高溫?zé)焿m顆粒捕集技術(shù)探討

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

簡(jiǎn)介： 本文探討了高溫?zé)焿m顆粒特性對(duì)除塵器的影響，具體介紹當(dāng)前高溫?zé)焿m的捕集方式及其煙塵捕集方式的優(yōu)劣，提出高溫?zé)焿m除塵技術(shù)存在的問題及研究發(fā)展方向，它對(duì)于節(jié)能具有重要意義和廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。
關(guān)鍵字：高溫　煙塵顆?！〔都?

1.概述
　　 高溫含塵氣體凈化或氣固分離的問題，在化工、石油、冶金、能源及其他行業(yè)中都是十分重要的關(guān)鍵問題之一，在工業(yè)生產(chǎn)過程中常產(chǎn)生高溫含塵氣體，由于不同工藝需要或回收能量，以達(dá)到節(jié)能的目的，或者滿足環(huán)境要求達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，都需對(duì)高溫含塵氣體進(jìn)行除塵，在高溫條件下，隨著溫度的增加，作用在運(yùn)動(dòng)顆料上的粘性阻力增加，高溫時(shí)采用的設(shè)備材質(zhì)結(jié)構(gòu)形式以及熱膨脹等工程問題會(huì)影響設(shè)備協(xié)調(diào)的有效正常運(yùn)行，因此，高溫條件下氣固分離技術(shù)是一個(gè)有較高的難度且亟待開發(fā)的課題，在國(guó)內(nèi)外極受重視，它不僅對(duì)環(huán)境污染起著極其關(guān)鍵的作用，而且是保護(hù)動(dòng)力設(shè)備、防止設(shè)備的腐蝕及磨損、大幅度提高動(dòng)力設(shè)備系統(tǒng)的效率及提高設(shè)備安全運(yùn)行及節(jié)能的必要措施，它的理論研究及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)研究具有重要意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
2.高溫?zé)焿m顆粒的特性
　　 溫度影響分離器性能最基本的原因，是當(dāng)溫度變化時(shí)含塵氣體的一些性質(zhì)如密度、粘度等發(fā)生改變，影響煙塵顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特性，從而影響分離器的分離效率，并同時(shí)對(duì)分離設(shè)備提出耐高溫的特殊要求。高溫高效除塵技術(shù)的特點(diǎn)是：所要求凈化的含塵氣體溫度高(600～1400℃)；顆粒細(xì)(通常dp<5～10μm，甚至亞微米級(jí))；凈化標(biāo)準(zhǔn)高，出口濃度常要求10～50mg/Nm3，甚至更小。對(duì)于如此苛刻的要求，采用簡(jiǎn)單的氣固分離設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的，目前常采用離心機(jī)理及過濾機(jī)理的分離器或其組合，對(duì)于離心分離器，原則上溫度凈效應(yīng)將會(huì)減少分離器的分離效率。
　　 不過至今，在高溫情況下如何影響分離器內(nèi)的氣固分離機(jī)理的確不是很了解，在很大程度上仍是通過試驗(yàn)手法來探索溫度對(duì)顆粒分離機(jī)理的影響，即使如此，目前這方面的試驗(yàn)研究結(jié)果也不是很充分，這方面研究有待深入，它對(duì)提高顆粒分離及能源利用具有重要意義。
　　運(yùn)動(dòng)顆粒粘性阻力增加，給旋風(fēng)分離帶來的不利影響，而未分析及考慮隨著溫度增加，細(xì)微顆粒的熱團(tuán)聚作用將會(huì)更突出，加之在旋風(fēng)分離器內(nèi)存在著明顯的梯度團(tuán)聚和湍流團(tuán)聚，而細(xì)微顆粒的團(tuán)聚勢(shì)必形成質(zhì)量較大顆粒團(tuán)，當(dāng)微團(tuán)質(zhì)量大于臨界分離顆粒質(zhì)量時(shí)，就會(huì)被旋風(fēng)分離器分離。顯然，從理論上分析，隨溫度增加，團(tuán)聚作用增加，團(tuán)聚有助于旋風(fēng)分離除塵效率的提高。有人進(jìn)行了一個(gè)900℃下帶預(yù)團(tuán)聚的旋風(fēng)分離試驗(yàn)。即在旋風(fēng)分離器前，加入1個(gè)高溫旋風(fēng)風(fēng)筒，旋風(fēng)筒中采用簡(jiǎn)單的導(dǎo)向葉片，使得高溫含塵氣流適當(dāng)旋轉(zhuǎn)以促進(jìn)塵粒的團(tuán)聚和粘結(jié)，然后，再進(jìn)入旋風(fēng)分離器中分離，研究結(jié)果表明，帶預(yù)團(tuán)聚的分級(jí)分離效率在高溫狀態(tài)下比不帶預(yù)團(tuán)聚的分級(jí)分離效率高。而且也接近或超過了常溫下的分級(jí)分離效率。分級(jí)分離效率曲線仍然表現(xiàn)出細(xì)微粒效率升高的現(xiàn)象。因此，在高溫下(800—1000℃)利用預(yù)團(tuán)聚，可以提高旋風(fēng)分離對(duì)微細(xì)煙塵顆粒的捕集效率。
　　 由此表明，雖然高溫條件下，隨著溫度的升高，其顆粒的捕集分級(jí)分離效率下降，但在高溫條件下，亦存在可加以利用團(tuán)聚作用的有利條件。進(jìn)一步研究高溫預(yù)團(tuán)聚對(duì)旋風(fēng)分離的影響規(guī)律，并進(jìn)行充分有效的利用，可以提高分離效率，變高溫不利因素為有利因素，達(dá)到在高溫條件下，高效率除塵的目的。它對(duì)于有效地利用高溫?zé)煔怏w提高熱交換器的熱效率及熱交換器的運(yùn)行壽命起著極其關(guān)鍵的作用。
　　 對(duì)于過濾分離器而言，驅(qū)使煙塵顆粒碰撞到捕塵體的機(jī)理很多，其中主要有慣性、截留、擴(kuò)散、重力及靜電等。
　　 對(duì)于慣性捕集效率主要為無因次量Stk數(shù)的函數(shù)，Stk=顆粒慣性力/粘性阻力=其中Cu——Cunningham修正系數(shù)，ρp——顆粒密度，dp——顆粒直徑，Vo——流體特征速度，μ——流體動(dòng)力粘度，df——捕集體直徑。
　　 對(duì)氣體而言，溫度升高，將使粘度μ變大，密度ρg變小，Cu值變大，擴(kuò)散系數(shù)Dmp變大，Stk數(shù)的變化不確定。因此，隨溫度升高慣性捕集效應(yīng)的變化亦表現(xiàn)出不確定性。
　　 對(duì)于截留效應(yīng)與Stk數(shù)無關(guān)，而只是氣流流線及顆粒尺寸與捕集體尺寸的比值R的函數(shù)，隨著溫度的升高，顆粒的團(tuán)聚作用增加。因此，截留效應(yīng)可能會(huì)隨著溫度的增加而升高。
　　 對(duì)于擴(kuò)散效應(yīng)，顯然，隨著煙塵顆粒減小，流速減慢，溫度的增加，塵粒的熱運(yùn)動(dòng)加速，從而與捕塵集體的碰撞效率也增加，即擴(kuò)散系數(shù)Dup變大，擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)，擴(kuò)散捕集效率增加。
　　 對(duì)于重力效應(yīng)，因?yàn)殡S著溫度增加，凝并及團(tuán)聚作用的明顯，可能會(huì)使顆粒的尺寸增加，質(zhì)量增加，因此，隨著溫度的升高，從理論上講，重力效應(yīng)可能會(huì)具有增大的趨勢(shì)。
　　 對(duì)于靜電效應(yīng)，根據(jù)粉塵比電阻與溫度的關(guān)系，在低溫時(shí)以表面導(dǎo)電為主，當(dāng)溫度超過200℃的高溫時(shí)，粉塵的導(dǎo)電以容積導(dǎo)電為主。因此，高溫導(dǎo)電時(shí)比電阻降低，出現(xiàn)反電暈機(jī)會(huì)少，而且高溫時(shí)灰塵的流動(dòng)性好，容易振落，電極不易積灰，能減少電暈閉塞的可能性。
　　 綜上所述，由于過濾捕集效率由許多機(jī)理綜合作用的結(jié)果，因此，溫度的變化對(duì)其過濾效果的影響因素較多，也較復(fù)雜，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的研究表明，在60℃—  800℃溫度變化范圍內(nèi)不同脈沖反吹清掃氣流壓力下，含塵煙氣經(jīng)棒式陶瓷元件過濾后，清潔氣流中的粉塵濃度為1—100μg/Nm3。陶瓷過濾器的工作溫度對(duì)除塵效率的影響不大，沒有規(guī)律性的影響。
3.高溫?zé)焿m的捕集方式
4.各種高溫?zé)焿m捕集方式的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)
4.1　常規(guī)高溫旋風(fēng)分離器
　　 高溫旋風(fēng)分離器的分離機(jī)理為離心分離，其機(jī)理決定了不適用分離小于5—10μm的顆粒，該除塵器一般達(dá)不到環(huán)保要求，通常只能作為高溫除塵的預(yù)處理，目前在能源、化工、石油等行業(yè)中采用的高溫旋風(fēng)分離器，一般要求將800℃左右的高溫燃?xì)庵谐叽绱笥?0μm以上的顆粒全部除凈，最終排塵濃度低于200mg/m3，高溫旋風(fēng)分離器一般處理固體濃度較高，具有較高的溫度，并起著防磨損作用，以延長(zhǎng)旋風(fēng)分離器的使用壽命。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)不同材質(zhì)及耐磨措施，可用于不同溫度及高磨蝕場(chǎng)合下。
4.2　方形高溫下排氣旋風(fēng)分離器
　　 方形高溫旋風(fēng)分離器的最大結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為其外形為非圓形，一般采用方形，它的筒體可采用加工相對(duì)容易的水冷或汽冷膜式壁組成，可大大降低成本，由于采用膜式壁結(jié)構(gòu)，因此其內(nèi)部無需敷設(shè)很厚的耐火層，而僅需敷高40—150mm厚耐火層即可，從而提高了系統(tǒng)啟停的靈活性，體積尺寸也相對(duì)減少，再者，分離器的膜式壁還可與反應(yīng)器如循環(huán)流化床爐膛共用，使得系統(tǒng)更為緊湊，方形分離器的缺點(diǎn)是其高腔角落會(huì)對(duì)分離器的性質(zhì)產(chǎn)生一定的不利影響。當(dāng)切去方腔的除進(jìn)口外的其余三個(gè)角落時(shí)，可明顯提高分離器的分離效率。
4.3　方形高溫下排氣旋風(fēng)分離器
　　 方形高溫下排氣旋風(fēng)分離器的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，基本上于上排氣旋風(fēng)分離器相同，它的不同點(diǎn)反映在出氣管道為下排氣式，這樣可布置在鍋爐尾部煙道的上方，使鍋爐整體結(jié)構(gòu)顯得更為緊湊。
4.4　高溫逆流式臥式旋風(fēng)分離器
　　 此種分離器的分離筒體為臥式，它與高溫反應(yīng)器緊密配合。從而直接分離出的固體顆粒直接返回流化床中，減少了復(fù)雜的外部物料回料系統(tǒng)，使得反應(yīng)器不再為分割的兩個(gè)部分，使整個(gè)系統(tǒng)更為緊湊，這種分離器還具有減輕旋風(fēng)筒內(nèi)磨損等特點(diǎn)。
4.5　耐高溫濾料袋式除塵器
　　 各種耐高溫濾料制成的袋式除塵器，使得過濾機(jī)理可用于高溫?zé)焿m的捕集，90年代初，國(guó)產(chǎn)覆膜濾料的問世和成功應(yīng)用，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)了高效、低阻、耐高溫、抗腐蝕的表面過濾，提供了重要的物質(zhì)條件。PTFE覆膜濾料具有可耐250—300℃高溫，濾塵效率可達(dá)99.99％以上等優(yōu)點(diǎn)。袋式除塵器適宜于捕集濃度變化范圍較大、粒徑較細(xì)的顆粒，評(píng)價(jià)袋式除塵器性能優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)有壓降、捕集效率、清灰性能及耐久性。而這些性能在很大程度上取決于濾料的性能。因此，高效、耐高溫、可過濾有害氣體或煙氣中脫硫、脫硝的新型濾料的研制，對(duì)高溫氣體的除塵具有重大的意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　 上述各種濾料過濾器的缺陷是不適用溫度較高的場(chǎng)合，濾料的耐高溫性能使應(yīng)用受到了限制，高溫高效濾材的研究，嚴(yán)重制約高溫過濾器的工業(yè)應(yīng)用。從目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況看，超過250—300℃以上的過濾器除塵器的工業(yè)應(yīng)用基本還是空白。因此，迅速開發(fā)高溫表面過濾器是當(dāng)前高溫除塵研究中的亟待研究解決的問題。
4.6　高溫表面過濾器
　　 高溫表面過濾器是目前正在開發(fā)研制的新型過濾器，它的濾材僅僅起一個(gè)支撐濾餅骨架的作用，利用可編程程控器(PLC)，使系統(tǒng)始終維持一個(gè)最佳的濾餅厚度，它可耐600℃～1000℃溫度，具有超高效、易于清灰、運(yùn)行阻力低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
4.7　高溫過濾器
　　 高溫過濾器目前國(guó)外常用于煤氣化燃?xì)猓魵饴?lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC或CGCC)和增壓流化床燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電(PFBC－CC)等直接燃煤燃?xì)鈾C(jī)系統(tǒng)中，要求除凈dp>5μm的顆粒，達(dá)到出口濃度<12mg/m3或C<1.8～2mg/Nm3。它主要包括金屬纖維過濾器和微孔陶瓷過濾器。
　　 金屬纖維過濾器一般用于650℃以下，它具有抗機(jī)械沖擊，抗溫度沖擊性能較好，除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)，但在高溫下存在腐蝕問題和濾材價(jià)格較高等缺點(diǎn)。比利時(shí)研制的Fecralloy纖維工作溫度可達(dá)1000℃。效率在99.999％以上，但價(jià)格在5000元/m2。
　　 高溫陶瓷過濾器是最有前途的高溫除塵設(shè)備，其主要的捕集過程發(fā)生在過濾器表面聚集的塵粒層(濾餅)中，慣性、截留、碰撞和重力等捕集機(jī)理在每一過濾循環(huán)中，作用是很短暫的，過濾器清灰之后一旦濾餅形成，篩濾作用就成了主要機(jī)理，由高密度陶瓷材料制成的陶瓷過濾器元件，主要有棒式、管式、交叉流式三種，可抗700℃以上高溫，能達(dá)到較高的除塵精度，該過濾器的主要缺陷是過濾元件易于損壞，除塵器械的結(jié)構(gòu)上連接困難，價(jià)格高，高溫陶瓷過濾器需進(jìn)一步研究的課題主要有：研究和改進(jìn)減少過濾元件的損壞；改進(jìn)對(duì)熱沖擊的抵抗能力；對(duì)化學(xué)反應(yīng)破壞的機(jī)理進(jìn)行研究；改進(jìn)過濾器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；改進(jìn)過濾元件的材料等。
4.8　顆粒床高溫過濾器
　　 顆料床過濾器為達(dá)到過濾高溫氣體的目的，需用耐高溫的顆料介質(zhì)作為濾料，石英砂等一般可滿足要求，它不僅耐磨，在300℃～400℃下可長(zhǎng)期連續(xù)使用，這種過濾器具有耐高溫、抗沖擊、耐腐蝕、除塵效率較高及過濾介質(zhì)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。因而，近幾年發(fā)展很快。
　　 顆料床過濾器主要是通過顆料間的空隙和曲折道來發(fā)揮除塵作用，除了直接攔截外，它還匯集了布朗擴(kuò)散、重力沉降和靜電力等多種除塵機(jī)理。
　　 該種過濾器按床層的流態(tài)可劃分為：固定床、移動(dòng)床和流化床等型式，過濾效率還不高，因而離工業(yè)廣泛應(yīng)用還有一段距離。
　　 顆料床過濾器在高溫?zé)煔獬龎m中，具有較好的應(yīng)用前景，通過進(jìn)一步的深入研究和設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，顆料層過濾器還可以與煙氣脫硫相結(jié)合，從而拓展自身的性能，這是一個(gè)今后需深入研究及探討的課題。
4.9　錯(cuò)流過濾器
　　 在美國(guó)先進(jìn)燃煤發(fā)電系統(tǒng)中，使用錯(cuò)流過濾器進(jìn)行高溫除塵已顯出了很大的吸引力，錯(cuò)流除塵工藝有兩種，一種為Crewmen軸向錯(cuò)流技術(shù)。另一種為常規(guī)流技術(shù)，它與陶瓷管過濾及顆粒床過濾基本原理一致，不過它能夠提供的比表面積比其它過濾器技術(shù)的多，故顆料與屏障層接觸的機(jī)會(huì)相應(yīng)大得多，所以錯(cuò)流過濾能夠帶來高效除塵效率。
　　 錯(cuò)流過濾器捕集效率大于99.9％，容塵量為108m3/m2·h，造價(jià)377美元/m2，存在的主要問題是機(jī)械支撐物困難。
5.高溫?zé)焿m捕集技術(shù)研究的前景
　　 當(dāng)前，世界上石油藏量日益減少，以煤為原料已成為工業(yè)生產(chǎn)的重要途徑，中國(guó)是世界上第三能源生產(chǎn)國(guó)和第二大電力生產(chǎn)國(guó)。煤炭已占中國(guó)總能源的3/4。燃煤電力提供了90％以上的熱力和動(dòng)力，煤電約占總電力生產(chǎn)的80％。如何充分合理地利用資源是一個(gè)重大技術(shù)課題。因此，發(fā)展?jié)崈羧济杭夹g(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略步驟，其中高溫除塵技術(shù)起著極其關(guān)鍵的作用。
　　 煤加壓態(tài)流化燃燒及整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)變電技術(shù)(PFBC/IGCC)是世界上許多先進(jìn)國(guó)家大力發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)，也是我國(guó)“九五”攻關(guān)項(xiàng)目，該技術(shù)不僅可以大大地提高發(fā)電廠的熱效率，并且可以簡(jiǎn)化流程，降低成本，目前，我國(guó)該除塵技術(shù)已進(jìn)入中試，這一技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)就是要求進(jìn)入燃?xì)馔钙礁哌_(dá)900～1300℃的氣體除塵，為了減少固體顆料對(duì)透平機(jī)葉片的高速?zèng)_蝕與高速熔蝕，要求進(jìn)入透平機(jī)中，0～4μm顆料含量小于19.9mg/Nm3，顆料大于5μm的小于0.3mg/Nm3，即要求固體顆料含量小于22.5mg/Nm3。這一難題的解決，對(duì)我國(guó)節(jié)能和環(huán)保具有重大意義。
　　 我國(guó)現(xiàn)有國(guó)外引出的電石爐爐氣除塵，常采用濕法降溫除塵，熱能浪費(fèi)嚴(yán)重，所以研制高溫除塵器，解決高溫除塵問題已勢(shì)在必行。
　　 目前，日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求迫切需要高溫高效氣固分離技術(shù)的開發(fā)，發(fā)達(dá)國(guó)家如美、德、日正努力控制煙氣含塵排放趨向目視為“零”的濃度，即除塵器出口濃度接近大氣中的含塵濃度。我國(guó)亦愈來愈重視環(huán)境保護(hù)，高溫除塵技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，其環(huán)保市場(chǎng)是巨大的。
6.目前高溫?zé)焿m除塵技術(shù)存在的問題及研究方向
　　 高溫條件給煙塵顆料捕集帶來了分離效率和分離設(shè)備安全運(yùn)行等一系列不利的影響因素，使得高溫除塵技術(shù)至今存在許多問題，其中解決濾料的耐高溫性，安全運(yùn)行壽命及造價(jià)經(jīng)濟(jì)等問題是至關(guān)重要的，目前國(guó)內(nèi)外新開發(fā)的高溫除塵器，除了高溫過濾器外，普遍存在著除塵效率較低的弊病，尤其對(duì)5μm以下微料的捕集遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高溫?zé)煔鈨艋囊?，高溫過濾器在分離效率上與其他類型除塵器相比有較大的優(yōu)越性，但開發(fā)高溫過濾器存在著一個(gè)瓶頸——高溫高效濾材——它限制了高溫除塵技術(shù)的發(fā)展。
　　 因此，研制和開發(fā)高溫高效濾材是今后高溫除塵技術(shù)的主要研究方向，同時(shí)研制和開發(fā)耐高溫可過濾有害氣體，如煙塵中SO2、NO4等的過濾材料對(duì)我國(guó)環(huán)境保護(hù)具有重大意義。
　　 離心分離不適用于分離小于5～10μm的顆料，過濾分離特別適宜于細(xì)顆料的分離，而較粗的顆料粘結(jié)在過濾層上會(huì)引起分離效率下降，因此將離心分離和過濾分離結(jié)合一體的過濾器及能耐高溫的脫硫除塵裝置需進(jìn)一步的開發(fā)研究，它是今后除塵技術(shù)的一個(gè)重要研究課題。

參考文獻(xiàn)
1.岑可法　等著　氣固分離理論及技術(shù)浙江大學(xué)出版社　　 1999.3
2.許世森　微細(xì)塵粒的預(yù)團(tuán)聚對(duì)旋風(fēng)分離器高溫除塵性能　 的實(shí)驗(yàn)研究　動(dòng)力工程  Vol.19 No.4
3.夏興祥　高溫除塵技術(shù)綜述　化工機(jī)械  Vol.27 No.1