摘要：在石油焦化过程中需要进行高温处理，同时产生大量的含有微细杂质粒子及高温气体，直接排放会带来严重的环境污染，而且还会造成资源的浪费。如何对高温气体进行有效的热量回收利用具有巨大的经济效益，其中高温除尘是利用高温气体的最有效方法。研究采用碳纤维为过滤介质，确定小试的实验的工艺参数，对高温除尘进行初步的实验研究探究。因此，开展高温含尘气体的净化技术及材料的研究，对于环境保护、节约能源、实现社会的可持续发展具有十分重要的意义。

　　关键词：石油焦化；高温过滤；除尘；碳纤维材料；颗粒；实验研究

　　0引言

　　建设资源节约型环境友好型社会是当今社会的主题，石油焦化在生产过程中需要高温环境中对油浆进行处理。因此研究一种更好的过滤材料，改进对含尘气体的过滤效果，尤其是高温气体的过滤，来实现节能减排，一直以来都是研究者和生产者追求的目标[1-2]。利用化学或物理原理减少气体中固体颗粒的排放，过滤介质是关键。今后科研工作者的任务在于研究和开发性能优良、耐高温、耐腐蚀、价位低廉的绿色过滤介质。

　　随着环保要求的日趋严格，迫切需要高温高效气固分离技术的开发，发达国家如美、德、日正努力控制烟气的排放趋向目视为“零”的浓度，自然我国也不能慢下脚步，更要加紧步伐，以碳纤维作为过滤材料用布袋式除尘技术，将大大提高净化含尘气体的浓度，并以其优越的优势在今后的发展中得到应用，并能得到充分发挥它的有利之处[3]。

　　1碳纤维材料在高温含尘气体过滤中的应用实验

　　本实验过程模拟脱硝前的生产过程，以粉煤灰为模拟粉尘，在高温下进行高温除尘。风机采用实验室的空压机，通过变速电机带动螺旋进料杆将粉尘推进造灰室形成模拟的粉尘气体[4]。过滤器为圆筒式，过滤器规格为过滤圆通滤芯周长11 cm，高为29 cm。U型压差计中装入水来测量压差变化，过滤后排放的气体通过粉尘采样器测量排出口的粉尘含量[5]。碳纤维材料在高温含尘气体过滤中的实验工艺图，如图1所示。实验步骤[6-7]，如下：

　　1）利用扫描电子显微镜对常温300、400、500℃高温煅烧处理后的碳纤维进行表征分析；

　　2）称量过滤前过滤纤维膜和采样滤膜的重量并记录；

　　3）安装好实验装置并检查装置的气密性；

　　4）在过滤装置滤芯上缠上15 cm长的碳纤维；

　　5）在粉尘发生装置中装入一定量的粉尘，打开空压机，利用阀门控制空压机开度，利用流量计开关控制3 m3/h的进气流量；

　　6）打开电机，使螺杆进料器转动，推动粉尘进入造灰室，按下计时器开始计时，过滤15 min，并记录U型压差计每一分钟所对应的压降；

　　7）当达到指定过滤时间后，记录最后的过滤阻力，立即关闭进气流量阀门，关闭电机；

　　8）关闭空压机，并切断电源；

　　9）卸下粉尘过滤装置，卸下碳纤维过滤滤料并进行称重，并记录质量；测量粉尘采样器过滤后的质量；

　　10）清洁过滤设备，换好下次所需的过滤滤料；

　　11）处理实验数据；

　　12）改变碳纤维的缠绕长度，重复上述步骤，测的在3 m3/h下的最经济的碳纤维长度；

　　13）在测的的最经济碳纤维长度下，改变进气流量，重复过滤步骤，检验3 m3/h进气流量的经济性；

　　14）处理所有实验步骤所得出的实验数据。

　　2实验结果分析

　　2.1不同时间条件下纤维长度对过滤除尘的影响分析

　　从图2可以看出，当空气流速为1.56 m/min时，纤维长度为16 cm的，随着时间的增长其降压基本上没有发生大的变化。其他纤维长度的都随着时间的增加而出现加大，压降出现增加的变化。在相同的时间节点上，呈现随着缠绕层数的增多，压降呈现逐渐增大。在开始的第一个节点上基本呈现出随着长度的增大压降逐渐增大的规律。而在最后一个节点上则呈现随着长度的增加压降增大的趋势。讨论得出，因系统的不稳定导致第2层与第3层分别出现前9 min过滤压降比第2.5层与4.5层大。通过粉尘采样器计算得出：排出口灰尘质量浓度最高（16 cm）时为1 860 mg/m3，最低（90 cm）时为40 mg/m3，35 cm长时排出口灰尘质量浓度为57 mg/m3。完全达到了国家环保要求。

　　2.2不同流量条件下时间对压降的影响分析

　　通过图3我们可以看出，当碳纤维长度为35 cm时随着时间的增长，压降的数值逐渐增大；在相同的时间节点上，随着空气流速的增大压降的数值差也在逐渐增大。当空气流速为2.6 m/min时，压降的最大数值为270 mmH2O左右；在相同碳纤维长度情况下，当空气流速增加一倍，即空气流速为5.2 m/min时，压降的最大数值为880 mmH2O左右。排出口灰尘含量为2 000 mg/m3，完全达不到环保的要求。

　　2.3不同流速条件下对压降和过滤效率的影响分析

　　通过图4可以看出，当流速达到1.56 m/min和碳纤维长度达到35 cm时，碳纤维的过滤效率最大，同时压降差是最小的；当随着流速增大时，压降差的数值逐渐增大，碳纤维的过滤效率逐渐降低。综合可知：在实验条件下，当碳纤维长度为35 cm和流速为1.56 m/min的条件下可以得到碳纤维的最佳过滤效果。

　　3高温条件下碳纤维表面表征变化分析

　　将碳纤维放入马弗炉中在300、400、500℃温度下分别煅烧，放大10 000倍进行电镜扫描，与未处理的碳纤维电镜扫描对比。碳纤维在300、400℃下煅烧后，碳纤维表面变化不大；500℃下煅烧，碳纤维表面部分出现坏皮[8-9]。讨论结果得出，碳纤维在空气条件下可以耐500℃以上的高温。在低于500℃空气氛围温度下，碳纤维性质基本不发生变化。

　　3.1热重特征分析

　　在差热—热重分析仪中通入空气对碳纤维进行热重表征。通过图5中TG线可以得知：温度在100℃时碳纤维的量未减少；当温度加热至650℃之前时，碳纤维的量出现少量损失，这一失重效用可能是由于添加剂的挥发所引起；从600~650℃,这一失重原因可能是由于大量脱出吸附水引起；从650℃开始，碳纤维的量出现大量失重，即碳纤维与空气中的氧气发生反应，生成CO2排放到大气中；温度达到870℃时，碳纤维重量几乎为零，即反应完全。

　　从DTA线可以得知：碳纤维在整个过程中出现两个放热峰和两个吸热峰。放热峰分别在100℃和820℃处，吸热峰在600℃和870℃处。在100℃时，由于碳纤维表面的杂质分解而放热；847℃时，碳纤维与空气中的氧气反应达到最高峰而放热。在600℃时，碳纤维要与空气中的氧气反应而吸收热量达到反应开始所需要的反应焓。

　　3.2氮气氛围环境条件下碳纤维特征分析

　　对差热-热重分析仪冲入氮气，对碳纤维进行表征[10]。从图6中TG曲线可以看出：当温度升高到1 200℃时，碳纤维的失重量才减少7.03%，400℃时碳纤维失重量为3.2%。由此可以得出碳纤维在无氧条件下能耐高温；从DTA曲线可以看出，碳纤维在420℃时出现放热峰，在1 000℃时出现吸热峰。在420℃时出现放热是因为碳纤维表面杂质的分解而放热；在1 000℃时出现吸热是因为碳纤维的表面结合水的分解而吸热。

　　4结论

　　在小式的高温模拟过滤实验过程中，通过一系列的实验研究，找到了最佳的过滤条件，并在此条件下进行了反复的过滤实验研究，同时在高温下对过滤介质进行处理，进行表征。在实验研究中得出以下结论：

　　1）在流速为1.56 m/min、碳纤维过滤介质长度为35 cm、过滤时间为15 min时，过滤效率可达99.9%以上，最大压降仅为108 mm水柱，排出口粉尘含量为40 mg/m3。

　　2）在空气氛围下，碳纤维可以承受650℃以下高温，且性质不发生明显变化，失重仅为6.86%；600~882℃时，碳纤维失重较为严重，882℃时之后，碳纤维重量基本为零。

　　3）在氮气氛围下，碳纤维可以承受1 200℃高温，且性质不发生明显变化，失重仅为7.02%。

参考文献

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　　[4]吴庭，谭跃.墙材用蒸压加气碳纤维增强混凝土砌块的性能分析[J].合成纤维，2024，53（7）：75-78.

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