龔智 蘇德仁 曾中華 魏志國(guó)潘賢齊

(1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源與天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049)

0 引言

生物質(zhì)氣化生成含有H2，CO和CH4的可燃?xì)怏w，有著比較廣闊的應(yīng)用空間，如用于供熱、發(fā)電或者合成液體燃料，然而，粗燃?xì)庵泻蟹蹓m、焦油以及堿金屬等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)容易造成氣化設(shè)備、管道、閥門(mén)、燃?xì)庠O(shè)備等部件的磨損和堵塞，影響系統(tǒng)的運(yùn)行，排入大氣還會(huì)產(chǎn)生污染[1,2]。粗燃?xì)庵蟹蹓m的去除是解決生物質(zhì)氣化應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

粗燃?xì)獾膬艋椒ǚ譃槌貪穹▋艋透邷馗煞▋煞N，在常溫濕法凈化系統(tǒng)中，除塵在較低溫度下進(jìn)行，會(huì)導(dǎo)致燃?xì)怙@熱的損失，而且廢水處理工藝較復(fù)雜。與此相比，高溫干法除塵是在高溫條件下直接進(jìn)行氣固分離，可以最大程度地利用燃?xì)獾奈锢盹@熱，而且無(wú)需復(fù)雜的廢水處理系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。目前，高溫干法除塵工藝主要有旋風(fēng)分離除塵、袋式過(guò)濾除塵、靜電捕捉除塵、氣固顆粒層過(guò)濾除塵、金屬網(wǎng)過(guò)濾除塵以及陶瓷過(guò)濾除塵[3]。其中，多孔陶瓷過(guò)濾器由于具有過(guò)濾精度高、耐酸堿性好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、易清理、可再生以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的氣體除塵過(guò)濾技術(shù)之一[3-6]。國(guó)外對(duì)多孔陶瓷過(guò)濾器在氣固分離方面的研究已有多年歷史，如美國(guó)的Corning和Westinghouse公司、日本的NGK和Asahi公司、芬蘭的Foster Wheeler公司和德國(guó)的Schumacher公司等均在陶瓷過(guò)濾除塵方面進(jìn)行了較深入的研究[7-11]。而國(guó)內(nèi)對(duì)陶瓷過(guò)濾器用于燃?xì)膺^(guò)濾除塵的研究處于起步階段，尤其是針對(duì)生物質(zhì)燃?xì)馓沾蛇^(guò)濾的研究。本文在一套流化床氣化爐連接堇青石陶瓷過(guò)濾器的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)考察燃?xì)饬髁?、燃?xì)鉁囟燃胺创祵?duì)過(guò)濾效果的影響，初步研究了堇青石陶瓷過(guò)濾器在生物質(zhì)燃?xì)獬龎m中的特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

表1 木屑的元素分析和工業(yè)分析Tab.1 Proximate and ultimate analyses of sawdust

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the test facility

圖2 陶器過(guò)濾器示意圖Fig.2 Schematic of the candle ceramic filter

實(shí)驗(yàn)中所選用生物質(zhì)原料為廣東省某木材加工廠木屑，使用前先經(jīng)過(guò)日曬干燥，水分約為18%，其體積平均粒徑約為0.36mm，其元素分析和工業(yè)分析如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1 氣化系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置包括氣化系統(tǒng)和陶瓷過(guò)濾系統(tǒng)，其示意圖如圖1所示。氣化系統(tǒng)由流化床氣化反應(yīng)器以及空氣壓縮機(jī)、螺旋進(jìn)料器，旋風(fēng)分離器，冷卻水箱、引風(fēng)機(jī)等配套設(shè)備組成，氣化反應(yīng)器為帶外加熱源的鼓泡流化床，氣化爐床層區(qū)直徑為13cm，自由空間區(qū)直徑為20cm，爐體總高度約為250cm，沿爐體自下而上安裝多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和測(cè)壓點(diǎn)，其中床層區(qū)溫度tb和自由空間溫度tf為本文的主要參考溫度。旋風(fēng)分離器是粗燃?xì)獾念A(yù)除塵系統(tǒng)，其正常運(yùn)行時(shí)對(duì)粒徑10μm以上粉塵的除塵效率約為95%，可以保證旋風(fēng)分離器出口的粗燃?xì)膺_(dá)到陶器過(guò)濾器對(duì)氣體含塵量（＜10g/Nm3）的要求。氣化系統(tǒng)可獨(dú)立于陶器過(guò)濾系統(tǒng)運(yùn)行，打開(kāi)旁通閥門(mén)即可進(jìn)行粗燃?xì)獾奶沾蛇^(guò)濾除塵實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 陶瓷過(guò)濾系統(tǒng)

圖3 監(jiān)測(cè)裝置流程示意圖Fig.3 Schematic of the monitoring device

陶瓷過(guò)濾系統(tǒng)包括陶瓷過(guò)濾器及配套設(shè)備，如圖1所示。陶瓷過(guò)濾器主體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，整個(gè)陶瓷過(guò)濾器由氣體反吹噴口、文氏管、密封填料、陶瓷過(guò)濾管、帶外加熱源與保溫層的外殼、進(jìn)出氣口和排灰口組成，并在進(jìn)氣口與出氣口附近安裝測(cè)壓點(diǎn)pin和pout，在外殼自上而下安裝3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)t1～t3。堇青石陶瓷管是整個(gè)過(guò)濾器的核心部件，該陶瓷管由山東淄博某廠家提供，為堇青石材質(zhì)試管式雙層過(guò)濾元件，由平均孔徑較大的支撐基體層和平均孔徑較小的膜過(guò)濾層雙層結(jié)構(gòu)制成?；w保證過(guò)濾元件的強(qiáng)度和剛度，薄層濾膜保證過(guò)濾精度。陶瓷管的內(nèi)外表面半徑為別為40mm和60mm，長(zhǎng)度為1000mm，孔徑為20～200μm，孔隙率約為45%，過(guò)濾精度為1～30μm，最高工作溫度為1000℃。實(shí)驗(yàn)時(shí)，粗燃?xì)庥上虏客ㄈ?，從陶瓷管的外表面徑向通過(guò)陶瓷管內(nèi)表面而實(shí)現(xiàn)過(guò)濾，凈化氣體從過(guò)濾管的中心向上流出，一部分粉塵通過(guò)各種捕集機(jī)制堆積在陶瓷管外表面上，逐漸形成濾餅，另一部分粉塵在重力的作用下沉積在過(guò)濾室內(nèi)。當(dāng)陶瓷管外表面的濾餅堆積到一定厚度后，開(kāi)啟壓縮氣體，由反吹口噴入，經(jīng)過(guò)文氏管增壓后進(jìn)入陶瓷管內(nèi)壁由徑向流出對(duì)覆于陶瓷管表面的粉塵進(jìn)行剝離清掃，使陶瓷管再生，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)過(guò)濾。當(dāng)過(guò)濾室灰塵堆積到一定程度需要將積灰排出。

1.2.3 壓力測(cè)量系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)需要一套壓力監(jiān)測(cè)裝置對(duì)氣化爐與陶瓷過(guò)濾器進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)采用的是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司生產(chǎn)的M系列數(shù)據(jù)采集卡、SCB-32型號(hào)的接線(xiàn)盒、絕壓傳感器、差壓傳感器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等，絕壓傳感器用于流化床爐內(nèi)壓力的監(jiān)測(cè)，差壓傳感器用于陶瓷過(guò)濾器進(jìn)出氣口壓差的測(cè)量，壓力及相關(guān)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)采集。該壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的示意圖及軟件監(jiān)測(cè)界面分別如圖3和4所示。

1.3 樣品采集與測(cè)量方法

當(dāng)氣化爐溫度穩(wěn)定后，爐內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度的波動(dòng)在15℃范圍內(nèi)，開(kāi)始采樣氣體，每組試驗(yàn)采樣3次，以消除試驗(yàn)中帶來(lái)的隨機(jī)誤差。氣體產(chǎn)物使用日本島津公司GC-20B型氣相色譜進(jìn)行分析。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣校正法將氣體中 H2、O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H2、C2H4和C2H6等成分進(jìn)行定量分析。

圖4 LabVIEW軟件操作界面Fig.4 LabVIEW software interface

焦油采集測(cè)量采用重量分析法[10]，燃?xì)庥扇庸芙?jīng)過(guò)加熱的過(guò)濾器除去燃?xì)庵蓄w粒后，通過(guò)異丙醇吸收焦油，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將收集到的焦油分離出來(lái)，然后在分析天平上稱(chēng)重，通過(guò)計(jì)算得到燃?xì)庵薪褂偷暮俊?/p>

灰塵采集采取等動(dòng)力采樣的原則，將采樣探頭置于管道中心，開(kāi)口與來(lái)流方向針對(duì)，氣體中的粉塵樣品通過(guò)可控溫、內(nèi)部充滿(mǎn)玻璃纖維的高效除塵過(guò)濾器收集，采樣氣體的體積通過(guò)煤氣表測(cè)量。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

進(jìn)行粗燃?xì)膺^(guò)濾實(shí)驗(yàn)前，先將氣化爐調(diào)至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)陶瓷過(guò)濾系統(tǒng)各外加熱源將管道以及陶瓷反應(yīng)器的溫度控制為400℃以減少燃?xì)庵薪褂蛯?duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，開(kāi)啟旁通道閥門(mén)14，同時(shí)關(guān)閉氣化通道閥門(mén)9，由此可以開(kāi)始進(jìn)行粗燃?xì)膺^(guò)濾實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)壓力及相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)過(guò)濾器進(jìn)出口壓差（即壓降）達(dá)到臨界值，通過(guò)壓力為0.5MPa的壓縮氣體對(duì)陶瓷管進(jìn)行反吹，待壓降恢復(fù)至正常水平，重新開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，直至完成該氣化工況的燃?xì)膺^(guò)濾實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)氣化系統(tǒng)操作條件，使氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行后，重新開(kāi)始不同氣化工況的燃?xì)膺^(guò)濾實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束前，需將粗燃?xì)馇袚Q為潔凈空氣，并對(duì)陶瓷管進(jìn)行反吹，關(guān)閉過(guò)濾系統(tǒng)的外加熱源，待溫度降至室溫后，將過(guò)濾室內(nèi)的灰塵排出，以排除實(shí)驗(yàn)殘余物對(duì)下次實(shí)驗(yàn)的干擾。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃?xì)饬髁康挠绊?/h3>

圖5空氣流量對(duì)陶瓷管壓降的影響Fig.5 Effect of air flow rate on pressure drop across the ceramic tube

圖6 陶瓷管壓降隨時(shí)間的變化趨勢(shì)（Q=8.3Nm3/h）Fig.6 The variation of pressure drop across ceramic tube with time(Q=8.3Nm3/h)

圖7 陶瓷管壓降隨時(shí)間的變化趨勢(shì)（Q=14.8Nm3/h）Fig.7 The variation of pressure drop across ceramic tube with time(Q=14.8Nm3/h)

由于材料和加工工藝的不同，使各種陶瓷管的性能存在很大差別，在應(yīng)用領(lǐng)域不同的情況下，為增加本實(shí)驗(yàn)所用的陶瓷管與其他陶瓷管的可比性，首先進(jìn)行空氣空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。可以看出，陶瓷管中的壓降隨空氣流量即表面速度的增加而呈線(xiàn)性增加關(guān)系。這是由于空氣在陶瓷管中是做層流運(yùn)動(dòng)，符合達(dá)西定律中的相關(guān)條件[12]，陶瓷管的壓降上升速度以及初始?jí)翰钆c陶瓷管本身特性有關(guān)。

分別在粗燃?xì)饬髁縌為8.3Nm3/h和14.8Nm3/h的條件下進(jìn)行了過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，陶瓷管壓降的變化趨勢(shì)分別如圖6和7所示。

含有固體顆粒的燃?xì)饨?jīng)過(guò)陶瓷管時(shí)，通過(guò)慣性碰撞、直接攔截、布朗擴(kuò)散、篩分、重力沉降等機(jī)制實(shí)行過(guò)濾，隨著過(guò)濾的進(jìn)行，由于內(nèi)部通道可能被顆粒所堵塞，導(dǎo)致陶瓷管壓降增加。由圖6和7可見(jiàn)，隨著燃?xì)饬髁康脑黾?，陶瓷管壓降更大，并且上升速度更快，因?yàn)殡S著燃?xì)饬髁康脑黾?，單位時(shí)間內(nèi)黏附于陶瓷管壁的粉塵增多。圖6中陶瓷管經(jīng)過(guò)1800s的運(yùn)行后，壓降由初始值1000Pa左右上升至8000Pa左右，圖7中陶瓷管經(jīng)過(guò)不到900s的運(yùn)行，壓降由初始值3000Pa左右上升至10000Pa以上。陶瓷管在運(yùn)行過(guò)程中，圖6的壓降分布比圖7相對(duì)集中，這是因?yàn)榉蹓m的增多使粉塵層孔隙率不斷變化，間接影響壓降變化，因此圖7中壓降的分散度比圖6大。

壓降在各個(gè)時(shí)段的變化規(guī)律不盡相同，以圖7為例，過(guò)濾前期壓降實(shí)際值略小于擬合值且分布相對(duì)集中，因?yàn)榇藭r(shí)陶瓷管表面灰塵較少，過(guò)濾的主體依舊是陶瓷管，壓降變化規(guī)律是比較符合理論計(jì)算的。過(guò)去后期粉塵在陶瓷管表面堆積到一定程度形成濾餅，此時(shí)粉塵在到達(dá)陶瓷管表面之前先到達(dá)濾餅層，而濾餅層如同陶瓷過(guò)濾元件本身一樣，也為多孔介質(zhì)，其孔隙大小對(duì)燃?xì)獾倪^(guò)濾具有重要影響，實(shí)際上濾餅層比陶瓷管的孔隙率小且分布規(guī)律性較差，因此后期壓降真實(shí)值大部分高于擬合值且分布較為分散。

在Q=14.8Nm3/h的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)陶瓷過(guò)濾器進(jìn)出口燃?xì)夂瑝m濃度進(jìn)行了測(cè)量，分別為2.14g/Nm3和.51g/Nm3，由此可算得過(guò)濾器的除塵效率約為76.2%。與國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究比較[6-10]，本實(shí)驗(yàn)中陶瓷管的壓降偏大且上升速度較快，除塵效率偏低，這可能與被過(guò)濾氣體本身的特性有關(guān)，但目前對(duì)生物質(zhì)粗燃?xì)馓沾蛇^(guò)濾的報(bào)道較少，有待于深入研究。

2.2 反吹的影響

陶瓷管工作一段時(shí)間后，由于內(nèi)部管道的堵塞以及外表面濾餅層增厚，導(dǎo)致過(guò)濾壓降增大，流速降低，當(dāng)壓降達(dá)到臨界值時(shí)，陶瓷管過(guò)濾開(kāi)始失效，可通過(guò)氣體反吹的方式再生，使其基本恢復(fù)初始狀態(tài)的水平，定時(shí)反吹還能延長(zhǎng)陶瓷過(guò)濾原件的使用壽命。

圖8 陶瓷管實(shí)物照片F(xiàn)ig.8 Photos of the ceramic tubes

粗燃?xì)饬髁繛?.3Nm3/h和14.8Nm3/h的實(shí)驗(yàn)中，陶瓷管在達(dá)到臨界壓降后，使用0.5MPa的壓縮氣體進(jìn)行反吹，時(shí)間為1分鐘，壓降分別降低至2000Pa和4000Pa以下，反吹對(duì)陶瓷管的再生效果明顯，且重復(fù)性很好。

反吹并不能是陶瓷管完全再生，因?yàn)槎逊e在濾料上粉塵主要受兩種力的作用而粘附在濾料上，一種為粉塵與濾料表面的附著力，另一種為粉塵之間的內(nèi)聚力。一般情況下，附著力遠(yuǎn)大于內(nèi)聚力，反吹時(shí)附著力很難破壞。

同時(shí)，反吹時(shí)氣流的壓力并非均勻作用于粉塵層的整個(gè)表面上，因此會(huì)出現(xiàn)粉塵層脫落不均勻，反吹氣體的主體會(huì)從粉塵已經(jīng)脫落之處通過(guò)，而其他地方的粉塵仍有堆積。

另外，不同濾料對(duì)應(yīng)的最小反吹風(fēng)速也不同，反吹風(fēng)速不足也會(huì)降低濾料再生效果。如何均勻分布反吹風(fēng)及選擇反吹風(fēng)速將在以后作進(jìn)一步研究。

2.3 燃?xì)鉁囟鹊挠绊?/h3>

為考察不同的燃?xì)鉁囟葘?duì)陶瓷過(guò)濾效果的影響，本節(jié)實(shí)驗(yàn)在關(guān)閉外加熱源的條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持燃?xì)饬髁繛?4.8Nm3/h，陶瓷過(guò)濾器內(nèi)燃?xì)鉁囟冉档椭?50℃以下，而在2.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)中，燃?xì)鉁囟缺３衷?00℃以上。圖8給出了實(shí)驗(yàn)前、燃?xì)鉁囟容^高和較低實(shí)驗(yàn)后的陶瓷管實(shí)物照片。

可見(jiàn)，使用于溫度較高燃?xì)獾奶沾晒埽▓Db）外表面上固體顆粒呈粒狀結(jié)成濾餅，燃?xì)庵械牟糠址蹓m粘附于陶瓷管過(guò)濾膜形成濾餅，此部分粉塵以及覆于濾餅表面的粉塵比較容易被高壓氣體清洗，圖8（b）中為便于觀察，已人為刮除部分粉塵，直觀上表明陶瓷管表面的粉塵容易清除，另外，2.2節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可證明，反吹對(duì)陶瓷管的再生效果明顯。使用于較低溫度燃?xì)獾奶沾晒芡獗砻鎺缀鯖](méi)有顆粒，但卻有大量焦油黏附。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是較低溫燃?xì)庵薪褂驮诮?jīng)過(guò)陶瓷管表面時(shí)由氣體冷凝為粘稠狀液體并直接與灰塵顆粒粘結(jié)堵塞陶瓷孔，較短時(shí)間內(nèi)就形成粘結(jié)光滑層使陶瓷管捕集機(jī)制完全失活。此時(shí)，反吹對(duì)陶瓷管的再生效果較差，反吹后陶瓷管壓降仍在6000Pa以上?？梢?jiàn)，由于焦油的負(fù)面影響，在低溫燃?xì)獾倪^(guò)濾實(shí)驗(yàn)中，陶瓷管難以正常工作。

3 結(jié)論

本文使用陶瓷過(guò)濾器對(duì)生物質(zhì)流化床氣化裝置制備的粗燃?xì)膺M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變?nèi)細(xì)饬髁俊⑷細(xì)鉁囟群头创悼疾炝颂沾蛇^(guò)濾器的性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和分析，得出以下結(jié)論：

(1)壓降隨著粗燃?xì)饬髁縌的增加，陶瓷管壓降明顯增加并且上升速度加快；

(2)陶瓷管壓降偏高，當(dāng)Q=14.8Nm3/h時(shí)，壓降在900s內(nèi)由初始值約3000Pa上升到10000Pa以上，陶瓷管的過(guò)濾效率偏低，僅為76.2%；

(3)反吹陶瓷管的再生效果明顯；

(4)焦油的影響使陶瓷管過(guò)濾低溫燃?xì)鈺r(shí)很難正常工作。

1吳創(chuàng)之,馬隆龍.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003

2 BASU P.Biomass Gasification and Pyrolysis:Practical Design and Theory.Burlington:Academic Press,2010

3岑可法,倪明江,嚴(yán)建華等.氣固分離理論及技術(shù).杭州：浙江大學(xué)出版社,1999

4刑毅,況春江.高溫除塵過(guò)濾材料的研究.過(guò)濾與分離,2004,14 (2):1～4

5任祥軍,程正勇,劉杏芹等.陶瓷膜用于氣固分離的研究現(xiàn)狀和前景.膜科學(xué)與技術(shù),2005,25(2):65～68

6 PEUKERT W.High temperature filtration in the process industry.Filtration&Separation,1998,35(5):461～464

7 THEN P M,DAY P.The catalytic converter ceramic substrate: an astonishing and enduring invention.Interceram,2000,49(1): 20～23

8武威,田貴山,關(guān)鍵.用陶瓷過(guò)濾器進(jìn)行高溫煤氣除塵技術(shù)研究.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,19(2):214～218

9姬忠禮.高溫陶瓷過(guò)濾元件的研究進(jìn)展.化工裝備技術(shù), 2000,21(3):1～6

10任祥軍.多孔陶瓷膜材料的研制及在氣固分離中的應(yīng)用研究.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),博士學(xué)位論文,2008,合肥

11王永紅.新型陶瓷分離膜制備科學(xué)基礎(chǔ)和性能研究.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),博士學(xué)位論文,2006,合肥

12 SIBANDA V,GREENWOOD R,SEVILLE J.Particle separation from gases using cross-flow filtration.Powder Technol.,2001,118(1-2):193～202