高温气体除尘技术及其研究进展_刘会雪

高温气体除尘是在高温条件下直接进行气固分离，实现气体净化的一项技术，它可以最大程度地利用气体的物理显热、化学潜热和动力能以及最有效地利用气体中的有用资源。

因此，它不仅成为电力、能源和相关加工工业的研究热点，也是过滤行业的重要研究课题。

目前，整体煤气化燃气蒸汽联合循环发电技术（ＩＧＣＣ）和增压流化床燃烧联合循环发电技术（ＰＦＢＣ）是先进的能源转换系统，但在这两种技术中，煤、飞灰和脱硫吸附剂会夹带在燃烧（气化）产物中，易从燃烧器或气化炉带进燃气轮机。

由于进入燃气轮机的气体中含有大量粉尘，会引起燃气轮机叶片的磨损，影响燃气轮机叶片的寿命及工作效率。

为了解决这个问题，燃气中的粉尘含量必须限制在一定范围内，同时，为了满足ＩＧＣＣ和ＰＦＢＣ对燃气高温的要求，人们正在试图摆脱传统的湿法气体净化工艺，采用高温干法气体净化技术来解决制约ＩＧＣＣ和ＰＦＢＣ发展的关键问题。

因此，有效的高温除尘技术的作用是至关重要的。

１陶瓷过滤除尘技术陶瓷过滤器属于高性能阻挡式过滤器，是利用陶瓷材料的多孔性进行除尘，其过滤元件的过滤是吸附、表面过滤和深层过滤相结合的一种过滤方式，其过滤机理主要为惯性冲撞、扩散和截留。

随着对研究的深入进行，陶瓷过滤除尘技术取得了很大的进展。

１．１过滤元件结构上的多样化其多样的过滤元件可以满足不同条件的除尘要求，并且不同的过滤元件随着应用的推进而经过了改进，例如，陶瓷纤维布袋过滤器、陶瓷纤维毯过滤器、试管式过滤器、蜂窝式过滤器。

１．１．１陶瓷纤维布袋过滤器美国Ｂｕｅｌｌ公司、美国西屋公司以及美国电力研究所等用直径为１０μｍ￣１２μｍ陶瓷纤维（由质量分数为６２％Ａｌ２Ｏ３、２４％ＳｉＯ２、１４％Ｂ２Ｏ３组成）编织成布袋，在８１６℃、０．９８ＭＰａ的条件下，用０．０３３ｍ／ｓ的过滤速度进行试验，除尘效率高达９９．７％，压力降为１７６．４Ｐａ￣１４８９．６Ｐａ，清灰时用脉冲空气反吹［１］。

１．１．２陶瓷纤维毯过滤器美国Ａｃｕｒｅｘ公司采用直径为３μｍ的陶瓷纤维编织成毯，两面再蒙上一层陶瓷纤维布或者不锈钢丝网，在８００℃、０．９８ＭＰａ条件下试验，过滤速度为０．１ｍ／ｓ，除尘效率可达９９．９％，清灰时也采用脉冲空气反吹，在高温下反吹５×１０４次，纤维布和毯的强度仍可满足要求［２］。

１．１．３试管式过滤器试管式过滤元件为一端封闭、一端开口的圆筒形结构，典型尺寸为内径４０ｍｍ（或３０ｍｍ），外径６０ｍｍ，长为１．５ｍ。

过滤气体穿过微孔滤管壁，由外向内流动而实现过滤，在滤管外表面形成粉尘层。

早期的陶瓷滤管为单层结构，目前常采用双层结构，内层为平均孔高温气体除尘技术及其研究进展刘会雪刘有智孟晓丽（中北大学山西省超重力化工工程技术研究中心，太原０３００５１）收稿日期：２００７－１１－２２作者简介：刘会雪（１９８１—），女，２００５年毕业于河南农业大学，在读硕士研究生，主要研究方向为陶瓷膜高温气体除尘。

摘要介绍了几种常用且有效的高温气体除尘技术及其研究进展，包括：陶瓷过滤除尘技术、颗粒层过滤除尘技术、金属微孔过滤除尘技术、旋风除尘技术、静电除尘技术，其中，颗粒层过滤除尘技术是最有发展前途的可用于ＩＧＣＣ和ＰＦＢＣ－ＣＣ（增压流化床联合循环）的高温除尘技术之一，指出高温除尘技术需要解决的问题是高温下延长滤材寿命、优化滤材再生技术、提高过滤效率。

分析表明，高温除尘技术具有广阔的工业应用前景。

关键词高温气体除尘过滤静电除尘旋风除尘文章编号：１００５－９５９８（２００８）－０２－００１４－０５中图分类号：ＴＱ０２８．２文献标识码：Ａ第２期（总第１３５期）２００８年４月煤化工ＣｏａｌＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＮｏ．２（ＴｏｔａｌＮｏ．１３５）Ａｐｒ．２００８２００８年４月径较大的支撑体，以保证滤管的强度，而在支撑体的外表面加一层平均孔径较小的薄陶瓷滤膜，以实现表面过滤。

对于过滤膜，除了平均孔径和孔隙率方面的要求外，膜厚度的均匀性非常重要。

膜的厚度至少应为晶粒直径的１０倍￣２０倍，一般约为１５０μｍ。

对于薄的膜，要求孔径小。

平均孔径５μｍ的膜尽管初始压降高一些，但其渗透性远大于１０μｍ的膜的渗透性，且可以忽略支撑体对过滤性能的影响。

德国ＢＷＦ公司、英国ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＦｉｌｔｅｒ＆Ｐｕｍｐ公司、芬兰的ＦｏｓｔｅｒＷｈｅｅｌｅｒ公司都做了试管过滤器的研究［３］。

１．１．４蜂窝式过滤器常用的有美国Ｃｅｒａｍｅｍ公司生产的圆柱型蜂窝式陶瓷过滤元件，直径３０５ｍｍ，长度为３８１ｍｍ，通道截面积为４ｍｍ×４ｍｍ，每平方英寸（６．４５２ｃｍ２）有２５个通道，孔隙率３０％￣５０％，平均孔径为４０μｍ￣５０μｍ。

在氧化条件下，耐温１０００℃，且抗热冲击。

为了提高脉冲反吹性能，通道表面上覆盖了一层膜，可以实现微滤，膜孔径０．２μｍ￣０．５μｍ，是支撑体孔径的１％。

荷兰Ｄｅｌｆｔ工业大学在热功率为１．５ＭＷ（热能）实验装置上，安装了３个Ｃｅｒａｍｅｍ公司生产的蜂窝式过滤元件。

在８００℃下，２５ｈ的运行结果表明，过滤器脉冲反吹性能好，没有出现粉尘阻塞通道现象［４］。

１．２陶瓷材料的配方和制备技术的改进为了改善陶瓷的韧性、延展性和抗热震性，制备技术从泡沫型到网眼型的改进，做到了在流体通过时，降低压降，增大表面积，提高与流体接触效率，减轻重量。

普通单质陶瓷过滤材料在产生小量变形时，其强度就达到最大值，然后突然破裂。

这种特点以及陶瓷材料固有的热传导性差的特点使得陶瓷过滤材料难以承受大的热负荷波动，即抗热震性差。

在制备方法上有发泡法、溶胶凝胶法、添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法和化学气相沉积或渗透法。

近年来，世界各国开展了大量新型陶瓷过滤材料的研制，旨在提高陶瓷过滤材料的韧性和抗热震性。

其中，具有重大意义的研究进展是纤维增强复合陶瓷过滤材料制备技术的研制成功，它使得陶瓷过滤材料的韧性和延展性大大提高。

纤维复合陶瓷过滤材料是依靠连续长纤维使材料增强、增韧，同时表面复合层又保证材料具有很高的过滤精度。

在研制的纤维复合陶瓷过滤材料中，有美国３Ｍ公司（明尼苏达矿业及制造公司）的硅铝酸盐－碳化硅复合陶瓷过滤材料；另外，还有美国杜邦公司生产的ＰＲＤ－６６型试管式陶瓷过滤器，外表面涂有碳化硅砂粒的强化尼龙纤维丝缠绕，内表面是渗透率较高的碳化硅刚性能架，除尘效率达９９％以上；杜邦公司还开发了碳化硅－碳化硅复合陶瓷；美国Ｂ＆Ｗ公司开发了氧化铝－氧化铝纤维复合陶瓷，西屋公司开发了氧化铝－莫来石纤维复合陶瓷过滤材料等［５］。

由上可知，经过对陶瓷除尘器的研究和改进，可以更好地发挥陶瓷除尘技术的优点。

本着陶瓷材料的固有特点，即热稳定性和化学稳定性，该技术有望成为最有效的高温除尘技术。

目前，该技术面临着诸如管件与管板间的密封、过滤膜孔隙永久性堵塞和压降持续增大、陶瓷微裂缝蔓延及热疲劳等问题，会影响到它的耐久性和可靠性。

因此，陶瓷过滤除尘技术还需进行局部的研究发展。

２颗粒层过滤除尘技术颗粒层过滤除尘器是利用物理和化学性质非常稳定的固体颗粒组成过滤层，通过惯性碰撞、扩散沉积、重力沉积、直接拦截、静电吸引的过滤机理来实现对含尘气体的过滤，具有耐高温、持久性好等特点。

但颗粒层除尘技术对细微尘粒的捕集效率不高，大量过滤介质在床外循环能耗大且磨损大，另外在大型化时，介质均匀移动和气流的均匀分布问题还需要研究。

１９５７年，德国开始采用振动清灰的ＭＢ型颗粒层除尘器，以后又不断进行改进，近年来对颗粒层除尘的机理和实验研究也进行了大量工作［６￣８］。

由于这种除尘器具有耐高温特点，因而成为很有发展前途的一种工业高温除尘设备，近年来发展很快［９］。

日本采煤研究中心和日本川崎重工业公司联合开发了移动床颗粒层过滤器［６，７，１０］，用于热煤气除尘，并在日处理煤量４０ｔ的流化床煤气化炉上进行了试验，热煤气压力为１．８ＭＰａ￣１．９ＭＰａ，温度为４３０℃￣４６０℃，飞灰质量浓度为１ｇ／ｍ３￣５ｇ／ｍ３，实测的除尘效率达到９９．８％以上，累计运行时间为９００ｈ。

移动床颗粒层过滤器的过滤速度为０．１ｍ／ｓ￣０．３ｍ／ｓ，过滤器压降小于１．９６ｋＰａ，所用颗粒直径为１ｍｍ￣５ｍｍ，颗粒层移动速度为０．００１ｍ／ｓ￣０．１０ｍ／ｓ。

美国ＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＰｏｗｅｒ公司和西屋公司联合开发设计了移动床颗粒层过滤器［８］，含尘气体从中心引入，移动床中作为过滤介质的颗粒是直径为６ｍｍ的氧化铝和莫来石，在过滤室内，气流和颗粒的流动方向相反，带尘的颗粒经提升管在清洗室内清洗后，不断补充进入过滤室，该过滤装置实际上是颗粒床和袋式除尘器的结合。

由美国能源部资助，在纽约大学ＰＦＢＣ刘会雪等：高温气体除尘技术及其研究进展１５－－２００８年第２期煤化工设备上进行了试验，运行温度为８７０℃，除尘效率达到９９．１％。

我国国家电力公司国电热工研究院对研究开发的无筛移动逆流式颗粒层过滤器［９］，进行了常压、高温除尘过程结构和参数优化实验研究；开发了颗粒层气体循环清灰系统；研究了尘粒在带电颗粒层中的振荡运动，提出了采用尘粒荷电和对颗粒层施加外电场的方法来提高细微尘粒的除尘效率，并从理论上证明了，在一定条件下该法是可行的。

颗粒层过滤除尘技术经过了由固定床层到移动床层的发展，移动颗粒层过滤除尘系统兼顾了除尘效率与过滤压降，实现了过滤、清灰的一体化，易于大型化，适合高温高压气体除尘。

目前，国际上普遍认为移动颗粒层过滤除尘是最有希望、最有发展前途的可用于ＩＧＣＣ和ＰＦＢＣ－ＣＣ的高温除尘技术之一。

３金属微孔过滤除尘技术金属微孔过滤材料最大优势在于良好的耐温性和优良的机械性能，并且它良好的韧性和导热性使其具有很好的抗热、抗震性。

此外，金属微孔材料还具有良好的加工性能和焊接性能。

但金属微孔过滤除尘目前还存在一定的问题：金属过滤材料一般在高温下会出现随着温度增加造成强度下降的现象，因此，在使用过程中存在着最高温度的限制。

近年来，国内外大力开展高性能金属过滤材料的研究。

其中，Ｆｅ－Ａｌ金属间化合物和３１０Ｓ（不锈钢，镉、镍含量高）以其突出的抗高温氧化和耐硫腐蚀性能而备受关注。

如美国Ｍｏｔｔ公司和Ｐａｌｌ公司生产的３１０Ｓ、Ｉｎｃｏｎｅｌ６００（镍基合金）、Ｆｅ－Ａｌ金属间化合物等烧结金属滤管，耐温６００℃￣９００℃［１１，１２］；另外，英国Ｐｏｖａｉｒ公司、比利时Ｂｅｋａｒｔ公司、美国ＵＳｆｉｌｔｅｒ等公司分别开发了Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ、Ｈａｙｎｅｓ２３０（镍、铬、钼、钨合金，耐高温抗氧化）、Ｈａｙｎｅｓ２１４（镍铬合金，优良的抗氧化材料）等烧结金属纤维多孔材料［９］。

在烧结金属丝网方面，最初有铜基合金、３０４不锈钢、３１６不锈钢、３１６Ｌ不锈钢、１８８不锈钢、ＧＨ３０（高镍合金）和ＧＨ４４高温合金等过滤材料制品。