， ，，

(1.山西國(guó)控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 030024； 2.新疆廣匯煤炭清潔煉化有限公司，新疆 哈密 839000;3.江蘇金凱陽機(jī)械裝備有限公司，江蘇 無錫 214000； 4.西安中聚能環(huán)研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710038)

煤中低溫?zé)峤饧夹g(shù)是煤炭分質(zhì)高效清潔轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)基于各種原理，針對(duì)不同的原料，開發(fā)了多種形式的中低溫?zé)峤饧夹g(shù)。根據(jù)當(dāng)前煤炭開采的機(jī)械化程度，開采過程中產(chǎn)生大部分粉煤，因此，以粉煤為原料的熱解工藝必將成為今后煤熱解的主流工藝[1]。

高溫?zé)峤鈿獾某龎m一直是困擾粉煤中低溫干餾技術(shù)發(fā)展的一個(gè)難題。粉煤中低溫?zé)峤猱a(chǎn)出的熱解干餾煤氣成分十分復(fù)雜，并且重質(zhì)焦油組分多、粉塵含量特別大、氣體溫度高，因此，傳統(tǒng)的除塵措施在粉煤熱解工藝中不能有效應(yīng)用，導(dǎo)致熱解系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，已成為粉煤熱解技術(shù)工業(yè)化的主要障礙[2]。針對(duì)高溫?zé)峤鈿獾某龎m，當(dāng)前在運(yùn)行的煤干餾裝置主要采用旋風(fēng)除塵、陶瓷管過濾、陶瓷絲網(wǎng)過濾等形式，其中，在運(yùn)行粉煤熱解裝置中均采用陶瓷管過濾除塵，但陶瓷管過濾除塵存在使用壽命短和停車更換等問題。尋找能高效、長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的高溫除塵技術(shù)已然是粉煤分質(zhì)利用行業(yè)亟待解決的問題。

1 顆粒床除塵技術(shù)

顆粒床除塵器屬于凈化式內(nèi)部深層過濾設(shè)備，其原理為利用物理和化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定的耐高溫固體顆粒組成過濾層，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的過濾，具有耐高溫、持久性好、高效廉價(jià)、推廣性好、濾料再生方式多樣化等優(yōu)點(diǎn)。

顆粒床的特征是濾料(細(xì)砂、石英砂、活性炭等)于腔室中通過單層或多層靜態(tài)堆積，含塵高溫氣體以一定氣速經(jīng)過床層，塵粒于濾料間被截留。移動(dòng)式過濾是濾料(瓷環(huán)、活性炭)在腔體中依靠重力或其他作用力移動(dòng)攔截粉塵。流化床主要是依靠浸沒在流化床的過濾單元來實(shí)現(xiàn)分離。顆粒床的過濾過程屬于深層過濾，床層內(nèi)部不同部位都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵顆粒的捕集。過濾效率是由粒徑和過濾厚度所決定。另外，粉塵受到外作用力而偏離流線，被濾料所捕獲，外作用力包括靜電沉降效應(yīng)、直接攔截、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、重力沉降和慣性碰撞[3]。

顆粒床除塵器的原理如下：過濾層由上輕下重、上粗下細(xì)的雙層濾料組成，如上層濾料為膨脹珍珠巖顆粒，粒徑為2～5mm，容重為70kg/m3；下層濾料為海砂，粒徑為0.5～1mm，容重為1 400kg/m3。過濾時(shí)，含塵氣自上而下穿過濾料層，先經(jīng)過粗顆粒的上濾料層，截留氣體中的絕大部分粉塵，再經(jīng)過細(xì)粒徑的下濾料層，截獲漏過上濾層的微細(xì)粉塵。反吹清灰時(shí)，反吹氣自下而上通過濾層，兩層濾料都呈流態(tài)化，顆粒間的粉塵被氣流夾帶出去，實(shí)現(xiàn)快速清灰。由于上層濾料顆粒密度僅為下層濾料的1/20，上層濾料顆粒始終懸浮于下層濾料層之上，兩層濾料互不相混，始終保持雙層結(jié)構(gòu)不變。雙層顆粒床的技術(shù)核心是上輕下重、上粗下細(xì)的兩層濾料的選配，選配的原則是兩層濾料流化而互不相混[4]。

顆粒床除塵技術(shù)適用于化工、冶金、材料、焚燒、能源等爐窯的煙氣除塵。如冶金工業(yè)的高爐、轉(zhuǎn)爐、電弧爐、平爐、銅熔煉爐、鋁熔煉爐等；建材工業(yè)的水泥窯、玻璃窯、陶瓷爐等；化工領(lǐng)域的石油裂解爐、碳黑爐、電石爐、氮肥廠煤氣爐等；能源系統(tǒng)的IGCC、多聯(lián)產(chǎn)中的熱煤氣除塵等。

2 顆粒床除塵中試設(shè)計(jì)

顆粒床除塵中試裝置由山西省化工設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)、新疆廣匯煤炭清潔煉化有限公司投資建設(shè)運(yùn)營(yíng)、江蘇金凱陽機(jī)械裝備有限公司負(fù)責(zé)核心設(shè)備的加工。

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

煤分質(zhì)利用中對(duì)干餾煤氣除塵凈化的要求，主要是由煤焦油產(chǎn)品的質(zhì)量要求所決定。當(dāng)前，煤焦油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為YB/T5075-93《煤焦油》，但是該標(biāo)準(zhǔn)中并未明確提出對(duì)煤焦油中固含量的要求。根據(jù)煤焦油加氫和煤焦油加工一般工藝的技術(shù)要求，本文選用除塵指標(biāo)為50mg/Nm3進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

(1)模擬干餾煤氣質(zhì)量。為了獲得顆粒床除塵設(shè)備干餾煤氣介質(zhì)的適用性，本設(shè)計(jì)采用了凈化煤氣經(jīng)過升溫、摻混200目煤粉、摻混焦油的工序，以獲得粉煤中低溫干餾技術(shù)相類似的干餾煤氣。

(2)處理氣量。處理氣量是指除塵設(shè)備在工況條件下單位時(shí)間內(nèi)所能凈化氣體的體積量，并且還要考慮除塵系統(tǒng)本身的漏風(fēng)系數(shù)。處理氣量是顆粒床除塵器設(shè)計(jì)中非常重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。本次中試裝置采用800m3/h處理氣量作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)規(guī)模參數(shù)。

(3)處理流速。處理流速即過濾流速，其對(duì)過濾器的尺寸、除塵效率和除塵壓力損失都有影響。過濾氣體的流速過大，會(huì)使顆粒層流化塵粒直接通過除塵器，喪失除塵效果。過濾速度過小，使設(shè)備費(fèi)用加大。為便于粉塵沉降，含塵干餾氣安全流速應(yīng)小于3m/s，故本裝置設(shè)計(jì)流速取為2m/s。

(4)反吹流速。反吹流速根據(jù)顆粒床粒徑(40～60目)和粉塵粒徑(200目)，計(jì)算粒徑200目以下粉塵被帶出流化床的操作氣速，即為反吹速度。

umf最小氣速即流化臨界速度，計(jì)算公式如下：

式中，煤氣的密度ρ為0.45～0.50kg/m3，顆粒密度ρs為1 000kg/m3。粒徑dp取200目，黏度μ為0.012 44mPa·s。計(jì)算得umf為0.002 7m/s，經(jīng)過校核后Re<20，符合umf計(jì)算公式假設(shè)。

最大帶出速度為不超過60目，顆粒被帶出的速度，即：

其中，dp取60目。經(jīng)過計(jì)算后，最大帶出速度為2.7m/s。設(shè)計(jì)反吹氣速取值介于臨界氣速和最大帶出速度之間，為0.5m/s。

2.3 顆粒床中試系統(tǒng)

顆粒床中試系統(tǒng)分為干餾煤氣預(yù)制系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)、顆粒床除塵系統(tǒng)和反吹煤氣系統(tǒng)。含塵干餾煤氣經(jīng)過干餾煤氣預(yù)熱器加熱至580℃左右，再按100g/Nm3濃度加入200目煤粉，并同時(shí)加入煤焦油至95g/Nm3，配置成模擬生產(chǎn)工況的干餾煤氣。干餾煤氣進(jìn)入顆粒床除塵器，通過各級(jí)除塵濾盤凈化后通過引風(fēng)機(jī)送至下游工序。

當(dāng)過濾床層阻力過大時(shí)，濾層填滿后，關(guān)閉該層干餾煤氣進(jìn)氣閥，同時(shí)打開反吹煤氣程控閥，對(duì)濾層進(jìn)行反吹，過濾的煤粉被反吹煤氣帶出濾層后自然沉降至顆粒床除塵器底部。40m3/h反吹煤氣由常溫經(jīng)反吹氣預(yù)熱器加熱至620℃后，供顆粒床除塵器反吹。

本中試裝置配置1臺(tái)燃?xì)鉄犸L(fēng)爐，產(chǎn)出950Nm3/h煙氣，煙氣溫度為900℃，用于含塵干餾煤氣預(yù)熱和反吹煤氣預(yù)熱。中試裝置的工藝流程見圖1。

圖1 顆粒床中試裝置工藝流程注：1-除塵凈化煤氣引風(fēng)機(jī)；2-助燃風(fēng)機(jī)；3-熱風(fēng)爐；4-顆粒床除塵器；5-含塵煤氣預(yù)熱器； 6-反吹煤氣預(yù)熱器

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次中試實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量了含塵煤氣溫度T煤氣、含塵煤氣壓力P煤氣、反吹煤氣進(jìn)口溫度T反吹、煤氣出口溫度T出、含塵煤氣壓差ΔP、凈化煤氣平均含塵量X。含塵量通過定量抽取氣體，濾筒過濾后，以稱重的方式測(cè)量。中試裝置考察運(yùn)行時(shí)間約為84h，平均每10min記錄1組數(shù)據(jù)。按間隔1小時(shí)抽取的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 顆粒床除塵運(yùn)行數(shù)據(jù)

續(xù)表

4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1中數(shù)據(jù),以時(shí)間為橫軸繪制的趨勢(shì)見圖2。

圖2 顆粒床中試裝置溫度數(shù)據(jù)趨勢(shì)

從圖2可以看出，在此工藝設(shè)計(jì)條件下，顆粒床除塵器總體溫度控制穩(wěn)定。但在3.7h左右出現(xiàn)了短暫失溫，是由于測(cè)溫?zé)犭娕悸鋲m故障造成的。在工程應(yīng)用中，除塵器入口測(cè)溫元件的落塵問題需重點(diǎn)考慮。顆粒床中試裝置壓差數(shù)據(jù)趨勢(shì)見圖3。從圖3趨勢(shì)來看，顆粒床中試裝置總體壓差穩(wěn)定。

圖3 顆粒床中試裝置壓差數(shù)據(jù)趨勢(shì)

顆粒床中試裝置出口氣體含塵量變化趨勢(shì)見圖4。從圖4的趨勢(shì)來看，顆粒床中試裝置的除塵性能，可以將100g/Nm3含量的干餾煤氣，凈化至50mg/Nm3以下，并且運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，過濾凈化效果越好，最終除塵效果穩(wěn)定在23mg/Nm3左右。

圖4 顆粒床中試裝置出口氣體含塵量變化趨勢(shì)

5 結(jié)語

通過中試裝置的設(shè)計(jì)建設(shè)，該裝置經(jīng)受了72h性能考核檢驗(yàn),顆粒床除塵裝置可以穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過分析運(yùn)行時(shí)測(cè)量的溫度、壓力、凈化氣含塵量，發(fā)現(xiàn)顆粒床除塵器除塵效果可以達(dá)到粉煤中低溫干餾的工藝要求，總體除塵效果可以控制在50mg/Nm3以下。本文所做的工作為煤化工高含塵、含焦油、高溫煤氣除塵提供了較好的借鑒。