高温烟雾净化用陶瓷过滤的研究

高温烟雾净化用陶瓷过滤的研究

0高温烟气过滤技术高温烟雾弥漫已成为材料、冶金、化工、能源等行业“节能减排”的重要技术课题。许多工业烟气属于高温烟气,如冶炼、焚烧、火力发电、燃煤锅炉、工业炉窑、余热回收利用等。虽然目前对高温烟气的温度下限定义不甚明确,但实践告诉我们,采用传统的布袋除尘器净化高温烟尘,通常要将烟气冷却至250℃以下并控制在露点温度以上。因此,采取降温方法净化高温烟气势必造成设备、运行费用增加和热能浪费。直接过滤高温烟气有许多优点:可减少过滤前冷却气体的设备需要和费用;通过热能和有价值副产品的回收利用,能增加总运行效率;减少用于降温的稀释气流净化;可避免结露引起的设备腐蚀;减少维护费和延长设备使用寿命;简化处理过程;减少投资、安装、维护费用和占地面积。因此,高温烟气过滤技术的应用与发展一直引起世界各国的广泛关注,呈现出很好的市场前景。2000年世界高温烟气过滤市场情况如图1所示。高温烟气中存在氧化还原环境,且常伴有腐蚀性化合物,这就对高温滤料的机械、热力学性能和化学稳定性提出更高的要求。现在人们普遍认识到:刚性陶瓷滤料将成为过滤高温、高压、具有腐蚀性气体的一种主要方法。为了使除尘器既不受高温条件限制,又能满足严格的排放标准,陶瓷纤维过滤技术在高温烟尘净化方面突显出独特的应用前景。1992年,全世界陶瓷过滤器销售额约7000万美元,2004年估值达4亿美元。和其它高温滤料相比较,陶瓷滤料在净化效率、过滤阻力、清灰效果、使用寿命、运行维护等方面有明显的优势,使陶瓷纤维滤料在高温烟气净化中的应用比例急速增长,陶瓷纤维过滤器研制、生产和应用已成为高温烟气净化技术的发展主流。因此,我们有理由对陶瓷纤维过滤技术在我国的应用和发展前景充满期待。1陶瓷滤料的结构和性能1.1陶瓷纤维过滤单元在烟尘过滤的应用中,陶瓷滤料是将陶瓷烧制成刚性单体,称之为陶瓷滤料单元。刚性陶瓷滤料单元可分为2类:陶瓷纤维过滤单元和陶瓷颗粒过滤单元。陶瓷纤维的主要成分是碳化硅、氧化铝、或多铝硅酸盐。陶瓷纤维一般由纤维糊精通过公、母模子拉制而成,糊精内含有有机黏结剂,如淀粉,以增强过滤材料的结构强度,形成的滤料可以后处理,或者表面机械抛光。由于陶瓷纤维过滤单元的孔隙率高、透气性好、重量轻、压力损失小,清灰效果好,所以比陶瓷颗粒过滤单元更适用于工业高温烟气过滤。陶瓷纤维过滤单元的结构型式有3种:蜡烛状、管状和块状。蜡烛状过滤单元是一个中空、具有多孔边壁的柱状管,一端封闭,另一端有凸缘,如图2a)所示。典型的蜡烛状过滤单元几何尺寸为:外径ɸ60mm,壁厚10~20mm,总管长1~1.5m。含尘气流从管外到管内,粉尘在外表面沉降形成粉尘层(粉饼过滤)。常采用脉冲清灰,使用惰性气体(通常为N2或净化后的气体)周期性地喷射到蜡烛状过滤单元组合室内。脉冲气体在蜡烛状过滤单元内、外形成压差,使蜡烛状过滤单元外表面的粉尘层脱落而掉入下部的灰斗中。在实际除尘器中,是将大量的蜡烛状过滤单元组合成多管。其数量取决于所过滤的气体体积和所设计的过滤风速。管状过滤单元两端开放,如图2b)所示。含尘气流从上部进入,利用气流的动能,可使部分粉尘直接落入灰斗。气体通过滤料层,粒子阻留在管的内表面。采用逆气流脉动喷吹,逆气流经过滤室由管外到管内。这种过滤方式被认为是有利于提高过滤单元寿命,但大大增加清灰耗气量。管状过滤单元的管径较大,过滤单元安装在上、下花板上。日本朝日玻璃公司生产的管状过滤单元由β-堇青石制成(MgO、Al2O3和SiO2的化合物晶体)。其内径ɸ140mm,壁厚15mm。安装长度近3m(3根1m长的管接在一起,接头用陶瓷胶密封)。β-堇青石需要较高的烧制温度,因此,造价高。块状过滤单元在应用中多采用分平流通道结构,如图2c)所示。含尘气体由脏气通道进入,由净气通道流出。过滤由脏气通道壁面覆膜实现。采用脉动反吹清灰。通道过滤单元的一个显著特点是具有很大的比表面积,要比蜡烛状过滤单元高4~5倍。1.2陶瓷覆膜滤料过滤高温烟气的陶瓷滤料有耐温、抗腐、机械强度、除尘效率和压力损失5个主要性能指标。应用结果表明,陶瓷纤维滤料在800℃的烟气温度下长期运行很少出现滤料故障。有些陶瓷纤维甚至在1100℃下运行,也不会因温度过高而失效。陶瓷纤维滤料有极强的抗化学腐蚀性。陶瓷过滤单元的机械强度至少有1400kPa。所以陶瓷过滤单元的耐温性、抗腐蚀性、机械强度和抗热冲击能力都很好。1994年CeraFilter公司研制出的陶瓷覆膜新工艺极大地促进了陶瓷过滤器应用的快速发展。陶瓷滤料基层孔径可以“很大”(50~100μm),但陶瓷覆膜孔径却很小(0.2~0.5μm),比陶瓷滤料基层(材料为多孔堇青石)的孔径小100倍,而膜厚仅50μm。于是,陶瓷覆膜过滤近乎于纯表面过滤,即粉尘沉积在滤料的迎风面,先附着在陶瓷表面的粒子变为后续粒子的收尘体,形成链状的凝聚尘,凝聚尘不断堆积、坍塌,最后在过滤单元表面形成稳定的粉饼。粉饼继续充当过滤层不断捕集气体中的粒子,很少或几乎没有粒子透过滤料层。陶瓷覆膜滤料不仅除尘效率极高,而且清灰容易、阻力降低。对陶瓷覆膜滤料来说,除尘效率太高,通常不讨论除尘效率,而是以排出气体的含尘浓度表示,通常小于5mg/m3(标准状态)。从某种意义上讲,压力损失比除尘效率更重要。因为它直接影响除尘器和整个生产系统的运行状况,包括抽风动力和清灰动力。对于洁净陶瓷滤料,压力损失除了与流速和过滤单元的几何尺寸有关,主要取决于陶瓷纤维的孔径。因此,不同厂家生产的陶瓷过滤单元的压力损失曲线有着很大差异。图3是世界几家有名厂商的陶瓷滤料产品压力损失曲线。对于有积尘的陶瓷滤料,沉积尘的压力损失与粉饼的空隙率有关,而空隙率受粒子附着力、粒子大小及分布的影响。到目前为止,在运行条件下粉饼阻力变化还无法预测,即使已知粒子大小、形状、分布和化学成分。因此,过滤状态下的压力损失仍依赖于实验。2陶瓷纤维过滤器虽然过滤单元的种类和布置多样,但目前所有的过滤器设计都基于单层花板或分层排列布置。这两种设计都可用于不同的过滤器,而且在多数情况下,能够为处理大烟气量提供模块化组合。因此,下面仅介绍几种较典型的陶瓷过滤器。西屋(Westinghouse)陶瓷过滤器的结构如图4所示,它由过滤单元平行排列,用花板吊挂而成。单元组合由很多蜡烛状单元组成,每个组合共用一个气室。一个气室可装30~60个固定套,每个气室有自己的文氏管和脉冲喷吹管。每个组合吊装在相同的支撑骨架上,形成过滤串。蜡烛状过滤单元固定在共用气室的花板上,用卡套和高温密封垫连接。在脉冲清灰过程中,脉冲气体从上到下导入共用气室。根据过滤的烟气流量,系统可以设计成每个气室拥有更多的蜡烛状过滤单元,或者增加每个过滤串的气室数,或者容纳更多的过滤串。然而,由于受花板结构等因素的限制,器体的直径是有限的。很大的烟气处理量需要多个陶瓷纤维过滤除尘器并联。西屋陶瓷纤维过滤器的组装形式同样适用于块状过滤单元。苏马契尔(Schumacher)陶瓷纤维过滤器如图5所示。内部有一个花板将除尘器分为上部的干净侧和下部的含尘侧。过滤单元成组或成串(通常是每串42个过滤单元)地悬挂于花板上。早先的苏马契尔陶瓷纤维过滤器采用重物使过滤单元定位,系统运行时过滤单元常出故障。于是苏马契尔公司设计出向下固定装置。这种陶瓷纤维过滤器用在了荷兰和比利时煤气发电厂烟尘净化。该装置采用带有弹簧的导向板定位,防止了过滤单元产生致命的摆动。这种设计只能适用于较低的温度(<500℃)。采用热气脉冲喷吹清灰,减少了沿蜡烛状过滤单元的热应力,有效地降低了热冲击危害。清灰是一个过滤串接着一个过滤串进行,这样可以使除尘器连续运行,而且下行流有助于粉尘的沉降,减少了粉尘再次回到过滤单元表面上。鲁奇(LurgiLentjiesBabcock)陶瓷过滤器的设计如图6所示。管状过滤单元从底部支撑,由水平管定位。管状过滤单元呈组垂直叠放,这样在器体中可放置多层。来自压缩贮器罐的脉冲压缩空气通过垂直管,再进入水平管,使每一组过滤单元同时得到清灰。鲁奇陶瓷过滤器的过滤单元数的排列更紧骤、制作大过滤器更灵活。倒置的重物定位块产生收缩应力有利于接头密封,并增加陶瓷过滤单元的结构稳定性。实验还表明,上层过滤单元组合清灰脱落的粉尘经过下层组合时,下层过滤单元表面没有粉尘的再附着。朝日(AsahiGlassCompany)陶瓷过滤器如图7所示。除尘器内有3个垂直分布的过滤室,1个灰斗和反脉冲喷吹管道,同时也作为净化气体出气管。管状过滤单元靠花板固定,花板把除尘器分成几个过滤室。过滤为内滤式,陶瓷管两端敞开。清灰由外向内逆气脉冲喷吹。朝日陶瓷过滤器进行过大量工业试验,如芬兰Karhula流化床燃烧烟尘净化、日本Wakamatsu电厂烟气净化试验。生产类似于朝日陶瓷过滤器的公司还有日本三铃重工。3高温烟气净化目前,陶瓷过滤器在很多工业领域得到越来越广泛地应用,如催化贵金属回收、流化床燃烧、煅烧、有机废物气化发电、冶炼、建材、玻璃制造、化工和各种工业窑、炉等工业过程的高温烟气净化。陶瓷过滤器的种类繁多,为有利于未来陶瓷纤维过滤技术在我国的成功应用与发展,根据前面的介绍给出如下参考性择优方案。3.1过滤单元方案设计在各种过滤单元中,平流通道过滤单元(又称蜂窝过滤单元)的比表面积最大,可使陶瓷过滤器的体积大幅度减小,也就意味着初始投资费用降低。可设计较低的过滤风速,有利于提高过滤效率和降低系统运行阻力。如用陶瓷覆膜滤料,能进一步提高过滤效率,更重要的是清灰效果好。由于蜂窝过滤单元为方形,其组合非常方便。用于温度不高于500℃以上的过滤单元组合体结构如图8所示。通常每一组合体有16或25个过滤单元。组合体中的每个单元各自独立,由SiO2纤维作密封垫。每个过滤单元的端部有法兰。法兰与蜂窝过滤单元烧结到一起。3.2发酵陶瓷过滤器大多数用户并不太了解陶瓷过滤器,但对脉冲布袋除尘器是非常熟悉的。因此,选择与布袋除尘器结构与运行方式最为接近的蜂窝陶瓷过滤器更便于对陶瓷纤维过滤技术的掌握。蜂窝陶瓷过滤器的结构如图9所示。进入除尘器的含尘气体通过滤料层得到过滤。随着粉尘在过滤单元表面不断沉降,滤料层压力损失逐渐增加,于是就要按预先设定压差由压缩空气对过滤单元进行周期性脉冲喷吹清灰。可见蜂窝陶瓷过滤器与布袋除尘器的工作原理完全相似。3.3陶瓷覆膜滤料目前,陶瓷纤维滤料和陶瓷过滤器多种多样,价格日趋便宜。很多国家都有自己的品牌,以美、德、日的陶瓷滤料生产技术较成熟。陶瓷纤维过滤已不是什么新技术,但在高温烟尘净化方面却是高技术。虽然用于高温烟尘净化的方法很多,但陶瓷纤维过滤具有更高的可靠性,特别是对于处理500℃以上的烟气。因陶瓷纤维过滤单元是刚性的,不像普通滤袋那样可变形振动,所以,需要的脉冲反吹压力较大。陶瓷纤维过滤器的阻力要比普通纤维过滤器(布袋除尘器)的阻力高,因此,对清灰设计要予以高度重视。考虑到运行的可靠性和降阻,应考虑选用陶瓷覆膜滤料。覆膜孔径可以达到微滤的程度(0.1μm以下),一开始就属于表面过滤。因此,残留粉尘层的过滤作用没有意义,即不存在过度清灰问题。所以,提高清灰强度对减少运行阻力是有利的。从表面上看,陶瓷纤维过滤器的结构非常简单,但由于在高温下运行,其工艺参数设计非常重要,其中主要是清灰压力、清灰机构设计、联结件的耐温性,密封设计、外壳的耐火材料选择与设计,以及风机设计等。4煤气化发电系统陶瓷纤维过滤在我国高温烟气净化方面还没有起步,但近几年来的应用情况表明,在世界范围内陶瓷过滤器用量呈现出高增长趋势。陶瓷过滤器最突出的应用是燃煤发电领域的烟尘净化。最大限度地提高发电效率和减少对大气造成的污染已成为世界各国,特别是中国这样一个燃煤大国的主要任务。通过循环流化床(CFBC)