粉煤熱解高溫油氣除塵工藝設計

劉 佳 張 興 上海電氣集團國控環球工程有限公司 太原 030024

我國是一個富煤、貧油、少氣的國家。能源資源稟賦特點決定了煤炭在我國國民經濟中的戰略主要地位，實現煤炭清潔高效可持續開發利用是建成資源節約型和環境友好型社會的必經之路[1]。因此，發展煤炭分級分質梯級利用技術，實現煤炭能源的“高質高用，低質低用”，是我國能源產業發展的必然選擇。隨著采煤機械化的大范圍使用，粉煤率越來越高，不僅帶來安全隱患，還會造成二次污染。合理利用粉煤進行低溫熱解，是粉煤利用的最佳途徑，但是在粉煤低溫熱解分級分質過程中，產生了含有大量細煤粉的高溫油氣，要想實現這些高溫油氣的有效利用，必須解決高溫油氣的除塵。

粉煤熱解過程中產生的含塵油氣溫度高、易相變，焦油冷卻會夾帶大量粉塵，不僅影響焦油產品質量，而且焦油的流動性變差，導致設備及管道堵塞，無法實現長周期運行。粉煤熱解高溫油氣除塵已經成為制約低階煤低溫熱解技術發展的一項關鍵技術。

1 粉煤熱解高溫油氣除塵工藝要求

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、易相變等特點，需對粉煤熱解高溫油氣除塵工藝提出新要求：①保證氣固分離效果，才能保證油品質量；②保證設備及濾材在450～600℃的高溫環境中長期穩定運行；③保證設備的溫降小，防止高溫油氣冷凝出現含塵焦油，粘附在除塵設備及管道上，導致過濾失效、設備管道堵塞；④對出現的輕度粘附現象，要有減輕其繼續富集的控制措施，防止設備堵塞；⑤保證設備的壓降小，降低生產運行費用。

2 粉煤熱解高溫油氣除塵工藝選擇

在實現高溫含油含塵可燃氣體的過濾除塵研究和實踐中，人們嘗試了很多辦法。目前能用于高溫狀態下氣固分離的技術主要有：高溫旋風除塵、金屬濾芯除塵、陶瓷濾芯除塵、高溫靜電除塵和顆粒層過濾除塵。各種除塵技術有其自身的特點及適用范圍，現針對粉煤熱解高溫油氣除塵需求進行分析。

旋風分離器具有耐高溫、結構簡單、易于制造及安裝和維護管理、設備投資和操作費用都較低等優點，但其對細微顆粒的除塵效率低。而粉煤熱解氣中塵顆粒粒徑較小，旋風除塵器無法滿足除塵精度，影響后續系統操作及油品質量，只能作為預處理設備使用。

顆粒層過濾除塵器很好地解決了高溫下材料性能的問題，但其能耗高，工質再生困難[2]。

高溫靜電除塵試驗在500℃含油熱解煤氣氣氛中，除塵器除塵效率在61%～78%之間波動，運行狀況良好[3]，但仍在中試試驗階段。

金屬濾芯過濾器和陶瓷濾芯過濾器，采用微孔過濾形式，均具有除塵效率高的優點。但是運行一段時間后，陶瓷濾芯相對金屬濾芯而言，更容易由于受到氣流的沖擊及熱應力，出現斷裂、破損現象。國內所有殼牌煤氣化裝置均發生過斷裂問題[4]。金屬濾芯以FeAl為材料，其強度高、塑性形變量大、通透性好，過濾壓差偏低[5]。

粉煤熱解高溫油氣中粉塵濃度高，因此設計中采用粗過濾+精過濾結合的方式。首先采用旋風除塵器將大顆粒粉塵攔截，未被攔截的粉塵隨高溫油氣進入金屬濾芯除塵器進行精過濾。

3 粉煤熱解高溫油氣除塵工藝描述

以外熱式回轉窯低溫熱解為例，正常生產時，溫度450～550℃的含塵油氣首先進入一級旋風除塵器，沿除塵器外壁自上而下作螺旋形旋轉運動，將其中70%的提質煤粉分離，再進入二級旋風除塵器分離出其中15%提質煤粉，隨后含塵高溫油氣再進入濾芯除塵器進行精除塵。精除塵設備臺數根據過濾氣量進行設計，單根金屬濾芯規格?60×2500mm，過濾風速取1.0m/min。同時設置一臺備用除塵器。含塵高溫油氣進入濾芯除塵器，利用微孔結構實現氣固分離和氣體凈化，通過濾芯后的凈化高溫油氣進入凈氣室，提質煤塵被擋在濾芯外，形成一層濾餅，并作為過濾介質，隨著濾餅層厚度不斷增加，適時開啟高溫氮氣脈沖閥對濾芯進行反吹，將濾芯外壁上的濾餅吹落，實現濾芯再生。反吹系統為在線反吹，不影響裝置運行。反吹所用電加熱器采用dIIBT4防爆電機。吹落的提質煤塵落入灰斗，通過除塵器下部卸灰口排出。經過高溫除塵后的油氣中塵含量<50mg/Nm3，過濾效率可達99.99%，既保證了焦油中含塵量低，后續加工成本低，又避免了后續系統設備管道堵塞，保證了系統的穩定運行。

高溫油氣除塵，因其工況特殊性，兼有氣體爆炸和粉塵爆炸雙重要求。設計時，所有設備均要求氣密性檢測，同時合理控制流速及壓降，及時清灰、控制除塵器內的粉塵堆積量，防止粉塵濃度超標。采用雙盤閥排灰，滿足排灰要求的同時，保證系統密封性，防止煤氣、粉塵外泄出現安全隱患。動設備電機均采用dIIBT4防爆等級，所有設備、管道等應保持等電位，根據實際情況，采用分散或集中的接地系統進行可靠接地。同時根據計算，在反吹氣包上設置安全閥，除塵器頂部設置泄爆閥，除塵器的進出口管道安裝緊急切斷閥，防止火焰或爆炸波向其他場所傳播。

4 粉煤熱解高溫油氣除塵工藝優化

4.1 高溫油氣除塵系統的預熱

粉煤熱解高溫含塵油氣，遇冷會凝結，進而粘附在濾芯表面，影響工藝的順行，因此在除塵器投運前必須將其預熱至工作溫度。設計時采用先置換后升溫的方式對除塵器進行預熱，單臺除塵器設計流程見圖1。

1-濾芯除塵器；2-電加熱器；3-熱風爐；4-循環風機；5-中間倉；6-高溫油氣進氣閥；7-高溫油氣出氣閥；8-循環風機進口閥；9-放空閥；10-煙氣進口閥；11-循環煙氣進口閥；12-煙氣排放閥

置換階段關閉閥6、閥7、閥9、閥11，打開閥8、閥10、閥12，啟動循環風機，采用氮氣對除塵器內部的含氧空氣進行置換，氣體從閥12出口排放，當除塵器內的空氣氧含量小于1.5%時，置換完成。進入升溫預熱階段，打開閥9，關閉閥10、閥12、循環風機，停止氮氣向3的輸送，同時向熱風爐內通入燃料氣，打開助燃風機，點火并調節空燃比，然后再向熱風爐內通入氮氣，對煙氣進行溫度和氧含量調節控制，直至熱風爐的煙氣溫度為80℃、氧含量小于1.5%。

再打開閥10、閥8，啟動循環風機，并逐漸關閉閥9，使熱煙氣對除塵器進行預熱，形成循環回路；以后每小時調整熱風爐功率，使熱風爐出口的熱煙氣溫度按50～100℃ /h的升溫速率升溫，同時控制氧含量小于1.5%，多余的熱煙氣從閥12排出；當溫度升至工作溫度時停止預熱，關閉循環風機、熱風爐及其管道上閥門，打開煤氣進出口閥6、閥7，進入正常過濾環節。

預熱過程中對氧含量和溫度的控制，可避免熱煙氣氧含量超標對濾芯的氧化，延長了濾芯的使用壽命，提高了除塵效率。

4.2 高溫油氣除塵系統的再生

由于高溫油氣除塵過程中不可避免地會出現死區，產生溫差變化，使粉塵隨焦油出現凝結粘附現象，在線反吹系統無法保證粘附在濾芯外部的粉塵100%脫落，運行一定時間后，系統阻力會急劇增大。設計中為消除這一問題，設計了備用除塵器及離線氧化再生系統。該系統為依托預熱系統使用的設備。氧化再生是指向除塵器內輸送貧氧，使附在濾芯外部的煤塵、焦油等可燃成分燒成灰分，附著物發生松動，配合反吹系統反吹，粉塵更易脫落，可實現濾芯100%再生。

在實際運行過程中，當某臺除塵器進出口差壓達到一定數值時，開啟預熱好的備用除塵器，關閉高壓差的除塵器高溫油氣進出口閥6、閥7，使除塵器切出系統處于離線狀態。打開熱風爐出口放散閥9，同時點燃熱風爐。通過調節空燃比及加入氮氣量，使熱風爐出口高溫煙氣氧含量控制在5%以下，煙氣溫度比除塵器正常運行溫度低80℃。達到要求后，打開閥10、閥8、閥12，啟動循環風機，關閉閥9、閥11，貧氧煙氣進入除塵器，使附著在濾芯外部的煤塵、焦油等可燃成分燒成灰分。期間，間隔啟動高溫氮氣反吹系統進行反吹，使粉塵脫落。當形成循環后，打開閥11，關小閥12，關閉熱風爐燒嘴，熱風爐僅起熱煙氣混合配氧作用，同時可根據除塵器再生過程中的升溫幅度，調節熱煙氣的含氧量，直至熱煙氣出口溫度與進口溫度相同，將其中的灰排出，完成除塵器的再生。

采用反吹系統和離線氧化再生系統相結合，離線再生初期利用熱風爐產生高溫煙氣，通過調節熱風爐的空燃比調節煙氣的含氧量，混入氮氣調節煙氣的溫度，避免進入除塵器的煙氣溫度過高，造成除塵器的濾芯飛溫，影響使用壽命。離線氧化再生系統形成循環后，燃燒系統關閉，熱風爐僅起熱煙氣混合配氧作用，這樣進入除塵器的貧氧煙氣與濾芯外部煤塵等可燃成分混合發生燃燒，附著力減小，利用反吹系統進行反吹，粉塵更易脫落，進而加快了再生速度，實現濾芯過濾性能的恢復，提高了濾芯過濾效率和使用壽命。

5 結語

本文通過對含塵高溫油氣性質的分析，從設計上合理選擇除塵方式，并針對除塵設備特點及物料特性，對防爆提出了要求，同時優化設計了置換預熱及氧化再生單元，整個除塵系統設計合理、設備安全可靠，不僅能夠保證正常運行時的高過濾效率，也提高了除塵器關鍵部件濾芯的使用壽命，降低了運行成本，實現了除塵系統的長周期運行，后續系統回收的焦油基本不含塵，具有很好的推廣和使用價值。