中科院过程所李松庚研究员：含尘含油高温热解煤气除尘技术研究进展
煤高效清洁转化技术发展迅速，许多技术已经实现工业应用。但基于低阶煤组成结构特征的粉煤热解分级转化联产燃料和化学品技术商业化工程应用进展缓慢。高温热解煤气与粉尘的分离是热解技术实现工程应用的主要技术瓶颈之一。采用高效低阻旋风分离(预除尘)-颗粒床过滤/金属膜过滤/高温静电(深度除尘)复合除尘方案，成为现阶段解决这一问题的主要方案。
中科院过程所李松庚研究员结合所在课题组的研究结果和已有文献报道，分析讨论热解煤气所携带粉尘特点、含尘含油高温除尘技术(颗粒床过滤、高温静电除尘、金属微孔过滤除尘技术)进展，以期对未来研究及应用提供指导。
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摘要
高温热解气除尘问题是影响煤热解技术实现规模化应用的重要问题之一。针对高温热解煤气所携带粉尘的特点，分析了含尘含油热解气高温除尘技术的研究进展，论述了高温热解气除尘技术的特点，根据含尘热解气高温除尘技术的特点提出了热解气除尘技术未来的研究方向。高温含尘热解气具有组成复杂、对温度敏感、重质组分容易冷凝、粉尘粒径小、分离难度大等特点。旋风分离器用于高温热解气除尘，对于粒径大于10 μm的粗粉尘除尘效率较高，一般用作高温热解气除尘的预分离器。静电除尘技术、金属微孔过滤除尘技术(金属膜除尘技术)和颗粒床除尘技术对高温含尘热解气中粒径较小的粉尘除尘效率较高，适合进行精细除尘。现有热解气除尘技术试验结果表明，过滤温度过低，焦油容易冷凝，造成油气收率下降，温度过高，热解气二次反应加剧导致过滤过程积碳严重，影响除尘器运行周期。高温含尘热解气的除尘效率方面，金属微孔除尘技术的过滤效率最高，过滤效率大于99%，颗粒床除尘器用于高温热解气除尘的过滤效率大于90%，受温度影响，温度高于400 ℃的条件下，静电除尘器的过滤效率一般低于90%。在相同过滤时间内，金属微孔过滤技术的过滤压降最高，静电除尘器压降最低，颗粒床过滤器的压降介于两者之间。静电除尘技术具有压降低、除尘效率低的“双低”特点，因此，在工艺条件优化的基础上，开发新型电极材料成为其发展方向。金属微孔过滤除尘技术具有过滤效率高和压降高的“双高”特点，开发低成本、耐高温、耐腐蚀的抗积碳材料，调控金属网孔的结构与分布是金属丝网除尘技术的发展方向。颗粒床除尘过程中存在床料积碳、热解气二次反应等问题，未来开发新型除尘滤料实现除尘提质一体化将是颗粒床除尘技术的重要研究方向。各种除尘技术用于热解气除尘均有其独特特点，充分利用各种技术的优点，通过技术组合有望实现除尘工艺技术的高效稳定运行。目前，热解气除尘技术基本都处于中试及示范工程阶段，但中试时间一般较短，缺乏长期的运行数据，热解气除尘技术实现工程应用需要进一步研究。
1 含尘热解煤气特点
高温热解煤气组成复杂，除了常温不凝气体(CH4、H2、CO、CO2、少量C2和C3)，还含有焦油蒸气、水蒸汽以及粉尘。一般要求除尘温度控制在400～600 ℃。煤粉颗粒在热解反应器内的热崩裂及运动磨损产生的半焦是粉尘的重要来源。
为了研究粉尘的组成，中国科学院过程工程研究所利用旋风分离器对煤热解中试试验产生的含尘热解气进行分离，并分析旋风分离器收集到的粉尘和旋风分离器出口粉尘的粒径分布。可知，热解煤气中的粉尘粒径较小，分布范围较宽，旋风分离器对热解气中10 μm以上大粒径粉尘除尘效率较高，粒径较小的粉尘采用旋风分离器难以高效分离，需要采用其他除尘技术。
图1 旋风分离器出口粉尘粒径分布
图2 旋风分离器分离得到的粉尘粒径分布
煤热解气除尘过程中一般采用旋风分离器作为含尘热解气的预分离器，除去粉尘中粒径较大的粉尘。对于热解气中粒径较小的粉尘，一般采用静电除尘技术、金属微孔过滤除尘技术(金属膜除尘技术)和颗粒床除尘技术等进行精细除尘。
2 煤热解气除尘技术
2.1 静电除尘
采用静电除尘器作用在细颗粒物(粒径<30 μm)上的静电力是重力的100倍以上，因而，静电除尘器可以高效除去气流中的颗粒物。静电除尘器处理含尘气体压降低，气体处理量大，设备构造简单，除尘效率高，广泛应用于燃煤电厂烟气除尘，除尘温度一般为200 ℃。目前，静电除尘器主要从温度、气氛、放电极性质及材料、颗粒性质等方面展开研究。
高温下静电除尘的性能易发生变化，主要是由于温度对静电除尘器运行环境基本特性(如密度、黏度和电阻率)产生影响。温度增加，气体黏度增加，静电力不受影响，导致气体中粉尘阻力增加，容易被气流带出除尘器，造成除尘效率下降。
不同气氛对静电除尘器的除尘效率影响较大。颗粒的电阻率对静电除尘器运行也有很大影响，低电阻率粒子在到达收集电极时，电荷消散太快，使其获得与收集电极相同的电荷，并被排斥回气流中，高电阻率的粒子电荷消散太慢，可能导致过量电荷积聚，造成危险的“反电晕”现象，温度增加，水分从粉尘表面蒸发，会增加比电阻，当温度超过150 ℃时，通过增加导电率来降低电阻率，提高过滤效率，然而，粒子电阻率的过度降低将增加电荷耗散率，并可能导致粉尘粒子被夹带。
高压是解决温度引起的静电除尘效率下降的方法。较高的压力会增加气体密度，并允许在发生电击穿前施加较高电压。虽然，压力增加也会增加密度和提高起振电压，但较高的温度会减小这种影响，其结果是静电除尘器工作电压范围更大。研究表明，与环境条件下相比，高温高压使得静电除尘器运行效率更高。
2.2 金属微孔过滤除尘技术
金属微孔材料按结构形式进行分类主要有金属烧结丝网、金属纤维毡和烧结金属粉末等。烧结金属网一般采用多层金属编织丝网,经过特殊的叠层压制并在真空条件下经过烧结等工艺制造而成。金属丝网的网孔呈交错分布，网孔均一，因而，空隙分布均匀。金属丝网具有较高的机械强度，良好的耐磨性、耐热性。因而，可以在高过滤速度下，保持较高的过滤效率。
采用金属粉末烧结过滤器结构简单，通常采用一定粒度分布的金属化合物颗粒在磨具内加热到熔点制成，孔隙率为20%～40%，金属粉末烧结过滤器能抵抗除尘过程中常发生的热冲击，由于采用耐腐蚀性合金制成，因此，不易受腐蚀性气体成分的影响，但金属粉末烧结过滤器使用过程中过滤压降较大。
烧结金属纤维介质是由直径2～40 μm短细金属纤维形成的非织物结构。金属纤维是在真空或氢气气氛下烧结而成，孔隙率可以达到90%左右。金属纤维过滤器与金属粉末烧结过滤器相比，两者强度接近，过滤过程中金属纤维过滤器的流动阻力较小，但金属纤维过滤器的可靠性较差，使用周期短。
金属过滤器的操作温度可以达到1 000 ℃，具体使用温度受合金和烧结过程中所产生孔径的影响。温度超过400 ℃下运行时，小于 100 μm的粉尘通过金属微孔过滤器的除尘效率达到99.99%，过滤后的粉尘浓度低于10 mg/m3。
金属丝网除尘器的压降一般受进口气流流量、气流含尘浓度、气流入口温度等因素影响。由于热解气含尘量高，容易在金属丝网表面沉积，导致金属网除尘压降大，金属丝网过滤器与其他过滤器相结合进行除尘时，可以减少金属丝网除尘压降，增加除尘效率。
2.3 颗粒床除尘技术
由于颗粒床本身具有耐高温且除尘效率高的特点，被认为是最有可能解决热解气高温除尘的技术之一。颗粒床除尘器滤料的材质要求性质稳定、耐磨、耐高温不易被腐烛、价格便宜、来源广泛。通常颗粒床滤料的选择根据滤料颗粒在床层内部的运动状态不同存在差异，固定床一般采用流化清灰，要求床料密度小，便于流化，以降低再生的压力，较常用的为珍珠岩、半焦等轻质床料。移动床要求床料颗粒密度适中，流动性良好，常用床料为陶瓷球、石英砂、半焦等。床料粒径对过滤效率和压降影响较大，一般情况下，粒径越小，过滤效率越高，但床层过滤压降越大。
过滤过程中，颗粒床性能受温度的影响较大。一般情况下，高温能够增加气体黏度，加剧分子扩散作用，有利于1 μm以下微细粉尘的脱除。热解气在热解温度下，易导致热解气在床料表面发生二次反应，床料积碳增加，焦油收率下降。热解气除尘温度下降过多，容易使热解气的重质组分发生冷凝，床料表面的重质组分如沥青等组分黏性较大，减少捕集到的粉尘被二次夹带，提高过滤效率。但温度过低，大量焦油组分冷凝床料结块，降低空隙率，导致过滤阻力快速增加。因此，热解气颗粒床温度控制在450～600 ℃。
2.3.1 固定床除尘技术
固定床除尘过程一般包括过滤和反吹2个阶段，工业上一般采用双床切换，保证除尘的连续操作。
图3 固定床颗粒过滤器
固定床过滤过程中，随时间增加，粉尘逐步在滤料颗粒之间沉积，造成床层压降增加。为了增加床层的容尘量，增加过滤时间，双层或多层滤料配置成为近年来固定床研究的重要方向。通常在上层配置粒径大、密度小的轻质滤料，下层配置粒径小、密度大的重质滤料，上层粗滤料可以增加床层容尘量，下层细滤料实现精细除尘。在450 ℃高温条件下，利用固定床对模拟热解气除尘，与无焦油环境相比，焦油存在可使颗粒床过滤效率由83.8%提高到96.39%，由此可见，热解气中焦油存在能够在一定程度上提高过滤效率。
固定颗粒床用于热解气除尘具有耐高温、设备投资低、滤料性能稳定、除尘效率高等优势，但反吹产生的含尘气体需要进一步处理。
2.3.2 移动床除尘技术
移动床操作过程中床料不断更新，克服了固定床频繁反吹的问题，操作过程压降相对稳定。目前，移动床除尘技术作为高温气体除尘的热点之一，主要集中在结构形式改进。依据进入过滤器中的含尘气体与滤料移动方向的不同，移动床包括错流移动床、顺流移动床、逆流移动床等。
错流式颗粒层除尘器中含尘气体与过滤介质流动方向互相交叉，过滤介质在2层或多层滤网(百叶栅)中流动。过滤时，过滤介质在重力作用下缓慢向下流动，含尘气流经百叶窗后进入过滤介质，固体粉尘被过滤介质截留，带有粉尘的过滤介质从除尘器下方不断流出。错流过滤器进行过滤时，颗粒层向下移动，易受百叶窗布置结构和床料颗粒间相互作用力的影响，在两侧百叶窗位置过滤介质受阻力较大导致移动速率比中心区域的床料移动速度慢，随过滤时间增加，粉尘易在百叶窗附近堆积，从而形成滞留区 。滞留区的存在导致床层压降逐步上升、热解气中腐蚀性物质将破坏百叶窗结构、过滤介质易结块等问题。目前，对错流式移动床如何减小滞留区进行了大量研究，但未彻底解决，仍需进一步研究。顺流式颗粒床除尘器过滤阶段，含尘气流的流动方向与颗粒层移动方向一致。含尘气体与颗粒平行流动有利于促进含尘气流与滤料颗粒接触，由于床料夹带粉尘移动，低气速下除尘效率较高，但存在粉尘被干净气体夹带问题。逆流式颗粒床除尘器中，含尘气流流动方向与滤料颗粒移动方向相反。含尘气体与滤料颗粒逆向接触，在多种力作用下，粉尘被滤料捕集并带出颗粒床，洁净气流从干净滤料的表面流出。逆流除尘虽然缓解了顺流移动床粉尘被干净气体夹带的问题，但要求过滤气速不能过大，防止床料流化。移动颗粒床用于热解气除尘过滤效率高、压降稳定，但需要增加床料与粉尘分离设备。
图4 不同形式的移动床颗粒过滤器示意
2.3.3 高温热解气颗粒床中试试验
中国科学院过程工程研究所基于前期颗粒床除尘研究，在3 000 t/a下行床“煤拔头”工艺中试车间进行了颗粒床除尘中试试验，除尘系统由旋风分离器和颗粒床除尘器组成。颗粒床除尘器采用粒径2～5 mm膨胀珍珠岩作为床料，过滤时间为5 min。采用过热蒸汽作为反吹气，反吹时间为30 s。经过72 h连续运行，可使焦油含尘率由12%降低至1%(质量分数)左右，整个除尘过程中，过滤压降低于500 Pa，反吹压降低于200 Pa。经过改进，过滤后焦油中粉尘含量为0.67%。
新疆广汇煤炭清洁炼化有限公司利用自行设计的多层固定颗粒床除尘装置进行了中试试验。中试装置设计气量为800 m3/h，过滤流速为2 m/s，反吹风速为0.5 m/s。中试采用模拟干馏煤气(0.074 mm煤粉和煤焦油组成)进行，干馏煤气进入多级除尘滤盘组成的颗粒床除尘器，净化后的煤气通过引风机送至下游工序。反吹过程，由预热至620 ℃的热煤气将床层中的粉尘带至颗粒床底部，模拟干馏煤气进行连续84 h除尘试验。试验中，过滤和反吹温度均在600 ℃左右，床层压差2 500 Pa，可将100 g/Nm3 干馏煤气净化至50 mg/Nm3以下。
大连理工大学与神木富油能源科技有限公司合作在60万t/a煤固体热载体热解示范装置用固定床对高温热解气进行中试试验，固定床设计4组，每组配置4个过滤单元，共16个床层(15个床层过滤，1个床层反吹)，单个床层处理量3 600 m3/h，运行时反吹时间25 s(可根据实际情况调节)，单个床层置换时间为35 s(可调节)，滤料厚度为500 mm，过滤气速为0.22 m/s。该床层采用上粗下细的设计理念，上部布置轻质高强度滤料作为容尘层，下层采用石英砂，黄沙作为床料。床层温度为400～500 ℃，整个装置运行71 h，装置过滤压差达到6 kPa左右，反吹气压差最高达到15.66 kPa。
中国科学院山西煤炭化学研究所在陕西府谷建成一套与蒸发量75 t/h CFB锅炉相匹配的燃烧/煤热解多联供中试平台，干馏热解煤量为5 t/h。热解产生的煤气采用旋风分离器与错流移动颗粒床除尘器相结合进行除尘。颗粒床所用床料为5～10 mm半焦，移动速度为1 cm/min，床料厚度为300 mm，进煤量为2 t/h，此工况下，颗粒床除尘器压差为1 000 Pa左右，焦油含尘量为3.48%。此外，神华煤制油公司在6 000 t/a 褐煤热解中试装置中利用500～700 ℃热解半焦为床料，采用移动床操作形式对热解气进行过滤，除尘后的油气进入后续单元处理，详细试验结果未见报道。
由颗粒床中试试验可知，煤热解气中试及示范工程热解气量可达到54 000 m3/h，所用床料主要包括半焦、珍珠岩、石英砂和黄沙等，床料粒径为0.3～5.0 mm，处理后焦油尘含量低于3.5%，热解气尘含量可以达到50 mg/Nm3。中试过程中，颗粒床过滤压降在500～6 000 Pa，温度为400～700 ℃。
3 结 语
1）旋风分离器用于热解气除尘，对粒径大于10 μm的粗粉尘除尘效率较高，一般用作热解气除尘的预分离器。静电除尘、金属微孔过滤除尘(金属膜除尘)和颗粒床除尘对含尘热解气中粒径较小的粉尘除尘效率较高，适合进行精细除尘。通过不同除尘技术组合可实现除尘装置的高效稳定运行。
2）中试试验结果显示，金属微孔除尘的过滤效率最高，其次为颗粒床除尘，静电除尘过滤效率最低。运行压降最高为金属微孔过滤技术，静电除尘器压降最低，颗粒床过滤压降介于两者之间。
3）目前，热解气除尘技术基本都处于中试及示范工程阶段，中试温度为400～700 ℃，以避免焦油冷凝或二次热解，中试规模最高为54 000 m3/h，但目前的中试时间还较短，缺乏长期运行数据。热解气除尘技术实现工程应用需要长期试验结果的验证。
4 展 望
1）结合具体的除尘工艺优化工艺条件和除尘器结构，开发新型抗积碳材料(除尘滤料)。热解气成分复杂，除尘过程中易受工艺条件影响，如温度过低易导致焦油冷凝，造成油气收率下降和粉尘局部堆积结块。温度过高又会加剧热解气二次反应。因而，需根据不同的除尘工艺对工艺条件进行优化。静电除尘器应针对高温条件下除尘效率降低、除尘器部件积碳严重导致除尘器绝缘子性能下降等问题，在工艺条件优化的基础上，开发新型电极材料。金属丝网过滤技术存在过滤材质价格较高，除尘过程中易受到热解气中酸性气体的腐蚀，金属材质表面易积碳造成网孔阻塞，压降增加快等问题，因此，开发低成本、耐高温、耐腐蚀的抗积碳材料，调控金属网孔的结构与分布是金属丝网除尘技术的发展方向。颗粒床除尘过程中存在床料积碳、热解气二次反应等问题，未来开发新型除尘滤料实现除尘提质一体化将是颗粒床除尘的重要研究方向。
2）多种技术优化组合。粉尘主要来自于煤热解部分，通过将除尘器与煤热解相结合如将颗粒床除尘器与热解装置耦合，颗粒床除尘器直接在热解反应器内部进行除尘，既可以充分利用热解的热量也可以从源头上降低粉尘，减少焦油损失。另外，颗粒床与静电除尘器或金属丝网相结合，可以强化除尘效率，因此，通过技术组合保证除尘工艺高效稳定运行，将成为未来热解气除尘技术研究的另一方向。
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杨帅强,都林,李松庚,等.含尘含油高温热解煤气除尘技术研究进展[J].洁净煤技术，2021,27(1):193-201.
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