粉煤熱解含塵干餾氣除塵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用

1、粉煤熱解含塵干餾氣除塵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用樊英杰 鄭化安 張生軍（陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司  西安710065）       煤炭熱解技術(shù)主要包括塊煤熱解工藝和粉煤熱解工藝。考慮到目前機(jī)械采煤塊煤產(chǎn)量僅占煤炭開采量的20%，因而以粉煤為原料的熱解工藝必將成為煤熱解的主流工藝。采用固體熱載體為熱源，將粉煤熱解的大連理工大學(xué)新法干餾工藝，雖然進(jìn)行了過程放大，但沒有得到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。其中，粉煤熱解過程中熱解粉焦和熱解油氣的高溫在線分離是該工藝遇到的主要技術(shù)難題之一。粉煤在中、低溫?zé)峤膺^程中產(chǎn)生的含塵干餾氣體溫度高、易相變。熱

2、解粉焦和熱解油氣高溫在線分離效果不理想，最終導(dǎo)致煤焦油中的固含量偏高，油品質(zhì)量較差，無法滿足煤焦油進(jìn)一步深加工的質(zhì)量指標(biāo)。粉煤熱解過程中含塵干餾氣的除塵技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備的開發(fā)研究，已經(jīng)成為煤炭中低溫?zé)峤忸I(lǐng)域亟待開發(fā)的課題之一。 1   含塵干餾氣特點及其對高溫除塵設(shè)備的基本要求       粉煤中低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的含塵干餾氣具有如下特點。    （1）干餾氣主要由熱解油氣和熱解粉焦組成，粉塵粒度小，含量高。    （2）干餾氣的溫度高，一般在30060

3、0。     （3）干餾氣中的硫化氫、氨等腐蝕性氣體含量高，甚至含有堿金屬、重金屬蒸汽等。    （4）干餾氣中含有易冷凝和黏結(jié)的大分子芳烴，容易導(dǎo)致過濾器堵塞。    （5）氣體成分復(fù)雜，氣體介質(zhì)在分離設(shè)備中存在后續(xù)反應(yīng)，一易析炭，發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象。    （6）熱解油氣對溫度變化非常敏感，易相變，由氣、固兩相變?yōu)闅?、液、固三相，且較難分離。    （7）開車工況和正常運(yùn)行工況含塵氣體組成有差別。    &#

4、160; 因此，粉煤熱解過程中含塵干餾氣高溫氣固在線分離對除塵設(shè)備的要求較苛刻，主要應(yīng)滿足以下條件。    （1） 耐高溫（500600）。    （2）具有良好的保溫效果和抗腐蝕性。如果保溫效果不好或者溫度發(fā)生變化，熱解氣中可冷凝氣體會生成帶粉塵的焦油，黏附在除塵設(shè)備上，在高溫條件下加速設(shè)備老化甚至使其失去作用。    （3）在除塵器中的停留時間要短，在最短的時間內(nèi)除去熱解氣中夾帶的粉塵，避免熱解氣在除塵設(shè)備中發(fā)生二次裂解等副反應(yīng)，影響焦油品質(zhì)。    （4）高溫條件下，濾

5、材或設(shè)備壽命要長，易再生，過濾效率高。 2   含塵干餾氣高溫在線除塵技術(shù)研究現(xiàn)狀       目前，針對粉煤熱解工藝中含塵干餾氣高溫在線除塵問題，許多科研單位嘗試了不同的分離除塵方法，以期開發(fā)出較為可行的粉煤熱解含塵干餾氣高溫在線除塵方法。國內(nèi)在熱解粉焦和熱解油氣高溫在線分離方面做過相關(guān)研究的單位主要有中科院山西煤炭化學(xué)研究所、中國礦業(yè)大學(xué)、哈爾濱瑞格能源環(huán)境技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司、冀州中科能源有限公司、中科院過程工程研究所等單位。      

6、中科院山西煤炭化學(xué)研究所梁鵬等為了優(yōu)化爐前煤低溫干餾工藝中的揮發(fā)分除塵方案，在金屬濾網(wǎng)應(yīng)用于低溫煤干餾氣除塵方面做了有益的探索。采用400目的金屬絲網(wǎng)作為過濾介質(zhì)。多次實驗表明，濾網(wǎng)過濾效率99. 9%。由于原料煤中0.125m的細(xì)顆粒煤占總質(zhì)量的10以上，在熱解揮發(fā)分析出的過程中，大量粉塵被熱解氣帶出，在濾網(wǎng)表面很快形成一層濾餅，隨著操作的進(jìn)行，過濾效率提高。此外，在使用400目金屬濾網(wǎng)對間歇式粉煤固體熱載體熱解裝置揮發(fā)分除塵研究的基礎(chǔ)上，將顆粒床過濾器用于該過程的除塵研究，復(fù)合除塵過濾器如圖1所示。熱態(tài)除塵實驗表明，顆粒床的使用，有效地降低了濾網(wǎng)的過濾負(fù)荷。顆粒床與金屬濾網(wǎng)結(jié)合可作為粉煤爐

7、前低溫干餾工藝中可供選擇的揮發(fā)分除塵方案。圖1    復(fù)合顆粒層過濾器示意圖圖2     府谷中試裝置流程示意圖1循環(huán)流化床鍋爐；2旋風(fēng)分離器；3組合密封器；4混合器；5熱解反應(yīng)器；6進(jìn)煤料斗；7過濾器；8間冷器；9氣液分離器；10焦油儲罐；11風(fēng)機(jī)；12半焦料斗；13換熱器；14電除塵；15煙囪。        中科院山西煤炭化學(xué)研究所就粉煤熱解含塵干餾氣除塵問題，還開展了相關(guān)中試試驗研究。其聯(lián)合陜西府谷縣恒源煤焦電化有限公司，在府谷地區(qū)建立了1套75

8、t/h燃燒-熱解的中試裝置，工藝流程如圖2所示。高溫氣與焦的分離采用移動顆粒床過濾器，介質(zhì)用的是塊狀半焦，固體從上面進(jìn)，往下流，在底部排出。氣體從中間穿過排出的半焦和灰后進(jìn)焦/灰斗，過濾后直接放入鍋爐燃燒，排灰溫度在500以上，以防煤焦油凝結(jié)。經(jīng)過過濾后，焦油中含塵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%（工業(yè)要求）。中試結(jié)果能滿足工業(yè)要求，但無連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行記錄。       中國礦業(yè)大學(xué)初茉等在實驗室采用顆粒床過濾器就含塵干餾氣除塵進(jìn)行了冷態(tài)試驗。采用篩分后的高溫半焦進(jìn)入顆粒床除塵器作為過濾介質(zhì)，除塵器可以是固定床，也可以是移動床。含塵氣體通過床層，被過

9、濾為清潔氣體。該方法在神華集團(tuán)6000t/a煤熱解中試試驗中有過嘗試，但除塵過程易堵，運(yùn)行效果不佳。       哈爾濱瑞格能源環(huán)境技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司為解決熱解氣除塵問題，設(shè)計了一款新型除塵反應(yīng)器，主要特點是將顆粒層過濾器和布?xì)庀到y(tǒng)結(jié)合在一起，見圖3。該過濾器在模擬工況下，取得了良好的效果。其模擬條件為：操作溫度400450，操作壓力5070 kPa（g），過濾氣速0.3 m/s，含塵干餾氣從下而上通過。干餾粗煤氣組成（體積分?jǐn)?shù)）為：氫氣15%20%，一氧化碳6%10%，甲烷33%35%，氮?dú)?%5%，水8%12%，焦油組分15%2

10、0%，小分子氣態(tài)烴2%4%，其他氣體2%5。粗煤氣中粉塵的質(zhì)量濃度為0.81.1g/m3。石英砂顆粒作濾料，粒徑12 mm。在72 h的工藝試驗過程中，凈化后干餾煤氣的粉塵質(zhì)量濃度低于20 mg/m3，除塵效率大于98%，粒度分析表明，粒徑10m以上顆?？扇棵摮?。圖3    瑞格能源新型除塵器結(jié)構(gòu)示意圖1固體顆粒濾料入口；2煤氣出口；3殼體；4煙氣進(jìn)口；5固體顆粒出口；6煤氣進(jìn)口；7煙氣出口；8氣體分布器；9主氣管；10支氣管；11出氣短管。         冀州中科能源有限公司和中

11、科院過程工程研究所合作開發(fā)了一種新型過濾器，利用固體顆粒物料作為過濾介質(zhì)，凈化高溫含塵氣體或者去除熱解氣中的粉塵、重質(zhì)焦油等雜質(zhì)成分。具有結(jié)構(gòu)簡單、床層壓降小等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)見圖4。采用粗煤顆粒作濾料，300熱解氣除塵，除塵效率可達(dá)99%。采用石英砂顆粒作濾料，800高溫?zé)煔獬龎m，除塵效率96%。采用壓制成型的灰球作濾料，500含塵氣體除塵，除塵效率96%。圖4     冀州中科能源有限公司過濾器示意圖1料層高度調(diào)節(jié)桿；2內(nèi)筒；3進(jìn)料口；4過濾器殼體；5塔型擋板組；6進(jìn)氣口；7通氣管道；8出氣口；9出料口。    &

12、#160;   綜上所述，國內(nèi)在熱解氣除塵領(lǐng)域的研究尚不成熟，多數(shù)處于小試階段，中試試驗尚無成功案例。含塵干餾氣高溫氣固在線分離問題是粉煤熱解工藝工業(yè)化進(jìn)程中必須面對的技術(shù)難題，應(yīng)該引起相關(guān)企事業(yè)單位的足夠重視。 3   現(xiàn)有除塵技術(shù)應(yīng)用在含塵干餾氣高溫在線除塵領(lǐng)域的可能性分析3.1  現(xiàn)有高溫氣體除塵技術(shù)簡況       現(xiàn)有高溫氣體除塵技術(shù)簡況見表1。 表1     現(xiàn)有高溫氣體除塵技術(shù)簡況高溫除塵工藝除塵效率，壓降發(fā)展現(xiàn)

13、狀主要問題旋風(fēng)除塵95高技術(shù)成熟過濾效率低靜電除塵98低技術(shù)成熟高溫下穩(wěn)定電暈難以維持，粉塵比電阻大剛性陶瓷過濾99.5中中試階段抗機(jī)械、溫度沖擊性能有待提高，表面易熔結(jié)和反應(yīng)金屬濾網(wǎng)99.9中技術(shù)成熟承受溫度較低，易發(fā)生高溫腐蝕和氧化顆粒層過濾99中中試階段細(xì)微塵粒的分級除塵效率不高，控制復(fù)雜液態(tài)金屬過濾高初步研究能耗高，介質(zhì)昂貴，且再生困難氣流斜激波高概念提出能耗高，研究少，存在很多不確定因素 表2      旋風(fēng)除塵器應(yīng)用情況應(yīng)用領(lǐng)域分離對象氣相組分特點固相組分特點分離效果FCC催化裂化氣-固分離體系(固相為催化劑,氣相為油氣)

14、組分較為簡單,主要是干氣、液化氣、汽油、柴油、油漿催化劑顆粒、形狀、大小比較均勻( 60 m),與氣相組分密度差較大較好 MTO氣-固分離體系(固相為催化劑,氣相為烯烴)組分簡單，主要是C2=/C3=, C4/C5占10%催化劑顆粒、形狀、大小比較均勻,與氣相組分密度差較大較好，滿足工業(yè)要求 懸浮床催化加氫裂化固-液分離體系(固體為金屬硫化物,液相為石腦油、柴油等) 組分較為簡單,成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為4.3液化氣、22.8%石腦油、63.7%柴油催化劑顆粒、形狀、大小比較均勻,與氣相組分密度差較大較好，滿足工業(yè)要求 粉煤熱解 氣-液-固分離體系(固相為粉煤

15、灰、粉煤等顆粒,氣相為熱解油氣,液相為少許冷凝重質(zhì)焦油)組分復(fù)雜,含有CO、H2、CH4、CO2等,還含有焦油蒸汽、水蒸氣、H2S等成分，易冷凝粉塵粒度細(xì),密度小,容易漂浮且隨氣流流動,運(yùn)動軌跡不確定;顆粒形狀不規(guī)則,密度與熱解油氣接近不好，不能滿足工業(yè)要求 3.2  旋風(fēng)除塵器在高溫除塵領(lǐng)域的應(yīng)用情況       旋風(fēng)除塵器具有結(jié)構(gòu)簡單、沒有運(yùn)動部件、造價便宜、除塵效率較高、維護(hù)管理方便以及適用面寬的特點，但是其壓降一般較高，而且對于50m以下的塵粒的捕集效率低，故一般只能作為預(yù)除塵設(shè)備。旋風(fēng)除塵器應(yīng)用情況見表2

16、。       旋風(fēng)除塵器應(yīng)用在中低溫粉煤熱解含塵干餾氣高溫在線除塵，可以考慮在以下兩個方面進(jìn)行探索。一是針對中低溫?zé)峤庥蜌庵兄刭|(zhì)焦油組分多、黏度大等特點，可以考慮通過（催化）加氫熱解等手段，使熱解產(chǎn)物輕質(zhì)化；二是針對中低溫粉煤熱解氣中粉塵粒度細(xì)和密度小等特點，可以利用外場，使細(xì)微塵粒先預(yù)團(tuán)聚，然后再通過旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，從而提高除塵效率。3.3  顆粒層過濾器在高溫除塵領(lǐng)域的應(yīng)用情況       顆粒層過濾器由于濾料顆粒耐熱性能好，不易堵塞，非常適合腐蝕性氣體的

17、除塵過濾，是一種理想的高溫煤氣除塵裝置，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀列于表3和表4。顆粒層過濾除塵技術(shù)具有如下特點。    （1）除塵機(jī)理可靠。主要通過直接攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散效應(yīng)、重力沉降和靜電力等作用來除塵。    （2）適應(yīng)高溫、腐蝕性氣體氣氛下運(yùn)行。第一，濾料顆?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐高溫，耐腐蝕，耐磨損。對于熱解氣，濾料顆粒的物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎不發(fā)生任何改變。第二，顆粒層除塵器用于高溫除塵時，幾乎不受自己的性質(zhì)限制。與在常溫常壓下運(yùn)行相比，顆粒層過濾器在高溫高壓下運(yùn)行時，只在動力學(xué)上有細(xì)微變化，可以通過在過濾器結(jié)構(gòu)上進(jìn)行細(xì)微調(diào)整來適應(yīng)。

18、0;   （3）存在問題。對細(xì)微顆粒的捕集效率有待提高，對于系統(tǒng)磨損問題和運(yùn)行控制問題，可以考慮通過改善除塵器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計來解決。    （4）干餾氣高溫凈化包括高溫除塵、脫硫、除鹵素、除堿金屬等有害物質(zhì)。將具有脫硫活性的顆粒狀脫硫劑填充在顆粒床內(nèi)，當(dāng)干餾氣通過床層時，一方面脫硫劑顆粒與干餾氣反應(yīng)實現(xiàn)脫硫操作，另一方面脫硫劑顆粒作為濾料介質(zhì)捕集粉塵，實現(xiàn)除塵操作，進(jìn)一步拓展了顆粒床過濾器的應(yīng)用功能。 表3    國外顆粒層過濾器開發(fā)現(xiàn)狀研究單位應(yīng)用領(lǐng)域移動顆粒層操作條件效率壓降Pa日本采煤中心和川崎重工

19、40噸流化床煤氣化爐熱煙氣過濾顆粒直徑為15mm,過濾速度0.10.3 m/s,顆粒層移動速度0.0010.01 m/s熱煤氣壓力1.81.9 MPa,溫度430460，飛灰質(zhì)量濃度1 5 g/m3 99.81960美國Combustion power公司PFBC設(shè)備直徑為6mm的氧化鋁和莫來石運(yùn)行溫度870 99.1 荷蘭Deltf大學(xué)PFBC煙氣 再生系統(tǒng)效率43%95%試驗壓力01.0 MPa,溫度01000,處理氣量0600m3/h98  表4    國內(nèi)移動床顆粒層研究現(xiàn)狀研究單位規(guī)模應(yīng)用領(lǐng)域移

20、動床過濾器清華大學(xué)實驗室高溫煤氣交叉流形式，采用氣力輸送清灰技術(shù)江蘇理工大學(xué)實驗室 交叉流形式，將1個圓筒狀除塵器和普通擴(kuò)散型旋風(fēng)除塵器有機(jī)結(jié)合為一體,在顆粒床下部設(shè)置1個倒錐形固定的濾料清灰篩北京科技大學(xué)冷態(tài)機(jī)理試驗 折流式中科院山西煤炭化學(xué)研究所中試熱解氣除塵交叉流形式，在陜西府谷建有中試裝置，運(yùn)行效果不佳寧波大學(xué)工業(yè)試驗冶金窯爐小試和工業(yè)試驗結(jié)果：除塵效率99.99%，床層壓降小于1.6kPa 西安熱工院 高溫煤氣無篩移動逆流式,氣力循環(huán)清灰系統(tǒng)        總之，顆粒層過濾器除塵效率尚

21、能滿足熱解氣除塵要求，過濾器耐高溫、抗腐蝕，在研究上取得了較大進(jìn)展，有望實現(xiàn)干餾氣中多種污染物一體化脫除。3.4  金屬過濾材料在高溫除塵領(lǐng)域的應(yīng)用情況       金屬過濾材料除塵主要由兩部分組成。首先是粒徑比較大的粉塵，通過篩分、慣性和黏結(jié)效應(yīng)形成粉塵架橋和沉積，被表面過濾層網(wǎng)孔所捕集，并附著在過濾絲網(wǎng)的表面，形成除塵層。其后，該除塵層進(jìn)一步加強(qiáng)對粉塵的捕集作用，使粒徑較小的粉塵得到阻留，捕集效果為二者之和。金屬過濾器應(yīng)用現(xiàn)狀列于表5。 表5     金屬過濾器高溫除塵應(yīng)用現(xiàn)狀應(yīng)用領(lǐng)域研究單位開發(fā)現(xiàn)狀除塵效果及技術(shù)成熟度應(yīng)用現(xiàn)狀 高溫煤氣/合成氣除塵中科院山西煤炭化學(xué)研究所、鋼鐵研究總院(安泰科技)工業(yè)應(yīng)用效果良好工業(yè)應(yīng)用中取得顯著成效 西北有色金屬研究院(寶德公司)工業(yè)應(yīng)用技術(shù)成熟成功應(yīng)用于柳州化工、湖北雙環(huán)、云南云天化、河南龍宇、貴州天福、河南開祥和鶴壁煤電等中低溫?zé)峤鈿獬龎m中科院山西煤炭化學(xué)研究所實