粉煤熱解含塵干餾氣除塵技術研究現狀

王苗 王毅（西安交通大學城市學院，陜西 西安710018）

煤熱解是在常壓下進行熱加工，可以產生焦油、煤氣和半焦，熱解產生的煤氣熱值較高，可供民用或工業使用，焦油和半焦可以作為工業原料或燃料。近年來，煤低溫熱解制半焦技術有了較迅速的發展，如何提高副產品焦油的產率，成為煤熱解工藝的重點。隨著采煤機械化的大范圍使用，塊煤產率由52%～60%降低至20%～38%，據估計全世界2300 個煤礦中每年約產生粉煤0.5Gt，造成粉煤的大量累積。為減少環境污染，合理利用粉煤，研究粉煤低溫熱解制半焦技術，是粉煤利用的有效途徑之一。

國內外學者開發出多種熱解工藝流程，最具代表性的是Garrett 熱解工藝、LR 熱解工藝和DG 熱解工藝。以上三種煤熱解工藝，半焦顆粒均容易被熱解后的揮發分帶出，使熱解產物焦油中含有大量的粉狀半焦，當焦油冷卻到常溫時，液態焦油中會含有大量的粉塵，造成焦油的流動性較差，焦油和粉塵黏附于旋風分離器內壁，同時部分未被分離的細粉塵附著在焦油冷卻管路的內壁造成堵塞，導致系統難以長期運行，并且收集的焦油由于粉塵含量較大而無法使用。因此研究粉煤低溫熱解的同時，如何降低焦油中的粉塵含量顯得尤為重要。

1 煤熱解工藝中除塵技術的特點

粉煤熱解產生的含塵干餾氣特點：（1）粉塵粒徑和密度較小，在管道及設備中的運動軌跡不確定，容易隨氣流流動；（2）顆粒形狀不規則，密度與熱解氣接近；（3）干餾氣中含有大分子芳香類物質，黏結性較強，容易與熱解氣中冷凝后的焦油一同附著在容器或管道壁面，造成設備堵塞[1]。

因此，粉煤熱解干餾氣分離對除塵設備的要求較高，主要有：（1）耐高溫，具有良好的抗腐蝕性。保證除塵設備能夠在450℃以上的高溫環境中持續穩定運行。（2）含塵氣體在除塵設備中的停留時間較短，為保證較高的焦油產率，防止焦油發生二次裂解，應使含塵干餾氣迅速通過除塵設備。（3）高溫條件下，設備的使用壽命較長，濾料容易再生，具有較高的除塵效率。

2 粉煤熱解干餾氣除塵技術現狀

目前能用于高溫狀態下氣固分離技術主要有高溫旋風除塵、高溫靜電除塵、金屬燒結網過濾除塵、高溫陶瓷過濾除塵、顆粒層過濾除塵。各種除塵技術有其自身的特點及適用范圍，現針對粉煤干餾過程的除塵需求進行分析。

2.1 高溫旋風除塵

旋風除塵器在除塵領域應用比較廣泛，旋風除塵器的機理性研究及結構化設計已經趨于成熟。在高溫除塵領域，一般是將旋風除塵器串聯或并聯，以組合的形式運行。其工作原理是含塵氣體進入除塵器內部進行高速旋轉運動，產生較大的離心力，由于粉塵顆粒的質量較大，因此其慣性比氣體大得多，顆粒在離心力的作用下甩向筒壁而失去動能，并沿壁面滑下，進而實現與氣體的分離。

優點：結構簡單、造價較低、維修方便且運行簡單；對于10～20μm 的粉塵，除塵效率可以達到95%～98%；耐高溫，可以在1000℃下運行，適用于含塵濃度高和強腐蝕性環境，在工業中有廣泛應用。

缺點：對于小于10μm 的粉塵，除塵效率只能達到60%～80%，分離效率較低，且除塵效率隨含塵氣體流量的變化而變化，因此只能作為高溫除塵的預處理。

2.2 高溫靜電除塵

高溫靜電除塵是利用高溫含塵氣體本身的熱量，使復合材料發射頭發射出熱電子，形成靜電場，當氣體中的粉塵接觸到該電子時，會使粉塵本身帶電，粉塵在電場的作用下被補集。對于平均粒徑為5μm的粉塵，除塵效率達到99.6%。

高溫靜電除塵器具有壓降低，無阻塞的優點，但高溫下電暈現象難以維持，易發生電極腐蝕現象且電能消耗比較大。靜電除塵器成本較且占地面積較大，不易大規模使用。

2.3 高溫金屬絲網除塵

金屬絲網過濾器元件易于加工，具有耐機械沖擊和除塵效率高的優點，但其主要由特殊的金屬纖維組成，在高溫下運行的時間較短，耐腐蝕性較差，且金屬纖維物的價格較高，因此不宜在煤熱解含塵干餾尾氣除塵工藝中使用。

2.4 高溫陶瓷過濾除塵

高溫陶瓷過濾器是使含塵氣體從過濾元件的外表面，穿過多孔結構的陶瓷管壁，實現氣體中粉塵的分離。對于粒徑大于5μm的粉塵，除塵效率達到99.9%。運行一段時間后，過濾管由于受到氣流的沖擊及熱應力，會出現斷裂、破損現象，此時過濾元件失效。因此剛性陶瓷過濾器目前僅限于實驗研究階段，耐久性和抗沖擊性實驗仍需要進一步完成，離商業化還較遠。

2.5 顆粒層過濾除塵

顆粒層過濾器具有良好的耐高溫和耐高壓性能，過濾介質不存在腐蝕問題，對氣體和灰塵性質不敏感，過濾效率較高[2]，發展前景較好。顆粒層過濾器按床層形式，可分為移動床和固定床。移動床既可連續運行，又能保證較高的過濾效率，但在濾料介質循環時易發生管路堵塞且清灰效率不高；固定床不僅除塵效率高，而且當過濾介質采用產物時，不存在過濾介質再生問題。我國國家電力公司國電熱工研究院，研究開發了無篩移動逆流式顆粒層過濾器，對其進行了高溫、常壓除塵實驗，并開發了濾料再生系統，研究了粉塵帶電之后在顆粒層中的運動情況，提出了采用使粉塵帶電方法來提高粉塵在顆粒床中的除塵效率，理論上證明在一定條件下該方法是可行的，但還沒有在工業生產中得到應用。

盡管目前已經開發出了多種高溫氣固分離技術，但其廣泛的工業化應用仍需要更多的基礎研究成果支撐。目前需要解決的主要問題是提升高溫下設備的壽命、提高細微粉塵的分離效率、優化過濾填料的再生技術。化工領域高溫氣體介質與粉塵的多樣性導致氣固兩相物化性質呈現多樣性，進而使得開發通用的高溫分離技術幾乎不可能。將各種分離技術進行優化組合以滿足特定工藝的分離需求是一種可行的方案。在組合過程中綜合考慮阻力特性及分離效率，利用各分離技術實現粉塵的分級分離將會進一步提升系統的分離效率。

2.6 電袋復合除塵技術

該除塵技術是將高溫靜電除塵技術和袋式除塵技術有機結合的一種除塵技術。粉塵通過電場時大部分被除去，極細顆粒凝聚為大粒徑顆粒[3]，并在袋式除塵器中被除去。

電袋除塵技術包括一體式電袋除塵技術和分體式電袋除塵技術[4]。一體式電袋除塵技術占地面積較小，但不能在滿負荷下進行在線檢修。共同優點：適用性較廣，不受煤種及飛灰成分的限制，粉塵出口濃度較低。共同缺點：總壓降損失較大，對氣體成分及溫度較敏感，設備費用及年均運行費用較高。

2.7 旋風-顆粒床除塵技術

利用旋風分離技術將含塵干餾氣進行初步分離，然后將氣體繼續通入顆粒床過濾器實現細粉塵（粒徑＜1mm）的分離。既可以解決旋風除塵技術除塵效率低的問題，又可以解決顆粒層除塵裝置由于粉塵含量大，負荷重，運行時間短的問題。旋風—顆粒床兩級除塵技術，可以提高熱解產物焦油的品質，降低尾氣中粉塵的濃度。

3 結語

鑒于粉煤熱解工藝中粉塵含量大、熱解氣成分復雜、氣體溫度高等特點，對干餾氣分離的除塵設備提出要求。比較了現階段各高溫除塵設備的特點，并提出可以采用多種除塵設備組合的方式進行除塵，該技術也是粉煤熱解干餾氣除塵的重要研究方向。