高温废气过滤除尘技术研究进展
摘要:介绍了高温废气除尘技术的种类及特点,讨论了过滤式除尘器的种类和过滤机理,重点综述了国内外高温废气除尘技术的研究现状,最后探讨了高温废气除尘技术的发展趋势。
关键词:高温废气,过滤,研究进展
1 高温废气除尘的特点
冶金、机械、化工、电力等行业的各种工业炉窑所排放出来的废气不仅温度高,而且含有大量的粉尘和有害气体,是造成环境污染的主要因素之一。高温条件下,由于废气黏滞力有较大变化,湿度大幅下降,细颗粒凝聚现象大为降低,所以对微粒的分离有较高难度[1 ] 。布袋式除尘器不能承受废气的高温,湿式除尘使其热能不能得到综合利用;静电除尘存在一次性投资高,占地面积大和绝缘等方面的问题[2 ,3 ] 。目前,我国高温含尘废气的处理方法大多是通过水冷凝,将高温废气降至200 ℃左右,再用布袋除尘器除尘,这不仅增加了冷凝设备的投资和运行费用,也使大量的热能流失[4 ] 。因此,新的高温废气除尘技术是亟需开发的重要课题。
2 高温废气除尘技术的种类
高温废气除尘技术有:旋风除尘、湿法除尘、静电除尘、过滤除尘等。
EPRI 曾综合除尘效率、经济性等因素,对各种高温气体除尘技术作过总结,结果如表1 所示[5 ] 。
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3 过滤除尘器的主要种类
3. 1 袋式过滤除尘器
袋式除尘器是目前使用最多的过滤式除尘器。其除尘效率高,对亚微米级粉尘也有很高的除尘效率,不会造成二次污染,便于直接回收干料。袋式除尘器在大气污染的治理方面做出了巨大贡献,目前国内外应用越来越广,已占除尘设备的80 %。但在燃煤电厂锅炉高温除尘等方面,袋式除尘技术尚未能完全适应,有待进一步改进和完善,这与滤材性能提高和技术进步密切相关。
滤料是组成袋式除尘器的核心,其性能对袋式除尘器操作有很大影响。选择滤料时必须考虑含尘气体的特征,如粉尘和气体性质(温度、湿度、粒径和含尘浓度等) 。性能良好的滤料应容尘量大、吸湿性小、效率高、阻力低、使用寿命长, 同时具备耐湿、耐磨、耐腐蚀、机械强度高等优点。
3. 2 颗粒床过滤除尘器
颗粒床除尘器是利用物理和化学性质非常稳定的固体颗粒如石英砂等组成过滤层,通过颗粒间的空隙和曲折通道来发挥过滤作用,实现对气体的除尘。颗粒床除尘器具有耐高温、持久性好的优点,且能自清灰而实现连续过滤除尘,除尘效率一般在90 %以上,最高可达99 %。
3. 3 全滤饼式过滤除尘器
全滤饼式过滤除尘器(表面过滤器) 的滤材仅仅起一个支撑滤饼的骨架作用,系统始终维持在一个最优的滤饼厚度范围内, 让粉尘形成的滤饼高效过滤粉尘。它具有耐高温 (1 000 ℃) ,不易结雾,不易堵塞,清灰效果好,操作维修方便,价格低等特点,对于超细粉尘(5μm 以下) 的烟气排放质量浓度可控制在5 mg/ m3 以下,特别适用于处理粘附性强及吸湿性强的粉尘[6 ] 。
3. 4 烧结多孔金属过滤除尘器
烧结金属除尘是利用烧结金属多孔材料对含尘气体进行净化。烧结多孔金属过滤器可以对5μm以下的尘粒进行精细除尘。在常温下,多孔金属材料具有整体强度好(强度是陶瓷材料的数倍) ,不发生断裂,长期工作稳定等优点[7 ] 。但是在高温下,其强度和耐蚀性低于陶瓷材料。
3. 5 多孔陶瓷过滤除尘器
从20 世纪70 年代以来,世界先进国家一直不断研究各种材质和结构的多孔陶瓷过滤器,用来进行高温过滤除尘, 已取得了良好效果。多孔陶瓷的主要物理性能指标是孔隙率、渗透率、弯曲强度。研究表明,与其他类型的除尘器相比,多孔陶瓷过滤器的除尘效率高,可达99 %以上,能除去5 μm以上的尘粒,且结构简单,最重要的是耐高温,工作温度可达800 ℃以上,并且在氧化、还原等高温环境下具有良好的抗腐蚀性,因此多孔陶瓷过滤器在高温除尘方面可起重要作用[8 ,9 ] 。
多孔陶瓷的制造方法主要有无粘结剂烧结工艺、反应烧结工艺和化学蒸汽渗透工艺。制造多孔陶瓷的材料分为氧化物材料(氧化铝、堇青石等) 和非氧化物材料(碳化硅、氮化硅等) 。选择和设计多孔陶瓷的材料和制备工艺,对陶瓷过滤器的性能及价格都有直接影响[10 ] 。
陶瓷过滤器按其结构型式可分为:陶瓷纤维袋式过滤器、织状陶瓷过滤器、烛状(或管状) 陶瓷过滤器、交叉流式陶瓷过滤器、蜂房式过滤器几种[8 ] 。按陶瓷材料特性又可分为刚性陶瓷过滤器、柔性陶瓷过滤器。
陶瓷纤维过滤器和织状过滤器的柔度较大,故称为柔性陶瓷。该种陶瓷的形状极易改变,可做成多种形状,其核尺寸较大,晶格密度较小。其组成材料包括:各种配比的氧化硅、氧化铝、氧化硼组合;氧化铝、氧化硅石组合;碳化硅、氧化硅组合。
烛状过滤器、交叉流式过滤器、蜂房式过滤器均属刚性陶瓷过滤器。刚性陶瓷过滤器材料可用氧化物、非氧化物及其混合物组成,最普遍的氧化物包括:氧化铝、多铝红柱石 (3Al2O3·2SiO2) 、堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2) 、硅酸铝泡沫、黏土组合铝、火烧黏土及由化学蒸汽渗透(CVI) 而产生的连续陶瓷纤维组合而成。非氧化物包括:黏土结合的碳化硅、烧结的氮化硅、再结晶碳化硅及由化学蒸汽渗透(CVI) 而产生的碳化硅强化纤维。刚性陶瓷的核尺寸较小,晶格密度较高。见报道的日本Asahi 公司生产的均质堇青石陶瓷滤管孔径为40 - 60 mm ,耐温达1 000 ℃,抗热冲击性较好[11 ] 。
泡沫陶瓷过滤器是一种气孔率高达70 % - 90 % ,体积密度只有0. 3 - 0. 6 g/ cm3 ,具有三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构,强度没有方向性的变化的多孔陶瓷制品。泡沫陶瓷使用方便、价格便宜、制造工艺简单,通常用回弹性高、孔径均匀的泡沫塑料作为前驱体浸渍陶瓷料浆烧制而成。它除了具有耐高温、耐腐蚀等一般陶瓷所具有的性能外,且具有密度小、气孔率高、比表面积大,对流体自扰性强等特点[12 ] 。
4 国外高温过滤除尘技术的研究现状
美国高温气体陶瓷净化除尘技术的研究起步较早,其主要的代表技术有陶瓷过滤技术、颗粒床过滤技术和错流过滤技术等[5 ] 。
全美从事陶瓷除尘技术的机构很多,其中Westinghouse (西屋) 是最典型的一个。其陶瓷管高温气体过滤技术较为成熟,具有以下特点: ①整套系统具备相当高的除尘效率,且压力损失始终保持稳定; ②密封、金属结构及脉冲反冲管具备良好操作特性; ③瓷管的整体机械强度高; ④系统可靠性好,这主要表现在系统操作范围宽且不形成灰饼等。
德国Schumacher 公司、美国西屋公司、日本的AsahiGlass 公司等[8 ] 已开发出烛状陶瓷过滤器,除尘效率均达99 %以上。烛状陶瓷过滤器适用于高温(260 - 1 093 ℃) 、高压(1. 0 - 3. 0 MPa) 条件下尘粒去除。当输入载荷达0. 5 %时,输出尘粒粒度小于0. 5μm ,体积分数低于5 ×10 - 6 ,满足高温高压煤(烟) 气净化要求。英国Grimethorpe 电厂测试了烛状陶瓷过滤器特性[8 ] 。
美国西屋公司开发的交叉流式过滤器[8 ] 可在650 - 900 ℃,1. 0 - 3. 0 MPa 条件下运行,在加利福尼亚Montebello 的 Texaco 气化炉上做了示范试验并经过了8 000 h 的测试。日本旭硝子株式会社[12 ]开发研制的高温废气处理用陶瓷过滤器为圆管状多孔堇青石(LOTEC - M) ACTF 型陶瓷管过滤器,孔径为40 - 60μm ,方向孔径无梯度,通孔率为16 % - 22 % ,抗弯强度为15 - 18 MPa ,耐热性优良, 可处理高达 1 000 ℃的高温含尘烟气,几乎能100 %地过滤直径大于孔径的1/ 20 以上的粉尘。为了使过滤器能连续运行,采用反洗的方式进行定期清灰,即通过安装在各清洁室出口的喷射器,将高压反洗气流短时间吹入清洁室内,一般在0. 2 - 0. 3 s 完成, 并可联机反洗, 其收尘效率达99. 999 %。芬兰的 Ahlstrow公司和美国的Babcock&Wilcox 公司等锅炉制造厂都引进了ACTF 技术。
旭硝子株式会社还开发了APT 型颗粒捕集器。该捕集器的过滤器主要材质为堇青石。堇青石是以电熔法制造的堇青石玻璃经结晶化处理而制得的。将堇青石制成具有一排贯穿孔的平板,并在一边预留一定间隔的狭缝(用于净化气体的排出) ,然后将一定数量(根据处理废气量确定) 的平板叠层制成过滤器部件,整体呈盒状。其常用规格为:高140 mm ×宽103 mm ×长200 mm、体积2. 9 L、重量1. 8 kg、贯通孔形状3 mm ×5 mm(椭圆形) 、贯通孔数量17 ×37、过滤面积0. 9 m2 。一般采用高压空气(0. 6 - 0. 8 MPa) 脉冲气流进行反吹,将颗粒堆积层吹落,反吹时间为0. 2 - 0. 5 s。APT装置在1 000 h 运行考核中,颗粒捕集率在96 %以上,压力损失保持在9 - 11 kPa。
俄罗斯S.V. Entin 等[13 ]进行了耐火材料生产中除尘工艺的研究,并设计出一套实验装置。该装置采用的是盘状多孔不锈钢过滤板对含尘气体进行过滤。除尘过程中,含尘气体通过进气管进入过滤器的除尘室,粉尘粒子沉积到过滤体的外表面,处理后的气体穿过过滤体进入净气室,最终由出气管排出。采用U 形管压力计测定过滤阻力,通过过滤器的气体体积由压缩空气测量试管和MMN 微型压力计控制,过滤效果由过滤器内外气体的含尘浓度对比进行评价。该装置适用于建筑材料、食品、化工、冶金以及核电等行业。俄罗斯B.L. Krasnyi 等[14 ] 深入研究多孔陶瓷过滤元件后认为:利用多孔陶瓷作为过滤元件具有很多优点,如高的使用温度和高的耐热性、耐腐蚀、抗振性,能同时除去粉尘及氮氧化物等。但该种陶瓷必须利用特殊工艺进行生产,以便控制其孔径和孔径分布。这种多孔陶瓷根据拓扑学规律可以分为2 类,即:有组织性和无组织性微观结构材料。无组织性微观结构的陶瓷由粉末和纤维或两者混合而成。由粉末制得的多孔陶瓷开孔率为20 % - 45 % ,孔径为5 - 400μm。而由纤维制得的多孔陶瓷开孔率为30 % - 90 % ,孔径为5 - 200μm。有组织性微观结构的多孔陶瓷包括网状、细胞状、蜂窝状等结构,其结构由预置系统决定。网状结构的材料由纺织或编织机制得的陶瓷纤维所制成,其开孔率为20 % - 80 % ,孔径约20 - 200μm ,但是由于其高温下使用寿命短,用压缩空气喷吹清灰再生后易破坏,所以未能得到广泛应用。由陶瓷片充填细胞状泡沫多孔脉石制得的细胞渗透陶瓷材料其开孔率为75 % - 95 % ,孔径为200 - 500μm;而采用特制钢模挤压可塑性陶瓷粉末或其与纤维质混合物所制得的细胞渗透材料,其生坯干燥焙烧后开孔率为50 % - 80 % ,方形开孔尺寸约800 - 7 000μm。B. L. Krasnyi 等最终研制出FKI - 45 除尘器,属袋式除尘器。装置中采用盘状多孔渗透陶瓷制造管状过滤器件,直径为60 - 62 mm ,厚度约8 - 23 mm , 可以耐1 000 ℃高温。
日本Imada. K. 等[15 ]在废气除尘移动床材料的研究中, 用作移动床的材料为颗粒直径1 - 10 mm、气孔率20 % - 60 %的多孔粒径材料。该移动床材料已被应用于炼钢、炼铁、焦炭炉的废气除尘。
英国太棉公司(TENMAT) 研制的太棉高温气体过滤器是专门为超过袋式除尘器、电除尘器等传统除尘器所承受的工作温度而开发的一种硬式表面过滤器。太棉可长期应用于 1 200 ℃的高温烟气系统,最高可耐1 600 ℃,使用过程中遇火不燃烧,具有超强的耐酸碱性能,使用寿命长达10 a 以上, 而袋式除尘器一般1 a 多就需更换。同时,太棉除尘器能过滤小于1μm的尘粒,过滤效率达99. 99 %以上。由于太棉过滤器滤料好、设备简单、寿命长、不用维护等优势,使得除尘总费用远远低于袋式除尘设备。
5 国内高温过滤除尘技术的研究现状
我国现有工业窑炉近20 万座,年耗煤(焦炭) 量约2 亿 t ,在生产过程中,排放大量高温含尘有害气体,严重地污染了大气环境。其排放尾气的特点是:温度高,含尘浓度高,黑度大,温度和烟气量变化范围广。
我国锅炉除尘装置制造技术已经历了4 个发展阶段, 即:干式旋风除尘,文丘里水膜除尘,高压静电除尘,袋式除尘[16 ] 。
广东省东莞市垃圾电厂锅炉上已成功地应用袋式除尘装置,其除尘效率高达99 %以上。目前采用袋式除尘的锅炉最大已达680 t/ h。宝钢在高炉建设时所采用的也是布袋除尘器,除尘效果良好,实现了“无超标排放”的目标[17 ] 。北京市劳动保护科学研究所齐金彦等[18 ]开发研究了陶瓷微孔管过滤式除尘器,其结构及过滤机理与袋式过滤器相同,不同的是陶瓷微孔管在反吹时形状保持不变,所形成的一次粉尘层免遭破坏,除尘效率保持不变。高温烟气用陶瓷质微孔管过滤式除尘器,不需采用降温冷却措施,可省去部分投资,并可进行热回收。该除尘器除尘效率高,过滤后的洁净气体对热交换管束不存在腐蚀和堵塞问题。该除尘器耐磨损、耐急冷急热性能好,使用寿命长。
华中科技大学姬宏杰等[19 ]利用泡沫陶瓷对高温焦炉煤气过滤技术进行了实验研究。孔隙率为85 %的泡沫陶瓷片在模拟气体(粉尘粒径为75μm以下) 流量为0. 15 - 1. 05 L/ h 时,其粉尘过滤效率均> 90 %。
清华大学资新运等[20 ]建立了基于泡沫陶瓷微粒过滤单元的三维物理模型和气粒两相流模型。通过模拟计算,分析了气体流速、微粒粒径、泡沫陶瓷微孔参数对微粒扩散拦截和惯性碰撞拦截效率的影响。
西安交通大学高铁瑜[21 ]对燃煤联合循环陶瓷过滤器过滤流动进行了深入的研究,分析了影响陶瓷过滤元件过滤性能的几种重要机制以及重要的影响因素,提出“实际分级最小厚度”概念,这是过滤精度在陶瓷过滤元件壁厚上的度量值,有望为今后陶瓷过滤元件的优化设计提供必要的理论依据。同时提出: ①在陶瓷过滤元件制备时,应尽可能选取直径相近的陶瓷颗粒; ②锥状截面陶瓷过滤元件的压降要稍低于柱状截面陶过滤元件的变化幅度,而且相同的位置处压降和速度值也低些,在同一流速下,压降随陶瓷颗粒直径的减小而增大; ③为减小或消除过滤过程的粉尘“架桥”现象,应该使孔隙率沿轴向从封闭端到开口端逐渐增大,孔隙率沿轴向的这种变化对脉冲反吹清洗也是有利的; ④脉冲反吹清洗过程中,烛状陶瓷过滤元件沿轴向各个部位脉冲压力峰值随着喷射压力的增大而增大。陶瓷过滤元件开口端压力峰值明显高于中部和封闭端压力峰值,而中部、封闭端压力峰值接近。
西安交通大学徐廷相等[22 ]研究了含尘超音速高温高压气体的气固两相分离过程,提出了用增加缩放喷管长度的方法,使含尘高温高压气体中的灰尘颗粒获得实现气固两相分离所必需的更高动量的途径。采用这种气体净化概念有可能使大于5μm的灰尘颗粒和大部分小于5 μm 的颗粒从含尘气体中清除掉。
中国科学院山西煤炭化学研究所杨金权等[23 ]采用D50 mm ×480 mm等效孔径40μm普通不锈钢制作了高温烧结金属丝网过滤器进行了试验。煤气温度为460 - 638 ℃,进口粉尘质量浓度为1. 0 - 25. 0 g/ m3 ,在不同入口粉尘质量浓度及不同过滤气速下,过滤效率均大于99 % ,最高达99. 9 % , > 20μm的颗粒去除率为100 %。试验系统连续运行稳定, 过滤元件(管) 反吹性能良好,安装固定容易,无损坏现象。该研究在过滤效率、反吹清灰及运行特性方面取得了较好效果,为该技术进一步开发奠定了基础。
上海化工研究院黄晓卫等[24 ]开发的全滤饼式过滤除尘器,滤饼为不锈钢滤料,除尘效率理论值几乎为100 % ,其在结构形式上及清灰技术上都有与众不同之处,除尘流程操作全部由可编程序控制器(PLC) 控制,极易与计算机接口。此过滤器的另一关键技术是采用了大通量的高温程控延期换向阀,这种具有特殊结构形式的高温烟气换向阀的开发成功是整个高温烟气除尘技术的重要保证。它可以实现高精度要求的除尘,对于一定粒度的粉尘,出口浓度(过滤效率) 可以通过控制过滤风速,过滤材料和过滤阻力而达到。
国家电力公司热工研究院许世森[25 ]研究温度等因素对移动颗粒层过滤高温除尘性能的影响规律,首次提出温度与捕集比的理论关系式,并进行了实验验证,得到了移动颗粒层在高温状态下进行过滤除尘的实验结果,为移动颗粒层过滤高温除尘工艺的放大和工程化打下基拙。
国家电力公司热工研究院夏军仓等[26 ]研究开发出一套移动颗粒层高温高压煤气除尘中试系统,通过实际煤气考核试验研究,积累和掌握了系统的运行规律和设计依据,为进一步实现工程化奠定了基础。试验表明,该过滤器能实现连续稳定的除尘过程,除尘效率较高,可达99. 65 % - 99. 80 % , > 20μm的颗粒去除率为100 %。大型化后可适用于高温气体的过滤除尘。
6 高温烟气过滤除尘技术的发展趋势
(1) 加强泡沫陶瓷高温高效除尘技术的研究,提高陶瓷过滤器的除尘效率及其韧性,改善其清灰再生技术,延长使用寿命。
(2) 进一步提高袋式除尘设备的性能,使其适应于高温、高含尘浓度、大烟气量的需要,延长其使用寿命。
(3) 重视除尘机理研究,探索现有各种除尘技术的基本规律,作为设计和改进设备的依据。
(4) 加快对颗粒床除尘器的研究,提高其对细微尘粒的捕集效率,进一步研究系统磨损问题及运行的控制因素。目前,高温烟气除尘技术发展迅速,特别是美、德、日正努力控制烟气含尘排放浓度趋向目视为“零”,即除尘器出口浓度接近大气中的含尘浓度。因此,我们必须紧跟世界步伐,与国际接轨,加强与国际社会在环境保护方面的深入合作,充分借鉴利用高新技术,不断创新,开发出经济实用的新型高温高效烟气除尘设备。
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