金属多孔材料在能源与环保中的应用.pdf
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1、第3 5 卷增刊22 0 0 6 年8 月稀有金属材料与工程R A R EM E T A L【A T E R 认L SA N DE N G I N E E R I N GV b l 3 5,S u p p l 2A u g I l s t2 0 0 6金属多子L 材料在能源与环保中的应用奚正平,汤慧萍,朱纪磊,张健(西北有色金属研究院,陕西西安7 1 0 0 1 6)摘要:简要介绍了多孔金属材料在洁净能源转化、能源高效利用和环境净化等工程方面的应用现状及前景。关键词:金属多孔材料;能源;环保中图法分类号:T G1 3 2文献标识码:A文章编号:1 0 0 2 1 8 5 x(2 0 0 6)S
2、 2 4 1 3-0 51引言金属多孔材料是一类具有明显孔隙特征的金属材料(孔隙率可达9 8),由于孔隙的存在而呈现出一系列有别于金属致密材料的特殊功能,广泛应用于冶金机械、石油化工、能源环保、国防军工、核技术和生物制药等工业过程中的过滤分离、流体渗透与分布控制、流态化、高效燃烧、强化传质传热、阻燃防爆等,是上述工业实现技术突破的关键材料。煤炭的高效安全生产、低污染燃煤发电系统、核电及核燃料设备、燃料电池新能源和可再生能源、石油勘探技术及其设备高效利用等被列为我国当前优先发展的高技术产业化重点领域。两院资深院士师昌绪指出,解决能源危机的办法,一是提高燃烧效率以减少资源消耗;二是开发新能源,积极
3、利用再生能源;三是开发新材料、新工艺,最大限度地实现节能和降低能源开发利用过程中对环境的不利影响 1 。在当前洁净能源转化、能源高效利用与环境净化等重大工程方面,金属多孔材料是关键材料。2 金属多孔材料在能源领域的应用2 1洁净能源转化洁净煤技术洁净煤技术是充分利用我国煤炭资源,提高燃烧效率,减少环境污染的重大战略举措。煤炭是我国分布最广、储量最大的能源资源,预计到2 1 世纪中叶,我国的能源消费结构中煤炭仍将占主要地位。中国煤炭的特点是高硫、高灰煤比。统计表明,中国每年排入大气的污染物中有8 0 的烟尘,8 7 的S 0 2,6 7 的N 仉来源于煤的燃烧【2 1。同时,中国煤炭利用效率低。
4、除在大型和负荷稳定的燃烧工况下,其燃烧效率与石油和天然气相近外,其它非稳定负荷的燃烧过程热效率均低于石油和天然气,其平均利用效率仅2 9,平均煤耗比主要工业化国家高6 0 9 l(W h,因此,发展洁净煤技术,减少污染物排放,提高煤炭利用效率已成为我国,也是世界的一项重要战略任务1 3】。洁净煤技术贯穿于煤炭燃烧前、中、后的所有阶段。先进的洁净煤技术包括煤气化、煤液化,新一代煤气化联合循环发电技术(I C G C C)等【4】。其中煤气化技术是关键。2 0 0 3 年2 0 0 6 年,我国计划引进S h e l l煤气化技术工程2 4 项,已经启动1 5 项。在煤气化技术关键工艺装置中需要大
5、量的烧结金属多孔材料,如煤粉输送系统中的充气锥、通气管、通气板,使用的是粉末烧结3 1 6 L 不锈钢多孔材料,充气锥最大口径4 0 0 m m,通气管尺寸达多3 2 1 2 m m 3 1 0 m m,孔径范围:3 岬一2 5 岬,其作用是保证煤粉连续、稳定的输送。而工艺气体氮气的过滤、燃烧后混合气体的过滤,辅助系统中蒸汽、水等的过滤,直到煤化工中的化工产品及煤变油中合成油的过滤等等,大量使用粉末烧结不锈钢管状元件及复合丝网元件,尺寸主要为西7 4m m 1 0 0 0m m,精度5 肛m 一2 5u m。以上元件使用的工况条件十分复杂与恶劣,如煤气化中工作温度达2 5 04 0 0,工作压
6、力达2 5M P a 5 8M P a,还要耐含H 2 S等混合气体的腐蚀【5,6】。在合成氨和制氢工艺等煤化工中,多孔材料需承受的温度为3 0 0 4 5 0。这些复杂恶劣的工况条件要求多孔材料既具有合适的孔隙性能,还要求耐煤粉冲刷,耐燃烧气体的腐蚀,耐高温、高压,抗热振,在动态载荷下抗疲劳等。因此,集优良的力学性能、腐蚀性能、孔隙性能于一身的高性能金属多孔材料在煤气化领域中是其它任何材料所无法替代的关键材料。2 2 新能源技术收到初稿日期:2 0 0 6 0 6 3 1;收到修改稿日期:2 0 0 6 0 8 0 6作者简介:奚正平,男,1 9 6 6 年生,教授,西北有色金属研究院,陕西
7、西安7 1 0 0 1 6 万方数据稀有金属材料与工程3 5 卷燃料电池是继水力、火力、核能之后第4 代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测,燃料电池是2 1 世纪最有吸引力的发电方法之一 7 9 1。燃料电池是由外部供给燃料,用多孔材料做电极,在电解质中产生电能的装置。多孔电极必须是电子的良好导体,必须建立起气体、电极、电解质间的三相交界面,电极比表面积越大,三相交界面越多,电极效率越高 10 1。此外,电极孔结构要求均匀,孔径分布范围窄,最好呈锥形孔道并形成梯度结构。金属多孔材料不仅能满足上述性能要求,还可焊接加工,制成圆管式、大面积平板式和叠层波纹板式结构,而波纹板式结构可以提
8、高有效电极面积,提高单位面积的电流密度【1 1 1。因此金属多孔材料是燃料电池理想的电极材料 1 2,1 3】。金属多孔材料是氢能中的关键材料,如用于制作S P E 制氢装置中的集电器【3 1,它的主要作用就是要使去离子水与固体聚合物电解质膜充分电接触,把燃料均匀的引入到膜一电极组件上。燃料的电化学反应就在其接触面上进行。美国新近开发的S P E 水电解电极用钛多孔板,具有优良的导电性和抗电化学腐蚀性。金属多孔材料还是生物质能源开发的核心材料。生物质是唯一可长期再生的含碳能源,可以生产液体燃料和合成化工产品。我国具有丰富的生物质原料,每年有6 3 亿吨玉米秸秆等可以利用,资源十分丰富,可以生产
9、生物柴油、生物酒精等清洁能源。这些潜在的绿色能源其生产工艺流程中都离不开金属多孑L 过滤材料和过滤催化材料【l4|。占全球能源消耗1 7 的核能技术,无论是美国快中子堆核电站还是清华高温气冷堆,其中的核燃料净化、核污染物排放、核退役设施净化、氢能源净化等均需要高精度、高可靠、耐腐蚀、耐辐照、长寿命的金属多孔材料。美国在三里岛核电站发生泄漏事故后,由美国P a l l 公司提供4 0 多台烧结不锈钢过滤器用于核废料回收。由于金属多孔材料优异的耐腐蚀、抗氧化特性,我国相关单位用纳米N i 膜用于核反应堆中的气溶胶收集、同位素分离以及氕、氘、氚净化等,将微孔金属膜应用到核聚变反应堆中的燃料氟化物的分
10、离,用耐腐蚀烧结过滤元件用于铀转化中锂化物的气固相分离等。3 金属多孑L 材料在节能环保上的应用3 1高效洁净能源利用一一表面燃烧技术表面燃烧技术是近1 0 年来发展起来的具有高效节能,低污染的新型燃烧技术,其核心是多孔材料燃烧器。表面燃烧器的特点是燃烧区向预混气体进行热量反馈,如图1 所示5 l,对预混气进行预热,从而起到稳定火焰的作用u6 1。预热区多孔体接受来自燃烧区经辐射和传导传递的热量而升温。当预混气流经预热区时,将受到对流加热。所以气体流经预热区的过程即是气流本身受到预热的过程。经预热后的预混气进入燃烧区,边流动边燃烧,完成化学反应和能量释放。燃烧产物旋绕地(无序多孔体)流经多孔体
11、至出口,从而对流加热多孔体。最后大部分热能由燃烧区多孔体最终以辐射形式传递到其周围。由燃烧区经辐射和传导反馈给上游未燃气体的热量能提高层流火焰速率,从而导致高的容积释热率和快的有效火焰速率(湍流火焰是层流火焰的叠加)。相对于自由空间的燃烧,多孔体燃烧器具有高热效率,高燃烧速率,贫燃极限高(即低热值燃料可燃烧),高的辐射输出(有利于定向、均匀、干净无接触加热),均匀燃烧温度,较大的燃烧当量比,极低的污染物排放等优点。图l多孔材料燃烧器的工作原理示意图F i g 1W o r kp r i n c i p l eo fp o r o u sb u m e r表面燃烧器最初是由S i C 和A 1
12、2 0,等陶瓷泡沫或纤维制作,由于陶瓷泡沫或纤维制作困难、成本高、易碎、不耐热震、导热率低等原因而难以达到实用化的要求。近年来,随着F e C r A l、N i A l 等耐高温抗氧化金属合金纤维多孔材料的发展,表面燃烧器开始使用金属纤维多孔材料来取代陶瓷纤维材料。同时,随着表面催化燃烧和气流梯度燃烧技术的发展,燃气混合物通过纤维在多孔体内和表面发生燃烧,燃烧时辉光炽热温度降低到1 1 0 0 以内,从而促进金属纤维燃烧器的发展【17 2 2 1。任何气体和液体燃料(甚至固体颗粒燃料)均可采用金属纤维表面燃烧技术,同时我国储量最大的煤也可经过汽化或液化后采用金属纤维燃烧器燃烧。金属纤维燃烧器
13、高的纳污量还可容纳燃烧粉尘(如煤粉),同时实现有害气体和粉尘的极低排放,是真正的 万方数据增刊2奚正平等:金属多孔材料在能源与环保中的应用4 1 5 洁净燃烧。3 2 高温气体净化技术高温气体的净化除尘是实现高温气体资源合理利用必不可少的关键技术,同时也是一项先进的环保技术。在现代工业生产过程中,涉及含尘气体在高温下直接净化除尘和应用的领域十分广泛,如能源工业中,整体煤气联合循环(I G C C)和增压流化床联合循环(P F B C 2 C C)两种先进的燃煤联合循环(A C P c C)发电技术的高温气体。我国电站烟气净化尚处初级阶段。9 0 的火电站装了除尘器,平均除尘效率9 0,其中静电
14、除尘仅占总数的1 2,除尘效率9 6。新建大型电站靠高烟囱(2 1 0m 以上)扩散,扩散效果虽不差,可减轻城市粉尘污染,但不能解决有害气体的污染问题。国外目前正在研究开发先进的脱硫工艺,以及可以同时脱除9 0 以上s O:和N 0。的烟气净化新技术。我国金属多孔催化过滤材料的开发,将实现除尘、脱硫、脱硝一体化,除尘效率可达9 9 以上。另外石化和化工工业的高温反应气体,冶金工业高炉与转炉高温煤气,玻璃工业的高温尾气,锅炉、焚烧炉的高温废气等等。这些气体产物如处理不当,一方面会造成严重的大气污染,特别是空气中含有大量的有害气体和细小的悬浮颗粒物(如1 0 肛m 以下的细小粉尘),不仅妨碍植物的
15、光合作用,影响气候,腐蚀道桥及建筑物,还使人类的心血管疾病、呼吸道疾病特别是肺癌的发病率与死亡率增加。为此,国家环保部门严格规定了新建或改造的锅炉除尘设备排尘质量标准要求,并且对微细粒子的控制已进入实施阶段。另一方面,由于高温工业气体含有大量的物理显热、化学潜热、动力能以及可利用的物质,如固体催化剂,它的合理利用有着十分巨大的经济价值。高温气体介质过滤除尘技术的核心是高温过滤材料。由于工作温度高、气体腐蚀性强等特点,对高温气体除尘用过滤材料有很高的要求。它需要具有:(1)较高的除尘效率、良好的气体渗透性;(2)较高的强度、韧性和耐热性,以及优良的抗热震性;(3)优良的耐高温气体腐蚀能力和化学相
16、对稳定性;(4)再生性能好,使用寿命长;(5)良好的经济性 2 3】。针对中高温气体除尘,目前国内外研究较多的是陶瓷和金属多孔材料。陶瓷材料虽然具有优良的热稳定性和化学稳定性,它的工作温度可高达1 0 0 0,并且在氧化、还原等高温环境下具有很好的抗腐蚀性,但陶瓷过滤材料的缺点是性脆,抗热震性极差,很难推广应用。自2 0 世纪9 0 年代开始,为了从根本上解决陶瓷过滤材料的抗热震性不好、可靠性不高的问题,并保证材料优良的高温耐腐蚀性能,西方国家开展了高性能烧结金属多孔过滤材料的研究,开展了H a y n e s 合金、F e C r A l 合金、F e 3 A 1 金属间化合物、H a s
17、t e l l o y 合金、I n e o n e l 合金、3 1 0 S 等高性能烧结金属过滤材料的研制。美国P a l l 和M o t t 公司分别开发了F e C r A l、H a s t e l l o y 合金、3l O s、I n c o n e l6 0 1 等烧结金属粉末多孔材料,英国P o v a i r、比利时B e k e a n、美国U Sf i l t e r 等公司分别开发F e C r A l、H a y n e s 2 3 0、H a y n e s 2 1 4 等烧结金属纤维多孔材料 2 4,25 1。在各种苛刻的加热条件下,金属过滤材料都表现了很好的
18、抗热震性。一些材料如F e C r A l、F e A l 金属间化合物等具有优良的抗氧化和硫腐蚀能力,它们在6 0 08 0 0 条件下工作6 0 0 0 多小时后,仍然保持完好。试验分析表明,H a s t e l l o Y 合金、H a y H e s 2 3 0、I n e o n e l6 0 1、3 1 0 S 等可在8 0 0 氧化环境下正常工作;F e c r A l、F e,A 1 合金等可在7 0 0 还原环境下稳定工作,净化后煤气含尘量达到了1 0m g N m 3 以下,过滤效果达到了9 9 9,达到较好的除尘效果 2 6,2 7 1。已成功应用于美国S O U T
19、H E R N 公司及日本E A G L E 工厂中的I G C C 工业化示范电站的高温煤气净化。我国有关研究单位也开展了F e 3 A l、3 1 0 S 等先进金属过滤材料的研制和3 1 0 S 烧结金属丝网高温煤气除尘中试研究,试验温度5 8 0 6 2 0,试验压力1 0M P a 1 1M P a,净化后煤气含尘量为1 0m g N m 3 以下,过滤效果达9 9 9。3 1 0 S 烧结金属丝网过滤材料工作稳定,具有很好的反吹再生性能。3 3 汽车尾气净化随着汽车工业快速发展,汽车尾气污染日益严重。研究表明:大城市中4 0 以上的N O,8 0 以上的C O和7 0 以上的H c
20、 来自汽车尾气。目前降低尾气排放最为经济有效的措施为尾气净化,尾气净化装置最关键的部件为催化剂载体,载体的性能直接影响着催化剂的活性及净化效果。催化剂的载体应满足以下要求:(1)高的热稳定性。汽车发动机的排气温度范围较宽,怠速时为2 0 03 0 0,全负荷运转时达7 0 0 8 0 0,在上坡或加速工况时,反应器温度可达1 0 0 0 以上。因此,载体要有很高的热稳定性。(2)良好的机械强度。催化剂固定在汽车排气尾管(催化转化器)中,要承受高温腐蚀性气流的冲击和长期的振动。因此要求载体具有良好的耐冲击和耐振动性能。(3)大的比表面积。大比表面有利于催化剂活性组分的高度分散,对提高催化剂的活性
21、极为有利。(4)良好的导热性能。汽车冷启动时排气温度低,难以达到一般催化剂正常的工作温度 万方数据稀有金属材料与工程3 5 卷(3 0 0 4 0 0),良好的导热性能可使催化剂快速升温,降低冷启动时C 0 和H C 的排放。汽车尾气净化载体过去常使用陶瓷多孔材料,陶瓷材料具有优异的耐高温、抗氧化性能,然而,其强度、抗热震性能及导热性能均不理想,致使净化效果较差、使用寿命也短。近年来,随着欧标准的执行,以及高温抗氧化金属多孔材料的发展,国外已开始用F e C 卜A l 合金材料制备的多孔载体取代多孔陶瓷。3 4节能新技术热管技术热管技术,是一种具有很高传热性能的元件。由于它具有超常的热传导能力
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- 金属 多孔 材料 能源 环保 中的 应用
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