高溫廢氣過濾除塵技術研究進展
摘要:介紹了高溫廢氣除塵技術的種類及特點,討論了過濾式除塵器的種類和過濾機理,重點綜述了國內外高溫廢氣除塵技術的研究現狀,最后探討了高溫廢氣除塵技術的發展趨勢。
關鍵詞:高溫廢氣,過濾,研究進展
1 高溫廢氣除塵的特點
冶金、機械、化工、電力等行業的各種工業爐窯所排放出來的廢氣不僅溫度高,而且含有大量的粉塵和有害氣體,是造成環境污染的主要因素之一。高溫條件下,由于廢氣黏滯力有較大變化,濕度大幅下降,細顆粒凝聚現象大為降低,所以對微粒的分離有較高難度[1 ] 。布袋式除塵器不能承受廢氣的高溫,濕式除塵使其熱能不能得到綜合利用;靜電除塵存在一次性投資高,占地面積大和絕緣等方面的問題[2 ,3 ] 。目前,我國高溫含塵廢氣的處理方法大多是通過水冷凝,將高溫廢氣降至200 ℃左右,再用布袋除塵器除塵,這不僅增加了冷凝設備的投資和運行費用,也使大量的熱能流失[4 ] 。因此,新的高溫廢氣除塵技術是亟需開發的重要課題。
2 高溫廢氣除塵技術的種類
高溫廢氣除塵技術有:旋風除塵、濕法除塵、靜電除塵、過濾除塵等。
EPRI 曾綜合除塵效率、經濟性等因素,對各種高溫氣體除塵技術作過總結,結果如表1 所示[5 ] 。
 |
3 過濾除塵器的主要種類
3. 1 袋式過濾除塵器
袋式除塵器是目前使用最多的過濾式除塵器。其除塵效率高,對亞微米級粉塵也有很高的除塵效率,不會造成二次污染,便于直接回收干料。袋式除塵器在大氣污染的治理方面做出了巨大貢獻,目前國內外應用越來越廣,已占除塵設備的80 %。但在燃煤電廠鍋爐高溫除塵等方面,袋式除塵技術尚未能完全適應,有待進一步改進和完善,這與濾材性能提高和技術進步密切相關。
濾料是組成袋式除塵器的核心,其性能對袋式除塵器操作有很大影響。選擇濾料時必須考慮含塵氣體的特征,如粉塵和氣體性質(溫度、濕度、粒徑和含塵濃度等) 。性能良好的濾料應容塵量大、吸濕性小、效率高、阻力低、使用壽命長, 同時具備耐濕、耐磨、耐腐蝕、機械強度高等優點。
3. 2 顆粒床過濾除塵器
顆粒床除塵器是利用物理和化學性質非常穩定的固體顆粒如石英砂等組成過濾層,通過顆粒間的空隙和曲折通道來發揮過濾作用,實現對氣體的除塵。顆粒床除塵器具有耐高溫、持久性好的優點,且能自清灰而實現連續過濾除塵,除塵效率一般在90 %以上,最高可達99 %。
3. 3 全濾餅式過濾除塵器
全濾餅式過濾除塵器(表面過濾器) 的濾材僅僅起一個支撐濾餅的骨架作用,系統始終維持在一個最優的濾餅厚度范圍內, 讓粉塵形成的濾餅高效過濾粉塵。它具有耐高溫 (1 000 ℃) ,不易結霧,不易堵塞,清灰效果好,操作維修方便,價格低等特點,對于超細粉塵(5μm 以下) 的煙氣排放質量濃度可控制在5 mg/ m3 以下,特別適用于處理粘附性強及吸濕性強的粉塵[6 ] 。
3. 4 燒結多孔金屬過濾除塵器
燒結金屬除塵是利用燒結金屬多孔材料對含塵氣體進行凈化。燒結多孔金屬過濾器可以對5μm以下的塵粒進行精細除塵。在常溫下,多孔金屬材料具有整體強度好(強度是陶瓷材料的數倍) ,不發生斷裂,長期工作穩定等優點[7 ] 。但是在高溫下,其強度和耐蝕性低于陶瓷材料。
3. 5 多孔陶瓷過濾除塵器
從20 世紀70 年代以來,世界先進國家一直不斷研究各種材質和結構的多孔陶瓷過濾器,用來進行高溫過濾除塵, 已取得了良好效果。多孔陶瓷的主要物理性能指標是孔隙率、滲透率、彎曲強度。研究表明,與其他類型的除塵器相比,多孔陶瓷過濾器的除塵效率高,可達99 %以上,能除去5 μm以上的塵粒,且結構簡單,最重要的是耐高溫,工作溫度可達800 ℃以上,并且在氧化、還原等高溫環境下具有良好的抗腐蝕性,因此多孔陶瓷過濾器在高溫除塵方面可起重要作用[8 ,9 ] 。
多孔陶瓷的制造方法主要有無粘結劑燒結工藝、反應燒結工藝和化學蒸汽滲透工藝。制造多孔陶瓷的材料分為氧化物材料(氧化鋁、堇青石等) 和非氧化物材料(碳化硅、氮化硅等) 。選擇和設計多孔陶瓷的材料和制備工藝,對陶瓷過濾器的性能及價格都有直接影響[10 ] 。
陶瓷過濾器按其結構型式可分為:陶瓷纖維袋式過濾器、織狀陶瓷過濾器、燭狀(或管狀) 陶瓷過濾器、交叉流式陶瓷過濾器、蜂房式過濾器幾種[8 ] 。按陶瓷材料特性又可分為剛性陶瓷過濾器、柔性陶瓷過濾器。
陶瓷纖維過濾器和織狀過濾器的柔度較大,故稱為柔性陶瓷。該種陶瓷的形狀極易改變,可做成多種形狀,其核尺寸較大,晶格密度較小。其組成材料包括:各種配比的氧化硅、氧化鋁、氧化硼組合;氧化鋁、氧化硅石組合;碳化硅、氧化硅組合。
燭狀過濾器、交叉流式過濾器、蜂房式過濾器均屬剛性陶瓷過濾器。剛性陶瓷過濾器材料可用氧化物、非氧化物及其混合物組成,最普遍的氧化物包括:氧化鋁、多鋁紅柱石 (3Al2O3·2SiO2) 、堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2) 、硅酸鋁泡沫、黏土組合鋁、火燒黏土及由化學蒸汽滲透(CVI) 而產生的連續陶瓷纖維組合而成。非氧化物包括:黏土結合的碳化硅、燒結的氮化硅、再結晶碳化硅及由化學蒸汽滲透(CVI) 而產生的碳化硅強化纖維。剛性陶瓷的核尺寸較小,晶格密度較高。見報道的日本Asahi 公司生產的均質堇青石陶瓷濾管孔徑為40 - 60 mm ,耐溫達1 000 ℃,抗熱沖擊性較好[11 ] 。
泡沫陶瓷過濾器是一種氣孔率高達70 % - 90 % ,體積密度只有0. 3 - 0. 6 g/ cm3 ,具有三維立體網絡骨架和相互貫通氣孔結構,強度沒有方向性的變化的多孔陶瓷制品。泡沫陶瓷使用方便、價格便宜、制造工藝簡單,通常用回彈性高、孔徑均勻的泡沫塑料作為前驅體浸漬陶瓷料漿燒制而成。它除了具有耐高溫、耐腐蝕等一般陶瓷所具有的性能外,且具有密度小、氣孔率高、比表面積大,對流體自擾性強等特點[12 ] 。
4 國外高溫過濾除塵技術的研究現狀
美國高溫氣體陶瓷凈化除塵技術的研究起步較早,其主要的代表技術有陶瓷過濾技術、顆粒床過濾技術和錯流過濾技術等[5 ] 。
全美從事陶瓷除塵技術的機構很多,其中Westinghouse (西屋) 是最典型的一個。其陶瓷管高溫氣體過濾技術較為成熟,具有以下特點: ①整套系統具備相當高的除塵效率,且壓力損失始終保持穩定; ②密封、金屬結構及脈沖反沖管具備良好操作特性; ③瓷管的整體機械強度高; ④系統可靠性好,這主要表現在系統操作范圍寬且不形成灰餅等。
德國Schumacher 公司、美國西屋公司、日本的AsahiGlass 公司等[8 ] 已開發出燭狀陶瓷過濾器,除塵效率均達99 %以上。燭狀陶瓷過濾器適用于高溫(260 - 1 093 ℃) 、高壓(1. 0 - 3. 0 MPa) 條件下塵粒去除。當輸入載荷達0. 5 %時,輸出塵粒粒度小于0. 5μm ,體積分數低于5 ×10 - 6 ,滿足高溫高壓煤(煙) 氣凈化要求。英國Grimethorpe 電廠測試了燭狀陶瓷過濾器特性[8 ] 。
美國西屋公司開發的交叉流式過濾器[8 ] 可在650 - 900 ℃,1. 0 - 3. 0 MPa 條件下運行,在加利福尼亞Montebello 的 Texaco 氣化爐上做了示范試驗并經過了8 000 h 的測試。日本旭硝子株式會社[12 ]開發研制的高溫廢氣處理用陶瓷過濾器為圓管狀多孔堇青石(LOTEC - M) ACTF 型陶瓷管過濾器,孔徑為40 - 60μm ,方向孔徑無梯度,通孔率為16 % - 22 % ,抗彎強度為15 - 18 MPa ,耐熱性優良, 可處理高達 1 000 ℃的高溫含塵煙氣,幾乎能100 %地過濾直徑大于孔徑的1/ 20 以上的粉塵。為了使過濾器能連續運行,采用反洗的方式進行定期清灰,即通過安裝在各清潔室出口的噴射器,將高壓反洗氣流短時間吹入清潔室內,一般在0. 2 - 0. 3 s 完成, 并可聯機反洗, 其收塵效率達99. 999 %。芬蘭的 Ahlstrow公司和美國的Babcock&Wilcox 公司等鍋爐制造廠都引進了ACTF 技術。
旭硝子株式會社還開發了APT 型顆粒捕集器。該捕集器的過濾器主要材質為堇青石。堇青石是以電熔法制造的堇青石玻璃經結晶化處理而制得的。將堇青石制成具有一排貫穿孔的平板,并在一邊預留一定間隔的狹縫(用于凈化氣體的排出) ,然后將一定數量(根據處理廢氣量確定) 的平板疊層制成過濾器部件,整體呈盒狀。其常用規格為:高140 mm ×寬103 mm ×長200 mm、體積2. 9 L、重量1. 8 kg、貫通孔形狀3 mm ×5 mm(橢圓形) 、貫通孔數量17 ×37、過濾面積0. 9 m2 。一般采用高壓空氣(0. 6 - 0. 8 MPa) 脈沖氣流進行反吹,將顆粒堆積層吹落,反吹時間為0. 2 - 0. 5 s。APT裝置在1 000 h 運行考核中,顆粒捕集率在96 %以上,壓力損失保持在9 - 11 kPa。
俄羅斯S.V. Entin 等[13 ]進行了耐火材料生產中除塵工藝的研究,并設計出一套實驗裝置。該裝置采用的是盤狀多孔不銹鋼過濾板對含塵氣體進行過濾。除塵過程中,含塵氣體通過進氣管進入過濾器的除塵室,粉塵粒子沉積到過濾體的外表面,處理后的氣體穿過過濾體進入凈氣室,最終由出氣管排出。采用U 形管壓力計測定過濾阻力,通過過濾器的氣體體積由壓縮空氣測量試管和MMN 微型壓力計控制,過濾效果由過濾器內外氣體的含塵濃度對比進行評價。該裝置適用于建筑材料、食品、化工、冶金以及核電等行業。俄羅斯B.L. Krasnyi 等[14 ] 深入研究多孔陶瓷過濾元件后認為:利用多孔陶瓷作為過濾元件具有很多優點,如高的使用溫度和高的耐熱性、耐腐蝕、抗振性,能同時除去粉塵及氮氧化物等。但該種陶瓷必須利用特殊工藝進行生產,以便控制其孔徑和孔徑分布。這種多孔陶瓷根據拓撲學規律可以分為2 類,即:有組織性和無組織性微觀結構材料。無組織性微觀結構的陶瓷由粉末和纖維或兩者混合而成。由粉末制得的多孔陶瓷開孔率為20 % - 45 % ,孔徑為5 - 400μm。而由纖維制得的多孔陶瓷開孔率為30 % - 90 % ,孔徑為5 - 200μm。有組織性微觀結構的多孔陶瓷包括網狀、細胞狀、蜂窩狀等結構,其結構由預置系統決定。網狀結構的材料由紡織或編織機制得的陶瓷纖維所制成,其開孔率為20 % - 80 % ,孔徑約20 - 200μm ,但是由于其高溫下使用壽命短,用壓縮空氣噴吹清灰再生后易破壞,所以未能得到廣泛應用。由陶瓷片充填細胞狀泡沫多孔脈石制得的細胞滲透陶瓷材料其開孔率為75 % - 95 % ,孔徑為200 - 500μm;而采用特制鋼模擠壓可塑性陶瓷粉末或其與纖維質混合物所制得的細胞滲透材料,其生坯干燥焙燒后開孔率為50 % - 80 % ,方形開孔尺寸約800 - 7 000μm。B. L. Krasnyi 等最終研制出FKI - 45 除塵器,屬袋式除塵器。裝置中采用盤狀多孔滲透陶瓷制造管狀過濾器件,直徑為60 - 62 mm ,厚度約8 - 23 mm , 可以耐1 000 ℃高溫。
日本Imada. K. 等[15 ]在廢氣除塵移動床材料的研究中, 用作移動床的材料為顆粒直徑1 - 10 mm、氣孔率20 % - 60 %的多孔粒徑材料。該移動床材料已被應用于煉鋼、煉鐵、焦炭爐的廢氣除塵。
英國太棉公司(TENMAT) 研制的太棉高溫氣體過濾器是專門為超過袋式除塵器、電除塵器等傳統除塵器所承受的工作溫度而開發的一種硬式表面過濾器。太棉可長期應用于 1 200 ℃的高溫煙氣系統,最高可耐1 600 ℃,使用過程中遇火不燃燒,具有超強的耐酸堿性能,使用壽命長達10 a 以上, 而袋式除塵器一般1 a 多就需更換。同時,太棉除塵器能過濾小于1μm的塵粒,過濾效率達99. 99 %以上。由于太棉過濾器濾料好、設備簡單、壽命長、不用維護等優勢,使得除塵總費用遠遠低于袋式除塵設備。
5 國內高溫過濾除塵技術的研究現狀
我國現有工業窯爐近20 萬座,年耗煤(焦炭) 量約2 億 t ,在生產過程中,排放大量高溫含塵有害氣體,嚴重地污染了大氣環境。其排放尾氣的特點是:溫度高,含塵濃度高,黑度大,溫度和煙氣量變化范圍廣。
我國鍋爐除塵裝置制造技術已經歷了4 個發展階段, 即:干式旋風除塵,文丘里水膜除塵,高壓靜電除塵,袋式除塵[16 ] 。
廣東省東莞市垃圾電廠鍋爐上已成功地應用袋式除塵裝置,其除塵效率高達99 %以上。目前采用袋式除塵的鍋爐最大已達680 t/ h。寶鋼在高爐建設時所采用的也是布袋除塵器,除塵效果良好,實現了“無超標排放”的目標[17 ] 。北京市勞動保護科學研究所齊金彥等[18 ]開發研究了陶瓷微孔管過濾式除塵器,其結構及過濾機理與袋式過濾器相同,不同的是陶瓷微孔管在反吹時形狀保持不變,所形成的一次粉塵層免遭破壞,除塵效率保持不變。高溫煙氣用陶瓷質微孔管過濾式除塵器,不需采用降溫冷卻措施,可省去部分投資,并可進行熱回收。該除塵器除塵效率高,過濾后的潔凈氣體對熱交換管束不存在腐蝕和堵塞問題。該除塵器耐磨損、耐急冷急熱性能好,使用壽命長。
華中科技大學姬宏杰等[19 ]利用泡沫陶瓷對高溫焦爐煤氣過濾技術進行了實驗研究。孔隙率為85 %的泡沫陶瓷片在模擬氣體(粉塵粒徑為75μm以下) 流量為0. 15 - 1. 05 L/ h 時,其粉塵過濾效率均> 90 %。
清華大學資新運等[20 ]建立了基于泡沫陶瓷微粒過濾單元的三維物理模型和氣粒兩相流模型。通過模擬計算,分析了氣體流速、微粒粒徑、泡沫陶瓷微孔參數對微粒擴散攔截和慣性碰撞攔截效率的影響。
西安交通大學高鐵瑜[21 ]對燃煤聯合循環陶瓷過濾器過濾流動進行了深入的研究,分析了影響陶瓷過濾元件過濾性能的幾種重要機制以及重要的影響因素,提出“實際分級最小厚度”概念,這是過濾精度在陶瓷過濾元件壁厚上的度量值,有望為今后陶瓷過濾元件的優化設計提供必要的理論依據。同時提出: ①在陶瓷過濾元件制備時,應盡可能選取直徑相近的陶瓷顆粒; ②錐狀截面陶瓷過濾元件的壓降要稍低于柱狀截面陶過濾元件的變化幅度,而且相同的位置處壓降和速度值也低些,在同一流速下,壓降隨陶瓷顆粒直徑的減小而增大; ③為減小或消除過濾過程的粉塵“架橋”現象,應該使孔隙率沿軸向從封閉端到開口端逐漸增大,孔隙率沿軸向的這種變化對脈沖反吹清洗也是有利的; ④脈沖反吹清洗過程中,燭狀陶瓷過濾元件沿軸向各個部位脈沖壓力峰值隨著噴射壓力的增大而增大。陶瓷過濾元件開口端壓力峰值明顯高于中部和封閉端壓力峰值,而中部、封閉端壓力峰值接近。
西安交通大學徐廷相等[22 ]研究了含塵超音速高溫高壓氣體的氣固兩相分離過程,提出了用增加縮放噴管長度的方法,使含塵高溫高壓氣體中的灰塵顆粒獲得實現氣固兩相分離所必需的更高動量的途徑。采用這種氣體凈化概念有可能使大于5μm的灰塵顆粒和大部分小于5 μm 的顆粒從含塵氣體中清除掉。
中國科學院山西煤炭化學研究所楊金權等[23 ]采用D50 mm ×480 mm等效孔徑40μm普通不銹鋼制作了高溫燒結金屬絲網過濾器進行了試驗。煤氣溫度為460 - 638 ℃,進口粉塵質量濃度為1. 0 - 25. 0 g/ m3 ,在不同入口粉塵質量濃度及不同過濾氣速下,過濾效率均大于99 % ,最高達99. 9 % , > 20μm的顆粒去除率為100 %。試驗系統連續運行穩定, 過濾元件(管) 反吹性能良好,安裝固定容易,無損壞現象。該研究在過濾效率、反吹清灰及運行特性方面取得了較好效果,為該技術進一步開發奠定了基礎。
上海化工研究院黃曉衛等[24 ]開發的全濾餅式過濾除塵器,濾餅為不銹鋼濾料,除塵效率理論值幾乎為100 % ,其在結構形式上及清灰技術上都有與眾不同之處,除塵流程操作全部由可編程序控制器(PLC) 控制,極易與計算機接口。此過濾器的另一關鍵技術是采用了大通量的高溫程控延期換向閥,這種具有特殊結構形式的高溫煙氣換向閥的開發成功是整個高溫煙氣除塵技術的重要保證。它可以實現高精度要求的除塵,對于一定粒度的粉塵,出口濃度(過濾效率) 可以通過控制過濾風速,過濾材料和過濾阻力而達到。
國家電力公司熱工研究院許世森[25 ]研究溫度等因素對移動顆粒層過濾高溫除塵性能的影響規律,首次提出溫度與捕集比的理論關系式,并進行了實驗驗證,得到了移動顆粒層在高溫狀態下進行過濾除塵的實驗結果,為移動顆粒層過濾高溫除塵工藝的放大和工程化打下基拙。
國家電力公司熱工研究院夏軍倉等[26 ]研究開發出一套移動顆粒層高溫高壓煤氣除塵中試系統,通過實際煤氣考核試驗研究,積累和掌握了系統的運行規律和設計依據,為進一步實現工程化奠定了基礎。試驗表明,該過濾器能實現連續穩定的除塵過程,除塵效率較高,可達99. 65 % - 99. 80 % , > 20μm的顆粒去除率為100 %。大型化后可適用于高溫氣體的過濾除塵。
6 高溫煙氣過濾除塵技術的發展趨勢
(1) 加強泡沫陶瓷高溫高效除塵技術的研究,提高陶瓷過濾器的除塵效率及其韌性,改善其清灰再生技術,延長使用壽命。
(2) 進一步提高袋式除塵設備的性能,使其適應于高溫、高含塵濃度、大煙氣量的需要,延長其使用壽命。
(3) 重視除塵機理研究,探索現有各種除塵技術的基本規律,作為設計和改進設備的依據。
(4) 加快對顆粒床除塵器的研究,提高其對細微塵粒的捕集效率,進一步研究系統磨損問題及運行的控制因素。目前,高溫煙氣除塵技術發展迅速,特別是美、德、日正努力控制煙氣含塵排放濃度趨向目視為“零”,即除塵器出口濃度接近大氣中的含塵濃度。因此,我們必須緊跟世界步伐,與國際接軌,加強與國際社會在環境保護方面的深入合作,充分借鑒利用高新技術,不斷創新,開發出經濟實用的新型高溫高效煙氣除塵設備。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
