粉煤热解高温油气除尘工艺设计研究

粉煤热解高温油气除尘工艺设计研究

王田田 云海涛

陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司 陕西省榆林市神木市 719319

摘要：高温含尘油气除尘技术制约了煤粉低温热解技术的发展。通过对煤粉热解高温油气特性的分析，提出了对除尘工艺的要求，比较了目前高温除尘技术的特点和应用，并选择旋风分离器粗滤+滤芯除尘器精滤的除尘方式，以保证过滤压降和过滤精度。在除尘设计中，考虑到可能影响机组运行的因素，提出了工艺优化措施，增加了置换预热系统和离线氧化再生系统。更换预热系统确保了气体系统的安全，避免了运行条件下灰尘焦油的凝结和粘附。离线氧化再生系统能有效去除附着的可燃物，与反吹系统配合使用，加快再生进度，实现滤芯过滤性能的恢复。通过除尘工艺的优化，提高了滤芯的使用寿命，降低了运行成本，焦油产品基本无尘，实现了除尘系统的长期运行。

关键词 高温油气 除尘 粉煤热解 工艺设计

中国是一个富煤、贫油、少气的国家。能源禀赋的特点决定了煤炭在我国国民经济中的战略主体地位。实现煤炭的清洁、高效、可持续开发利用是建设资源节约型、环境友好型社会的必由之路。因此，发展煤炭分级、优质、梯级利用技术，实现煤炭能源的“优质高用、低质低用”，是我国能源产业发展的必然选择。随着煤矿机械化的广泛应用，煤粉率越来越高，这不仅带来了安全隐患，还造成了二次污染。合理利用煤粉进行低温热解是煤粉利用的最佳途径。然而，在煤粉的低温热解、分级和质量分离过程中，会产生含有大量细煤粉的高温油气。为了实现这些高温油气的有效利用，必须解决高温油气的除尘问题。

煤粉热解过程中产生的含尘油气温度高，易相变。焦油冷却会携带大量粉尘，不仅会影响焦油产品的质量，还会恶化焦油的流动性，导致设备和管道堵塞，无法实现长期运行。煤粉热解高温油气除尘已成为制约低品位煤低温热解技术发展的关键技术。

1、煤粉热解高温油气除尘工艺要求

鉴于煤粉热解过程粉尘含量大、热解气体成分复杂、气体温度高、易相变等特点，有必要对煤粉热解高温油气除尘工艺提出新的要求：① 确保气固分离效果，确保油品质量；② 确保设备和滤料在450~600℃的高温环境下长期稳定运行；③ 防止过滤设备上的高温、冷凝和灰尘，防止高温和冷凝导致过滤设备故障；④ 对于轻微粘附，应采取控制措施，减少其持续富集，防止设备堵塞；⑤ 确保设备压降小，降低生产运行成本。

2、粉煤热解高温油气除尘工艺选择

在实现高温含油含尘可燃气体的过滤除尘研究和实践中，人们尝试了很多办法。目前能用于高温状态下气固分离的技术主要有:高温旋风除尘、金属滤芯除尘、陶瓷滤芯除尘、高温静电除尘和颗粒层过滤除尘。各种除尘技术有其自身的特点及适用范围，现针对粉煤热解高温油气除尘需求进行分析。

旋风分离器具有耐高温、结构简单、易于制造及安装和维护管理、设备投资和操作费用都较低等优点，但其对细微颗粒的除尘效率低。而粉煤热解气中尘颗粒粒径较小，旋风除尘器无法满足除尘精度，影响后续系统操作及油品质量，只能作为预处理设备使用。

颗粒层过滤除尘器很好地解决了高温下材料性能的问题，但其能耗高，工质再生困难。高温静电除尘试验在500℃含油热解煤气气氛中，除尘器除尘效率在61%～78%之间波动，运行状况良好，但仍在中试试验阶段。

金属滤芯过滤器和陶瓷滤芯过滤器，采用微孔过滤形式，均具有除尘效率高的优点。但是运行一段时间后，陶瓷滤芯相对金属滤芯而言，更容易由于受到气流的冲击及热应力，出现断裂、破损现象。国内所有壳牌煤气化装置均发生过断裂问题。金属滤芯以FeAl为材料，其强度高、塑性形变量大、通透性好，过滤压差偏低。

粉煤热解高温油气中粉尘浓度高，因此设计中采用粗过滤+精过滤结合的方式。首先采用旋风除尘器将大颗粒粉尘拦截，未被拦截的粉尘随高温油气进入金属滤芯除尘器进行精过滤。

3粉煤热解高温油气除尘工艺描述

以外热式回转窑低温热解为例，正常生产时，温度450～550℃的含尘油气首先进入一级旋风除尘器，沿除尘器外壁自上而下作螺旋形旋转运动，将其中70%的提质煤粉分离，再进入二级旋风除尘器分离出其中15%提质煤粉，随后含尘高温油气再进入滤芯除尘器进行精除尘。精除尘设备台数根据过滤气量进行设计，单根金属滤芯规格60×2500mm，过滤风速取1.0m/min。同时设置一台备用除尘器。含尘高温油气进入滤芯除尘器，利用微孔结构实现气固分离和气体净化，通过滤芯后的净化高温油气进入净气室，提质煤尘被挡在滤芯外，形成一层滤饼，并作为过滤介质，随着滤饼层厚度不断增加，适时开启高温氮气脉冲阀对滤芯进行反吹，将滤芯外壁上的滤饼吹落，实现滤芯再生。反吹系统为在线反吹，不影响装置运行。反吹所用电加热器采用dIIBT4防爆电机。吹落的提质煤尘落入灰斗，通过除尘器下部卸灰口排出。经过高温除尘后的油气中尘含量＜50mg/Nm3，过滤效率可达99.99%，既保证了焦油中含尘量低，后续加工成本低，又避免了后续系统设备管道堵塞，保证了系统的稳定运行。

高温油气除尘，因其工况特殊性，兼有气体爆炸和粉尘爆炸双重要求。设计时，所有设备均要求气密性检测，同时合理控制流速及压降，及时清灰、控制除尘器内的粉尘堆积量，防止粉尘浓度超标。采用双盘阀排灰，满足排灰要求的同时，保证系统密封性，防止煤气、粉尘外泄出现安全隐患。

动设备电机均采用dIIBT4防爆等级，所有设备、管道等应保持等电位，根据实际情况，采用分散或集中的接地系统进行可靠接地。同时根据计算，在反吹气包上设置安全阀，除尘器顶部设置泄爆阀，除尘器的进出口管道安装紧急切断阀，防止火焰或爆炸波向其他场所传播。

4粉煤热解高温油气除尘工艺优化

4.1高温油气除尘系统的再生

由于高温油气除尘过程中不可避免地会出现死

区，产生温差变化，使粉尘随焦油出现凝结粘附现象，在线反吹系统无法保证粘附在滤芯外部的粉尘100%脱落，运行一定时间后，系统阻力会急剧增大。设计中为消除这一问题，设计了备用除尘器及离线氧化再生系统。该系统为依托预热系统使用的设备。氧化再生是指向除尘器内输送贫氧，使附在滤芯外部的煤尘、焦油等可燃成分烧成灰分，附着物发生松动，配合反吹系统反吹，粉尘更易脱落，可实现滤芯100%再生。

在实际运行过程中，当某台除尘器进出口差压达到一定数值时，开启预热好的备用除尘器，关闭高压差的除尘器高温油气进出口阀，使除尘器切出系统处于离线状态。打开热风炉出口放散阀，同时点燃热风炉。通过调节空燃比及加入氮气量，使热风炉出口高温烟气氧含量控制在5%以下，烟气温度比除尘器正常运行温度低80℃。达到要求后，打开阀启动循环风机，，贫氧烟气进入除尘器，使附着在滤芯外部的煤尘、焦油等可燃成分烧成灰分。期间，间隔启动高温氮气反吹系统进行反吹，使粉尘脱落。当形成循环后，关闭热风炉烧嘴，热风炉仅起热烟气混合配氧作用，同时可根据除尘器再生过程中的升温幅度，调节热烟气的含氧量，直至热烟气出口温度与进口温度相同，将其中的灰排出，完成除尘器的再生。

5结语

本文通过对含尘高温油气性质的分析，从设计上合理选择除尘方式，并针对除尘设备特点及物料特性，对防爆提出了要求，同时优化设计了置换预热及氧化再生单元，整个除尘系统设计合理、设备安全可靠，不仅能够保证正常运行时的高过滤效率，也提高了除尘器关键部件滤芯的使用寿命，降低了运行成本，实现了除尘系统的长周期运行，后续系统回收的焦油基本不含尘，具有很好的推广和使用价值。

参考文献：

[1] 刘佳, 张兴. 粉煤热解高温油气除尘工艺设计[J]. 化工设计, 2021, 31(5):4.

[2] 李锦涛, 施慧勇, 郭爱英. 粉煤热解油气的除尘技术研究[J]. 中国化工贸易, 2019, 011(013):77.

[3] 王守峰, 山秀丽, 李锦涛,等. 一种粉煤热解/干馏油气的除尘装置及除尘方法:, 2018.

[4] 樊英杰, 郑化安, 张生军. 粉煤热解含尘干馏气除尘技术研发及应用[J]. 煤化工, 2014(5):6.

[5] 王苗, 王毅. 粉煤热解含尘干馏气除尘技术研究现状[J]. 化工管理, 2020(6):2.