半焦作为过滤介质应用于高温除尘的探讨.doc

中国科技论文在线

半焦作为过滤介质应用于高温除尘的探讨
陶贻功1，陈家全1，李志建1，许邦1，初茉2，郭治3作者简介：陶贻功（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：资源综合利用与深加工. E-mail: taoyigong@
1.51.51.51.51.51.5School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing;School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing;School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing;School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing;School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing;China shenhua coal liquefaction Co., LTD, Beijing research institute中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院;中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院;中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院;中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院;中国矿业大学（北京）;中国神华煤制油有限公司北京研究院100083;;;;;13810421240;;;;;15501007558;;;;;北京市海淀区学院路丁11号中国矿业大学（北京）宝源公寓;;;;;taoyigong@;chenjiaquan1987@;757799790@;xubang1015@;cmdd6@ ;chenjiaquan1987@陶贻功（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：资源综合利用与深加工;;;;;陶贻功;陈家全;李志建;许邦;初茉;郭治TAO Yigong;CHEN Jiaquan;LI Zhijian;Xu Bang;Chu Mo;Guo Zhi陶贻功1.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*田忠坤. 直管式气流干燥器干燥褐煤的试验研究[J]. 选煤技术, 2010, 3： 16-19.<CR>2*|*期刊*|*Judkins RR, Stinton D P, Smith R G et al. Development of Ceramic Composite Hot-Gas Filters[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，Transaction of ASME，1996，118：495-499.<CR>3*|*论文集*|*Weber E et al. Electrostatic Precipitation under Extreme Conditions of Temperature and Pressure[A]. Proceeding of the 2nd International Conference on Electrostatic Precipitation[C]. Kyoto: 1984, 85-95.<CR>4*|*期刊*|*Tassicker O J, Drenker S. Pilot scale gas filtration at extreme temperature and pressure[A] Proceeding of the International Conference on Advanced Coal Power Technology and Hot Gas Cleaning[C]. Dusseldorf: Electric Power Research Institute, 1987.350-400.<CR>5*|*期刊*|*姬忠礼, 时铭显. 高温陶瓷过滤技术的进展[J]. 动力工程, 1997, 17（3）: 59-65.<CR>6*|*专著*|*Takematsu T, Maude C. Coal Gasification for IGCC Power Generation[M]. London: IEA Coal Research，1991.<CR>7*|*期刊*|*时铭显, 刘隽人. 炼油工业中气固相分离技术的进展[J]. 石油炼制, 1989, 19（1）: 19-29.<CR>8*|*期刊*|*刘会雪,刘有智,孟晓丽. 高温气体除尘技术及其研究进展[J]. 煤化工, 2008, 2, 14-17.<CR>9*|*学位论文*|*郜时旺. 移动床颗粒层过滤系统高温高压除尘研究[D]. 西安: 西安交通大学, 2002<CR>10*|*期刊*|*Novi ck VJ, Ahluwallia RK. Performance of an Iron Aluminide Metal Filter in a Reducing Environment[J]. Materials Engineering and Performance, 2001, 10(3): 349-357.<CR>11*|*专著*|*高晋生. 煤的热解、炼焦和煤焦油加工[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010. 53-54.<CR>12*|*专著*|*郭树才. 煤化工工艺学(第二版) [M]. 北京: 化学工业出版社,2006.7-8.<CR>13*|*专著*|*向晓东. 现代除尘理论与技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2002.107-116.<CR>14*|*学位论文*|*吴晋沪. 移动床高温煤气除尘基础研究[D]. 山西: 中国科学院山西煤炭化学研究所, 1998.<CR>15*|*专著*|*王志魁. 化工原理(第三版)[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006, 111-117.*|1|陶贻功|TAO Yigong|中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院|School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing|陶贻功（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：资源综合利用与深加工|北京市海淀区学院路丁11号中国矿业大学（北京）宝源公寓|100083|taoyigong@|15501007558|13810421240<CR>|2|陈家全|CHEN Jiaquan|中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院|School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing||||chenjiaquan1987@||<CR>|3|李志建|LI Zhijian|中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院|School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing||||757799790@||<CR>|4|许邦|Xu Bang|中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院|School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing||||xubang1015@||<CR>|5|初茉|Chu Mo|中国矿业大学（北京）|School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing||||cmdd6@ ||<CR>|6|郭治|Guo Zhi|中国神华煤制油有限公司北京研究院|China shenhua coal liquefaction Co., LTD, Beijing research institute||||chenjiaquan1987@||半焦作为过滤介质应用于高温除尘的探讨|Study on semi-coke as the filter medium used in high temperature dust-removing|
- 7 -
（1. 中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院；
2. 中国矿业大学（北京）；
3. 中国神华煤制油有限公司北京研究院）

摘要：介绍了国内外高温除尘技术的发展状况；重点分析了以半焦为滤料，颗粒层高温除尘技术的机理、工艺特点及发展情况；该技术可以在合适的温度区间有效地脱除煤气中的粉尘，节约了投资，简化了除尘工艺，除尘过程阻力小、效率高，是很有发展前景的高温除尘技术。
关键词：高温；半焦；粉尘；过滤
中图分类号：TF547.2

Study on semi-coke as the filter medium used in high temperature dust-removing
TAO Yigong1, CHEN Jiaquan1, LI Zhijian1, Xu Bang1, Chu Mo1, Guo Zhi2
(1. School of Chemical & Environment Engineering,China University of Mining & Technology,beijing;
2. China shenhua coal liquefaction Co., LTD, Beijing research institute)

Abstract: This paper introduces the development of high-temperature dedusting technology; analysises the mechanism, process characteristics and development of the high-temperature dedusting technology with semi-coke as filtering media. The technology can effectively remove the gas in the dust at the right temperature range, save an investment, simplify the removal process, too. The technology is of the future development with the smaller resistance and high efficiency.
Key words: high-temperature; semi-coke; dust; filtrate

0 引言
能源与环境是当前世界各国面临的两大问题。近年来，我国的煤炭资源约占一次能源总量的70％左右。随着煤炭资源的开发利用，可利用的高变质程度优质煤储量越来越少，人们越来越重视对低变质程度煤尤其是褐煤的利用。我国褐煤资源丰富,其中已探明的褐煤保有量达1303亿t,约占全国煤炭储量的13%[1]。现阶段，褐煤提质技术受到电力、煤炭等行业的极大关注，褐煤产量较为丰富的内蒙等地在建和拟建多个褐煤提质项目。但褐煤在干燥、热解过程中产生大量密度较小的煤尘、焦尘，这些粉尘不仅对后续工序造成很大影响，如管道堵塞等，排放到大气中，还会造成极大的环境污染，影响人们的健康。因此，必须对含尘气体进行除尘。另外，高温除尘也是制约整体煤气化燃气蒸汽联合循环发电技术(IGCC)和增压流化床燃烧联合循环发电技术(PFBC)发展的关键问题。因此,探寻高效的高温除尘技术是十分重要的。本文在介绍了国内外高温除尘技术发展现状的基础上，重点探讨了半焦作为过滤介质进行颗粒层高温除尘的可行性。
1 高温除尘技术概况
除尘器具有非常良好的耐高温性能，可在1000℃下持续运行。其原理是利用含尘气体在进行高速旋转时所产生的离心力,将固体从气体中分离出来。它的优点有：结构简单、无运动部件、制造安装投资较少、操作维护简便、性能稳定、受含尘气体的浓度和温度影响较少、压损中等、动力消耗较小,所以得到广泛的应用；缺点是对粒度低于5μm~10μm的粒子无效，除尘效率低（约60%~80%）[2]。因此，旋风除尘器只能作为预除尘设备，脱除气体中粒度较大的粒子。
静电除尘器的工作原理是在高压静电作用下,使尘粒带有负电荷后,在电场力的作用下,向带有正电荷的极板方向运动,当尘粒到达极板后,交出负电荷,开始黏附在收尘极板的板面上,形成灰尘集聚物。然后由振打装置敲击极板,对灰尘集聚物产生冲击力,使其脱落进入灰斗被排除。静电捕集除尘具有压降低、无堵塞的优点，但试验研究发现，在高温状态下的电晕运行的电压范围缩小，使电晕现象难以维持；并且高温下易发生电极的腐蚀；高温下电能的消耗很大。静电除尘（ESP）一般应用于小于450℃的温度。因此，用于高压、高温状态的静电除尘技术还有待进一步研究[3]。
金属微孔过滤材料的优点是具有良好的耐温性和优良的机械性能、加工性能和焊接性能,并且它良好的韧性和导热性使其具有很好的抗热、抗震性。在德国的Aachen RWTH曾进行过一个大型的金属烧结网过滤系统试验，在压力100～360kPa、温度260～350℃、PFBC烟气条件下进行，对5μm的颗粒捕集效率可达到99.2％以上，压降为2.25kPa[4,10]。金属微孔过滤除尘技术的缺点是：材料所能承受的温度不高；解决金属在高温下氧化或腐蚀的问题比较难。
陶瓷过滤器属于高性能阻挡式过滤器,是利用陶瓷材料的多孔性进行除尘。它的过滤机理是惯性冲撞、扩散和截留；是吸附、表面过滤和深层过滤相结合的一种过滤方式。目前研究较多的是陶瓷织状物过滤器（除尘效率大于99％，温度达450℃）、陶瓷纤维过滤器（温度800～950℃，除尘效率可达99.9％）、刚性陶瓷过滤（包括交叉流式陶瓷过滤器和多孔熔结式烛状陶瓷过滤器，温度达800℃，除尘效率99.9％以上）[5]。陶瓷纤维过滤器需要提高承受温度和压力冲击的强度，陶瓷织状物过滤器需要突破支撑和强度问题，这两种陶瓷过滤器要实现工程化还需要相当长的一段时间，克服较大的困难 [6,4,10]。
颗粒层过滤除尘器按床层形式，可分为固定床、流化床和移动床。它的的优点是：耐高温、耐腐蚀、效率高、投资低等；存在的问题有：对细微颗粒的捕集效率有待提高；系统磨损较大；运行的控制因素较多。日本采煤研究中心（CMRC）和川崎重工（Kawasaki Heavy Industries）联合开发了移动床颗粒层过滤器（图1-1）用于热煤气除尘，操作温度为430～460℃，实测的除尘效率达到99.8％以上[6,7,8]。我国国电热工研究院研究开发的无筛移动逆流式颗粒层过滤器，试验温度550~680℃，除尘效率达到99.89%[9]。

图1-1 日本采煤研究中心和川崎重工的移动床颗粒层过滤器
Fig. 1-1 Moving bed granular layer filter of Japan coal research center and kawasaki heavy
2 半焦过滤高温除尘技术
低温干馏半焦的结构与石墨相似，是碳原子呈六角形排列的微晶层片状结构[11]，的孔隙率为30%~50%[12]，是良好的过滤介质。但在颗粒层过滤除尘技术中，用半焦作为滤料进行高温除尘的相关研究或生产实践，目前国内外还鲜有报道。在褐煤提质工艺等以低阶煤为原料的工业生产中，使用热半焦进行过滤除尘，不但充分利用了副产品，还充分利用了半焦的余热，大大减少了原料投资、降低了能耗，是一项很有发展前景的高温除尘技术。
2.1 机理
过滤除尘是利用过滤器的多孔捕集体把气体中所含尘粒分离出来的过程。半焦是一种多空物质，吸附性好，是优良的过滤除尘捕集体。在半焦颗粒层过滤中，气体中的尘粒往往比过滤层中的空隙要小得多，因此通过筛滤效应效应收集尘粒的作用是有限的。尘粒之所以能从气流中分离出来，主要是拦截、惯性碰撞和扩散效应。其次还有静电力、重力和热泳力等，如图2-1所示[13]。

图2-1 经典过滤机理
Fig. 2-1 Classic filtering mechanism
2.1.1 拦截效应：
拦截机理认为：颗粒有大小而没有质量，因此不同大小的颗粒都随着气流的流线而流动，颗粒将与捕集物接触而被捕集，如图2-2所示。当无外力场作用时，如果粉尘颗粒尺寸与捕集体尺寸的比值较大时，拦截效应就比较突出[13,14]。

图2-2 拦截效应
Fig. 2-2 Interception effect
2.1.2 惯性碰撞效应
粒子沿流线运动，绕流时，流线弯曲。质量较大的粒子由于惯性作用而偏离流线，与捕集体相撞而被捕集。最远处能被捕集的粒子的运动轨迹是极限轨迹。如图2-3中的虚线所示[13,14]。

图2-3 惯性碰撞效应
Fig. 2-3 Inertial collision effect
2.1.3 扩散效应
当粉尘粒子粒径很小，它们在随气流运动时不再沿气体流线绕流捕集体，而是在气流中作随机的布朗运动，部分微粒由于这种运动沉降在捕集体表面被捕获。这种捕集机理即是扩散效应，它在粉尘颗粒粒径小于lμm时效应突出[11]。
2.1.4 静电力作用
粉尘颗粒和捕集体通常带有电荷，这会影响粒子的沉积。粒子和捕集体的自然带电量是很少的，此时静电力可以忽略不计。但如果人为给粒子和捕集体荷电．以增强净化效果时，静电力作用将非常明显。粒子和捕集体间的静电力主要有4种：库仑力、象力(感应力)、空间电荷力和外加电场力[13]。
2.1.5 重力沉降作用
粉尘颗粒随气体流动的过程中，还受到重力作用而发生沉降。在上升流中，重力起负作用。除非粒子很大，在大多数情况下，重力沉降效率很小，故分析中常忽略重力沉降作用。
2.2 两种过滤方式
深层过滤，当含尘气体中所含颗粒很小，而且含量很少时，可用较厚的粒状床层做成的过滤介质进行过滤。由于尘粒尺寸比过滤介质孔道直径小，当尘粒随气体进入床层内细长而弯曲的孔道时，靠静电力及分子力的作用而附着在孔道壁上。过滤介质床层上没有滤饼形成。这种过滤称为深层过滤。
滤饼过滤，含尘气体过滤时，气体通过过滤介质而颗粒沉积在过滤介质的表面形成滤饼。颗粒尺寸比过滤介质的孔径大时，会形成滤饼；当颗粒尺寸比过滤介质小时，过滤开始会有部分颗粒进入过滤介质孔道里，迅速发生“塔桥现象”。但也会有少量颗粒穿过过滤介质而与气体一起流走。随着粉尘颗粒的逐渐堆积，过滤介质上面会形成滤饼层。此后，滤饼层就成为有效的过滤介质而得到清洁的气体。这种过滤称为滤饼过滤。
2.3 过滤基本方程
单位时间内滤过的气体体积，称为过滤速率，单位为m³／s。单位过滤面积的过滤速率，称为过滤速度，单位为m／s。设过滤面积为A，滤饼体积为Vc，过滤时间为dτ，气体体积为dV，则过滤速率为dV／dτ，而过滤速度为dV／Adτ。
随着过滤操作的进行，滤饼厚度逐渐增大，过滤的阻力就逐渐增大。如果在一定的压力差(p1— p2)条件下操作．过滤速率必逐渐减小。如果想保持一定的过滤速率，可以随着过滤操作的进行、逐渐增大压力差，来克服逐渐增大的过滤阻力。因此，可以写成
（2-1）
式中过滤推动力就是压力差Δp=Δpc+Δpm，过滤阻力包括滤饼阻力和过滤介质阻力，如图2-4所示。

图2-4 过滤的推动力和阻力
Fig. 2-4 Impetus and resistance of Filtering
滤饼阻力Rc=rμυV/A (2-2)
式中，r——滤饼的比阻，1/㎡；
μ——气体的粘度，Pa·s；
υ——单位体积气体所对应的滤饼体积，m³滤饼/m³气体。
过滤介质阻力Rm= rμυVe/A (2-3)
式中，Ve——过滤介质的当量气体体积，m³；
过滤推动力=Δp=Δpc+Δpm (2-4)
得过滤速率基本方程
(2-5)
它表示过滤操作中某一瞬时的过滤速率与过滤面积、压力差、气体粘度、当时的滤饼厚度以及滤饼的比阻之间的关系[15]。
2.4 工艺流程
筛分后的高温半焦进入颗粒床除尘器作为过滤介质，除尘器可以是固定床，也可以是移动床；含尘气体通过床层，被过滤为清洁气体。
颗粒层除尘器
清洁气体
热半焦
含尘气体

图2-5 半焦作为滤料高温除尘工艺流程图
Fig. 2-5 The process flow diagram of semi-coke as the filter medium used in high temperature dust-removing
3 半焦过滤高温除尘技术特点及适用性
热半焦作为滤料的颗粒层高温除尘技术具有多方面的优点。
（1）具有阻力小、耐腐蚀、操作简单等优点。
（2）作为滤料的半焦为前段工序的热解产品，减少了投资。
（3）从热解炉出来的半焦本身具有较高的温度，并且利用热解产生的煤气进行加热，充分利用了系统的热能，避免了外部供热。
（4）半焦具有较大的比表面积，孔隙结构发达，具有更好的除尘效率。
（5）从除尘器出来的半焦直接外运，简化了除尘工艺。
半焦作为滤料的颗粒层高温除尘工艺的总体趋势是降低除尘装置的基本建设投资及运行成本，提高除尘效率。制备强度较好的半焦，加强新设备的研究，优化工艺流程可以促进半焦作为滤料的移颗粒层高温除尘技术的工业化应用。
半焦高温除尘技术主要应用于以低阶煤为原料的化工、电力等行业，也存在着一些不足，如半焦运动过程中可能形成二次扬尘；半焦在长距离输送过程中热量损失较大；对粒度极小的粉尘脱除效率差等，因此，该工艺仍然需要进一步研究和发展。
4 结论
在众多的高温除尘工艺中，半焦作为滤料的颗粒层除尘技术是比较经济的一种，该技术投资少、阻力小、适应性强、除尘效率高，特别适用于我国这样一个煤炭在一次性能源结构中处于主要地位的国家。现阶段随着褐煤提质、煤气化燃气蒸汽联合循环发电（IGCC）等煤化工技术的发展以及社会对环境保护越来越高的要求，半焦作为滤料的颗粒层高温除尘技术具有广泛的应用前景。该技术能有效解决能源与环境的矛盾，是适合我国国情的高温除尘技术。

[参考文献] (References)
[1] 田忠坤. 直管式气流干燥器干燥褐煤的试验研究[J]. 选煤技术, 2010, 3： 16-19.
[2] Judkins RR, Stinton D P, Smith R G et al. Development of Ceramic Composite Hot-Gas Filters[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，Transaction of ASME，1996，118：495-499.
[3] Weber E et al. Electrostatic Precipitation under Extreme Conditions of Temperature and Pressure[A]. Proceeding of the 2nd International Conference on Electrostatic Precipitation[C]. Kyoto: 1984, 85-95.
[4] Tassicker O J, Drenker S. Pilot scale gas filtration at extreme temperature and pressure[A] Proceeding of the International Conference on Advanced Coal Power Technology and Hot Gas Cleaning[C]. Dusseldorf: Electric Power Research Institute, 1987.350-400.
[5] 姬忠礼, 时铭显. 高温陶瓷过滤技术的进展[J]. 动力工程, 1997, 17（3）: 59-65.
[6] Takematsu T, Maude C. Coal Gasification for IGCC Power Generation[M]. London: IEA Coal Research，1991.
[7] 时铭显, 刘隽人. 炼油工业中气固相分离技术的进展[J]. 石油炼制, 1989, 19（1）: 19-29.
[8] 刘会雪,刘有智,孟晓丽. 高温气体除尘技术及其研究进展[J]. 煤化工, 2008, 2, 14-17.
[9] 郜时旺. 移动床颗粒层过滤系统高温高压除尘研究[D]. 西安: 西安交通大学, 2002
[10] Novi ck VJ, Ahluwallia RK. Performance of an Iron Aluminide Metal Filter in a Reducing Environment[J]. Materials Engineering and Performance, 2001, 10(3): 349-357.
[11] 高晋生. 煤的热解、炼焦和煤焦油加工[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010. 53-54.
[12] 郭树才. 煤化工工艺学(第二版) [M]. 北京: 化学工业出版社,2006.7-8.
[13] 向晓东. 现代除尘理论与技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2002.107-116.
[14] 吴晋沪. 移动床高温煤气除尘基础研究[D]. 山西: 中国科学院山西煤炭化学研究所, 1998.
[15] 王志魁. 化工原理(第三版)[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006, 111-117.