摘要:雙層濾料顆粒床高溫除塵技術采用粗細兩層濾料,集粗精兩級過濾于一體,解決了顆粒床過濾效率低的問題。小試和工業(yè)試驗表明:除塵效率> 99199 % ,床層壓降< 1600Pa ,耐高溫,運行可靠,投資、維護和運行費用低,是目前最可靠實用的高溫除塵技術,可廣泛應用于能源、冶金、化工、材料、焚燒等爐窯的煙氣除塵,有顯著的節(jié)能減排、節(jié)水節(jié)資效益,應用前景廣闊。

關鍵詞:高溫除塵,過濾,顆粒床

0 　引言

冶金、化工、建材、能源等領域的爐窯余熱利用潛力很大。但在工業(yè)爐窯余熱利用中遇到了一個共性問題———高溫除塵問題。特別是冶煉爐窯排氣溫度波動很大, 如高爐煤氣有時低于50 ℃, 有時高于 600 ℃,這類情況若采用濕法除塵,余熱不能利用,且耗水大,污水處理復雜;若采用干法布袋除塵,因其耐溫低,需要復雜的溫控調節(jié)設備(換熱設備、噴水設備、自動控制系統(tǒng)等) ,余熱利用率低,流程長,設備多。因此,冶煉爐窯煙氣凈化非常需要耐高溫的除塵設備。冶煉爐窯應用高溫除塵設備不僅可提高余熱利用率,還可省去復雜的溫控調節(jié)設備,簡化系統(tǒng),降低投資、運行和維護費用,有顯著的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)資和減排效果。

近十多年來,高溫除塵技術因整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( IGCC) 、煤氣化多聯(lián)產等先進能源系統(tǒng)的共同需要,被世界公認為是先進能源系統(tǒng)的共性核心技術, 得到了空前的科技推動和發(fā)展。特別是近年因各行業(yè)對節(jié)能減排工作的空前重視,高溫除塵技術更被認為是能源、冶金、化工、材料、焚燒等整個工業(yè)爐窯余熱利用領域中的共性核心技術。

剛性陶瓷管過濾和顆粒層過濾被認為是最有前途的兩種高溫除塵技術。國際上研究最多的是剛性陶瓷管過濾,從材質、結構、失效保護(fail safety) 等方面都有很大進展,已有一些在先進能源系統(tǒng)中的應用示范,但還存在一些問題需要解決,如管間根部積塵搭橋(bridging) 導致管裂;灰殼包管,清灰失效等問題,另外,陶瓷管過濾系統(tǒng)價格昂貴,用于工業(yè)爐窯余熱利用,用戶難接受。

顆粒層過濾是利用耐高溫的固體顆粒(石英砂等) 形成過濾層來過濾粉塵。顆粒層過濾器的突出優(yōu)點是耐高溫、耐腐蝕、對煙氣成分不敏感,投資和維護費用低。在國際上曾有多種類型的顆粒層過濾設備在工業(yè)窯爐中應用,如旋風- 耙式顆粒層過濾器、沸騰式顆粒層過濾器在水泥窯、鍋爐、燒結機、沖天爐上的應用等。近十多年來,美國、印度、中國、中國臺灣等研究較多的是顆粒層移動床過濾技術。

現(xiàn)有顆粒層過濾技術的不足是過濾效率低于剛性陶瓷管過濾,主要原因是所采用的濾料粒徑都是大于1 mm ,濾料粒徑不能進一步減小,過濾效率也就無法進一步提高。對于固定床,濾料粒徑減小,過濾效率會提高,但壓降增大,且清灰周期短,實用性差。而對于移動床,濾料粒徑減小,料層移動速度加快,將造成捕集的粉塵二次揚起,反而降低過濾效率。因此, 顆粒層過濾技術的發(fā)展方向是提高過濾效率。

本文介紹一種顆粒層過濾新技術,該技術很好地解決了顆粒層過濾效率低的問題,過濾效率達到甚至高于布袋和陶瓷管的過濾效率,且比布袋耐高溫,比陶瓷管更經濟可靠,因而在工業(yè)爐窯煙氣凈化和余熱利用中更具實用性和競爭力。

1 　原理

現(xiàn)有顆粒層過濾器都是單一濾料層過濾,不是細就是粗,高過濾效率與低壓降不能兼得,在已有的國內外應用中,都是采用粒徑> 1 mm的粗濾料,有的甚至超過10 mm ,使顆粒層過濾只能是低效率過濾。

雙層濾料顆粒床高溫除塵技術與現(xiàn)有技術不同的是:采用粗細兩種濾料,粗濾料層在上,細濾料層在下。過濾時,含塵氣體自上而下先經過上層粗濾料過濾,截留氣體中的絕大部分粉塵,再經過下層細濾料過濾,截獲漏過上層濾料層的微細粒子。粗細濾料結合,集粗精兩級過濾于一體,粗精兩級梯級過濾,可同時獲得極高過濾效率和低壓降。

兩種濾料粒徑比和密度比匹配得當,反吹清灰時,反吹氣自下而上通過濾層,兩層濾料共同流化而不相混,上層濾料始終浮于下層濾料之上,雙層結構不變,使雙層濾料床能夠周而復始持續(xù)高效地工作。

2 　小試

雙層濾料顆粒床高溫除塵小試裝置由羅茨風機、過濾器、液化氣燃燒器、給粉裝置、管路和流量、壓力、溫度、粉塵濃度等測試儀器組成,如圖1 所示。過濾器、燃燒器、管路等由耐高溫的0Cr18Ni9Ti 不銹鋼材料制成。為了方便觀察雙層濾料層的過濾過程和反吹流化清灰行為,過濾器設計成了一段可更換的結構,常溫試驗時,更換為有機玻璃顆粒床,高溫試驗時更換為0Cr18Ni9Ti 不銹鋼顆粒床。

以海砂( 粒徑分別為0.5 ～ 0.8 mm、0.8 ～ 1.0 mm、1.5 ～ 2.0 mm) 或鑄造砂( 粒徑為0.8 ～ 1.0 mm) 為下層濾料,以膨脹珍珠巖(粒徑分別為2～ 3 mm、3～5 mm) 為上層濾料,先后進行了濾料流化試驗,單層濾料床和不同厚度和粒徑組合的雙層濾料床過濾試驗,不同過濾氣速、氣溫等對過濾效率的影響試驗,流化清灰試驗等。

流化試驗表明,0.5～0.8 mm海砂或0.8～1.0 mm 海砂或0.5～0.8 mm鑄造砂與2～3 mm膨脹珍珠巖組成的雙層濾料床,在反吹流化時,均存在一個上下濾料層共同流化而不相混的氣速范圍,即膨脹珍珠巖顆粒始終浮于砂層之上,雙層結構始終不變,證明了把密度相差約20 倍的砂和膨脹珍珠巖選配為上下層濾料是成功的,雙層濾料層過濾的新思路是可行的。

常溫過濾試驗表明,以經球磨機細磨后的電廠粉煤灰(90 %的顆粒小于2.26μm) 為粉塵樣時,厚度為 45 mm、粒徑為0.5～0.8 mm的單層海砂在0.25 mPs過濾氣速下的平均過濾效率為99.48 % ,而在此砂層上加一層厚為200 mm粒徑為2～3 mm的膨脹珍珠巖層, 在其他條件不變的情況下過濾效率提高到99.991 % , 出口粉塵濃度小于1 mgPm3 , 且在相同床層總壓降 (1 600 Pa) 下,床層積灰量增大為單層砂層的10 倍, 充分證明了雙層濾料床梯級過濾的顯著作用,即膨脹珍珠巖層捕獲了絕大多數(shù)(大于90 %) 粉塵, 起到了顯著提高床層容塵量、保護砂層的作用,而砂層起到了獲得極高過濾效率的作用,兩者的共同作用,使雙層濾料床獲得了高效率和低壓降(或大容塵量) 。高溫過濾試驗表明,以0.5～0.8 mm鑄造砂與 2～3 mm膨脹珍珠巖為上下層濾料,在常溫、150 ,250 , 350 ,450 ℃溫度條件下,過濾效率均大于99199 % ,且隨著溫度提高,過濾效率也略有提高,這主要是由于溫度升高,氣體擴散系數(shù)增大,從而強化了微細顆粒過濾中的擴散機理,提高了微細顆粒的過濾效率。

3 　工業(yè)試驗及工業(yè)應用

工業(yè)試驗是在江陰市海虹有色金屬材料有限公司的2 ×13 t鋁合金熔化爐的煙氣消煙除塵上進行。這兩臺鋁合金熔化爐都是燃用重油,黑煙大又帶有黏性,且在熔煉過程不同階段,煙氣溫度、煙氣流量變化很大,所以這類熔化爐以往通常采用濕法除塵(眾所周知該方法能耗大、占地面積廣且無法利用排煙廢熱) ,不采用布袋除塵器等干法除塵(因為采用布袋除塵器不僅需要復雜的冷卻與溫控設施,更是因為黏性微粒會對布袋糊死而使其失效) 。所以,業(yè)主在了解本項技術原理及小試成果的基礎上,毅然選用了雙層濾料顆粒床高溫除塵技術,為該技術提供了難得的工程示范機會。根據(jù)2 臺13 t鋁合金熔化爐的煙氣量, 雙層濾料顆粒床高溫除塵器的設計處理量為 48 000 m3Ph , 除塵器分8 個過濾單元,單列8 層布置, 每個過濾單元的過濾床面積為5 000 ×1 500 ,如圖2、圖3 所示。

該試驗系統(tǒng)2008 年1 月建成運行,測試表明,除塵器的進口溫度高時可達450 ℃, 出口粉塵小于 10 mgPm3 ,除塵消煙效果好于預期目標,運行穩(wěn)定可靠,項目獲得圓滿完成。

上述試驗項目獲得成功后,一套設計處理量為 120 000 m3Ph的雙層濾料顆粒床高溫除塵系統(tǒng)擬用于江陰市海虹有色金屬材料有限公司6 ×15 t鋁合金熔化爐的消煙除塵上, 目前該系統(tǒng)正處于安裝調試階段。

4 　結論

從小試和工業(yè)試驗結果看,雙層濾料顆粒床高溫除塵技術具有以下特點:

1) 效率高。除塵效率達到99.99 % , 排放濃渡小于20 mgPm3 。

2) 耐高溫。內殼體采用鍋爐鋼時可耐500 ℃;采用耐熱鋼時,可耐800 ℃。

3) 可靠性高。沒有運動部件,沒有如陶瓷管那樣的易脆易斷易阻塞的元件,因而經久耐用,維護簡單。

4) 投資、維護和運行費用低。沒有如陶瓷管那樣的昂貴元件,也沒有如移動床那樣的大量濾料循環(huán), 因而投資、維護和運行費用遠低于陶瓷管過濾器,也低于移動床過濾器。

5) 壓降低。床層壓降小于1 600 Pa ,僅為陶瓷管過濾器的1P10 ,也僅為文丘里濕法除塵系統(tǒng)的1P10。 6) 對治理含有黏性粒子的冶煉煙氣的適應性強。

因此,雙層濾料顆粒床高溫除塵技術是迄今最可靠實用的高溫除塵技術,且可廣泛應用于能源、冶金、化工材料、焚燒等爐窯的煙氣除塵。如冶金工業(yè)的高爐、轉爐、電弧爐、燒結爐、平爐、銅熔煉爐、鋁熔煉爐等;建材工業(yè)的水泥窯、玻璃窯、陶瓷爐等;化工領域的石油催化裂解爐、碳黑爐、電石爐、氮肥廠煤氣爐等;固廢處理的垃圾焚燒爐;能源系統(tǒng)的IGCC、多聯(lián)產中的熱煤氣除塵等。該技術在這些領域的應用,將有顯著的節(jié)能減排、節(jié)水節(jié)資效益,應用前景廣闊。

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