粉煤热解含尘干馏气除尘技术研发及应用

粉煤热解含尘干馏气除尘技术研发及应用樊英杰郑化安张生军（陕西煤业化工技术研究院有限责任公司西安710065）煤炭热解技术主要包括块煤热解工艺和粉煤热解工艺。考虑到目前机械采煤块煤产量仅占煤炭开采量的20%，因而以粉煤为原料的热解工艺必将成为煤热解的主流工艺。采用固体热载体为热源，将粉煤热解的大连理工大学新法干馏工艺，虽然进行了过程放大，但没有得到大规模工业应用。其中，粉煤热解过程中热解粉焦和热解油气的高温在线分离是该工艺遇到的主要技术难题之一。粉煤在中、低温热解过程中产生的含尘干馏气体温度高、易相变。热解粉焦和热解油气高温在线分离效果不理想，最终导致煤焦油中的固含量偏高，油品质量较差，无法满足煤焦油进一步深加工的质量指标。粉煤热解过程中含尘干馏气的除尘技术及关键设备的开发研究，已经成为煤炭中低温热解领域亟待开发的课题之一。1含尘干馏气特点及其对高温除尘设备的基本要求粉煤中低温热解产生的含尘干馏气具有如下特点。（1）干馏气主要由热解油气和热解粉焦组成，粉尘粒度小，含量高。（2）干馏气的温度高，一般在300～600℃。（3）干馏气中的硫化氢、氨等腐蚀性气体含量高，甚至含有碱金属、重金属蒸汽等。（4）干馏气中含有易冷凝和黏结的大分子芳烃，容易导致过滤器堵塞。（5）气体成分复杂，气体介质在分离设备中存在后续反应，一易析炭，发生结焦现象。（6）热解油气对温度变化非常敏感，易相变，由气、固两相变为气、液、固三相，且较难分离。（7）开车工况和正常运行工况含尘气体组成有差别。因此，粉煤热解过程中含尘干馏气高温气固在线分离对除尘设备的要求较苛刻，主要应满足以下条件。（1）耐高温（500～600℃）。（2）具有良好的保温效果和抗腐蚀性。如果保温效果不好或者温度发生变化，热解气中可冷凝气体会生成带粉尘的焦油，黏附在除尘设备上，在高温条件下加速设备老化甚至使其失去作用。（3）在除尘器中的停留时间要短，在最短的时间内除去热解气中夹带的粉尘，避免热解气在除尘设备中发生二次裂解等副反应，影响焦油品质。（4）高温条件下，滤材或设备寿命要长，易再生，过滤效率高。2含尘干馏气高温在线除尘技术研究现状目前，针对粉煤热解工艺中含尘干馏气高温在线除尘问题，许多科研单位尝试了不同的分离除尘方法，以期开发出较为可行的粉煤热解含尘干馏气高温在线除尘方法。国内在热解粉焦和热解油气高温在线分离方面做过相关研究的单位主要有中科院山西煤炭化学研究所、中国矿业大学、哈尔滨瑞格能源环境技术发展有限责任公司、冀州中科能源有限公司、中科院过程工程研究所等单位。中科院山西煤炭化学研究所梁鹏等为了优化炉前煤低温干馏工艺中的挥发分除尘方案，在金属滤网应用于低温煤干馏气除尘方面做了有益的探索。采用400目的金属丝网作为过滤介质。多次实验表明，滤网过滤效率＞99.9%。由于原料煤中＜0.125μm的细颗粒煤占总质量的10％以上，在热解挥发分析出的过程中，大量粉尘被热解气带出，在滤网表面很快形成一层滤饼，随着操作的进行，过滤效率提高。此外，在使用400目金属滤网对间歇式粉煤固体热载体热解装置挥发分除尘研究的基础上，将颗粒床过滤器用于该过程的除尘研究，复合除尘过滤器如图1所示。热态除尘实验表明，颗粒床的使用，有效地降低了滤网的过滤负荷。颗粒床与金属滤网结合可作为粉煤炉前低温干馏工艺中可供选择的挥发分除尘方案。图1复合颗粒层过滤器示意图图2府谷中试装置流程示意图1－循环流化床锅炉；2－旋风分离器；3－组合密封器；4－混合器；5－热解反应器；6－进煤料斗；7－过滤器；8－间冷器；9－气液分离器；10－焦油储罐；11－风机；12－半焦料斗；13－换热器；14－电除尘；15－烟囱。中科院山西煤炭化学研究所就粉煤热解含尘干馏气除尘问题，还开展了相关中试试验研究。其联合陕西府谷县恒源煤焦电化有限公司，在府谷地区建立了1套75t/h燃烧-热解的中试装置，工艺流程如图2所示。高温气与焦的分离采用移动颗粒床过滤器，介质用的是块状半焦，固体从上面进，往下流，在底部排出。气体从中间穿过排出的半焦和灰后进焦/灰斗，过滤后直接放入锅炉燃烧，排灰温度在500℃以上，以防煤焦油凝结。经过过滤后，焦油中含尘的质量分数小于5%（工业要求）。中试结果能满足工业要求，但无连续稳定运行记录。中国矿业大学初茉等在实验室采用颗粒床过滤器就含尘干馏气除尘进行了冷态试验。采用筛分后的高温半焦进入颗粒床除尘器作为过滤介质，除尘器可以是固定床，也可以是移动床。含尘气体通过床层，被过滤为清洁气体。该方法在神华集团6000t/a煤热解中试试验中有过尝试，但除尘过程易堵，运行效果不佳。哈尔滨瑞格能源环境技术发展有限责任公司为解决热解气除尘问题，设计了一款新型除尘反应器，主要特点是将颗粒层过滤器和布气系统结合在一起，见图3。该过滤器在模拟工况下，取得了良好的效果。其模拟条件为：操作温度400～450℃，操作压力50～70kPa（g），过滤气速0.3m/s，含尘干馏气从下而上通过。干馏粗煤气组成（体积分数）为：氢气15%～20%，一氧化碳6%～10%，甲烷33%～35%，氮气2%～5%，水8%～12%，焦油组分15%～20%，小分子气态烃2%～4%，其他气体2%～5％。粗煤气中粉尘的质量浓度为0.8～1.1g/m3。石英砂颗粒作滤料，粒径1～2mm。在72h的工艺试验过程中，净化后干馏煤气的粉尘质量浓度低于20mg/m3，除尘效率大于98%，粒度分析表明，粒径10μm以上颗粒可全部脱除。图3瑞格能源新型除尘器结构示意图1－固体颗粒滤料入口；2－煤气出口；3－壳体；4－烟气进口；5－固体颗粒出口；6－煤气进口；7－烟气出口；8－气体分布器；9－主气管；10－支气管；11－出气短管。冀州中科能源有限公司和中科院过程工程研究所合作开发了一种新型过滤器，利用固体颗粒物料作为过滤介质，净化高温含尘气体或者去除热解气中的粉尘、重质焦油等杂质成分。具有结构简单、床层压降小等优点，其结构见图4。采用粗煤颗粒作滤料，300℃热解气除尘，除尘效率可达99%。采用石英砂颗粒作滤料，800℃高温烟气除尘，除尘效率96%。采用压制成型的灰球作滤料，500℃含尘气体除尘，除尘效率96%。图4冀州中科能源有限公司过滤器示意图1－料层高度调节杆；2－内筒；3－进料口；4－过滤器壳体；5－塔型挡板组；6－进气口；7－通气管道；8－出气口；9－出料口。综上所述，国内在热解气除尘领域的研究尚不成熟，多数处于小试阶段，中试试验尚无成功案例。含尘干馏气高温气固在线分离问题是粉煤热解工艺工业化进程中必须面对的技术难题，应该引起相关企事业单位的足够重视。3现有除尘技术应用在含尘干馏气高温在线除尘领域的可能性分析3.1现有高温气体除尘技术简况现有高温气体除尘技术简况见表1。表1现有高温气体除尘技术简况高温除尘工艺除尘效率，％压降发展现状主要问题旋风除尘＜95高技术成熟过滤效率低静电除尘≥98低技术成熟高温下稳定电晕难以维持，粉尘比电阻大刚性陶瓷过滤≥99.5中中试阶段抗机械、温度冲击性能有待提高，表面易熔结和反应金属滤网≥99.9中技术成熟承受温度较低，易发生高温腐蚀和氧化颗粒层过滤≥99中中试阶段细微尘粒的分级除尘效率不高，控制复杂液态金属过滤－高初步研究能耗高，介质昂贵，且再生困难气流斜激波－高概念提出能耗高，研究少，存在很多不确定因素表2旋风除尘器应用情况应用领域分离对象气相组分特点固相组分特点分离效果FCC催气-固分离体系(固组分较为简单,主要催化剂颗粒、形状、较好化裂化相为催化剂,气相为油气)是干气、液化气、汽油、柴油、油浆大小比较均匀(60μm),与气相组分密度差较大MTO气-固分离体系(固相为催化剂,气相为烯烃)组分简单，主要是C2=/C3=,C4/C5占10%催化剂颗粒、形状、大小比较均匀,与气相组分密度差较大较好，满足工业要求悬浮床催化加氢裂化固-液分离体系(固体为金属硫化物,液相为石脑油、柴油等)组分较为简单,成分(质量分数)为4.3％液化气、22.8%石脑油、63.7%柴油催化剂颗粒、形状、大小比较均匀,与气相组分密度差较大较好，满足工业要求粉煤热解气-液-固分离体系(固相为粉煤灰、粉煤等颗粒,气相为热解油气,液相为少许冷凝重质焦油)组分复杂,含有CO、H2、CH4、CO2等,还含有焦油蒸汽、水蒸气、H2S等成分，易冷凝粉尘粒度细,密度小,容易漂浮且随气流流动,运动轨迹不确定;颗粒形状不规则,密度与热解油气接近不好，不能满足工业要求3.2旋风除尘器在高温除尘领域的应用情况旋风除尘器具有结构简单、没有运动部件、造价便宜、除尘效率较高、维护管理方便以及适用面宽的特点，但是其压降一般较高，而且对于50μm以下的尘粒的捕集效率低，故一般只能作为预除尘设备。旋风除尘器应用情况见表2。旋风除尘器应用在中低温粉煤热解含尘干馏气高温在线除尘，可以考虑在以下两个方面进行探索。一是针对中低温热解油气中重质焦油组分多、黏度大等特点，可以考虑通过（催化）加氢热解等手段，使热解产物轻质化；二是针对中低温粉煤热解气中粉尘粒度细和密度小等特点，可以利用外场，使细微尘粒先预团聚，然后再通过旋风分离器进行分离，从而提高除尘效率。3.3颗粒层过滤器在高温除尘领域的应用情况颗粒层过滤器由于滤料颗粒耐热性能好，不易堵塞，非常适合腐蚀性气体的除尘过滤，是一种理想的高温煤气除尘装置，国内外研究现状列于表3和表4。颗粒层过滤除尘技术具有如下特点。（1）除尘机理可靠。主要通过直接拦截、惯性碰撞、扩散效应、重力沉降和静电力等作用来除尘。（2）适应高温、腐蚀性气体气氛下运行。第一，滤料颗粒化学性质稳定，耐高温，耐腐蚀，耐磨损。对于热解气，滤料颗粒的物理和化学性质几乎不发生任何改变。第二，颗粒层除尘器用于高温除尘时，几乎不受自己的性质限制。与在常温常压下运行相比，颗粒层过滤器在高温高压下运行时，只在动力学上有细微变化，可以通过在过滤器结构上进行细微调整来适应。（3）存在问题。对细微颗粒的捕集效率有待提高，对于系统磨损问题和运行控制问题，可以考虑通过改善除尘器结构和优化设计来解决。（4）干馏气高温净化包括高温除尘、脱硫、除卤素、除碱金属等有害物质。将具有脱硫活性的颗粒状脱硫剂填充在颗粒床内，当干馏气通过床层时，一方面脱硫剂颗粒与干馏气反应实现脱硫操作，另一方面脱硫剂颗粒作为滤料介质捕集粉尘，实现除尘操作，进一步拓展了颗粒床过滤器的应用功能。表3国外颗粒层过滤器开发现状研究单位应用领域移动颗粒层操作条件效率％压降Pa日本采煤中心和川崎重工40吨流化床煤气化炉热烟气过滤颗粒直径为1～5mm,过滤速度0.1～0.3m/s,颗粒层热煤气压力1.8～1.9MPa,温度430～460℃，飞灰质量浓度99.81960移动速度0.001～0.01m/s1～5g/m3美国Combustionpower公司PFBC设备直径为6mm的氧化铝和莫来石运行温度870℃99.1荷兰Deltf大学PFBC烟气再生系统效率43%～95%试验压力0～1.0MPa,温度0～1000℃,处理气量0～600m3/h98表4国内移动床颗粒层研究现状研究单位规模应用领域移动床过滤器清华大学实验室高温煤气交叉流形式，采用气力输送清灰技术江苏理工大学实验室交叉流形式，将1个圆筒状除尘器和普通扩散型旋风除尘器有机结合为一体,在颗粒床下部设置1个倒锥形固定的滤料清灰筛北京科技大学冷态机理试验折流式中科院山西煤炭化学研究所中试热解气除尘交叉流形式，在陕西府谷建有中试装置，运行效果不佳宁波大学工业试验冶金窑炉小试和工业试验结果：除尘效率99.99%，床层压降小于1.6kPa西安热工院高温煤气无筛移动逆流式,气力循环清灰系统总之，颗粒层过滤器除尘效率尚能满足热解气除尘要求，过滤器耐高温、抗腐蚀，在研究上取得了较大进展，有望实现干馏气中多种污染物一体化脱除。3.4金属过滤材料在高温除尘领域的应用情况金属过滤材料除尘主要由两部分组成。首先是粒径比较大的粉尘，通过筛分、惯性和黏结效应形成粉尘架桥和沉积，被表面过滤层网孔所捕集，并附着在过滤丝网的表面，形成除尘层。其后，该除尘层进一步加强对粉