CN110339631A - 一种煤热解气体高温在线除尘净化装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种煤热解气体高温在线除尘净化装置及其工作方法，其属于洁净煤技术领域。该装置主要包括颗粒床除尘单元和布风板等核心部件，通过切换高温含尘气体与再生空气的流动方向，在颗粒固定床除尘——流化床颗粒再生的工况下交替连续运行。该装置可实现含油尘气体的高温在线除尘，以获得洁净的煤焦油和轻质气体，进而使其达到后续深加工的要求；同时可有效避免颗粒输送过程中的二次扬尘现象，解决油尘混合物及粉尘颗粒引起的系统堵塞问题，大大提高煤热解工艺过程的稳定性。该除尘装置操作简单可靠、整体结构紧凑、集成度高、适应性强，可广泛应用于煤中低温热解、煤焦化和煤气化过程中。

Description

一种煤热解气体高温在线除尘净化装置及其工作方法
技术领域
本发明属于洁净煤技术领域，涉及一种煤热解气体高温在线除尘净化装置及其工作方法，特别是一种可用于煤中低温热解、煤焦化和煤气化过程的含油尘气体高温在线颗粒床除尘净化装置及其工作方法。
背景技术
煤炭在我国的能源消费结构中占75％以上，处于主导地位。其中，低阶煤占我国煤炭储量的50％以上。随着采煤机械化程度的提高，粉煤产率已迅速增长至70％～80％。开发低阶煤粉煤中低温热解技术，可将煤转化为高附加值的液体燃料和化学品，在实现煤炭分级梯度转化和清洁化利用的同时，也缓解了我国油气资源短缺的问题。针对这一技术，国内已开展大量相关研究与试验，如中国科学院过程工程研究所的下行床“煤拔头”技术、中国科学院工程热物理研究所的循环流化床热载体技术、大连理工大学的半焦热载体技术、大唐集团的热载气技术、神华集团的回转窑半焦热载体技术和延长石油公司的煤热解与气化一体化技术等。然而，上述工艺仍存在诸多技术难题，大大限制了其工业化进程。其中，粉煤热解过程中细小粉尘引起的系统管路堵塞、热解粉焦与油气产品的高温在线分离、焦油含尘量高、品质低和二次加工困难等问题是主要的限制性因素。高温除尘技术及关键设备的开发，是低阶煤粉煤热解领域亟须解决的关键问题之一。
目前，高温除尘技术主要有旋风分离器除尘、静电除尘、多孔金属材料过滤除尘和颗粒移动床除尘等。其中，颗粒移动床除尘技术具有除尘效率高、过滤压降低和易于大型化等优点，在煤化工领域备受关注。该技术利用移动床中固体颗粒形成的多孔结构对气体进行过滤。中国科学院山西煤炭化学研究所和神华集团北京低碳清洁能源研究所在使用热解半焦作为移动颗粒进行移动床过滤实验时发现，由于焦油的低温冷凝，除尘后的半焦颗粒移动床在向下输运过程中容易发生堵塞，导致装置无法连续稳定运行。另外，由于移动床中颗粒间不可避免地发生相对运动，含尘颗粒存在二次扬尘现象，除尘效率也随之下降。因此，针对颗粒床除尘技术，如何避免系统堵塞和颗粒的二次扬尘问题，以确保其连续稳定高效运行是需要解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的是为煤热解气体提供高温在线除尘净化装置及其工作方法，以弥补目前颗粒移动床除尘技术的不足，使得除尘过程连续稳定高效运行，同时使得煤焦油和煤气的含尘量达到后续深加工的要求。
为实现上述目的，本发明提供了一种颗粒固定床除尘——流化床颗粒再生的装置。所采用的技术方案为：
一种煤热解气体高温在线除尘净化装置，包括外部壳体，由所述外部壳体包裹形成一密闭腔室，所述外部壳体的底部设置有用于腔室内部与腔室外部相通的底部气体通道，外部壳体的顶部设置有用于腔室内部与腔室外部相通的顶部气体通道；外部壳体的内部设置颗粒床除尘单元和设置在其下方的布风板；
其中，所述布风板为板状结构，包括中心挡板区和围绕在中心挡板区四周的环形布风区，于环形布风区的板体上开设有通孔；于密闭腔室内所述布风板与底部气体通道之间形成一气体分布腔；
其中，所述颗粒床除尘单元包括上端开口、下端密闭的单元壳体、设置在壳体内中下部的筛板和置于筛板上的惰性无机颗粒层；于筛板与单元壳体内的底部之间形成一气体收集腔；气体收集腔通过管路A与顶部气体通道相连通；
其中，所述单元壳体固接于中心挡板上方；
其中，为提高该装置的过滤操作时间，减小颗粒再生频率，所述惰性无机颗粒层包括第一颗粒层和其下方的第二颗粒层，第一颗粒层的颗粒粒径大于第二颗粒层的颗粒粒径，第一颗粒层的颗粒密度小于第二颗粒层的颗粒密度；第一颗粒层中的颗粒选自氧化铝、石英砂、分子筛、氧化锆、堇青石和天然矿物岩石中的一种或两种以上，第一颗粒层中的颗粒的粒径范围为0.5～5mm，密度范围为100～500kg/m3，第一颗粒层的颗粒堆积高度范围为5～100mm；第二颗粒层中的颗粒选自氧化铝、石英砂、分子筛、氧化锆、堇青石和天然矿物岩石中的一种或两种以上，第二颗粒层中的颗粒的粒径范围为0.1～2.5mm，密度范围为400～1000kg/m3，第二颗粒层颗粒堆积高度范围为5～100mm。第一颗粒层和第二颗粒层中颗粒选用的最优粒径和最优密度依据流化床再生模式下不同颗粒的最小流化速度比为1±0.1而定；颗粒堆积的最佳厚度通过实验研究系统除尘效率和操作压降决定。
其中，所述颗粒床除尘单元的直径为0.1～5.0m，高度为0.1～1.0m，具体尺寸大小依据系统气体处理量和可允许压力波动而定；鉴于颗粒床除尘单元在高温下运行，其制造材料可选耐高温耐腐蚀的304、310s、316不锈钢或钛合金；
其中，所述外部壳体包裹的密闭腔室中设置2～10个颗粒床除尘单元，以保证一定的气体处理量和较高的除尘净化效率；其均依次顺序固接于中心挡板上方，它们的气体收集腔均通过管路A与顶部气体通道相连通，所述管路A从下向上依次由2～10个单元壳体的中部穿过，管路A的下端与靠近中心挡板的颗粒床除尘单元的气体收集腔相连通，其余1～9个颗粒床除尘单元的气体收集腔通过管路A互相连通，管路A的上端与顶部气体通道相连通。
其中，所述筛板为多层烧结金属网或孔板；所述多层烧结金属网由孔径为600～40目的2～10层金属网烧结而成；所述孔板的开孔率为0.1～50％，孔径大小0.1mm～10mm。
其中，所述布风板起分布气流和支撑颗粒床除尘单元的双重作用；其上的环形布风区的开孔率为0.1～50％，孔径大小0.1mm～10mm。
一种煤热解气体高温在线除尘净化装置的工作方法，包括以下步骤：
该装置的运行过程为交替进行的颗粒固定床除尘模式和流化床颗粒再生模式；在颗粒固定床除尘模式中，随着粉焦在惰性无机颗粒层中的聚集，除尘装置内的压降逐渐升高；当达到设置上限时，装置由颗粒固定床除尘模式切换为流化床颗粒再生模式；
所述颗粒固定床除尘模式为：高温含油尘气体从底部气体通道进入除尘装置中，经布风板的环形布风区进入到颗粒床除尘单元中；气体依次经过第一颗粒层、第二颗粒层和筛板进行除尘净化；净化后气体通过顶部气体通道流出除尘装置，供后续深加工利用；
所述流化床颗粒再生模式为：空气由顶部气体通道进入除尘装置中，经设置在颗粒床除尘单元底部的筛板后，进入到惰性无机颗粒层，将含尘颗粒流化，使附着于颗粒表面的粉焦以及凝结的部分焦油重质组分燃烧并从无机颗粒表面脱离；含尘烟气经底部气体通道排出装置；待无机颗粒燃烧再生之后，空气切换为氮气，由顶部气体通道进入除尘装置中，进行系统的吹扫，将除尘装置内残留的空气置换干净。
其中，为维持除尘系统的连续运行和避免较大的系统压力波动，保证颗粒固定床除尘模式和流化床颗粒再生模式的协同进行，由2～6个所述的除尘装置通过气路并联，协同运行构成除尘系统。
其中，所述高温是指400℃～800℃。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的技术方案中，创造性地将颗粒固定床除尘与流化床颗粒再生两种操作模式耦合起来，可实现煤热解气体的高温在线除尘净化，操作灵活可靠，在达到较高热效率和除尘效率的同时可连续稳定运行。该装置可实现含油尘热解气体的高温在线除尘，以获得洁净的煤焦油和轻质气体，进而使其达到后续深加工的要求；同时可有效避免颗粒输送过程中的二次扬尘现象，解决油尘混合物及粉尘颗粒引起的系统堵塞问题，大大提高煤热解工艺过程的稳定性。
2)本发明的高温在线除尘净化装置集成度高、紧凑合理、适应性强，可广泛应用于煤中低温热解、煤焦化和煤气化过程中。
3)除尘净化后煤热解气体中的飞灰浓度低于50mg/Nm3，煤焦油中粉尘含量低于2.0％，大于1μm的粉尘颗粒的除尘效率达99.0％以上。
附图说明
图1是本发明中采用的煤热解气体高温在线除尘净化装置的结构示意图。
图2是布风板的结构示意图。
图3是一种煤热解气体高温在线除尘净化装置的颗粒固定床除尘过程示意图。
图4是一种煤热解气体高温在线除尘净化装置的流化床颗粒再生过程示意图。
图中：1.颗粒床除尘单元；1a.单元壳体；1b.气体分布板；2.惰性无机颗粒层；2a.第一颗粒层；2b.第二颗粒层；3.外部壳体；4.连接法兰；5.法兰式布风板；5a.中心挡板；5b.环形布风区；6.底部气体通道；7.顶部气体通道；8.管路A。
具体实施方式
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1
该实施例中采用的除尘装置中含有直径1.6m、3个并联的颗粒床除尘单元1阵列。惰性无机颗粒层2分为上下两层，上层为粒径0.7mm、密度350kg/m3、堆积厚度20mm的氧化铝小球；下层为粒径0.1mm、密度700kg/m3、堆积厚度20mm的氧化铝小球。气体分布板层1b由顶层为一层120目、底层为五层60目的金属网烧结而成；法兰式布风板5上的环形布风区5b开孔率为5％，孔径大小为2mm。温度为600℃、流量为1.0x104Nm3/h、飞灰浓度5g/Nm3的高温待净化煤热解气体由底部气体通道6进入颗粒固定床除尘系统中，除尘后的洁净煤气经由顶部气体通道7流出系统。颗粒固定床除尘模式运行1小时后装置前后的进出口压降由2.0kPa升至2.5kPa。此时，除尘装置切换为流化床颗粒再生模式运行。流量为3.0x103Nm3/h的空气由顶部气体通道7进入到除尘装置中，惰性无机颗粒层2中的无机颗粒处于流化状态，其上吸附的粉焦和焦油重质组分燃烧并且脱附，随后跟随气流经由底部气体通道6流出除尘装置，惰性无机颗粒层2中的无机颗粒得以再生，无机颗粒再生时间设定为10min。再生之后，将再生空气切换为氮气进行装置吹扫，用于置换装置内的残留空气。在此操作中，除尘净化后煤热解气体中的飞灰浓度为50mg/Nm3，煤焦油中粉尘含量为2.0％，大于1μm的粉尘颗粒的除尘效率为99.0％。
实施例2
与实施例1相比，其不同在于惰性无机颗粒层2中大粒径颗粒和小粒径颗粒的厚度均增加至50mm，除尘系统操作前后装置压降分别增大到8.6kPa和10.1kPa。在此操作中，除尘净化后煤热解气体中的飞灰浓度为30mg/Nm3，焦油中粉尘含量为1.2％，大于1μm的粉尘颗粒的除尘效率达到99.5％。
实施例3
与实施例1相比，其不同在于惰性无机颗粒层2中仅使用小粒径(0.1mm)颗粒除尘，除尘系统操作前后压降分别为1.8kPa和4.2kPa。在此操作中，除尘净化后煤热解气体中飞灰浓度为80mg/Nm3，煤焦油中粉尘含量为2.5％，大于1μm的粉尘颗粒的除尘效率达到98.4％。
实施例4
与实施例1相比，其不同在于惰性无机颗粒层2中下层颗粒直径更改为0.2mm，除尘系统操作前后压降分别为1.5kPa和2.1kPa。在此操作中，除尘净化后煤热解气体中的飞灰浓度为100mg/Nm3，煤焦油中粉尘含量为3.0％，大于1μm的粉尘颗粒的除尘效率为98.0％。此时，由于较大颗粒的使用，最小流化速度有所增加，再生时间增长为15min。
实施例5
与实施例1相比，其不同在于所使用的气体分布板1b为6层60目的316不锈钢金属烧结网。在除尘操作的初期，有部分小颗粒随气流离开操作系统。
实施例6
与实施例1相比，其不同在于惰性无机颗粒层2中分为3层不同直径和密度的颗粒，从上到下依次为：上层：直径1.0mm、密度250kg/m3、厚度10mm的氧化铝小球；中层：直径0.5mm、密度400kg/m3、厚度10mm的氧化铝小球；下层：直径0.1mm、密度700kg/m3、厚度10mm的氧化铝小球。除尘系统操作前后压降分别为1.5和2.0kPa。在此操作中，除尘净化后煤热解气体中飞灰浓度为25mg/Nm3，煤焦油中粉尘含量为1.1％，大于1μm的粉尘颗粒的除尘效率为99.5％。

Claims (7)

1.一种煤热解气体高温在线除尘净化装置，包括外部壳体(3)，其特征在于：由所述外部壳体(3)包裹形成一密闭腔室，所述外部壳体(3)的底部设置有用于腔室内部与腔室外部相通的底部气体通道(6)，外部壳体(3)的顶部设置有用于腔室内部与腔室外部相通的顶部气体通道(7)；外部壳体(3)的内部设置颗粒床除尘单元(1)和设置在其下方的布风板(5)；
所述布风板(5)为板状结构，包括中心挡板区(5a)和围绕在中心挡板区(5a)四周的环形布风区(5b)，于环形布风区(5b)的板体上开设有通孔；于密闭腔室内所述布风板(5)与底部气体通道(6)之间形成一气体分布腔；
所述颗粒床除尘单元(1)包括上端开口、下端密闭的单元壳体(1a)、设置在壳体内中下部的筛板(1b)和置于筛板(1b)上的惰性无机颗粒层(2)；于筛板(1b)与单元壳体(1a)内的底部之间形成一气体收集腔；气体收集腔通过管路与顶部气体通道(7)相连通；
所述单元壳体(1a)固接于中心挡板(5a)上方；
所述惰性无机颗粒层(2)包括第一颗粒层(2a)和其下方的第二颗粒层(2b)，第一颗粒层(2a)的颗粒粒径大于第二颗粒层(2b)的颗粒粒径，第一颗粒层(2a)的颗粒密度小于第二颗粒层(2b)的颗粒密度；第一颗粒层(2a)中的颗粒选自氧化铝、石英砂、分子筛、氧化锆、堇青石和天然矿物岩石中的一种或两种以上，第一颗粒层(2a)中的颗粒的粒径范围为0.5～5mm，密度范围为100～500kg/m3，第一颗粒层(2a)的颗粒堆积高度范围为5～100mm；第二颗粒层(2b)中的颗粒选自氧化铝、石英砂、分子筛、氧化锆、堇青石和天然矿物岩石中的一种或两种以上，第二颗粒层(2b)中的颗粒的粒径范围为0.1～2.5mm，密度范围为400～1000kg/m3，第二颗粒层(2b)颗粒堆积高度范围为5～100mm。
2.根据权利要求1所述的煤热解气体高温在线除尘净化装置，其特征在于：所述颗粒床除尘单元(1)的直径为0.1～5.0m，高度为0.1～1.0m，制造材料可选304、310s、316不锈钢或钛合金；所述外部壳体(3)包裹的密闭腔室中设置2～10个颗粒床除尘单元(1)，其均依次顺序固接于中心挡板(5a)上方，它们的气体收集腔均通过管路A(8)与顶部气体通道(7)相连通，所述管路A(8)从下向上依次由2～10个单元壳体(1a)的中部穿过，管路A(8)的下端与靠近中心挡板(5a)的颗粒床除尘单元(1)的气体收集腔相连通，其余1～9个颗粒床除尘单元(1)的气体收集腔通过管路A(8)互相连通，管路A(8)的上端与顶部气体通道(7)相连通。
3.根据权利要求1所述的煤热解气体高温在线除尘净化装置，其特征在于：所述筛板(1b)为多层烧结金属网或孔板；所述多层烧结金属网由孔径为600～40目的2～10层金属网烧结而成；所述孔板的开孔率为0.1～50％，孔径大小0.1mm～10mm。
4.根据权利要求1所述的煤热解气体高温在线除尘净化装置，其特征在于：所述布风板(5)的环形布风区(5b)的开孔率为0.1～50％，孔径大小0.1mm～10mm。
5.根据权利要求1所述的煤热解气体高温在线除尘净化装置，其特征在于：
所述外部壳体(3)由上下二端开口的筒体、带气体通孔的上盖、带气体通孔的下底构成，筒体上开口端通过连接法兰(4)与上盖连接，筒体下开口端通过连接法兰(4)与下底连接。
6.一种权利要求1-5任一所述的煤热解气体高温在线除尘净化装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
该装置的运行过程为交替进行的颗粒固定床除尘模式和流化床颗粒再生模式；在颗粒固定床除尘模式中，随着粉焦在惰性无机颗粒层(2)中的聚集，除尘装置内的压降逐渐升高；当达到设置上限时，装置由颗粒固定床除尘模式切换为流化床颗粒再生模式；
所述颗粒固定床除尘模式为：高温含油尘气体从底部气体通道(6)进入除尘装置中，经布风板(5)的环形布风区(5b)进入到颗粒床除尘单元(1)中；气体依次经过第一颗粒层(2a)、第二颗粒层(2b)和筛板(1b)进行除尘净化；净化后气体通过顶部气体通道(7)流出除尘装置，供后续深加工利用；
所述流化床颗粒再生模式为：空气由顶部气体通道(7)进入除尘装置中，经设置在颗粒床除尘单元(1)底部的筛板(1b)后，进入到惰性无机颗粒层(2)，将含尘颗粒流化，使附着于颗粒表面的粉焦以及凝结的部分焦油重质组分燃烧并从无机颗粒表面脱离；含尘烟气经底部气体通道(6)排出装置；待无机颗粒燃烧再生之后，空气切换为氮气，由顶部气体通道(7)进入除尘装置中，进行系统的吹扫，将除尘装置内残留的空气置换干净。
7.根据权利要求6所述煤热解气体高温在线除尘净化装置的工作方法，其特征在于，由2～6个所述的除尘装置通过气路并联，协同运行构成除尘系统。
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