雙層濾料顆粒床高溫除塵技術(shù)及其在冶金爐窯中的應(yīng)用
摘要:雙層濾料顆粒床高溫除塵技術(shù)采用粗細(xì)兩層濾料,集粗精兩級(jí)過(guò)濾于一體,解決了顆粒床過(guò)濾效率低的問(wèn)題。小試和工業(yè)試驗(yàn)表明:除塵效率> 99199 % ,床層壓降< 1600Pa ,耐高溫,運(yùn)行可靠,投資、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低,是目前最可靠實(shí)用的高溫除塵技術(shù),可廣泛應(yīng)用于能源、冶金、化工、材料、焚燒等爐窯的煙氣除塵,有顯著的節(jié)能減排、節(jié)水節(jié)資效益,應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞:高溫除塵,過(guò)濾,顆粒床
0 引言
冶金、化工、建材、能源等領(lǐng)域的爐窯余熱利用潛力很大。但在工業(yè)爐窯余熱利用中遇到了一個(gè)共性問(wèn)題———高溫除塵問(wèn)題。特別是冶煉爐窯排氣溫度波動(dòng)很大, 如高爐煤氣有時(shí)低于50 ℃, 有時(shí)高于 600 ℃,這類情況若采用濕法除塵,余熱不能利用,且耗水大,污水處理復(fù)雜;若采用干法布袋除塵,因其耐溫低,需要復(fù)雜的溫控調(diào)節(jié)設(shè)備(換熱設(shè)備、噴水設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)等) ,余熱利用率低,流程長(zhǎng),設(shè)備多。因此,冶煉爐窯煙氣凈化非常需要耐高溫的除塵設(shè)備。冶煉爐窯應(yīng)用高溫除塵設(shè)備不僅可提高余熱利用率,還可省去復(fù)雜的溫控調(diào)節(jié)設(shè)備,簡(jiǎn)化系統(tǒng),降低投資、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用,有顯著的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)資和減排效果。
近十多年來(lái),高溫除塵技術(shù)因整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( IGCC) 、煤氣化多聯(lián)產(chǎn)等先進(jìn)能源系統(tǒng)的共同需要,被世界公認(rèn)為是先進(jìn)能源系統(tǒng)的共性核心技術(shù), 得到了空前的科技推動(dòng)和發(fā)展。特別是近年因各行業(yè)對(duì)節(jié)能減排工作的空前重視,高溫除塵技術(shù)更被認(rèn)為是能源、冶金、化工、材料、焚燒等整個(gè)工業(yè)爐窯余熱利用領(lǐng)域中的共性核心技術(shù)。
剛性陶瓷管過(guò)濾和顆粒層過(guò)濾被認(rèn)為是最有前途的兩種高溫除塵技術(shù)。國(guó)際上研究最多的是剛性陶瓷管過(guò)濾,從材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、失效保護(hù)(fail safety) 等方面都有很大進(jìn)展,已有一些在先進(jìn)能源系統(tǒng)中的應(yīng)用示范,但還存在一些問(wèn)題需要解決,如管間根部積塵搭橋(bridging) 導(dǎo)致管裂;灰殼包管,清灰失效等問(wèn)題,另外,陶瓷管過(guò)濾系統(tǒng)價(jià)格昂貴,用于工業(yè)爐窯余熱利用,用戶難接受。
顆粒層過(guò)濾是利用耐高溫的固體顆粒(石英砂等) 形成過(guò)濾層來(lái)過(guò)濾粉塵。顆粒層過(guò)濾器的突出優(yōu)點(diǎn)是耐高溫、耐腐蝕、對(duì)煙氣成分不敏感,投資和維護(hù)費(fèi)用低。在國(guó)際上曾有多種類型的顆粒層過(guò)濾設(shè)備在工業(yè)窯爐中應(yīng)用,如旋風(fēng)- 耙式顆粒層過(guò)濾器、沸騰式顆粒層過(guò)濾器在水泥窯、鍋爐、燒結(jié)機(jī)、沖天爐上的應(yīng)用等。近十多年來(lái),美國(guó)、印度、中國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣等研究較多的是顆粒層移動(dòng)床過(guò)濾技術(shù)。
現(xiàn)有顆粒層過(guò)濾技術(shù)的不足是過(guò)濾效率低于剛性陶瓷管過(guò)濾,主要原因是所采用的濾料粒徑都是大于1 mm ,濾料粒徑不能進(jìn)一步減小,過(guò)濾效率也就無(wú)法進(jìn)一步提高。對(duì)于固定床,濾料粒徑減小,過(guò)濾效率會(huì)提高,但壓降增大,且清灰周期短,實(shí)用性差。而對(duì)于移動(dòng)床,濾料粒徑減小,料層移動(dòng)速度加快,將造成捕集的粉塵二次揚(yáng)起,反而降低過(guò)濾效率。因此, 顆粒層過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展方向是提高過(guò)濾效率。
本文介紹一種顆粒層過(guò)濾新技術(shù),該技術(shù)很好地解決了顆粒層過(guò)濾效率低的問(wèn)題,過(guò)濾效率達(dá)到甚至高于布袋和陶瓷管的過(guò)濾效率,且比布袋耐高溫,比陶瓷管更經(jīng)濟(jì)可靠,因而在工業(yè)爐窯煙氣凈化和余熱利用中更具實(shí)用性和競(jìng)爭(zhēng)力。
1 原理
現(xiàn)有顆粒層過(guò)濾器都是單一濾料層過(guò)濾,不是細(xì)就是粗,高過(guò)濾效率與低壓降不能兼得,在已有的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用中,都是采用粒徑> 1 mm的粗濾料,有的甚至超過(guò)10 mm ,使顆粒層過(guò)濾只能是低效率過(guò)濾。
雙層濾料顆粒床高溫除塵技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)不同的是:采用粗細(xì)兩種濾料,粗濾料層在上,細(xì)濾料層在下。過(guò)濾時(shí),含塵氣體自上而下先經(jīng)過(guò)上層粗濾料過(guò)濾,截留氣體中的絕大部分粉塵,再經(jīng)過(guò)下層細(xì)濾料過(guò)濾,截獲漏過(guò)上層濾料層的微細(xì)粒子。粗細(xì)濾料結(jié)合,集粗精兩級(jí)過(guò)濾于一體,粗精兩級(jí)梯級(jí)過(guò)濾,可同時(shí)獲得極高過(guò)濾效率和低壓降。
兩種濾料粒徑比和密度比匹配得當(dāng),反吹清灰時(shí),反吹氣自下而上通過(guò)濾層,兩層濾料共同流化而不相混,上層濾料始終浮于下層濾料之上,雙層結(jié)構(gòu)不變,使雙層濾料床能夠周而復(fù)始持續(xù)高效地工作。
2 小試
雙層濾料顆粒床高溫除塵小試裝置由羅茨風(fēng)機(jī)、過(guò)濾器、液化氣燃燒器、給粉裝置、管路和流量、壓力、溫度、粉塵濃度等測(cè)試儀器組成,如圖1 所示。過(guò)濾器、燃燒器、管路等由耐高溫的0Cr18Ni9Ti 不銹鋼材料制成。為了方便觀察雙層濾料層的過(guò)濾過(guò)程和反吹流化清灰行為,過(guò)濾器設(shè)計(jì)成了一段可更換的結(jié)構(gòu),常溫試驗(yàn)時(shí),更換為有機(jī)玻璃顆粒床,高溫試驗(yàn)時(shí)更換為0Cr18Ni9Ti 不銹鋼顆粒床。
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以海砂( 粒徑分別為0.5 ～ 0.8 mm、0.8 ～ 1.0 mm、1.5 ～ 2.0 mm) 或鑄造砂( 粒徑為0.8 ～ 1.0 mm) 為下層濾料,以膨脹珍珠巖(粒徑分別為2～ 3 mm、3～5 mm) 為上層濾料,先后進(jìn)行了濾料流化試驗(yàn),單層濾料床和不同厚度和粒徑組合的雙層濾料床過(guò)濾試驗(yàn),不同過(guò)濾氣速、氣溫等對(duì)過(guò)濾效率的影響試驗(yàn),流化清灰試驗(yàn)等。
流化試驗(yàn)表明,0.5～0.8 mm海砂或0.8～1.0 mm 海砂或0.5～0.8 mm鑄造砂與2～3 mm膨脹珍珠巖組成的雙層濾料床,在反吹流化時(shí),均存在一個(gè)上下濾料層共同流化而不相混的氣速范圍,即膨脹珍珠巖顆粒始終浮于砂層之上,雙層結(jié)構(gòu)始終不變,證明了把密度相差約20 倍的砂和膨脹珍珠巖選配為上下層濾料是成功的,雙層濾料層過(guò)濾的新思路是可行的。
常溫過(guò)濾試驗(yàn)表明,以經(jīng)球磨機(jī)細(xì)磨后的電廠粉煤灰(90 %的顆粒小于2.26μm) 為粉塵樣時(shí),厚度為 45 mm、粒徑為0.5～0.8 mm的單層海砂在0.25 mPs過(guò)濾氣速下的平均過(guò)濾效率為99.48 % ,而在此砂層上加一層厚為200 mm粒徑為2～3 mm的膨脹珍珠巖層, 在其他條件不變的情況下過(guò)濾效率提高到99.991 % , 出口粉塵濃度小于1 mgPm3 , 且在相同床層總壓降 (1 600 Pa) 下,床層積灰量增大為單層砂層的10 倍, 充分證明了雙層濾料床梯級(jí)過(guò)濾的顯著作用,即膨脹珍珠巖層捕獲了絕大多數(shù)(大于90 %) 粉塵, 起到了顯著提高床層容塵量、保護(hù)砂層的作用,而砂層起到了獲得極高過(guò)濾效率的作用,兩者的共同作用,使雙層濾料床獲得了高效率和低壓降(或大容塵量) 。高溫過(guò)濾試驗(yàn)表明,以0.5～0.8 mm鑄造砂與 2～3 mm膨脹珍珠巖為上下層濾料,在常溫、150 ,250 , 350 ,450 ℃溫度條件下,過(guò)濾效率均大于99199 % ,且隨著溫度提高,過(guò)濾效率也略有提高,這主要是由于溫度升高,氣體擴(kuò)散系數(shù)增大,從而強(qiáng)化了微細(xì)顆粒過(guò)濾中的擴(kuò)散機(jī)理,提高了微細(xì)顆粒的過(guò)濾效率。
3 工業(yè)試驗(yàn)及工業(yè)應(yīng)用
工業(yè)試驗(yàn)是在江陰市海虹有色金屬材料有限公司的2 ×13 t鋁合金熔化爐的煙氣消煙除塵上進(jìn)行。這兩臺(tái)鋁合金熔化爐都是燃用重油,黑煙大又帶有黏性,且在熔煉過(guò)程不同階段,煙氣溫度、煙氣流量變化很大,所以這類熔化爐以往通常采用濕法除塵(眾所周知該方法能耗大、占地面積廣且無(wú)法利用排煙廢熱) ,不采用布袋除塵器等干法除塵(因?yàn)椴捎貌即龎m器不僅需要復(fù)雜的冷卻與溫控設(shè)施,更是因?yàn)轲ば晕⒘?huì)對(duì)布袋糊死而使其失效) 。所以,業(yè)主在了解本項(xiàng)技術(shù)原理及小試成果的基礎(chǔ)上,毅然選用了雙層濾料顆粒床高溫除塵技術(shù),為該技術(shù)提供了難得的工程示范機(jī)會(huì)。根據(jù)2 臺(tái)13 t鋁合金熔化爐的煙氣量, 雙層濾料顆粒床高溫除塵器的設(shè)計(jì)處理量為 48 000 m3Ph , 除塵器分8 個(gè)過(guò)濾單元,單列8 層布置, 每個(gè)過(guò)濾單元的過(guò)濾床面積為5 000 ×1 500 ,如圖2、圖3 所示。
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該試驗(yàn)系統(tǒng)2008 年1 月建成運(yùn)行,測(cè)試表明,除塵器的進(jìn)口溫度高時(shí)可達(dá)450 ℃, 出口粉塵小于 10 mgPm3 ,除塵消煙效果好于預(yù)期目標(biāo),運(yùn)行穩(wěn)定可靠,項(xiàng)目獲得圓滿完成。
上述試驗(yàn)項(xiàng)目獲得成功后,一套設(shè)計(jì)處理量為 120 000 m3Ph的雙層濾料顆粒床高溫除塵系統(tǒng)擬用于江陰市海虹有色金屬材料有限公司6 ×15 t鋁合金熔化爐的消煙除塵上, 目前該系統(tǒng)正處于安裝調(diào)試階段。
4 結(jié)論
從小試和工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果看,雙層濾料顆粒床高溫除塵技術(shù)具有以下特點(diǎn):
1) 效率高。除塵效率達(dá)到99.99 % , 排放濃渡小于20 mgPm3 。
2) 耐高溫。內(nèi)殼體采用鍋爐鋼時(shí)可耐500 ℃;采用耐熱鋼時(shí),可耐800 ℃。
3) 可靠性高。沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件,沒(méi)有如陶瓷管那樣的易脆易斷易阻塞的元件,因而經(jīng)久耐用,維護(hù)簡(jiǎn)單。
4) 投資、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低。沒(méi)有如陶瓷管那樣的昂貴元件,也沒(méi)有如移動(dòng)床那樣的大量濾料循環(huán), 因而投資、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于陶瓷管過(guò)濾器,也低于移動(dòng)床過(guò)濾器。
5) 壓降低。床層壓降小于1 600 Pa ,僅為陶瓷管過(guò)濾器的1P10 ,也僅為文丘里濕法除塵系統(tǒng)的1P10。 6) 對(duì)治理含有黏性粒子的冶煉煙氣的適應(yīng)性強(qiáng)。
因此,雙層濾料顆粒床高溫除塵技術(shù)是迄今最可靠實(shí)用的高溫除塵技術(shù),且可廣泛應(yīng)用于能源、冶金、化工材料、焚燒等爐窯的煙氣除塵。如冶金工業(yè)的高爐、轉(zhuǎn)爐、電弧爐、燒結(jié)爐、平爐、銅熔煉爐、鋁熔煉爐等;建材工業(yè)的水泥窯、玻璃窯、陶瓷爐等;化工領(lǐng)域的石油催化裂解爐、碳黑爐、電石爐、氮肥廠煤氣爐等;固廢處理的垃圾焚燒爐;能源系統(tǒng)的IGCC、多聯(lián)產(chǎn)中的熱煤氣除塵等。該技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用,將有顯著的節(jié)能減排、節(jié)水節(jié)資效益,應(yīng)用前景廣闊。
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