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高溫工業(yè)廢氣過(guò)濾除塵技術(shù)研究進(jìn)展

更新時(shí)間:2010-01-06 10:59 來(lái)源:中國(guó)鑄造裝備與技術(shù) 作者: 閱讀:2237 網(wǎng)友評(píng)論0

1 高溫工業(yè)廢氣除塵的特點(diǎn)

冶金、機(jī)械、化工、電力等行業(yè)的各種工業(yè)爐窯所排放出來(lái)的廢氣不僅溫度高,而且含有大量的粉塵和有害氣體,是造成環(huán)境污染的主要因素之一。高溫條件下,由于廢氣粘滯力有較大變化,濕度大幅下降,細(xì)顆粒凝聚現(xiàn)象大為降低,所以對(duì)微粒的分離有較高難度[1]。布袋式除塵器不能承受廢氣的高溫,濕式除塵使其熱能又不能得到綜合利用;靜電除塵又存在一次投資高,占地面積大和絕緣等方面的問(wèn)題[2-3]。目前,我國(guó)高溫工業(yè)含塵廢氣的處理方法大多是通過(guò)水冷凝,將高溫廢氣降至200℃左右,再用布袋除塵器除塵,這不僅增加了冷凝設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用,也使大量的熱能流失[4]。

目前,世界上多數(shù)國(guó)家(特別是我國(guó))的主要能源依然是煤炭,而煤炭的燃燒是高溫含塵廢氣的最主要來(lái)源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)保要求日趨嚴(yán)格。因此,新的高溫工業(yè)廢氣除塵技術(shù)是亟需開發(fā)的重要課題。

高溫廢氣除塵具有如下特點(diǎn)[1]:

(1)所要求凈化的含塵氣體溫度高,高達(dá)600~1400℃;

(2)廢氣中粉塵顆粒細(xì),通常粒徑<5~10μm,甚至在亞微米級(jí);

(3)凈化標(biāo)準(zhǔn)高,出口濃度要求10~50mg/m³,甚至更小。

2  高溫工業(yè)廢氣除塵技術(shù)的種類

高溫工業(yè)廢氣除塵技術(shù)的種類有:旋風(fēng)除塵、濕法除塵、靜電除塵、過(guò)濾除塵等。

2.1旋風(fēng)除塵

旋風(fēng)除塵是使含塵氣體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),利用離心力作用將塵粒從氣流中分離并捕集下來(lái)。

該種除塵器歷史悠久,應(yīng)用廣泛,型式繁多,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件,造價(jià)便宜,維護(hù)管理方便;除塵效率一般達(dá)85%左右,其可分離粒徑較大,只能用于高溫除塵的預(yù)處理。

2.2濕法除塵

濕法除塵利用含塵氣體與水或其它液體相接觸時(shí),水滴和塵粒的慣性碰撞及其他作用而把塵粒從氣流中分離出來(lái)。其突出優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)對(duì)有害氣體進(jìn)行凈化;但易產(chǎn)生二次污染,耗能高,用于高溫除塵其流程長(zhǎng),操作復(fù)雜,運(yùn)行費(fèi)用高,故此法很少運(yùn)用。

2.3靜電除塵

靜電除塵是利用高壓電源和一對(duì)電極(放電極及集塵板)產(chǎn)生不均勻的電場(chǎng)以分離捕集氣流中的粉塵。電除塵效率可達(dá)90%~99.6%,捕獲塵粒平均粒徑為5μm,壓力損失低。但一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用高,對(duì)于高溫含塵煙氣需要在高壓條件下才能有穩(wěn)定的電暈電荷,還存在粉塵的比電阻和氣體成分等性質(zhì)的敏感性及電極的腐蝕等問(wèn)題,對(duì)于含塵煤氣還存在電火花引起爆炸的問(wèn)題。

2.4過(guò)濾除塵

過(guò)濾除塵是使含塵氣流通過(guò)過(guò)濾材料而將粉塵分離捕集。采用廉價(jià)的砂、礫、焦炭等顆粒物作為濾料的顆粒層除塵器,在高溫廢氣除塵方面引人注目。過(guò)濾除塵的除塵效率可高達(dá)99%。采用耐高溫纖維織物作濾料的袋式除塵器,在工業(yè)尾氣的除塵方面應(yīng)用較廣。

美國(guó)電力研究院(Electric Power Research Insti-tute)曾綜合除塵效率、經(jīng)濟(jì)性等因素,對(duì)各種高溫氣體除塵技術(shù)作過(guò)總結(jié),結(jié)果如表1所示[5]。

3  過(guò)濾除塵的機(jī)理

由于過(guò)濾除塵的除塵效率高,近年來(lái)對(duì)其研究最為廣泛。慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散、重力和靜電作用等粉塵粒子的沉降機(jī)理是分析過(guò)濾式除塵器濾塵機(jī)理的理論基礎(chǔ)。根據(jù)不同粒徑的粉塵在流體中運(yùn)動(dòng)的不同力學(xué)特性,過(guò)濾除塵機(jī)理涉及以下幾方面。

(1)篩濾作用。過(guò)濾器的濾料網(wǎng)眼一般為5~50μm,粉塵粒徑大于網(wǎng)眼直徑或粉塵沉積在濾料間的塵粒間空隙時(shí),粉塵即被阻留。對(duì)于新織物濾料,由于纖維間的空隙遠(yuǎn)大于粉塵粒徑,所以篩濾作用很小,但當(dāng)濾料表面沉積大量粉塵形成粉塵層后,篩濾作用顯著增強(qiáng)。

(2)慣性碰撞作用。一般粒徑較大的粉塵主要依靠慣性碰撞作用捕集。當(dāng)含塵氣流接近濾料的纖維時(shí),氣流將繞過(guò)纖維,其中較大的粒子(大于1μm)由于慣性作用,偏離氣流流線,繼續(xù)沿著原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn),撞擊到纖維上而被捕集,所有處于粉塵軌跡臨界線內(nèi)的大塵粒均可到達(dá)纖維表面而被捕集。這種慣性碰撞作用,隨著粉塵粒徑及氣流流速的增大而增強(qiáng)。因此,提高通過(guò)濾料的氣流流速,可提高慣性碰撞作用。

(3)攔截作用。當(dāng)含塵氣流接近濾料纖維時(shí),較細(xì)塵粒隨氣流一起繞流,若塵粒半徑大于塵粒中心到纖維邊緣的距離時(shí),塵粒即因與纖維接觸而被攔截。

(4)擴(kuò)散作用。對(duì)于小于1μm的塵粒,特別是小于0.2μm的亞微米粒子,在氣體分子的撞擊下脫離流線,象氣體分子一樣作布朗運(yùn)動(dòng),如果在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中和纖維接觸,即可從氣流中分離出來(lái)。這種作用即稱為擴(kuò)散作用,它隨流速的降低、纖維和粉塵直徑的減小而增強(qiáng)。

(5)靜電作用。許多纖維編織的濾料,當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)時(shí),由于摩擦?xí)a(chǎn)生靜電現(xiàn)象,同時(shí)粉塵在輸送過(guò)程中也會(huì)由于摩擦和其它原因而帶電,這樣會(huì)在濾料和塵粒之間形成一個(gè)電位差,當(dāng)粉塵隨著氣流趨向?yàn)V料時(shí),由于庫(kù)侖力作用促使粉塵和濾料纖維碰撞并增強(qiáng)濾料對(duì)粉塵的吸附力而被捕集,提高捕集效率。

(6)重力沉降作用。當(dāng)緩慢運(yùn)動(dòng)的含塵氣流進(jìn)入除塵器后,粒徑和密度大的塵粒,可能因重力作用而自然沉降下來(lái)。

過(guò)濾式除塵器的濾塵過(guò)程比較復(fù)雜,一般來(lái)講,粉塵粒子在捕集體上的沉降,是多種沉降機(jī)理聯(lián)合作用的結(jié)果。而且,隨著濾料的空隙、氣流流速、粉塵粒徑以及其它原因的變化,各種機(jī)理對(duì)不同濾料的過(guò)濾性能的影響也不同。

4  過(guò)濾除塵器的主要種類

4.1  袋式過(guò)濾除塵器

袋式除塵器是目前使用最多的過(guò)濾式除塵器。

其除塵效率高,對(duì)亞微米級(jí)粉塵也有很高的除塵效率,不會(huì)造成二次污染,便于直接回收干料。袋式除塵器在大氣污染的治理方面做出了巨大貢獻(xiàn),目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用越來(lái)越廣,已占除塵設(shè)備的80%。但在燃煤電廠鍋爐高溫除塵等方面,袋式除塵技術(shù)尚未能完全適應(yīng),有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善,這與濾材性能提高和技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)。

對(duì)于袋式除塵器,新濾袋的除塵效率不高,濾袋使用一段時(shí)間后,陸續(xù)通過(guò)篩濾、碰撞、攔截、擴(kuò)散、靜電和重力沉降等6種除塵機(jī)理,使得粗塵粒首先被阻留,并在網(wǎng)孔之間產(chǎn)生“架橋”現(xiàn)象,很快在濾布表面形成一層所謂粉塵初層。在以后的除塵過(guò)程中,初層便成了濾袋的主要過(guò)濾層,而濾布只起著支撐骨架作用。粉塵初層形成后,使濾布成為對(duì)粗、細(xì)粉塵皆有效的過(guò)濾材料,過(guò)濾效率劇增。對(duì)于1μm以上的塵粒,主要靠慣性碰撞;1μm以下的塵粒,主要靠擴(kuò)散:總的過(guò)濾效率可達(dá)99%以上。研究在不同條件下各種機(jī)制對(duì)除塵效率的影響,有助于控制影響袋式除塵器的工作條件,改善袋式除塵器的工作性能[6]。

濾料是組成袋式除塵器的核心,其性能對(duì)袋式除塵器操作有很大影響。選擇濾料時(shí)必須考慮含塵氣體的特征,如粉塵和氣體性質(zhì)(溫度、濕度、粒徑和含塵濃度等)。性能良好的濾料應(yīng)容塵量大,吸濕性小,效率高,阻力低,使用壽命長(zhǎng);同時(shí)具備耐濕、耐磨、耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

袋式除塵器的濾料種類較多。按濾料材質(zhì)分,有天然纖維、無(wú)機(jī)纖維和合成纖維等。按濾料結(jié)構(gòu)分,有濾布和毛氈兩類。按連續(xù)使用的溫度(干態(tài)),可把濾料分為三類:低于130℃為常溫濾料;130~200℃為中溫濾料;高于200℃為高溫濾料?赡200℃以上高溫的常用濾料種類及其特性如表2所示 [7]。

4.2顆粒床過(guò)濾除塵器

顆料床除塵器是利用物理和化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的固體顆粒如硅砂等組成過(guò)濾層,通過(guò)顆料間的空隙和曲折通道來(lái)發(fā)揮過(guò)濾作用,實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的除塵。

顆粒床除塵器具有耐高溫、持久性好的優(yōu)點(diǎn),且能連續(xù)自清灰而實(shí)現(xiàn)連續(xù)過(guò)濾除塵,除塵效率一般在90%以上,最高可達(dá)99%。

4.3全濾餅式過(guò)濾除塵器

全濾餅式過(guò)濾除塵器(表面過(guò)濾器)的濾材僅僅起一個(gè)支撐濾餅的骨架作用,系統(tǒng)始終維持在一個(gè)最優(yōu)的濾餅厚度范圍內(nèi),讓粉塵形成的濾餅高效過(guò)濾粉塵。它具有耐高溫(~1000℃),不易結(jié)霧,不易堵塞,清灰效果好,操作維修方便,價(jià)格低等特點(diǎn),對(duì)于超細(xì)粉塵(5μm以下)的煙氣排放濃度可控制在 5mg/Nm³以下,特別適用于處理粘附性強(qiáng)及吸濕性強(qiáng)的粉塵[8]。

4.4燒結(jié)多孔金屬過(guò)濾除塵器

燒結(jié)金屬除塵是利用燒結(jié)金屬多孔材料對(duì)含塵氣體進(jìn)行凈化。燒結(jié)多孔金屬過(guò)濾器可以對(duì)5μm以下的塵粒進(jìn)行精細(xì)除塵。在常溫下,多孔金屬材料具有整體強(qiáng)度好(強(qiáng)度是陶瓷材料的數(shù)倍),不發(fā)生斷裂,長(zhǎng)期工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[9]。但是在高溫下,其強(qiáng)度和耐蝕性低于陶瓷材料。

4.5多孔陶瓷過(guò)濾除塵器

隨著高溫除塵技術(shù)的發(fā)展,對(duì)除塵設(shè)備的簡(jiǎn)單化、高溫化、高效化要求日趨強(qiáng)烈,而陶瓷制品恰恰具有耐高溫的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),因此環(huán)保工作者對(duì)陶瓷過(guò)濾器日益關(guān)注。

從20世紀(jì)70年代以來(lái),世界先進(jìn)國(guó)家一直不斷研究各種材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷過(guò)濾器,用來(lái)進(jìn)行高溫過(guò)濾除塵,已取得了良好效果。多孔陶瓷的主要物理性能指標(biāo)是孔隙率,滲透率,彎曲強(qiáng)度。研究表明:與其他類型的除塵器相比,多孔陶瓷過(guò)濾器的除塵效率高,可達(dá)99%以上,能除去5μm以上的塵粒,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,最重要的是耐高溫,工作溫度可達(dá)800℃以上,并且在氧化、還原等高溫環(huán)境下具有良好的抗腐蝕性,因此多孔陶瓷過(guò)濾器在高溫除塵方面可起重要作用 [10-11]。

多孔陶瓷的制造方法主要有無(wú)粘結(jié)劑燒結(jié)工藝、反應(yīng)燒結(jié)工藝和化學(xué)蒸汽滲透工藝。制造多孔陶瓷的材料分為氧化物材料(氧化鋁、堇青石等)和非氧化物材料(碳化硅、氮化硅等)。選擇和設(shè)計(jì)多孔陶瓷的材料和制備工藝,對(duì)陶瓷過(guò)濾器的性能及價(jià)格都有直接影響[12]。

陶瓷過(guò)濾器按其結(jié)構(gòu)型式可分為陶瓷纖維袋式陶瓷過(guò)濾器、織狀陶瓷過(guò)濾器、燭狀(或管狀)陶瓷過(guò)濾器、交叉流式陶瓷過(guò)濾器、蜂房式過(guò)濾器幾種[10]。按陶瓷材料特性又可分為剛性陶瓷過(guò)濾器、柔性陶瓷過(guò)濾器。

陶瓷纖維過(guò)濾器和織狀過(guò)濾器的柔度較大,故稱為柔性陶瓷。該種陶瓷的形狀極易改變,可做成多種形狀,其核尺寸較大,晶格密度較小。其組成材料包括:各種配比的氧化硅、氧化鋁、氧化硼組合;氧化鋁、氧化硅石組合;碳化硅、氧化硅組合。美國(guó)西屋公司生產(chǎn)的織狀柔性陶瓷過(guò)濾器AB312由氧化鋁、氧化硼、氧化硅按3∶1∶2構(gòu)成的陶瓷纖維編織而成,除塵效率達(dá)99.9%以上;德國(guó)Essen大學(xué)研制的陶瓷纖維過(guò)濾器由氧化鋁和氧化硅纖維組合而成,能承受 900℃的高溫,除塵效率達(dá)99.9%;德國(guó)BWF公司生產(chǎn)的真空成型陶瓷纖維管耐溫>1000℃,抗熱沖擊性好[13]。

燭狀過(guò)濾器、交叉流式過(guò)濾器、蜂房式過(guò)濾器均屬剛性陶瓷過(guò)濾器。剛性陶瓷過(guò)濾器材料可用氧化物、非氧化物及其混合物組成。最普遍的氧化物包括氧化鋁、多鋁紅柱石(3Al2O3·2SiO2)、堇青石(2MgO·2Al2O·35SiO2)、火燒粘土及氧化物陶瓷纖維。非氧化物包括:粘土結(jié)合的碳化硅、燒結(jié)的氮化硅、再結(jié)晶碳化硅及碳化硅強(qiáng)化纖維。剛性陶瓷的核尺寸較小,晶格密度較高[10]。見(jiàn)報(bào)道的日本Asahi公司生產(chǎn)的均質(zhì)堇青石陶瓷濾管孔徑為40~60mm,耐溫達(dá)1000℃,抗熱沖擊性較好[13]。

泡沫陶瓷過(guò)濾器是一種氣孔率高達(dá)70%~90%、體積密度只有0.3~0.6g/cm³,具有三維立體網(wǎng)絡(luò)骨架和相互貫通氣孔結(jié)構(gòu),強(qiáng)度沒(méi)有方向性變化的多孔陶瓷制品。泡沫陶瓷使用方便,價(jià)格便宜,制造工藝簡(jiǎn)單;通常用回彈性高、孔徑均勻的泡沫塑料作為前驅(qū)體浸漬陶瓷料漿燒制而成。它除了具有耐高溫、耐腐蝕等一般陶瓷所具有的性能外,且具有密度小、氣孔率高、比表面積大,對(duì)流體自擾性強(qiáng)等特點(diǎn)[14]。

5  國(guó)外高溫工業(yè)過(guò)濾除塵技術(shù)的研究現(xiàn)狀

美國(guó)高溫氣體陶瓷凈化除塵技術(shù)的研究起步較早,其主要的代表技術(shù)有陶瓷過(guò)濾技術(shù)、顆粒床過(guò)濾技術(shù)和錯(cuò)流過(guò)濾技術(shù)等[5]。

全美從事陶瓷除塵技術(shù)的機(jī)構(gòu)很多,其中Westinghouse(西屋)是最典型的一個(gè)。其陶瓷管高溫氣體過(guò)濾技術(shù)較為成熟,具有以下特點(diǎn):

(1)整套系統(tǒng)具備相當(dāng)高的除塵效率,且壓力損失始終保持穩(wěn)定;

(2)塵密封、金屬結(jié)構(gòu)及脈沖反沖管具備良好操作特性;

(3)陶瓷管的整體強(qiáng)度高;

(4)系統(tǒng)可靠性好,這主要表現(xiàn)在系統(tǒng)操作范圍寬且不形成灰餅等。

美國(guó)西屋公司陶瓷管的研制內(nèi)容包括3個(gè)方面:材料的選擇,配方的選擇,加工工藝的選擇。單一原料制得的過(guò)濾器抵抗微裂紋蔓延和熱疲勞能力很差,這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)過(guò)濾器失去作用。近些年人們研究發(fā)現(xiàn)在陶瓷管制備原材料中加入一種連續(xù)性的陶瓷纖維化合物將能明顯改善陶瓷管的性能,如SiC纖維、NB-SiC 纖維、硅酸鋁、多鋁紅柱石等。

德國(guó)Schumacher公司、美國(guó)西屋公司、日本的AsahiGlass公司等[10]已開發(fā)出燭狀陶瓷過(guò)濾器,除塵效率均達(dá)99%以上。燭狀陶瓷過(guò)濾器適用于高溫(260~1093℃)、高壓(1.0~3.0MPa)條件下塵粒去除。

當(dāng)輸入載荷達(dá)0.5%時(shí),輸出塵粒粒度小于0.5μm,濃度低于5×10-6,滿足高溫高壓煤(煙)氣凈化要求。英國(guó)Grimethorpe電廠測(cè)試了燭狀陶瓷過(guò)濾器特性[10]。

因?yàn)闊釠_擊和材料在高溫下疲勞破壞,燭狀陶瓷過(guò)濾器極易在支撐頭處損壞。脈沖噴射清洗時(shí),會(huì)引起補(bǔ)丁式堵塞,影響過(guò)濾特性,并極易引起支撐環(huán)斷裂、扭曲、錯(cuò)位。交叉流式過(guò)濾器,極易在角部斷裂,并在過(guò)濾體中形成縱向裂縫。因?yàn)闊釕?yīng)力和其它應(yīng)力集中,會(huì)引起材料破壞,故應(yīng)改進(jìn)其材質(zhì)、安裝結(jié)構(gòu)和密封效果。

美國(guó)西屋公司開發(fā)的交叉流式過(guò)濾器[10]可在650~900℃,1.0~3.0MPa條件下運(yùn)行,在加利福尼亞Montebello的Texaco氣化爐上做了示范試驗(yàn)并經(jīng)過(guò)了8000h的測(cè)試。

膜式陶瓷過(guò)濾器公司[7]在蜂房式多通道堇青石基礎(chǔ)上,于表面覆蓋一層極薄陶瓷膜(小于50μm)制造成了膜式陶瓷過(guò)濾器。蜂房式過(guò)濾器一般由多鋁紅柱石或堇青石制成,斷面采用蜂房結(jié)構(gòu),集塵效率高達(dá)99%,可適用的氣體溫度達(dá)400℃,5000h后壓降4kPa[10]。

日本旭硝子株式會(huì)社[14]開發(fā)研制的高溫廢氣處理用陶瓷過(guò)濾器為圓管狀多孔堇青石(LOTEC-M)ACTF型陶瓷管過(guò)濾器,孔徑為 40~60μm,高度方向孔徑無(wú)梯度,通孔率為16%~22%,抗彎強(qiáng)度為15~18MPa,耐熱性優(yōu)良,可處理高達(dá)1000℃的高溫含塵煙氣,幾乎能 100%地過(guò)濾直徑大于孔徑的1/20以上的粉塵。為使過(guò)濾器能連續(xù)運(yùn)行,采用反洗的方式進(jìn)行定期清灰,即通過(guò)安裝在各清潔室出口的噴射器,將高壓反洗氣流短時(shí)間吹入清潔室內(nèi),一般在0.2~0.3s內(nèi)即可完成,并可聯(lián)機(jī)反洗,其收塵效率達(dá)99.999%。芬蘭Ahlstrow公司和美國(guó) Babcock&Wilcox公司等鍋爐制造廠都引進(jìn)了ACTF技術(shù)。

旭硝子株式會(huì)社還開發(fā)了APT型顆粒捕集器。

該捕集器的過(guò)濾器主要材質(zhì)為堇青石。堇青石是以電熔法制造的堇青石玻璃經(jīng)結(jié)晶化處理而制得的。

將堇青石制成具有一排貫穿孔的平板,并在一邊預(yù)留一定間隔的狹縫(用于凈化氣體的排出),然后將一定數(shù)量(根據(jù)處理廢氣量確定)的平板疊層而制成過(guò)濾器部件,整體呈盒狀。其常用規(guī)格為:高140mm×寬103mm×長(zhǎng)200mm,體積2.9L,重量1.8kg,貫通孔形狀3mm×5mm(橢圓形),貫通孔數(shù)量17×37,過(guò)濾面積0.9m²。一般采用高壓空氣(0.6~0.8MPa)脈沖氣流進(jìn)行反吹,將顆粒堆積層吹落,反吹時(shí)間為 0.2~0.5s。APT裝置在1000h的運(yùn)行考核中,顆粒捕集率在96%以上,壓力損失保持在9~11kPa。

俄羅斯S.V.Entin等[15]進(jìn)行了耐火材料生產(chǎn)中除塵工藝的研究,并設(shè)計(jì)出一套實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置采用的是盤狀多孔不銹鋼過(guò)濾板對(duì)含塵氣體進(jìn)行過(guò)濾。

除塵過(guò)程中,含塵氣體通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入過(guò)濾器的除塵室,粉塵粒子沉積到過(guò)濾體的外表面,處理后的氣體穿過(guò)過(guò)濾體進(jìn)入凈氣室,最終由出氣管排出。采用U 形管壓力計(jì)測(cè)定過(guò)濾阻力,通過(guò)過(guò)濾器的氣體體積由壓縮空氣測(cè)量試管和MMN微型壓力計(jì)控制,過(guò)濾效果由過(guò)濾器內(nèi)外氣體的含塵濃度對(duì)比進(jìn)行評(píng)價(jià)。該裝置適用于建筑材料、食品、化工、冶金以及核電等行業(yè)。

俄羅斯B.L.Krasnyi等[16]深入研究多孔陶瓷過(guò)濾元件后認(rèn)為:利用多孔陶瓷作為過(guò)濾元件具有很多優(yōu)點(diǎn),如高的使用溫度和高的耐熱性、耐腐蝕、抗振性,能同時(shí)除去粉塵及氮氧化物等。但該種陶瓷必須利用特殊工藝進(jìn)行生產(chǎn),以便控制其孔徑和孔徑分布。這種多孔陶瓷根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)規(guī)律可以分為兩類,即有組織性和無(wú)組織性微觀結(jié)構(gòu)材料。無(wú)組織性微觀結(jié)構(gòu)的陶瓷由粉末和纖維或兩者混合而成。由粉末制得的多孔陶瓷開孔率為20%~45%,孔徑為 5~400μm。而由纖維制得的多孔陶瓷其開孔率為30%~90%,孔徑為5~200μm。有組織性微觀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷包括網(wǎng)狀、細(xì)胞狀、蜂窩狀等結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)由預(yù)置系統(tǒng)決定。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的材料由紡織或編織機(jī)制得的陶瓷纖維所制成,其開孔率為20%~80%,孔徑約20~200μm;但是由于其高溫下使用壽命短,用壓縮空氣噴吹清灰再生后易破壞,所以未能得到廣泛應(yīng)用。由陶瓷片充填細(xì)胞狀泡沫多孔脈石制得的細(xì)胞滲透陶瓷材料其開孔率為75%~95%,孔徑為 200~500μm;而采用特制鋼模擠壓可塑性陶瓷粉末或其與纖維質(zhì)混合物所制得的細(xì)胞滲透材料,其生坯干燥焙燒后開孔率為50%~80%,方形開孔尺寸約800~7000μm。

B.L.Krasnyi等最終研制出FKI-45除塵器,屬袋式除塵器。裝置中采用盤狀多孔滲透陶瓷制造管狀過(guò)濾器件,直徑為60~62mm,厚度約8~23mm,可以耐1000℃高溫。

日本Iwanaga.A等[17]設(shè)計(jì)出一種垂直除塵器,其上部和下部分別是含塵氣體入口和集灰斗,中間是過(guò)濾區(qū)域。過(guò)濾部分由多孔陶瓷過(guò)濾圓筒組成。凈氣室與過(guò)濾圓筒處于同一位置,并被分成兩部分。多孔陶瓷過(guò)濾圓筒的上方為空氣噴嘴,這種裝置適用于燃油、煉鐵、陶瓷以及化工等行業(yè)。

日本Imada.K.等[18]在廢氣除塵移動(dòng)床材料的研究中,用作移動(dòng)床的材料為顆粒直徑1~10mm、氣孔率20%~60%的多孔粒徑材料。該移動(dòng)床材料已被應(yīng)用于煉鋼、煉鐵焦炭爐的廢氣除塵。

英國(guó)太棉公司(TENMAT)研制的太棉高溫氣體過(guò)濾器[19]是專門為超過(guò)袋式除塵器、電除塵器等傳統(tǒng)除塵器所承受的工作溫度而開發(fā)的一種硬式表面過(guò)濾器。太棉可長(zhǎng)期應(yīng)用于1200℃的高溫?zé)煔庀到y(tǒng),最高可耐1600℃,使用過(guò)程中遇火不燃燒,具有超強(qiáng)的耐酸堿性能,使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上,而袋式除塵器一般一年多就需更換。同時(shí),太棉除塵器能過(guò)濾小于1μm的塵粒,過(guò)濾效率更達(dá)99.99%以上。所以,由于太棉過(guò)濾器濾料好、設(shè)備簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、不用維護(hù)等優(yōu)勢(shì),使得除塵總費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于袋式除塵設(shè)備。

6國(guó)內(nèi)高溫工業(yè)過(guò)濾除塵技術(shù)的研究現(xiàn)狀

我國(guó)現(xiàn)有工業(yè)窯爐近20萬(wàn)座,年耗煤(焦炭)量約2億噸,在生產(chǎn)過(guò)程中排放大量高溫含塵有害氣體,嚴(yán)重地污染大氣環(huán)境。其排放尾氣的特點(diǎn)是:溫度高,含塵濃度高,黑度大,溫度和煙氣量變化范圍廣。

我國(guó)鍋爐除塵裝置制造技術(shù)已經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段,即干式旋風(fēng)除塵、文丘里水膜除塵、高壓靜電除塵、袋式除塵[20]。

廣東省東莞市垃圾電廠鍋爐上已成功的應(yīng)用袋式除塵裝置,其除塵效率高達(dá)99%以上。目前采用袋式除塵的鍋爐最大已達(dá)680t/h。寶鋼在高爐建設(shè)時(shí)所采用的也是布袋除塵器,除塵效果良好,實(shí)現(xiàn)了“無(wú)超標(biāo)排放”的目標(biāo)[21]。北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所齊金彥等[22]開發(fā)研究了陶瓷微孔管過(guò)濾式除塵器,其結(jié)構(gòu)及過(guò)濾機(jī)理與袋式過(guò)濾器相同,不同的是陶瓷微孔管在反吹時(shí)形狀保持不變,所形成的一次粉塵層免遭破壞,除塵效率保持不變。高溫?zé)煔庥锰沾少|(zhì)微孔管過(guò)濾式除塵器,不需采用降溫冷卻措施,可省去部分投資,并可進(jìn)行熱回收。該除塵器除塵效率高,過(guò)濾后的潔凈氣體對(duì)熱交換管束不存在腐蝕和堵塞問(wèn)題。該除塵器耐磨損、耐急冷急熱性能好,使用壽命長(zhǎng)。

華中科技大學(xué)姬宏杰等[23]利用湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)電研究設(shè)計(jì)院提供的泡沫陶瓷對(duì)高溫焦?fàn)t煤氣過(guò)濾技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究?紫堵蕿85%的泡沫陶瓷片在模擬氣體(粉塵粒徑為75μm以下)流量為0.15~1.05L/h時(shí),其粉塵過(guò)濾效率均>90%。

清華大學(xué)資新運(yùn)等[24]建立了基于泡沫陶瓷微粒過(guò)濾單元的三維物理模型和氣粒兩相流模型。通過(guò)模擬計(jì)算,分析了氣體流速、微粒粒徑、泡沫陶瓷微孔參數(shù)對(duì)微粒擴(kuò)散攔截和慣性碰撞攔截效率的影響。得出以下結(jié)論:①隨著流速的提高,微粒的慣性碰撞捕集效率逐漸降低,當(dāng)流速達(dá)到一定值時(shí),大微粒的捕集效率將迅速上升,而小微粒的捕集效率繼續(xù)降低;②當(dāng)粒徑小于1.0μm時(shí),慣性捕集效率隨微粒粒徑的變化不大,當(dāng)粒徑大于1.0μm時(shí),慣性碰撞捕集效率隨微粒粒徑的增大而迅速上升;當(dāng)微粒的粒徑增大時(shí),擴(kuò)散捕集效率迅速下降,但增大到0.5μm時(shí),下降速率變得緩慢;③微孔直徑越大,擴(kuò)散捕集效率越低;④微粒在微孔壁附近所受到的Saffman力對(duì)微粒的捕集起了阻礙的作用。

西安交通大學(xué)高鐵瑜[25]對(duì)燃煤聯(lián)合循環(huán)陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾流動(dòng)進(jìn)行了深入的研究,分析了影響陶瓷過(guò)濾元件過(guò)濾性能的幾種重要機(jī)制以及重要的影響因素,提出“實(shí)際分級(jí)最小厚度”概念,這是過(guò)濾精度在陶瓷過(guò)濾元件壁厚上的度量值,有望為今后陶瓷過(guò)濾元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù)。同時(shí)提出:①在陶瓷過(guò)濾元件制備時(shí),應(yīng)盡可能選取直徑相近的陶瓷顆粒;②錐狀截面陶瓷過(guò)濾元件的壓降要稍低于柱狀截面陶過(guò)濾元件的變化幅度,而且相同的位置處壓降和速度值也低些,在同一流速下,壓降隨陶瓷顆粒直徑的減小而增大;③為減小或消除過(guò)濾過(guò)程的粉塵“架橋”現(xiàn)象,應(yīng)該使孔隙率沿軸向從封閉端到開口端逐漸增大,孔隙率沿軸向的這種變化對(duì)脈沖反吹清洗也是有利的;④脈沖反吹清洗過(guò)程中,燭狀陶瓷過(guò)濾元件沿軸向各個(gè)部位脈沖壓力峰值隨著噴射壓力的增大而增大;陶瓷過(guò)濾元件開口端壓力峰值明顯高于中部和封閉端壓力峰值,而中部、封閉端壓力峰值接近。

西安交通大學(xué)徐廷相等[26]研究了含塵超音速高溫高壓氣體的氣固兩相分離過(guò)程,提出了用增加縮放噴管長(zhǎng)度的方法,使含塵高溫高壓氣體中的灰塵顆粒獲得實(shí)現(xiàn)氣固兩相分離所必需的更高動(dòng)量的途徑。采用這種氣體凈化概念有可能使大于5μm的灰塵顆粒和大部分小于5μm的顆粒從含塵氣體中清除掉。

中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所楊金權(quán)等[27]采用D50mm×480mm等效孔徑40μm普通不銹鋼制作了高溫?zé)Y(jié)金屬絲網(wǎng)過(guò)濾器進(jìn)行了試驗(yàn)。煤氣溫度為460~638℃,進(jìn)口粉塵濃度為1.0~25.0g/Nm³,在不同入口粉塵含量及不同過(guò)濾氣速下,過(guò)濾效率均大于99%,最高達(dá) 99.9%,>20μm的顆粒去除率為100%。試驗(yàn)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定,過(guò)濾元件(管)反吹性能良好,安裝固定容易,無(wú)損壞現(xiàn)象。該研究在過(guò)濾效率、反吹清灰及運(yùn)行特性方面取得了較好效果,為該技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

上;ぱ芯吭狐S曉衛(wèi)等[28]開發(fā)的全濾餅式過(guò)濾除塵器,濾餅為不銹鋼濾料,除塵效率理論值幾乎為100%,其在結(jié)構(gòu)形式上及清灰技術(shù)上都有與眾不同之處,除塵流程操作全部由可編程序控制器(PLC)控制,極易與計(jì)算機(jī)接口。此過(guò)濾器的另一關(guān)鍵技術(shù)是采用了大通量的高溫程控延期換向閥,這種具有特殊結(jié)構(gòu)形式的高溫?zé)煔鈸Q向閥的開發(fā)成功是整個(gè)高溫?zé)煔獬龎m技術(shù)的重要保證。它可實(shí)現(xiàn)高精度要求的除塵,對(duì)于一定粒度的粉塵,出口濃度(過(guò)濾效率)可通過(guò)控制過(guò)濾風(fēng)速、過(guò)濾材料和過(guò)濾阻力而達(dá)到。

國(guó)家電力公司熱工研究院許世森[29]研究溫度等因素對(duì)移動(dòng)顆粒層過(guò)濾高溫除塵性能的影響規(guī)律,首次提出溫度與捕集比的理論關(guān)系式,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到了移動(dòng)顆拉層在高溫狀態(tài)下進(jìn)行過(guò)濾除塵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為移動(dòng)顆粒層過(guò)濾高溫除塵工藝的放大和工程化打下基拙。

國(guó)家電力公司熱工研究院夏軍倉(cāng)等[30]研究開發(fā)出一套移動(dòng)顆粒層高溫高壓煤氣除塵中試系統(tǒng),通過(guò)實(shí)際煤氣考核試驗(yàn)研究,積累和掌握了系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和設(shè)計(jì)依據(jù),為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工程化奠定了基礎(chǔ)。試驗(yàn)表明:該過(guò)濾器能實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的除塵過(guò)程,除塵效率較高,可達(dá)99.65%~99.80%,>20μm 的顆粒去除率為100%;大型化后可適用于高溫氣體的過(guò)濾除塵。

為了提高顆粒床對(duì)微細(xì)粉塵的過(guò)濾除塵效率,寧波大學(xué)楊國(guó)華等[31]提出并試驗(yàn)研究了雙層濾料顆粒床過(guò)濾塵新方法。該方法以2~5mm膨脹珍珠巖顆粒為上層濾料,0.5~1mm海沙為下層濾料組成雙濾料床。過(guò)濾時(shí),含塵氣先經(jīng)過(guò)上層濾料粗過(guò)濾,再經(jīng)過(guò)下層濾料精過(guò)濾;反吹清灰時(shí),兩層濾料成不相混分層流化床,雙層結(jié)構(gòu)保持不變。試驗(yàn)表明:對(duì)于粒徑小于2.26μm的微粒數(shù)占90%的電廠飛灰,過(guò)濾氣速為0.33m/s時(shí),過(guò)濾效率高達(dá) 99.992%~99.994%。這種極高過(guò)濾效率和床層容塵量是現(xiàn)有顆粒床過(guò)濾器都不能達(dá)到的。這種雙層濾料過(guò)濾床的過(guò)濾氣速是布袋除塵器的5~6倍,過(guò)濾效率超過(guò)了布袋除塵器和電除塵器,特別是這種雙層濾料過(guò)濾床容塵量很大,可以利用這一特性實(shí)現(xiàn)有害氣體與塵等多種污染物脫除一體化。

7 高溫工業(yè)廢氣過(guò)濾除塵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)縱觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,筆者認(rèn)為,高溫工業(yè)廢氣過(guò)濾除塵技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)如下趨勢(shì):

(1)加強(qiáng)泡沫陶瓷高溫高效除塵技術(shù)的研究,提高陶瓷過(guò)濾器的除塵效率及其韌性,改善其清灰再生技術(shù),延長(zhǎng)使用壽命;

(2)進(jìn)一步提高袋式除塵設(shè)備的性能,使其適應(yīng)于高溫、高含塵濃度、大煙氣量的需要,延長(zhǎng)其使用壽命;

(3)重視除塵機(jī)理研究,探索現(xiàn)有各種除塵技術(shù)的基本規(guī)律,作為設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)備的依據(jù);

(4)加快對(duì)顆粒床除塵器的研究,提高其對(duì)細(xì)微塵粒的捕集效率,進(jìn)一步研究系統(tǒng)磨損問(wèn)題及運(yùn)行的控制因素。

目前,高溫工業(yè)廢氣除塵技術(shù)發(fā)展迅速,特別是美、德、日正努力控制煙氣含塵排放濃度趨向目視為“零”,即除塵器出口濃度接近大氣中的含塵濃度。因此,我們必須緊跟世界步伐,與國(guó)際接軌,加強(qiáng)與國(guó)際社會(huì)在環(huán)境保護(hù)方面的深入合作,充分借鑒利用高新技術(shù),不斷創(chuàng)新,開發(fā)出經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、高效的新型高溫工業(yè)廢氣除塵設(shè)備。

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