摘要：在应用于化学加工、石油炼制、石油化工和基础重工业生产的众多工业气体过滤的气固分离中，烧结金属过滤系统被证实是一种高效、可靠和经济的选择。叙述了工业应用的，特别是要求半固定过滤的在高温高压下腐蚀环境中应用的烧结金属粉末或者烧结金属纤维过滤器的优点，讨论了所选应用领域，包括流化催化裂化（ＦＣＣ）和连续催化重整／脱硫（ＣＣＲ）的过滤器的操作和性能。
关键词：烧结金属过滤器，高温气体过滤，基本原理，设计，操作
中图分类号：ＴＱ０２８２６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－７０９３（２００７）０９－００２２－０８
化学加工工业必须努力应对来自市场全球化的环境法规、成本上升、更高效的加工方法和劳动力需求改变的更多高要求的经济和环境挑战。在化工产业中普遍存在对产品和工艺中所含固体（微粒）的处理，因此需要分离微粒的解决方法。
各种不同类型的工业加工设备使用不同的气固分离技术，以有利于无数需要气固分离的过程。这些分离技术包括过滤（金属和陶瓷元件、除尘袋），旋风分离、静电沉降和洗涤技术。每种技术都有自己的效果和成本，在临界高去除率的应用中，过滤是不均衡的。原因很简单，与其他方法相比，过滤仅仅是一种提供可靠的屏障介于流程与“除固”气流之间，微粒通过机械分离从气流中去除。过滤能提高产品纯度、增加产量、消除排放物的污染（减少或避免大气污染），保护下游的重要设备或回收利用催化剂。
烧结多孔金属过滤介质对于气固分离具有独特的性能。具有精确起泡点控制，并有良好均匀透气性的精细多孔金属介质保证了可靠的过滤性能、有效的反吹清洁能力和长的使用寿命。烧结金属介质的过滤系统已被证实是一种可以有效和经济地替代对压力峰值、高温和外界环境敏感的其他分离设备。
有独特运行能力的过滤技术和过滤系统的设计改进已在连续工艺替代老的间歇工艺技术的发展中取得成效。成本节约包括危险废弃物的减少和源自新技术节省的劳动力。全自动过滤系统可以结合工厂过程控制。烧结金属过滤系统已经证明了其在催化剂回收、化工产品和制药产品、采石场、金属矿业、发电设备、煤炭、炼焦等众多领域的应用性能。
１ 烧结多孔金属过滤介质
由金属粉末或金属纤维制成的多孔烧结金属介质被广泛地用于化学加工、石化、发电和半导体工业中各种工艺的工业气体和液体的过滤，用来保护下游设备、实现工艺分离或达到环保规定。由于半固定介质过滤器停机时间短，可用最少的操作人员进行停车和自动开车操作，不需经常维修，因此成本效益好。选择适当的气孔尺寸、强度和耐腐蚀能力的过滤介质能够使过滤器长期运转且能高效去除微粒。
烧结多孔金属过滤介质满足上述要求并且提供可以满足当今工业应用中严格的排放标准的高清除效率。专门设计和制造的烧结多孔金属过滤介质有稳定的多孔组合、精确的起泡点规格、精密的厚度公差和均匀渗透性，用来保证可靠的过滤性能、有效的反吹清洁能力和持久的使用寿命。
由不同合金制成的金属过滤器的性能，在气体过滤应用领域允许在极端条件下（高温、高压和腐蚀气体）使用。烧结金属过滤器的主要优点是：强力和断裂韧性好，能在高压和高温下工作，耐温度骤降，耐腐蚀，清洗性能好，可全焊接组装和长久的使用寿命。
烧结金属介质可以认为是全焊接结构的半固定介质。金属过滤器的优点在于其是具有坚固焊缝的焊接金属构件。介质能经受住压力冲击而没有显著的介质泳移。金属过滤器内在的刚度保证了在长期运行周期中连续的和反冲洗操作。在高温下应用时，必须添加如蠕动疲劳作用和高温腐蚀作用方面的附加标准。
由板材或管材装配而成的滤芯是全焊接结构。
１１ 烧结金属粉末过滤介质
烧结金属粉末过滤元件应用商业化已经超过４０年，由不同的合金粉末制成过滤元件，以满足腐蚀和强力方面的要求。
烧结金属粉末介质是将预熔合粉末模压成管或多孔板，然后高温烧结。图１是典型的烧结金属粉末过滤介质的电子显微镜扫描照片。
粉末细度、模压和烧结操作的综合因素决定了多孔介质的孔径分布、强力和渗透性。烧结金属介质的孔径按ＡＳＴＭＥ１２８测定。介质等级的评定相当于气孔的平均流量或者过滤器的平均孔径。烧结金属介质有以下等级：０．１、０．２、０．５、１、２、５、１０、２０、４０和１００。气体的过滤范围０．１～１００μｍ。
由不同合金（包括３１６Ｌ不锈钢；ＨａｓｔｅｌｌｏｙＢ、Ｃ２２、Ｃ２７６、Ｎ和Ｘ；Ｉｎｃｏｎｅｌ６００、６２５、６９０；Ｍｏｎｅｌ４００；镍２００；合金２０和钛）制得的烧结金属粉末介质可以在大范围的腐蚀和温度环境中使用。
烧结金属粉末介质的使用温度为３９９～９５４℃，取决于合金材料和环境气体条件（氧化或还原）。氧化环境下的烧结多孔金属的温度极限不决定于材料的强力，而是取决于在温度升高时形成的氧化物。氧化物占据的空间远比原始金属大得多，这将造成介质孔隙的堵塞。在还原性或中性气体中，其温度极限取决于上升温度下材料的强力。
１２ 烧结金属纤维介质
烧结金属纤维介质由很细的（１．５～８０μｍ）金属丝组成，金属丝均匀地铺成三维非织造结构并在结点上烧结。图２是典型的烧结金属纤维过滤介质的电子显微镜扫描照片。该介质明确地被设计为表面过滤器或深层过滤器。无论采用单层或多层结构，为了达到理想的性能，如压降、过滤效率、微粒负载量、介质强力，其每一层都包含了潜在的不同直径的纤维。多层材料有一个梯度设计，容尘量更高，因此寿命较长。最终的过滤范围由每一使用层的面密度、每层的纤维组分和组合层数决定。利用高孔隙结构（达到８５％）提供了更好的渗透性，因此有低的压降。
金属纤维介质比金属粉末介质有更多的孔隙，从而降低了压降。金属纤维通常由３１６Ｌ不锈钢纤维制造，适合大范围的操作加工环境。对于超高温或强腐蚀环境的应用，Ｉｎｃｏｎｅｌ６０１和Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ可使用在高温（分别达到５６０℃和１０００℃）环境，而合金ＨＲ能耐受６００℃高温和潮湿的腐蚀环境。
选择合适孔径、强度和耐腐蚀能力的过滤介质，可以使微粒高效过滤，保持长期运作。气体过滤范围为０．１～１０μｍ。
２ 过滤基本原理和介质设计
对气流通过过滤器去除粒子工艺基本原理的了解是选择理想介质以及成功地设计和操作过滤器的关键。对于杂质颗粒含量较低的气体，通过多孔介质深层捕获微粒是获得高水平过滤效率的关键。烧结金属的结构提供了一个曲折的路径来捕获微粒。持续的微粒捕获可以在介质表面形成一个饼状的沉积物，当粒子在先前的沉积粒子上被捕获时，首先被填充在表面的细孔中随后聚集在介质表面。该类过滤器的寿命取决于介质的纳污量和相应的压降。
当气体有高含量的尘粒时，过滤过程的机理变成为介质是专门设计的滤饼过滤，以保证表面过滤和有可能通过反向脉冲清除尘饼。尘饼在过滤介质表面形成，并形成过滤层和产生附加的压降，见图３和图４。当粒子负荷增加时压降增加，如图５所示。在过滤周期中一旦达到极限压降，过滤元件被脉冲式的干净空气反吹以去除尘饼。如果过滤介质孔径选择合适，介质的压降可以恢复到最初的压降值。然而，如果粒子在向前流动中集结在多孔介质内，负荷日益增多，压降可能不会在清洁周期之后完全恢复，清洁后恢复压降的增加显示于图５。最佳的应用设计结果是在反吹清洁周期之后增加的恢复压降最小，更重要的是保证初始系统反吹循环之后的平稳运行状态。
清洁周期的效率和压降恢复是尘饼特性和介质孔径的一个重要功能。尘饼的强度取决于含尘粒子的形态和细度的分布、静电和化学的相互作用、尘饼的含湿程度。
在上述讨论中，微粒过滤的两个主要的动力学模型是深层过滤和表面过滤。在深层过滤情况下，粒子在介质内部被捕获；而在表面过滤中粒子被表面截留，随后在表面形成尘饼。在工业应用中必须慎重地考虑两种动力学模型，以合理设计和选择过滤介质。
表面过滤主要是粗滤（筛分）机理，粒子大于过滤介质的孔径时在过滤器的进气表面被分离，粒子的大小阻止其进入或通过孔穴。后来的粒子堆积成尘饼，厚度增加，如同更多的粒子流作用在过滤介质上。由于尘饼潜在的细孔结构，能分离比过滤介质更细小的颗粒。然而，在过滤进行时尘饼必须有足够的小孔允许气流持续通过。因为大多数的表面过滤器不是特别光滑或者没有非常均匀的孔径结构，可能发生一些更细小粒子的深层过滤，这将影响过滤器的寿命。因此，选择理想的介质等级和了解粒子（特别是细小的粒子）大小的分布，对实现长久的过滤器的运行寿命是必须的。
深层过滤主要是应用在需要分离微粒含量少的场合，如保护下游的装置、防止污垢和腐蚀、防止催化剂中毒或净化产品。粒子渗入介质随后在其多层结构中被捕获。多层结构可防止过早堵塞介质、增加容尘量和在线时间。因为粒子被捕获在介质的内部，要求离线清洁。离线清洁可以用溶剂、超声波振动、高温分解、蒸汽清洁或者水反冲洗来完成。
表面速率和粒径是过滤介质表面或内部捕获粒子的程度和分布的影响因素。表面速率被定义为过滤系统中单位过滤面积通过的气体流量。最佳过滤系统的设计需要选择适当的表面速率来实现长的操作寿命和阻止粒子侵入介质。过滤器设计的表面速率超过最大值时，可以导致过滤元件过早阻塞。当表面或者形成的尘饼能提供更长的过滤时间时气体过滤性能提高。为保证在脉冲反吹清洁周期中充分去除尘饼，一般最佳的表面速率是３～４ｃｍ／ｓ。
３ 过滤系统的设计和操作
在化学加工中的气／固过滤系统使用连续型过滤器或最终过滤器（或集尘器）两种基本设计中的一种。烧结多孔金属元件都很适合两种设计。在通常的运行模式中，两种设计功能有相似的形式，气流通过介质，粒子被保留和聚集在介质上。基本的不同点在于两者间的固体去除和元件再生的频率和方式。选择哪种过滤器取决于具体的工艺参数、在原料气流中主要固体的负荷。
最终或者集尘式过滤器是被用在气流的基础净化，即净化目标既不是深度处理也不是保护下游工艺和装置。过滤器不使用内部的在线清洁，而需要拆卸去除固体。过滤元件通常用化学方法或者超声波方法进行清洁。两次清洁间的间隔视固体负荷和喂入气体而定。
对于粒子含量大的气流或在工艺中含有有毒物质的气流，连续型过滤器是一种理想的过滤器，其清洁或者反清洗间隔取决于固体负荷，一般是１～２ｍｉｎ直至数小时。根据时间间隔或不同的压力可以用手动或自动开始反吹周期，图５显示了过滤器在初始段和后来过滤器使用寿命期内的平衡段清洁周期的两组压降值。
Ｍｏｔｔ公司提供了两种不同的连续工艺的过滤器设计，ＨｙｐｌｓｅＧＳＰ（ＧａｓＳｏｌｉｄｓＰｌｅｎｕｍ）和ＨｙＰｕｌｓｅＧＳＶ（ＧａｓＳｏｌｉｄｓＶｅｎｔｕｒｉ）。两种系统都能很好地适应自动化工艺控制，包括元件的在线清洁，且其方式可略有不同。
过滤元件上的粒子负荷对于两种结构的过滤器都很相似。在过滤周期中气／固混合物进入过滤器，流向烧结金属过滤元件的外侧，固体被截留。“净化”的气体通过过滤层，进入高压室，从过滤系统中排出。
正向气流（过滤周期）和反向气流（反吹清洁）对ＨｙＰｕｌｓｅＧＳＰ过滤器系统的作用示于图６。在达到一个给定的压差或者周期时间时，开始间断送入气流，开始反吹周期。过滤器被断开，气体进入气体入口，反向气流经过高压室和过滤元件，卸下元件壁上的尘饼。
正向气流（过滤周期）和反向气流（反吹清洁）对ＨｙＰｕｌｓｅＧＳＶ过滤器系统的作用示于图７。该系统以最小的反向脉冲气体提供高的气体通过率。烧结金属滤芯是组合的整体，连续反吹脉冲清洁，而过滤器仍保持在线状态。当达到预定压降或周期时间时，反吹脉冲清洁过滤元件，除去滤饼。在线处理时，一股瞬时高压气体进入喷嘴集气管，通过反向电磁阀，从喷嘴出来的反吹气体进入文丘里管带走来自高压室中的气体，气流在过滤元件上形成一个高能量的反吹脉冲，使滤饼剥离。滤饼落入出料槽并移走。反吹脉冲气体一般持续２～３ｓ。任何时候脉冲清洁的元件仅是多个过滤元件中的一部分，其余元件仍继续处于过滤状态，所以可保证加工气体的连续流动。
图８是装在催化剂筒中的ＧＳＶ过滤系统剖面图，示出了带有法兰的过滤器顶盖组件、反向气体贮罐和反向脉冲阀。图９展示了管板型束状结构组件。该过滤器被设计为可以方便地进行拆卸和（或）更换过滤元件。
３１ 介质选择和系统性能
长期的试验提供了与性能效率和预期运行效率相关的数据。反吹后恢复的压降可以确保长期使用。最佳的操作条件是长操作寿命的判断标准。
适当的粒子负载和反向脉冲清洁对于选择最佳的操作系统条件是十分重要的。例如，用一项有关浮尘粒子的研究来确定适当的操作条件。为了可直接观察到过滤和反吹过程，用透明的丙烯酸类塑料制造过滤器外壳，其内最多可装配６个带有附件、电磁阀管道和反吹控制系统的过滤元件。图４展示了在脉冲反吹周期开始时浮尘滤饼的剥离情况。图５显示的压差恢复平衡曲线通常发生在２５个反吹周期之内，但是取决于介质的选择、表面速率和粒子特性（即细度、形状和成分）。
３.２ 工业化应用实例分析
气体过滤器通常用在石油炼制和石化工业的流化催化裂化（ＦＣＣ）和连续催化重整／脱硫（ＣＣＲ）工艺中的催化剂贮槽和粉尘出口处。典型的操作流程示于图１０和图１１。过滤器有效地从排出气流中除去催化剂微粒，从而最大程度地减少了排放。
到空气中的颗粒污染物的数量，同时使这些物质能以不破坏环境的适当方式再利用或放置。烧结金属过滤器对于上述工艺相当理想，因为金属介质拥有长的使用寿命。烧结金属过滤器可降低过滤系统的资金成本、安装成本和年操作费用，同时具有高的微粒去除效率。
图１０示出了石油炼制中典型的ＦＣＣ工艺。在ＦＣＣ工艺中有三种不同类型的催化剂贮槽，分别是新催化剂、平衡催化剂和失效催化剂贮槽。新催化剂贮槽用来储存装置现场的新催化剂，平衡催化剂贮槽用来储存在反应器和再生器之间传送的反应中的催化剂，失效催化剂贮槽作为对失效催化剂的预处理而对其进行暂时性的储存。
上述催化剂贮槽需要安装粉尘控制过滤器有以下三个原因。第一，气态输送的催化剂在传送过程中会产生粉尘；第二，必须控制粉尘的排放，以能够符合政府有关大气排放物的各项规定；第三，在装卸及传送过程中就地对昂贵的催化剂进行回收和再利用，可减少运行成本。
图１２为一个有代表性的顶部带有组合粉尘过滤器的催化剂贮槽，通常该类贮槽的直径为２．４～５．２ｍ，高度为１０．７～２０ｍ，容量为５０～２７０ｔ。图８详细展示了催化剂贮槽顶部装配的ＧＳＶ过滤器的构造，过滤器的外径一般为０．６０～１．２０ｍ。
催化剂贮槽的一般运转情况如下。催化剂进出贮槽用压缩空气输送，在催化剂输送过程中压缩空气不断从各个贮槽的顶部排出。为了抑制粉尘，必须对排出贮槽的气流进行过滤，排出气体中的催化剂尘粒直径在１～１００μｍ之间。贮槽排出气体的工作气压从半真空到０．１７ＭＰａ之间，工作温度１５～３４０℃，要求过滤效率是固体去除率达到９９％，或粉尘排放含量小于５０ｍｇ／Ｎｍ３。
多孔的金属介质对于催化剂贮槽排放口使用的过滤器是耐用和合适的，因为该过滤器必须能够在很大范围的流量、温度和压力条件下工作。３１６Ｌ不锈钢介质可在高达４００～５４０℃的温度下工作，很适合许多这些方面的应用。过滤器可以确保实现微粒排放含量低至３０～５０ｍｇ／Ｎｍ３。
ＣＣＲ工艺中过滤器的一个主要作用是防止细小的催化剂颗粒再次进入反应器而堆积在其内表面，以致对反应速率产生不利影响。这些细小颗粒是由最初的催化剂微粒磨损产生的。在某些系统中，工作压力在１．１７～２．４１ＭＰａ之间，而在其他工艺中压力可能低到０．３４ＭＰａ，工作温度通常在１００～２００℃之间。
４ 结语
不管微粒是杂质、有价值的副产品，还是化工流程中的催化剂，烧结金属介质为去除这些微粒都可提供一种有效的过滤方法。烧结金属介质是半固定的，并且适用于除尘和气体处理，特别适用于存在压力峰值、高温、腐蚀性环境、高温气体和有火星的情况下。烧结金属介质的过滤系统已被成功地用于袋式除尘、旋风式除尘、静电除尘和涤气器等领域。
过滤器工作环境影响其使用寿命和反吹去除固体的效率。和粒子性质相关联的介质等级选择以及过滤器的设计工作流速是确保过滤介质达到最长工作寿命的重要参数。烧结金属过滤器应该在设计参数范围内工作，以避免工艺运转过程中因为参数波动而使介质过早失效。滤饼变成过滤介质，多孔介质起到隔膜作用截留滤饼。滤饼可以由反向脉冲有效地从过滤元件上去除和以较大块的粉末状由过滤器底部排出，或直接掉落进入催化剂贮槽。
增压反吹和文丘里管脉冲反吹处理系统都是有效的，设计的系统可以适用于各不相同的应用场合和满足广范围的性能要求。恢复压力的平衡状态取决于过滤器规格和表面速率。长期的试验提供了与性能效率和预期运行效率相关的数据，并指出了适宜的工作速率。在不同流速下对反吹后的恢复压降作了长期趋势测试，确定了长运转寿命的最佳工作条件。
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