Mechanical characterization of fibrous ceramic filter elements

Abstract

Tutkimuksen tavoitteena oli testata vanhojen, Paavo Laihosen aiemmin diplomityössään “Kuitukeraamisen kuumakaasusuodattimen mekaanisen keston arviointi” käytättämien menetelmien soveltuvuutta kuitumaisten suodatinelementtien mekaaniseen karakterisointiin, mutta myös testata kokonaan uusia karakterisointimenetelmiä. Päätavoitteena oli löytää menetelmä, jolla voitaisiin arvioida käytettyjen suodatinelementtien jäljellä olevaa elinikää. Lisäksi selvitettiin Weibullin analyysin soveltuvuutta kuitumaisille rakenteille. Tutkimuksen kuitumaiset, alumiinisilikaatista valmistetut suodatinelementit ovat jäykkiä ja partikkelimaisiin suodattimiin verrattuna kevyitä. Matalatiheyksisen rakenteen vuoksi painehäviö suodatuksen aikana on pieni. Suodatinelementtien maksimikäyttölämpötila ilman merkittävää kemiallista rasitusta on 900 °C ja niiden kemiallinen kestävyys on hyvä vaikkakin jotkin aineet, kuten alkalit ja vetyfluoridi aiheuttavat korroosiota käyttölämpötilavälillä. Tutkimuksessa käytettiin testimenetelminä puristavia c- ja o-rengaskokeita, jotka ovat hyvin tunnettuja ja yleisesti käytössä olevia testimenetelmiä putkimaisille kappaleille. Menetelmät mittaavat suhteellisen suurta näytetilavuutta. Raepuhallusta käytetään tavallisesti kappaleiden pinnan karhentamiseen esimerkiksi ennen liimausta tai pinnan kiillottamiseen. Tässä tutkimuksessa raepuhallusta käytettiin suodatinelementtien eroosionkestävyyden testauksessa. Tavoitteena oli tutkia paikallisesti esiintyviä mekaanisia muutoksia suodatinelementissä. C-rengas, o-rengas ja raepuhalluskokeilla testattiin lämpökäsiteltyjä sekä suolaimpregnoituja ja lämpökäsiteltyjä näytteitä, minkä lisäksi testattiin käytettyjen, teollisessa prosessissa mukana olleiden suodatinelementtien mekaanisia ominaisuuksia. Lämpökäsitellyille sekä suolaimpregnoiduille ja lämpökäsitellyille näytteille tehtiin myös virumistestejä, joilla selvitettiin suodatinelementtien mekaanista kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa. Kokeiden perustella c- ja o-rengaskokeet vaikuttaisivat soveltuvan suolaimpregnoitujen ja lämpökäsiteltyjen suodattimien mekaaniseen karakterisointiin, mutta niiden tarkkuus ei riitä lämpökäsiteltyjen näytteiden erottamiseen toisistaan eikä myöskään käytettyjen näytteiden erottamiseen toistaan. Raepuhallus on sitä vastoin tehokas menetelmä lämpökäsittelyjen erottamiseksi toisistaan: puhalluksessa syntyneen kuopan syvyys kasvoi, kun näytteen käsittelylämpötila kasvoi. Käytetyt puhalluspaineet ja hiekan massavirran arvot olivat liian pieniä raepuhalluksen soveltuvuuden testaamiseen suolaimpregnoiduille näytteille. Raepuhallusta voidaan myös käyttää käytettyjen suodatinelementtien mekaaniseen karakterisointiin. Näytteet jaoteltiin poikkileikkaukseltaan mustiin, harmaisiin ja valkoisiin. Puhalluksella aikaansaatujen kuoppien maksimisyvyys oli suurin poikkileikkaukseltaan puhtaanvalkoisille näytteille, joiden pintaa peitti harmaa hauras kerros. Oletettavasti tällaiset näytteet ovat olleet prosessissa korkeammissa lämpötiloissa kuin poikkileikkaukseltaan harmaat tai mustat näytteet, minkä vuoksi niiden kuitumainen rakenne on haurastunut, mikä on taas pienentänyt rakenteen eroosionkestävyyttä. Kokeiden perusteella virumista ei tapahdu merkittävissä määrin suodatusprosessiolosuhteissa. Raepuhalluskokeet tuottivat toistettavia tuloksia referenssinäytteille. Toistettavuus alkoi kuitenkin heikentyä, kun testattiin käytettyjä näytteitä, joten menetelmää jouduttiin muuttamaan, minkä jälkeen toistettavuus oli kohtuullisella tasolla. Jatkuvat vaikeudet kuitenkin kielivät siitä, että raepuhallus on herkkä menetelmä, joka on altis ympäristön, kuten ilmankosteuden vaihteluille. Hiekkapuhallusmenetelmän tarkkuutta pitäisi edelleen kehittää käytettyjen näytteiden tulosten luotettavuuden parantamiseksi. Tällöin voitaisiin myös testata jatkuvaa hiekkapuhallusta suurten näytepinta-alojen tutkimiseksi.