楊帥強(qiáng),都 林,李松庚,宋文立,3

(1.中國(guó)科學(xué)院 過(guò)程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 中丹學(xué)院，北京 100049)

0 引 言

我國(guó)煤炭資源豐富，以熱解為核心的煤炭分級(jí)分質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)對(duì)合理有效利用煤炭資源和能源，實(shí)施能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔、高效和資源化利用，保障我國(guó)能源安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。煤高效清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展迅速，許多技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用[1-5]。但基于低階煤組成結(jié)構(gòu)特征的粉煤熱解分級(jí)轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)燃料和化學(xué)品技術(shù)商業(yè)化工程應(yīng)用進(jìn)展緩慢。為此，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了回轉(zhuǎn)窯、流化床、下行床、移動(dòng)床等熱解技術(shù)，開(kāi)展了不同規(guī)模的中試研究和工程示范[1-5]。在熱解分級(jí)轉(zhuǎn)化規(guī)律、調(diào)控方法與技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑、熱解反應(yīng)器工程放大等方面獲得了深刻認(rèn)知，這些積累為其最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化工程應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

高溫?zé)峤饷簹馀c粉塵的分離是熱解技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸之一。近年來(lái)，顆粒床過(guò)濾、高溫靜電除塵和各種膜過(guò)濾除塵已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的技術(shù)進(jìn)步，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。采用高效低阻旋風(fēng)分離(預(yù)除塵)-顆粒床過(guò)濾/金屬膜過(guò)濾/高溫靜電(深度除塵)復(fù)合除塵方案，成為現(xiàn)階段解決這一問(wèn)題的主要方案。通過(guò)旋風(fēng)分離器預(yù)除塵，降低來(lái)流煤氣攜帶粉塵濃度，從而降低后續(xù)深度除塵裝置運(yùn)行負(fù)擔(dān)，增加其長(zhǎng)周期運(yùn)行可靠性；通過(guò)深度除塵提高對(duì)細(xì)顆粒除塵效率，使所得焦油含塵量滿足后續(xù)加工要求。

本文將結(jié)合筆者所在課題組的研究結(jié)果和已有文獻(xiàn)報(bào)道，分析討論熱解煤氣所攜帶粉塵特點(diǎn)、含塵含油高溫除塵技術(shù)(顆粒床過(guò)濾、高溫靜電除塵、金屬微孔過(guò)濾除塵技術(shù))進(jìn)展，以期對(duì)未來(lái)研究及應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 含塵熱解煤氣特點(diǎn)

高溫?zé)峤饷簹饨M成復(fù)雜，除了常溫不凝氣體(CH4、H2、CO、CO2、少量C2和C3)，還含有焦油蒸氣、水蒸汽以及粉塵。因其含有焦油蒸氣，高溫?zé)峤饷簹鈱?duì)溫度變化敏感。焦油在400 ℃左右析出,與粉塵共同作用導(dǎo)致除塵器及管道、閥門等堵塞[5-7]。溫度過(guò)高，焦油又易裂解發(fā)生結(jié)焦析碳，焦油收率降低。因此，一般要求除塵溫度控制在400～600 ℃。

熱解工藝種類較多，不同的熱解工藝含塵濃度波動(dòng)較大，粉塵濃度及組成均不同，粉塵濃度在2～12 g/m3。無(wú)熱載體熱解工藝中粉塵主要來(lái)源于半焦，而以循環(huán)灰為熱載體的煤熱解工藝中粉塵由循環(huán)灰和半焦粉末組成。由此可見(jiàn)，煤粉顆粒在熱解反應(yīng)器內(nèi)的熱崩裂及運(yùn)動(dòng)磨損產(chǎn)生的半焦是粉塵的重要來(lái)源。

為了研究粉塵的組成，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所利用旋風(fēng)分離器對(duì)煤熱解中試試驗(yàn)產(chǎn)生的含塵熱解氣進(jìn)行分離，并分析旋風(fēng)分離器收集到的粉塵和旋風(fēng)分離器出口粉塵的粒徑分布，結(jié)果如圖1、2所示。可知，熱解煤氣中的粉塵粒徑較小，分布范圍較寬，旋風(fēng)分離器對(duì)熱解氣中10 μm以上大粒徑粉塵除塵效率較高，粒徑較小的粉塵采用旋風(fēng)分離器難以高效分離，需要采用其他除塵技術(shù)。

圖1 旋風(fēng)分離器出口粉塵粒徑分布

圖2 旋風(fēng)分離器分離得到的粉塵粒徑分布

因此，煤熱解氣除塵過(guò)程中一般采用旋風(fēng)分離器作為含塵熱解氣的預(yù)分離器，除去粉塵中粒徑較大的粉塵。對(duì)于熱解氣中粒徑較小的粉塵，一般采用靜電除塵技術(shù)、金屬微孔過(guò)濾除塵技術(shù)(金屬膜除塵技術(shù))和顆粒床除塵技術(shù)等進(jìn)行精細(xì)除塵。

2 煤熱解氣除塵技術(shù)

目前，煤熱解所得高溫?zé)峤鈿饩?xì)除塵的技術(shù)主要包括靜電除塵技術(shù)、金屬微孔過(guò)濾除塵技術(shù)和顆粒床除塵技術(shù)等，技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 熱解氣除塵技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 靜電除塵

靜電除塵主要是在高壓電場(chǎng)作用下，氣體發(fā)生電離，使含塵氣體中的粉塵顆粒帶負(fù)電荷，在電場(chǎng)力作用下，帶負(fù)電的固體顆粒向帶正電荷的陽(yáng)極板定向移動(dòng)集聚，當(dāng)陽(yáng)極板上的固體顆粒達(dá)到一定程度，利用振打裝置對(duì)極板產(chǎn)生的沖擊力使粉塵脫離極板進(jìn)入灰斗，達(dá)到除塵目的[8-9]。采用靜電除塵器作用在細(xì)顆粒物(粒徑<30 μm)上的靜電力是重力的100倍以上[9]，因而，靜電除塵器可以高效除去氣流中的顆粒物。靜電除塵器處理含塵氣體壓降低，氣體處理量大，設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，除塵效率高，廣泛應(yīng)用于燃煤電廠煙氣除塵，除塵溫度一般為200 ℃[8]。目前，靜電除塵器主要從溫度、氣氛、放電極性質(zhì)及材料、顆粒性質(zhì)等方面展開(kāi)研究[10-11]。

高溫下靜電除塵的性能易發(fā)生變化，主要是由于溫度對(duì)靜電除塵器運(yùn)行環(huán)境基本特性(如密度、黏度和電阻率)產(chǎn)生影響。溫度升高會(huì)降低氣體密度，導(dǎo)致氣體分子的平均自由程變長(zhǎng)，從而使氣體離子的遷移率增加。這些變化使氣體分子有更多時(shí)間加速以達(dá)到電離，從而降低了所需的電場(chǎng)強(qiáng)度。但發(fā)生電擊穿的電壓量也隨著氣體密度的降低而降低，同時(shí)，臨界電壓的降低速度比起始電壓的降低速度快[9]，造成靜電除塵器能工作的電壓范圍縮小，降低效率。溫度增加，氣體黏度增加，靜電力不受影響，導(dǎo)致氣體中粉塵阻力增加，容易被氣流帶出除塵器，造成除塵效率下降[9]。

不同氣氛對(duì)靜電除塵器的除塵效率影響較大。柳佳佳[10]在400～600 ℃下，考察了氣氛對(duì)除塵效率的影響。在相同電壓條件下，熱解氣的除塵效率介于空氣和N2之間，空氣氣氛下的除塵效率為94.9%～98.4%，熱解煤氣氣氛下的除塵效率為63.3%～86.9%，N2氣氛下的除塵效率為61.6%～76.6%。相同溫度條件下，N2氣氛下除塵效率隨電壓增大基本呈線性上升，空氣氣氛下除塵效率隨電壓增加呈緩慢增加，熱解煤氣氣氛下除塵效率隨電壓增大先減小后增大[10]。Chen等[11]發(fā)現(xiàn)熱解氣中提高CO2含量可以提高熱解氣的除塵效率，但隨著溫度增加，CO2對(duì)除塵效率的影響逐步減弱。

顆粒的電阻率對(duì)靜電除塵器運(yùn)行也有很大影響，低電阻率粒子在到達(dá)收集電極時(shí)，電荷消散太快，使其獲得與收集電極相同的電荷，并被排斥回氣流中，高電阻率的粒子電荷消散太慢，可能導(dǎo)致過(guò)量電荷積聚，造成危險(xiǎn)的“反電暈”現(xiàn)象[9]，溫度增加，水分從粉塵表面蒸發(fā)，會(huì)增加比電阻，當(dāng)溫度超過(guò)150 ℃時(shí)，通過(guò)增加導(dǎo)電率來(lái)降低電阻率，提高過(guò)濾效率，然而，粒子電阻率的過(guò)度降低將增加電荷耗散率，并可能導(dǎo)致粉塵粒子被夾帶[9]。

高壓是解決溫度引起的靜電除塵效率下降的方法[8]。較高的壓力會(huì)增加氣體密度，并允許在發(fā)生電擊穿前施加較高電壓[8]。雖然，壓力增加也會(huì)增加密度和提高起振電壓，但較高的溫度會(huì)減小這種影響，其結(jié)果是靜電除塵器工作電壓范圍更大[9]。研究表明，與環(huán)境條件下相比，高溫高壓使得靜電除塵器運(yùn)行效率更高[9]。

浙江大學(xué)與淮南礦業(yè)集團(tuán)合作建立了一套12 MW循環(huán)流化床熱、電、氣焦油多聯(lián)產(chǎn)工業(yè)示范裝置[12-13]。該裝置采用兩級(jí)旋風(fēng)與一臺(tái)高溫靜電除塵器相結(jié)合的方式對(duì)熱解氣進(jìn)行除塵，總體除塵效率在85%左右[12]。此外，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所也對(duì)靜電除塵器用于煤熱解氣的除塵效果進(jìn)行了研究，并將靜電除塵技術(shù)用于240 t/d固體熱載體粉煤熱解中試工藝，該工藝對(duì)靜電除塵后的含塵氣體進(jìn)行焦油洗滌及離心分離相結(jié)合，所得焦油含塵率為0.47%[14]。

2.2 金屬微孔過(guò)濾除塵技術(shù)

金屬微孔過(guò)濾除塵技術(shù)(金屬膜過(guò)濾技術(shù))以金屬絲網(wǎng)為過(guò)濾材料，利用篩濾、慣性碰撞等機(jī)理脫除氣體中的粉塵[15]。金屬微孔材料按結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，主要有金屬燒結(jié)絲網(wǎng)、金屬纖維氈和燒結(jié)金屬粉末等[15]。

燒結(jié)金屬網(wǎng)一般采用多層金屬編織絲網(wǎng),經(jīng)過(guò)特殊的疊層壓制并在真空條件下經(jīng)過(guò)燒結(jié)等工藝制造而成[15]。金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)孔呈交錯(cuò)分布，網(wǎng)孔均一，因而，空隙分布均勻。金屬絲網(wǎng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，良好的耐磨性、耐熱性。因而，可以在高過(guò)濾速度下，保持較高的過(guò)濾效率[15]。

采用金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常采用一定粒度分布的金屬化合物顆粒在磨具內(nèi)加熱到熔點(diǎn)制成，孔隙率為20%～40%，金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾器能抵抗除塵過(guò)程中常發(fā)生的熱沖擊，由于采用耐腐蝕性合金制成，因此，不易受腐蝕性氣體成分的影響[16-17]，但金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾器使用過(guò)程中過(guò)濾壓降較大。

燒結(jié)金屬纖維介質(zhì)是由直徑2～40 μm短細(xì)金屬纖維形成的非織物結(jié)構(gòu)[17]。金屬纖維是在真空或氫氣氣氛下燒結(jié)而成，孔隙率可以達(dá)到90%左右[17]。金屬纖維過(guò)濾器與金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾器相比，兩者強(qiáng)度接近，過(guò)濾過(guò)程中金屬纖維過(guò)濾器的流動(dòng)阻力較小，但金屬纖維過(guò)濾器的可靠性較差，使用周期短[17]。

金屬過(guò)濾器的操作溫度可以達(dá)到1 000 ℃，具體使用溫度受合金和燒結(jié)過(guò)程中所產(chǎn)生孔徑的影響[9]。溫度超過(guò)400 ℃下運(yùn)行時(shí)，小于 100 μm的粉塵通過(guò)金屬微孔過(guò)濾器的除塵效率達(dá)到99.99%，過(guò)濾后的粉塵濃度低于10 mg/m3[9]。

金屬絲網(wǎng)除塵器的壓降一般受進(jìn)口氣流流量、氣流含塵濃度、氣流入口溫度等因素影響。張婉婧等[18]采用金屬絲網(wǎng)過(guò)濾器對(duì)工業(yè)爐窯高溫含塵煙氣進(jìn)行處理，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)口氣流量和氣流含塵濃度增加時(shí)，系統(tǒng)壓力快速增加，但當(dāng)含塵氣流濃度大于53 g/m3時(shí)，壓降下降，可能是阻塞孔道粉塵層脫落所致。當(dāng)溫度低于300 ℃時(shí)，除塵器系統(tǒng)壓降主要來(lái)自金屬絲網(wǎng)濾袋的表面壓降；當(dāng)溫度大于300 ℃時(shí)，壓降快速上升，600 ℃時(shí)，系統(tǒng)壓降在3 000 Pa左右，而金屬絲網(wǎng)表面壓降不足1 500 Pa，遠(yuǎn)低于系統(tǒng)壓降，說(shuō)明除塵器結(jié)構(gòu)壓降帶來(lái)的影響較大[18]。由于熱解氣含塵量高，容易在金屬絲網(wǎng)表面沉積，導(dǎo)致金屬網(wǎng)除塵壓降大，金屬絲網(wǎng)過(guò)濾器與其他過(guò)濾器相結(jié)合進(jìn)行除塵時(shí)，可以減少金屬絲網(wǎng)除塵壓降，增加除塵效率[19-20]。

煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化工分院[21-22]在其開(kāi)發(fā)的新型小粒徑低階煤移動(dòng)床定向熱解裝置上開(kāi)展中試研究，熱解給煤量控制在50 kg/h，熱解產(chǎn)生的含塵熱解氣經(jīng)除塵系統(tǒng)除塵后進(jìn)入后續(xù)工段處理。除塵系統(tǒng)采用金屬膜對(duì)高溫?zé)峤饷簹膺M(jìn)行處理，除塵溫度在500 ℃左右，經(jīng)金屬膜除塵后焦油塵含量低于1%[22]。采用金屬膜進(jìn)行除塵，最大優(yōu)勢(shì)在于具有良好的耐高溫性能，除塵效率高。但金屬微孔過(guò)濾技術(shù)長(zhǎng)期運(yùn)行壓降較高，有待進(jìn)一步研究[23]。

2.3 顆粒床除塵技術(shù)

顆粒床除塵技術(shù)主要是利用隨機(jī)填充堆積的濾料與含塵氣體接觸，在攔截、慣性碰撞、分子擴(kuò)散等多種力作用下，氣體中攜帶的固體粉塵被濾料捕捉，使氣體凈化。含塵氣體在顆粒層的過(guò)濾過(guò)程一般分為深層過(guò)濾與濾餅過(guò)濾[23-24]。顆粒床種類較多，一般根據(jù)床層濾料在顆粒床中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，可分為固定床和移動(dòng)床2種形式[23-24]。由于顆粒床本身具有耐高溫且除塵效率高的特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有可能解決熱解氣高溫除塵的技術(shù)之一[24]。

顆粒床除塵器濾料的材質(zhì)要求性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨、耐高溫不易被腐燭、價(jià)格便宜、來(lái)源廣泛[23]。通常顆粒床濾料的選擇根據(jù)濾料顆粒在床層內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同存在差異，固定床一般采用流化清灰，要求床料密度小，便于流化，以降低再生的壓力，較常用的為珍珠巖、半焦等輕質(zhì)床料。移動(dòng)床要求床料顆粒密度適中，流動(dòng)性良好，常用床料為陶瓷球、石英砂、半焦等。床料粒徑對(duì)過(guò)濾效率和壓降影響較大，一般情況下，粒徑越小，過(guò)濾效率越高，但床層過(guò)濾壓降越大[23]。

過(guò)濾過(guò)程中，顆粒床性能受溫度的影響較大。一般情況下，高溫能夠增加氣體黏度，加劇分子擴(kuò)散作用，有利于1 μm以下微細(xì)粉塵的脫除[24]。熱解氣在熱解溫度下，易導(dǎo)致熱解氣在床料表面發(fā)生二次反應(yīng)，床料積碳增加，焦油收率下降。熱解氣除塵溫度下降過(guò)多，容易使熱解氣的重質(zhì)組分發(fā)生冷凝，床料表面的重質(zhì)組分如瀝青等組分黏性較大，減少捕集到的粉塵被二次夾帶，提高過(guò)濾效率。但溫度過(guò)低，大量焦油組分冷凝床料結(jié)塊，降低空隙率，導(dǎo)致過(guò)濾阻力快速增加。因此，熱解氣顆粒床溫度控制在450～600 ℃。

2.3.1固定床除塵技術(shù)

固定床除塵技術(shù)指床層濾料在過(guò)濾過(guò)程中不發(fā)生位置移動(dòng)，含塵氣體通過(guò)顆粒床后，固體顆粒被過(guò)濾下來(lái)[24]。固定床過(guò)濾器如圖3所示，除塵過(guò)程一般包括過(guò)濾和反吹2個(gè)階段，工業(yè)上一般采用雙床切換，保證除塵的連續(xù)操作。

圖3 固定床顆粒過(guò)濾器[24]

固定床過(guò)濾過(guò)程中，隨時(shí)間增加，粉塵逐步在濾料顆粒之間沉積，造成床層壓降增加。為了增加床層的容塵量，增加過(guò)濾時(shí)間，雙層或多層濾料配置成為近年來(lái)固定床研究的重要方向。通常在上層配置粒徑大、密度小的輕質(zhì)濾料，下層配置粒徑小、密度大的重質(zhì)濾料，上層粗濾料可以增加床層容塵量，下層細(xì)濾料實(shí)現(xiàn)精細(xì)除塵。常溫條件下，采用上層1～2 mm珍珠巖(高度180 mm)、下層0.3～0.5 mm石英砂(高度45 mm)作為床料，過(guò)濾風(fēng)速為0.15～0.50 m/s時(shí)，上層除塵效率為96.08%～98.78%，下層過(guò)濾效率為80.91%～90.57%，整體除塵效率為99.25%～99.89%，過(guò)濾120 min壓降為940～3 450 Pa。捕集粉塵的粒度分布表明，上層可以脫除5 μm以上粉塵，下層可以有效脫除2.5 μm以上粉塵[25]。在450 ℃高溫條件下，利用固定床對(duì)模擬熱解氣除塵，與無(wú)焦油環(huán)境相比，焦油存在可使顆粒床過(guò)濾效率由83.8%提高到96.39%[26]，由此可見(jiàn)，熱解氣中焦油存在能夠在一定程度上提高過(guò)濾效率。

固定顆粒床用于熱解氣除塵具有耐高溫、設(shè)備投資低、濾料性能穩(wěn)定、除塵效率高等優(yōu)勢(shì)，但反吹產(chǎn)生的含塵氣體需要進(jìn)一步處理。

2.3.2移動(dòng)床除塵技術(shù)

移動(dòng)床除塵技術(shù)主要利用緩慢移動(dòng)的床料捕集熱解氣中的粉塵，由于床料不斷移動(dòng)，粉塵被移出除塵器，在除塵器外部通過(guò)再生裝置進(jìn)行粉塵與床料分離，再生后的床料循環(huán)回除塵器。移動(dòng)床操作過(guò)程中床料不斷更新，克服了固定床頻繁反吹的問(wèn)題，操作過(guò)程壓降相對(duì)穩(wěn)定。目前，移動(dòng)床除塵技術(shù)作為高溫氣體除塵的熱點(diǎn)之一[27-36]，主要集中在結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)。依據(jù)進(jìn)入過(guò)濾器中的含塵氣體與濾料移動(dòng)方向的不同，移動(dòng)床包括錯(cuò)流移動(dòng)床、順流移動(dòng)床、逆流移動(dòng)床等[24]。

錯(cuò)流式顆粒層除塵器如圖4(a)所示，含塵氣體與過(guò)濾介質(zhì)流動(dòng)方向互相交叉，過(guò)濾介質(zhì)在2層或多層濾網(wǎng)(百葉柵)中流動(dòng)。過(guò)濾時(shí)，過(guò)濾介質(zhì)在重力作用下緩慢向下流動(dòng)，含塵氣流經(jīng)百葉窗后進(jìn)入過(guò)濾介質(zhì)，固體粉塵被過(guò)濾介質(zhì)截留，帶有粉塵的過(guò)濾介質(zhì)從除塵器下方不斷流出[24]。錯(cuò)流過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾時(shí)，顆粒層向下移動(dòng)，易受百葉窗布置結(jié)構(gòu)和床料顆粒間相互作用力的影響，在兩側(cè)百葉窗位置過(guò)濾介質(zhì)受阻力較大導(dǎo)致移動(dòng)速率比中心區(qū)域的床料移動(dòng)速度慢，隨過(guò)濾時(shí)間增加，粉塵易在百葉窗附近堆積，從而形成滯留區(qū)[31-34]。滯留區(qū)的存在導(dǎo)致床層壓降逐步上升、熱解氣中腐蝕性物質(zhì)將破壞百葉窗結(jié)構(gòu)、過(guò)濾介質(zhì)易結(jié)塊等問(wèn)題[24]。目前，對(duì)錯(cuò)流式移動(dòng)床如何減小滯留區(qū)進(jìn)行了大量研究[31-34]，但未徹底解決，仍需進(jìn)一步研究。順流式顆粒床除塵器(圖4(b))過(guò)濾階段，含塵氣流的流動(dòng)方向與顆粒層移動(dòng)方向一致。含塵氣體與顆粒平行流動(dòng)有利于促進(jìn)含塵氣流與濾料顆粒接觸，由于床料夾帶粉塵移動(dòng)，低氣速下除塵效率較高，但存在粉塵被干凈氣體夾帶問(wèn)題[24]。逆流式顆粒床除塵器(圖4(c))中，含塵氣流流動(dòng)方向與濾料顆粒移動(dòng)方向相反。含塵氣體與濾料顆粒逆向接觸，在多種力作用下，粉塵被濾料捕集并帶出顆粒床，潔凈氣流從干凈濾料的表面流出。逆流除塵雖然緩解了順流移動(dòng)床粉塵被干凈氣體夾帶的問(wèn)題，但要求過(guò)濾氣速不能過(guò)大，防止床料流化[24]。移動(dòng)顆粒床用于熱解氣除塵過(guò)濾效率高、壓降穩(wěn)定，但需要增加床料與粉塵分離設(shè)備。

圖4 不同形式的移動(dòng)床顆粒過(guò)濾器示意[24]

2.3.3高溫?zé)峤鈿忸w粒床中試試驗(yàn)

高溫?zé)峤鈿忸w粒床除塵中試情況見(jiàn)表2。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所基于前期顆粒床除塵研究[24,36]，在3 000 t/a下行床“煤拔頭”工藝中試車間進(jìn)行了顆粒床除塵中試試驗(yàn)，除塵系統(tǒng)由旋風(fēng)分離器和顆粒床除塵器組成。顆粒床除塵器采用粒徑2～5 mm膨脹珍珠巖作為床料，過(guò)濾時(shí)間為5 min。采用過(guò)熱蒸汽作為反吹氣，反吹時(shí)間為30 s。經(jīng)過(guò)72 h連續(xù)運(yùn)行，可使焦油含塵率由12%降低至1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右，整個(gè)除塵過(guò)程中，過(guò)濾壓降低于500 Pa，反吹壓降低于200 Pa[24,37]。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，過(guò)濾后焦油中粉塵含量為0.67%。

新疆廣匯煤炭清潔煉化有限公司利用自行設(shè)計(jì)的多層固定顆粒床除塵裝置進(jìn)行了中試試驗(yàn)。中試裝置設(shè)計(jì)氣量為800 m3/h，過(guò)濾流速為2 m/s，反吹風(fēng)速為0.5 m/s。中試采用模擬干餾煤氣(0.074 mm煤粉和煤焦油組成)進(jìn)行，干餾煤氣進(jìn)入多級(jí)除塵濾盤組成的顆粒床除塵器，凈化后的煤氣通過(guò)引風(fēng)機(jī)送至下游工序。反吹過(guò)程，由預(yù)熱至620 ℃的熱煤氣將床層中的粉塵帶至顆粒床底部，模擬干餾煤氣進(jìn)行連續(xù)84 h除塵試驗(yàn)。試驗(yàn)中，過(guò)濾和反吹溫度均在600 ℃左右，床層壓差2 500 Pa，可將100 g/Nm3干餾煤氣凈化至50 mg/Nm3以下[38-39]。

大連理工大學(xué)與神木富油能源科技有限公司合作在60萬(wàn)t/a煤固體熱載體熱解示范裝置用固定床對(duì)高溫?zé)峤鈿膺M(jìn)行中試試驗(yàn)，固定床設(shè)計(jì)4組，每組配置4個(gè)過(guò)濾單元，共16個(gè)床層(15個(gè)床層過(guò)濾，1個(gè)床層反吹)，單個(gè)床層處理量3 600 m3/h，運(yùn)行時(shí)反吹時(shí)間25 s(可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié))，單個(gè)床層置換時(shí)間為35 s(可調(diào)節(jié))，濾料厚度為500 mm，過(guò)濾氣速為0.22 m/s。該床層采用上粗下細(xì)的設(shè)計(jì)理念，上部布置輕質(zhì)高強(qiáng)度濾料作為容塵層，下層采用石英砂，黃沙作為床料。床層溫度為400～500 ℃，整個(gè)裝置運(yùn)行71 h，裝置過(guò)濾壓差達(dá)到6 kPa左右，反吹氣壓差最高達(dá)到15.66 kPa[40]。

表2 顆粒床中試試驗(yàn)

中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在陜西府谷建成一套與蒸發(fā)量75 t/h CFB鍋爐相匹配的燃燒/煤熱解多聯(lián)供中試平臺(tái)，干餾熱解煤量為5 t/h。熱解產(chǎn)生的煤氣采用旋風(fēng)分離器與錯(cuò)流移動(dòng)顆粒床除塵器相結(jié)合進(jìn)行除塵。顆粒床所用床料為5～10 mm半焦，移動(dòng)速度為1 cm/min，床料厚度為300 mm，進(jìn)煤量為2 t/h，此工況下，顆粒床除塵器壓差為1 000 Pa左右，焦油含塵量為3.48%[35]。此外，神華煤制油公司在6 000 t/a 褐煤熱解中試裝置中利用500～700 ℃熱解半焦為床料，采用移動(dòng)床操作形式對(duì)熱解氣進(jìn)行過(guò)濾，除塵后的油氣進(jìn)入后續(xù)單元處理，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果未見(jiàn)報(bào)道[21]。

由顆粒床中試試驗(yàn)可知，煤熱解氣中試及示范工程熱解氣量可達(dá)到54 000 m3/h，所用床料主要包括半焦、珍珠巖、石英砂和黃沙等，床料粒徑為0.3～5.0 mm，處理后焦油塵含量低于3.5%，熱解氣塵含量可以達(dá)到50 mg/Nm3。中試過(guò)程中，顆粒床過(guò)濾壓降在500～6 000 Pa，溫度為400～700 ℃。

3 結(jié) 論

1)旋風(fēng)分離器用于熱解氣除塵，對(duì)粒徑大于10 μm的粗粉塵除塵效率較高，一般用作熱解氣除塵的預(yù)分離器。靜電除塵、金屬微孔過(guò)濾除塵(金屬膜除塵)和顆粒床除塵對(duì)含塵熱解氣中粒徑較小的粉塵除塵效率較高，適合進(jìn)行精細(xì)除塵。通過(guò)不同除塵技術(shù)組合可實(shí)現(xiàn)除塵裝置的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

2)中試試驗(yàn)結(jié)果顯示，金屬微孔除塵的過(guò)濾效率最高，其次為顆粒床除塵，靜電除塵過(guò)濾效率最低。運(yùn)行壓降最高為金屬微孔過(guò)濾技術(shù)，靜電除塵器壓降最低，顆粒床過(guò)濾壓降介于兩者之間。

3)目前，熱解氣除塵技術(shù)基本都處于中試及示范工程階段，中試溫度為400～700 ℃，以避免焦油冷凝或二次熱解，中試規(guī)模最高為54 000 m3/h，但目前的中試時(shí)間還較短，缺乏長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)。熱解氣除塵技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用需要長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。

4 展 望

1)結(jié)合具體的除塵工藝優(yōu)化工藝條件和除塵器結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)新型抗積碳材料(除塵濾料)。熱解氣成分復(fù)雜，除塵過(guò)程中易受工藝條件影響，如溫度過(guò)低易導(dǎo)致焦油冷凝，造成油氣收率下降和粉塵局部堆積結(jié)塊。溫度過(guò)高又會(huì)加劇熱解氣二次反應(yīng)。因而，需根據(jù)不同的除塵工藝對(duì)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。靜電除塵器應(yīng)針對(duì)高溫條件下除塵效率降低、除塵器部件積碳嚴(yán)重導(dǎo)致除塵器絕緣子性能下降等問(wèn)題，在工藝條件優(yōu)化的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)新型電極材料。金屬絲網(wǎng)過(guò)濾技術(shù)存在過(guò)濾材質(zhì)價(jià)格較高，除塵過(guò)程中易受到熱解氣中酸性氣體的腐蝕，金屬材質(zhì)表面易積碳造成網(wǎng)孔阻塞，壓降增加快等問(wèn)題，因此，開(kāi)發(fā)低成本、耐高溫、耐腐蝕的抗積碳材料，調(diào)控金屬網(wǎng)孔的結(jié)構(gòu)與分布是金屬絲網(wǎng)除塵技術(shù)的發(fā)展方向。顆粒床除塵過(guò)程中存在床料積碳、熱解氣二次反應(yīng)等問(wèn)題，未來(lái)開(kāi)發(fā)新型除塵濾料實(shí)現(xiàn)除塵提質(zhì)一體化將是顆粒床除塵的重要研究方向。

2)多種技術(shù)優(yōu)化組合。粉塵主要來(lái)自于煤熱解部分，通過(guò)將除塵器與煤熱解相結(jié)合如將顆粒床除塵器與熱解裝置耦合，顆粒床除塵器直接在熱解反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行除塵，既可以充分利用熱解的熱量也可以從源頭上降低粉塵，減少焦油損失。另外，顆粒床與靜電除塵器或金屬絲網(wǎng)相結(jié)合，可以強(qiáng)化除塵效率，因此，通過(guò)技術(shù)組合保證除塵工藝高效穩(wěn)定運(yùn)行，將成為未來(lái)熱解氣除塵技術(shù)研究的另一方向。