含塵含油高溫熱解煤氣除塵技術研究進展

楊帥強,都 林,李松庚,宋文立,3

(1.中國科學院 過程工程研究所 多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學 化學工程學院，北京 100049；3.中國科學院大學 中丹學院，北京 100049)

0 引 言

我國煤炭資源豐富，以熱解為核心的煤炭分級分質轉化技術對合理有效利用煤炭資源和能源，實施能源結構調整，實現煤炭清潔、高效和資源化利用，保障我國能源安全和經濟可持續發展具有重要作用。煤高效清潔轉化技術發展迅速，許多技術已經實現工業應用[1-5]。但基于低階煤組成結構特征的粉煤熱解分級轉化聯產燃料和化學品技術商業化工程應用進展緩慢。為此，國內外開發了回轉窯、流化床、下行床、移動床等熱解技術，開展了不同規模的中試研究和工程示范[1-5]。在熱解分級轉化規律、調控方法與技術實現途徑、熱解反應器工程放大等方面獲得了深刻認知，這些積累為其最終實現商業化工程應用奠定了良好基礎。

高溫熱解煤氣與粉塵的分離是熱解技術實現工程應用的主要技術瓶頸之一。近年來，顆粒床過濾、高溫靜電除塵和各種膜過濾除塵已經取得了長足的技術進步，展現出良好的應用前景。采用高效低阻旋風分離(預除塵)-顆粒床過濾/金屬膜過濾/高溫靜電(深度除塵)復合除塵方案，成為現階段解決這一問題的主要方案。通過旋風分離器預除塵，降低來流煤氣攜帶粉塵濃度，從而降低后續深度除塵裝置運行負擔，增加其長周期運行可靠性；通過深度除塵提高對細顆粒除塵效率，使所得焦油含塵量滿足后續加工要求。

本文將結合筆者所在課題組的研究結果和已有文獻報道，分析討論熱解煤氣所攜帶粉塵特點、含塵含油高溫除塵技術(顆粒床過濾、高溫靜電除塵、金屬微孔過濾除塵技術)進展，以期對未來研究及應用提供指導。

1 含塵熱解煤氣特點

高溫熱解煤氣組成復雜，除了常溫不凝氣體(CH4、H2、CO、CO2、少量C2和C3)，還含有焦油蒸氣、水蒸汽以及粉塵。因其含有焦油蒸氣，高溫熱解煤氣對溫度變化敏感。焦油在400 ℃左右析出,與粉塵共同作用導致除塵器及管道、閥門等堵塞[5-7]。溫度過高，焦油又易裂解發生結焦析碳，焦油收率降低。因此，一般要求除塵溫度控制在400～600 ℃。

熱解工藝種類較多，不同的熱解工藝含塵濃度波動較大，粉塵濃度及組成均不同，粉塵濃度在2～12 g/m3。無熱載體熱解工藝中粉塵主要來源于半焦，而以循環灰為熱載體的煤熱解工藝中粉塵由循環灰和半焦粉末組成。由此可見，煤粉顆粒在熱解反應器內的熱崩裂及運動磨損產生的半焦是粉塵的重要來源。

為了研究粉塵的組成，中國科學院過程工程研究所利用旋風分離器對煤熱解中試試驗產生的含塵熱解氣進行分離，并分析旋風分離器收集到的粉塵和旋風分離器出口粉塵的粒徑分布，結果如圖1、2所示。可知，熱解煤氣中的粉塵粒徑較小，分布范圍較寬，旋風分離器對熱解氣中10 μm以上大粒徑粉塵除塵效率較高，粒徑較小的粉塵采用旋風分離器難以高效分離，需要采用其他除塵技術。

圖1 旋風分離器出口粉塵粒徑分布

圖2 旋風分離器分離得到的粉塵粒徑分布

因此，煤熱解氣除塵過程中一般采用旋風分離器作為含塵熱解氣的預分離器，除去粉塵中粒徑較大的粉塵。對于熱解氣中粒徑較小的粉塵，一般采用靜電除塵技術、金屬微孔過濾除塵技術(金屬膜除塵技術)和顆粒床除塵技術等進行精細除塵。

2 煤熱解氣除塵技術

目前，煤熱解所得高溫熱解氣精細除塵的技術主要包括靜電除塵技術、金屬微孔過濾除塵技術和顆粒床除塵技術等，技術特點見表1。

表1 熱解氣除塵技術的特點

2.1 靜電除塵

靜電除塵主要是在高壓電場作用下，氣體發生電離，使含塵氣體中的粉塵顆粒帶負電荷，在電場力作用下，帶負電的固體顆粒向帶正電荷的陽極板定向移動集聚，當陽極板上的固體顆粒達到一定程度，利用振打裝置對極板產生的沖擊力使粉塵脫離極板進入灰斗，達到除塵目的[8-9]。采用靜電除塵器作用在細顆粒物(粒徑<30 μm)上的靜電力是重力的100倍以上[9]，因而，靜電除塵器可以高效除去氣流中的顆粒物。靜電除塵器處理含塵氣體壓降低，氣體處理量大，設備構造簡單，除塵效率高，廣泛應用于燃煤電廠煙氣除塵，除塵溫度一般為200 ℃[8]。目前，靜電除塵器主要從溫度、氣氛、放電極性質及材料、顆粒性質等方面展開研究[10-11]。

高溫下靜電除塵的性能易發生變化，主要是由于溫度對靜電除塵器運行環境基本特性(如密度、黏度和電阻率)產生影響。溫度升高會降低氣體密度，導致氣體分子的平均自由程變長，從而使氣體離子的遷移率增加。這些變化使氣體分子有更多時間加速以達到電離，從而降低了所需的電場強度。但發生電擊穿的電壓量也隨著氣體密度的降低而降低，同時，臨界電壓的降低速度比起始電壓的降低速度快[9]，造成靜電除塵器能工作的電壓范圍縮小，降低效率。溫度增加，氣體黏度增加，靜電力不受影響，導致氣體中粉塵阻力增加，容易被氣流帶出除塵器，造成除塵效率下降[9]。

不同氣氛對靜電除塵器的除塵效率影響較大。柳佳佳[10]在400～600 ℃下，考察了氣氛對除塵效率的影響。在相同電壓條件下，熱解氣的除塵效率介于空氣和N2之間，空氣氣氛下的除塵效率為94.9%～98.4%，熱解煤氣氣氛下的除塵效率為63.3%～86.9%，N2氣氛下的除塵效率為61.6%～76.6%。相同溫度條件下，N2氣氛下除塵效率隨電壓增大基本呈線性上升，空氣氣氛下除塵效率隨電壓增加呈緩慢增加，熱解煤氣氣氛下除塵效率隨電壓增大先減小后增大[10]。Chen等[11]發現熱解氣中提高CO2含量可以提高熱解氣的除塵效率，但隨著溫度增加，CO2對除塵效率的影響逐步減弱。

顆粒的電阻率對靜電除塵器運行也有很大影響，低電阻率粒子在到達收集電極時，電荷消散太快，使其獲得與收集電極相同的電荷，并被排斥回氣流中，高電阻率的粒子電荷消散太慢，可能導致過量電荷積聚，造成危險的“反電暈”現象[9]，溫度增加，水分從粉塵表面蒸發，會增加比電阻，當溫度超過150 ℃時，通過增加導電率來降低電阻率，提高過濾效率，然而，粒子電阻率的過度降低將增加電荷耗散率，并可能導致粉塵粒子被夾帶[9]。

高壓是解決溫度引起的靜電除塵效率下降的方法[8]。較高的壓力會增加氣體密度，并允許在發生電擊穿前施加較高電壓[8]。雖然，壓力增加也會增加密度和提高起振電壓，但較高的溫度會減小這種影響，其結果是靜電除塵器工作電壓范圍更大[9]。研究表明，與環境條件下相比，高溫高壓使得靜電除塵器運行效率更高[9]。

浙江大學與淮南礦業集團合作建立了一套12 MW循環流化床熱、電、氣焦油多聯產工業示范裝置[12-13]。該裝置采用兩級旋風與一臺高溫靜電除塵器相結合的方式對熱解氣進行除塵，總體除塵效率在85%左右[12]。此外，中國科學院工程熱物理研究所也對靜電除塵器用于煤熱解氣的除塵效果進行了研究，并將靜電除塵技術用于240 t/d固體熱載體粉煤熱解中試工藝，該工藝對靜電除塵后的含塵氣體進行焦油洗滌及離心分離相結合，所得焦油含塵率為0.47%[14]。

2.2 金屬微孔過濾除塵技術

金屬微孔過濾除塵技術(金屬膜過濾技術)以金屬絲網為過濾材料，利用篩濾、慣性碰撞等機理脫除氣體中的粉塵[15]。金屬微孔材料按結構形式進行分類，主要有金屬燒結絲網、金屬纖維氈和燒結金屬粉末等[15]。

燒結金屬網一般采用多層金屬編織絲網,經過特殊的疊層壓制并在真空條件下經過燒結等工藝制造而成[15]。金屬絲網的網孔呈交錯分布，網孔均一，因而，空隙分布均勻。金屬絲網具有較高的機械強度，良好的耐磨性、耐熱性。因而，可以在高過濾速度下，保持較高的過濾效率[15]。

采用金屬粉末燒結過濾器結構簡單，通常采用一定粒度分布的金屬化合物顆粒在磨具內加熱到熔點制成，孔隙率為20%～40%，金屬粉末燒結過濾器能抵抗除塵過程中常發生的熱沖擊，由于采用耐腐蝕性合金制成，因此，不易受腐蝕性氣體成分的影響[16-17]，但金屬粉末燒結過濾器使用過程中過濾壓降較大。

燒結金屬纖維介質是由直徑2～40 μm短細金屬纖維形成的非織物結構[17]。金屬纖維是在真空或氫氣氣氛下燒結而成，孔隙率可以達到90%左右[17]。金屬纖維過濾器與金屬粉末燒結過濾器相比，兩者強度接近，過濾過程中金屬纖維過濾器的流動阻力較小，但金屬纖維過濾器的可靠性較差，使用周期短[17]。

金屬過濾器的操作溫度可以達到1 000 ℃，具體使用溫度受合金和燒結過程中所產生孔徑的影響[9]。溫度超過400 ℃下運行時，小于 100 μm的粉塵通過金屬微孔過濾器的除塵效率達到99.99%，過濾后的粉塵濃度低于10 mg/m3[9]。

金屬絲網除塵器的壓降一般受進口氣流流量、氣流含塵濃度、氣流入口溫度等因素影響。張婉婧等[18]采用金屬絲網過濾器對工業爐窯高溫含塵煙氣進行處理，研究發現，當進口氣流量和氣流含塵濃度增加時，系統壓力快速增加，但當含塵氣流濃度大于53 g/m3時，壓降下降，可能是阻塞孔道粉塵層脫落所致。當溫度低于300 ℃時，除塵器系統壓降主要來自金屬絲網濾袋的表面壓降；當溫度大于300 ℃時，壓降快速上升，600 ℃時，系統壓降在3 000 Pa左右，而金屬絲網表面壓降不足1 500 Pa，遠低于系統壓降，說明除塵器結構壓降帶來的影響較大[18]。由于熱解氣含塵量高，容易在金屬絲網表面沉積，導致金屬網除塵壓降大，金屬絲網過濾器與其他過濾器相結合進行除塵時，可以減少金屬絲網除塵壓降，增加除塵效率[19-20]。

煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院[21-22]在其開發的新型小粒徑低階煤移動床定向熱解裝置上開展中試研究，熱解給煤量控制在50 kg/h，熱解產生的含塵熱解氣經除塵系統除塵后進入后續工段處理。除塵系統采用金屬膜對高溫熱解煤氣進行處理，除塵溫度在500 ℃左右，經金屬膜除塵后焦油塵含量低于1%[22]。采用金屬膜進行除塵，最大優勢在于具有良好的耐高溫性能，除塵效率高。但金屬微孔過濾技術長期運行壓降較高，有待進一步研究[23]。

2.3 顆粒床除塵技術

顆粒床除塵技術主要是利用隨機填充堆積的濾料與含塵氣體接觸，在攔截、慣性碰撞、分子擴散等多種力作用下，氣體中攜帶的固體粉塵被濾料捕捉，使氣體凈化。含塵氣體在顆粒層的過濾過程一般分為深層過濾與濾餅過濾[23-24]。顆粒床種類較多，一般根據床層濾料在顆粒床中的運動狀態不同，可分為固定床和移動床2種形式[23-24]。由于顆粒床本身具有耐高溫且除塵效率高的特點，被認為是最有可能解決熱解氣高溫除塵的技術之一[24]。

顆粒床除塵器濾料的材質要求性質穩定、耐磨、耐高溫不易被腐燭、價格便宜、來源廣泛[23]。通常顆粒床濾料的選擇根據濾料顆粒在床層內部的運動狀態不同存在差異，固定床一般采用流化清灰，要求床料密度小，便于流化，以降低再生的壓力，較常用的為珍珠巖、半焦等輕質床料。移動床要求床料顆粒密度適中，流動性良好，常用床料為陶瓷球、石英砂、半焦等。床料粒徑對過濾效率和壓降影響較大，一般情況下，粒徑越小，過濾效率越高，但床層過濾壓降越大[23]。

過濾過程中，顆粒床性能受溫度的影響較大。一般情況下，高溫能夠增加氣體黏度，加劇分子擴散作用，有利于1 μm以下微細粉塵的脫除[24]。熱解氣在熱解溫度下，易導致熱解氣在床料表面發生二次反應，床料積碳增加，焦油收率下降。熱解氣除塵溫度下降過多，容易使熱解氣的重質組分發生冷凝，床料表面的重質組分如瀝青等組分黏性較大，減少捕集到的粉塵被二次夾帶，提高過濾效率。但溫度過低，大量焦油組分冷凝床料結塊，降低空隙率，導致過濾阻力快速增加。因此，熱解氣顆粒床溫度控制在450～600 ℃。

2.3.1固定床除塵技術

固定床除塵技術指床層濾料在過濾過程中不發生位置移動，含塵氣體通過顆粒床后，固體顆粒被過濾下來[24]。固定床過濾器如圖3所示，除塵過程一般包括過濾和反吹2個階段，工業上一般采用雙床切換，保證除塵的連續操作。

圖3 固定床顆粒過濾器[24]

固定床過濾過程中，隨時間增加，粉塵逐步在濾料顆粒之間沉積，造成床層壓降增加。為了增加床層的容塵量，增加過濾時間，雙層或多層濾料配置成為近年來固定床研究的重要方向。通常在上層配置粒徑大、密度小的輕質濾料，下層配置粒徑小、密度大的重質濾料，上層粗濾料可以增加床層容塵量，下層細濾料實現精細除塵。常溫條件下，采用上層1～2 mm珍珠巖(高度180 mm)、下層0.3～0.5 mm石英砂(高度45 mm)作為床料，過濾風速為0.15～0.50 m/s時，上層除塵效率為96.08%～98.78%，下層過濾效率為80.91%～90.57%，整體除塵效率為99.25%～99.89%，過濾120 min壓降為940～3 450 Pa。捕集粉塵的粒度分布表明，上層可以脫除5 μm以上粉塵，下層可以有效脫除2.5 μm以上粉塵[25]。在450 ℃高溫條件下，利用固定床對模擬熱解氣除塵，與無焦油環境相比，焦油存在可使顆粒床過濾效率由83.8%提高到96.39%[26]，由此可見，熱解氣中焦油存在能夠在一定程度上提高過濾效率。

固定顆粒床用于熱解氣除塵具有耐高溫、設備投資低、濾料性能穩定、除塵效率高等優勢，但反吹產生的含塵氣體需要進一步處理。

2.3.2移動床除塵技術

移動床除塵技術主要利用緩慢移動的床料捕集熱解氣中的粉塵，由于床料不斷移動，粉塵被移出除塵器，在除塵器外部通過再生裝置進行粉塵與床料分離，再生后的床料循環回除塵器。移動床操作過程中床料不斷更新，克服了固定床頻繁反吹的問題，操作過程壓降相對穩定。目前，移動床除塵技術作為高溫氣體除塵的熱點之一[27-36]，主要集中在結構形式改進。依據進入過濾器中的含塵氣體與濾料移動方向的不同，移動床包括錯流移動床、順流移動床、逆流移動床等[24]。

錯流式顆粒層除塵器如圖4(a)所示，含塵氣體與過濾介質流動方向互相交叉，過濾介質在2層或多層濾網(百葉柵)中流動。過濾時，過濾介質在重力作用下緩慢向下流動，含塵氣流經百葉窗后進入過濾介質，固體粉塵被過濾介質截留，帶有粉塵的過濾介質從除塵器下方不斷流出[24]。錯流過濾器進行過濾時，顆粒層向下移動，易受百葉窗布置結構和床料顆粒間相互作用力的影響，在兩側百葉窗位置過濾介質受阻力較大導致移動速率比中心區域的床料移動速度慢，隨過濾時間增加，粉塵易在百葉窗附近堆積，從而形成滯留區[31-34]。滯留區的存在導致床層壓降逐步上升、熱解氣中腐蝕性物質將破壞百葉窗結構、過濾介質易結塊等問題[24]。目前，對錯流式移動床如何減小滯留區進行了大量研究[31-34]，但未徹底解決，仍需進一步研究。順流式顆粒床除塵器(圖4(b))過濾階段，含塵氣流的流動方向與顆粒層移動方向一致。含塵氣體與顆粒平行流動有利于促進含塵氣流與濾料顆粒接觸，由于床料夾帶粉塵移動，低氣速下除塵效率較高，但存在粉塵被干凈氣體夾帶問題[24]。逆流式顆粒床除塵器(圖4(c))中，含塵氣流流動方向與濾料顆粒移動方向相反。含塵氣體與濾料顆粒逆向接觸，在多種力作用下，粉塵被濾料捕集并帶出顆粒床，潔凈氣流從干凈濾料的表面流出。逆流除塵雖然緩解了順流移動床粉塵被干凈氣體夾帶的問題，但要求過濾氣速不能過大，防止床料流化[24]。移動顆粒床用于熱解氣除塵過濾效率高、壓降穩定，但需要增加床料與粉塵分離設備。

圖4 不同形式的移動床顆粒過濾器示意[24]

2.3.3高溫熱解氣顆粒床中試試驗

高溫熱解氣顆粒床除塵中試情況見表2。中國科學院過程工程研究所基于前期顆粒床除塵研究[24,36]，在3 000 t/a下行床“煤拔頭”工藝中試車間進行了顆粒床除塵中試試驗，除塵系統由旋風分離器和顆粒床除塵器組成。顆粒床除塵器采用粒徑2～5 mm膨脹珍珠巖作為床料，過濾時間為5 min。采用過熱蒸汽作為反吹氣，反吹時間為30 s。經過72 h連續運行，可使焦油含塵率由12%降低至1%(質量分數)左右，整個除塵過程中，過濾壓降低于500 Pa，反吹壓降低于200 Pa[24,37]。經過改進，過濾后焦油中粉塵含量為0.67%。

新疆廣匯煤炭清潔煉化有限公司利用自行設計的多層固定顆粒床除塵裝置進行了中試試驗。中試裝置設計氣量為800 m3/h，過濾流速為2 m/s，反吹風速為0.5 m/s。中試采用模擬干餾煤氣(0.074 mm煤粉和煤焦油組成)進行，干餾煤氣進入多級除塵濾盤組成的顆粒床除塵器，凈化后的煤氣通過引風機送至下游工序。反吹過程，由預熱至620 ℃的熱煤氣將床層中的粉塵帶至顆粒床底部，模擬干餾煤氣進行連續84 h除塵試驗。試驗中，過濾和反吹溫度均在600 ℃左右，床層壓差2 500 Pa，可將100 g/Nm3干餾煤氣凈化至50 mg/Nm3以下[38-39]。

大連理工大學與神木富油能源科技有限公司合作在60萬t/a煤固體熱載體熱解示范裝置用固定床對高溫熱解氣進行中試試驗，固定床設計4組，每組配置4個過濾單元，共16個床層(15個床層過濾，1個床層反吹)，單個床層處理量3 600 m3/h，運行時反吹時間25 s(可根據實際情況調節)，單個床層置換時間為35 s(可調節)，濾料厚度為500 mm，過濾氣速為0.22 m/s。該床層采用上粗下細的設計理念，上部布置輕質高強度濾料作為容塵層，下層采用石英砂，黃沙作為床料。床層溫度為400～500 ℃，整個裝置運行71 h，裝置過濾壓差達到6 kPa左右，反吹氣壓差最高達到15.66 kPa[40]。

表2 顆粒床中試試驗

中國科學院山西煤炭化學研究所在陜西府谷建成一套與蒸發量75 t/h CFB鍋爐相匹配的燃燒/煤熱解多聯供中試平臺，干餾熱解煤量為5 t/h。熱解產生的煤氣采用旋風分離器與錯流移動顆粒床除塵器相結合進行除塵。顆粒床所用床料為5～10 mm半焦，移動速度為1 cm/min，床料厚度為300 mm，進煤量為2 t/h，此工況下，顆粒床除塵器壓差為1 000 Pa左右，焦油含塵量為3.48%[35]。此外，神華煤制油公司在6 000 t/a 褐煤熱解中試裝置中利用500～700 ℃熱解半焦為床料，采用移動床操作形式對熱解氣進行過濾，除塵后的油氣進入后續單元處理，詳細試驗結果未見報道[21]。

由顆粒床中試試驗可知，煤熱解氣中試及示范工程熱解氣量可達到54 000 m3/h，所用床料主要包括半焦、珍珠巖、石英砂和黃沙等，床料粒徑為0.3～5.0 mm，處理后焦油塵含量低于3.5%，熱解氣塵含量可以達到50 mg/Nm3。中試過程中，顆粒床過濾壓降在500～6 000 Pa，溫度為400～700 ℃。

3 結 論

1)旋風分離器用于熱解氣除塵，對粒徑大于10 μm的粗粉塵除塵效率較高，一般用作熱解氣除塵的預分離器。靜電除塵、金屬微孔過濾除塵(金屬膜除塵)和顆粒床除塵對含塵熱解氣中粒徑較小的粉塵除塵效率較高，適合進行精細除塵。通過不同除塵技術組合可實現除塵裝置的高效穩定運行。

2)中試試驗結果顯示，金屬微孔除塵的過濾效率最高，其次為顆粒床除塵，靜電除塵過濾效率最低。運行壓降最高為金屬微孔過濾技術，靜電除塵器壓降最低，顆粒床過濾壓降介于兩者之間。

3)目前，熱解氣除塵技術基本都處于中試及示范工程階段，中試溫度為400～700 ℃，以避免焦油冷凝或二次熱解，中試規模最高為54 000 m3/h，但目前的中試時間還較短，缺乏長期運行數據。熱解氣除塵技術實現工程應用需要長期試驗結果的驗證。

4 展 望

1)結合具體的除塵工藝優化工藝條件和除塵器結構，開發新型抗積碳材料(除塵濾料)。熱解氣成分復雜，除塵過程中易受工藝條件影響，如溫度過低易導致焦油冷凝，造成油氣收率下降和粉塵局部堆積結塊。溫度過高又會加劇熱解氣二次反應。因而，需根據不同的除塵工藝對工藝條件進行優化。靜電除塵器應針對高溫條件下除塵效率降低、除塵器部件積碳嚴重導致除塵器絕緣子性能下降等問題，在工藝條件優化的基礎上，開發新型電極材料。金屬絲網過濾技術存在過濾材質價格較高，除塵過程中易受到熱解氣中酸性氣體的腐蝕，金屬材質表面易積碳造成網孔阻塞，壓降增加快等問題，因此，開發低成本、耐高溫、耐腐蝕的抗積碳材料，調控金屬網孔的結構與分布是金屬絲網除塵技術的發展方向。顆粒床除塵過程中存在床料積碳、熱解氣二次反應等問題，未來開發新型除塵濾料實現除塵提質一體化將是顆粒床除塵的重要研究方向。

2)多種技術優化組合。粉塵主要來自于煤熱解部分，通過將除塵器與煤熱解相結合如將顆粒床除塵器與熱解裝置耦合，顆粒床除塵器直接在熱解反應器內部進行除塵，既可以充分利用熱解的熱量也可以從源頭上降低粉塵，減少焦油損失。另外，顆粒床與靜電除塵器或金屬絲網相結合，可以強化除塵效率，因此，通過技術組合保證除塵工藝高效穩定運行，將成為未來熱解氣除塵技術研究的另一方向。