顆粒床過濾除塵技術(shù)研究進展

顏深，孫國剛，孫占朋，韓笑，黃雷，趙斐

（1中國石油大學(北京)化學工程學院，北京 102249；2過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點試驗室，北京 102249）

顆粒床過濾除塵技術(shù)研究進展

顏深1，2，孫國剛1，2，孫占朋1，2，韓笑1，2，黃雷1，2，趙斐1，2

（1中國石油大學(北京)化學工程學院，北京 102249；2過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點試驗室，北京 102249）

高溫氣體高效除塵技術(shù)的開發(fā)與應用對于提高工業(yè)過程能量利用效率、實現(xiàn)清潔生產(chǎn)具有重要意義，其中顆粒床過濾技術(shù)因兼顧效率與壓降、經(jīng)濟性好、苛刻環(huán)境適應性強等特點，為解決固體燃料高效綜合利用、清潔發(fā)電、余熱利用等領域涉及的高溫氣體凈化難題提供了一條有效的途徑。本文首先對顆粒床的除塵機理和分類進行了介紹，重點綜述了顆粒床的結(jié)構(gòu)形式和改進研究進展，從固定床、移動床到其他形式顆粒床，然后概述了顆粒床性能影響因素和工程應用研究現(xiàn)狀，最后對顆粒床的發(fā)展趨勢進行了展望。相較于固定床，移動床盡管效率尚待提升，運行控制因素也較多，但移動床過濾時效率和壓降基本保持穩(wěn)定，可以連續(xù)操作，更加適合工業(yè)化應用。本文總結(jié)出移動床是目前研究的熱點，增強顆粒層整體均勻流動性和利用效率、優(yōu)化進氣方式以及集成性針對性設計是未來移動床的發(fā)展方向。

過濾；優(yōu)化；熱解；顆粒床；移動床；高溫除塵

高溫含塵氣體在線除塵技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，不僅可以最大程度地利用氣體的熱能，同時可以簡化工藝過程、節(jié)省設備投資，此外還避免了濕法除塵帶來的二次污染?，F(xiàn)有高溫氣體除塵技術(shù)主要有旋風除塵、電除塵、陶瓷過濾、金屬過濾及顆粒床過濾等，其中顆粒床過濾是利用物理和化學性質(zhì)非常穩(wěn)定的粒狀物料組成顆粒層（也稱濾料或過濾介質(zhì)），實現(xiàn)含塵氣體的凈化，是最有發(fā)展前途的高溫除塵技術(shù)之一[1]。20世紀50年代起，顆粒床過濾器（granular bed filter，GBF，簡稱顆粒床）開始應用于水泥、冶金等行業(yè)，后來，隨著旋風分離器、布袋除塵器等除塵設備的不斷改進，除塵效率和耐溫能力的提高，顆粒床的競爭力有所減弱[2]。近年來，伴隨著新工藝的應用和環(huán)保標準的提高，高溫除塵要求日益嚴格，兼顧效率與壓降、經(jīng)濟性好、苛刻環(huán)境適應性強的顆粒床正受到廣泛關注。

本文在介紹顆粒床除塵機理和分類的基礎上，重點綜述了顆粒床結(jié)構(gòu)形式和改進研究以及性能影響因素，接著概述了顆粒床工程應用研究現(xiàn)狀，最后展望了顆粒床發(fā)展趨勢。

1 顆粒床除塵機理和分類

顆粒床除塵的基本原理是含塵氣體流經(jīng)顆粒層時，粉塵在慣性碰撞、擴散、直接攔截、重力、靜電力等[2]作用下偏離流線，與濾料顆粒發(fā)生碰撞而被捕集。根據(jù)顆粒層流態(tài)，顆粒床主要分為固定床（fixed granular bed filter，F(xiàn)GBF）和移動床（moving granular bed filter，MGBF）兩種。固定床一般采用水平床層，即濾料平鋪在支撐板上，并保持一定的厚度，含塵氣體垂直通過顆粒層，因顆粒層容塵量有限，所以固定床需要定期停風反洗。移動床過濾時，顆粒層在重力作用下間歇或持續(xù)向下移動并與含塵氣體接觸，夾帶粉塵的濾料從移動床底部排出，潔凈濾料則不斷從移動床頂部加入，從而保證移動床的過濾能力。

深層過濾和濾餅過濾是顆粒床過濾的兩種主要形式[3]，見圖1。深層過濾時，粉塵進入濾料顆粒間長而曲折的通道，逐漸沉積于顆粒層內(nèi)部，隨后與濾料顆粒共同作為過濾介質(zhì)。若選用小粒徑顆粒（小于1mm）作為濾料，當過濾氣速、操作溫度、粉塵特性等滿足一定條件時，過濾過程逐漸從深層過濾向濾餅過濾轉(zhuǎn)變，此時，粉塵在濾料通道中發(fā)生“架橋”現(xiàn)象，顆粒層表面因粉塵堆積逐漸形成粉塵層（即濾餅），因濾餅空隙遠小于顆粒層空隙，所以濾餅才是真正有效的過濾介質(zhì)。濾餅過濾一般出現(xiàn)在固定床中，對于移動床，因濾料顆粒處于移動狀態(tài)，難以形成穩(wěn)定的濾餅，故以深層過濾為主，若無特殊說明，下文中的過濾皆指深層過濾，以便與濾餅過濾區(qū)分。

圖1 深層過濾和濾餅過濾示意圖

2 顆粒床研究進展

2.1 固定床結(jié)構(gòu)形式和改進

2.1.1 固定床結(jié)構(gòu)形式

圖2 固定床顆粒過濾器示意圖

固定床典型的結(jié)構(gòu)形式依據(jù)清灰操作方式有耙式和沸騰式兩種，見圖2。兩種結(jié)構(gòu)固定床的過濾過程基本一致，含塵氣體流經(jīng)顆粒層時，粉塵被捕集并沉積下來，過濾壓降隨之增加，當阻力達到一定值后，固定床開始清灰。在耙子攪動和反吹氣體吹動下，耙式過濾器顆粒層內(nèi)的沉積粉塵被帶走，同時耙子可將顆粒層表面耙平，確保下次過濾時含塵氣體均勻流過顆粒層。為解決耙式過濾器具有轉(zhuǎn)動部件而帶來的結(jié)構(gòu)復雜、密封等問題，沸騰式過濾器通過在支撐板下加裝氣體分布器或者直接將支撐板設計成多孔篩板等形式，清灰時顆粒層呈流化態(tài)，沉積粉塵被氣流夾帶出去，達到清灰目的。當然，為保證顆粒層沸騰質(zhì)量，沸騰式過濾器清灰時要求的反吹氣速較耙式過濾器高一些，這一氣速可根據(jù)濾料顆粒的臨界流化速度和終端速度來確定。固定床可采用多臺過濾單體并聯(lián)、輪流反吹清灰的方式進行操作以擴大處理能力、實現(xiàn)連續(xù)過濾。對于排出的反吹含塵氣體，需額外設置凈化裝置進行處理，如降溫后布袋除塵等，若將反吹含塵氣體直接或簡單經(jīng)旋風分離器粗除塵后排入其他并聯(lián)的過濾單體，會導致微細粉塵始終在顆粒床內(nèi)部循環(huán)，嚴重影響顆粒床過濾性能。

2.1.2 固定床改進

為彌補單臺固定床過濾與清灰只能循環(huán)交替進行的不足，除采用并聯(lián)切換的操作方式外，延長固定床過濾時間或者開發(fā)單臺可連續(xù)運行的新型固定床一直是學者們的研究重點，同時，提高固定床對微細粉塵的捕集效率以適應新工藝和新環(huán)保標準的要求也越來越受重視，固定床改進研究主要集中于以下3個方面。

（1）新型固定床 王助良等[4]和顏學升等[5]設計了如圖3所示的新型固定床，以解決單臺固定床不能連續(xù)運行的問題。通過加裝隔板將顆粒層分成許多單元顆粒層，在旋轉(zhuǎn)吸風罩的配合下，一部分單元顆粒層處于過濾狀態(tài)，另一部分單元顆粒層處于沸騰清灰狀態(tài)，實現(xiàn)了單臺固定床過濾和清灰連續(xù)同時操作，冷態(tài)條件下運行平穩(wěn)可靠。這種新型固定床實際上是多個顆粒層的“并聯(lián)組合體”，雖然存在吸風罩與均風板縫隙密封不嚴和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶來的維護工作量增加等問題，但卻是單臺固定床運行整體化的一次新探索。

圖3 新型固定床顆粒過濾器示意圖[4-5]

（2）粉體濾料固定床 對于粒徑小于5μm的微細粉塵，深層過濾較難獲得很好的過濾效果，這種情況下，濾餅過濾顯示出較強的優(yōu)越性，在某些條件下，即便是亞微米粉塵（0.1～1.0μm），過濾效率也可達到99%以上，但是濾餅過濾也存在一些問題[6-7]：①濾餅形成的條件較為苛刻，即便相關條件滿足，濾餅的形成也需要時間，在過濾初期濾餅尚未形成時，顆粒層對微細粉塵的過濾效率極低；②隨著濾餅厚度的增加，濾餅上下游壓差快速增加，極易導致濾餅穿孔，效率隨之降低，因此濾餅過濾的持續(xù)時間一般很短。

為解決濾餅過濾操作時間短、濾餅結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題，黃三等[8]開發(fā)了由上部粉體層（0.074～0.1mm石英砂）和下部支撐層（0.355～0.5mm海砂）組成的粉體顆粒床。粉體層在過濾初期起到“濾餅”作用，提高顆粒床對微細粉塵的過濾效率，并促進粉塵在粉體層表面形成濾餅。濾餅過濾中的濾餅是在過濾過程中逐漸形成的，清灰時濾餅被反吹氣體帶走，再次過濾時濾餅重新形成，而粉體顆粒床自帶“濾餅”，反吹清灰時，若氣速控制得當，粉體層處于流化態(tài)，沉積粉塵被反吹氣體帶走，清灰后粉體層恢復原狀。冷態(tài)試驗表明，在過濾氣速0.1m/s條件下，進行約80min操作，粉體顆粒床對PM2.5塵粒的過濾效率為95.841%，過濾壓降從初始時515Pa增至1400Pa。隨后石開玉等[9]在相同的試驗條件下，考察了過濾氣速對粉體顆粒床性能的影響，當過濾氣速維持在0.05～0.1m/s范圍內(nèi)，顆粒床對PM2.5塵粒的過濾效率保持95%左右，過濾壓降低于1500Pa，增大氣速至0.2m/s，效率迅速降至90%以下，壓降增至2500Pa以上，這說明只有低氣速條件下才能在維持適當壓降的同時保證較高的過濾效率。

粉體濾料過濾優(yōu)勢明顯：①“濾餅”始終存在，保證顆粒床在整個過濾過程對微細粉塵有著較高的過濾效率；②“濾餅”厚度可調(diào)，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，不易被穿孔，在壓降允許的情況下，可長時間進行過濾操作。但粉體顆粒床存在過濾氣速低、壓降偏高等問題，另外，部分粉體顆粒在清灰時不可避免會被反吹氣體帶走，需要定期補充?？傮w來說，粉體顆粒床在處理微米級、尤其是亞微米級粉塵居多的高溫氣體方面具有較高的應用潛力。

（3）多層濾料固定床 為降低固定床反吹頻率，楊國華等[10]提出了雙層濾料梯級過濾方法，顆粒床由上輕下重、上粗下細的雙層濾料組成，過濾時，上層粗顆粒捕集氣體中的大部分粉塵，下層細顆粒截獲上層粗顆粒漏下的微細粉塵，反吹清灰時，因兩種濾料顆粒存在密度差，上層粗顆粒始終懸浮于下層細顆粒之上，清灰后，雙層濾料結(jié)構(gòu)保持不變。楊國華等在冷態(tài)條件下對比了單層濾料（0.5～1mm海砂）、雙層濾料（上層2～5mm膨脹珍珠巖，下層0.5～1mm海砂）顆粒床的最長操作時間，操作壓降從初始時2000Pa升至5000Pa，單層濾料、雙層濾料顆粒床的過濾時間分別為20min、113min，過濾效率均達到99%以上，這表明在雙層濾料顆粒床中，上層粗濾料的存在將顯著增大床層容塵量，從而延長過濾操作時間。相比于楊國華等試驗，田素瑞等[11]采用小粒徑顆粒（1～2mm）作為上層濾料，將上層濾料出口處氣體的粉塵濃度降低至入口濃度的2%～4%，因進入下層濾料的氣體的粉塵濃度很低，所以下層濾料仍處于深層過濾狀態(tài)，避免了粉塵過度沉積導致的壓降激增。

在過濾操作中，各種過濾機理聯(lián)合作用的結(jié)果使得顆粒床粒級效率隨著粉塵粒徑的增加呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，也就是說顆粒床出現(xiàn)了難過濾粉塵。為進一步提高微細粉塵捕集效率，石開玉等[12]將雙層濾料過濾思想應用于粉體顆粒床上，在粉體層上添加一層膨脹珍珠巖（0.3～1mm），組成粉-粒雙層濾料顆粒床，粉體層和膨脹珍珠巖層的難過濾粉塵的粒徑分別在0.352μm、1μm左右，雙層濾料顆粒床梯級過濾、錯位互補，試驗得到的分級效率曲線在0.352μm、1μm處無明顯下凹，雙層濾料顆粒床的平均效率和粒級效率較單一粉體層和單一膨脹珍珠巖層均有所提高。

2.2 移動床結(jié)構(gòu)形式和改進

2.2.1 移動床結(jié)構(gòu)形式

移動床的結(jié)構(gòu)形式很多，根據(jù)含塵氣體和顆粒層兩者的流動方向，分為交叉流式、順流式、逆流式等幾種；根據(jù)含塵濾料是否再生，移動床有濾料再生式和濾料不再生式兩種。對于濾料再生式移動床，因底部排出的含塵濾料需要被回收使用，所以其結(jié)構(gòu)復雜，除移動床本體外，還包括濾料收集和清灰、濾料提升及儲料等相關部件。移動床濾料再生過程一般有兩種：①含塵濾料先在振動篩或滾筒篩中分離出夾帶粉塵，之后再生濾料氣力輸送至移動床頂部的儲料罐[13-14]，見圖4(a)；②含塵濾料氣力輸送至移動床頂部，在旋風分離器或慣性分離器中除去夾帶粉塵，接著再生濾料送至儲料罐[15-16]，見圖4(b)。對于濾料不再生式移動床，雖然不用設置復雜龐大的濾料再生系統(tǒng)，但需考慮含塵濾料的處理問題，以免造成二次污染。含塵濾料的處理方法一般也有兩種：①移動床與特定的工藝過程相配合，含塵濾料在其他工序中能夠被有效利用；②利用造粒設備將工業(yè)廢料壓制成粒團作為濾料使用，移動床排出的含塵濾料送至工業(yè)廢料處理單元[17]。

圖4 移動床顆粒過濾器濾料再生系統(tǒng)示意圖

2.2.2 移動床改進

因顆粒層處于移動狀態(tài)，濾料顆粒間隙較大，所以移動床對微細粉塵的過濾效率不及固定床，并且運行控制的因素較多，但移動床過濾時效率和壓降基本保持穩(wěn)定，單臺設備即可實現(xiàn)連續(xù)操作，所以較固定床更適合應用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著移動床過濾的發(fā)展，學者們通過大量的理論研究與實踐，對移動床進行了改進研究，下文進行分類論述。

（1）交叉流式移動床 濾料顆粒被百葉窗結(jié)構(gòu)夾持，含塵氣體水平通過顆粒層是交叉流式移動床的典型特征，見圖5。顆粒層向下流動時，受移動床結(jié)構(gòu)和顆粒間相互作用力的影響，兩側(cè)顆粒的移動速率很小，很快與中心區(qū)域顆粒分離，在百葉窗附近形成類滯留區(qū)（quasi-stagnant zone，QSZ），隨著過濾操作的進行，該區(qū)域內(nèi)沉積粉塵不斷增多，容易引起壓降增大、百葉窗腐蝕、濾料結(jié)塊等問題。為減小QSZ，提高顆粒層整體均勻流動性，學者們著重從百葉窗結(jié)構(gòu)和增設內(nèi)構(gòu)件兩方面對移動床進行結(jié)構(gòu)改進，見圖6。

圖5 交叉流式移動床顆粒過濾器示意圖

KUO等[18]和HSIAU等[19]研究表明移動床內(nèi)濾料顆粒流場受百葉窗傾斜角θ影響。在對稱百葉窗結(jié)構(gòu)[見圖6(a1)]中，傾斜角過大，濾料顆粒呈漏斗流動，QSZ隨即出現(xiàn)；傾斜角過小，雖然濾料顆粒呈整體流動，但迎風面和背風面卻顯著減小，較大的過流氣速極易將濾料顆粒帶出。對于非對稱百葉窗結(jié)構(gòu)[見圖6(a2)]，左側(cè)傾斜角較?。é?=15°），該區(qū)域內(nèi)含塵濾料能夠快速排出，右側(cè)傾斜角較大（θ2=40°），背風面的增大和QSZ的存在可降低含塵氣體出流速度，有利于提高過濾效率。將非對稱百葉窗氣體出口一側(cè)結(jié)構(gòu)上移[見圖6(b)]，左側(cè)迎風面進入的含塵氣體可通過多條路徑排出，試驗表明這種改進有利于緩解顆粒層移動不均的問題。CHOU等[20]通過試驗指出采用曲面對稱百葉窗結(jié)構(gòu)[見圖6(c)]也可減小移動床內(nèi)QSZ，曲面曲率減小，QSZ隨之減小。

上述研究表明，從提高濾料顆粒整體均勻流動性角度考慮，百葉窗傾斜角應小一些；從適當延長含塵氣體在顆粒層內(nèi)停留時間以提高移動床過濾效率角度考慮，百葉窗傾斜角應大一些。面對這一矛盾，學者們以大傾斜角（θ≈40°）百葉窗結(jié)構(gòu)為基礎，通過加裝內(nèi)構(gòu)件來增大百葉窗邊壁區(qū)域顆粒的移動速率，從而減小QSZ。CHOU等[21]采用示蹤顆粒法研究了結(jié)構(gòu)較為簡單的垂直內(nèi)構(gòu)件[見圖6(d)]對對稱百葉窗移動床內(nèi)顆粒流動的影響，百葉窗傾斜角40°時，濾料顆粒流動300s后，QSZ占濾料顆?？傔^流面積的比值從43.2%降至增設內(nèi)構(gòu)件后的29.1%，百葉窗傾斜角50°時，這一比值從50.7%降至27.9%，說明垂直內(nèi)構(gòu)件的增加對減小QSZ有著一定影響。為進一步減小QSZ，林愛光等[22]和HSIAU等[23-25]在對稱百葉窗移動床內(nèi)加裝了鞍形內(nèi)構(gòu)件[見圖6(e)]，與傳統(tǒng)對稱百葉窗結(jié)構(gòu)相比，HSIAU等采用JOHANSON方法設計的內(nèi)構(gòu)件的增設顯著減小了QSZ。受HSIAU等采用JOHANSON方法的啟發(fā)，CHOU等[26]在非對稱百葉窗移動床[見圖6(a2)]中加裝了楔形內(nèi)構(gòu)件[見圖6(f)]、CHEN等[27]優(yōu)化了非對稱百葉窗結(jié)構(gòu)[見圖6(b)]的相關參數(shù)，同樣有效減小了QSZ。鞍形內(nèi)構(gòu)件在減小QSZ的同時，也占用了百葉窗內(nèi)的部分空間，為解決這一問題，HSIAU等[28]和SMID等[29]開發(fā)了子百葉窗內(nèi)構(gòu)件[見圖6(g)]，研究表明在傾斜角40°對稱百葉窗移動床內(nèi)，濾料顆粒流動240min后，QSZ占濾料顆?？傔^流面積的比值從24.72%降至增設內(nèi)構(gòu)件后的0.5%，與鞍形內(nèi)構(gòu)件相比，子百葉窗內(nèi)構(gòu)件顯著減小QSZ的同時，也在一定程度上避免了移動床的體積過于龐大。帶有鞍形和子百葉窗內(nèi)構(gòu)件的移動床也在實驗室條件下進行了冷態(tài)和熱態(tài)試驗[30-33]，獲得了良好的過濾除塵效果。

圖6 幾種交叉流式移動床顆粒過濾器改進示意圖

除不均勻流動問題外，移動床顆粒層能否有效得以利用也受到學者們的關注。HSU等[34-36]在入口采用漸擴結(jié)構(gòu)的移動床內(nèi)加裝了導流板（見圖5），使得含塵氣體速率沿移動床軸向方向（見圖5中A、B）分布更加均勻，提高了過濾效率。WAN等[37]在移動床底部加裝了非對稱內(nèi)構(gòu)件（見圖5），在入口氣體粉塵濃度較高的場合下，左側(cè)高含塵的顆粒層（見圖5中C區(qū)域）移動較快，從而穩(wěn)定了操作壓降，右側(cè)低含塵的顆粒層（見圖5中D區(qū)域）緩慢移動，在維持較高過濾效率的同時避免了潔凈濾料的浪費。

（2）順流式和逆流式移動床 在順流式移動床中，含塵氣體與顆粒層兩者的流動方向相同，均一致向下，圖7為Westinghouse Science and Technology Center（WSTC）[17]開發(fā)的順流式移動床示意圖。過濾時，含塵氣體首先與潔凈濾料接觸，隨著氣體逐漸深入顆粒層，濾料顆粒間不斷增多的沉積粉塵有利于過濾效率的提高，向下流動的氣體也有助于顆粒層的順暢流動。該型移動床運行時也暴露出一個問題：濾料顆粒沿氣體/濾料分離面向下滑動時，部分從濾料顆粒間脫落的粉塵會被通過該表面的氣體帶出，除塵效果受到影響。圖8為BROWN等[38]和EI-HEDOK等[39]設計的逆流式移動床示意圖，因含塵氣體與顆粒層流動方向相反，出流氣體始終與潔凈濾料接觸，有效緩解了順流式移動床粉塵二次夾帶問題。在逆流式移動床中，為避免含塵氣體流化濾料顆粒情況的發(fā)生，除處理氣量被加以限制外，顆粒層的流動速率也需注意，含塵濾料應盡快排出，避免粉塵過度沉積而對氣體流動造成阻礙。

圖7 順流式移動床顆粒過濾器示意圖[17]

圖8 逆流式移動床顆粒過濾器示意圖[38-39]

圖9 混合流式移動床顆粒過濾器示意圖[40-41]

Combustion Power Company（CPC）[40]和國家電力公司熱工研究院（TPRI）[41]優(yōu)化了移動床進氣方式，將順流式和逆流式移動床整合在一起，開發(fā)了如圖9所示的混合流式移動床。移動床中心立管出口處為順流區(qū)和交叉流區(qū)，含塵濾料在這里可以捕集氣體夾帶的大部分粉塵，之后氣體進入逆流區(qū)，持續(xù)更新的潔凈濾料可有效防止已沉積粉塵的返混和夾帶，從而大大提高了移動床的過濾效率。CPC試驗表明在840℃條件下，移動床對0.3～4μm粉塵的過濾效率為93.2%～99%，操作壓降6～7kPa；TPRI也對該型移動床進行了煤氣除塵考核試驗，進口溫度450～480℃，移動床對中位粒徑9.915μm粉塵的過濾效率達99.65%以上，操作壓降4～6kPa。

2.3 其他形式顆粒床

為強化過濾效果，許多學者將顆粒床與其它除塵技術(shù)有機結(jié)合，開發(fā)了一系列組合式除塵器。為降低入口粉塵濃度、減小移動床除塵負荷，呂保和[42]、BROWN等[38]和EI-HEDOK等[39]將移動床與旋風分離器結(jié)合成一體，外部旋風體粗除塵、內(nèi)部移動床精細除塵，在單臺設備中實現(xiàn)了兩級除塵。針對顆粒床、特別是移動床對微細粉塵過濾效率不高的問題，許世森[43]和陶繼業(yè)[44]分別從理論和試驗上證明了采用塵粒荷電和對顆粒床施加外電場方法來提高微細粉塵捕集效率是可行的，為這一問題的解決提供了一種可選方案；吳晉滬[45]將深層過濾和濾餅過濾結(jié)合起來，用燒結(jié)金屬絲網(wǎng)替換交叉流式移動床氣體出口一側(cè)的百葉窗，過濾時粉塵會在金屬絲網(wǎng)表面形成一層濾餅，但其厚度會受到顆粒層下移摩擦的限制，不會持續(xù)增加，確保除塵器能夠恒阻穩(wěn)定操作。

學者們在旋風分離器上開展的促使粉塵發(fā)生團聚的相關研究也可被借鑒用以提高顆粒床對微細粉塵的除塵效率，SIBANDA等[46]和許世森[47]分別在旋風分離器上游安裝了錯流過濾元件和帶有導向葉片的旋風筒，有效促進了細顆粒的團聚和粘結(jié)，從而提高了微細粉塵捕集效率。除過濾除塵外，顆粒床還存在協(xié)同脫除其他污染物的潛在優(yōu)勢，胡付祥等[48]和張志學等[49]分別將焦油催化裂解催化劑、脫硫劑等填充在顆粒床內(nèi)，實現(xiàn)了高溫氣體一體化脫塵脫焦、一體化脫塵脫硫，拓展了顆粒床的功能。

2.4 顆粒床性能影響因素

過濾時間、過濾氣速、顆粒層厚度、濾料特性等操作參數(shù)的優(yōu)化組合是顆粒床穩(wěn)定、高效運行的關鍵，對其設計也有著切實的指導作用。研究表明[50-51]：①隨著粉塵沉積，固定床顆粒層空隙率減小，效率和壓降增加，當顆粒層內(nèi)粉塵沉積趨于飽和時，粉塵二次夾帶現(xiàn)象凸顯，效率降低，壓降增加平緩；而對于移動床，因含塵濾料不斷被潔凈濾料所取代，所以效率和壓降隨時間變化不明顯。②較為合適的操作氣速常取0.3～0.8m/s，氣速過低，粉塵容易在顆粒層表面沉積，顆粒層不能發(fā)揮作用，處理氣量也受到影響；氣速過高，壓降快速增加，粉塵穿透顆粒層的能力增強，二次夾帶作用顯著，效率降低。③顆粒層厚度需要綜合效率、壓降兩者的關系來確定，一般取100～200mm，若顆粒層過厚，效率增加不明顯，但壓降急劇增加。④濾料顆粒應具有耐高溫高壓、抗腐蝕、價廉易獲取等特點，對于長時間循環(huán)使用的濾料，具有一定的機械強度也是必要的，保證清灰再生期間不會因顆粒碰撞造成損失，較為常用的濾料有石英砂、陶粒、膨脹珍珠巖等；考慮到顆粒層高效率除塵的同時還要具有一定的容塵量，濾料顆粒粒徑一般取2～4mm，另外，濾料顆粒粒度也要結(jié)合待過濾氣體性質(zhì)加以選擇，例如對于黏性較大的含塵氣體，若選用小粒徑濾料，則容易使顆粒層結(jié)塊，帶來顆粒床阻塞等問題。

此外，YANG等[16]、SULAYMON等[52]、何鵬等[53]和許世森[54]研究了操作溫度對顆粒床性能的影響，結(jié)果表明：溫度的升高有利于提高擴散作用占主導的小粒徑粉塵（小于1μm）的捕集效率，而對于慣性碰撞占主導的大粒徑粉塵（大于1μm），其捕集效率隨溫度的升高而降低；氣體的黏度隨溫度的升高而增大，含塵氣體流經(jīng)顆粒層的阻力隨之增大，壓降增加。對于移動床，顆粒層移動速率也是影響其性能的一個重要因素，EI-HEDOK等[39]通過試驗指出，濾料顆粒在移動床內(nèi)的停留時間不能超過一個臨界值τg，也就是說顆粒層移動速率不能過小，否則移動床因含塵濾料不能及時更新而表現(xiàn)出“固定床過濾特點”，即效率和壓降隨會時間有所變化。在濾料顆粒停留時間大于τg的情況下，適當增大顆粒層移動速率有助于效率的提高，這與BROWN等[38]試驗結(jié)論一致。當濾料顆粒的停留時間小于τg時，不同試驗條件下獲得的結(jié)論存在差異，EI-HEDOK等得出顆粒層移動速率對效率幾乎無影響的結(jié)論，而許世森[55]、PAENPONG等[56]研究表明隨著顆粒層移動速率的增加，顆粒層空隙率增大，壓降和效率均有所降低。

3 工程應用研究現(xiàn)狀

3.1 固體燃料分級轉(zhuǎn)化和高值化利用

熱解獲得高附加值的熱解油品、高熱值的熱解氣以及可進一步加工利用的半焦是支撐煤炭、油頁巖、生物質(zhì)等固體燃料分級轉(zhuǎn)化和高值化利用的核心技術(shù)?，F(xiàn)階段，熱解技術(shù)還存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，其中高黏性、腐蝕性強、易發(fā)生二次反應的高溫熱解油氣除塵問題已成為熱解技術(shù)工業(yè)化應用的瓶頸之一[56-58]。

在如此惡劣環(huán)境下進行高效在線氣固分離，顆粒床幾乎是最為合理的選擇。為驗證顆粒床在高溫熱解油氣除塵中的可行性，梁鵬等[59-60]利用固定床對處理量10kg/h固體熱載體煤熱解試驗裝置產(chǎn)生的熱解油氣進行了除塵研究，結(jié)果表明，通過改變?yōu)V料種類、過濾氣速及顆粒層厚度等操作參數(shù)，可將操作壓降和焦油含塵率控制在一定范圍內(nèi)。隨后，中國科學院過程工程研究所（IPE-CAS）[61]與中國石油大學（北京）[62]聯(lián)合開發(fā)了一套固定床，在處理量3000t/a固體熱載體煤熱解中試平臺上進行了約20h熱解油氣除塵試驗，進一步考察了固定床長時間運行的表現(xiàn)。兩臺過濾單體并聯(lián)，過濾（5min）、清灰（30s）切換操作，過熱水蒸氣作為反吹氣體，粒徑2～5mm膨脹珍珠巖作為濾料，過濾氣速0.07m/s，操作溫度400℃，試驗獲得的焦油品質(zhì)較好，含塵率從之前未采用固定床的12%降至1.14%（質(zhì)量分數(shù)），過濾壓降低于500Pa，反吹壓降低于200Pa。

除固定床外，移動床也被應用于熱解中試系統(tǒng)進行了一系列除塵試驗，陜西府谷恒源煤焦電化有限公司在其所建75t/h熱解中試裝置中采用交叉流式移動床[57-58]對熱解油氣進行脫塵處理，過濾介質(zhì)為半焦，操作溫度500℃，移動床排出的含塵半焦經(jīng)處理后送至鍋爐燃燒，最終獲得的焦油中含塵率小于5%（質(zhì)量分數(shù)），滿足工業(yè)要求，半焦作為濾料的移動床[63-64]也在神華煤制油化工公司6000t/a熱解中試裝置中進行了除塵測試，為后續(xù)移動床的優(yōu)化改進積累了數(shù)據(jù)。

為進一步提高熱解油氣收率和品質(zhì)，IPE-CAS將顆粒床與熱解反應器集成于一體，提出了內(nèi)構(gòu)件外熱式油頁巖/煤熱解反應器方案[65]，見圖10。內(nèi)構(gòu)件外熱式熱解反應器內(nèi)溫度呈中心低、壁面高分布，反應器壁面處的油頁巖/煤先熱解形成半焦層，中心集氣管是氣體的唯一流出通道，使得熱解油氣從高溫區(qū)向低溫區(qū)流動。在熱解油氣定向流動過程中，低溫原料層在過濾除塵的同時還會冷凝捕集熱解油氣中的重組分，避免了重組分直接附著在中心集氣管上而帶來的阻塞問題，與此同時，熱解油氣嚴重的二次反應也被有效緩解，油頁巖/煤連續(xù)加入、含塵半焦連續(xù)排出，實現(xiàn)了熱解與除塵的連續(xù)同時操作。該型熱解反應器分別在處理量10kg/h（油頁巖）、1000t/a（煤）熱解平臺上進行了效果驗證，試驗得到的焦油中含塵率均在0.1%（質(zhì)量分數(shù)）左右，焦油中輕質(zhì)組分含量均達到70%（質(zhì)量分數(shù)）以上[66-67]。

圖10 內(nèi)構(gòu)件外熱式油頁巖/煤熱解反應器示意圖

在高溫熱解油氣除塵中，半焦作為濾料的移動床有著顯著的優(yōu)點[68]：①半焦為熱解系統(tǒng)自產(chǎn)，移動床排出的含塵半焦又能被后續(xù)過程有效利用，省去了濾料再生系統(tǒng)，降低了移動床設備的復雜性；②熱解反應器產(chǎn)生的半焦具有較高的溫度，充分利用了系統(tǒng)熱能，減小了移動床外部供熱壓力；③半焦孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，比表面積較大，除塵效果好。將移動床由熱解反應器外“轉(zhuǎn)移”到熱解反應器內(nèi)則進一步簡化了除塵過程，降低了設備投資和運行成本。目前，移動床應用于熱解油氣除塵尚處于中試試驗階段，移動床長時間穩(wěn)定運行和放大問題等仍需要進一步研究。

3.2 清潔發(fā)電

受我國“富煤、貧油、少氣”能源結(jié)構(gòu)的影響，電力工業(yè)在煤炭消費中占有及其重要的地位。煤炭作為品質(zhì)較差的化石燃料，直接燃燒會產(chǎn)生大量污染物，引發(fā)嚴重的環(huán)境問題，因此發(fā)展以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（integrated gasification combined cycle，IGCC）和增壓流化床燃燒聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（pressurized fluidized bed combustion combined cycle，PFBC-CC）為代表的潔凈煤發(fā)電技術(shù)對于控制污染物排放、實現(xiàn)煤炭清潔利用具有重要意義。

對于IGCC系統(tǒng)，從保護下游燃氣輪機和滿足排放標準的角度考慮，需要對氣化爐產(chǎn)生的370～595℃、壓力可達8MPa的煤氣[69-70]進行脫塵處理。陶瓷過濾器作為一種較有前途的高溫除塵設備，已在眾多IGCC示范電站進行了工業(yè)試驗，雖然獲得了很好的除塵效果，但高溫高壓條件下仍存在一些問題[71]：①部分粉塵永久性沉積在陶瓷濾料孔隙中，導致操作壓降劇增，過濾元件失效；②熱疲勞和裂紋蔓延等問題造成陶瓷濾料破碎，過濾器長周期運行得不到保證。而在PFBC-CC系統(tǒng)中，采用陶瓷過濾器對流化床產(chǎn)生的760～870℃、1～1.2MPa的煙氣[69-70]進行高溫除塵則面臨更大的挑戰(zhàn)。

表1 應用于高溫煤氣、煙氣顆粒床過濾器小試和中試試驗簡要匯總

顆粒床從過濾過程上看與陶瓷過濾器有相似之處，但又有較大的不同：①若濾料選擇合適，可在高溫高壓條件下穩(wěn)定運行，耐久性好；②選擇移動床可實現(xiàn)連續(xù)過濾，不需要脈動反吹，操作壓降平穩(wěn)。到目前為止，已有眾多學者和機構(gòu)對應用于高溫煤氣、煙氣除塵領域的顆粒床展開了小試和中試試驗[50]，見表1。當下，在陶瓷過濾器高溫高壓條件下穩(wěn)定性和耐久性問題仍需進一步研究解決的情況下，顆粒床，尤其是移動床在IGCC、PFBC等領域具有良好的發(fā)展前景。

3.3 工業(yè)爐窯余熱利用

冶金、建材、化工等工業(yè)爐窯余熱利用對于降低能耗、推進我國節(jié)能減排工作具有重要意義。對于以重油等為燃料的爐窯，其排放的煙氣一般黏性較大，煙氣溫度和流量也存在較大波動，目前普遍采用的濕法除塵雖然效率高，但卻浪費了煙氣余熱，耗水量大，產(chǎn)生的污水、污泥處理復雜。面對這種情況，結(jié)構(gòu)簡單、容塵量大、對工況變化不敏感的雙層濾料固定床顯示出較強的優(yōu)越性，過濾后的煙氣仍具有較高溫度，可進入后續(xù)換熱設備進行余熱回收。雙層濾料固定床已在鋁合金熔化爐上進行了工業(yè)除塵試驗[72]，進口溫度450℃，出口粉塵濃度小于10mg/m3，裝置除塵消煙效果好，運行穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語與展望

隨著人們對顆粒床過濾技術(shù)越來越重視，研究越來越深入，顆粒床這種高效且經(jīng)濟適用的高溫氣體除塵設備正在不斷地改進和完善中。就目前的研究現(xiàn)狀來看，固定床的開發(fā)主要包括兩方面：①延長過濾操作時間，包括增大顆粒層容塵量（多層濾料固定床）和設計可連續(xù)運行固定床（新型固定床）；②減小濾料顆粒直徑，提高微細粉塵捕集效率（粉體濾料固定床）。移動床的開發(fā)則集中于：①提高顆粒層均勻順暢流動性（交叉流式移動床）；②增大顆粒層利用效率（交叉流式移動床）；③優(yōu)化進氣方式，減小沉積粉塵二次夾帶（混合流式移動床）。

顆粒床的研究開發(fā)也可歸納為集成性和針對性兩個特點。集成性指將顆粒床與其他技術(shù)手段進行有機組合，組合方式可以是簡單疊加，如旋風-過濾、靜電-過濾、顆粒過濾-金屬過濾等復合除塵，也可是多種技術(shù)手段耦合一體化，如研究改性濾料，實現(xiàn)除塵、脫硫、脫焦等同時進行。針對性則是指顆粒床的使用與特定的工藝過程配合，如熱解過程中的濾料不再生式移動床和內(nèi)構(gòu)件外熱式熱解反應器等，濾料系熱解系統(tǒng)自產(chǎn)，排出的含塵濾料系統(tǒng)自用。

綜上所述，顆粒床過濾技術(shù)在固體燃料高效綜合利用、清潔發(fā)電、余熱利用等領域應用潛力巨大，已成為高溫氣體除塵領域的研究熱點之一。目前，針對顆粒床的有關研究已取得了一定的成果，但顆粒床距離工業(yè)廣泛應用仍存在距離，設計高效率、低成本的顆粒床任重道遠。相較于固定床，移動床結(jié)構(gòu)較為復雜，過濾效率有待提高，但移動床單臺設備即可連續(xù)操作，過濾性能穩(wěn)定，因而具有很高的開發(fā)應用價值。現(xiàn)階段，移動床顆粒層均勻順暢流動性仍需提升，這直接限制著其工業(yè)化推廣。進一步改進完善移動床結(jié)構(gòu)，增強顆粒層整體流動性和利用效率、優(yōu)化進氣方式以及集成性針對性設計，將使移動床具有更強的工業(yè)化競爭力。

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Advances in research on granular bed filter for dust removal

YAN Shen1，2，SUN Guogang1，2，SUN Zhanpeng1，2，HAN Xiao1，2，HUANG Lei1，2，ZHAO Fei1，2
（1College of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2Beijing Key Laboratory of Process Fluid Filtration and Separation，Beijing 102249，China）

The development and application of high temperature gas dust removal technology makes great sense to the energy utilization and cleaner production in industrial processes. Granular filtration technology which shows a balance between efficiency and pressure drop，better economy and good adaptability in harsh environment，has provided an effective way to settle issues involved in efficient synthetically utilization of solid fuels，clean electricity generation and utilization of residual heat，etc. The principle and forms of granular bed filters（GBFs）were introduced in this paper. Special emphasis was placed on the structure type and improvement research of GBFs，including fixed GBFs，moving GBFs and other forms of GBFs. The influence factors and present studies on engineering application of GBFs were then summarized，and the development trend of GBFs was discussed at last. There are many control factors in moving GBFs and the filtration efficiency of moving GBFs still needs to be improved compared with fixed GBFs，but moving GBFs are more appropriate for industrial application and are the first choice，because moving GBFs can be operated continuously at a steady efficiency and pressure drop.In addition，uniform flow and high utilization efficiency of granular layer，optimization of dirty gas inlet modes and pertinency and integration design are the future directions of research for moving GBFs.

filtration；optimization；pyrolysis；granular bed；moving granular bed；hot gas cleanup

TQ028.2；TQ051.8

：A

：1000-6613（2017）09-3152-12

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0014

2017-01-04；修改稿日期：2017-02-14。

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（2014CB744304）及中國科學院過程工程研究所多相復雜系統(tǒng)國家重點實驗室開放課題（MPCS2014D11）項目。

顏深（1994—），男，碩士研究生，研究方向為氣固分離技術(shù)。E-mail：shenyan1215@foxmail.com。聯(lián)系人：孫國剛，博士，教授，博士生導師，研究方向為氣固分離、顆粒分選及煙氣脫硫硝技術(shù)。E-mail：ggsunbj@163.com。