CN113750692B - 一种相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置及方法 - Google Patents

一种相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置及方法。本发明针对陶瓷膜过滤气体应用温度和除尘效率高，但是同时存在成本高，磨损严重、对超细粉尘过滤率降低等问题，借鉴湿法除尘对全粒径粉尘除尘效率高的优点，利用相变材料的高温相变及相变温度的可控特性，克服水介质湿法除尘应用环境温度低导致气体余热损失大及耗水量大等局限，将之与陶瓷微球除尘技术相结合，实现气体除尘温度高和效率高的双赢。一是提高了对高温烟气超细粉尘的捕获率；二是减小了高温烟气温降，为高热值能源回收与利用创造条件；三是减少陶瓷的高温磨损，提高陶瓷材料的使用寿命，规避了更换过程对连续化生产的影响，保证了除尘效率和收尘率的稳定性和一致性，降低了除尘运行成本。

Description

一种相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置及方法
技术领域
本发明涉及一种超细粉尘分离装置及方法，特别涉及一种相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置及方法。
背景技术
工业高温烟气是大气污染中一个主要的污染源。主要来自于煤炭燃烧、钢铁与有色冶金以及水泥、陶瓷与建材等基础工业领域。近年来国家大气体污染防治力度加强，推动着高温烟气除尘技术的不断发展。工业高温烟气中一般含有一定量的超细粉尘和诸如硫化物或者氮化物等气体污染物。高温含尘烟气处理的主要原则分别是有价粉尘(资源)回收、热能再利用及环保达标排放等。目前国内外除尘技术主要有旋风除尘、布袋除尘、电除尘、湿式除尘、多孔陶瓷膜过滤以及其他的一些除尘方式。然而，旋风除尘的除尘效率低，只能用于预处理，除去其中较大粒度粉尘，不满足环保排放要求。布袋式除尘受滤料的耐温耐腐蚀等性能限制，使用温度一般≤300-400℃，既不能满足高温烟气净化的要求，也不利于高温热能的回收。电除尘存在电晕放电不稳定，电极寿命短，对烟气成分敏感，高温绝缘等一系列问题。湿式除尘器采用的是粉尘颗粒与液滴碰撞、捕捉并沉积原理。湿式除尘器可以适用于一些温度较高、湿度大的烟气粉尘处理中，例如一些烧煤和烧油的工厂、发电厂和炼钢厂等。湿式除尘器原理简单，投资比较小，除尘率高，因此适用范围广泛。但是湿法除尘存在用水量大，热能回收率低等问题，并不是高温烟气处理最理想的除尘方法。为了降低除尘过程对烟气温度的影响，多孔陶瓷/合金膜过滤器应运而生。多孔陶瓷/合金膜具有耐高温、耐腐蚀、机械强度大，结构稳定性好，可反复清洗再生等优点，尤其是对于PM2.5以下的超细尘粒的过滤效率是最高的。因此，本世纪以来被快速推广应用。近20年来的工业应用，发现多孔陶瓷/合金膜依然存在诸多问题。一是使用温度不高，一般在500-600℃作用，高于布袋式收尘，但是低于烟气温度800-1000℃；二是多孔膜反吹再生过程易出现热应力疲劳破坏，使用寿命不高；三是使用过程中的磨损与腐蚀严重，导致膜孔径变大，稳定性差；四是固定投资高，多孔陶瓷/合金膜管更换困难且对生产影响较大。等等这些问题严重制约了多孔陶瓷/合金薄膜在工业中的广泛应用。高温陶瓷球过滤技术是在陶瓷膜技术的发展基础上，解决了静置高温陶瓷/合金膜随沉积粉尘量的增大而气阻增加，或者磨损与腐蚀增加而收尘效率降低的问题。但是对收尘率稍有降低。高温烟气除尘既是工业资源回收利用问题，也是能源回收利用问题，更是环保达标与稳定生产的问题。涉及的不仅是材料、系统、结构问题，还有除尘工艺过程与应用问题，是多学科与多专业领域跨界融合的问题。随着节能减排以及“双碳”目标的提出，高温气体中超细粉尘分离与气体净化问题，已经成为国内外的高新技术，对国家经济发展、环境改善以及生态文明建设影响重大。
目前，国际上对于陶瓷膜用于高温含尘气体的深度净化方面有很大进展。在英国，用无机陶瓷过滤器处理燃煤工厂的废气已被证实是最适合的颗粒脱除技术，在电站多采用陶瓷膜过滤器进行烟气除尘。美国研制的多孔陶瓷膜过滤器，直接安装在烟道中可以去除99％的烟尘粒子。另外，美国还开发出一种错流多孔陶瓷片过滤器，其滤料是多孔陶瓷膜，2层膜间用波状板隔开，相邻波状板的方向相互垂直，其除尘效率可达99.6％～100％。这种除尘器采用脉冲清灰效果很好。目前，德国、美国、日本等公司开发的刚性烛状陶瓷膜过滤器，除尘效率均达99.9％以上。(参考文献：高温含尘气体净化用陶瓷膜研究现状与发展趋势)
对于湿法除尘方式而言，国内外在除尘器设计和改造方面的研究现状：波兰根据国家煤矿巷道断面小的问题，成功研究湿式旋流除尘器，该除尘器对呼吸性粉尘的去除效率可以达到96％以上；潘晓军提出了“涡流净化机制”技术，该技术能够解决雾化混合，除湿，渣水分离和材料腐蚀等问题；翟云波等人则针对综合式除尘器，采用文丘里、旋流板、喷淋和折流除雾器的方法对原有除尘器进行改造等。
对于有些湿式除尘器，如填料塔洗涤除尘器和湿式离心式洗涤除尘器，利用水进入除尘器后，在其内表面形成一层液膜，进入装置内气流中的尘粒受惯性的离心力的作用冲击到液膜中被捕捉而完成除尘过程。在这些湿式除尘器中，气液两相接触表面为液膜，液膜是这类除尘器的主要捕尘体，粉尘粒子在液膜上得到沉降。(参考文献：一种复合式湿式除尘器设计、实验及模拟研究)
高温陶瓷球除尘器属于一种新型的颗粒球除尘器，其原理和袋式除尘器类似，大粒径的颗粒通过重力沉降滤除，小粒径颗粒通过陶瓷球间隙阻拦滤除。因陶瓷球一般用硅藻土，A12O3等烧制而成，使得其能经受近1000度高温，陶瓷球硬度大，方便运输，可重复使用，能通过气反吹，去除陶瓷球间沉降的粉尘，恢复球层通风性，使得设备能长时间运行，有效降低设备成本和运行成本。高温陶瓷球除尘器作为一种新型的除尘设备，可以在低温和高粉尘浓度的烟气环境中使用，还能适用于高温、耐腐蚀等其它除尘设备无法使用的环境。(参考文献：高温陶瓷球烟气除尘电模拟及仿真研究)。
前述已知，常用的多孔陶瓷/合金膜过滤方法存在如下问题。一是使用温度不高，一般在500-600℃以下，高于布袋式收尘，但远低于一般烟气温度800-1000℃；二是多孔陶瓷/合金膜需要反吹再生，导致陶瓷膜需要在高低温交替作用工作下，易出现热应力疲劳破坏，使用寿命不高；三是使用过程中的磨损与腐蚀，导致膜孔径变大，除尘稳定性差；四是陶瓷/合金膜投资高，微区磨损或腐蚀破坏将导致整个管膜更换，影响连续化生产。等等这些问题严重制约了多孔陶瓷薄膜在工业中的广泛应用。高温陶瓷球除尘器作为一种新型的颗粒球除尘器，实现了陶瓷/合金膜由静态向动态的转变，克服了陶瓷/合金膜局部损坏需要整根管膜更换而影响使用效率和寿命等问题，但是收尘效率有所降低。目前，高端高温气体超细粉尘除尘技术与装置还依赖国外进口，影响大型企业稳定运行，成为外国公司对我们的“卡脖子”问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既充分利用陶瓷耐抗高温与耐磨损特征，也充分利用了陶瓷球过滤器动态与连续化特征，更充分利用了湿法除尘对全尺域粉尘高效率的特征，实现了“高温强度与耐磨材料+连续稳定运行结构+高收尘率”三指标有机结合，特别针对高温气体超细粉尘净化意义重大的相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置及方法。
为达到上述目的，本发明的装置包括：包括连通有进气管道、另一侧连通有排气管道的过滤器筒体，在过滤器筒体上、下端分别设置有陶瓷球进料管道和复合陶瓷球卸料管道，所述过滤器筒体内部设置有玻璃相包裹陶瓷球，所述的过滤器筒体的复合陶瓷球卸料管道下端依次连通有复合陶瓷球分离区、冷却器、颗粒检测区和陶瓷球再生区；
所述的复合陶瓷球由10～100μm的陶瓷实心微球以及附着在该陶瓷实心微球表面的根据待处理的高温烟气温度而确定的相变温度点的玻璃层或可液化的硅化物组成。
可根据高温气体温度、粒径范围进行粒度选择。
所述的进气管道上安装有进气阀门。
所述的排气管道上安装有引风机和排气阀门。
所述的进料管道上设置有带进料阀门的陶瓷球存储盒。
所述的过滤器筒体上开设有取样孔。
所述的复合陶瓷球卸料管道上安装有卸料阀门。
采用以上装置的高温气体细粉尘分离方法为：
1)首先，开启进气阀门，高温烟气经进气管道进入到过滤器筒体内，烟气自一侧向另一侧穿过过滤器筒体内填满的复合陶瓷球，陶瓷球表面的玻璃相或可液化的硅化物因为受高温烟气热量熔化，高温气体中的超细粉尘通过液态玻璃相或可液化的硅化物包裹陶瓷球时，受到“湿态”玻璃或可液化的硅化物的吸附与捕捉而沉积在玻璃相或可液化的硅化物中，完成粉尘与气体的分离。经过滤后的烟气灰尘经过引风机的作用下，开启排气阀门从排气管道排出；
2)其次，当需更换新的陶瓷球时，通过复合陶瓷球卸料管道由卸料阀门控制陶瓷球进入复合陶瓷球分离区内，分离区的功能是防止玻璃相或可液化的硅化物包裹陶瓷球在降温凝固过程中出现的粘连现象。分离区的温度不小于玻璃相变或可液化的硅化物相变温度，经过分离的玻璃相或可液化的硅化物包裹陶瓷球进入冷却器，在相变温度点以下形成单个的玻璃或可液化的硅化物包裹陶瓷球，同时开启进料阀门，玻璃相或可液化的硅化物包裹陶瓷球由陶瓷球存储盒进入过滤器筒体；
3)最后，玻璃包裹陶瓷球进入颗粒检测区中，观测陶瓷球的尺度变化情况，合格的陶瓷球重新投入陶瓷球存储盒中进行循环使用，不合格的陶瓷球通过复合陶瓷球卸料管道进入到陶瓷球再生区，在其中操作高温离心分离出玻璃相或可液化的硅化物和纯陶瓷球，玻璃相或可液化的硅化物中有价值部分再进行富集回收，反之以固体废物处理。
所述步骤2)通过定期从取样孔中取样判断过滤器筒体内陶瓷球的粘度情况，确定是否更换新的陶瓷球。
本发明在高温陶瓷球除尘基础上，根据陶瓷微球动态连续化特征以及湿法除尘对粉尘的高捕获率相互结合，各取所长。一是提高了对高温烟气超细粉尘的高捕获率；二是减小了高温烟气温降，为高热值能源利用创造条件；三是减少陶瓷的高温磨损，提高陶瓷材料的使用寿命，保证了除尘效率和收尘率的稳定可靠。四是避免了陶瓷/合金膜更换对生产连续性的影响，降低了除尘运行成本。
本发明的主要优点：
1、应用温度高、温域宽，适应性强。通过玻璃相变特征，将陶瓷球过滤与湿法过滤技术相结合，应用温度可达1000℃以上；通过玻璃相变温度点的调控，针对全温域气体除尘，应用范围广；
2、收尘效率和收尘率高。通过玻璃相变特征，将陶瓷球过滤与湿法过滤技术相结合，显著提高了超细粉尘收尘效率与收尘率；
3、收尘温降小，余热回收价值高。无需降温除尘且除尘过程温降低，有助于高热值能源回收；
4、除尘效率和除尘滤稳定。动态连续化除尘有效规避了静态陶瓷膜/合金膜因为长时间使用出现的空隙尺度变化而导致收尘率的降低。同时通过在线监测及时调整玻璃相包裹陶瓷球的质量和性能，保证除尘效率和除尘率的稳定可靠。
5、陶瓷与玻璃来源广泛，比多孔陶瓷膜/合金膜更容易制备，且再生容易，利用率高，运行成本低。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图中，1、进气管道；2、陶瓷球存储盒；3、进料阀门；4、进料管道；5、过滤器筒体(内部充满复合陶瓷球)；6、引风机；7、排气管道；8、取样孔；9、复合陶瓷球卸料管道；10、卸料阀门；11、复合陶瓷球分离区；12、冷却器；13、颗粒检测区；14、颗粒检测区卸料管道；15、陶瓷球再生区；16、进气阀门；17、排气阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，本发明的装置包括内部设置有复合陶瓷球的过滤器筒体5，在过滤器筒体的一侧连通有带进气阀门16的进气管道1、另一侧连通有带引风机6、排气阀门17的排气管道7，在过滤器筒体5上、下端分别开设有陶瓷球进料管道4和带有卸料阀门10的复合陶瓷球卸料管道9，所述的进料管道4上设置有带进料阀门3的陶瓷球存储盒2，在过滤器筒体5的复合陶瓷球卸料管道9下端依次连通有复合陶瓷球分离区11、冷却器12、颗粒检测区13，颗粒检测区13通过颗粒检测区卸料管道14还连接有陶瓷球再生区15。
本发明的复合陶瓷球由10～100μm的陶瓷实心微球以及附着在该陶瓷实心微球表面的根据待处理的高温烟气温度确定的相变温度点的玻璃粉或可液化的硅化物组成。
本发明的复合陶瓷球制备如下：
1、以国产铝矾土为原料，采用离心喷雾造粒方法，用二次烧结工艺制备10～100μm的陶瓷实心微球；
2、根据高温烟气温度范围，设计相应相变温度点的玻璃粉/可液化的硅化物；
3、根据相变玻璃材料的状态与特征，选择不同的陶瓷球包覆工艺进行玻璃相包裹陶瓷球制备。比如对于玻璃粉，可以采用加热陶瓷球在玻璃粉中滚动涂覆的方法；对于可液化的SiCl4为原料，可以进行化学气相沉积技术；也可采用热喷涂涂层技术，以不同比例的SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO为原料，通过等离子喷涂在陶瓷微球表面形成致密涂层。
4、测定相变材料包裹陶瓷球尺度及流动性。并将合格的包裹陶瓷球放置在加料仓陶瓷微球存储盒中备用；
5、高温烟气从进气管道进入，开启进料处的进料阀门，包裹球在重力作用下进入高温气体过滤筒体内；通过调控复合陶瓷球卸料管道及阀门控制过滤器筒体内陶瓷球的下降速度。在缓慢下降期间，陶瓷球表面玻璃相受热熔化，但在陶瓷球表面能和浸润性的作用下，玻璃相依然粘附在陶瓷球表面；高温气体中的超细粉尘通过包裹陶瓷球时，受到“湿态”玻璃的吸附与捕捉而沉积在玻璃相中，位于排气管道的引风机调控通过过滤器高温烟气的流动速度，最终过滤后气体从排气管道排出，完成一次除尘操作；
6、随着过滤层下部出料阀的连续出料，携带有超细粉尘的包裹陶瓷球离开高温区，并在下行中冷却。由于包裹陶瓷球表面玻璃相厚度有限，加之浸润性、动态化与冷却过程的控制，可避免了绝大多数包裹球的相互粘连；
7、对携带有超细粉尘的包裹陶瓷球进入颗粒检测区进行在线筛分，少量粘连的球体与因磨损和腐蚀而减径的球体被分离出来；其余的球体进入循环系统再次使用；
8、定期取样测试陶瓷包裹相粘度测试，当粘度降低至一定程度时，在线连续更换新球，维护系统连续运转；将携带过量粉尘的玻璃包裹陶瓷球在相变温度点上进行高速离心，实现玻璃与陶瓷球的分离。甩出来的玻璃相有价值部分再进行富集，反之以固体废物处理。
采用以上装置的相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离方法，包括以下步骤：
1)首先，开启进气阀门16，高温烟气经进气管道1进入到过滤器筒体5内，烟气自一侧向另一侧流动，经过滤器筒体5内填满的复合陶瓷球，陶瓷球表面玻璃相受高温烟气热量熔化，高温气体中的超细粉尘通过包裹陶瓷球时，受到“湿态”玻璃的吸附与捕捉而沉积在玻璃相中，使得烟气中的灰尘含量逐渐降低，经过滤后的烟气灰尘经过引风机6的作用下，开启排气阀门17从排气管道7排出；
2)其次，通过定期从取样孔8中取样判断过滤器筒体5内陶瓷球的粘度情况，确定是否更换新的陶瓷球，当需更换新的陶瓷球时通过复合陶瓷球卸料管道9由卸料阀门10控制陶瓷球进入复合陶瓷球分离区11内，此时处于低温区的温度不能小于玻璃相变温度，将表面液态玻璃的陶瓷球进行分离，经过冷却器12处理至相变温度以下形成单个的玻璃包裹陶瓷球，同时开启进料阀门3，复合陶瓷球由陶瓷球存储盒2进入过滤器筒体；
3)最后，玻璃包裹陶瓷球进入颗粒检测区13中，观测陶瓷球的尺度变化情况，合格的陶瓷球重新投入陶瓷球存储盒中进行循环使用，不合格的陶瓷球通过颗粒检测区卸料管道14进入到陶瓷球再生区15，在其中操作高温离心分离出玻璃相和纯陶瓷球，玻璃相中有价值部分再进行富集，反之以固体废物处理。
本发明依据湿法除尘效率高的优点，利用相变材料的高温相变及相变温度点的可控特性，克服水介质湿法除尘使用环境温度低及耗水量大等局限，将之与陶瓷微球除尘技术相结合，实现气体除尘温度高和效率高的双赢。该技术有以下优点：(1)结合湿法除尘和多孔陶瓷过滤器的优点，提升除尘能力，对粒径大于0.1μm的颗粒有着高达99％以上的高收集效率。(2)陶瓷微球表面的玻璃相变材料也能作为保护层缓冲高温高压气体对于陶瓷微球和整体设备的热冲击和磨损，提高整体设备的服役寿命。(3)针对不同温度服役环境设计不同的表面玻璃相材料，能使设备应对多种环境和使用条件。(4)可动态更新的陶瓷微球膜层结构，在针对不同使用条件选择相应的服役膜层达到效率最大化的同时，也能降低投资。(5)陶瓷球硬度大，方便运输和重复使用，能通过气体反吹，去除陶瓷球间沉降的粉尘，恢复球层通风性，使得设备能长时间稳定与可靠运行，保证除尘工序稳定。
总体来说，使用本发明不仅具有高效的对于高温烟气中细小尘粒的吸附过滤效率，也解决了针对多孔陶瓷过滤方法中陶瓷膜的磨损腐蚀带来的寿命低成本高的问题。并且利用玻璃的高温相变特征及相变温度点的可控特性，强化超细粉尘吸附于捕捉，提高收尘率及收尘效率。

Claims (8)

1.一种相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置，其特征在于：包括一侧连通有进气管道(1)、另一侧连通有排气管道(7)的过滤器筒体(5)，在过滤器筒体(5)上、下端分别设置有复合陶瓷球进料管道(4)和复合陶瓷球卸料管道(9)，所述过滤器筒体(5)内部设置有复合陶瓷球，所述的过滤器筒体(5)的复合陶瓷球卸料管道(9)下端依次连通有复合陶瓷球分离区(11)、冷却器(12)、颗粒检测区(13)和陶瓷球再生区(15)；
所述的复合陶瓷球由10～100μm的陶瓷实心微球以及附着在该陶瓷实心微球表面的根据待处理的高温烟气温度而确定的相变温度点的玻璃层或可液化的硅化物组成。
2.根据权利要求1所述的相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置，其特征在于：所述的进气管道(1)上安装有进气阀门(16)。
3.根据权利要求1所述的相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置，其特征在于：所述的排气管道(7)上安装有引风机(6)和排气阀门(17)。
4.根据权利要求1所述的相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置，其特征在于：所述的进料管道(4)上设置有带进料阀门(3)的陶瓷球存储盒(2)。
5.根据权利要求1所述的相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置，其特征在于：所述的过滤器筒体(5)上开设有取样孔(8)。
6.根据权利要求1所述的相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离装置，其特征在于：所述的复合陶瓷球卸料管道(9)上安装有卸料阀门(10)。
7.一种如权利要求1至6中任意一项所述装置的相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离方法，其特征在于：
1)首先，开启进气阀门(16)，高温烟气经进气管道(1)进入到过滤器筒体(5)内，烟气自一侧向另一侧穿过过滤器筒体(5)内填满的复合陶瓷球，高温气体在复合陶瓷球中穿过不断变向的空隙时，与复合陶瓷球发生热交换并将陶瓷球表面玻璃相或可液化的硅化物熔化，完成传热过程；同时高温气体中的超细粉尘在与表面附着液态玻璃相或可液化的硅化物的陶瓷球不断碰撞过程中被吸附与捕捉，并沉积在液态玻璃相或可液化的硅化物中，完成粉尘富集与气体净化过程，过滤后的烟气经过引风机(6)的作用下，开启排气阀门(17)从排气管道(7)排出；
2)其次，当换新的复合陶瓷球时，通过复合陶瓷球卸料管道(9)由卸料阀门(10)控制陶瓷球进入复合陶瓷球分离区(11)内，分离区的功能是避免液态玻璃相或可液化的硅化物在凝固过程中出现相邻陶瓷球的粘连，分离区的温度不小于玻璃相变点或可液化的硅化物相变点的温度，分离后的陶瓷球经过冷却器(12)降温至相变温度以下形成单个的玻璃或可液化的硅化物包裹陶瓷球，同时开启进料阀门(3)，复合陶瓷球由陶瓷球存储盒(2)进入过滤器筒体(5)；
3)最后，复合陶瓷球进入颗粒检测区(13)中，观测陶瓷球的尺度变化情况，合格的陶瓷球重新投入陶瓷球存储盒中进行循环使用，不合格的陶瓷球通过颗粒检测区卸料管道(14)进入到陶瓷球再生区(15)，在其中经过高温离心或高温高压气体吹扫实现玻璃相或可液化的硅化物和纯陶瓷球的分离，玻璃相或可液化的硅化物中有价值成分进行富集回收，反之以固体废物处理。
8.根据权利要求7所述的相变材料吸附强化高温气体中超细粉尘分离方法，其特征在于：所述步骤2)通过定期从取样孔(8)中取样判断过滤器筒体(5)内陶瓷球的粘度情况，确定是否更换新的陶瓷球。
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