煤化工高温气体除尘技术及其研究进展刘会雪刘有智孟晓丽（中北大学山西省超重力化工工程技术研究中心，太原030051）滤除尘技术、金属微孔过滤除尘技术、旋风除尘技术、静电除尘技术，其中，颗粒层过滤除尘技术是最有发展前途的可用于IGCC和PFBCC（增压流化床联合循环）的高温除尘技术之一，指出高温除尘技术需要解决的问题是高温下延长滤材寿命、优化滤材再生技术、提高过滤效率。分析表明，高温除尘技术具有广阔的工业应用前景。

　　高温气体除尘是在高温条件下直接进行气固分离，实现气体净化的一项技术，它可以最大程度地利用气体的物理显热、化学潜热和动力能以及最有效地利用气体中的有用资源。因此，它不仅成为电力、能源和相关加工工业的研究热点，也是过滤行业的重要研究课题。

　　目前，整体煤气化燃气蒸汽联合循环发电技术（IG0C）和增压流化床燃烧联合循环发电技术（PFBC）是先进的能源转换系统，但在这两种技术中，煤、飞灰和脱硫吸附剂会夹带在燃烧（气化）产物中，易从燃烧器或气化炉带进燃气轮机。由于进入燃气轮机的气体中含有大量粉尘，会引起燃气轮机叶片的磨损，影响燃气轮机叶片的寿命及工作效率。为了解决这个问题，燃气中的粉尘含量必须限制在一定范围内，同时，为了满足IGCC和PFBC对燃气高温的要求，人们正在试图摆脱传统的湿法气体净化工艺，采用高温干法气体净化技术来解决制约IG0C和PFBC发展的关键问题。因此，有效的高温除尘技术的作用是至关重要的。

　　1陶瓷过滤除尘技术陶瓷过滤器属于高性能阻挡式过滤器，是利用陶瓷材料的多孔性进行除尘，其过滤元件的过滤是吸附、表面过滤和深层过滤相结合的一种过滤方式，其过滤机理主要为惯性冲撞、扩散和截留。随着对研究的深入进行，陶瓷过滤除尘技术取得了很大的进展。

　　1.1过滤元件结构上的多样化其多样的过滤元件可以满足不同条件的除尘要求，并且不同的过滤元件随着应用的推进而经过了改进，例如，陶瓷纤维布袋过滤器、陶瓷纤维毯过滤器、试管式过滤器、蜂窝式过滤器。

　　1.1.1陶瓷纤维布袋过滤器美国Buell公司、美国西屋公司以及美国电力研究所等用直径为101~12陶瓷纤维（由质量分数为62%A 98Ma的条件下，用0.033ms的过滤速度进行试验，除尘效率高达99. 7°%压力降为176.4Pa~1489.6Pa，清灰时用脉冲空气反吹。

　　1.2陶瓷纤维毯过滤器美国A）urex公司采用直径为3wn的陶瓷纤维编织成毯，两面再蒙上一层陶瓷纤维布或者不锈钢丝网，在800°C、0. 98Wa条件下试验，过滤速度为1n/s，除尘效率可达99.9°%清灰时也采用脉冲空气反吹，在高温下反吹5X104次，纤维布和毯的强度仍可满足要求。

　　1.3试管式过滤器试管式过滤元件为一端封闭、一端开口的圆筒形：2007-11-22结构，典型尺寸为内径40mr（或30mm，外径60mm长除。

　　1.1.4蜂窝式过滤器常用的有美国Ceranem公司生产的圆柱型蜂窝式陶瓷过滤元件，直径305nm长度为381nm通道截面积为4nmX4nm每平方英寸（6.452cni）有25个通道，孔隙率30°/~50%平均孔径为40wn~50wm在氧化条件下，耐温1000°C，且抗热冲击。为了提高脉冲反吹性能，通道表面上覆盖了一层膜，可以实现微滤，膜孔径0.2wn0.5wn是支撑体孔径的1/.荷兰Delft工业大学在热功率为1. 5MW热能）实验装置上，安装了3个Gsranem公司生产的蜂窝式过滤元件。在800°C下，25h的运行结果表明，过滤器脉冲反吹性能好，没有出现粉尘阻塞通道现象。

　　1.2陶瓷材料的配方和制备技术的改进为了改善陶瓷的韧性、延展性和抗热震性，制备技术从泡沫型到网眼型的改进，做到了在流体通过时，降低压降，增大表面积，提高与流体接触效率，减轻重量。普通单质陶瓷过滤材料在产生小量变形时，其强度就达到最大值，然后突然破裂。这种特点以及陶瓷材料固有的热传导性差的特点使得陶瓷过滤材料难以承受大的热负荷波动，即抗热震性差。在制备方法上有发泡法、溶胶凝胶法、添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法和化学气相沉积或渗透法。

　　近年来，世界各国开展了大量新型陶瓷过滤材料的研制，旨在提高陶瓷过滤材料的韧性和抗热震性。

　　其中，具有重大意义的研究进展是纤维增强复合陶瓷过滤材料制备技术的研制成功，它使得陶瓷过滤材料的韧性和延展性大大提高。纤维复合陶瓷过滤材料是依靠连续长纤维使材料增强、增韧，同时表面复合层又保证材料具有很高的过滤精度。在研制的纤维复合陶瓷过滤材料中，有美国3M公司（明尼苏达矿业及制造公司）的硅铝酸盐-碳化硅复合陶瓷过滤材料；另外，还有美国杜邦公司生产的PR>66型试管式陶瓷过滤器，外表面涂有碳化硅砂粒的强化尼龙纤维丝缠率达99°/以上；杜邦公司还开发了碳化硅-碳化硅复合陶瓷；美国BW公司开发了氧化铝-氧化铝纤维复合陶瓷，西屋公司开发了氧化铝-莫来石纤维复合陶瓷过滤材料等。

　　由上可知，经过对陶瓷除尘器的研究和改进，可以更好地发挥陶瓷除尘技术的优点。本着陶瓷材料的固有特点，即热稳定性和化学稳定性，该技术有望成为最有效的高温除尘技术。目前，该技术面临着诸如管件与管板间的密封、过滤膜孔隙永久性堵塞和压降持续增大、陶瓷微裂缝蔓延及热疲劳等问题，会影响到它的耐久性和可靠性。因此，陶瓷过滤除尘技术还需进行局部的研究发展。

　　2颗粒层过滤除尘技术颗粒层过滤除尘器是利用物理和化学性质非常稳定的固体颗粒组成过滤层，通过惯性碰撞、扩散沉积、重力沉积、直接拦截、静电吸引的过滤机理来实现对含尘气体的过滤，具有耐高温、持久性好等特点。但颗粒层除尘技术对细微尘粒的捕集效率不高，大量过滤介质在床外循环能耗大且磨损大，另外在大型化时，介质均匀移动和气流的均匀分布问题还需要研究。

　　1957年，德国开始采用振动清灰的MB型颗粒层除尘器，以后又不断进行改进，近年来对颗粒层除尘的机理和实验研究也进行了大量工作。由于这种除尘器具有耐高温特点，因而成为很有发展前途的一种工业高温除尘设备，近年来发展很快。

　　日本采煤研究中心和日本川崎重工业公司联合开发了移动床颗粒层过滤器，用于热煤气除尘，并在日处理煤量401的流化床煤气化炉上进行了试验，热煤气压力为1.8Ma~1.9Pa，温度为430°C~460°C，飞灰质量浓度为1g/nT5g/m，实测的除尘效率达到99.8°/以上，累计运行时间为900h.移动床颗粒层过滤器的过滤速度为0.1n/s~0.3n/s，过滤器压降小于1.96kPa，所用颗粒直径为1nm 5mm颗粒层移美国COnbustionPower公司和西屋公司联合开发设计了移动床颗粒层过滤器，含尘气体从中心引入，移动床中作为过滤介质的颗粒是直径为6nm的氧化铝和莫来石，在过滤室内，气流和颗粒的流动方向相反，带尘的颗粒经提升管在清洗室内清洗后，不断补充进入过滤室，该过滤装置实际上是颗粒床和袋式乡％内表面是渗（透率高的碳化硅刚性能架杜除尘blish除尘器1的柳合1……由美Si能源部资！助）在纽约大学3遵设备上进行了试验，运行温度为870°C，除尘效率达我国国家电力公司国电热工研究院对研究开发的无筛移动逆流式颗粒层过滤器，进行了常压、高温除尘过程结构和参数优化实验研究；开发了颗粒层气体循环清灰系统；研究了尘粒在带电颗粒层中的振荡运动，提出了采用尘粒荷电和对颗粒层施加外电场的方法来提高细微尘粒的除尘效率，并从理论上证明了，在一定条件下该法是可行的。

　　颗粒层过滤除尘技术经过了由固定床层到移动床层的发展，移动颗粒层过滤除尘系统兼顾了除尘效率与过滤压降，实现了过滤、清灰的一体化，易于大型化，适合高温高压气体除尘。目前，国际上普遍认为移动颗粒层过滤除尘是最有希望、最有发展前途的可用于IG0C和PFBC-CC的高温除尘技术之一。

　　3金属微孔过滤除尘技术金属微孔过滤材料最大优势在于良好的耐温性和优良的机械性能，并且它良好的韧性和导热性使其具有很好的抗热、抗震性。此外，金属微孔材料还具有良好的加工性能和焊接性能。但金属微孔过滤除尘目前还存在一定的问题：金属过滤材料一般在高温下会出现随着温度增加造成强度下降的现象，因此，在使用过程中存在着最高温度的限制。

　　近年来，国内外大力开展高性能金属过滤材料的研究。其中，Fe-A金属间化合物和310S（不锈钢，镉、镍含量高）以其突出的抗高温氧化和耐硫腐蚀性能而备受关注。如美国Mtt公司和Pall公司生产的310S、Inconel600（镍基合金）、Fe-A金属间化合物等烧结金属滤管，耐温600.~900.；另外，英国Povair公司、比利时Bekart公司、美国UBfilter等公司分别开发了Fe-Cr-A、ttynes230（镍、铬、钼、钨合金，耐高温抗氧化）、Hiynes214（镍铬合金，优良的抗氧化材料）等烧结金属纤维多孔材料。在烧结金属丝网方面，最初有铜基合金、304不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、188不锈钢、GH30（高镍合金）和GH4高温合金等过滤材料制品。目前，在一些工业发达国家，也已经开发出了Fe-A烧结粉末和310S烧结金属丝网微孔材料。

　　在试验研究方面也有一定的进展：Avin试验研究了金属过滤材料在PFBC工作环境下的情况。滤材主要选取了美国Pall公司的Fe3A金属间化合金。试验温度从650°C到840°C，系统压力1.0MPa，3种滤材在850°C以下、1000h试验中均保持完好，未出现破裂情况。

　　Nbvick等采用实验室合成气体模拟煤气环境，研究了Fe3A烧结滤材在还原气氛下的耐蚀性，气体0MPa.试验进行了2251h，FeA材料的抗拉伸性能未降低，可以通过脉冲反吹再生更新，对于>14.5wn的过滤效果为99.89°/.我国有关研究单位如安泰科技公司也开展了Fe3A、310S等先进金属过滤材料的研制和310S烧结金属丝网高温煤气除尘中试研究。试验温度580C~ 620C，试验压力1. 1MPa，净化后煤气含尘量在10ng/ri以下，过滤效果达到99. 9°/.烧结金属丝网过滤材料工作稳定，具有很好的反吹再生性能。

　　4旋风除尘技术旋风分离器是利用含尘气体在进行高速旋转时所产生的离心力，将固体从气体中分离出来的干式除尘设备。由于它结构简单、无运动部件、制造安装投资较少、操作维护简便、性能稳定、受含尘气体的浓度和温度影响较少、压损中等、动力消耗不大，所以得到广泛的应用。该高温除尘技术是科技人员根据实践经验，结合理论知识逐渐摸索出来的，其核心部件采用耐高温的陶瓷旋风子，利用烟气炉的砌筑方法，使高温烟气得到较好的除尘效果，并把温降控制在最小的范围之内，满足了工艺生产的需求。

　　为了延长旋风除尘器的使用寿命、提高除尘效率及满足耐高温、耐磨损的要求，人们对该项技术进行了一系列的改进。例如使用陶瓷材料制作核心部件旋风子和陶瓷多管旋风除尘器的生产与应用。然而，由于该技术对粒度低于5wm10wm的粒子无效，而这远远不能满足净化后的高温煤（烟）气含尘浓度低于6X10-6的要求。故一般旋风除尘器只能作为预除尘设备，使从气化炉出来的高温粗煤气含尘浓度降低到0.5%以下，再予以二次除尘。

　　5静电除尘技术静电除尘器是在高压静电作用下，使尘粒带有负电荷后，在电场力的作用下，向带有正电荷的极板方向运动，当尘粒到达极板后，交出负电荷，开始黏附在% 1娜通7公锢合金和通避合blish尘极板（的板1面上tsM；灰尘集聚物。然后由振打装置敲击极板，对灰尘集聚物产生冲击力，使其脱落进入灰斗被排除。

　　为了提高燃煤电厂静电除尘效率，有些电厂（如郑州热电厂）就使用了经过改造的静电袋式复合除尘器。该除尘器是一种新型的除尘装置，它是静电除尘器和袋式除尘器的有机结合，通过这两种成熟可靠技术的有机串联，它既发挥了静电除尘器收尘效率高的优点，又有袋式除尘单元高效捕集细微粉尘的优点。静电除尘单元能除去80%~90%的粉尘，袋式除尘单元只需除去其余10%~20%的粉尘。总的来说，静电袋式复合除尘器具有过滤阻力小、投资运行成本低、对微细粉尘收集效率更高等优点。

　　为了弥补纤维过滤器在燃汽轮机上使用的不足，英国Fortum公司开发了空气清洁技术（简称FAT），它是由一组静电除尘器组成的系统。经优化设计，并通过英国GanfordBrigg电站试验，得出FAT静电除尘器的使用效果可靠，有一系列显著的优点：无需更换过滤器，检修工作成本降低；结渣少；空气预热温度降低；压降减小；燃汽轮机使用寿命延长。

　　目前，美国研究在温度900°C、压力110Ma情况下的静电除尘器，除尘效率为90.0°/~99.6%捕获尘粒平均粒径为5ym大约20°%尘粒低于2ym总之，静电除尘技术也是一种高效的除尘技术，其优点是明显的，但目前在高温高压下除尘的应用，尚存在长时间运行时材料的稳定性和热胀性等问题。且电除尘一次性投资高，加上对粉尘的比电阻和气体成分等性质的敏感性及电极的腐蚀等问题，因此，静电除尘技术用于较高温度的除尘还有一定的局限性。

　　6结语高温气体除尘技术具有很强的现实意义，目前它还处在研发阶段，集中需要解决的问题是高温下延长滤材寿命、优化滤材再生技术、提高过滤效率。尽管几种常用的高温除尘技术目前都取得了很大的进展，但还是存在各自的问题，在一定的条件下，还需要对几种技术进行有机的结合应用。由于能源短缺，在炼焦及火力发电行业中，煤的利用效率不高，而给环境带来的污染日益严重，采用高温除尘势在必行。随着材料及相关学科的发展，高温除尘技术会逐步成熟完善，会有更广阔的工业应用前景。