CN110899008A - 一种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置和方法，属于高温除尘领域。其包括旋风分离器、颗粒床过滤器和变频风机，旋风分离器采用切流反转式的筒锥形结构，颗粒床过滤器设置在旋风分离器内部且采用移动床逆流过滤方式，变频风机设置在旋风分离器外侧用于抽气循环并通过变频器调节循环风量以控制旋流气速与过滤气速。本发明在操作过程中保持气速恒定，既充分的利用了下行外旋流的离心分离作用，又能使进入的含尘气体经过颗粒床进行精细过滤。

Description

一种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置和方法

技术领域

本发明属于高温除尘领域，特别涉及一种生物质、煤或油页岩热解气的除尘净化设备和方法。

背景技术

生物质、煤或油页岩等热解生产气体和液体燃料及化学品的热转化加工技术，对于高效清洁利用固体化石燃料和有机质资源、缓解我国油气资源短缺问题、发展我国替代油气战略新兴产业具有重要的支撑作用。其中，生物质、煤或油页岩在热解装置内发生热解反应，生成的高温热解气中固体颗粒物粒度小(10μm以下颗粒)、含量高、粘度大、易结焦、腐蚀性较强及易二次反应。对于高温热解气的除尘问题，要求其最好能在高温条件下直接快速地进行干法气固分离，以便能最大程度的利用气体的显热、潜热，同时避免热解气在除尘设备中发生二次裂解等副反应影响油气品质。因此，高温热解气的除尘净化对控制颗粒污染物排放、提高热解产品质量和收率具有重要意义。

常规的分离技术难以达到高温热解气的除尘要求。如：旋风分离器要求较高的气速，且对5μm以下热解细颗粒的分离能力有限；静电除尘器和布袋除尘器可以捕集较细颗粒且效率较高，但通常不能耐受250℃以上的温度且受到腐蚀性气体的限制；陶瓷过滤器虽具有较高的除尘精度，但多孔陶瓷在粘性较大的热解气中易结焦堵塞，导致过滤压降迅速增大同时再生困难。现有工业生产用热解装置的热解油气除尘净化效果都不够理想，较多的粉尘进入后续油气冷凝回收系统，冷凝后的热解油中含尘多，极大地影响了热解油的品质，甚至无法使用。高含尘的重质热解液体产品易沉积输送管壁，由此导致管道变窄、甚至堵塞，使热解系统稳定性差，从而影响整个装置正常运转。因此，热解气高温除尘是当前生物质、煤或油页岩热解工艺中一个急需解决并且具有一定共性的关键问题。

通过与预除尘的旋风分离器串联组合，颗粒床过滤器应用于高温热解气除尘效果显著，可以达到很高的效率。旋风分离器串联颗粒床过滤除尘器的组合除尘系统，以一级旋风分离器作为预除尘设备去除大部分的大粒径粉尘，颗粒床过滤器作为二级过滤设备对含尘气体精细除尘。目前，旋风分离器与颗粒床过滤器串联的除尘系统向着两者紧密结合、兼具两者优点的组合式除尘器发展。与串联结构相比，组合除尘器显著地缩短了含尘热解气的停留时间，使可能产生的二次反应最小化。

对于旋流过滤组合除尘器研究发现，操作过程中保持气速恒定是关键。颗粒床过滤本身是一个非稳态过程，随着粉尘的沉积，颗粒床孔隙率降低而压降升高，从而引起过滤气速下降。颗粒床过滤气速下降必然会引起前一级旋流气速的降低，旋流气速对于旋风分离器的离心分离作用非常敏感。因此，在除尘过程中保持恒速过滤对于充分发挥旋流分离作用，提高整体除尘性能至关重要。发明专利US7309384B2提出了一种旋流分离与颗粒床逆流过滤组合除尘装置，采用了旋风分离器的筒锥外形结构，将旋风分离器的排气管改造为颗粒床过滤器。含尘气流切向进入以进行离心分离，然而该装置旋流筒体中安装了竖直导流板以改变气流方向，目的在于使颗粒床过滤时的速度分布更加均匀，但旋流没有经过充分发展而影响了离心分离效率。同时，经过旋流分离下来的粉尘再次落入颗粒床表面，形成了大量的热解粉尘堆积，当颗粒床移动时这部分粉尘易二次扬起。发明专利CN102805986A公布了一种旋流分离与颗粒床错流过滤的组合除尘器，该装置在外旋流区设计了旋流片结构，目的是使含尘气流强制旋转以提高离心分离效率，但该结构在增加了压降的同时又不利于热解粉尘收集。发明专利CN106215590A、CN106621583A和实用新型专利CN2076640U均采用旋流分离与颗粒床错流过滤的组合方式，这些方法虽然能够起到旋流分离的作用，但以上装置均没有考虑到过滤压降增大造成的旋流气速降低而离心分离作用衰减的问题。

由此，本发明提出了一种新型的旋流过滤组合除尘装置，保持操作过程中气速恒定以克服现有技术中存在的问题，既充分的利用了下行外旋流的离心分离作用，又能使进入的含尘气体经过颗粒床进行精细过滤。

发明内容

针对现有技术的缺陷，提供一种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置和方法。

可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置的技术方案为：一种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置，包括旋风分离器、颗粒床过滤器和变频风机，旋风分离器采用切流反转式的筒锥形结构，颗粒床过滤器设置在旋风分离器内部且采用移动式逆流过滤方式，变频风机设置在旋风分离器外侧用于抽气循环并通过变频器调节循环风量以控制旋流气速与过滤气速。

更进一步的，旋风分离器包括旋风分离器本体和底部灰斗，旋风分离器底部灰斗与旋风分离器本体连通，以收集通过离心作用而分离的大粒径粉尘；旋风分离器本体上设有含尘气流入口；灰斗上设有循环气流出口；变频风机设置在旋风分离器外侧，其入口与循环气流出口连通，其出口与含尘气流入口连通。

更进一步的，颗粒床过滤器包括依序贯通的位于顶部的加料罐、中部的移动床颗粒过滤器本体和底部的螺旋输送器；颗粒床过滤器本体设置在旋风分离器内，其顶部延伸到旋风分离器上方，中部呈筒锥形形状，与旋风分离器的形状相适配，底部合并成一条通道，并延伸到灰斗的中部，螺旋输送器的一端与颗粒床过滤器下端贯通，另一端穿过灰斗并延伸到其外部，并在螺旋输送器该端设置收集器。

更进一步的，颗粒床过滤器本体为与旋风分离器本体相适应的筒锥形结构；其相互之间留有间隔用于气体旋流；颗粒床过滤器本体内部设有筒锥状的改流体，改流体四周为装满滤料颗粒的横截面为环形的过滤空间；其锥体底部外壁设有进气分布器，其筒体内壁设有出气孔，其裸露在旋风分离器顶部之上的筒体设有一处洁净气体出口，洁净气体出口与内部改流体连通；下旋气流到达颗粒床过滤器锥体时，由进气分布器进入颗粒床过滤器内经由滤料颗粒过滤，洁净气体逐渐上升至出气孔，通入改流体内由洁净气体出口排出。

改流体的作用是改善移动床颗粒过滤器中滤料颗粒流动，目的是保持滤料颗粒能够均匀的向下流动，防止滤料颗粒流动出现漏斗流(中心流动而壁面不流动或流动缓慢)等现象。

更进一步的，进气分布器为若干个沿着颗粒床过滤器锥体外壁的径向设置的平行的环形侧缝。

更进一步的，旋风分离器内移动床颗粒过滤器本体的高度为2-5倍的颗粒床筒体直径，以保证旋流离心分离作用的充分发挥。

更进一步的，颗粒床过滤器、旋风分离器和改流体的锥体锥度相同，范围为60°-75°。

可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘方法，含尘气流切向进入旋风分离器进行旋转运动，粉尘在离心作用下与气体进行分离；旋转到锥体部分时，较大粒径的粉尘进入灰斗中，含有较小粒径粉尘的气流从进气分布器进入颗粒床过滤器本体内进行过滤，气体逆流向上，过滤后的气体从洁净气体出口流出；较细的粉尘颗粒进入移动床颗粒过滤器内部被捕集，并通过底部的移动颗粒床过滤器排出；变频风机从灰斗抽取一部分气流进行循环以控制系统恒速过滤，且调节旋流气速和过滤气速均保持在其对应的操作气速范围。

有益效果：

首先、本发明的技术方案使得高温热解气只需经过“外旋气流—颗粒床过滤”的过程而排出，相比于传统的旋风分离器串联颗粒过滤的方案，停留时间更短，使得可能的二次裂解反应最小化。

其次、本发明的恒速过滤技术方案，使得旋流气速和过滤气速均保持在其对应的最佳操作气速范围，将充分有效地利用外旋气流的离心分离作用，减轻颗粒床过滤的负荷，促进组合除尘器整体性能的提高。

第三、本发明的技术方案将一部分粉尘再次加入到含尘气流中，使得旋流入口粉尘浓度增加，促进粉尘颗粒间的团聚更有利于旋流离心分离，提高了组合除尘器的性能。

第四、本发明的组合除尘装置中两种分离过程的粉尘分别收集，无二次扬尘等相互干扰。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置和方法的示意图；

附图标记：

1-旋风分离器、2-颗粒床过滤器、3-变频风机、4-进气分布器、5-灰斗、6-螺旋输送器、7-改流体、8-加料罐、9-收集器、10-进气管、11-排气管、41-出气孔、N1-含尘气流第一入口、N2-循环气流入口、N3-含尘气流入口、N4-循环气流出口、N5-洁净气体出口、N6-洁净气体终端出口；

图2为本发明与常规操作的总效率对比；

图3为本发明与常规操作的旋流效率对比。

具体实施方式

本种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置，包括旋风分离器1、颗粒床过滤器2、变频风机3、环形的进气分布器4、灰斗5、螺旋输送器6和改流体7。旋风分离器1包括上下设置的旋风分离器本体和灰斗5，灰斗5与旋风分离器本体连通。旋风分离器本体选用切流反转式的筒锥形结构。旋风分离器本体的筒体壁面上设有切向的含尘气流入口N3，灰斗5的壁面上设有切向的循环气流出口N4。变频风机3的入口与循环气流出口N4连通，变频风机3的出口通向含尘气流入口N3。此处，变频风机3的入口与循环气流出口N4通过管道连通。含尘气流入口N3设有进气管，进气管的起端作为含尘气流第一入口N1，末端与含尘气流入口N3连接；中段设有一个循环气流入口N2，气体由变频风机3的出口通入循环气流入口N2，与含尘气流第一入口N1处的含尘气流混合汇入含尘气流入口N3。洁净气体出口N5处设有排气管11，排气管11的末端作为洁净气体终端出口N6与外界连通。

颗粒床过滤器2选用移动式过滤方式。颗粒床过滤器2同为筒锥状，其锥度与旋风分离器的锥度相同，其筒状的高度高于旋风分离器的高度。颗粒床过滤器2的内部设有改流体7，改流体为筒锥状，其锥体角度与颗粒床过滤器2的锥体角度一致，改流体插在颗粒床过滤器2的锥体处相互适配。改流体7四周的腔室内装满滤料颗粒。颗粒床过滤器2锥部外周设有若干个环形侧缝；筒体的内壁设有朝向改流体7的出气孔41；高出旋风分离器的筒体侧面设有一个洁净气体出口N5，洁净气体出口与改流体7连通。

颗粒床过滤器2设置在旋风分离器内并且相互之间保持间隔构成旋流空间。旋风分离器内移动床颗粒过滤器本体的高度为2-5倍的颗粒床筒体直径，以保证旋流离心分离作用的充分发挥。颗粒床过滤器2的顶部设有一个加料罐8并与之连通；底部设有一个螺旋输送器6，螺旋输送器6的末端设有一个收集器9。移动床颗粒过滤器底部设有出料口，该出料口与螺旋输送器6入料口采用法兰连接。

本实施例的运行过程为：热解气从含尘气流第一入口N1经由入口管路从含尘气流入口N3切向进入旋风分离器，含尘气流在旋风分离器与颗粒床过滤器2留出的间隔(旋流空间)内旋转向下流动，向下旋转到达颗粒床过滤器2的锥体部分，通过旋风分离器1的离心作用分离较大粒径的粉尘，较大粒径的粉尘到达灰斗5内。较细的粉尘颗粒从颗粒床过滤器锥体部分的进气分布器4进入颗粒床过滤器2内逆流向上被捕集。滤料颗粒是向下移动的，被捕集的粉尘在螺旋输送器6的运转下被输送至收集器9内。加料罐同时不断补给新的滤料颗粒。洁净的气体从出气孔内流出，进入中空内，最后随着洁净气体出口N5排出。

变频风机3从灰斗5处抽取一部分气流进行循环，循环的一部分粉尘进入含尘气流中，增大旋流入口粉尘浓度，促进颗粒团聚更有利于旋流离心分离。同时，变频风机3使得旋流气速和过滤气速保持恒定。

实施例1

本实施例为一个Φ200mm、20mm×60mm直切型切向进气口的切流反转式旋风分离器，一个Φ150mm的颗粒床过滤器和一个变频器控制的旋涡式风机。如图1，变频风机入口与底部灰斗循环气流切向出口连通进行抽气循环，变频风机出口与含尘气流入口端相连通。试验在常温下进行，试验装置采用吸风式负压操作。气体直接从大气吸入，经旋风分离器和颗粒床过滤器由风机抽出排空。旋流气速和过滤风速由管道上的毕托管测定。分别在除尘器出口和底部循环气流出口进行粉尘浓度测量以计算总除尘效率和旋流除尘效率。试验粉尘为中位粒径10.46μm滑石粉，过滤介质颗粒为1mm石英砂，气流的含尘浓度控制为2g/m³，初始的旋流气速为26m/s，过滤气速为0.8m/s。

常规的不调节流速操作的除尘装置与本发明的可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置和方法除尘性能试验对比结果如图2和图3所示。可见，常规操作和恒速操作的旋流过滤组合热解气除尘装置总除尘效率基本没有影响，说明一种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置和方法能得到很高的除尘效率。采用恒速操作的旋流过滤组合热解气除尘装置旋流除尘效率随着时间的变化保持不变，常规操作的旋流过滤组合热解气除尘装置旋流除尘效率在经过一段时间后会明显下降。说明恒速操作条件下，可以有效发挥旋流离心分离作用，有效降低进入颗粒床过滤器内粉尘浓度，降低颗粒床过滤器的负荷，可见本发明的一种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置和方法优势明显。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置，其特征在于：包括旋风分离器(1)、颗粒床过滤器(2)和变频风机(3)，旋风分离器(1)采用切流反转式的筒锥形结构，颗粒床过滤器(2)设置在旋风分离器(1)内部且采用移动床逆流过滤方式对含尘气体过滤，变频风机(3)设置在旋风分离器(1)外侧，用于抽气循环并通过变频器调节循环风量以控制旋流气速与过滤气速。

2.根据权利要求1的可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置，其特征在于：旋风分离器(1)包括旋风分离器本体和灰斗(5)，灰斗(5)与旋风分离器本体连通，以收集通过离心作用而分离的大粒径粉尘；旋风分离器本体靠近其上部侧壁开设有切向的含尘气流入口(N3)；灰斗(5)的侧壁开设有切向的循环气流出口(N4)；变频风机(3)设置在旋风分离器(1)外部，其入口与循环气流出口(N4)连通，其出口与含尘气流入口(N3)连通。

3.根据权利要求1的可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置，其特征在于：颗粒床过滤器(2)包括依序贯通的位于顶部的加料罐(8)、中部的移动床颗粒过滤器本体和底部的螺旋输送器(6)；颗粒床过滤器本体设置在旋风分离器(1)内，其顶部延伸到旋风分离器(1)上方，中部呈筒锥形形状，与旋风分离器(1)的形状相适配，底部合并成一条通道，并延伸到灰斗(5)的中部，螺旋输送器(6)的一端与颗粒床过滤器(2)下端贯通，另一端穿过灰斗(5)并延伸到其外部，并在螺旋输送器(6)该端设置收集器。

4.根据权利要求3的可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置，其特征在于：颗粒床过滤器本体为与旋风分离器本体相适应的筒锥形结构；其相互之间留有间隔用于气体旋流；颗粒床过滤器本体内部设有筒锥状的改流体(7)，改流体(7)四周为装满滤料颗粒的横截面为环形的过滤空间；其锥体底部外壁设有进气分布器(4)，其筒体内壁设有出气孔(41)，其裸露在旋风分离器顶部之上的筒体设有一处洁净气体出口(N5)，洁净气体出口(N5)与内部改流体(7)连通；下旋气流到达颗粒床过滤器锥体时，由进气分布器(4)进入颗粒床过滤器内经由滤料颗粒过滤，洁净气体逐渐上升至出气孔(41)，通入改流体(7)内由洁净气体出口(N5)排出。

5.根据权利要求4的可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置，其特征在于：进气分布器(4)为若干个沿着颗粒床过滤器锥体外壁的径向设置的平行的环形侧缝。

6.根据权利要求4的可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置，其特征在于：旋风分离器(1)内移动床颗粒过滤器本体的高度为2-5倍的颗粒床筒体直径，以保证旋流离心分离作用的充分发挥。

7.根据权利要求4的可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘装置，其特征在于：颗粒床过滤器(2)、旋风分离器(1)和改流体(7)的锥体锥度相同，范围为60°-75°。

8.一种可调节流速的旋流过滤组合热解气除尘方法，其特征在于：含尘气流切向进入旋风分离器进行旋转运动，粉尘在离心作用下与气体进行分离；旋转到锥体部分时，较大粒径的粉尘进入灰斗中，含有较小粒径粉尘的气流从进气分布器进入颗粒床过滤器本体内进行过滤，气体逆流向上，过滤后的气体从洁净气体出口流出；较细的粉尘颗粒进入移动床颗粒过滤器内部被捕集，并通过移动颗粒床过滤器排出；变频风机从灰斗抽取一部分气流进行循环以控制系统恒速过滤，且调节旋流气速和过滤气速均保持在其对应的操作气速范围。

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