粉煤热解含尘干馏气除尘技术研究现状

王苗 王毅（西安交通大学城市学院，陕西 西安710018）

煤热解是在常压下进行热加工，可以产生焦油、煤气和半焦，热解产生的煤气热值较高，可供民用或工业使用，焦油和半焦可以作为工业原料或燃料。近年来，煤低温热解制半焦技术有了较迅速的发展，如何提高副产品焦油的产率，成为煤热解工艺的重点。随着采煤机械化的大范围使用，块煤产率由52%～60%降低至20%～38%，据估计全世界2300 个煤矿中每年约产生粉煤0.5Gt，造成粉煤的大量累积。为减少环境污染，合理利用粉煤，研究粉煤低温热解制半焦技术，是粉煤利用的有效途径之一。

国内外学者开发出多种热解工艺流程，最具代表性的是Garrett 热解工艺、LR 热解工艺和DG 热解工艺。以上三种煤热解工艺，半焦颗粒均容易被热解后的挥发分带出，使热解产物焦油中含有大量的粉状半焦，当焦油冷却到常温时，液态焦油中会含有大量的粉尘，造成焦油的流动性较差，焦油和粉尘黏附于旋风分离器内壁，同时部分未被分离的细粉尘附着在焦油冷却管路的内壁造成堵塞，导致系统难以长期运行，并且收集的焦油由于粉尘含量较大而无法使用。因此研究粉煤低温热解的同时，如何降低焦油中的粉尘含量显得尤为重要。

1 煤热解工艺中除尘技术的特点

粉煤热解产生的含尘干馏气特点：（1）粉尘粒径和密度较小，在管道及设备中的运动轨迹不确定，容易随气流流动；（2）颗粒形状不规则，密度与热解气接近；（3）干馏气中含有大分子芳香类物质，黏结性较强，容易与热解气中冷凝后的焦油一同附着在容器或管道壁面，造成设备堵塞[1]。

因此，粉煤热解干馏气分离对除尘设备的要求较高，主要有：（1）耐高温，具有良好的抗腐蚀性。保证除尘设备能够在450℃以上的高温环境中持续稳定运行。（2）含尘气体在除尘设备中的停留时间较短，为保证较高的焦油产率，防止焦油发生二次裂解，应使含尘干馏气迅速通过除尘设备。（3）高温条件下，设备的使用寿命较长，滤料容易再生，具有较高的除尘效率。

2 粉煤热解干馏气除尘技术现状

目前能用于高温状态下气固分离技术主要有高温旋风除尘、高温静电除尘、金属烧结网过滤除尘、高温陶瓷过滤除尘、颗粒层过滤除尘。各种除尘技术有其自身的特点及适用范围，现针对粉煤干馏过程的除尘需求进行分析。

2.1 高温旋风除尘

旋风除尘器在除尘领域应用比较广泛，旋风除尘器的机理性研究及结构化设计已经趋于成熟。在高温除尘领域，一般是将旋风除尘器串联或并联，以组合的形式运行。其工作原理是含尘气体进入除尘器内部进行高速旋转运动，产生较大的离心力，由于粉尘颗粒的质量较大，因此其惯性比气体大得多，颗粒在离心力的作用下甩向筒壁而失去动能，并沿壁面滑下，进而实现与气体的分离。

优点：结构简单、造价较低、维修方便且运行简单；对于10～20µm 的粉尘，除尘效率可以达到95%～98%；耐高温，可以在1000℃下运行，适用于含尘浓度高和强腐蚀性环境，在工业中有广泛应用。

缺点：对于小于10µm 的粉尘，除尘效率只能达到60%～80%，分离效率较低，且除尘效率随含尘气体流量的变化而变化，因此只能作为高温除尘的预处理。

2.2 高温静电除尘

高温静电除尘是利用高温含尘气体本身的热量，使复合材料发射头发射出热电子，形成静电场，当气体中的粉尘接触到该电子时，会使粉尘本身带电，粉尘在电场的作用下被补集。对于平均粒径为5µm的粉尘，除尘效率达到99.6%。

高温静电除尘器具有压降低，无阻塞的优点，但高温下电晕现象难以维持，易发生电极腐蚀现象且电能消耗比较大。静电除尘器成本较且占地面积较大，不易大规模使用。

2.3 高温金属丝网除尘

金属丝网过滤器元件易于加工，具有耐机械冲击和除尘效率高的优点，但其主要由特殊的金属纤维组成，在高温下运行的时间较短，耐腐蚀性较差，且金属纤维物的价格较高，因此不宜在煤热解含尘干馏尾气除尘工艺中使用。

2.4 高温陶瓷过滤除尘

高温陶瓷过滤器是使含尘气体从过滤元件的外表面，穿过多孔结构的陶瓷管壁，实现气体中粉尘的分离。对于粒径大于5µm的粉尘，除尘效率达到99.9%。运行一段时间后，过滤管由于受到气流的冲击及热应力，会出现断裂、破损现象，此时过滤元件失效。因此刚性陶瓷过滤器目前仅限于实验研究阶段，耐久性和抗冲击性实验仍需要进一步完成，离商业化还较远。

2.5 颗粒层过滤除尘

颗粒层过滤器具有良好的耐高温和耐高压性能，过滤介质不存在腐蚀问题，对气体和灰尘性质不敏感，过滤效率较高[2]，发展前景较好。颗粒层过滤器按床层形式，可分为移动床和固定床。移动床既可连续运行，又能保证较高的过滤效率，但在滤料介质循环时易发生管路堵塞且清灰效率不高；固定床不仅除尘效率高，而且当过滤介质采用产物时，不存在过滤介质再生问题。我国国家电力公司国电热工研究院，研究开发了无筛移动逆流式颗粒层过滤器，对其进行了高温、常压除尘实验，并开发了滤料再生系统，研究了粉尘带电之后在颗粒层中的运动情况，提出了采用使粉尘带电方法来提高粉尘在颗粒床中的除尘效率，理论上证明在一定条件下该方法是可行的，但还没有在工业生产中得到应用。

尽管目前已经开发出了多种高温气固分离技术，但其广泛的工业化应用仍需要更多的基础研究成果支撑。目前需要解决的主要问题是提升高温下设备的寿命、提高细微粉尘的分离效率、优化过滤填料的再生技术。化工领域高温气体介质与粉尘的多样性导致气固两相物化性质呈现多样性，进而使得开发通用的高温分离技术几乎不可能。将各种分离技术进行优化组合以满足特定工艺的分离需求是一种可行的方案。在组合过程中综合考虑阻力特性及分离效率，利用各分离技术实现粉尘的分级分离将会进一步提升系统的分离效率。

2.6 电袋复合除尘技术

该除尘技术是将高温静电除尘技术和袋式除尘技术有机结合的一种除尘技术。粉尘通过电场时大部分被除去，极细颗粒凝聚为大粒径颗粒[3]，并在袋式除尘器中被除去。

电袋除尘技术包括一体式电袋除尘技术和分体式电袋除尘技术[4]。一体式电袋除尘技术占地面积较小，但不能在满负荷下进行在线检修。共同优点：适用性较广，不受煤种及飞灰成分的限制，粉尘出口浓度较低。共同缺点：总压降损失较大，对气体成分及温度较敏感，设备费用及年均运行费用较高。

2.7 旋风-颗粒床除尘技术

利用旋风分离技术将含尘干馏气进行初步分离，然后将气体继续通入颗粒床过滤器实现细粉尘（粒径＜1mm）的分离。既可以解决旋风除尘技术除尘效率低的问题，又可以解决颗粒层除尘装置由于粉尘含量大，负荷重，运行时间短的问题。旋风—颗粒床两级除尘技术，可以提高热解产物焦油的品质，降低尾气中粉尘的浓度。

3 结语

鉴于粉煤热解工艺中粉尘含量大、热解气成分复杂、气体温度高等特点，对干馏气分离的除尘设备提出要求。比较了现阶段各高温除尘设备的特点，并提出可以采用多种除尘设备组合的方式进行除尘，该技术也是粉煤热解干馏气除尘的重要研究方向。