本发明属于烟气过滤技术领域，尤其涉及一种陶瓷纤维增强耐高温气体过滤材料及其制备方法。
背景技术：
高温烟气过滤技术是在高温条件下对烟气中的粉尘类固体物质进行过滤分离，实现烟气除尘净化的一项技术。从20世纪80年代开始，加压流化床燃烧(pfbc)和整体煤气化联合循环(igcc)等先进火力发电技术的推广，极大地促进了该技术的发展。美国、日本和欧洲相继开展了许多大型研究和示范类项目，用于开发、研究和测试不同的高温烟气过滤介质和过滤系统。
随着我国环保政策的日益加严，对电力、化工、炼油厂、焚烧炉、金属冶炼等领域的烟气排放提出了更高的要求。其中，对pm10和pm2.5等微粒物的排放限值进行了严格规定。高温烟气过滤技术以其除尘效率高、可在高温高压条件下工作，负载催化剂或与脱硫设备等联用后，可实现烟气脱硫脱硝及除尘一体化，具有较好的应用前景。
高温过滤材料是实现高温气体过滤除尘的核心元件。高密度和低密度陶瓷均可以作为过滤介质，常见的高密度陶瓷由碳化硅、氧化铝或堇青石材料制成，低密度陶瓷则主要由铝硅酸盐纤维制成。低密度陶瓷过滤材料具有孔隙率高、过滤阻力小以及断裂韧性好的特点，然而，由于纤维的松散特性，其机械强度较低，相应提高了过滤滤筒的破损风险。高密度陶瓷虽然机械强度较高，但过滤阻力大，孔隙率与强度之间存在相互制约的关系，且比重较大，增加了生产、安装及运输成本。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种陶瓷纤维增强耐高温气体过滤材料及其制备方法，本发明提供的陶瓷纤维增强耐高温气体过滤材料能够兼顾强度和孔隙率，在确保具有良好过滤性能的基础上，能够提高过滤材料的机械强度。
本发明提供了一种陶瓷纤维增强耐高温气体过滤材料，由多种原料制备得到，所述多种原料包括：粉体、占粉体4wt％～10wt％的陶瓷纤维和占粉体5wt％～20wt％的生物质造孔剂；
所述粉体包括：60wt％～85wt％的刚玉莫来石粉；3wt％～11wt％的硅微粉；2wt％～10wt％的膨润土；5wt％～20wt％的滑石粉、0.3wt％～1.0wt％的焦磷酸钠和0.1wt％～1.5wt％的羟丙基甲基纤维素。
本发明以刚玉莫来石粉、硅微粉、膨润土、滑石粉、焦磷酸钠、羟丙基甲基纤维素为主要原料，以陶瓷纤维为增强剂，以生物质造孔剂为造孔剂，制备得到的陶瓷纤维增强耐高温气体过滤材料能够兼顾强度和孔隙率，在确保具有良好过滤性能的基础上，能够提高过滤材料的机械强度，同时孔隙率的提高，能够有效降低材料体积密度。
在本发明中，刚玉莫来石粉、硅微粉、膨润土、滑石粉、焦磷酸钠、羟丙基甲基纤维素的配合使用，使得陶瓷纤维和生物质造孔剂能够均匀地分散在浆料中，得到的过滤材料孔隙率较高且分布均匀，同时强度和韧性也较高。实验结果表明，本发明提供的过滤材料主要物理性能为：抗压强度26～43mpa；孔隙率63～77％，体积密度为450～680kg/m3。
在本发明中，所述粉体包括60wt％～85wt％的刚玉莫来石粉。作为过滤材料的主要成分，刚玉莫来石粉可以由刚玉莫来石质蓄热体、匣钵和耐火砖端头切片及外观破损废品制备得到，实现资源合理利用的同时降低生产成本。在一个实施例中，刚玉莫来石粉的含量为65wt％～80wt％。
所述粉体包括3wt％～11wt％的硅微粉和5wt％～20wt％的滑石粉。硅微粉、滑石粉和刚玉莫来石粉可以形成富硅体系，促进烧结。在一个实施例中，硅微粉的含量为3wt％～10wt％。在一个实施例中，滑石粉的含量为9wt％～20wt％。
所述粉体包括2wt％～10wt％的膨润土。膨润土作为增稠剂，能够均化泥浆，同时改善脱模性能。在一个实施例中，膨润土的含量为3wt％～8wt％。
所述粉体包括0.3wt％～1.0wt％的焦磷酸钠。焦磷酸钠能够调控膨润土的增稠效果，增加浆料分散性，提高浆料均匀性。在一个实施例中，焦磷酸钠的含量为0.5wt％～1.0wt％。
所述粉体包括0.1wt％～1.5wt％的羟丙基甲基纤维素(hpmc)。hpmc能够分散生物质造孔剂，使其均匀分布在上述粉体形成的浆料中，同时能够起到粘合作用，增强生坯强度。
本发明以陶瓷纤维作为增强剂，能够保证得到的过滤材料在具有较大孔隙率的前提下具有较高的强度。在一个实施例中，所述陶瓷纤维选自多晶莫来石纤维。在一个实施例中，所述多晶莫来石纤维的直径为8μm～10μm，长径比为100～800。在一个实施例中，所述陶瓷纤维的用量占粉体的4wt％～10wt％。在一个实施例中，所述陶瓷纤维的用量占粉体的4.5wt％～7.5wt％。
本发明以生物质造孔剂为造孔剂，其与上述粉体配合使用，能够均匀分布在所述粉体形成的浆料中，从而获得较大孔隙率的过滤材料。在一个实施例中，所述生物质造孔剂选自木屑粉、果壳粉、米糠粕、豆粕、麦麸、棉粕中的一种或多种。在一个实施例中，生物质造孔剂的用量占粉体5wt％～20wt％。在一个实施例中，生物质造孔剂的用量占粉体6wt％～20wt％。
本发明还提供了一种陶瓷纤维增强耐高温气体过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
将粉体和水混合研磨，得到泥浆；所述粉体包括：60wt％～85wt％的刚玉莫来石粉；3wt％～11wt％的硅微粉；2wt％～10wt％的膨润土；5wt％～20wt％的滑石粉、0.3wt％～1.0wt％的焦磷酸钠和0.1wt％～1.5wt％的羟丙基甲基纤维素；
将所述泥浆与占粉体4wt％～10wt％的陶瓷纤维和占粉体5wt％～20wt％的生物质造孔剂搅拌均匀后成型，脱模干燥后进行烧结，得到陶瓷纤维增强耐高温气体过滤材料。
本发明首先将粉体与水混合研磨，得到泥浆，所述粉体与上文所述粉体含义相同，本发明在此不再赘述。本发明对水的加入量没有特殊限制，能够与上述粉体混合形成泥浆即可。具体而言，本发明将粉体和水在球磨机中混合研磨，得到泥浆。
得到泥浆后，向其中加入陶瓷纤维和生物质造孔剂混合均匀，使陶瓷纤维和生物质造孔剂在其中分布均匀，然后将其注入模具注浆成型，脱模干燥后进行烧结，即可获得陶瓷纤维增强耐高温气体过滤材料。在一个实施例中，所述烧结的温度为1350℃～1450℃，时间为1h～5h。
本发明可以采用陶瓷产品生产废料进行过滤材料的制备，实现了资源的循环利用，解决了刚玉莫来石废料的处置问题。通过生物质造孔剂与粉体的配合使用，可以提高过滤材料的孔隙率，改善分布均匀性，解决了高密度烟气过滤陶瓷材料孔隙滤低以及孔隙局部分布不均的问题。而且，生物质造孔剂来源广泛，价格低廉，可取代昂贵的人造成孔剂，以减少过滤材料烧成过程中有害气体的产生，从而解决烟气过滤材料生产过程中的环保和成本问题。孔隙率的提高，解决了高密度烟气过滤材料过滤阻力大的问题，确保了烟气过滤材料具有良好的过滤性能。而陶瓷纤维与粉体匹配性较好，能够起到补强作用，提高烟气过滤材料的强度及韧性，解决了高孔隙率条件下，烟气过滤材料强度低，易损坏的问题。实验结果表明，本发明提供的过滤材料显气孔率可达77％，且可耐受1250℃高温，透气率高，机械性能好，使用寿命长，具有优异的烟气过滤性能。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下各实施例中，多晶莫来石纤维的直径为8～10μm，长径比为100～800。
实施例1
按质量百分比，将刚玉莫来石粉68％、硅微粉10％、膨润土5.5％、滑石15％、焦磷酸钠1.0％、hpmc0.5％与水混合后，通过球磨机混合研磨成泥浆，然后按粉体总重分别外加多晶莫来石纤维5.8％和木屑粉15％，搅拌均匀后注入模具中进行注浆成型。
脱模干燥后，将制得的坯体在1380℃条件下进行烧成，保温时间为2小时。
所制得高温烟气过滤材料显气孔率为73.3％，抗压强度为25.0mpa，体积密度为493kg/m3。
实施例2
按质量百分比，将刚玉莫来石粉73％、硅微粉10％、膨润土5.4％、滑石10％、焦磷酸钠0.8％、hpmc0.8％与水混合后，通过球磨机混合研磨成泥浆，然后按粉体总重分别外加多晶莫来石纤维6.5％和果壳粉20％，搅拌均匀后注入模具中进行注浆成型。
脱模干燥后，将制得的坯体在1380℃条件下进行烧成，保温时间为3小时。
所制得高温烟气过滤材料显气孔率为68.7％，抗压强度为29.3mpa，体积密度为515kg/m3。
实施例3
按质量百分比，将刚玉莫来石粉75％、硅微粉8％、膨润土5.8％、滑石9.9％、焦磷酸钠0.5％、hpmc0.8％与水混合后，通过球磨机混合研磨成泥浆，然后按粉体总重分别外加多晶莫来石纤维5.5％和米糠粕10％，搅拌均匀后注入模具中进行注浆成型。
脱模干燥后，将制得的坯体在1400℃条件下进行烧成，保温时间为3小时。
所制得高温烟气过滤材料显气孔率为71.5％，抗压强度为27.6mpa，体积密度为504kg/m3。
实施例4
按质量百分比，将刚玉莫来石粉73％、硅微粉5％、膨润土7.2％、滑石13.5％、焦磷酸钠0.5％、hpmc0.8％与水混合后，通过球磨机混合研磨成泥浆，然后按粉体总重分别外加多晶莫来石纤维6.5％和麦麸6.8％，搅拌均匀后注入模具中进行注浆成型。
脱模干燥后，将制得的坯体在1400℃条件下进行烧成，保温时间为4小时。
所制得高温烟气过滤材料显气孔率为65.0％，抗压强度为38.7mpa，体积密度为537kg/m3。
实施例5
按质量百分比，将刚玉莫来石粉68％、硅微粉8％、膨润土3.7％、滑石19.5％、焦磷酸钠0.5％、hpmc0.3％与水混合后，通过球磨机混合研磨成泥浆，然后按粉体总重分别外加多晶莫来石纤维7.2％和棉粕13％，搅拌均匀后注入模具中进行注浆成型。
脱模干燥后，将制得的坯体在1380℃条件下进行烧成，保温时间为2小时。
所制得高温烟气过滤材料显气孔率为66.4％，抗压强度为31.8mpa，体积密度为518kg/m3。
实施例6
按质量百分比，将刚玉莫来石粉78％、硅微粉3％、膨润土6.4％、滑石11.1％、焦磷酸钠0.7％、hpmc0.8％与水混合后，通过球磨机混合研磨成泥浆，然后按粉体总重分别外加多晶莫来石纤维4.7％、木屑粉6.5％、果壳粉7.5％和豆粕4％，搅拌均匀后注入模具中进行注浆成型。
脱模干燥后，将制得的坯体在1400℃条件下进行烧成，保温时间为4小时。
所制得高温烟气过滤材料显气孔率为75.8％，抗压强度为30.3mpa，体积密度为489kg/m3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。