堇青石陶瓷過濾器生物質(zhì)燃氣除塵實驗研究

龔智 蘇德仁 曾中華 魏志國潘賢齊

(1.中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源與天然氣水合物重點實驗室，廣東廣州510640；2.中國科學院研究生院，北京100049)

0 引言

生物質(zhì)氣化生成含有H2，CO和CH4的可燃氣體，有著比較廣闊的應用空間，如用于供熱、發(fā)電或者合成液體燃料，然而，粗燃氣中含有粉塵、焦油以及堿金屬等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)容易造成氣化設備、管道、閥門、燃氣設備等部件的磨損和堵塞，影響系統(tǒng)的運行，排入大氣還會產(chǎn)生污染[1,2]。粗燃氣中粉塵的去除是解決生物質(zhì)氣化應用中的關鍵技術之一。

粗燃氣的凈化方法分為常溫濕法凈化和高溫干法兩種，在常溫濕法凈化系統(tǒng)中，除塵在較低溫度下進行，會導致燃氣顯熱的損失，而且廢水處理工藝較復雜。與此相比，高溫干法除塵是在高溫條件下直接進行氣固分離，可以最大程度地利用燃氣的物理顯熱，而且無需復雜的廢水處理系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。目前，高溫干法除塵工藝主要有旋風分離除塵、袋式過濾除塵、靜電捕捉除塵、氣固顆粒層過濾除塵、金屬網(wǎng)過濾除塵以及陶瓷過濾除塵[3]。其中，多孔陶瓷過濾器由于具有過濾精度高、耐酸堿性好、機械強度高、耐高溫、易清理、可再生以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，被認為是最具有發(fā)展前景的氣體除塵過濾技術之一[3-6]。國外對多孔陶瓷過濾器在氣固分離方面的研究已有多年歷史，如美國的Corning和Westinghouse公司、日本的NGK和Asahi公司、芬蘭的Foster Wheeler公司和德國的Schumacher公司等均在陶瓷過濾除塵方面進行了較深入的研究[7-11]。而國內(nèi)對陶瓷過濾器用于燃氣過濾除塵的研究處于起步階段，尤其是針對生物質(zhì)燃氣陶瓷過濾的研究。本文在一套流化床氣化爐連接堇青石陶瓷過濾器的實驗裝置上進行實驗，通過考察燃氣流量、燃氣溫度及反吹對過濾效果的影響，初步研究了堇青石陶瓷過濾器在生物質(zhì)燃氣除塵中的特性。

1 實驗

1.1 原料

表1 木屑的元素分析和工業(yè)分析Tab.1 Proximate and ultimate analyses of sawdust

圖1 實驗裝置系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the test facility

圖2 陶器過濾器示意圖Fig.2 Schematic of the candle ceramic filter

實驗中所選用生物質(zhì)原料為廣東省某木材加工廠木屑，使用前先經(jīng)過日曬干燥，水分約為18%，其體積平均粒徑約為0.36mm，其元素分析和工業(yè)分析如表1所示。

1.2 實驗裝置

1.2.1 氣化系統(tǒng)

實驗裝置包括氣化系統(tǒng)和陶瓷過濾系統(tǒng)，其示意圖如圖1所示。氣化系統(tǒng)由流化床氣化反應器以及空氣壓縮機、螺旋進料器，旋風分離器，冷卻水箱、引風機等配套設備組成，氣化反應器為帶外加熱源的鼓泡流化床，氣化爐床層區(qū)直徑為13cm，自由空間區(qū)直徑為20cm，爐體總高度約為250cm，沿爐體自下而上安裝多個測溫點和測壓點，其中床層區(qū)溫度tb和自由空間溫度tf為本文的主要參考溫度。旋風分離器是粗燃氣的預除塵系統(tǒng)，其正常運行時對粒徑10μm以上粉塵的除塵效率約為95%，可以保證旋風分離器出口的粗燃氣達到陶器過濾器對氣體含塵量（＜10g/Nm3）的要求。氣化系統(tǒng)可獨立于陶器過濾系統(tǒng)運行，打開旁通閥門即可進行粗燃氣的陶瓷過濾除塵實驗。

1.2.2 陶瓷過濾系統(tǒng)

圖3 監(jiān)測裝置流程示意圖Fig.3 Schematic of the monitoring device

陶瓷過濾系統(tǒng)包括陶瓷過濾器及配套設備，如圖1所示。陶瓷過濾器主體的結構示意圖如圖2所示，整個陶瓷過濾器由氣體反吹噴口、文氏管、密封填料、陶瓷過濾管、帶外加熱源與保溫層的外殼、進出氣口和排灰口組成，并在進氣口與出氣口附近安裝測壓點pin和pout，在外殼自上而下安裝3個溫度測點t1～t3。堇青石陶瓷管是整個過濾器的核心部件，該陶瓷管由山東淄博某廠家提供，為堇青石材質(zhì)試管式雙層過濾元件，由平均孔徑較大的支撐基體層和平均孔徑較小的膜過濾層雙層結構制成?；w保證過濾元件的強度和剛度，薄層濾膜保證過濾精度。陶瓷管的內(nèi)外表面半徑為別為40mm和60mm，長度為1000mm，孔徑為20～200μm，孔隙率約為45%，過濾精度為1～30μm，最高工作溫度為1000℃。實驗時，粗燃氣由下部通入，從陶瓷管的外表面徑向通過陶瓷管內(nèi)表面而實現(xiàn)過濾，凈化氣體從過濾管的中心向上流出，一部分粉塵通過各種捕集機制堆積在陶瓷管外表面上，逐漸形成濾餅，另一部分粉塵在重力的作用下沉積在過濾室內(nèi)。當陶瓷管外表面的濾餅堆積到一定厚度后，開啟壓縮氣體，由反吹口噴入，經(jīng)過文氏管增壓后進入陶瓷管內(nèi)壁由徑向流出對覆于陶瓷管表面的粉塵進行剝離清掃，使陶瓷管再生，以實現(xiàn)連續(xù)過濾。當過濾室灰塵堆積到一定程度需要將積灰排出。

1.2.3 壓力測量系統(tǒng)

本實驗需要一套壓力監(jiān)測裝置對氣化爐與陶瓷過濾器進行壓力監(jiān)測，該系統(tǒng)采用的是美國國家儀器（NI）有限公司生產(chǎn)的M系列數(shù)據(jù)采集卡、SCB-32型號的接線盒、絕壓傳感器、差壓傳感器和工業(yè)控制計算機等，絕壓傳感器用于流化床爐內(nèi)壓力的監(jiān)測，差壓傳感器用于陶瓷過濾器進出氣口壓差的測量，壓力及相關數(shù)據(jù)由計算機采集。該壓力監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖及軟件監(jiān)測界面分別如圖3和4所示。

1.3 樣品采集與測量方法

當氣化爐溫度穩(wěn)定后，爐內(nèi)各測點溫度的波動在15℃范圍內(nèi)，開始采樣氣體，每組試驗采樣3次，以消除試驗中帶來的隨機誤差。氣體產(chǎn)物使用日本島津公司GC-20B型氣相色譜進行分析。通過標準氣校正法將氣體中 H2、O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H2、C2H4和C2H6等成分進行定量分析。

圖4 LabVIEW軟件操作界面Fig.4 LabVIEW software interface

焦油采集測量采用重量分析法[10]，燃氣由取樣管經(jīng)過加熱的過濾器除去燃氣中顆粒后，通過異丙醇吸收焦油，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將收集到的焦油分離出來，然后在分析天平上稱重，通過計算得到燃氣中焦油的含量。

灰塵采集采取等動力采樣的原則，將采樣探頭置于管道中心，開口與來流方向針對，氣體中的粉塵樣品通過可控溫、內(nèi)部充滿玻璃纖維的高效除塵過濾器收集，采樣氣體的體積通過煤氣表測量。

1.4 實驗方法

進行粗燃氣過濾實驗前，先將氣化爐調(diào)至穩(wěn)定運行狀態(tài)，并通過陶瓷過濾系統(tǒng)各外加熱源將管道以及陶瓷反應器的溫度控制為400℃以減少燃氣中焦油對實驗結果的影響，開啟旁通道閥門14，同時關閉氣化通道閥門9，由此可以開始進行粗燃氣過濾實驗。實驗過程中，通過壓力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測壓力及相關數(shù)據(jù)，當過濾器進出口壓差（即壓降）達到臨界值，通過壓力為0.5MPa的壓縮氣體對陶瓷管進行反吹，待壓降恢復至正常水平，重新開始實驗，直至完成該氣化工況的燃氣過濾實驗。調(diào)節(jié)氣化系統(tǒng)操作條件，使氣化爐穩(wěn)定運行后，重新開始不同氣化工況的燃氣過濾實驗。實驗結束前，需將粗燃氣切換為潔凈空氣，并對陶瓷管進行反吹，關閉過濾系統(tǒng)的外加熱源，待溫度降至室溫后，將過濾室內(nèi)的灰塵排出，以排除實驗殘余物對下次實驗的干擾。

2 結果與討論

2.1 燃氣流量的影響

圖5空氣流量對陶瓷管壓降的影響Fig.5 Effect of air flow rate on pressure drop across the ceramic tube

圖6 陶瓷管壓降隨時間的變化趨勢（Q=8.3Nm3/h）Fig.6 The variation of pressure drop across ceramic tube with time(Q=8.3Nm3/h)

圖7 陶瓷管壓降隨時間的變化趨勢（Q=14.8Nm3/h）Fig.7 The variation of pressure drop across ceramic tube with time(Q=14.8Nm3/h)

由于材料和加工工藝的不同，使各種陶瓷管的性能存在很大差別，在應用領域不同的情況下，為增加本實驗所用的陶瓷管與其他陶瓷管的可比性，首先進行空氣空白對照實驗，結果如圖5所示?？梢钥闯?，陶瓷管中的壓降隨空氣流量即表面速度的增加而呈線性增加關系。這是由于空氣在陶瓷管中是做層流運動，符合達西定律中的相關條件[12]，陶瓷管的壓降上升速度以及初始壓差與陶瓷管本身特性有關。

分別在粗燃氣流量Q為8.3Nm3/h和14.8Nm3/h的條件下進行了過濾實驗，陶瓷管壓降的變化趨勢分別如圖6和7所示。

含有固體顆粒的燃氣經(jīng)過陶瓷管時，通過慣性碰撞、直接攔截、布朗擴散、篩分、重力沉降等機制實行過濾，隨著過濾的進行，由于內(nèi)部通道可能被顆粒所堵塞，導致陶瓷管壓降增加。由圖6和7可見，隨著燃氣流量的增加，陶瓷管壓降更大，并且上升速度更快，因為隨著燃氣流量的增加，單位時間內(nèi)黏附于陶瓷管壁的粉塵增多。圖6中陶瓷管經(jīng)過1800s的運行后，壓降由初始值1000Pa左右上升至8000Pa左右，圖7中陶瓷管經(jīng)過不到900s的運行，壓降由初始值3000Pa左右上升至10000Pa以上。陶瓷管在運行過程中，圖6的壓降分布比圖7相對集中，這是因為粉塵的增多使粉塵層孔隙率不斷變化，間接影響壓降變化，因此圖7中壓降的分散度比圖6大。

壓降在各個時段的變化規(guī)律不盡相同，以圖7為例，過濾前期壓降實際值略小于擬合值且分布相對集中，因為此時陶瓷管表面灰塵較少，過濾的主體依舊是陶瓷管，壓降變化規(guī)律是比較符合理論計算的。過去后期粉塵在陶瓷管表面堆積到一定程度形成濾餅，此時粉塵在到達陶瓷管表面之前先到達濾餅層，而濾餅層如同陶瓷過濾元件本身一樣，也為多孔介質(zhì)，其孔隙大小對燃氣的過濾具有重要影響，實際上濾餅層比陶瓷管的孔隙率小且分布規(guī)律性較差，因此后期壓降真實值大部分高于擬合值且分布較為分散。

在Q=14.8Nm3/h的實驗中，對陶瓷過濾器進出口燃氣含塵濃度進行了測量，分別為2.14g/Nm3和.51g/Nm3，由此可算得過濾器的除塵效率約為76.2%。與國內(nèi)外相關研究比較[6-10]，本實驗中陶瓷管的壓降偏大且上升速度較快，除塵效率偏低，這可能與被過濾氣體本身的特性有關，但目前對生物質(zhì)粗燃氣陶瓷過濾的報道較少，有待于深入研究。

2.2 反吹的影響

陶瓷管工作一段時間后，由于內(nèi)部管道的堵塞以及外表面濾餅層增厚，導致過濾壓降增大，流速降低，當壓降達到臨界值時，陶瓷管過濾開始失效，可通過氣體反吹的方式再生，使其基本恢復初始狀態(tài)的水平，定時反吹還能延長陶瓷過濾原件的使用壽命。

圖8 陶瓷管實物照片F(xiàn)ig.8 Photos of the ceramic tubes

粗燃氣流量為8.3Nm3/h和14.8Nm3/h的實驗中，陶瓷管在達到臨界壓降后，使用0.5MPa的壓縮氣體進行反吹，時間為1分鐘，壓降分別降低至2000Pa和4000Pa以下，反吹對陶瓷管的再生效果明顯，且重復性很好。

反吹并不能是陶瓷管完全再生，因為堆積在濾料上粉塵主要受兩種力的作用而粘附在濾料上，一種為粉塵與濾料表面的附著力，另一種為粉塵之間的內(nèi)聚力。一般情況下，附著力遠大于內(nèi)聚力，反吹時附著力很難破壞。

同時，反吹時氣流的壓力并非均勻作用于粉塵層的整個表面上，因此會出現(xiàn)粉塵層脫落不均勻，反吹氣體的主體會從粉塵已經(jīng)脫落之處通過，而其他地方的粉塵仍有堆積。

另外，不同濾料對應的最小反吹風速也不同，反吹風速不足也會降低濾料再生效果。如何均勻分布反吹風及選擇反吹風速將在以后作進一步研究。

2.3 燃氣溫度的影響

為考察不同的燃氣溫度對陶瓷過濾效果的影響，本節(jié)實驗在關閉外加熱源的條件下進行，實驗過程中，保持燃氣流量為14.8Nm3/h，陶瓷過濾器內(nèi)燃氣溫度降低至250℃以下，而在2.1節(jié)的實驗中，燃氣溫度保持在300℃以上。圖8給出了實驗前、燃氣溫度較高和較低實驗后的陶瓷管實物照片。

可見，使用于溫度較高燃氣的陶瓷管（圖b）外表面上固體顆粒呈粒狀結成濾餅，燃氣中的部分粉塵粘附于陶瓷管過濾膜形成濾餅，此部分粉塵以及覆于濾餅表面的粉塵比較容易被高壓氣體清洗，圖8（b）中為便于觀察，已人為刮除部分粉塵，直觀上表明陶瓷管表面的粉塵容易清除，另外，2.2節(jié)實驗結果也可證明，反吹對陶瓷管的再生效果明顯。使用于較低溫度燃氣的陶瓷管外表面幾乎沒有顆粒，但卻有大量焦油黏附。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是較低溫燃氣中焦油在經(jīng)過陶瓷管表面時由氣體冷凝為粘稠狀液體并直接與灰塵顆粒粘結堵塞陶瓷孔，較短時間內(nèi)就形成粘結光滑層使陶瓷管捕集機制完全失活。此時，反吹對陶瓷管的再生效果較差，反吹后陶瓷管壓降仍在6000Pa以上。可見，由于焦油的負面影響，在低溫燃氣的過濾實驗中，陶瓷管難以正常工作。

3 結論

本文使用陶瓷過濾器對生物質(zhì)流化床氣化裝置制備的粗燃氣進行了實驗，通過改變?nèi)細饬髁?、燃氣溫度和反吹考察了陶瓷過濾器的性能。通過實驗研究和分析，得出以下結論：

(1)壓降隨著粗燃氣流量Q的增加，陶瓷管壓降明顯增加并且上升速度加快；

(2)陶瓷管壓降偏高，當Q=14.8Nm3/h時，壓降在900s內(nèi)由初始值約3000Pa上升到10000Pa以上，陶瓷管的過濾效率偏低，僅為76.2%；

(3)反吹陶瓷管的再生效果明顯；

(4)焦油的影響使陶瓷管過濾低溫燃氣時很難正常工作。

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