CN111111334B - 一种多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器，由三层颗粒层和一层滤膜组成。颗粒层的上层是颗粒较大的珍珠岩层，中间是颗粒较小的海砂层，下层是细石英砂组成的粉体层，粉体层下方是滤膜层。由于采用了能耐受高温的梯级滤料和滤膜，不同大小的粉尘逐层被截留，这一方面减少了粉饼层和滤膜的阻力，延长了过滤时间；另一方面，保证了初始过滤的效果。该过滤器有如下优点：净化效率高，5um以下的细颗粒净化效率达到99.99％以上，起始出口浓度低于10mg/m3，稳定后的出口浓度低于4mg/m3；能耗低，压降低于2kPa，能满足燃煤电厂超低排放的要求和联合循环发电(IGCC)高温煤气净化的要求。

Description

一种多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器
技术领域
本发明涉及一种气固分离技术，尤其涉及一种多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器。
背景技术
随着目前环保态势的不断严峻，污染物的排放标准不断提高，随之而来的是，污染处理措施需要进一步升级。通常的烟气治理顺序为先脱硝、再除尘，最后脱硫。其原因为脱硝催化剂只能高温(450℃)运行，而通用的电除尘只能在300℃下运行。不过，先脱硝，粉尘会污染脱硝催化剂，从而导致脱硝效率低，且降低脱硝催化剂的寿命，需要频繁更换脱硝催化剂，如果采用高温除尘，让相对清洁的气流再进一步脱硝，可以降低催化剂的成本，从而提高脱硝的效率。
现有技术中，颗粒床除尘技术采用耐高温固体颗粒组成过滤层，通过惯性碰撞、扩散沉积、静电吸引等过滤机理对含尘气体进行过滤，其主要特点是可以耐受高温，在高温下进行气固分离。高温除尘技术不仅是提高烟气选择性催化还原脱硝技术(SCR)催化剂寿命和提高脱硝效率的最直接方法，而且是未来最有发展前途的可用于整体煤气化联合循环发电(IGCC)高温煤气、加压流化床燃烧技术(PFBC)和催化裂化(FCC)等高温烟气的除尘技术。
不过，颗粒床除尘技术虽然在400℃下总体除尘效率能达到99％以上，但对直径小于10μm的细微尘粒的过滤效率不足98.5％，不能满足燃煤电厂超低排放10mg/m3的要求，也不能满足煤气化联合循环发电(IGCC)过程中进入涡轮的气体必须净化至残留颗粒浓度在4mg/m3以下，99％的颗粒粒径应该小于6μm，而且不能出现10μm以上粒径的颗粒，这样严格的控制标准，单一的颗粒床除尘技术很难满足。
发明内容
本发明的目的是提供一种多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器，解决粉尘出口浓度高、细颗粒净化效率低的难题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器，包括壳体，所述壳体内设有三层颗粒层和一层滤膜，上层的颗粒层采用轻质粗颗粒，中层的颗粒层采用中细颗粒，下层的颗粒层采用最细的颗粒形成粉饼层，所述粉饼层之下为所述滤膜。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器，能耐受高温、且粉尘出口浓度低、细颗粒的净化效率高，能满足燃煤电厂超低排放的要求和联合循环发电(IGCC)高温煤气净化的要求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器结构示意图；
图2为本发明实施例中多层梯级滤料与滤膜组合的过滤器实验测试装置示意图；
图3为本发明实施例中滤料层数对多层滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器出口浓度的影响示意图；
图4为本发明实施例中滤料层数对多层滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器压力损失的影响示意图；
图5为本发明实施例中粉体层粒径对多层滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器出口浓度的影响示意图；
图6为本发明实施例中粉体层粒径对多层滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器压力损失的影响示意图；
图7为本发明实施例中粉体层粒径对多层滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器分级除尘效率的影响示意图；
图8为本发明实施例中粉体层厚度对多层滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器出口浓度的影响示意图；
图9为本发明实施例中粉体层厚度对多层滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器压力损失的影响示意图；
图10为本发明实施例中粉体层厚度对多层滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器分级除尘效率的影响示意图。
图2中：
1-空气压缩机；2-空气过滤器；3-转子流量计；4-粉尘发生器；5-气固分离过滤器；6-数字式微压计；7-滤膜；8-Welas传感器；9-气溶胶粒径谱仪主机；10-电脑控制器；11-洁净气流。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器，其较佳的具体实施方式是：
包括壳体，所述壳体内设有三层颗粒层和一层滤膜，上层的颗粒层采用轻质粗颗粒，中层的颗粒层采用中细颗粒，下层的颗粒层采用最细的颗粒形成粉饼层，所述粉饼层之下为所述滤膜。
所述上层的颗粒层采用珍珠岩，所述中层的颗粒层采用海沙，所述下层的颗粒层采用石英砂，所述滤膜为陶瓷膜或金属膜。
所述滤膜的孔径小于所述粉饼层颗粒的粒径。
所述壳体的顶端设有含尘气流入口，所述壳体的底端设有清洁气体出口。
本发明的多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器，解决粉尘出口浓度高、细颗粒净化效率低的难题。该过滤器由于采用了能耐受高温的梯级滤料和滤膜，不同大小的粉尘逐层被截留，这一方面减少了粉饼层和滤膜的阻力，延长了过滤时间；另一方面，保证了初始过滤的效果，因而，该过滤器有如下优点：①净化效率高，5um以下的细颗粒净化效率达到99.99％以上，起始出口浓度低于10mg/m3，稳定后的出口浓度低于4mg/m3；②能耗低，压降低于2kPa，远低于单一过滤式除尘器的约30kPa的压力损失。
本发明的多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器，能耐受高温、且粉尘出口浓度低、细颗粒的净化效率高，能满足燃煤电厂超低排放的要求和联合循环发电(IGCC)高温煤气净化的要求。
具体实施例：
多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器如图1所示，上层是颗粒较大的珍珠岩层，中间是颗粒较小的海砂层，下层是细石英砂粉体层，石英砂层下方再加一层滤膜层。把颗粒层最后一级的细颗粒层与滤膜结合形成类似粉尘层的固定粉体层，可以使细小粉尘粒子在过滤初期就能获得较高的除尘效率。同时，由于梯级过滤的作用，大颗粒粉尘基本被上层滤料捕集，粉体层捕集的大多数是较小的粉尘粒子，因此固定粉体层的使用寿命也能大大提升。与传统的颗粒层除尘器和布袋除尘器相比，这种多层滤料的颗粒层与滤膜组合的结构，既能耐高温耐腐蚀，又能在除尘初期就获得较高的除尘效率，在除尘性能上有较大的优势。
如图2所示，为本发明实施例中多层梯级滤料与滤膜组合的过滤器实验测试装置示意图；
首先，将干燥粉煤灰装入粉尘发生器，将滤膜固定于气固分离过滤器(内径5厘米，高1米)，并逐层装填过滤滤料，开空压机，空气经过过滤器后，利用转子流量计将空气流量调至1.25m3/h，在不发尘的情况下，通过数字式微压计测试清洁气流通过气固分离过滤器的压力损失。然后，打开粉尘发生器，形成含尘气流，利用气溶胶粒径谱仪测试气固分离过滤器入口和出口的粉尘浓度、粉尘的粒径分布，并且每隔5分钟记录一次压力损失。
实施例1
本实施例提供一种不同层的梯级滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器方法，从中可以确定三层滤料有利于提高除尘效率。
颗粒层滤料总高度80mm，利用5000目的实验粉煤灰考察有无海砂层对多层滤料与不锈钢滤膜(25um)组合的除尘性能的影响。过滤气速0.18m/s，实验入口浓度、过滤层构成和初始压降如表1所示。
表1滤料层数对气固分离效果影响的实验条件
Figure BDA0002346001440000041
滤料层数对多层滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器出口浓度和压力损失的影响如图3和图4所示。由图3可知，在滤料的总高80mm不变的情况下，当仅有珍珠岩和石英砂两层滤料时，粉煤灰的初始出口浓度超过25mg/m3，虽然随时间的增加，出口浓度逐渐降低，但5分钟后的出口浓度仍超过10mg/m3。当由珍珠岩、海沙和石英砂构成三层滤料时，粉煤灰的初始出口浓度降低至12mg/m3，且在5分钟以后的出口浓度稳定在5mg/m3。由此可见，三层滤料与二层滤料相比较而言，不仅初始出口浓度能够显著降低，而且能持续维持较低的出口浓度。由图4可知，三层滤料的压力损失于二层滤料的压力损失，且随时间的增加，其压力损失越来越大，其原因在于三层滤料的初始压力损失大约高于二层滤料的1.1kPa，因而，在过滤过程中，三层滤料的压力损失始终比二层高1.1kPa多。总体看来，如果需要出口浓度符合要求，三层滤料优于二层滤料。
实施例2
本实施例提供一种改变多层梯级滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器粉体层粒径的方法，从中，可以确定合适的粉体层粒径是0.125～0.18mm。
维持25um不锈钢滤膜，以及上层47mm厚，1.25～2mm珍珠岩，中间层30mm厚，0.355～0.6mm海砂，下层3mm厚粉体层不变，改变粉体层的粒径。利用5000目粉煤灰考察粉体层粒径对除尘性能的影响。过滤气速0.18m/s，不同粉体层粒径的粉尘入口浓度和清洁气流的压力损失如表2所示。
表2粉体层粒径对气固分离效果影响的实验条件
Figure BDA0002346001440000051
粉体层粒径对多层滤料与不锈钢滤膜(25um)组合的过滤器出口浓度、压力损失以及分级效率的影响分别如图如图5、图6和图7所示。
图5表明，最初，0.18～0.325mm石英砂层的出口浓度较高，接近20mg/m3，5分钟后降低至5mg/m3，大约12分钟后，又超过5mg/m3。0.125～0.18mm石英砂和0.075～0.15mm硅胶的初始出口浓度大约在12mg/m3，10分钟之后，0.125～0.18mm石英砂和0.075～0.15mm硅胶的出口浓度都维持在较低的水平，0.125～0.18mm石英砂的出口浓度最高1.81mg/m3，最低0.07mg/m3，0.075～0.15mm硅胶的出口浓度最高2.32mg/m3，最低0.14mg/m3。由此可见，0.18～0.325mm石英石由于粒径较大，初始出口浓度较高，需要进一步减少粉体层的粒径，不过，当粒径由0.125～0.18mm石英砂减少为0.075～0.15mm硅胶时，出口浓度的变化不大，说明没有必要再进一步减低粉体层的粒径。
由图6可知，过滤除尘5分钟时，0.18～0.325mm石英砂的压降为1.28kPa，相对于初始压力升高0.85kPa，0.125～0.18mm石英砂的压降为2.4kPa，相对于初始压力升高0.55kPa，0.075～0.15mm硅胶的压降为2.33kPa，相对于初始压力升高0.42kPa。由此可见，粉体层粒径越大，初始过滤时的压力损失越大。其原因为粉体层粒径较大时，刚开始没有形成粉饼过滤，当粉尘逐渐增多时，粉饼过滤在逐渐形成，在此过程中，压力损失逐渐加大。过滤除尘40分钟时，0.18～0.325mm石英砂的压降升高到1.67kPa，相比较5分钟，升高0.39kPa，0.125～0.18mm石英砂的压降升高到2.81kPa，相比较5分钟，升高0.41kPa，0.075～0.15mm硅胶的压降升高到2.92kPa，相比较5分钟，升高0.59kPa。从5分钟至40分钟，粉体层粒径越小，压力损失越大。有可能5分钟时，3种粒径的粉饼层均已经形成，都均已经进入到了滤饼过滤，此时，粉饼层粒径越小，阻力越大，压力损失越大。从压力损失的角度看，粉体层粒径并不是越小越好。
从图7可以看出，对于小于1.5μm的粉尘粒子，0.18～0.325mm石英砂的分级效率要低于0.125～0.18mm石英砂和0.075～0.15mm石英砂的分级效率，大于1.5um的粒子，其与0.125～0.18mm石英砂和0.075～0.15mm石英砂的分级效率相近。
综合出口浓度、分级效率和压降来分析，采用0.125～0.18mm的石英砂作为粉体层的床层结构是一种较优的粉体层粒径。
实施例3
本实施例提供一种改变多层梯级滤料与不锈钢滤膜组合的过滤器的粉体层厚度方法，从中，可以确定合适的粉体层厚度是2mm。
维持25um孔径的不锈钢滤膜和滤料层总高度80mm不变，改变下层0.125～0.18mm石英砂粉体层厚度，上层1.25～2mm珍珠岩作相应改变，中层0.355～0.6mm海砂层维持30mm不变。利用5000目粉煤灰考察粉体层厚度对除尘性能的影响。过滤气速0.18m/s，不同粉体层厚度的粉尘入口浓度和清洁气流的压力损失如表3所示。
表3粉体层厚度对气固分离效果影响的实验条件
Figure BDA0002346001440000061
不同粉体层厚度对多层滤料与不锈钢滤膜(25um)组合的过滤器出口浓度、压力损失以及分级效率的影响分别如图8、图9和图10所示。
图8表明，起初，三种粉体层厚度的出口浓度均在12mg/m3以下，过滤除尘10分钟以后，3mm厚粉体层的出口浓度最低，波动也较小，最高1.81mg/m3，最低0.07mg/m3。2mm厚粉体层的出口浓度稍高一点，最高2.64mg/m3，最低0.46mg/m3，也能满足低出口浓度的要求。1mm厚粉体层的出口浓度最高，波动剧烈，最高达到14.6mg/m3，最低0.73mg/m3，不符合除尘出口浓度的要求。
图9表明，3mm厚的粉体层的压力损失比1mm和2mm粉体层的压力损失高1kPa以上，1mm和2mm粉体层的压力损失却相差不大。
图10表明2mm和3mm厚的粉体层对0.5-5um的粉尘粒子的分级效率都接近100％，但是粉尘粒子直径越小，1mm粉体层的分级效率越低。
其原因为1mm粉体层厚度太薄，不能很好地覆盖不锈钢滤膜表面形成有效的粉体过滤层，“滤饼过滤”作用的效果不稳定，所以出口浓度较高波动较大，分级效率也较低。2mm粉体层相比于1mm粉体层较完善，刚好能覆盖不锈钢滤膜表面形成有效地过滤层，所以出口浓度降低明显，分级效率也有较高的提升，而压降却没有明显增大。3mm粉体层已经能对粉尘有效拦截，足以在其上形成粉饼，所以出口浓度很低，压降会有明显的增大。
综上所述，2mm厚的粉体层，能有效形成滤饼过滤的效果，在压力损失较低(40分钟后的压力损失小于1.8kPa)的情况下，可以达到出口浓度较低(初始浓度小于10mg/m3，5分钟后的浓度低于4mg/m3)的要求，且对细小粒子具有较高的捕集效率，是一种较优的厚度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种多层梯级滤料与滤膜组合的高温气固分离过滤器，其特征在于，包括壳体，所述壳体内设有三层颗粒层和一层滤膜，上层的颗粒层采用轻质粗颗粒，中层的颗粒层采用中细颗粒，下层的颗粒层采用最细的颗粒形成粉饼层，所述粉饼层之下为所述滤膜；
所述上层的颗粒层采用珍珠岩，所述中层的颗粒层采用海沙，所述下层的颗粒层采用石英砂，所述滤膜为陶瓷膜或金属膜；所述滤膜的孔径小于所述粉饼层颗粒的粒径；
所述壳体的顶端设有含尘气流入口，所述壳体的底端设有清洁气体出口；
所述三层颗粒层的总厚度为80mm；
所述上层采用珍珠岩的颗粒粒径为1.25～2mm；
所述中层的厚度为30mm，采用海沙的颗粒粒径为0.355～0.6mm；
所述下层的厚度为2mm，采用石英砂的颗粒粒径为0.125～0.18mm；
所述滤膜的孔径为25 μ m 。
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