高温烟尘颗粒捕集技术探讨

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简介： 本文探讨了高温烟尘颗粒特性对除尘器的影响，具体介绍当前高温烟尘的捕集方式及其烟尘捕集方式的优劣，提出高温烟尘除尘技术存在的问题及研究发展方向，它对于节能具有重要意义和广阔的应用发展前景。
关键字：高温　烟尘颗粒　捕集

1.概述
　　 高温含尘气体净化或气固分离的问题，在化工、石油、冶金、能源及其他行业中都是十分重要的关键问题之一，在工业生产过程中常产生高温含尘气体，由于不同工艺需要或回收能量，以达到节能的目的，或者满足环境要求达到环保排放标准，都需对高温含尘气体进行除尘，在高温条件下，随着温度的增加，作用在运动颗料上的粘性阻力增加，高温时采用的设备材质结构形式以及热膨胀等工程问题会影响设备协调的有效正常运行，因此，高温条件下气固分离技术是一个有较高的难度且亟待开发的课题，在国内外极受重视，它不仅对环境污染起着极其关键的作用，而且是保护动力设备、防止设备的腐蚀及磨损、大幅度提高动力设备系统的效率及提高设备安全运行及节能的必要措施，它的理论研究及应用技术开发研究具有重要意义和经济价值。
2.高温烟尘颗粒的特性
　　 温度影响分离器性能最基本的原因，是当温度变化时含尘气体的一些性质如密度、粘度等发生改变，影响烟尘颗粒的运动规律及特性，从而影响分离器的分离效率，并同时对分离设备提出耐高温的特殊要求。高温高效除尘技术的特点是：所要求净化的含尘气体温度高(600～1400℃)；颗粒细(通常dp<5～10μm，甚至亚微米级)；净化标准高，出口浓度常要求10～50mg/Nm3，甚至更小。对于如此苛刻的要求，采用简单的气固分离设备是远远达不到的，目前常采用离心机理及过滤机理的分离器或其组合，对于离心分离器，原则上温度净效应将会减少分离器的分离效率。
　　 不过至今，在高温情况下如何影响分离器内的气固分离机理的确不是很了解，在很大程度上仍是通过试验手法来探索温度对颗粒分离机理的影响，即使如此，目前这方面的试验研究结果也不是很充分，这方面研究有待深入，它对提高颗粒分离及能源利用具有重要意义。
　　运动颗粒粘性阻力增加，给旋风分离带来的不利影响，而未分析及考虑随着温度增加，细微颗粒的热团聚作用将会更突出，加之在旋风分离器内存在着明显的梯度团聚和湍流团聚，而细微颗粒的团聚势必形成质量较大颗粒团，当微团质量大于临界分离颗粒质量时，就会被旋风分离器分离。显然，从理论上分析，随温度增加，团聚作用增加，团聚有助于旋风分离除尘效率的提高。有人进行了一个900℃下带预团聚的旋风分离试验。即在旋风分离器前，加入1个高温旋风风筒，旋风筒中采用简单的导向叶片，使得高温含尘气流适当旋转以促进尘粒的团聚和粘结，然后，再进入旋风分离器中分离，研究结果表明，带预团聚的分级分离效率在高温状态下比不带预团聚的分级分离效率高。而且也接近或超过了常温下的分级分离效率。分级分离效率曲线仍然表现出细微粒效率升高的现象。因此，在高温下(800—1000℃)利用预团聚，可以提高旋风分离对微细烟尘颗粒的捕集效率。
　　 由此表明，虽然高温条件下，随着温度的升高，其颗粒的捕集分级分离效率下降，但在高温条件下，亦存在可加以利用团聚作用的有利条件。进一步研究高温预团聚对旋风分离的影响规律，并进行充分有效的利用，可以提高分离效率，变高温不利因素为有利因素，达到在高温条件下，高效率除尘的目的。它对于有效地利用高温烟气体提高热交换器的热效率及热交换器的运行寿命起着极其关键的作用。
　　 对于过滤分离器而言，驱使烟尘颗粒碰撞到捕尘体的机理很多，其中主要有惯性、截留、扩散、重力及静电等。
　　 对于惯性捕集效率主要为无因次量Stk数的函数，Stk=颗粒惯性力/粘性阻力=其中Cu——Cunningham修正系数，ρp——颗粒密度，dp——颗粒直径，Vo——流体特征速度，μ——流体动力粘度，df——捕集体直径。
　　 对气体而言，温度升高，将使粘度μ变大，密度ρg变小，Cu值变大，扩散系数Dmp变大，Stk数的变化不确定。因此，随温度升高惯性捕集效应的变化亦表现出不确定性。
　　 对于截留效应与Stk数无关，而只是气流流线及颗粒尺寸与捕集体尺寸的比值R的函数，随着温度的升高，颗粒的团聚作用增加。因此，截留效应可能会随着温度的增加而升高。
　　 对于扩散效应，显然，随着烟尘颗粒减小，流速减慢，温度的增加，尘粒的热运动加速，从而与捕尘集体的碰撞效率也增加，即扩散系数Dup变大，扩散效应增强，扩散捕集效率增加。
　　 对于重力效应，因为随着温度增加，凝并及团聚作用的明显，可能会使颗粒的尺寸增加，质量增加，因此，随着温度的升高，从理论上讲，重力效应可能会具有增大的趋势。
　　 对于静电效应，根据粉尘比电阻与温度的关系，在低温时以表面导电为主，当温度超过200℃的高温时，粉尘的导电以容积导电为主。因此，高温导电时比电阻降低，出现反电晕机会少，而且高温时灰尘的流动性好，容易振落，电极不易积灰，能减少电晕闭塞的可能性。
　　 综上所述，由于过滤捕集效率由许多机理综合作用的结果，因此，温度的变化对其过滤效果的影响因素较多，也较复杂，德国亚琛工业大学的研究表明，在60℃—  800℃温度变化范围内不同脉冲反吹清扫气流压力下，含尘烟气经棒式陶瓷元件过滤后，清洁气流中的粉尘浓度为1—100μg/Nm3。陶瓷过滤器的工作温度对除尘效率的影响不大，没有规律性的影响。
3.高温烟尘的捕集方式
4.各种高温烟尘捕集方式的特点及优点
4.1　常规高温旋风分离器
　　 高温旋风分离器的分离机理为离心分离，其机理决定了不适用分离小于5—10μm的颗粒，该除尘器一般达不到环保要求，通常只能作为高温除尘的预处理，目前在能源、化工、石油等行业中采用的高温旋风分离器，一般要求将800℃左右的高温燃气中尺寸大于10μm以上的颗粒全部除净，最终排尘浓度低于200mg/m3，高温旋风分离器一般处理固体浓度较高，具有较高的温度，并起着防磨损作用，以延长旋风分离器的使用寿命。它具有结构简单，操作方便，造价较低等优点。根据不同材质及耐磨措施，可用于不同温度及高磨蚀场合下。
4.2　方形高温下排气旋风分离器
　　 方形高温旋风分离器的最大结构特点为其外形为非圆形，一般采用方形，它的筒体可采用加工相对容易的水冷或汽冷膜式壁组成，可大大降低成本，由于采用膜式壁结构，因此其内部无需敷设很厚的耐火层，而仅需敷高40—150mm厚耐火层即可，从而提高了系统启停的灵活性，体积尺寸也相对减少，再者，分离器的膜式壁还可与反应器如循环流化床炉膛共用，使得系统更为紧凑，方形分离器的缺点是其高腔角落会对分离器的性质产生一定的不利影响。当切去方腔的除进口外的其余三个角落时，可明显提高分离器的分离效率。
4.3　方形高温下排气旋风分离器
　　 方形高温下排气旋风分离器的特点及优点，基本上于上排气旋风分离器相同，它的不同点反映在出气管道为下排气式，这样可布置在锅炉尾部烟道的上方，使锅炉整体结构显得更为紧凑。
4.4　高温逆流式卧式旋风分离器
　　 此种分离器的分离筒体为卧式，它与高温反应器紧密配合。从而直接分离出的固体颗粒直接返回流化床中，减少了复杂的外部物料回料系统，使得反应器不再为分割的两个部分，使整个系统更为紧凑，这种分离器还具有减轻旋风筒内磨损等特点。
4.5　耐高温滤料袋式除尘器
　　 各种耐高温滤料制成的袋式除尘器，使得过滤机理可用于高温烟尘的捕集，90年代初，国产覆膜滤料的问世和成功应用，为我国实现了高效、低阻、耐高温、抗腐蚀的表面过滤，提供了重要的物质条件。PTFE覆膜滤料具有可耐250—300℃高温，滤尘效率可达99.99％以上等优点。袋式除尘器适宜于捕集浓度变化范围较大、粒径较细的颗粒，评价袋式除尘器性能优劣的主要性能指标有压降、捕集效率、清灰性能及耐久性。而这些性能在很大程度上取决于滤料的性能。因此，高效、耐高温、可过滤有害气体或烟气中脱硫、脱硝的新型滤料的研制，对高温气体的除尘具有重大的意义和应用价值。
　　 上述各种滤料过滤器的缺陷是不适用温度较高的场合，滤料的耐高温性能使应用受到了限制，高温高效滤材的研究，严重制约高温过滤器的工业应用。从目前国内应用情况看，超过250—300℃以上的过滤器除尘器的工业应用基本还是空白。因此，迅速开发高温表面过滤器是当前高温除尘研究中的亟待研究解决的问题。
4.6　高温表面过滤器
　　 高温表面过滤器是目前正在开发研制的新型过滤器，它的滤材仅仅起一个支撑滤饼骨架的作用，利用可编程程控器(PLC)，使系统始终维持一个最佳的滤饼厚度，它可耐600℃～1000℃温度，具有超高效、易于清灰、运行阻力低等优点，具有广阔的应用前景。
4.7　高温过滤器
　　 高温过滤器目前国外常用于煤气化燃气－蒸气联合循环发电(IGCC或CGCC)和增压流化床燃气－蒸汽联合循环发电(PFBC－CC)等直接燃煤燃气机系统中，要求除净dp>5μm的颗粒，达到出口浓度<12mg/m3或C<1.8～2mg/Nm3。它主要包括金属纤维过滤器和微孔陶瓷过滤器。
　　 金属纤维过滤器一般用于650℃以下，它具有抗机械冲击，抗温度冲击性能较好，除尘效率高等优点，但在高温下存在腐蚀问题和滤材价格较高等缺点。比利时研制的Fecralloy纤维工作温度可达1000℃。效率在99.999％以上，但价格在5000元/m2。
　　 高温陶瓷过滤器是最有前途的高温除尘设备，其主要的捕集过程发生在过滤器表面聚集的尘粒层(滤饼)中，惯性、截留、碰撞和重力等捕集机理在每一过滤循环中，作用是很短暂的，过滤器清灰之后一旦滤饼形成，筛滤作用就成了主要机理，由高密度陶瓷材料制成的陶瓷过滤器元件，主要有棒式、管式、交叉流式三种，可抗700℃以上高温，能达到较高的除尘精度，该过滤器的主要缺陷是过滤元件易于损坏，除尘器械的结构上连接困难，价格高，高温陶瓷过滤器需进一步研究的课题主要有：研究和改进减少过滤元件的损坏；改进对热冲击的抵抗能力；对化学反应破坏的机理进行研究；改进过滤器的整体结构设计；改进过滤元件的材料等。
4.8　颗粒床高温过滤器
　　 颗料床过滤器为达到过滤高温气体的目的，需用耐高温的颗料介质作为滤料，石英砂等一般可满足要求，它不仅耐磨，在300℃～400℃下可长期连续使用，这种过滤器具有耐高温、抗冲击、耐腐蚀、除尘效率较高及过滤介质费用低等优点。因而，近几年发展很快。
　　 颗料床过滤器主要是通过颗料间的空隙和曲折道来发挥除尘作用，除了直接拦截外，它还汇集了布朗扩散、重力沉降和静电力等多种除尘机理。
　　 该种过滤器按床层的流态可划分为：固定床、移动床和流化床等型式，过滤效率还不高，因而离工业广泛应用还有一段距离。
　　 颗料床过滤器在高温烟气除尘中，具有较好的应用前景，通过进一步的深入研究和设计上的改进，颗料层过滤器还可以与烟气脱硫相结合，从而拓展自身的性能，这是一个今后需深入研究及探讨的课题。
4.9　错流过滤器
　　 在美国先进燃煤发电系统中，使用错流过滤器进行高温除尘已显出了很大的吸引力，错流除尘工艺有两种，一种为Crewmen轴向错流技术。另一种为常规流技术，它与陶瓷管过滤及颗粒床过滤基本原理一致，不过它能够提供的比表面积比其它过滤器技术的多，故颗料与屏障层接触的机会相应大得多，所以错流过滤能够带来高效除尘效率。
　　 错流过滤器捕集效率大于99.9％，容尘量为108m3/m2·h，造价377美元/m2，存在的主要问题是机械支撑物困难。
5.高温烟尘捕集技术研究的前景
　　 当前，世界上石油藏量日益减少，以煤为原料已成为工业生产的重要途径，中国是世界上第三能源生产国和第二大电力生产国。煤炭已占中国总能源的3/4。燃煤电力提供了90％以上的热力和动力，煤电约占总电力生产的80％。如何充分合理地利用资源是一个重大技术课题。因此，发展洁净燃煤技术是实现工业可持续发展的重大战略步骤，其中高温除尘技术起着极其关键的作用。
　　 煤加压态流化燃烧及整体煤气化联合循环变电技术(PFBC/IGCC)是世界上许多先进国家大力发展的一项高新技术，也是我国“九五”攻关项目，该技术不仅可以大大地提高发电厂的热效率，并且可以简化流程，降低成本，目前，我国该除尘技术已进入中试，这一技术的一个难点就是要求进入燃气透平高达900～1300℃的气体除尘，为了减少固体颗料对透平机叶片的高速冲蚀与高速熔蚀，要求进入透平机中，0～4μm颗料含量小于19.9mg/Nm3，颗料大于5μm的小于0.3mg/Nm3，即要求固体颗料含量小于22.5mg/Nm3。这一难题的解决，对我国节能和环保具有重大意义。
　　 我国现有国外引出的电石炉炉气除尘，常采用湿法降温除尘，热能浪费严重，所以研制高温除尘器，解决高温除尘问题已势在必行。
　　 目前，日趋严格的环保要求迫切需要高温高效气固分离技术的开发，发达国家如美、德、日正努力控制烟气含尘排放趋向目视为“零”的浓度，即除尘器出口浓度接近大气中的含尘浓度。我国亦愈来愈重视环境保护，高温除尘技术具有广阔的应用前景，其环保市场是巨大的。
6.目前高温烟尘除尘技术存在的问题及研究方向
　　 高温条件给烟尘颗料捕集带来了分离效率和分离设备安全运行等一系列不利的影响因素，使得高温除尘技术至今存在许多问题，其中解决滤料的耐高温性，安全运行寿命及造价经济等问题是至关重要的，目前国内外新开发的高温除尘器，除了高温过滤器外，普遍存在着除尘效率较低的弊病，尤其对5μm以下微料的捕集远远达不到高温烟气净化的要求，高温过滤器在分离效率上与其他类型除尘器相比有较大的优越性，但开发高温过滤器存在着一个瓶颈——高温高效滤材——它限制了高温除尘技术的发展。
　　 因此，研制和开发高温高效滤材是今后高温除尘技术的主要研究方向，同时研制和开发耐高温可过滤有害气体，如烟尘中SO2、NO4等的过滤材料对我国环境保护具有重大意义。
　　 离心分离不适用于分离小于5～10μm的颗料，过滤分离特别适宜于细颗料的分离，而较粗的颗料粘结在过滤层上会引起分离效率下降，因此将离心分离和过滤分离结合一体的过滤器及能耐高温的脱硫除尘装置需进一步的开发研究，它是今后除尘技术的一个重要研究课题。

参考文献
1.岑可法　等著　气固分离理论及技术浙江大学出版社　　 1999.3
2.许世森　微细尘粒的预团聚对旋风分离器高温除尘性能　 的实验研究　动力工程  Vol.19 No.4
3.夏兴祥　高温除尘技术综述　化工机械  Vol.27 No.1