一、技术开发背景

从2013年起在重污染区域，国家环保部对火电、钢铁、石化、水泥、有色、化工等六大行业实施大气污染物特别排放限值。这是迄今为止我国污染治理史上最严厉的一项措施，将从源头上严格控制大气污染物的新增量，为治理大气污染提供有效的倒逼手段，也有利于加快这个地区的产业结构调整和产业升级。

火电、钢铁、石化、水泥、有色、化工等六大行业无一不涉及到国家命脉，如若实行大规模的“关停并转迁”工程，势必会影响到国家和区域经济发展，从而带来一系列的经济、社会问题。“从源头上严格控制大气污染物的新增量”，不仅仅只有关闭工厂一条路，在生产工艺设计中提高污染物过滤能力，在工业尾气排放中使用先进过滤设备减少污染物浓度，均可实现污染物减排的效果。

但是，我国环保领域过滤设备制造近年来受制于分离技术无法实现突破而发展缓慢，特别是在此前最为先进的膜分离技术，与国外发达国家差距明显。火电、钢铁、石化、水泥、有色、化工等高耗能、高污染行业，工艺流程中高温高压气体和强腐蚀性液体等苛刻环境随处可见，而布袋过滤、陶瓷膜过滤和金属膜过滤显然已经无法满足如此复杂多变的工艺环境，受其影响，上述行业均面临寻求新型膜过滤材料的重要技术难题。

由于此前缺乏高温气体过滤技术，传统针对矿热炉产生的300-800℃高温烟气，通过冷却方式使之降温至200℃以下，以适用于布袋过滤的要求，通过布袋过气体中的粉尘后排放，损耗了50%以上的显热能源，仍避免不了烧带现象发生，影响连续化生产，污染环境。国家相关部委已经发文，要求全国所有新建矿热炉必须采用密闭式，原敞开式矿热炉必须改造成为密闭式或半密闭式。以高碳铬铁为代表的密闭式铁合金冶炼生产过程中，由于荒煤气烟尘成分复杂、有一定水分和焦油、并而且伴有因密闭不能充分氧化的金属粉尘局部燃烧现象，在选择荒煤气净化回收系统设计时，使用传统布袋在100度工况下净化仍会烧袋，故必须是高温过滤，从而有效避免水分和焦油析出导致系统失效，同时要求过滤元件还必须满足在发生粉尘局部燃烧时，过滤材料高温耐受性能，不至于烧毁失效。只有这种工艺的搭配，煤气回收系统才能安全、稳定、可靠和高效地运行。

为满足国家对矿热炉密闭的要求，滤芯材料需耐500度高温、耐腐蚀、抗热振，并需在全球首创高温烟气净化技术及系统。本项目技术为采用成都易态科技自主研发专利技术—FeAl金属间化合物膜过滤材料，利用元素间偏扩散即kirkendall效应和化学反应成孔，实现了孔结构的自主调控；通过掺、渗合金元素方法进行材料及表面改性，大幅度提升了材料的耐腐蚀性，弥补了现有过滤膜的不足。通过膜分离技术和设备，将矿热炉高温烟气（含尘50-150g/Nm3）在高温下进行精密气固分离，得到洁净煤气（含尘小于5mg/Nm3）经换热器回收热能（同时得到纯净焦油副产品）后，送至用户处作为化工原料或燃气发电。

该膜材料由于制备时，结构键被进行了转变，成为具有金属键和共价键的混键结构，故兼备了金属和陶瓷的优点，克服了金属和陶瓷的缺点，成为性能指标十分优异新一代多孔材料。材料孔径可在0.5-10 μm自主调控，过滤精度≤0.1μm，抗高温至800℃，抗热震性，室温～ 850℃ 骤冷骤热250次以上，抗高温氧化、高温硫化腐蚀，抗王水、氢氟酸等强酸强碱腐蚀，可焊接。该膜材料可全面替代金属、陶瓷、布袋等传统过滤材料，且能进入金属、陶瓷和布袋无法适应的其他更为广阔的、要求更为苛刻的工业环境。

该材料及以此为核心过滤元件的过滤装备及系统，可广泛应用于火电、钢铁、石化、水泥、有色、化工等高耗能、高污染行业，目前已成功入选国家工信部《2014年度大气污染防治重点工业行业清洁生产技术推行方案》；国家环保部《2014年国家鼓励发展的环境保护技术目录（工业烟气治理领域）》等，为我国的大气污染治理和“美丽中国”建设做出应有的贡献。

二、国内外研究开发现状

1、国际上能用于温度波动大的工业高温烟气净化的过滤材料为空白；

2、陶瓷和金属多孔材料先进技术多年以来被国外垄断，我国没有先进无机膜材料、只能消化吸收的现状。

3、本项目主要市场为环保设备中的核心过滤部件，国内主要竞争对手为布袋除尘、电除尘和陶瓷除尘膜等。

（1）布袋除尘布袋除尘存在的不足

①布袋除尘工艺特点是内部结构简单、设备紧凑，工艺较长；

②过滤温度＜250℃，高温适应性差，过高易烧袋，高温烟气必须采取降温措施后才能过滤；

③布袋正常使用寿命3-6个月，检修周期较短，不利于生产的连续性；

④过滤精度较低，排放＞30mg/Nm³，0.2μm～0.4μm之间的粒子很难处理；孔径随时间或过滤压差的增加而增大过滤不稳定，影响产品质量的同时造成了资源的浪费、环境的污染或后续工艺处理的困难；对于PM2.5过滤效果差。

⑤低温过滤易产生结露和糊袋；含有焦油等耐性物质时过滤会被堵塞，很难实现反吹；

⑥布袋失效后的处理会带来二次污染，目前有效的仅为焚烧或掩埋，焚烧带来大气污染，掩埋后无法降解。

⑦抗系统波动能力弱，压力变化导致袋头膨胀而穿滤；过滤介质降温后，造成大量的显热无法利用，浪费资源和污染环境；

⑧阻力小，一般压力损失为1000～1500Pa；滤材无再生性，只能一次性使用；

⑨过滤机理基本属于拦截机理，大部分靠滤饼层过滤，过滤效率不高，接近99.0%；

（2）静电除尘的不足

①能捕集1um左右的细微粉尘，除尘效率为98%；排放＞50mg/Nm³，受粉尘和电晕影响大；气流温度、湿度、焦油析出将影响除尘效果；

②对入口粉尘含量要求是＜40g/m³；工作温度＜400℃，过高焊缝易开裂；

③阻力小，电除尘器压力损失仅100～200Pa；处理烟气量大，能连续运转；

④设备比较复杂，要求设备调运和安装以及维护管理水平高；

⑤对粉尘比电阻有一定要求，对粉尘有一定的选择性，不能使所有粉尘都获得很高的净化效率，一般对比电阻小于104～105Ω.cm或大于1012～1015Ω.cm的粉尘除尘效率将受到影响；

⑥对过滤介质的腐蚀性有要求，耐腐蚀弱；

⑦过滤精度低，超标排放PM2.5，严重影响大气质量；

⑧易产生放点，对易燃易爆的气体存在较大的安全隐患。

（3）陶瓷膜的现状和不足

①美国 pall公司陶瓷膜

成立于1946年的美国pall公司是全球最大，涉及领域最广的专门从事过滤、分离和纯化的公司，年销售额近20亿美元。根据所用原材料不同，滤芯的使用寿命也会不同。随着使用时间的延长，水中的杂质易堵塞滤芯，活性炭滤芯会吸附饱和。所以，一般来说，PP滤芯更换较快，3个月需要更换，而活性炭滤芯6个月需要更换。而中空纤维由于不能清洗，一般都是放置在PP棉和活性炭的后端使用，否则比较容易堵塞，作为净水设备末端除菌使用则1-2年需要更换。

①国产陶瓷膜公司

国内陶瓷膜主要是微滤膜和超滤膜，广泛应用于化工、冶金、煤炭燃烧和气化、水泥、环保等行业、高温气体中固态粒子的脱除、工业废气回收处理、环境保护等方面，具有高温力学性能高、选择性抗环境腐蚀性能好、抗高温氧化性能优、多孔精度高（可制多孔膜）等优点，但存在室温脆性严重、抗热震性差、不可机加工、不能焊接连接等劣势。

成都易态科技有限公司自主原创的“金属间化合物膜高温煤气净化节能减排技术”，具有适应温度高、抗腐蚀性强、膜分离精度高、抗热振和压力波动性能好等特点，已经在矿热炉550℃煤气净化回收、煤制油600℃煤气高精度净化除尘、钼焙烧300℃尾气净化和贵重粉尘回收、铅冶炼500℃炉气砷锑分离和砷富集回收等等领域得到了成功应用。用户运用高温气体膜分离净化技术，实现了节能减排技术的升级，在实现能耗降低、资源节省、效益增加的同时，实现了有害物近零排放。该技术得到了各级政府的肯定和支持，荣获国家重点新产品称号，并获科技部科技支撑计划项目支持。青海省政府专门行文在全省推广矿热炉高温煤气净化回收技术。该技术将高温膜分离净化技术置入工业过程中，除了助推能效水平提高而外，还从源头解决了环保问题，实现清洁生产。

三、研究开发试验情况

1、技术原理

“易态膜密闭矿热炉高温煤气净化节能减排技术” 是采用先进的金属间化合物膜及膜分离技术和设备，将矿热炉高温烟气（含尘50-150g/Nm³）在高温下进行精密气固分离，得到洁净煤气（含尘小于10mg/Nm³）经换热器回收热能（同时得到纯净焦油副产品）后，送至用户处作为化工原料或燃气发电。

整套系统采用FeAl金属间化合物非对称膜滤芯为核心原件，在炉气高温状态（550℃）过滤，系统具有耐腐蚀、耐高温、抗热震性及稳定过滤。

a.系统组成

    FeAl金属间化合物多孔材料非对称膜开发的矿热炉高温烟气干法过滤净化系统由五个子系统组成：过滤系统、反吹系统、防结露系统、排灰系统、控制系统。

b.系统功能

c.过滤系统

    过滤系统是关键核心，FeAl金属间化合物非对称膜滤芯为主要元件。

d.新型特种无机过滤膜

FeAl金属间化合物多孔材料具有优异的耐高温氧化性、高温抗硫化性、耐酸碱腐蚀、机械物理性能，透气率高、过滤精度高，可反吹再生，使用寿命长等特性，且成功实现了与不锈钢的焊接，可使滤精度提高1个数量级。

f.防结露系统

    经反复论证和实验，采用加热氮气预热设备和烟气，实现了防止烟气结露和焦油糊膜的工艺效果。工艺布置如图所示。

g.排灰系统

采用多级、逐级冷却排灰，用惰性气体置换易燃、易爆有毒气体，防止安全事故的发生，并采用串联阀门和正压系统等措施防止了外界空气进入。

2、工艺路线

从封闭式矿热炉产生的高温高烟尘浓度炉气，先经过预处理，在这里除掉大颗粒粉尘，然后进入YT-高温气体过滤器过滤，过滤净化后，气体含尘量≤10mg/Nm³，经引风系统送至气柜储存 (工艺流程图略)。

a.金属间化合物膜密闭矿热炉高温煤气净化节能减排技术

矿热炉→YT膜高温除尘器→换热器→引风机→煤气储柜→用户（化工厂或燃气电厂）

b.金属间化合物膜燃煤发电烟气高温净化节能减排技术

锅炉省煤器→YT膜高温除尘器→脱硝反应器→空预器→风机→脱硫反应器→烟窗

c.金属间化合物膜铅冶炼反射炉高温烟气砷锑分离及砷富集回收节能减排技术

反射炉→1级分离（快冷+YT膜高温除尘器）→2级分离（快冷+YT膜高温除尘器）→3级分离（快冷+YT膜精密除尘器）→风机→烟窗

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