高溫煙塵顆粒捕集技術探討

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簡介： 本文探討了高溫煙塵顆粒特性對除塵器的影響，具體介紹當前高溫煙塵的捕集方式及其煙塵捕集方式的優(yōu)劣，提出高溫煙塵除塵技術存在的問題及研究發(fā)展方向，它對于節(jié)能具有重要意義和廣闊的應用發(fā)展前景。
關鍵字：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，以達到節(jié)能的目的，或者滿足環(huán)境要求達到環(huán)保排放標準，都需對高溫含塵氣體進行除塵，在高溫條件下，隨著溫度的增加，作用在運動顆料上的粘性阻力增加，高溫時采用的設備材質結構形式以及熱膨脹等工程問題會影響設備協(xié)調的有效正常運行，因此，高溫條件下氣固分離技術是一個有較高的難度且亟待開發(fā)的課題，在國內外極受重視，它不僅對環(huán)境污染起著極其關鍵的作用，而且是保護動力設備、防止設備的腐蝕及磨損、大幅度提高動力設備系統(tǒng)的效率及提高設備安全運行及節(jié)能的必要措施，它的理論研究及應用技術開發(fā)研究具有重要意義和經(jīng)濟價值。
2.高溫煙塵顆粒的特性
　　 溫度影響分離器性能最基本的原因，是當溫度變化時含塵氣體的一些性質如密度、粘度等發(fā)生改變，影響煙塵顆粒的運動規(guī)律及特性，從而影響分離器的分離效率，并同時對分離設備提出耐高溫的特殊要求。高溫高效除塵技術的特點是：所要求凈化的含塵氣體溫度高(600～1400℃)；顆粒細(通常dp<5～10μm，甚至亞微米級)；凈化標準高，出口濃度常要求10～50mg/Nm3，甚至更小。對于如此苛刻的要求，采用簡單的氣固分離設備是遠遠達不到的，目前常采用離心機理及過濾機理的分離器或其組合，對于離心分離器，原則上溫度凈效應將會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的氣固分離機理的確不是很了解，在很大程度上仍是通過試驗手法來探索溫度對顆粒分離機理的影響，即使如此，目前這方面的試驗研究結果也不是很充分，這方面研究有待深入，它對提高顆粒分離及能源利用具有重要意義。
　　運動顆粒粘性阻力增加，給旋風分離帶來的不利影響，而未分析及考慮隨著溫度增加，細微顆粒的熱團聚作用將會更突出，加之在旋風分離器內存在著明顯的梯度團聚和湍流團聚，而細微顆粒的團聚勢必形成質量較大顆粒團，當微團質量大于臨界分離顆粒質量時，就會被旋風分離器分離。顯然，從理論上分析，隨溫度增加，團聚作用增加，團聚有助于旋風分離除塵效率的提高。有人進行了一個900℃下帶預團聚的旋風分離試驗。即在旋風分離器前，加入1個高溫旋風風筒，旋風筒中采用簡單的導向葉片，使得高溫含塵氣流適當旋轉以促進塵粒的團聚和粘結，然后，再進入旋風分離器中分離，研究結果表明，帶預團聚的分級分離效率在高溫狀態(tài)下比不帶預團聚的分級分離效率高。而且也接近或超過了常溫下的分級分離效率。分級分離效率曲線仍然表現(xiàn)出細微粒效率升高的現(xiàn)象。因此，在高溫下(800—1000℃)利用預團聚，可以提高旋風分離對微細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，其顆粒的捕集分級分離效率下降，但在高溫條件下，亦存在可加以利用團聚作用的有利條件。進一步研究高溫預團聚對旋風分離的影響規(guī)律，并進行充分有效的利用，可以提高分離效率，變高溫不利因素為有利因素，達到在高溫條件下，高效率除塵的目的。它對于有效地利用高溫煙氣體提高熱交換器的熱效率及熱交換器的運行壽命起著極其關鍵的作用。
　　 對于過濾分離器而言，驅使煙塵顆粒碰撞到捕塵體的機理很多，其中主要有慣性、截留、擴散、重力及靜電等。
　　 對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——流體動力粘度，df——捕集體直徑。
　　 對氣體而言，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的變化亦表現(xiàn)出不確定性。
　　 對于截留效應與Stk數(shù)無關，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，顆粒的團聚作用增加。因此，截留效應可能會隨著溫度的增加而升高。
　　 對于擴散效應，顯然，隨著煙塵顆粒減小，流速減慢，溫度的增加，塵粒的熱運動加速，從而與捕塵集體的碰撞效率也增加，即擴散系數(shù)Dup變大，擴散效應增強，擴散捕集效率增加。
　　 對于重力效應，因為隨著溫度增加，凝并及團聚作用的明顯，可能會使顆粒的尺寸增加，質量增加，因此，隨著溫度的升高，從理論上講，重力效應可能會具有增大的趨勢。
　　 對于靜電效應，根據(jù)粉塵比電阻與溫度的關系，在低溫時以表面導電為主，當溫度超過200℃的高溫時，粉塵的導電以容積導電為主。因此，高溫導電時比電阻降低，出現(xiàn)反電暈機會少，而且高溫時灰塵的流動性好，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理綜合作用的結果，因此，溫度的變化對其過濾效果的影響因素較多，也較復雜，德國亞琛工業(yè)大學的研究表明，在60℃—  800℃溫度變化范圍內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除塵效率的影響不大，沒有規(guī)律性的影響。
3.高溫煙塵的捕集方式
4.各種高溫煙塵捕集方式的特點及優(yōu)點
4.1　常規(guī)高溫旋風分離器
　　 高溫旋風分離器的分離機理為離心分離，其機理決定了不適用分離小于5—10μm的顆粒，該除塵器一般達不到環(huán)保要求，通常只能作為高溫除塵的預處理，目前在能源、化工、石油等行業(yè)中采用的高溫旋風分離器，一般要求將800℃左右的高溫燃氣中尺寸大于10μm以上的顆粒全部除凈，最終排塵濃度低于200mg/m3，高溫旋風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，以延長旋風分離器的使用壽命。它具有結構簡單，操作方便，造價較低等優(yōu)點。根據(jù)不同材質及耐磨措施，可用于不同溫度及高磨蝕場合下。
4.2　方形高溫下排氣旋風分離器
　　 方形高溫旋風分離器的最大結構特點為其外形為非圓形，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，由于采用膜式壁結構，因此其內部無需敷設很厚的耐火層，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，體積尺寸也相對減少，再者，分離器的膜式壁還可與反應器如循環(huán)流化床爐膛共用，使得系統(tǒng)更為緊湊，方形分離器的缺點是其高腔角落會對分離器的性質產(chǎn)生一定的不利影響。當切去方腔的除進口外的其余三個角落時，可明顯提高分離器的分離效率。
4.3　方形高溫下排氣旋風分離器
　　 方形高溫下排氣旋風分離器的特點及優(yōu)點，基本上于上排氣旋風分離器相同，它的不同點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，使鍋爐整體結構顯得更為緊湊。
4.4　高溫逆流式臥式旋風分離器
　　 此種分離器的分離筒體為臥式，它與高溫反應器緊密配合。從而直接分離出的固體顆粒直接返回流化床中，減少了復雜的外部物料回料系統(tǒng)，使得反應器不再為分割的兩個部分，使整個系統(tǒng)更為緊湊，這種分離器還具有減輕旋風筒內磨損等特點。
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，使得過濾機理可用于高溫煙塵的捕集，90年代初，國產(chǎn)覆膜濾料的問世和成功應用，為我國實現(xiàn)了高效、低阻、耐高溫、抗腐蝕的表面過濾，提供了重要的物質條件。PTFE覆膜濾料具有可耐250—300℃高溫，濾塵效率可達99.99％以上等優(yōu)點。袋式除塵器適宜于捕集濃度變化范圍較大、粒徑較細的顆粒，評價袋式除塵器性能優(yōu)劣的主要性能指標有壓降、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，對高溫氣體的除塵具有重大的意義和應用價值。
　　 上述各種濾料過濾器的缺陷是不適用溫度較高的場合，濾料的耐高溫性能使應用受到了限制，高溫高效濾材的研究，嚴重制約高溫過濾器的工業(yè)應用。從目前國內應用情況看，超過250—300℃以上的過濾器除塵器的工業(yè)應用基本還是空白。因此，迅速開發(fā)高溫表面過濾器是當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)始終維持一個最佳的濾餅厚度，它可耐600℃～1000℃溫度，具有超高效、易于清灰、運行阻力低等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。
4.7　高溫過濾器
　　 高溫過濾器目前國外常用于煤氣化燃氣－蒸氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC或CGCC)和增壓流化床燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(PFBC－CC)等直接燃煤燃氣機系統(tǒng)中，要求除凈dp>5μm的顆粒，達到出口濃度<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，它具有抗機械沖擊，抗溫度沖擊性能較好，除塵效率高等優(yōu)點，但在高溫下存在腐蝕問題和濾材價格較高等缺點。比利時研制的Fecralloy纖維工作溫度可達1000℃。效率在99.999％以上，但價格在5000元/m2。
　　 高溫陶瓷過濾器是最有前途的高溫除塵設備，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，除塵器械的結構上連接困難，價格高，高溫陶瓷過濾器需進一步研究的課題主要有：研究和改進減少過濾元件的損壞；改進對熱沖擊的抵抗能力；對化學反應破壞的機理進行研究；改進過濾器的整體結構設計；改進過濾元件的材料等。
4.8　顆粒床高溫過濾器
　　 顆料床過濾器為達到過濾高溫氣體的目的，需用耐高溫的顆料介質作為濾料，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費用低等優(yōu)點。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，它還匯集了布朗擴散、重力沉降和靜電力等多種除塵機理。
　　 該種過濾器按床層的流態(tài)可劃分為：固定床、移動床和流化床等型式，過濾效率還不高，因而離工業(yè)廣泛應用還有一段距離。
　　 顆料床過濾器在高溫煙氣除塵中，具有較好的應用前景，通過進一步的深入研究和設計上的改進，顆料層過濾器還可以與煙氣脫硫相結合，從而拓展自身的性能，這是一個今后需深入研究及探討的課題。
4.9　錯流過濾器
　　 在美國先進燃煤發(fā)電系統(tǒng)中，使用錯流過濾器進行高溫除塵已顯出了很大的吸引力，錯流除塵工藝有兩種，一種為Crewmen軸向錯流技術。另一種為常規(guī)流技術，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的多，故顆料與屏障層接觸的機會相應大得多，所以錯流過濾能夠帶來高效除塵效率。
　　 錯流過濾器捕集效率大于99.9％，容塵量為108m3/m2·h，造價377美元/m2，存在的主要問題是機械支撐物困難。
5.高溫煙塵捕集技術研究的前景
　　 當前，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，中國是世界上第三能源生產(chǎn)國和第二大電力生產(chǎn)國。煤炭已占中國總能源的3/4。燃煤電力提供了90％以上的熱力和動力，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重大技術課題。因此，發(fā)展?jié)崈羧济杭夹g是實現(xiàn)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略步驟，其中高溫除塵技術起著極其關鍵的作用。
　　 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(PFBC/IGCC)是世界上許多先進國家大力發(fā)展的一項高新技術，也是我國“九五”攻關項目，該技術不僅可以大大地提高發(fā)電廠的熱效率，并且可以簡化流程，降低成本，目前，我國該除塵技術已進入中試，這一技術的一個難點就是要求進入燃氣透平高達900～1300℃的氣體除塵，為了減少固體顆料對透平機葉片的高速沖蝕與高速熔蝕，要求進入透平機中，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，對我國節(jié)能和環(huán)保具有重大意義。
　　 我國現(xiàn)有國外引出的電石爐爐氣除塵，常采用濕法降溫除塵，熱能浪費嚴重，所以研制高溫除塵器，解決高溫除塵問題已勢在必行。
　　 目前，日趨嚴格的環(huán)保要求迫切需要高溫高效氣固分離技術的開發(fā)，發(fā)達國家如美、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。我國亦愈來愈重視環(huán)境保護，高溫除塵技術具有廣闊的應用前景，其環(huán)保市場是巨大的。
6.目前高溫煙塵除塵技術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備安全運行等一系列不利的影響因素，使得高溫除塵技術至今存在許多問題，其中解決濾料的耐高溫性，安全運行壽命及造價經(jīng)濟等問題是至關重要的，目前國內外新開發(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5μm以下微料的捕集遠遠達不到高溫煙氣凈化的要求，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瓶頸——高溫高效濾材——它限制了高溫除塵技術的發(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的主要研究方向，同時研制和開發(fā)耐高溫可過濾有害氣體，如煙塵中SO2、NO4等的過濾材料對我國環(huán)境保護具有重大意義。
　　 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顆料的分離，而較粗的顆料粘結在過濾層上會引起分離效率下降，因此將離心分離和過濾分離結合一體的過濾器及能耐高溫的脫硫除塵裝置需進一步的開發(fā)研究，它是今后除塵技術的一個重要研究課題。

參考文獻
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2.許世森　微細塵粒的預團聚對旋風分離器高溫除塵性能　 的實驗研究　動力工程  Vol.19 No.4
3.夏興祥　高溫除塵技術綜述　化工機械  Vol.27 No.1