烧结金属除尘技术的研究进展

　表 1 　　年产 15000t棉籽饼粕管束式干燥与盘式连续干燥的经济指标对比 干燥形式 电耗 蒸汽消耗 溶剂回收 装机 kW 用电量 度/ t 金额 元/ t 单耗 t / t 金额 元/ t 溶剂回收量 kg /h 单耗 kg/ t 金额 元/ t 维修费用 元 设备投资 万元 管束式 53. 25 20. 73 12. 44 0. 909 63. 62 890 445 890 2. 64 48 盘式 8 3 1. 8 0. 0866 60. 62 1071 535. 5 1071 1. 76 32 节约 45. 25 17. 73 10. 64 0. 043 3 181 90. 5 181 0. 88 16 合计节约 195. 52 (元/ t ) 16 注: ( 1) 管束式干燥器产品损失由尾气挟带无法捕集而产生。棉籽饼粕价格按 1600元/ t计。( 2) 电价按 0. 6元/度计。( 3) 蒸汽 价格按 70元/ t 计。( 4) 维修费用按设备折旧的 55%计。( 5) 甲醇按 2000元/ t 计。 中管束式干燥器和盘式连续干燥器的经济指标 对比, 对于年产 15000t棉籽饼粕的干燥工序, 使用盘式连续干燥器每干燥 1t 棉籽饼粕节约 费用 195. 52元,年创经济效益293. 28万元, 设 备投资节约 16万元。 　　由于设备对环境无污染,提高了产品质量, 占地面积小, 能耗小, 因此具有较大的社会效 益。 参　考　文　献 　1　姚玉英, 黄凤廉等 . 化工原理 (下册) . 天津: 天津科学 技术出版社, 1997. 　2　时钧, 汪家鼎等 . 化学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 手册 (上册) . 北京: 化学工 业出版社, 1996. 　3　潘永康, 王喜忠等 . 现代干燥技术 . 北京: 化学工业出 版社, 1998. (收稿日期: 2004-08-11) 烧结金属除尘技术的研究进展* 吴晓风* *　沈来宏 (东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室) 　　　摘　要　介绍一种高性能的过滤材料——烧结金属过滤材料及其特性。探讨了该过 滤材料在除尘技术中的应用及其发展状况, 对于烧结金属过滤式除尘的设计优化进 行了初步研究, 最后对该除尘技术的前景做了展望。 　　　关键词　除尘　过滤　烧结金属 1　前言 　　火力发电是中国主要的发电方式, 目前火 力发电占 81% , 其中 93%是燃烧发电, 因此发 展洁净煤发电技术对中国的迫切性大于世界上 其他任何国家。煤的增压流化床部分煤气联合 循环( PFBPG- CC)发电技术,即第二代( PFBC - CC)技术, 集中了循环流化床、增压流化床联 合循环和整体煤气化联合循环三大洁净煤技术 的优点, 有着系统相对简单, 电站投资和电价 　* 教育部科学技术研究重点项目 ( 02177)。 * * 吴晓风, 男, 1979年 5月生, 硕士。南京市, 210096。 10 烧结金属除尘技术的研究进展 相对较低的特点。这是一项特别适合我国国情 的洁净煤发电技术。发展这种技术的关键之一 是实现含尘煤气的高温煤气过滤式除尘技术, 以满足燃气轮机运行和环境保护的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 , 是目 前迫切需要解决的关键技术。 　　在诸多气体净化除尘工艺技术中, 介质过 滤净化技术有着显著的优点。它利用耐热性优 良的过滤介质实现气固分离,达到气体净化和 资源回收的目的,不仅可以最大程度地利用气 体的物理显热,提高能源利用率,同时简化工艺 过程,节省工艺设备投资,避免了如湿法除尘所 带来的二次水污染[ 1]。表 1是关于常用除尘器 和金属过滤器的性能比较 [ 2]。从表中可以看出, 金属过滤器在总体性能方面是有优势的。 　表 1 常用除尘器的类型与性能 除尘作用力 除尘器种类 应用范围 不同粒径效率/ % 粉尘粒径�m 粉尘浓度g�m- 3 温度℃ 粒径/ �m 50 5 1 惯性重力 惯性除尘器 > 15 > 10 < 400 96 16 3 离心力 旋风除尘器 > 5 < 100 < 400 96 73 27 静电力 电除尘器 > 0. 05 < 30 < 400 > 99 99 86 惯性扩散筛分 袋式除尘器 > 0. 1 3～10 < 300 100 > 99 99 惯性扩散截留 陶瓷过滤器 > 5 < 30 < 850 100 > 99 98 惯性扩散筛分 金属过滤器( 310S) > 0. 1 < 30 < 400 100 98. 5 惯性扩散筛分 金属过滤器(FeAl) > 0. 1 < 30 < 900 100 99. 5 　　目前, 实施高温煤气过滤式除尘的一般方 法是先利用旋风分离器进行粗除尘, 将大部分 5～10�m 以上的尘粒去除, 然后采用陶瓷过 滤、金属丝过滤或颗粒床等除尘技术进行精细 除尘, 尽量去除 5�m 以下的尘粒, 以减少微细 尘粒在燃气轮机通流部分沉积和对叶片的冲击 所造成的危害。另外, 国内外也正在发展另一 种中温煤气除尘技术, 也就是利用特殊的场力 或特殊流场使微细尘粒相互碰撞团聚, 然后再 用高效旋风除尘器除尘。图 1为过滤系统示意 图。 2　烧结金属除尘简介 　　从制备工艺和结构特点考虑, 可将烧结金 属材料分为: 烧结金属丝网、烧结金属毡、烧 结金属粉末、金属膜。图 2为各种不同结构特 点的烧结金属多孔材料。金属材料良好的塑性 使之可拉拔成金属丝或纤维, 并进一步编织成 网或铺制成毡, 多层复合金属丝网具有很高的 整体强度和刚性, 空隙分布均匀, 再生性好, 过 滤元件寿命长,烧结纤维毡有很高的空隙率,因 此透气性好, 并具有很高的过滤精度。烧结金 属粉末是依靠熔融金属雾化制粉后压制成形和 烧结而得。烧结金属粉末可制成各种复杂形状, 并且有较高的过滤精度[ 3]。 图 2　烧结金属多孔材料 ( a)烧结金属丝网　( b)烧结金属毡 ( c)烧结金属粉末　( d)金属膜 11《化工装备技术》第 25卷 第 5期 2004年 　　2. 1　烧结金属过滤材料的特点[ 4] 　　( 1) 优良的透过性性能, 适于制作催化剂、 流体的分布与渗透装置等。 　　( 2) 金属微孔孔径与孔隙易于控制,用于 过滤时过滤精度高。 　　( 3) 比表面积大, 可以为化学反应提供理 想的大面积接触材料。 　　( 4) 保持一定的金属与合金本身的性能。 　　( 5) 烧结金属多孔材料耐高温、抗热震、耐 低温, 适宜在较高或超低的工作温度和耐热冲 击环境下长期工作。 　　( 6) 金属微孔孔径、空隙度、渗透性能可通 过反吹、高温热处理、化学溶剂、燃烧和超声波 振动等多种途径进行清洗再生, 洗涤性能好,从 而延长了使用寿命。 　　( 7) 烧结金属多孔材料具有较好的机械加 工性,可进行较复杂的机械成形加工及焊接。 　　2. 2　烧结金属过滤元件的过滤原理及过 滤过程 　　近几年来, 国外许多学者对过滤器在积尘 情况下的效率性能及滤饼的形成和机理进行了 理论实验及模拟研究, 取得了一定的成果[ 5～8]。 与常规干法除尘, 如布袋除尘相同,高温介质除 尘主要借助过滤材料(介质)来实现气固分离, 达到气体净化的目的。按微粒被捕集的位置高 温气体过滤器可以分为两类,一是表面过滤器, 如金属网、多孔板等, 微粒在表面被搜集; 另 一是深层过滤器, 如纤维毡、粉末微孔材料、颗 粒填充层等。微粒在表面和层内被搜集, 微粒 被搜集的机制主要有拦截效应、惯性效应、扩 散效应, 对于表面过滤器, 除了拦截效应和惯 性效应之外,扩散效应也起着重要的作用[ 1]。针 对烧结金属丝网, 下面简单阐述其金属过滤器 的过滤过程。结合一些过滤理论, 可将烧结金 属过滤过程分为四个阶段: 　　 ( 1) 过滤起始阶段。粉尘随烟气流经过烧 结金属介质时沉积于介质表面, 此时主要靠拦 截和扩散机理。粉尘颗粒在烧结金属表面的分 布是不均匀的, 气流在介质表面的速度分布也 是不均匀的。粉尘不断沉积, 但没有形成连续 的粉尘层, 且压降增加很少, 这时候的压降损 失很小。 　　 ( 2) 过滤中间阶段。烧结金属表面的各个 粉尘堆不断相连, 形成连续的过滤层, 即滤饼。 此阶段是大面积滤饼形成期。此时过滤孔径缩 小, 粉尘的拦截沉积作用大幅提高, 过滤效率 急剧升高, 压差迅速升高。由于气流分布不均 匀, 因此粉尘层的形成从局部开始, 气流在通 过烧结金属过滤介质时有寻找大孔的倾向, 随 着粉尘层面积的增大, 更多的气流流向未形成 滤饼的区域, 使滤饼的面积迅速扩大, 因而过 滤效率增加很快, 压差迅速上升。 　　 ( 3) 过滤稳定阶段。此阶段主要靠滤饼的 过滤筛分作用, 烧结金属介质起着形成滤饼和 支撑加强作用,这时的过滤机理主要为筛分,气 流通过的通道为粉尘颗粒间的微孔。这时的压 差变化缓慢, 相对过滤中间阶段近似不变。 　　 ( 4) 过滤反吹阶段。随着滤饼的不断增厚, 需要进行在线清洗, 求得过滤器的循环再生。一 般采用脉冲反吹系统来实现。此时除尘效率略 有下降。至此完成一个过滤周期。 　　2. 3　烧结金属过滤器的设计原则 　　烧结金属过滤器的设计必须满足价格、寿 命和特性的要求并受其限制。要求金属过滤器 必须能承受气流化学特性变化的影响、组分变 化的影响, 并保持高的除尘效率、保持高流量 及低压降特性, 同时要求金属过滤器能承受气 流脉冲喷射清洗引起的振动力和热应力。要求 选择的金属材料不仅具有热的、化学的稳定性, 还应具有耐高温的可靠性。当存在腐蚀情况时, 要求具有较高的耐腐蚀性能。 3　烧结金属过滤式除尘的国内外现状 　　3. 1　国内研究现状 　　近年来, 国内外大力开展高性能金属过滤 材料的研究, 尤其是耐高温腐蚀性能优良的金 12 烧结金属除尘技术的研究进展 属过滤材料的开发。其中, FeAl金属间化合物 和 310S 以其突出的抗高温氧化和耐硫腐蚀性 能而倍受关注。我国在烧结金属多孔材料方面 的研究也有近 40年的历史, 特别是在钛材、不 锈钢的粉末烧结微孔制备和紧密丝网微孔烧结 技术方面, 处于先进行列。目前, 以刚性烧结 金属微孔材料为核心的净化分离技术与设备的 开发应用, 已被列入国家 “九五”重点科技成 果推广项目, 在各个工业领域有着良好的应用 前景和广阔的市场开发潜力。由北京钢铁研究 总院研制的金属膜可实现“铀 235分离”, 同时 在微电子超净化水平上达到了10万级, 在菌类 净化、气溶胶净化等多方面也都取得了理想的 应用效果。随着纳米技术的发展, 清华大学的 研制人员已经提出了金属微孔纳米过滤技术的 研发方向。 　　3. 2　国外研究现状 　　德、日、美等发达国家在高温气体过滤除 尘技术的开发上一直走在世界前列, 其主要目 标是实现称之为跨世纪新技术的煤的洁净燃烧 联合循环发电工艺技术( IGCC, PFBC )的商业 化。其在金属过滤材料和制品上取得了较大的 进展。比利时 Bekaert 公司发挥自身在金属纤 维制品上的领先技术开发出 “冷等静压与烧结 316L 不锈钢纤维微米过滤管”, 该滤材的过滤 精度达到亚微米水平, 相对气体的流通能力大 于 3×10- 3L/ ( m in�cm2 ) ,相当于同样精度的多 孔陶瓷滤材的 20倍[ 9]。美国MOTT 公司研制 出 0. 003�m 过滤精度的不锈钢烧结金属粉末 材料 [ 10] , 还有 Mott 和 Pall 公司生产的 310S, Inconel600、FeAl金属间化合物等烧结金属滤 管,耐温 600～900℃ [ 10, 11]。德国 GKN 公司近 年开发出多种规格的烧结金属粉末异型微孔滤 材,在滤材抗腐蚀方面拥有哈氏合金、锰乃尔合 金等耐蚀滤芯。日本 NICHADIA 公司拥有世 界上一流的高精度烧结金属丝网滤材, 滤材有 效过滤等级接近 0. 2�m。俄罗斯近几年研制出 了高效、经济型金属多孔材料与陶瓷微孔膜复 合新型滤材。 4　金属过滤式除尘的设计研究 　　4. 1　工艺过程的连续化与自动化 　　工艺过程连续化与自动化技术的发展, 需 要滤材有比较长的在线使用周期。在气体过滤 除尘技术中, 高速气流脉冲反吹再生技术对保 证滤芯正常工作和设备连续运行起着重要的作 用, 脉冲反吹再生条件的变化对于滤芯寿命有 很大的影响。这也为采用稳定性好、可靠性高、 易于清洗再生的烧结金属微孔材料提供了契 机[ 12]。图 3为连续过滤系统示意图。 图 3　连续过滤系统 　　4. 2　过滤介质的不均匀性 　　传统的烧结金属过滤器有它的限制, 如普 通不锈钢金属层一般厚度为 3mm 左右, 由此 产生了相当大的压降, 并且降低了过滤器反吹 清洗的效率。虽然金属层需要一定的厚度以保 证其足够的机械强度, 但对于颗粒的除尘没有 太大的意义, 研究发现含尘气体的过滤分离主 要发生在过滤介质的表层。相对于传统的均匀 烧结金属介质, 不均匀处理的烧结金属层对于 过滤有明显的影响, 在长时间内更不容易产生 堵塞现象, 延长了过滤器的寿命[ 13]。 　　图 4( b )主要为一般金属的过滤介质表面 附加了一层比较致密的活性金属过滤层, 这是 通过一定的烧结工艺用同样的金属制成的, 对 于表面过滤介质, 紧密的微孔分布使得颗粒不 容易通过过滤介质。它使得过滤压降明显降低, 13《化工装备技术》第 25卷 第 5期 2004年 同时也意味着反吹清洗会相对容易些。 ( a)均匀　　　　　　( b )不均匀 图 4　金属过滤层压降沿过滤层方向的变化 　　4. 3　过滤层的褶皱设计 　　流动速度对于过滤式介质的压降有重要的 影响, 从而很大程度上决定了整个过滤器的压 降。很多研究人员对此做过大量的研究。从不 断增长的煤气净化处理量和控制设备成本等因 素考虑,需要更深层次地优化过滤介质的结构。 事实上过滤元件内流动的不均匀性为优化提供 了前提。 　　过滤体内的流动一般常被简单地当作一维 流动, 忽略了轴线方向上压力、速度的分布不 均, 虽然简化了计算, 但对于过滤体的设计和 进一步优化带来了困难。褶皱的过滤金属层结 构广泛应用于各种工业过滤设备, 由于烧结金 属具有良好的机械加工性能,易于加工制造,结 构紧凑, 比普通的板式过滤层拥有更大的过滤 面积, 因此可降低过滤气体的表面速度, 提高 尘粒的收集效率, 降低压降 [ 14]。 5　结语 　　现代除尘技术所面临的主要问题是过滤介 质高温下寿命不长, 过滤速度低以及在线反吹 清洗比较困难, 因而其在工业中的推广应用受 到一定的限制。反吹性能优越、高温耐蚀性能 好的烧结金属高效除尘滤材的研制和高温过滤 技术的研究, 包括金属滤料高温条件下过滤行 为、脉冲反吹再生机理等方面的研究, 是实现 高温气体除尘技术工业化的重要措施。由于能 源短缺, 在炼焦及煤力发电行业中煤的利用效 率不高, 而给环境带来的污染却日益严重, 因 此推广高温除尘技术势在必行。随着材料及相 关学科的发展,高温除尘技术会逐步成熟完善, 会有更广阔的工业应用前景。 参　考　文　献 　1　况春江, 方玉诚. 高温气体介质过滤除尘技术和材料的 发展 . 新材料产业, 2002 ( 4) : 25～28 　2　金国淼等. 除尘设备 . 北京: 化学工业出版社, 2002. 　3　刘洁, 王云英, 况春江等. 金属微孔材料及其在高温煤 气除尘中的应用研究. 环境污染治理技术与设备, 2003, 4 ( 7) : 32～36 　4　顾临, 邱世庭, 赵扬. 烧结金属多孔滤材技术综述 . 流 体机械, 2002, 30 ( 2) : 30～34 　5　T homas P,Penicot P, Contal D, et al. 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