净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料及其制备方法与流程

本发明属于过滤技术，具体涉及净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、高温煤气净化技术是整体煤气化联合循环(简称igcc)发电技术发展的两个重大课题之一，而高温除尘技术又是高温煤气净化的关键技术之一。高温陶瓷过滤材料以高的过滤效率和良好的运行稳定性,成为整体煤气化联合循环中重要除尘设备的核心材料。有研究表明，传统陶瓷过滤原件孔隙速度和压降沿过滤元件的轴向分布有较大的差异，这会对陶瓷过滤元件的过滤和脉冲反吹清洗带来不利影响，在脉冲反吹清洗过程中会导致清灰的不均匀，在过滤过程中,会使粉尘沿过滤元件表面的不同部位以及不同过滤元件之间分布不均匀,在长周期运行过程中会使过滤元件之间出现粉尘架桥现象,以至损坏陶瓷过滤元件,影响整个过滤器的运行。

2、氮化硅多孔陶瓷由于其显微结构中棒状颗粒的存在，因此具有良好的耐热性、耐腐蚀性、高强度、高韧性等特点，在高温气氛下或者腐蚀性气氛下的气体分离过滤器或者其基材、以及金属基复合材料的增强相中已得到广泛应用。根据所用起始粉末的不同，现有的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法主要有直接氮化法和碳热还原法。直接氮化法的优点是金属硅的成本极其低廉，使用金属硅作为主要原料，大大降低氮化硅多孔陶瓷的生产成本。缺点是直接氮化法需要在高温下进行二次烧结，才能制备出氮化硅多孔陶瓷，导致生产工艺复杂。当金属硅粉末在氮气中直接反应进行氮化时，出现大量直径较粗的金属硅球团，这是由于在高温下，硅反应烧结熔化，结成球团，氮化反应只在球团表面进行，所以金属硅粉末氮化不完全，导致产物中残留大量的游离硅，大大降低了氮化硅多孔陶瓷的性能。碳热还原法的优点是使用成本极其低廉的氧化硅粉末和碳粉作为主要原料，大大降低氮化硅多孔陶瓷的生产成本，通过氧化硅的碳热还原反应，可以制备具有细小针状结构的β相氮化硅晶粒，高气孔率，力学性能优异的氮化硅多孔陶瓷，不足之处是碳热还原法需要少量的氮化硅作为晶种，一定程度上提高了生产成本，由于反应有44％的失重导致烧结过程中产品有较大的收缩，对生产要求形状构件非常不利。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料及其制备方法。本发明的净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料为将10个依次设置的层坯料经模压和热压烧结而成，该复合材料可有效减弱陶瓷过滤元件之间的粉尘架桥现象，适用于处于层流或紊流等不同工况的粉尘过滤，过滤效率达到99.9％以上，优于常规布袋除尘器的高温煤气过滤除尘效果。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料，其特征在于，所述复合材料为将10个依次设置的层坯料经模压和热压烧结而成，单层厚度均为20mm～60mm。

3、上述的净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料，其特征在于，所述复合材料的气孔率沿厚度方向递增。

4、上述的净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料,其特征在于，所述复合材料中，每个层坯料的原料，按重量百分比包括以下成分：

5、第1层：氧化硅64.3％、碳黑30.7％、氧化镥2.5％、氧化钇2.5％；

6、第2层：硅粉10％、氧化硅60.7％、碳黑24.3％、氧化镥2.5％、氧化钇2.5％；

7、第3层：硅粉20％、氧化硅53.6％、碳黑21.4％、氧化镥2.5％、氧化钇2.5％；

8、第4层：硅粉30％、氧化硅46.4％、碳黑18.6％、氧化镥2.5％、氧化钇2.5％；

9、第5层：硅粉40％、氧化硅39.3％、碳黑15.7％、氧化镥2.5％、氧化钇2.5％；

10、第6层：硅粉50％、氧化硅32.1％、碳黑12.9％、氧化镥2.5％、氧化钇2.5％；

11、第7层：硅粉60％、氧化硅25％、碳黑10％、氧化镥2.5％、氧化钇2.5％；

12、第8层：硅粉70％、氧化硅17.9％、碳黑7.1％、氧化镥2.5％、氧化钇2.5％；

13、第9层：硅粉80％、氧化硅10.7％、碳黑4.3％、氧化镥2.5％、氧化钇2.5％；

14、第10层：硅粉95％、氧化镥2.5％、氧化钇2.5％。

15、上述的净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料，其特征在于，所述氧化硅中sio2含量﹥99％重量，粒径d50﹤1.2μm；所述硅粉中si含量﹥99％重量，粒径d50﹤5μm；所述碳黑中c含量﹥99％重量，粒径d50﹤80nm,所述氧化镥中lu2o3含量﹥99％重量，粒径d50﹤2μm，所述氧化钇中y2o3含量﹥99％重量，粒径d50﹤2μm。

16、此外，本发明还提供一种制备上述的净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料的方法，其特征在于，包括：

17、步骤一、按照每个层坯料的原料组成称量原料，湿法球磨，干燥，得到混合粉末；

18、步骤二、将所述混合粉末过筛，得到造粒料；

19、步骤三、根据复合材料形状及尺寸选择模具，按照从第1层到第10层的顺序，将每层对应造粒料敷放于模具中，对模具内料件施压，当压力达到80～120千牛的时候，停止加压并保持压力两分钟，卸压，完成模压成型，得到生坯；

20、步骤四、将生坯在氮气气氛下进行加压烧结，之后随炉冷却，得到净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料。

21、上述的方法，其特征在于，步骤三中，每层造粒料敷放的厚度为(单层厚度+(5～20))mm。

22、上述的方法，其特征在于，步骤四中，所述加压烧结具体包括：将生坯置于流动输入氮气的烧结炉中，以10℃/min升温速率升至1750℃，保温2～4小时，保温过程中通过压头对生坯施加压力。

23、上述的方法，其特征在于，烧结炉中氮气气氛压力为1～2个大气压，氮气的流量为6～8l/min.

24、上述的方法，其特征在于，压头施加的压力为20～40千牛。

25、本发明与现有技术相比具有以下优点：

26、1、本发明提供一种净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料，该复合材料为将10个依次设置的层坯料经模压和热压烧结而成，可有效减弱陶瓷过滤元件之间的粉尘架桥现象，适用于处于层流或紊流等不同工况的粉尘过滤，过滤效率达到99.9％以上，优于常规布袋除尘器的高温煤气过滤除尘效果，可以满足整体煤气化联合循环领域的高温煤气净化过程需要。

27、2、本发明提供一种净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料的制备方法，包括将造粒料按层敷放后模压成型，随后在氮气气氛下加压烧结，可有效结合直接氮化法和碳热还原法的优点，使氧化硅在碳热还原反应中生成可在硅粉直接氮化反应中起到稀释作用的氮化硅，硅粉在烧结反应中生成可在碳热还原反应中作为晶种的氮化硅，促进细小针状β相氮化硅晶粒生成，避免直接氮化反应造成的产品收缩，获得可控气孔率的过滤材料。

28、3、本发明净化高温煤气的陶瓷过滤梯度复合材料的制备方法中，包括在1～2个大气压的流动氮气气氛中对烧结物料施加20～40千牛压力，可有效促进硅粉的直接氮化和氧化硅的碳热还原，促进碳热还原反应对直接氮化产生热量的及时充分吸收，避免硅熔化结球，同时有利于消除硅粉表面氧化硅薄膜，促进直接氮化反应向正向进行。

29、4、本发明的方法原料成本低，原理可靠，利于推广应用。

30、下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

31、说明书附图

32、图1为实施例1复合材料的结构示意图。

33、图2为实施例1陶瓷过滤梯度复合材料第五层的扫描电镜图。

34、图3为实施例1陶瓷过滤梯度复合材料第五层与第六层层间界面的扫描电镜图。