高溫氣體過(guò)濾技術(shù)及裝備發(fā)展概況

姬忠禮，欒鑫，苗林豐

（1 中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；2 過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

依據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDI 3677，高溫氣體是指溫度高于260°C的氣體[1-2]，通常需要選用多孔陶瓷材料或多孔金屬材料過(guò)濾元件。目前以多孔陶瓷材料或多孔金屬材料為核心過(guò)濾元件的高溫氣固分離技術(shù)已可除凈1μm 以上的固體顆粒，凈化后氣體濃度小于5mg/m3，已廣泛應(yīng)用于煤氣化、催化裂化、生物質(zhì)氣化、垃圾焚燒和熱解及冶金等各個(gè)行業(yè)，但大型工程用過(guò)濾分離設(shè)備的設(shè)計(jì)和溫度在600°C以上時(shí)過(guò)濾元件的運(yùn)行可靠性等方面，仍存在不少亟待解決的關(guān)鍵難題。

1 高溫氣固分離技術(shù)概況

1.1 高溫氣固分離技術(shù)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)70年代末和80年代初，以增壓循環(huán)流化床燃燒（PFBC） 和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）為代表的兩種新型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)中均涉及高溫氣固分離這一關(guān)鍵難題[3]。在PFBC 工藝中，其高溫燃?xì)獾臏囟瓤蛇_(dá)850°C，操作壓力為1.1～2.6MPa，為氧化性氣氛；在IGCC工藝中，其高溫合成氣溫度為350～400°C，操作壓力為2.0～3.0MPa，為還原性氣氛。由于兩種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)工況復(fù)雜，很難達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)凈化要求和環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，各國(guó)學(xué)者基于PFBC和IGCC、垃圾焚燒等有關(guān)高溫凈化工藝和環(huán)境保護(hù)方面的技術(shù)需求，相繼開(kāi)展了相關(guān)高溫氣體凈化技術(shù)研發(fā)、小型熱態(tài)試驗(yàn)及示范裝置試驗(yàn)，并于1986 年在英國(guó)的Surry大學(xué)舉辦了第一屆高溫氣體凈化國(guó)際會(huì)議，會(huì)議內(nèi)容集中在慣性分離器、陶瓷過(guò)濾器、靜電除塵器、布袋過(guò)濾器及顆粒層過(guò)濾器等。截止至2010年，該高溫氣體凈化會(huì)議已舉辦了八屆。

隨著高溫氣體過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展，高溫氣固分離設(shè)備可分為三類(lèi)：第一類(lèi)是以旋風(fēng)分離器為代表的慣性分離設(shè)備；第二類(lèi)是以陶瓷粉末過(guò)濾器和顆粒層過(guò)濾器為代表的過(guò)濾分離設(shè)備；第三類(lèi)則為靜電除塵器。表1為高溫氣固過(guò)濾與分離技術(shù)的分類(lèi)及其特點(diǎn)[4-8]。

表1 高溫氣固過(guò)濾與分離技術(shù)的分類(lèi)及其特點(diǎn)

1.2 高溫氣固分離技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合

針對(duì)煤化工、石油化工及冶金等行業(yè)中的產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)、余熱利用以及顆粒物環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高溫氣固分離技術(shù)的需求，高溫氣固分離技術(shù)不僅在PFBC和IGCC工藝中得到了普遍應(yīng)用，而且在生物質(zhì)氣化、催化裂化、垃圾焚燒及熱解等領(lǐng)域也得到了廣泛推廣，其主要應(yīng)用領(lǐng)域及適用條件如表2所示[1,9]。

由于一些除塵工藝的特殊性，例如高溫、高壓、大的處理氣量以及過(guò)濾精度的高要求等，以陶瓷或金屬過(guò)濾管為核心部件的剛性過(guò)濾器成為了這些應(yīng)用場(chǎng)合的最優(yōu)選擇，而其他高溫氣固分離技術(shù)難以滿(mǎn)足其工藝需求。以下是高溫過(guò)濾器的三個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)合。

（1）殼牌干法煤氣化工藝 Shell 煤氣化工藝的產(chǎn)物是以H2和CO為主要成分的合成氣，過(guò)濾器入口氣體含塵濃度大于20g/m3，操作溫度340℃，操作壓力4.0MPa，核心過(guò)濾元件為Dia-Schumalith 10-20 型陶瓷濾管或Fe3Al 粉末燒結(jié)過(guò)濾管，采用分組反吹的方式，反吹氣體壓力約為操作壓力的2～2.2 倍，凈化后氣體含塵濃度在1～2mg/m3。目前單臺(tái)過(guò)濾器內(nèi)的過(guò)濾管組數(shù)常為12、15 和24組，相應(yīng)的過(guò)濾管根數(shù)分別為576、720、1152。

表2 高溫氣固分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

（2）催化裂化汽油吸附脫硫工藝 催化裂化汽油吸附脫硫（S-Zorb）工藝生產(chǎn)國(guó)Ⅴ汽油可使含硫量小于25μg/g，具有辛烷值損失小、氫耗低和能耗低等特點(diǎn)[10]。S-Zorb工藝用高溫氣固過(guò)濾器用于分離高溫工藝氣中的吸附劑，氣體溫度為260～440℃，過(guò)濾精度為1.3μm，過(guò)濾效率要求不小于99.97%，其核心過(guò)濾元件為燒結(jié)金屬多孔濾芯，采用脈沖反吹技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾芯的循環(huán)再生。

（3）催化裂化煙氣能量回收工藝 在催化裂化裝置煙氣能量回收系統(tǒng)中，由再生器排出的高溫?zé)煔鉁囟葹?00～650℃、壓力為0.2～0.3MPa，用高溫金屬粉末過(guò)濾器代替第三級(jí)旋風(fēng)分離器可使凈化后進(jìn)入煙機(jī)的粉塵濃度小于30mg/m3，滿(mǎn)足煙氣排放要求和煙氣輪機(jī)葉片保護(hù)要求。

2 高溫氣固過(guò)濾元件概況

2.1 高溫氣固過(guò)濾元件的發(fā)展歷程

Alvin 將高溫過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展劃分為四個(gè)主要階段，即20世紀(jì)70年代的金屬過(guò)濾材料、80年代的均質(zhì)陶瓷過(guò)濾材料、90 年代的連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料及2000 年開(kāi)始的金屬間化合物材料[11-12]。20世紀(jì)70年代，Hastelloy X 合金已用于制備高溫過(guò)濾管，但在進(jìn)行高溫性能試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)金屬合金過(guò)濾管存在氧化或腐蝕加快、拉伸強(qiáng)度降低和承載能力減弱等問(wèn)題。20 世紀(jì)80 年代，研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)為制備均質(zhì)陶瓷粉末過(guò)濾管，但由于長(zhǎng)周期運(yùn)行的熱疲勞影響及溫度變化帶來(lái)的熱沖擊作用，陶瓷粉末過(guò)濾管易發(fā)生失效。針對(duì)上述問(wèn)題，20世紀(jì)90 年代中期研發(fā)了第二代非氧化物基和氧化物基陶瓷過(guò)濾管，熱態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然第二代陶瓷過(guò)濾管的斷裂韌性和抗蠕變性能等得到了明顯改善，但非氧化物基陶瓷材料的氧化易導(dǎo)致過(guò)濾管的脆性斷裂失效。到了20 世紀(jì)90 年代末期，針對(duì)陶瓷過(guò)濾管存在材料的脆性和熱應(yīng)力失效問(wèn)題，開(kāi)始利用金屬合金材料和金屬間化合物材料制備高溫過(guò)濾管，并達(dá)到了不錯(cuò)的效果。

2.2 高溫氣固過(guò)濾元件的結(jié)構(gòu)形式

高溫氣固過(guò)濾元件的結(jié)構(gòu)可分為圖1所示的試管式、通管式、錯(cuò)流式及蜂窩式等[13]。試管式過(guò)濾元件的一端為封閉結(jié)構(gòu)，含塵氣體由外部徑向進(jìn)入過(guò)濾管壁，凈化后氣體由內(nèi)部向上流動(dòng)排出；通管式過(guò)濾元件則為兩端開(kāi)口結(jié)構(gòu)，含塵氣體在過(guò)濾管內(nèi)部由上向下流動(dòng)過(guò)程中，逐漸由過(guò)濾管內(nèi)部徑向向外流動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣體過(guò)濾；錯(cuò)流式過(guò)濾元件的含塵氣體通道面與凈化氣體通道垂直，含塵氣體由過(guò)濾元件外側(cè)穿過(guò)過(guò)濾元件壁面，凈化后氣體由內(nèi)部向下流動(dòng)；在蜂窩式過(guò)濾元件中，含塵氣體進(jìn)入含塵通道內(nèi)，逐漸穿過(guò)過(guò)濾壁后進(jìn)入凈化氣體通道，含塵氣體在含塵通道的流動(dòng)方向與凈化后氣體在凈化通道內(nèi)的流動(dòng)面平行。

2.3 高溫陶瓷過(guò)濾元件

2.3.1 陶瓷粉末過(guò)濾元件

陶瓷粉末過(guò)濾元件具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好和耐高溫性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，按結(jié)構(gòu)可劃分為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)即為沿整個(gè)過(guò)濾管厚度方向孔徑分布均勻，或稱(chēng)為單層結(jié)構(gòu)；非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)為在單層材料外表面覆上一層或多層具有更小孔徑的過(guò)濾膜層，起到表面過(guò)濾作用。目前試管式陶瓷過(guò)濾管多為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為孔徑較大、厚度為8～15mm 的支撐體，以保證過(guò)濾管的強(qiáng)度；在支撐體的外表面加一層孔徑較小、厚度僅為100～250μm的陶瓷膜，以實(shí)現(xiàn)表面過(guò)濾。以美國(guó)Pall公司生產(chǎn)的Dia-Schumalith 10-20 型SiC 陶瓷過(guò)濾管為例，其尺寸為60/40×1500mm，孔隙率為38%，密度為1.85g/cm3，內(nèi)層支撐體的平均孔徑大于100μm，外層過(guò)濾膜的平均孔徑約為10μm。

圖1 高溫氣固過(guò)濾元件的結(jié)構(gòu)形式［13］

2.3.2 陶瓷纖維過(guò)濾元件

相比于陶瓷粉末過(guò)濾元件，陶瓷纖維過(guò)濾元件具有斷裂韌性好、重量輕、孔隙率高、成本低等優(yōu)勢(shì)。美國(guó)IF&P公司和英國(guó)Foseco公司在20世紀(jì)80年代采用真空抽濾成型的方法制備出了陶瓷纖維剛性過(guò)濾管，其過(guò)程首先將陶瓷纖維短切均化后與黏結(jié)劑等配成漿料，均勻混合后注入模具中，通過(guò)在模具內(nèi)部形成的真空，使陶瓷纖維漿料定形，再將定形后的陶瓷纖維過(guò)濾管脫模和干燥，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成剛性陶瓷纖維過(guò)濾管。以德國(guó)BWF 公司的Pyrotex KE85 型過(guò)濾管為例，纖維平均直徑約為3.2μm，過(guò)濾管孔隙率可以達(dá)到90%以上，密度為180kg/m3，耐溫可達(dá)800℃以上，凈化后顆粒物濃度小于1mg/m3。

2.4 高溫金屬過(guò)濾元件

2.4.1 金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾元件

金屬燒結(jié)粉末過(guò)濾元件具有較好的抗熱震性和機(jī)械沖擊性能。常用金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾管的制備工藝包括原始粉末制備和處理、等靜壓成形或模壓成形和高溫?zé)Y(jié)等過(guò)程。目前金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾元件常采用等靜壓成形和粉末軋制兩種工藝。等靜壓燒結(jié)金屬粉末過(guò)濾元件孔隙率可達(dá)30%～50%，厚度2.0～4.0mm，具有良好的透氣性，密度和厚度分布均勻；粉末軋制燒結(jié)金屬粉末過(guò)濾元件孔隙率可達(dá)20%～50%，厚度0.8～4.0mm，厚度與孔隙率可控，加工成本低。

安泰科技股份有限公司采用濕法噴涂與真空燒結(jié)工藝，制備出了Fe3Al 金屬間化合物粉末燒結(jié)的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)過(guò)濾管。該Fe3Al 過(guò)濾管結(jié)構(gòu)類(lèi)似于雙層碳化硅過(guò)濾管，內(nèi)層基體厚度為5～6mm，主要起支撐作用，外層過(guò)濾膜的厚度為200μm[14-15]。表面膜層采用濕法噴涂與真空高溫?zé)Y(jié)工藝，膜層粉末選用與基體化學(xué)成分相同的Fe3Al 氣霧化細(xì)粉，燒結(jié)后膜層的平均孔徑僅為基體孔徑的25%。在孔徑接近的情況下，非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)與均質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，其滲透性能增加了約3 倍；與美國(guó)Pall 公司的Schumalith 陶瓷過(guò)濾管相比，孔徑更加均勻，滲透性能也有明顯提高[14]。

2.4.2 金屬纖維燒結(jié)過(guò)濾元件

金屬纖維燒結(jié)過(guò)濾元件具有滲透性好、清灰效率高、有效過(guò)濾面積大等優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)單層或由不同直徑的纖維組成多層結(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足對(duì)過(guò)濾氣體阻力、過(guò)濾效率和容塵量及過(guò)濾管強(qiáng)度等性能要求。通常工業(yè)用金屬纖維燒結(jié)過(guò)濾管的厚度為0.5～2.0mm，其透氣率高，氣體阻力明顯低于金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾材料。在加工成過(guò)濾管時(shí)，將纖維層纏繞在金屬多孔篩管支撐體表面，在外表面再采用金屬網(wǎng)將過(guò)濾氈包覆，使內(nèi)部絲網(wǎng)與多孔支撐件連接，外部直接與含塵氣體接觸，保護(hù)過(guò)濾層。

2.4.3 多層金屬絲網(wǎng)過(guò)濾元件

多層金屬絲網(wǎng)燒結(jié)過(guò)濾元件通常是由3～6 層金屬編織絲網(wǎng)平鋪疊合后，經(jīng)過(guò)軋制成形和高溫?zé)Y(jié)后形成的具有剛性結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)多孔材料。以五層金屬絲網(wǎng)燒結(jié)過(guò)濾元件為例，第一層為安全保護(hù)層，由直徑較粗的金屬絲形成較大網(wǎng)孔；第二層為過(guò)濾阻擋層，用于控制微孔材料的過(guò)濾精度；第三層為流體分布層，使得較小顆粒能夠迅速通過(guò)進(jìn)入下游；第四層和第五層為由直徑較大的金屬絲網(wǎng)形成的支撐層，提高濾材整體機(jī)械強(qiáng)度。

2.5 催化反應(yīng)與顆粒物分離的復(fù)合過(guò)濾元件

目前催化反應(yīng)與顆粒物分離復(fù)合元件主要應(yīng)用在以下三種情況：①煙氣排放處理過(guò)程的氮氧化物脫除和煙塵凈化；②生物質(zhì)氣化合成氣處理過(guò)程中催化裂解焦油轉(zhuǎn)化與顆粒物分離；③催化燃燒反應(yīng)中脫除可揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和分離粉塵顆粒。利用試管式陶瓷過(guò)濾管的耐高溫、過(guò)濾精度高及氣體過(guò)濾速度較低等特點(diǎn)，在陶瓷過(guò)濾管的支撐體孔隙通道內(nèi)負(fù)載相應(yīng)的催化劑，最后通過(guò)干燥和燒結(jié)等工藝制備成催化與過(guò)濾復(fù)合元件。當(dāng)煙氣流經(jīng)復(fù)合元件時(shí)，固體顆粒物沉積在過(guò)濾管外表面形成粉塵層，可通過(guò)脈沖反吹進(jìn)行清除。而氣體中的NOx、焦油或VOCs 穿過(guò)元件內(nèi)部孔道時(shí)，在壁面的催化劑上發(fā)生催化反應(yīng)生成無(wú)毒無(wú)污染的氣體。近二十年來(lái)，催化與過(guò)濾復(fù)合元件得到了發(fā)展，甚至在有些地方得到了初步小規(guī)模應(yīng)用，其中關(guān)于氮氧化物與顆粒物協(xié)同脫除的研究較多。

2.5.1 脫NOx與除塵復(fù)合

美國(guó)Tri-Mer 公司采用溶膠-凝膠工藝制備出的負(fù)載有脫硝催化劑的陶瓷纖維過(guò)濾管已得到工程應(yīng)用，如圖2 所示。氣體中的NOx與加入的NH3還原劑反應(yīng)生成N2和水，實(shí)現(xiàn)了顆粒物分離與脫硫脫硝工藝的一體化，凈化后的顆粒物濃度可以降低2mg/m3以下，HCl 脫除效率達(dá)到97%，SO2脫除率達(dá)到95%，NOx脫除率達(dá)到95%。韓國(guó)Gyeongsang 國(guó)立大學(xué)Choi 等[16-19]一直致力于新的復(fù)合技術(shù)的開(kāi)發(fā)以及催化劑活性溫度窗口的低溫化，研究發(fā)現(xiàn)一步法（即直接將制備好催化劑球磨后浸漬到過(guò)濾元件中）制備的復(fù)合元件不僅制備工藝簡(jiǎn)單且較其他方法性能也更優(yōu)異，金屬Pt 加入到V2O5-WO3/TiO2催化劑中可有效將催化劑的活性窗口從260～350℃轉(zhuǎn)移到150～280℃，該溫度區(qū)間內(nèi)脫硝率超過(guò)99%。美國(guó)Pall 公司Heidenreich等[20]探索了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中操作工況對(duì)復(fù)合元件性能的影響，如煙氣的溫度、表觀氣速以及NO濃度等。

2.5.2 脫焦油與除塵復(fù)合

生物質(zhì)氣化以過(guò)程中以及焦?fàn)t煤氣中會(huì)生成副產(chǎn)物焦油，最常用的方法是催化重整，即在700～900℃的溫度區(qū)間內(nèi)，催化劑可使焦油組分與H2O或CO2反應(yīng)生成CO 和H2。美國(guó)Pall 公司自2005 年以來(lái)一直進(jìn)行催化重整生物質(zhì)焦油與陶瓷過(guò)濾管顆粒物分離一體化技術(shù)方面的研究工作，在小型實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)際工業(yè)工況下，測(cè)定了陶瓷過(guò)濾管與多種催化重整反應(yīng)元件組合結(jié)構(gòu)的焦油轉(zhuǎn)化率和氣體阻力等性能參數(shù)，重點(diǎn)分析了催化劑類(lèi)型、催化劑負(fù)載量、氣體操作溫度、H2S含量和氣體過(guò)濾速度等參數(shù)對(duì)焦油轉(zhuǎn)化率的影響[21]。如圖3所示，目前復(fù)合元件的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，一種是通過(guò)浸漬法將催化劑負(fù)載到過(guò)濾管內(nèi)部孔隙中，另一種則是在過(guò)濾管內(nèi)部安裝由催化劑組成的固定床反應(yīng)器或者是負(fù)載有催化劑的泡沫陶瓷[22-24]。

圖2 負(fù)載有脫硝催化劑的陶瓷纖維過(guò)濾管

2.5.3 脫VOCs與除塵復(fù)合

可揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）種類(lèi)繁多，主要包括烷烴、芳香烴和烯烴等，目前多采用Pt 和Pd 貴金屬催化劑在較低廢氣濃度和操作溫度下對(duì)其進(jìn)行脫除。Nacken等[25]在進(jìn)行催化脫硝與顆粒物分離一體化技術(shù)研究時(shí)，通過(guò)將Pt/V2O5催化劑負(fù)載到陶瓷粉末過(guò)濾管支撐體內(nèi)，研究了其催化性能，當(dāng)過(guò)濾速度為2cm/s 和丙烯含量為300μl/L 時(shí)，可以全部脫除以丙烯為主要成分的VOCs。

圖3 催化與過(guò)濾復(fù)合元件的結(jié)構(gòu)形式

3 高溫過(guò)濾器發(fā)展概況

3.1 高溫過(guò)濾器的過(guò)濾排布形式

3.1.1 單層結(jié)構(gòu)過(guò)濾器

德國(guó)Schumacher和美國(guó)Pall公司設(shè)計(jì)的高溫過(guò)濾器，其內(nèi)部的過(guò)濾管為單層排布方式。例如荷蘭Buggenum IGCC 電站[26]、美國(guó)Wabash River IGCC 電站側(cè)線(xiàn)[27]及美國(guó)Tampa IGCC 電站[28]等所用的過(guò)濾器，目前我國(guó)引進(jìn)的20 余套Shell 煤氣化工藝用高溫過(guò)濾器也均為單層結(jié)構(gòu)形式。

3.1.2 多束多層結(jié)構(gòu)過(guò)濾器

西門(mén)子西屋電力公司設(shè)計(jì)的過(guò)濾器內(nèi)過(guò)濾管以多束并聯(lián)方式布置，每束將2～4 層過(guò)濾管組垂直串聯(lián)在一起，每層的過(guò)濾管組由一套脈沖反吹系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行清灰。例如美國(guó)的Tidd PFBC 試驗(yàn)電站[29]和Pi?onpine IGCC電站[28]、芬蘭的Karhuala PFBC電站[30]及美國(guó)Wilsonville 動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)[31]等所用的過(guò)濾器。

3.1.3 倒置式結(jié)構(gòu)過(guò)濾器

LLB公司設(shè)計(jì)的過(guò)濾器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是每根過(guò)濾管以倒置方式排布，過(guò)濾管易更換、可多層排布，整體結(jié)構(gòu)緊湊，單個(gè)壓力容器可安裝2000 根以上濾管。例如德國(guó)的HTW 氣化裝置[32]、Babock 公司的15MWt PCFBC 裝 置[33]、 西 班 牙Puertollano 的335MWe IGCC[34]等所用的過(guò)濾器。3.1.4 兩端支撐結(jié)構(gòu)的多層過(guò)濾器

BWE 公司設(shè)計(jì)的高溫陶瓷過(guò)濾器中采用多層布置方式，其中的過(guò)濾管采用上下兩端支撐方式[35]，每根過(guò)濾管的上部安裝有獨(dú)立的引射器和反吹氣體噴嘴。例如西班牙Escatrón 的80MWe PFBC示范電站[35]所用的過(guò)濾器。

3.2 高溫過(guò)濾器的常用結(jié)構(gòu)形式

3.2.1 行列式高溫過(guò)濾器

行列式高溫過(guò)濾器的管板多數(shù)為矩形，過(guò)濾管在管板上按行列等間距方式排布，結(jié)構(gòu)緊湊，常用于工藝氣體流量大和含塵濃度高的高溫氣體凈化領(lǐng)域，尤其適用于常壓或壓力較低的場(chǎng)合。該類(lèi)過(guò)濾器的脈沖反吹系統(tǒng)由儲(chǔ)氣包、脈沖閥、反吹氣體匯管、噴嘴及相應(yīng)的連接管路組成，其中每根噴吹匯管設(shè)有多個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴對(duì)應(yīng)一根過(guò)濾管。

3.2.2 分組式高溫過(guò)濾器

分組式高溫過(guò)濾器常用于過(guò)濾氣體壓力較高的工況，該類(lèi)過(guò)濾器為圓筒形殼體，圓形管板將過(guò)濾管分為若干個(gè)組，每組內(nèi)的幾根或數(shù)十根過(guò)濾管共用一套脈沖反吹系統(tǒng)[1]。美國(guó)Pall 公司設(shè)計(jì)的SZorb工藝用分組式高溫過(guò)濾器，脈沖反吹氣體經(jīng)過(guò)倒U形的管路進(jìn)入反吹氣體匯管，每根匯管下部位置裝有多個(gè)反吹氣體噴嘴，每個(gè)噴嘴對(duì)應(yīng)一根過(guò)濾管。

3.3 高溫過(guò)濾器的主要輔助部件

3.3.1 高溫脈沖閥

高溫脈沖閥是高溫過(guò)濾器脈沖反吹系統(tǒng)的重要組成部分，常將脈沖閥出口壓力峰值、耗氣量、開(kāi)關(guān)靈敏度等作為指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)[36-38]。目前Shell 煤氣化選用Müller Coax 公司生產(chǎn)的型號(hào)為V2-DN80/PN100-NC 的脈沖閥，滿(mǎn)足8000h內(nèi)脈沖反吹次數(shù)為78000～186000次的工藝運(yùn)行需求，脈沖閥上游氣體壓力為6～8.1MPa，出口壓力為3.0～4.0MPa，要求的疲勞壽命大于10 萬(wàn)次，并可在200ms以?xún)?nèi)迅速完成閥門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉。而S-Zorb工藝用高溫反應(yīng)油氣過(guò)濾器中，所使用的脈沖閥為氣動(dòng)球閥，閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間可控制在2s以?xún)?nèi)。

3.3.2 失效保護(hù)濾芯

根據(jù)工作原理通常將失效保護(hù)元件劃分為三種類(lèi)型：基于過(guò)濾原理的被動(dòng)式失效保護(hù)濾芯、基于顆粒黏附作用的被動(dòng)式失效保護(hù)濾芯和基于閥門(mén)密封原理的主動(dòng)式失效保護(hù)機(jī)構(gòu)[39-44]。針對(duì)頻繁發(fā)生的過(guò)濾管斷裂等問(wèn)題，Pall公司研發(fā)了一種串聯(lián)在過(guò)濾管出口位置的失效保護(hù)濾芯，該保護(hù)濾芯一般選用深層過(guò)濾元件，當(dāng)過(guò)濾管發(fā)生斷裂時(shí)，保護(hù)濾芯內(nèi)部孔隙通道迅速沉積粉塵，阻力快速增加，避免了過(guò)濾管斷裂引起的含塵氣體向凈化氣體側(cè)的泄漏。Shell 煤氣化工藝在每根過(guò)濾管上部都安裝了金屬纖維濾芯作為失效保護(hù)濾芯，其外徑為60mm，內(nèi)徑為44mm，長(zhǎng)度為250mm。

3.4 新型脈沖反吹系統(tǒng)

3.4.1 壓力脈沖耦合清灰系統(tǒng)

Pall 公司提出了一種新型的壓力脈沖耦合（couple pressure pulse，CPP）裝置，該裝置將反吹氣體噴嘴更換為大直徑的噴出管，同時(shí)用具有失效保護(hù)濾芯功能的多孔管將反吹氣體排出管直接與過(guò)濾管集成在一起[45-46]。由于CPP 裝置的噴管直徑較大，提高了反吹氣體流量，可選用較低的反吹氣體壓力，且反吹氣體噴管與過(guò)濾管為一個(gè)整體，使反吹清灰強(qiáng)度沿過(guò)濾管長(zhǎng)度方向更加均勻。

3.4.2 旋風(fēng)分離器與過(guò)濾器耦合裝置

Sharma 等[47-48]提出了旋風(fēng)分離器與過(guò)濾器的組合結(jié)構(gòu)，利用在高溫過(guò)濾器入口位置安裝的氣體引射器，將從過(guò)濾管外部空間引出部分含塵氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器，引出的這部分含塵氣體在沿過(guò)濾管外壁向下流動(dòng)過(guò)程中，會(huì)將剪切下來(lái)的粉塵帶入到旋風(fēng)分離器內(nèi)，并分離出直徑較大的粉塵顆粒，從而降低了過(guò)濾管外表面的粉塵層厚度的增長(zhǎng)速率，減少了過(guò)濾管的脈沖反吹次數(shù)。與傳統(tǒng)的多管過(guò)濾器相比，利用該耦合裝置的過(guò)濾管表觀速度可以提高40%～60%，在處理氣量相同的情況下降低了過(guò)濾器的直徑。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著潔凈煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)要求的提高，高溫氣固分離技術(shù)取得了重要進(jìn)展。以多孔陶瓷材料和多孔金屬材料制備的過(guò)濾元件具有過(guò)濾效率高、耐高溫性能好和抗腐蝕強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于煤氣化、石油催化裂化、生物質(zhì)氣化、垃圾焚燒和熱解及冶金等各個(gè)行業(yè)。

（2）催化反應(yīng)與顆粒物分離復(fù)合元件具有廣泛的應(yīng)用潛力，可應(yīng)用于以下三種工藝過(guò)程：煙氣排放處理過(guò)程的氮氧化物脫除、生物質(zhì)氣化合成氣處理過(guò)程中催化裂解焦油轉(zhuǎn)化、催化燃燒反應(yīng)中脫除可揮發(fā)性有機(jī)物化合物。

（3）石油化工和煤化工領(lǐng)域用高溫過(guò)濾器具有處理氣量大、操作壓力高、顆粒物性差別大等特點(diǎn)，過(guò)濾管的失效直接影響到整個(gè)工藝的運(yùn)行壽命和經(jīng)濟(jì)可靠性，因此在高溫過(guò)濾器的脈沖反吹系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計(jì)、過(guò)濾器性能的失效診斷和實(shí)時(shí)在線(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化等方面需要開(kāi)展深入的研究。