CN111068917A - 针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法与装置 - Google Patents

针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法及装置，其是在密闭、氧气含量低于5%条件下，将碳热还原炉烟气通入荷电区，在荷电区设有阴电极，并以高温电加热电滤耦合组件作为阳电极，兼具集尘极的作用，在直流、交流或者脉冲高压电压作用下，荷电区会对烟气中的颗粒物进行荷电，荷电颗粒物在电场力及微孔物理阻力的作用下实现对颗粒物的有效去除，同时高温电加热电滤耦合组件能在电流作用下产生高温，对烟气进行加热，防止碳热还原炉烟气冷凝，有效地解决了部分碳热还原炉烟气如黄磷烟气冷凝对管道的堵塞现象；本发明很大程度提高中了高温碳热还原炉工业废气中颗粒物的高效去除效率。

Description

针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法与装置
技术领域
本发明涉及除尘设备领域，具体涉及一种针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法与装置。
背景技术
有色金属工业是矿物加工工业，物流量大，工艺流程长，是环境污染的主要行业之一。尤其因为我国金属矿物品位低、结构复杂、并常与有毒的金属和非金属元素共生，所以在采、选、冶、加工各流程均产生较大量的有害废渣(石)、废水和废气，造成严重环境污染。有色金属工业生产每年排放可能超过3亿吨的温室气体(折合CO2)，还排放大量的其它有害气体，如SO2等。同时大量的余热不能得到有效利用，造成能源浪费。严重影响着中国有色金属工业的可持续发展。
黄磷是一种重要的化工产品，我国是世界上主要的产磷国和出口国。黄磷的生产通常采用电炉法，每生产1t 黄磷副产尾气2500 -3000Nm3。黄磷蒸气主要成分为一氧化碳，一般含量在85-95%，另外还有氮气、氢气、二氧化碳等气体，并有少量未冷凝下来的磷，此外还含有P4、H2S 、F 等杂质。黄磷蒸气富含CO，炉气热值在10000kJ/m3左右，可以作为燃料，其中的CO、H2更是宝贵的化工原料，综合利用途径很广。但由于黄磷蒸气中有害杂质种类较多，净化分离难度较大，阻碍了黄磷蒸气的有效利用。
磷蒸气生产中，黄磷生产除尘可分为湿法除尘和干法除尘，国内大部分的黄磷生产线都采用湿法除尘技术，但湿法除尘不仅需要消耗水，还产生大量的泥磷，产生大量的含磷污水，常见的废气干法除尘有旋风除尘、布袋除尘、膜过滤、电除尘和电-袋除尘技术。传统旋风除尘器可以净化高温、高含尘浓度的烟气，且结构简单，易于制造、安装和维护管理，设备投资和操作费用都较低，但除尘效率仅为20%-30%，对细颗粒物效果不佳。袋式除尘器是的以广泛推广应用的除尘技术，结构简单，维护操作方便。对粉尘的特性不敏感，不受粉尘及电阻的影响，净化后粉尘排放浓度可小于30mg/m3，但其操作温度一般要求低于280℃，且对细微粉尘的处理效果不理想。
传统单元式控制技术难以满足越来越严格的细颗粒物净化要求，各种技术的耦合作用开始受到人们的关注，复合除尘技术可以很好的利用各个单个除尘技术的优点，达到最高的去除效率。例如，把电除尘技术和袋式除尘技术结合起来的电袋除尘技术，专利《电袋复合除尘器电区顶部阴极电磁振打装置》(授权公告号CN 203155405 U）介绍了一种阴极电磁振打装置，主要是合理改善了一些机械振打的劣势，避免了二次飞扬加重的情况，对于电袋除尘器的使用寿命及稳定性有了一定程度的提高，但是该方法仅仅从外部利用电磁作用改善电袋除尘器中部分装置的使用效果，没有从技术层面将电磁调控利用到底。电除尘和旋风除尘结合发展起来的电旋风除尘技术，专利《一种基于外交变磁加强的静电旋风除尘系统》（授权公告号 CN 203155405 U）中介绍了一种通过外交变磁调控改变带电颗粒物在除尘器内所受磁场力的方向，延长了其在电场中的作用时间，最终通过电场去除带电颗粒物，该方法虽然提高了小颗粒物的去除效率，但是延长了除尘时间，增加了运行成本，并且容易受到颗粒本身性质，灰尘浓度的影响，导致其不能保持高效稳定的除尘效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法，以达到对碳热还原炉烟气中高温工业废气中细颗粒物的分级高效去除目的；该方法不仅除尘效率高，且处理黄磷烟气时不需要消耗水，不会产生泥磷，从根本上解决了黄磷烟气湿式除尘的缺点。
本发明针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法是在密闭、氧气含量低于5%条件下，将碳热还原炉烟气通入荷电区，在荷电区设有阴电极，并以高温电加热电滤耦合组件作为阳电极，兼具集尘极的作用，在直流、交流或脉冲高压电压作用下，荷电区会对烟气中的颗粒物进行荷电，荷电颗粒物在电场力及微孔物理阻力的作用下实现对颗粒物的有效去除，同时高温电加热电滤耦合组件能在电流作用下产生高温，对烟气进行加热，防止碳热还原炉烟气中的特殊组分如黄磷蒸气冷凝，有效地解决了烟气中的特殊组分冷凝对管道的堵塞现象。
所述高温电加热电滤耦合组件是由纵筋和支撑环纵横叠交焊接而成的中空圆柱形笼体，中空圆柱形笼体外套装有滤布层，纵筋和支撑环均是由耐高温、耐腐蚀、具有良好电发热性能的材料制得。
或者高温电加热电滤耦合组件是由纵筋和支撑环纵横叠交焊接而成的带有微孔的中空圆柱形笼体或者为带有微孔的中空圆柱体，纵筋、支撑环以及带有微孔的中空圆柱体由耐高温、耐腐蚀、具有良好电发热性能的材料制得；纵筋和支撑环纵横叠交焊接而成的带有微孔的中空圆柱形笼体或者带有微孔的中空圆柱上的微孔孔径为1~100μm；此高温电加热电滤耦合组件外部不必附有滤布；
上述耐高温、耐腐蚀、具有良好电发热性能的材料为碳化硅、碳纤维、不锈钢、金属钼、镍铬合金、铁铬铝合金、氧化锆、二硅化钼中的一种。
所述滤布为普通滤布、电滤布、金属滤布、加电后发热的滤布或表面附有催化材料具有催化功能的滤布，滤布材料为铝合金、玻璃纤维、聚四氟乙烯、碳纤维、碳化硅、金属钼、碳纤维、不锈钢、镍铬合金、铁铬铝合金、氧化锆、二硅化钼中的一种，加电后发热的滤布产生的温度为100~500℃，表面附有催化材料具有催化功能的滤布，滤布上的催化剂涂层材料为Ag、Pt、Co、Mn、Fe、Cu、TiO2-SiO2、Fe2O3-TiO2、Fe3O4-TiO2、CeO2-TiO2、MnO2-TiO2、ZrO2-TiO2、Ag2O-ZrO2中的一种或任意比几种；电滤布参照“一种电滤布及其应用”中的方法制得。
所述高温电加热电滤耦合组件的加热温度为200~800℃，所耐受的pH值为3~11之间。
所述阴电极为针状电极、双区柱状电极、中心骨刺状电极、线状电极、双区半骨刺电极、锥形栅状电极中的一种，电极材料为碳化硅、碳纤维、不锈钢、纯钼中的一种。
所述烟气入口流速为5m/s~23m/s，氧含量低于5%，当选用直流高压电压作用时，放电电压为10kV~100kV；当选用交流高压电压作用时，交流放电电压为10kV~300kV；当选用脉冲高压电压作用时，放电电压为10kV~200kV；烟气入口气体温度为100℃~300℃。
本发明另一目的是提供完成上述方法的装置，其包括一个以上的除尘单元、鼓风机、绝缘支座、高压电源，其中除尘单元包括绝缘外壳、出气通道、绝缘固定支架、高温电加热电滤耦合组件、阴电极、喷头，绝缘固定支架固定在绝缘外壳顶部的固定板下方，一个以上的高温电加热电滤耦合组件固定在绝缘固定支架下方，2个以上的阴电极固定在绝缘固定支架上并位于高温电加热电滤耦合组件周围，喷头固定在固定板下并位于高温电加热电滤耦合组件的上方，固定板与绝缘固定支架之间设置有出气通道，除尘单元之间的出气通道贯通并在尾端设置有出气口，绝缘外壳下部一侧开有进气口，灰斗固定在绝缘外壳底部，高压电源分别与高温电加热电滤耦合组件、阴电极连通，除尘单元固定在绝缘支座上，鼓风机通过管道与喷头连通。
所述灰斗为漏斗状，斗壁斜度≥60°，灰斗下灰口大小依排灰量大小选定，但最小不得小于300×300mm。
所述清灰时所鼓入的气体为N2，可对尘集的颗粒物进行吹脱，保持除尘器去除效率。
所述装置在进气口及出气口位置要做好密封，必要的关键位置宜采用氮气密封，防止空气进入除尘器内部影响除尘效果。
本发明的优点：
（1）本发明方法及装置在净化碳热还原炉烟气过程中不仅除尘效率高，且作为干法除尘，不需要消耗水，因此在处理类似于黄磷烟气的过程中不会产生泥磷污染，从根本上解决了湿式除尘的缺点，并且同时位于除尘器中部的高温电加热电滤耦合组件能在电流作用下产生高温，对烟气进行加热，防止烟气中相关组分冷凝，有效地解决了烟气中相关组分冷凝对管道的堵塞现象；
（2）系统研究细颗粒物在流场、电场等多物理场中凝并及沉降规律；本发明针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘技术，将流场、电场效应同时应用于细颗粒物的净化过程中，并探究了细颗粒物的凝并及沉降去除机制，为资源型行业生产中细颗粒物的经济高效去除提供一种技术选择；
（3）本方法是一种创新性的除尘方法，利用各种除尘技术的协同作用使之对含尘废气有良好的处理效果，特别是对于粒径为0.1~2.5μm的细颗粒亚微米粒子进行有效捕集；
（4）本发明是一种新的中高温电滤耦合除尘机制，针对不同粒径的颗粒物，通过电滤耦合强化及调控，可实现细颗粒物的高效分离去除，为新型电滤强化除尘技术的发展提供方向。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为高温电加热电滤耦合组件和阴电极的排布结构示意图；
图中：1-灰斗；2-进气口；3-外壳；4-固定板；5-鼓风机；6-出气通道；7-绝缘固定支架；8-出气口；9-高温电加热电滤耦合组件；10-喷头；11-阴电极；12-绝缘支座；13-高压电源。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
我国黄磷工业产生的黄磷蒸气中粉尘的浓度含量较高，一般为35-55mg/m3，极端情况下甚至高于100 mg/m3。黄磷蒸气生产中，黄磷生产除尘可分为湿法除尘和干法除尘，国内大部分的黄磷生产线都采用湿法除尘技术，但湿法除尘不仅需要消耗水，还产生大量的泥磷，产生大量的含磷污水，而利用本发明中的一种针对黄磷蒸气干式中高温分级电滤除尘装置净化黄磷蒸气过程中不仅除尘效率高，且不需要消耗水，不会产生泥磷，从根本上解决了湿式除尘的缺点。
实施例1：如图1、2所示，本实施例中使用的装置包括3个除尘单元、鼓风机5、绝缘支座12、高压电源13，其中除尘单元包括绝缘外壳3、出气通道6、绝缘固定支架7、高温电加热电滤耦合组件9、阴电极11、喷头10，绝缘固定支架7固定在绝缘外壳3顶部的固定板4下方，6个高温电加热电滤耦合组件9固定在绝缘固定支架7下方，3个阴电极11固定在绝缘固定支架7上并位于高温电加热电滤耦合组件周围，2个喷头10固定在固定板4下并位于高温电加热电滤耦合组件9的上方，固定板4与绝缘固定支架7之间设置有出气通道6，除尘单元之间的出气通道6贯通并在尾端设置有出气口8，绝缘外壳3下部一侧开有进气口2，漏斗状的灰斗1固定在绝缘外壳3底部，高压电源13分别与高温电加热电滤耦合组件9、阴电极11连通，除尘单元固定在绝缘支座12上，鼓风机5通过管道与喷头10连通。
将200℃的高尘黄磷蒸气经进气口2通入绝缘外壳3中，其中烟气流速为10m/s，含颗粒物浓度为45 mg/m3，氧气含量低于3%；荷电区中阴电极11采用中心骨刺状电极，电极材料为不锈钢，阳电极为高温电加热电滤耦合组件9，其采用碳化硅为材料，由纵筋和支撑环纵横叠交焊接成中空圆柱形笼体，在笼形件外部附有一层由玻璃纤维制成的滤布，滤布孔径为30μm；并将阴电极和阳电极接入50kv的直流高压电源13，高温电加热电滤耦合组件9加热的温度为300℃；气体由进气口2进入荷电区，在荷电区对颗粒物进行荷电；带电颗粒物在电场力的作用下向集尘极阳极电加热电滤耦合组件移动，被滤布拦截后一部分落入灰斗1中，另一部分在清灰系统（鼓风机5、喷头10）使用N2进行清灰时落入灰斗中，蒸气温度在电加热电滤耦合组件的加热下维持在300℃左右，以防止磷的析出；处理后的尾气由出气口排出，进入后续的收磷等工艺中，此时尾气含尘浓度10mg/m3。
实施例2：本实施例使用的装置结构同实施例1；
将150℃的高尘黄磷蒸气经进气口2通入绝缘外壳3中，其中烟气流速为15m/s，含颗粒物浓度为60mg/m3，氧气含量低于4%；荷电区中阴电极11采用锥形栅状电极，电极材料为碳化硅，阳电极为高温电加热电滤耦合组件9，其采用铝合金为材料制得中空圆柱体，然后柱体上通过激光打孔制成微孔，孔径为60μm；并将阴电极和阳电极接入100kv的交流高压电源13，高温电加热电滤耦合组件9加热的温度为400℃；气体由进气口2进入荷电区，在荷电区对颗粒物进行荷电；带电颗粒物在电场力的作用下向集尘极阳极电加热电滤耦合组件移动，被滤布拦截后一部分落入灰斗1中，另一部分在清灰系统（鼓风机5、喷头10）使用N2进行清灰时落入灰斗中，蒸气温度在电加热电滤耦合组件的加热下维持在300℃左右，以防止磷的析出；处理后的尾气由出气口排出，进入后续的收磷等工艺中，此时尾气含尘浓度8mg/m3。
根据《有色金属工业发展规划》（2016-2020年），我国有色冶炼烟气排放量高达3.62万亿m3/a，粉(烟)尘排放量高达38.4801万t/a。有色冶炼烟气造成的大气环境污染问题已成为制约有色金属行业可持续发展关键因素之一。利用湿法除尘工艺除尘后燃烧排放，颗粒物排放浓度高达300mg/m3。湿法工艺应用不仅存在大量重金属颗粒物排入大气而加剧重金属污染和雾霾形成的问题，还会产生大量混杂重金属及HCN、H2S等的高毒难处理废水，也是重金属和硫资源的极大浪费。若能采取干法分级高效除尘脱除尾气中细颗粒物，则有望实现尾气全组分回收，产生显著的环境效益和经济效益，本发明方法与装置可以避免湿法除尘的不足。
实施例3：本实施例使用的装置结构同实施例1；
将500℃铜冶炼制酸烟气经进气口2通入绝缘外壳3中，其中烟气流速为10m/s，烟气含颗粒物浓度为200 mg/cm3，烟气中还含有一些气态重金属物质，如As等，氧气含量低于2%；荷电区中阴电极11采用双区半骨刺电极，电极材料为不锈钢，阳电极为高温电加热电滤耦合组件9，其采用碳化硅材料，由纵筋和支撑环纵横叠交焊接而成的带有微孔的中空圆柱形笼体，孔径为20μm；并将阴电极和阳电极接入80kv的直流高压电源13，在荷电区产生电晕放电现象，高温电加热电滤耦合组件9加热的温度为500℃；气体由进气口2进入荷电区，在荷电区对颗粒物进行荷电；带电颗粒物在电场力的作用下向集尘极阳极电加热电滤耦合组件移动，被滤布拦截后一部分落入灰斗1中，另一部分在清灰系统（鼓风机5、喷头10）使用N2进行清灰时落入灰斗中，处理后的尾气由出气口排出；
一次除尘后的烟气经U型表冷器降温至300℃，此时之前烟气中的气态重金属物质开始冷凝为细颗粒物，因此需再设置一级本发明的除尘装置，对重金属细颗粒物进行去除，处理后的烟气则用于下一步的制酸工艺中，此时尾气含尘浓度为3mg/m3。
实施例4：本实施例使用的装置结构同实施例1；
将460℃锌冶炼烟气经进气口2通入绝缘外壳3中，其中烟气流速为5m/s，烟气含颗粒物浓度为100 mg/cm3，烟气中还含有一些有害的气态物质，如H2S、HCN、COS等，氧气含量低于2%；荷电区中阴电极11采用中心骨刺状电极，电极材料为不锈钢，阳电极为高温电加热电滤耦合组件9，其采用碳化硅材料，外部附有一层具有催化功能的电滤布，其表面附有的催化材料为CeO2-TiO2复合材料；并将阴电极和阳电极接入120kv的脉冲高压电源13，在荷电区产生电晕放电现象，高温电加热电滤耦合组件9加热的温度为400℃；气体由进气口2进入荷电区，在荷电区对颗粒物进行荷电；带电颗粒物在电场力的作用下向集尘极阳极电加热电滤耦合组件移动，被滤布拦截后一部分落入灰斗1中，另一部分在清灰系统（鼓风机5、喷头10）使用N2进行清灰时落入灰斗中，烟气中的一些有害的气态物质H2S、HCN、COS等在电晕放电及催化滤布的共同作用下，被氧化为CO2、N2、SO4 2-、H+等无害的离子，处理后的尾气由出气口排出，此时尾气含尘浓度为3 mg/m3，H2S浓度为20mg/m3，HCN浓度为10mg/m3，COS浓度为10mg/m3。

Claims (12)

1.一种针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法，其特征在于：在密闭、氧气含量低于5%条件下，将碳热还原炉烟气通入荷电区，在荷电区设有阴电极，并以高温电加热电滤耦合组件作为阳电极，兼具集尘极的作用，在直流、交流或脉冲高压电压作用下，荷电区会对烟气中的颗粒物进行荷电，荷电颗粒物在电场力及微孔物理阻力的作用下实现对颗粒物的有效去除，同时高温电加热电滤耦合组件能在电流作用下产生高温，对烟气进行加热，防止碳热还原炉烟气冷凝，有效地解决了碳热还原炉烟气中组分冷凝对管道的堵塞现象。
2.根据权利要求1所述的针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法，其特征在于：高温电加热电滤耦合组件是由纵筋和支撑环纵横叠交焊接而成的中空圆柱形笼体，中空圆柱形笼体外套装有滤布层，纵筋和支撑环均是由耐高温、耐腐蚀、具有良好电发热性能的材料制得。
3.根据权利要求2所述的针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法，其特征在于：滤布为普通滤布、电滤布、金属滤布、加电后发热的滤布或表面附有催化材料的滤布；滤布材料为铝合金、玻璃纤维、聚四氟乙烯、碳纤维、碳化硅、金属钼、碳纤维、不锈钢、镍铬合金、铁铬铝合金、氧化锆、二硅化钼中的一种，加电后发热的滤布产生的温度为100~500℃。
4.根据权利要求1所述的针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法，其特征在于：高温电加热电滤耦合组件是由纵筋和支撑环纵横叠交焊接而成的带有微孔的中空圆柱形笼体或者为带有微孔的中空圆柱体，纵筋、支撑环以及带有微孔的中空圆柱体由耐高温、耐腐蚀、具有良好电发热性能的材料制得。
5.根据权利要求2或4所述的针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法，其特征在于：耐高温、耐腐蚀、具有良好电发热性能的材料为碳化硅、碳纤维、不锈钢、金属钼、镍铬合金、铁铬铝合金、氧化锆、二硅化钼中的一种。
6.根据权利要求4所述的针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法，其特征在于：纵筋和支撑环纵横叠交焊接而成的带有微孔的中空圆柱形笼体或者带有微孔的中空圆柱体，其上的微孔孔径为1~100μm。
7.根据权利要求1所述的针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法，其特征在于：高温电加热电滤耦合组件的加热温度为200~800℃。
8.根据权利要求1所述的针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法，其特征在于：阴电极为针状电极、双区柱状电极、中心骨刺状电极、线状电极、双区半骨刺电极、锥形栅状电极中的一种，电极材料为碳化硅、碳纤维、不锈钢、纯钼中的一种。
9.根据权利要求1所述的针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法，其特征在于：烟气入口流速为5m/s~23m/s，氧含量低于5%，当选用直流高压电压作用时，放电电压为10kV~100kV；当选用交流高压电压作用时，交流放电电压为10kV~300kV；当选用脉冲高压电压作用时，放电电压为10kV~200kV；烟气入口气体温度为100℃~300℃。
10.完成权利要求1-9中任一项所述的针对碳热还原炉烟气干式中高温分级电滤除尘的方法的装置，其特征在于：包括一个以上的除尘单元、鼓风机（5）、绝缘支座（12）、高压电源（13），其中除尘单元包括绝缘外壳（3）、出气通道（6）、绝缘固定支架（7）、高温电加热电滤耦合组件（9）、阴电极（11）、喷头（10），绝缘固定支架（7）固定在绝缘外壳（3）顶部的固定板（4）下方，一个以上的高温电加热电滤耦合组件（9）固定在绝缘固定支架（7）下方，2个以上的阴电极（11）固定在绝缘固定支架（7）上并位于高温电加热电滤耦合组件周围，喷头（10）固定在固定板（4）下并位于高温电加热电滤耦合组件（9）的上方，固定板（4）与绝缘固定支架（7）之间设置有出气通道（6），除尘单元之间的出气通道（6）贯通并在尾端设置有出气口（8），绝缘外壳（3）下部一侧开有进气口（2），灰斗（1）固定在绝缘外壳（3）底部，高压电源（13）分别与高温电加热电滤耦合组件（9）、阴电极（11）连通，除尘单元固定在绝缘支座（12）上，鼓风机（5）通过管道与喷头（10）连通。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：灰斗为漏斗状。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：清灰时所鼓入的气体为N2。
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