堇青石陶瓷过滤器生物质燃气除尘实验研究

2011-02-06龚智苏德仁曾中华魏志国潘贤齐

陶瓷学报 2011年3期

龚智苏德仁曾中华魏志国潘贤齐

(1.中国科学院广州能源研究所，中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室，广东广州510640；2.中国科学院研究生院，北京100049)

0 引言

生物质气化生成含有H2，CO和CH4的可燃气体，有着比较广阔的应用空间，如用于供热、发电或者合成液体燃料，然而，粗燃气中含有粉尘、焦油以及碱金属等杂质，这些杂质容易造成气化设备、管道、阀门、燃气设备等部件的磨损和堵塞，影响系统的运行，排入大气还会产生污染[1,2]。粗燃气中粉尘的去除是解决生物质气化应用中的关键技术之一。

粗燃气的净化方法分为常温湿法净化和高温干法两种，在常温湿法净化系统中，除尘在较低温度下进行，会导致燃气显热的损失，而且废水处理工艺较复杂。与此相比，高温干法除尘是在高温条件下直接进行气固分离，可以最大程度地利用燃气的物理显热，而且无需复杂的废水处理系统和冷却系统。目前，高温干法除尘工艺主要有旋风分离除尘、袋式过滤除尘、静电捕捉除尘、气固颗粒层过滤除尘、金属网过滤除尘以及陶瓷过滤除尘[3]。其中，多孔陶瓷过滤器由于具有过滤精度高、耐酸碱性好、机械强度高、耐高温、易清理、可再生以及生产成本低等优点，被认为是最具有发展前景的气体除尘过滤技术之一[3-6]。国外对多孔陶瓷过滤器在气固分离方面的研究已有多年历史，如美国的Corning和Westinghouse公司、日本的NGK和Asahi公司、芬兰的Foster Wheeler公司和德国的Schumacher公司等均在陶瓷过滤除尘方面进行了较深入的研究[7-11]。而国内对陶瓷过滤器用于燃气过滤除尘的研究处于起步阶段，尤其是针对生物质燃气陶瓷过滤的研究。本文在一套流化床气化炉连接堇青石陶瓷过滤器的实验装置上进行实验，通过考察燃气流量、燃气温度及反吹对过滤效果的影响，初步研究了堇青石陶瓷过滤器在生物质燃气除尘中的特性。

1 实验

1.1 原料

表1 木屑的元素分析和工业分析Tab.1 Proximate and ultimate analyses of sawdust

图1 实验装置系统示意图Fig.1 Schematic of the test facility

图2 陶器过滤器示意图Fig.2 Schematic of the candle ceramic filter

实验中所选用生物质原料为广东省某木材加工厂木屑，使用前先经过日晒干燥，水分约为18%，其体积平均粒径约为0.36mm，其元素分析和工业分析如表1所示。

1.2 实验装置

1.2.1 气化系统

实验装置包括气化系统和陶瓷过滤系统，其示意图如图1所示。气化系统由流化床气化反应器以及空气压缩机、螺旋进料器，旋风分离器，冷却水箱、引风机等配套设备组成，气化反应器为带外加热源的鼓泡流化床，气化炉床层区直径为13cm，自由空间区直径为20cm，炉体总高度约为250cm，沿炉体自下而上安装多个测温点和测压点，其中床层区温度tb和自由空间温度tf为本文的主要参考温度。旋风分离器是粗燃气的预除尘系统，其正常运行时对粒径10μm以上粉尘的除尘效率约为95%，可以保证旋风分离器出口的粗燃气达到陶器过滤器对气体含尘量（＜10g/Nm3）的要求。气化系统可独立于陶器过滤系统运行，打开旁通阀门即可进行粗燃气的陶瓷过滤除尘实验。

1.2.2 陶瓷过滤系统

图3 监测装置流程示意图Fig.3 Schematic of the monitoring device

陶瓷过滤系统包括陶瓷过滤器及配套设备，如图1所示。陶瓷过滤器主体的结构示意图如图2所示，整个陶瓷过滤器由气体反吹喷口、文氏管、密封填料、陶瓷过滤管、带外加热源与保温层的外壳、进出气口和排灰口组成，并在进气口与出气口附近安装测压点pin和pout，在外壳自上而下安装3个温度测点t1～t3。堇青石陶瓷管是整个过滤器的核心部件，该陶瓷管由山东淄博某厂家提供，为堇青石材质试管式双层过滤元件，由平均孔径较大的支撑基体层和平均孔径较小的膜过滤层双层结构制成。基体保证过滤元件的强度和刚度，薄层滤膜保证过滤精度。陶瓷管的内外表面半径为别为40mm和60mm，长度为1000mm，孔径为20～200μm，孔隙率约为45%，过滤精度为1～30μm，最高工作温度为1000℃。实验时，粗燃气由下部通入，从陶瓷管的外表面径向通过陶瓷管内表面而实现过滤，净化气体从过滤管的中心向上流出，一部分粉尘通过各种捕集机制堆积在陶瓷管外表面上，逐渐形成滤饼，另一部分粉尘在重力的作用下沉积在过滤室内。当陶瓷管外表面的滤饼堆积到一定厚度后，开启压缩气体，由反吹口喷入，经过文氏管增压后进入陶瓷管内壁由径向流出对覆于陶瓷管表面的粉尘进行剥离清扫，使陶瓷管再生，以实现连续过滤。当过滤室灰尘堆积到一定程度需要将积灰排出。

1.2.3 压力测量系统

本实验需要一套压力监测装置对气化炉与陶瓷过滤器进行压力监测，该系统采用的是美国国家仪器（NI）有限公司生产的M系列数据采集卡、SCB-32型号的接线盒、绝压传感器、差压传感器和工业控制计算机等，绝压传感器用于流化床炉内压力的监测，差压传感器用于陶瓷过滤器进出气口压差的测量，压力及相关数据由计算机采集。该压力监测系统的示意图及软件监测界面分别如图3和4所示。

1.3 样品采集与测量方法

当气化炉温度稳定后，炉内各测点温度的波动在15℃范围内，开始采样气体，每组试验采样3次，以消除试验中带来的随机误差。气体产物使用日本岛津公司GC-20B型气相色谱进行分析。通过标准气校正法将气体中 H2、O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H2、C2H4和C2H6等成分进行定量分析。

图4 LabVIEW软件操作界面Fig.4 LabVIEW software interface

焦油采集测量采用重量分析法[10]，燃气由取样管经过加热的过滤器除去燃气中颗粒后，通过异丙醇吸收焦油，使用旋转蒸发器将收集到的焦油分离出来，然后在分析天平上称重，通过计算得到燃气中焦油的含量。

灰尘采集采取等动力采样的原则，将采样探头置于管道中心，开口与来流方向针对，气体中的粉尘样品通过可控温、内部充满玻璃纤维的高效除尘过滤器收集，采样气体的体积通过煤气表测量。

1.4 实验方法

进行粗燃气过滤实验前，先将气化炉调至稳定运行状态，并通过陶瓷过滤系统各外加热源将管道以及陶瓷反应器的温度控制为400℃以减少燃气中焦油对实验结果的影响，开启旁通道阀门14，同时关闭气化通道阀门9，由此可以开始进行粗燃气过滤实验。实验过程中，通过压力监测系统监测压力及相关数据，当过滤器进出口压差（即压降）达到临界值，通过压力为0.5MPa的压缩气体对陶瓷管进行反吹，待压降恢复至正常水平，重新开始实验，直至完成该气化工况的燃气过滤实验。调节气化系统操作条件，使气化炉稳定运行后，重新开始不同气化工况的燃气过滤实验。实验结束前，需将粗燃气切换为洁净空气，并对陶瓷管进行反吹，关闭过滤系统的外加热源，待温度降至室温后，将过滤室内的灰尘排出，以排除实验残余物对下次实验的干扰。

2 结果与讨论

2.1 燃气流量的影响

图5空气流量对陶瓷管压降的影响Fig.5 Effect of air flow rate on pressure drop across the ceramic tube

图6 陶瓷管压降随时间的变化趋势（Q=8.3Nm3/h）Fig.6 The variation of pressure drop across ceramic tube with time(Q=8.3Nm3/h)

图7 陶瓷管压降随时间的变化趋势（Q=14.8Nm3/h）Fig.7 The variation of pressure drop across ceramic tube with time(Q=14.8Nm3/h)

由于材料和加工工艺的不同，使各种陶瓷管的性能存在很大差别，在应用领域不同的情况下，为增加本实验所用的陶瓷管与其他陶瓷管的可比性，首先进行空气空白对照实验，结果如图5所示。可以看出，陶瓷管中的压降随空气流量即表面速度的增加而呈线性增加关系。这是由于空气在陶瓷管中是做层流运动，符合达西定律中的相关条件[12]，陶瓷管的压降上升速度以及初始压差与陶瓷管本身特性有关。

分别在粗燃气流量Q为8.3Nm3/h和14.8Nm3/h的条件下进行了过滤实验，陶瓷管压降的变化趋势分别如图6和7所示。

含有固体颗粒的燃气经过陶瓷管时，通过惯性碰撞、直接拦截、布朗扩散、筛分、重力沉降等机制实行过滤，随着过滤的进行，由于内部通道可能被颗粒所堵塞，导致陶瓷管压降增加。由图6和7可见，随着燃气流量的增加，陶瓷管压降更大，并且上升速度更快，因为随着燃气流量的增加，单位时间内黏附于陶瓷管壁的粉尘增多。图6中陶瓷管经过1800s的运行后，压降由初始值1000Pa左右上升至8000Pa左右，图7中陶瓷管经过不到900s的运行，压降由初始值3000Pa左右上升至10000Pa以上。陶瓷管在运行过程中，图6的压降分布比图7相对集中，这是因为粉尘的增多使粉尘层孔隙率不断变化，间接影响压降变化，因此图7中压降的分散度比图6大。

压降在各个时段的变化规律不尽相同，以图7为例，过滤前期压降实际值略小于拟合值且分布相对集中，因为此时陶瓷管表面灰尘较少，过滤的主体依旧是陶瓷管，压降变化规律是比较符合理论计算的。过去后期粉尘在陶瓷管表面堆积到一定程度形成滤饼，此时粉尘在到达陶瓷管表面之前先到达滤饼层，而滤饼层如同陶瓷过滤元件本身一样，也为多孔介质，其孔隙大小对燃气的过滤具有重要影响，实际上滤饼层比陶瓷管的孔隙率小且分布规律性较差，因此后期压降真实值大部分高于拟合值且分布较为分散。

在Q=14.8Nm3/h的实验中，对陶瓷过滤器进出口燃气含尘浓度进行了测量，分别为2.14g/Nm3和.51g/Nm3，由此可算得过滤器的除尘效率约为76.2%。与国内外相关研究比较[6-10]，本实验中陶瓷管的压降偏大且上升速度较快，除尘效率偏低，这可能与被过滤气体本身的特性有关，但目前对生物质粗燃气陶瓷过滤的报道较少，有待于深入研究。

2.2 反吹的影响

陶瓷管工作一段时间后，由于内部管道的堵塞以及外表面滤饼层增厚，导致过滤压降增大，流速降低，当压降达到临界值时，陶瓷管过滤开始失效，可通过气体反吹的方式再生，使其基本恢复初始状态的水平，定时反吹还能延长陶瓷过滤原件的使用寿命。

图8 陶瓷管实物照片Fig.8 Photos of the ceramic tubes

粗燃气流量为8.3Nm3/h和14.8Nm3/h的实验中，陶瓷管在达到临界压降后，使用0.5MPa的压缩气体进行反吹，时间为1分钟，压降分别降低至2000Pa和4000Pa以下，反吹对陶瓷管的再生效果明显，且重复性很好。

反吹并不能是陶瓷管完全再生，因为堆积在滤料上粉尘主要受两种力的作用而粘附在滤料上，一种为粉尘与滤料表面的附着力，另一种为粉尘之间的内聚力。一般情况下，附着力远大于内聚力，反吹时附着力很难破坏。

同时，反吹时气流的压力并非均匀作用于粉尘层的整个表面上，因此会出现粉尘层脱落不均匀，反吹气体的主体会从粉尘已经脱落之处通过，而其他地方的粉尘仍有堆积。

另外，不同滤料对应的最小反吹风速也不同，反吹风速不足也会降低滤料再生效果。如何均匀分布反吹风及选择反吹风速将在以后作进一步研究。

2.3 燃气温度的影响

为考察不同的燃气温度对陶瓷过滤效果的影响，本节实验在关闭外加热源的条件下进行，实验过程中，保持燃气流量为14.8Nm3/h，陶瓷过滤器内燃气温度降低至250℃以下，而在2.1节的实验中，燃气温度保持在300℃以上。图8给出了实验前、燃气温度较高和较低实验后的陶瓷管实物照片。

可见，使用于温度较高燃气的陶瓷管（图b）外表面上固体颗粒呈粒状结成滤饼，燃气中的部分粉尘粘附于陶瓷管过滤膜形成滤饼，此部分粉尘以及覆于滤饼表面的粉尘比较容易被高压气体清洗，图8（b）中为便于观察，已人为刮除部分粉尘，直观上表明陶瓷管表面的粉尘容易清除，另外，2.2节实验结果也可证明，反吹对陶瓷管的再生效果明显。使用于较低温度燃气的陶瓷管外表面几乎没有颗粒，但却有大量焦油黏附。出现这种现象的主要原因是较低温燃气中焦油在经过陶瓷管表面时由气体冷凝为粘稠状液体并直接与灰尘颗粒粘结堵塞陶瓷孔，较短时间内就形成粘结光滑层使陶瓷管捕集机制完全失活。此时，反吹对陶瓷管的再生效果较差，反吹后陶瓷管压降仍在6000Pa以上。可见，由于焦油的负面影响，在低温燃气的过滤实验中，陶瓷管难以正常工作。