管狀濾芯為主的燭式過濾結(jié)構(gòu)，另一種是采用片式或蜂窩塊體濾芯為主的錯流式結(jié)構(gòu)。以美國能源部牽頭的研究群體，對高溫陶瓷膜材料及整個高溫過濾系統(tǒng)進行了迄今為止最全面的實驗研究，包括過濾流動的機理、元件的設計及優(yōu)化、元件材料的改進、系統(tǒng)整體的優(yōu)化等。美國西弗杰尼亞大學美Ｂｒｕｃｅ Ｓ．Ｋａｎｇ等對各種高溫陶瓷膜材料在常溫和高溫下的過濾濾餅清除與濾芯再生性能等進行了系統(tǒng)測試研究。美國能源部西屋發(fā)展中心和西弗杰尼亞能源中心也對錯流式結(jié)構(gòu)的高溫陶瓷過濾系統(tǒng)在加壓流化床（ＰＦＢＣ）和德士古氣化爐上應用進行了系統(tǒng)實驗和評估。我國在20世紀初，也曾將先進燃煤電廠用高溫陶瓷膜過濾器研究開發(fā)列入國家8６3計劃項目。正是基于各國共同努力，加上一系列計劃措施：包括歐共體兆卡計劃、日本新陽光計劃，中國潔凈煤計劃、國際ＰＭ2.5排放控制等實施，才促進了當今高溫陶瓷膜材料及熱氣體凈化技術(shù)快速發(fā)展。目前已發(fā)展應用的高溫陶瓷膜材料包括Ｐａｌｌ－Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ碳化硅陶瓷膜系類產(chǎn)品、美國3ＭＮｅｘｔｅｌ纖維編制系列產(chǎn)品、英國Ｃａｌｄｏ，Ｇｌｏｓｆｕｍｅ等陶瓷纖維膜系類產(chǎn)品、德國ＢＷＦ ＰｙｒｏｔｅｘＫＥ8５陶瓷纖維濾管以及美國ＣｅｒａＭｅｍ公司蜂窩狀高溫陶瓷過濾層元件等。