劉 佳，李紅寶

(上海電氣集團(tuán)國控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 030000)

我國是一個(gè)富煤、貧油、少氣的國家，能源的資源稟賦特點(diǎn)決定了煤炭在我國國民經(jīng)濟(jì)中的戰(zhàn)略主要地位，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用是建成資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的必經(jīng)之路[1]。因此，發(fā)展煤炭分級(jí)分質(zhì)利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤炭能源的“高質(zhì)高用、低質(zhì)低用”，是我國煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。目前，隨著采煤機(jī)械化的大范圍使用，塊煤產(chǎn)率由52%～60%降低至20%～38%[2]，粉煤率越來越高，不僅帶來安全隱患，還會(huì)造成二次污染。合理利用粉煤進(jìn)行低溫?zé)峤馐欠勖豪玫淖罴淹緩?，但是在粉煤低溫?zé)峤膺^程中，產(chǎn)生了含有大量細(xì)煤粉的高溫油氣，要想實(shí)現(xiàn)這些高溫油氣的有效利用，必須解決高溫油氣的除塵。

粉煤熱解過程中產(chǎn)生的含塵油氣溫度高、易相變，焦油冷卻會(huì)夾帶大量粉塵，不僅影響焦油產(chǎn)品質(zhì)量，而且會(huì)使焦油的流動(dòng)性變差，導(dǎo)致設(shè)備及管道堵塞，無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行。粉煤熱解高溫油氣除塵已經(jīng)成為制約低階煤低溫?zé)峤饧夹g(shù)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1 高溫油氣除塵工藝選擇

在實(shí)現(xiàn)高溫含油、含塵、可燃?xì)怏w的過濾除塵研究和實(shí)踐中，人們嘗試了很多辦法。目前，能用于高溫狀態(tài)下的氣固分離技術(shù)主要有高溫旋風(fēng)除塵、金屬濾芯除塵、陶瓷濾芯除塵、高溫靜電除塵、顆粒層過濾除塵。各種除塵技術(shù)有其自身的特點(diǎn)及適用范圍，現(xiàn)針對(duì)粉煤熱解高溫油氣除塵需求進(jìn)行分析。

旋風(fēng)分離器具有耐高溫、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、安裝和維護(hù)管理、設(shè)備投資和操作費(fèi)用都較低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其對(duì)細(xì)微顆粒的除塵效率低，而粉煤熱解氣中塵顆粒粒徑較小，旋風(fēng)除塵器無法滿足除塵精度，影響后系統(tǒng)操作及油品質(zhì)量，因此只能作為預(yù)處理設(shè)備使用。

高溫靜電除塵試驗(yàn)表明，在500 ℃熱解含油的煤氣氣氛中，除塵器除塵效率在61%～78%之間波動(dòng)，運(yùn)行狀況良好[3]，但是除塵精度不足，產(chǎn)品焦油品質(zhì)無法保證。

金屬濾芯過濾器和陶瓷濾芯過濾器采用微孔過濾形式，均具有除塵效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是運(yùn)行一段時(shí)間后，陶瓷濾芯相對(duì)金屬濾芯而言，更容易因受到氣流的沖擊及熱應(yīng)力，而出現(xiàn)斷裂、破損現(xiàn)象，國內(nèi)所有殼牌煤氣化裝置均發(fā)生過斷裂問題[4]。金屬濾芯以FeAl為材料，其材料強(qiáng)度高、塑性形變量大，但是抗氧化性、抗硫性相對(duì)較差。

顆粒床過濾器主要優(yōu)點(diǎn)有耐高溫、抗磨蝕、過濾性能穩(wěn)定、對(duì)入口變化適應(yīng)能力強(qiáng)、過濾介質(zhì)費(fèi)用低、可以在固定壓降下操作、無需定期關(guān)閉和清潔[5]等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者以陶瓷球、膨脹珍珠巖和石英砂等作為濾料，對(duì)顆粒床過濾器除塵性能進(jìn)行了研究，但是清灰過程對(duì)設(shè)備的運(yùn)行成本造成一定的負(fù)擔(dān)[6-8]。

目前，顆粒床除塵器應(yīng)用于低溫干餾煤氣除塵領(lǐng)域尚存在不足：?jiǎn)我粸V料對(duì)細(xì)微塵粒的捕集效率不高、過濾介質(zhì)磨損嚴(yán)重、過濾介質(zhì)循環(huán)再生能耗大等[9]。本文在前期顆粒床高溫煤氣除塵工程示范研究[10]的基礎(chǔ)上，以滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定、低成本運(yùn)行為目的，從改善過濾介質(zhì)的強(qiáng)度、加強(qiáng)新設(shè)備的研發(fā)以及優(yōu)化除塵工藝等方面入手，為顆粒床除塵工藝的工業(yè)化設(shè)計(jì)提供參數(shù)，促進(jìn)顆粒床除塵技術(shù)在熱解煤氣除塵領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。

2 試驗(yàn)設(shè)備

針對(duì)過去高溫煤氣除塵裝置的試驗(yàn)情況，進(jìn)行如下分析：①采用雙層濾料顆粒床除塵，出口塵含量小于50 mg/Nm3，滿足除塵精度要求；②煤氣進(jìn)出口溫差較大，焦油易冷凝堵塞設(shè)備，后續(xù)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)解決保溫；③雙層濾料運(yùn)行3月后，濾層表面積灰不勻，局部出現(xiàn)濾層混亂；④濾料膨脹珍珠巖磨損率高，且膨脹巖結(jié)構(gòu)非規(guī)則且表面粗糙，清灰后仍有相當(dāng)部分粉塵附著在表面，不利于長(zhǎng)期運(yùn)行；⑤反吹流量偏大，運(yùn)行成本高。

為解決以上問題，對(duì)除塵器進(jìn)行優(yōu)化，重新建設(shè)中試裝置：①為降低過濾氣體進(jìn)出口溫差，設(shè)備采用內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽與設(shè)備外壁間襯120 mm硅酸鋁纖維。將設(shè)備內(nèi)過濾層的分布由原來的豎向布置改為橫向布置，縮短煤氣凈化路徑，減少過程散熱；②將雙層濾料進(jìn)行改進(jìn)，分為粗過濾層和精過濾層，兩層之間加設(shè)布風(fēng)板，使雙過濾層成為完全獨(dú)立的床層，避免上下層同時(shí)流化對(duì)反吹氣要求苛刻，這樣濾料的選擇范圍廣，操作運(yùn)行穩(wěn)定；③將粗過濾層濾料改為厚度為120 mm、粒徑1.0～1.4 mm的氧化鋁空心瓷球，精過濾層濾料改為厚度50 mm、粒徑0.5 mm的石英砂。兩者耐壓性、耐磨性較好、磨損率低，可大幅降低后期更換濾料的成本。

顆粒床試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為單臺(tái)方形結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)4組8個(gè)床層過濾器，過濾面積1.4 m2。過濾層上層由布風(fēng)結(jié)構(gòu)+1.0～1.4 mm氧化鋁空心瓷球組成，下層由布風(fēng)結(jié)構(gòu)+實(shí)心球紊流層+石英砂組成，粗過濾層和精過濾層完全獨(dú)立。

3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)裝置由熱風(fēng)系統(tǒng)、顆粒床除塵系統(tǒng)、反吹氣系統(tǒng)、加灰系統(tǒng)組成。熱風(fēng)爐采用燃?xì)鉄犸L(fēng)爐，燃燒煙氣通過配風(fēng)調(diào)節(jié)進(jìn)口溫度為500 ℃，通過給料機(jī)加灰系統(tǒng)加入粉煤灰，含塵煙氣進(jìn)入顆粒床除塵器，通過各級(jí)除塵濾層凈化后，由引風(fēng)機(jī)外排，定期檢測(cè)排出口塵含量。當(dāng)系統(tǒng)反吹時(shí)，部分外排煙氣通過反吹風(fēng)機(jī)加壓后作為反吹氣體，反吹溫度500 ℃，進(jìn)入需要反吹的床層，實(shí)現(xiàn)連續(xù)自清灰功能。反吹出的粉塵進(jìn)入中間灰斗，再經(jīng)水冷螺旋冷卻后，由提升機(jī)送入頂部灰斗，實(shí)現(xiàn)灰粉自動(dòng)循環(huán)。

過濾時(shí)，含塵氣自上而下穿過濾層，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)，反吹氣分兩股進(jìn)入，自下而上通過濾層，下層反吹氣體可使下層濾料流化，經(jīng)下層吹出的反吹氣體與上層反吹氣體匯合后進(jìn)入上層使上層濾料流化，這樣顆粒間的粉塵被氣流夾帶出去，達(dá)到快速清灰。分層流化不僅可以避免兩種濾料吹混，同時(shí)布風(fēng)更加均勻，減少床層死角，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。顆粒床高溫除塵試驗(yàn)流程見圖1。

圖1 顆粒床高溫除塵試驗(yàn)流程

4 試驗(yàn)過程

將粉煤灰作為氣體中需過濾的粉塵，通過控制灰斗給料機(jī)頻率來改變粉塵加入量。熱風(fēng)爐燃?xì)獠捎脕碜怨芫W(wǎng)的天然氣，調(diào)節(jié)過濾氣體進(jìn)口溫度為500 ℃，反吹氣體溫度為500 ℃，以前期試驗(yàn)情況為依據(jù)，取顆粒床表觀過濾風(fēng)速為0.2～0.4 m/s，反吹氣風(fēng)速試驗(yàn)中下層石英砂流化風(fēng)速約0.4 m/s。

試驗(yàn)過程中所用風(fēng)機(jī)、給料機(jī)均為變頻電機(jī)，采集的數(shù)據(jù)主要為溫度、流量、壓力、電機(jī)頻率、運(yùn)行電流。其中，溫度、流量、壓力通過熱電偶、流量計(jì)、壓力表等測(cè)量并由PLC記錄，其余數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程控制面板讀取，粉塵濃度定期由環(huán)境檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)。

5 試驗(yàn)結(jié)果與討論

為進(jìn)一步驗(yàn)證顆粒床在高溫含塵油氣除塵應(yīng)用的可行性，同時(shí)取得工業(yè)化顆粒床裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行參數(shù)評(píng)價(jià)：出口塵含量(驗(yàn)證其除塵效果)、除塵器溫降(論證其在干式高溫油氣除塵的保證性)、除塵器壓降(為設(shè)計(jì)中后續(xù)風(fēng)機(jī)的選擇提供設(shè)計(jì)依據(jù))、反吹氣量(為設(shè)計(jì)中反吹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù))。其中，前兩者作為除塵器的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，后兩者作為裝置運(yùn)行成本的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

5.1 出口塵含量的評(píng)價(jià)

經(jīng)江蘇國泰環(huán)境監(jiān)測(cè)有限公司檢測(cè)，含塵量為28 g/Am3時(shí)，顆粒物排放濃度為5.4 mg/Nm3；含塵量為50 g/Am3時(shí)，顆粒物排放濃度為13.1 mg/Nm3；含塵量為97 g/Am3時(shí)，顆粒物排放濃度為43.1 mg/Nm3，均小于50 mg/Nm3，除塵效率接近100%，除塵效果可滿足后系統(tǒng)要求。

5.2 溫降的評(píng)價(jià)

控制進(jìn)氣溫度為500 ℃，反吹氣體溫度500 ℃，分別以28 g/Am3、50 g/Am3、76g/Am3的含塵量加入煙氣中，每組試驗(yàn)周期15 d，每天同一時(shí)間記錄一組溫降數(shù)據(jù)，溫降與含塵量關(guān)系見圖2。

圖2 溫降與含塵量關(guān)系

由上圖可以看出，在此試驗(yàn)條件下，除塵進(jìn)出口溫差在17～24 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，含塵量大小對(duì)除塵進(jìn)出口溫差基本沒有影響。說明顆粒床除塵器保溫、氣體路徑均設(shè)計(jì)合理，可以避免因溫降大引起焦油析出情況的發(fā)生，保證干式高溫油氣除塵的可行性。

5.3 壓降的評(píng)價(jià)5.3.1 壓降與反吹間隔周期的關(guān)系

控制煙氣進(jìn)氣溫度為500 ℃，含塵量50 g/Am3，反吹間隔周期24 min、反吹間隔周期8 min、觀察壓降變化，將壓降數(shù)據(jù)繪圖(見圖3)。

圖3 壓降與反吹間隔周期關(guān)系

由圖中可以看出，壓降前期增幅較快，這是由于試驗(yàn)前期濾層較為干凈，隨著濾層上節(jié)流的粉塵量增加，顆粒間隙越來越小，使氣體通過床層的難度及阻力增大，到后期床層空隙趨于飽和，不會(huì)再繼續(xù)堆積，煙氣中的粉塵與顆粒床層內(nèi)的粉塵達(dá)到平衡，因此壓力降變化不明顯。在試驗(yàn)進(jìn)行26 d時(shí)，壓降迅速由6.5 kPa下降至4.3 kPa，這是由于將反吹間隔時(shí)間縮短，原來床層中粉塵的沉積速率小于吹凈速率，床層中粉塵量減少，導(dǎo)致壓降降低，隨后重新建立平衡；在第40 d時(shí)，增加反吹間隔時(shí)間，床層中粉塵的沉積速率大于吹凈速率，壓降上升至6.5 kPa，重新趨于平衡。具體生產(chǎn)操作時(shí)，可根據(jù)壓降情況，調(diào)整反吹時(shí)間和反吹間隔周期，以便更好地服務(wù)于生產(chǎn)。

5.3.2壓降與粉塵濃度的關(guān)系

控制進(jìn)氣溫度為500 ℃，反吹間隔周期為24 min，分別以50 g/Am3、76 g/Am3的粉塵量加入高溫?zé)煔庵?，觀察壓降變化，每周記錄10組數(shù)據(jù)，將壓降數(shù)據(jù)繪圖(見圖4)，共記錄6周。

圖4 壓降與粉塵濃度關(guān)系

由上圖可以看出，粉塵濃度越高，達(dá)到平衡時(shí)的壓降越大，前期床層壓降增幅也越大。具體設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)處理氣體含塵量，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)升壓設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取。

5.4 反吹氣量的評(píng)價(jià)

控制煙氣進(jìn)氣溫度為500 ℃、含塵量50 g/Am3、反吹間隔周期為24 min一循環(huán)，上層布風(fēng)板分別選用結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二；濾料分別選用1.0～1.4 mm氧化鋁空心瓷球、1.0～1.2 mm氧化鋁空心瓷球。反吹氣流量與布風(fēng)結(jié)構(gòu)及濾料直徑的變化關(guān)系見圖5。

圖5 反吹氣量與布風(fēng)結(jié)構(gòu)、濾料規(guī)格關(guān)系

由圖中可以看出，采用優(yōu)化布風(fēng)板結(jié)構(gòu)二、濾料直徑選擇1.0～1.2 mm氧化鋁空心瓷球，反吹氣流量相對(duì)試驗(yàn)初期布風(fēng)板結(jié)構(gòu)一、濾料直徑選擇1.0～1.4 mm時(shí)大幅減小，這是由于流化速度與濾料的密度和粒徑，以及氣體的密度和黏度有關(guān)[11]。在減少顆粒密度或粒徑時(shí)，流化速度降低，同時(shí)優(yōu)化布風(fēng)板后，床層阻力減小，布風(fēng)更加合理，氣流平穩(wěn)，流化均勻，優(yōu)化后上層床層流化風(fēng)速約0.65 m/s，反吹氣流量減少30%，可以有效降低運(yùn)行費(fèi)用。且優(yōu)化布風(fēng)結(jié)構(gòu)后，經(jīng)3個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行，除塵器停機(jī)后檢查設(shè)備，無掛灰現(xiàn)象。在實(shí)際運(yùn)行中，由于反吹氣需要加壓和升溫，所以反吹氣量越低，運(yùn)行成本也隨之降低。通過試驗(yàn)摸索，尋找最佳組合模式，從而為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

6 結(jié)語

(1)顆粒床除塵技術(shù)除塵效率高，凈化后氣體含塵量<50 mg/m3，溫降低，可運(yùn)用于高溫含塵油氣的除塵。

(2)顆粒床除塵器壓降隨反吹間隔周期的延長(zhǎng)而增大，工業(yè)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理考慮除塵裝置的壓降。具體運(yùn)行中，當(dāng)壓力增大到設(shè)定值時(shí)，可適時(shí)縮短反吹間隔周期，延長(zhǎng)流化時(shí)間，清除濾料表面積灰。

(3)通過優(yōu)化除塵器的布風(fēng)板及濾料粒徑，使反吹氣量減少30%，為工業(yè)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，極大降低了運(yùn)行費(fèi)用。