陶瓷膜材料在節(jié)能減排領(lǐng)域的應(yīng)用
行業(yè)動態(tài)
節(jié)能減排是國家倡導(dǎo)節(jié)約能源資源、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、保護生態(tài)環(huán)境的一項重要內(nèi)容，也是國家加快培育和發(fā)展的7個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。節(jié)能減排領(lǐng)域的技術(shù)需求和政策實施，也進一步促進了節(jié)能減排領(lǐng)域新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展和技術(shù)水平的不斷提高。過濾與分離技術(shù)是實施節(jié)能減排的重要技術(shù)之一，在眾多的過濾與分離材料中，高性能陶瓷膜材料由于具有耐高溫、耐高壓、耐化學(xué)腐蝕、過濾效率高、使用壽命長等許多優(yōu)良特性，稱為一種新興的環(huán)保節(jié)能過濾與分離材料，在高溫氣體凈化與水處理這兩個重要的節(jié)能減排領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛。
高溫氣體凈化與高溫?zé)焿m治理是當(dāng)前節(jié)能減排領(lǐng)域一項重要工作。伴隨煤化工、冶金冶煉、電力、化工及建材工業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，這些領(lǐng)域每年都要產(chǎn)生大量含有許多微細雜質(zhì)粒子及有毒化學(xué)物質(zhì)的高溫氣體，造成大氣污染、溫室效應(yīng)、氣候變暖等諸多問題。據(jù)統(tǒng)計，我國工業(yè)廢氣排放量近10年間年均增長10%以上，目前每年排放高溫含塵氣體達到數(shù)10萬億立方米，廢氣中煙塵排放量達到1000萬噸以上。這些含塵氣體一方面溫度很高（多數(shù)大于300℃），另一方面則是粉塵粒子細?。?span style="font-family: Arial;">10微米以下占50%以上），處理難度很大?？梢哉f，解決這些高溫含塵氣體的凈化技術(shù)難題是緩解當(dāng)前解決環(huán)境和能源危機的關(guān)鍵問題之一，也是當(dāng)前減少大氣污染物排放、實施PM2.5控制、提高余熱綜合利用效率的一個非常重要的節(jié)能減排措施。
現(xiàn)有的高溫氣體凈化技術(shù)主要包括旋風(fēng)除塵、靜電收塵、顆粒床收塵、袋收塵和陶瓷膜高溫過濾收塵等。在現(xiàn)有的除塵設(shè)備中，國內(nèi)常用的熱氣體凈化裝置主要為旋風(fēng)除塵器，但其實際運行效率較低，約為90%，分級效率dc50約為6.5～8.5微米，即使采用三級旋風(fēng)除塵處理，其排出物中濃度仍將數(shù)倍于NSPS（美國環(huán)境保護署發(fā)布的《新固定源排放標(biāo)準》）的極限，也達不到我國現(xiàn)行的煙氣排放標(biāo)準。布袋式除塵器雖然具有較高的塵粒子去除效率，但受布袋耐溫性（高達260℃）和耐腐蝕性影響，過濾前通常需要預(yù)先對高溫?zé)釟怏w進行降溫處理。氣體冷卻不但需要龐大的冷卻控溫系統(tǒng)，增加氣體處理量和處理成本，造成大量余熱浪費，而且冷卻后氣體中易結(jié)露、酸性氣體析出會造成粘袋和布袋腐蝕等問題，嚴重影響濾袋使用壽命和除塵效率。
據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)袋收塵技術(shù)濾袋使用壽命受氣體介質(zhì)影響較大，短的僅有1～3個月，長的在3年左右，濾袋腐蝕和穿透是影響濾袋使用壽命和除塵效率的主要因素。相對而言，陶瓷膜過濾材料尤其是高孔隙率纖維質(zhì)陶瓷膜材料具有使用溫度高（高達900℃）、過濾精度高（0.5微米以微粒去除效率99.8%以上）、過濾阻力?。ń咏鼮V袋阻力）、使用壽命長（3～8年）、適用范圍廣等顯著優(yōu)點，可在工況條件下直接對各種高溫氣體進行凈化，可以有效解決現(xiàn)有濾袋耐溫低、易腐蝕、易穿漏、易結(jié)露、使用壽命短以及易燒蝕等問題。這樣既減少冷卻系統(tǒng)投資與運行費用，防止物料結(jié)露造成過濾效率下降，又可以充分利用大量高溫余熱，真正起到節(jié)能減排效果。
高溫陶瓷膜過濾技術(shù)是近20年來國際上高溫氣體粒子控制主要發(fā)展技術(shù)。為了促進高溫陶瓷膜材料及高溫陶瓷膜氣體凈化技術(shù)發(fā)展，世界上許多國家都做了大量研究、開發(fā)和推廣工作。上世紀70年代，日本Asahi玻璃公司開發(fā)的熔融堇青石（MgO·Al2O3·SiO2）質(zhì)高溫陶瓷過濾元件就開始在化鐵爐等冶煉爐內(nèi)高溫?zé)焿m凈化方面推廣應(yīng)用。80年代，英國Caldo環(huán)境工程有限公司、法國Glosfume公司先后開發(fā)成功低密度纖維質(zhì)高溫陶瓷膜過濾材料及過濾裝置，并廣泛應(yīng)用于冶金冶煉、垃圾焚燒、氣體洗滌、生物質(zhì)氣化等高溫氣體凈化領(lǐng)域。
此后，先進的燃煤發(fā)電技術(shù)、煤化工技術(shù)發(fā)展，促進了高溫陶瓷膜材料及過濾技術(shù)快速發(fā)展。上世紀90年代，美國能源部曾組織多家機構(gòu)對各種高溫?zé)釟怏w除塵技術(shù)進行詳細技術(shù)、經(jīng)濟對比評價，認為高溫陶瓷膜過濾技術(shù)是當(dāng)前熱氣體凈化領(lǐng)域具有發(fā)展和應(yīng)用前途的技術(shù)之一。近20年來，國內(nèi)外在熱氣體凈化用陶瓷膜材料及技術(shù)方面已得到突飛猛進的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場份額不斷擴大。其中法國Glosfume公司自1990年至今已有400余套大型過濾裝置在10余個國家推廣應(yīng)用，美國Anguil環(huán)境系統(tǒng)公司采用陶瓷過濾和催化技術(shù)設(shè)計開發(fā)的自潔式高溫陶瓷過濾裝置目前已有1600余臺在全球各領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
以1萬平方米陶瓷膜材料應(yīng)用為例，可年處理各種高溫氣體50多億立方米，減少高溫粉塵粒子排放數(shù)萬噸。如果經(jīng)其處理的高溫余熱完全利用，則相當(dāng)于每年節(jié)約近百萬噸標(biāo)準煤。預(yù)計到2025年，在一些特殊高溫氣體凈化領(lǐng)域如冶金冶煉、石油化工、玻璃、水泥、新型建材、垃圾焚燒、煤化工等領(lǐng)域應(yīng)用高溫陶瓷膜材料年需求量將達到百萬平方米以上，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著?？梢哉f，高溫陶瓷膜材料發(fā)展及過濾技術(shù)推廣對于推動國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排、高效余熱綜合利用、PM2.5控制實施具有積極意義。
廢水處理與零污染排放是節(jié)能減排工作的另一項重要內(nèi)容。膜分離技術(shù)作為當(dāng)前國際水處理技術(shù)主要發(fā)展方向之一，近年來在水處理技術(shù)中應(yīng)用日益廣泛。作為三大膜材料之一，陶瓷膜材料具有過濾精度高、使用壽命長、出水水質(zhì)好、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，目前已在鋼廠循環(huán)水處理、含油廢水處理、焦化廢水處理、印染廢水處理、電廠冷凝水處理以及工廠工藝水處理和工業(yè)廢水、城市污水處理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如采用0.8微米陶瓷膜材料處理高濃度含油廢水，處理后油含量≤5mg/L，懸浮物含量≤1mg/L，使用壽命可以達到5年。采用0.2微米陶瓷膜處理印染廢水，其色度去除率可以達到90%以上，COD去除率85%以上。尤其是近年來國家發(fā)展的MBR膜生物反應(yīng)器水處理技術(shù)，具有膜分離技術(shù)與生物反應(yīng)器有效增強功能，可有效實現(xiàn)市政污水回收和工業(yè)污水處理，解決城市缺水問題，憑借其出水水質(zhì)好、運營成本低、自動化程度高等諸多優(yōu)勢正成為水處理領(lǐng)域具有發(fā)展前景的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，MBR工藝技術(shù)處理生活污水和工業(yè)廢水已突顯成效。平板陶瓷膜材料作為國際近年來發(fā)展的一種重要的MBR膜生物反應(yīng)器材料，與有機膜相比具有透水阻力小，抗污染性好、易于清洗再生、使用壽命長、化學(xué)穩(wěn)定性好、機械強度好等優(yōu)點，可有效解決現(xiàn)有中空纖維膜、有機平板膜在工程應(yīng)用過程中存在的使用壽命短，易受酸堿腐蝕等問題。作為有競爭力的MBR核心部件之一，平板陶瓷膜是MBR技術(shù)水處理領(lǐng)域具有核心競爭力的膜分離材料之一。
據(jù)統(tǒng)計，1995年MBR的全球市值僅為1000萬美元，到2013年底MBR年產(chǎn)值已達150億美元。2013年我國廢水排放總量達到730億噸，并且以每年5%左右的比例遞增，預(yù)計2015年將達到810億噸。截止2013年底，我國已有50多個規(guī)模超萬噸的MBR工程投入運行，累計規(guī)模230萬噸/日。預(yù)計到2015年，中國投入運行或在建的MBR系統(tǒng)累計處理能力將超過500萬噸/日，與2013年相比增長1倍。近年來，隨著水資源匱乏和水污染日益嚴重，國家加強了對水污染治理力度，通過水質(zhì)提標(biāo)、排放標(biāo)準提高及水價提高以及“水十條”實施等多項措施，共同推進水處理技術(shù)和水處理設(shè)備的提升。尤其是隨著水處理用膜技術(shù)不斷成熟，膜法水處理技術(shù)已成為解決資源型缺水和水質(zhì)型缺水問題的重要技術(shù)，高性能膜材料發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃已明確提出發(fā)展高性能水處理用陶瓷膜材料，膜過濾技術(shù)及MBR膜生物器水處理技術(shù)也會有較快速發(fā)展。我國在“十三五”期間，僅廢水治理的投入將達1.39萬億，盡管平板陶瓷膜材料目前在國內(nèi)尚處在應(yīng)用起步階段，但在未來5年內(nèi)，平板陶瓷膜MBR憑借其優(yōu)異的特性，在市政污水、工業(yè)（化工、造紙、食品）廢水、垃圾滲透液等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。以日處理量10萬噸MBR膜生物反應(yīng)器技術(shù)處理廢水規(guī)模來算，需要平板陶瓷膜組件約10～15萬平方米，平板陶瓷膜材料未來幾年內(nèi)將處于市場高速增長期，預(yù)計到2020年，年需求量將會超過200萬平方米。
相比于國外發(fā)達國家，國內(nèi)在節(jié)能減排領(lǐng)域應(yīng)用的陶瓷膜材料研究開發(fā)方面開展工作相對較晚，近年來盡管技術(shù)水平有長足進步，但總體來說產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化規(guī)模與市場開發(fā)應(yīng)用等方面與國外有較大差距。目前，國內(nèi)從事該領(lǐng)域陶瓷膜材料單位不足百家，除南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所開發(fā)的用于水處理等領(lǐng)域的氧化鋁質(zhì)多通道陶瓷膜材料、山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院開發(fā)的用于高溫氣體凈化的高溫陶瓷膜材料系列產(chǎn)品外，其他產(chǎn)品技術(shù)水平與國外同類產(chǎn)品相比差距明顯。山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院作為國內(nèi)唯一的國家級工業(yè)陶瓷研究單位，是國內(nèi)較早從事微孔陶瓷及陶瓷膜材料的研究開發(fā)單位。從上世紀70年代就開始開展各類微孔陶瓷及陶瓷膜材料的研制及市場開發(fā)工作，其中《熱澆注工藝制備多孔陶瓷制品》1977年就獲得全國科學(xué)大會獎，80年代完成了微孔陶瓷材料系列性能檢測國家標(biāo)準的制定工作，“七五”、“八五”期間先后完成了用于汽車尾氣凈化用泡沫陶瓷和蜂窩陶瓷的研制開發(fā)工作。長期以來，山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院以科技創(chuàng)新、服務(wù)社會為理念，一直致力于陶瓷膜材料的產(chǎn)品研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新工作，經(jīng)過兩代人不懈努力，目前已成為國內(nèi)陶瓷膜材料領(lǐng)域重要的產(chǎn)品研發(fā)基地和技術(shù)引領(lǐng)者。40多年來，在陶瓷膜材料領(lǐng)域，山東工陶院先后承擔(dān)了包括“七五”、“八五”國家科技攻關(guān)、國家“863”、科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金、科研院所公益基金及山東省重大科技攻關(guān)項目20余項，獲發(fā)明專利20余項，多項產(chǎn)品被評為國家重點新產(chǎn)品。特別是近10年來，滿足于國家節(jié)能減排和環(huán)保戰(zhàn)略需要，山東工陶院也先后制定了“十二五”、“十三五”陶瓷膜材料的發(fā)展計劃和產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃，不斷加強陶瓷膜材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新力度，提升技術(shù)水平。
自2010年以來，在國家各類科研項目支持下，加之自身雄厚的技術(shù)力量，山東工陶院先后完成了碳化硅、堇青石質(zhì)、莫來石質(zhì)高溫氣體凈化用系類陶瓷膜材料及裝備的研究開發(fā)工作完成了國內(nèi)首臺套煤化工領(lǐng)域應(yīng)用的大型高溫、高壓陶瓷膜飛灰過濾器研制開發(fā)工作，產(chǎn)品已在冶煉、煤化工、有機硅、多晶硅、石化等行業(yè)的高溫高壓氣體凈化、高溫?zé)焿m凈化領(lǐng)域大量推廣應(yīng)用，建立了10萬平方米的高溫陶瓷材料生產(chǎn)線。其中高溫高壓氣體凈化用陶瓷膜過濾器被評為“201”國家重點新產(chǎn)品，該院也成為建材行業(yè)高溫陶瓷膜材料重點實驗室的依托單位。2014年，該院組織技術(shù)攻關(guān)，僅用1年多時間，即完成了MBR水處理用氧化鋁質(zhì)平板陶瓷膜材料及產(chǎn)品研究開發(fā)工作，產(chǎn)品填補國內(nèi)空白。這些產(chǎn)品及技術(shù)開發(fā)對推動國內(nèi)節(jié)能減排領(lǐng)域應(yīng)用的陶瓷膜材料發(fā)展、提升我國節(jié)能減排領(lǐng)域高溫氣體凈化技術(shù)與水處理技術(shù)起了較大促進作用。
盡管如此，受制于當(dāng)前國內(nèi)陶瓷膜材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、陶瓷膜材料技術(shù)成熟度、裝備及工程的技術(shù)水平、成本及運行費用、宣傳力度、典型業(yè)績示范等方面影響，目前陶瓷膜材料及過濾技術(shù)在國內(nèi)節(jié)能減排領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢并沒有完全顯現(xiàn)出來，產(chǎn)業(yè)規(guī)模及市場占有率相對較低，經(jīng)濟效益和社會效益還不突出?；诒旧砭哂械脑S多優(yōu)良特性，高性能陶瓷膜材料作為膜材料一個重要分支，在21世紀的多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域中將會扮演更重要的角色，在能源、資源、環(huán)境、傳統(tǒng)行業(yè)改造等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。隨著國內(nèi)對節(jié)能減排工作越來越重視，尤其是在我國政府已將節(jié)能減排政策上升為國策、國家“十三五”計劃的實施以及國內(nèi)外經(jīng)濟環(huán)境形勢的要求下，高性能陶瓷膜材料將迎來一個良好發(fā)展機遇，陶瓷膜材料在高溫氣體凈化及水處理等節(jié)能減排領(lǐng)域?qū)⒚媾R巨大的市場商機。
