高温气体过滤技术及装备发展概况

姬忠礼，栾鑫，苗林丰

（1 中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249；2 过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室，北京102249）

依据德国标准VDI 3677，高温气体是指温度高于260°C的气体[1-2]，通常需要选用多孔陶瓷材料或多孔金属材料过滤元件。目前以多孔陶瓷材料或多孔金属材料为核心过滤元件的高温气固分离技术已可除净1μm 以上的固体颗粒，净化后气体浓度小于5mg/m3，已广泛应用于煤气化、催化裂化、生物质气化、垃圾焚烧和热解及冶金等各个行业，但大型工程用过滤分离设备的设计和温度在600°C以上时过滤元件的运行可靠性等方面，仍存在不少亟待解决的关键难题。

1 高温气固分离技术概况

1.1 高温气固分离技术的发展历程

20世纪70年代末和80年代初，以增压循环流化床燃烧（PFBC） 和整体煤气化联合循环（IGCC）为代表的两种新型联合循环发电技术中均涉及高温气固分离这一关键难题[3]。在PFBC 工艺中，其高温燃气的温度可达850°C，操作压力为1.1～2.6MPa，为氧化性气氛；在IGCC工艺中，其高温合成气温度为350～400°C，操作压力为2.0～3.0MPa，为还原性气氛。由于两种联合循环发电技术工况复杂，很难达到燃气轮机净化要求和环保排放标准，因此，各国学者基于PFBC和IGCC、垃圾焚烧等有关高温净化工艺和环境保护方面的技术需求，相继开展了相关高温气体净化技术研发、小型热态试验及示范装置试验，并于1986 年在英国的Surry大学举办了第一届高温气体净化国际会议，会议内容集中在惯性分离器、陶瓷过滤器、静电除尘器、布袋过滤器及颗粒层过滤器等。截止至2010年，该高温气体净化会议已举办了八届。

随着高温气体过滤技术的发展，高温气固分离设备可分为三类：第一类是以旋风分离器为代表的惯性分离设备；第二类是以陶瓷粉末过滤器和颗粒层过滤器为代表的过滤分离设备；第三类则为静电除尘器。表1为高温气固过滤与分离技术的分类及其特点[4-8]。

表1 高温气固过滤与分离技术的分类及其特点

1.2 高温气固分离技术的应用场合

针对煤化工、石油化工及冶金等行业中的产品质量升级、余热利用以及颗粒物环境排放标准对高温气固分离技术的需求，高温气固分离技术不仅在PFBC和IGCC工艺中得到了普遍应用，而且在生物质气化、催化裂化、垃圾焚烧及热解等领域也得到了广泛推广，其主要应用领域及适用条件如表2所示[1,9]。

由于一些除尘工艺的特殊性，例如高温、高压、大的处理气量以及过滤精度的高要求等，以陶瓷或金属过滤管为核心部件的刚性过滤器成为了这些应用场合的最优选择，而其他高温气固分离技术难以满足其工艺需求。以下是高温过滤器的三个典型应用场合。

（1）壳牌干法煤气化工艺 Shell 煤气化工艺的产物是以H2和CO为主要成分的合成气，过滤器入口气体含尘浓度大于20g/m3，操作温度340℃，操作压力4.0MPa，核心过滤元件为Dia-Schumalith 10-20 型陶瓷滤管或Fe3Al 粉末烧结过滤管，采用分组反吹的方式，反吹气体压力约为操作压力的2～2.2 倍，净化后气体含尘浓度在1～2mg/m3。目前单台过滤器内的过滤管组数常为12、15 和24组，相应的过滤管根数分别为576、720、1152。

表2 高温气固分离技术的应用领域

（2）催化裂化汽油吸附脱硫工艺 催化裂化汽油吸附脱硫（S-Zorb）工艺生产国Ⅴ汽油可使含硫量小于25μg/g，具有辛烷值损失小、氢耗低和能耗低等特点[10]。S-Zorb工艺用高温气固过滤器用于分离高温工艺气中的吸附剂，气体温度为260～440℃，过滤精度为1.3μm，过滤效率要求不小于99.97%，其核心过滤元件为烧结金属多孔滤芯，采用脉冲反吹技术实现滤芯的循环再生。

（3）催化裂化烟气能量回收工艺 在催化裂化装置烟气能量回收系统中，由再生器排出的高温烟气温度为600～650℃、压力为0.2～0.3MPa，用高温金属粉末过滤器代替第三级旋风分离器可使净化后进入烟机的粉尘浓度小于30mg/m3，满足烟气排放要求和烟气轮机叶片保护要求。

2 高温气固过滤元件概况

2.1 高温气固过滤元件的发展历程

Alvin 将高温过滤技术的发展划分为四个主要阶段，即20世纪70年代的金属过滤材料、80年代的均质陶瓷过滤材料、90 年代的连续纤维增强陶瓷基复合材料及2000 年开始的金属间化合物材料[11-12]。20世纪70年代，Hastelloy X 合金已用于制备高温过滤管，但在进行高温性能试验时，发现金属合金过滤管存在氧化或腐蚀加快、拉伸强度降低和承载能力减弱等问题。20 世纪80 年代，研究的重点转为制备均质陶瓷粉末过滤管，但由于长周期运行的热疲劳影响及温度变化带来的热冲击作用，陶瓷粉末过滤管易发生失效。针对上述问题，20世纪90 年代中期研发了第二代非氧化物基和氧化物基陶瓷过滤管，热态运行试验结果表明，虽然第二代陶瓷过滤管的断裂韧性和抗蠕变性能等得到了明显改善，但非氧化物基陶瓷材料的氧化易导致过滤管的脆性断裂失效。到了20 世纪90 年代末期，针对陶瓷过滤管存在材料的脆性和热应力失效问题，开始利用金属合金材料和金属间化合物材料制备高温过滤管，并达到了不错的效果。

2.2 高温气固过滤元件的结构形式

高温气固过滤元件的结构可分为图1所示的试管式、通管式、错流式及蜂窝式等[13]。试管式过滤元件的一端为封闭结构，含尘气体由外部径向进入过滤管壁，净化后气体由内部向上流动排出；通管式过滤元件则为两端开口结构，含尘气体在过滤管内部由上向下流动过程中，逐渐由过滤管内部径向向外流动实现气体过滤；错流式过滤元件的含尘气体通道面与净化气体通道垂直，含尘气体由过滤元件外侧穿过过滤元件壁面，净化后气体由内部向下流动；在蜂窝式过滤元件中，含尘气体进入含尘通道内，逐渐穿过过滤壁后进入净化气体通道，含尘气体在含尘通道的流动方向与净化后气体在净化通道内的流动面平行。

2.3 高温陶瓷过滤元件

2.3.1 陶瓷粉末过滤元件

陶瓷粉末过滤元件具有机械强度高、耐腐蚀性能好和耐高温性能强等优点，按结构可划分为对称结构和非对称结构，对称结构即为沿整个过滤管厚度方向孔径分布均匀，或称为单层结构；非对称结构为在单层材料外表面覆上一层或多层具有更小孔径的过滤膜层，起到表面过滤作用。目前试管式陶瓷过滤管多为双层结构，内层为孔径较大、厚度为8～15mm 的支撑体，以保证过滤管的强度；在支撑体的外表面加一层孔径较小、厚度仅为100～250μm的陶瓷膜，以实现表面过滤。以美国Pall公司生产的Dia-Schumalith 10-20 型SiC 陶瓷过滤管为例，其尺寸为60/40×1500mm，孔隙率为38%，密度为1.85g/cm3，内层支撑体的平均孔径大于100μm，外层过滤膜的平均孔径约为10μm。

图1 高温气固过滤元件的结构形式［13］

2.3.2 陶瓷纤维过滤元件

相比于陶瓷粉末过滤元件，陶瓷纤维过滤元件具有断裂韧性好、重量轻、孔隙率高、成本低等优势。美国IF&P公司和英国Foseco公司在20世纪80年代采用真空抽滤成型的方法制备出了陶瓷纤维刚性过滤管，其过程首先将陶瓷纤维短切均化后与黏结剂等配成浆料，均匀混合后注入模具中，通过在模具内部形成的真空，使陶瓷纤维浆料定形，再将定形后的陶瓷纤维过滤管脱模和干燥，经高温烧结制成刚性陶瓷纤维过滤管。以德国BWF 公司的Pyrotex KE85 型过滤管为例，纤维平均直径约为3.2μm，过滤管孔隙率可以达到90%以上，密度为180kg/m3，耐温可达800℃以上，净化后颗粒物浓度小于1mg/m3。

2.4 高温金属过滤元件

2.4.1 金属粉末烧结过滤元件

金属烧结粉末过滤元件具有较好的抗热震性和机械冲击性能。常用金属粉末烧结过滤管的制备工艺包括原始粉末制备和处理、等静压成形或模压成形和高温烧结等过程。目前金属粉末烧结过滤元件常采用等静压成形和粉末轧制两种工艺。等静压烧结金属粉末过滤元件孔隙率可达30%～50%，厚度2.0～4.0mm，具有良好的透气性，密度和厚度分布均匀；粉末轧制烧结金属粉末过滤元件孔隙率可达20%～50%，厚度0.8～4.0mm，厚度与孔隙率可控，加工成本低。

安泰科技股份有限公司采用湿法喷涂与真空烧结工艺，制备出了Fe3Al 金属间化合物粉末烧结的非对称结构过滤管。该Fe3Al 过滤管结构类似于双层碳化硅过滤管，内层基体厚度为5～6mm，主要起支撑作用，外层过滤膜的厚度为200μm[14-15]。表面膜层采用湿法喷涂与真空高温烧结工艺，膜层粉末选用与基体化学成分相同的Fe3Al 气雾化细粉，烧结后膜层的平均孔径仅为基体孔径的25%。在孔径接近的情况下，非对称结构与均质结构相比，其渗透性能增加了约3 倍；与美国Pall 公司的Schumalith 陶瓷过滤管相比，孔径更加均匀，渗透性能也有明显提高[14]。

2.4.2 金属纤维烧结过滤元件

金属纤维烧结过滤元件具有渗透性好、清灰效率高、有效过滤面积大等优势，可以通过单层或由不同直径的纤维组成多层结构以满足对过滤气体阻力、过滤效率和容尘量及过滤管强度等性能要求。通常工业用金属纤维烧结过滤管的厚度为0.5～2.0mm，其透气率高，气体阻力明显低于金属粉末烧结过滤材料。在加工成过滤管时，将纤维层缠绕在金属多孔筛管支撑体表面，在外表面再采用金属网将过滤毡包覆，使内部丝网与多孔支撑件连接，外部直接与含尘气体接触，保护过滤层。

2.4.3 多层金属丝网过滤元件

多层金属丝网烧结过滤元件通常是由3～6 层金属编织丝网平铺叠合后，经过轧制成形和高温烧结后形成的具有刚性结构的非对称多孔材料。以五层金属丝网烧结过滤元件为例，第一层为安全保护层，由直径较粗的金属丝形成较大网孔；第二层为过滤阻挡层，用于控制微孔材料的过滤精度；第三层为流体分布层，使得较小颗粒能够迅速通过进入下游；第四层和第五层为由直径较大的金属丝网形成的支撑层，提高滤材整体机械强度。

2.5 催化反应与颗粒物分离的复合过滤元件

目前催化反应与颗粒物分离复合元件主要应用在以下三种情况：①烟气排放处理过程的氮氧化物脱除和烟尘净化；②生物质气化合成气处理过程中催化裂解焦油转化与颗粒物分离；③催化燃烧反应中脱除可挥发性有机化合物（VOCs）和分离粉尘颗粒。利用试管式陶瓷过滤管的耐高温、过滤精度高及气体过滤速度较低等特点，在陶瓷过滤管的支撑体孔隙通道内负载相应的催化剂，最后通过干燥和烧结等工艺制备成催化与过滤复合元件。当烟气流经复合元件时，固体颗粒物沉积在过滤管外表面形成粉尘层，可通过脉冲反吹进行清除。而气体中的NOx、焦油或VOCs 穿过元件内部孔道时，在壁面的催化剂上发生催化反应生成无毒无污染的气体。近二十年来，催化与过滤复合元件得到了发展，甚至在有些地方得到了初步小规模应用，其中关于氮氧化物与颗粒物协同脱除的研究较多。

2.5.1 脱NOx与除尘复合

美国Tri-Mer 公司采用溶胶-凝胶工艺制备出的负载有脱硝催化剂的陶瓷纤维过滤管已得到工程应用，如图2 所示。气体中的NOx与加入的NH3还原剂反应生成N2和水，实现了颗粒物分离与脱硫脱硝工艺的一体化，净化后的颗粒物浓度可以降低2mg/m3以下，HCl 脱除效率达到97%，SO2脱除率达到95%，NOx脱除率达到95%。韩国Gyeongsang 国立大学Choi 等[16-19]一直致力于新的复合技术的开发以及催化剂活性温度窗口的低温化，研究发现一步法（即直接将制备好催化剂球磨后浸渍到过滤元件中）制备的复合元件不仅制备工艺简单且较其他方法性能也更优异，金属Pt 加入到V2O5-WO3/TiO2催化剂中可有效将催化剂的活性窗口从260～350℃转移到150～280℃，该温度区间内脱硝率超过99%。美国Pall 公司Heidenreich等[20]探索了实际应用过程中操作工况对复合元件性能的影响，如烟气的温度、表观气速以及NO浓度等。

2.5.2 脱焦油与除尘复合

生物质气化以过程中以及焦炉煤气中会生成副产物焦油，最常用的方法是催化重整，即在700～900℃的温度区间内，催化剂可使焦油组分与H2O或CO2反应生成CO 和H2。美国Pall 公司自2005 年以来一直进行催化重整生物质焦油与陶瓷过滤管颗粒物分离一体化技术方面的研究工作，在小型实验装置和实际工业工况下，测定了陶瓷过滤管与多种催化重整反应元件组合结构的焦油转化率和气体阻力等性能参数，重点分析了催化剂类型、催化剂负载量、气体操作温度、H2S含量和气体过滤速度等参数对焦油转化率的影响[21]。如图3所示，目前复合元件的结构形式主要有两种，一种是通过浸渍法将催化剂负载到过滤管内部孔隙中，另一种则是在过滤管内部安装由催化剂组成的固定床反应器或者是负载有催化剂的泡沫陶瓷[22-24]。

图2 负载有脱硝催化剂的陶瓷纤维过滤管

2.5.3 脱VOCs与除尘复合

可挥发性有机物（VOCs）种类繁多，主要包括烷烃、芳香烃和烯烃等，目前多采用Pt 和Pd 贵金属催化剂在较低废气浓度和操作温度下对其进行脱除。Nacken等[25]在进行催化脱硝与颗粒物分离一体化技术研究时，通过将Pt/V2O5催化剂负载到陶瓷粉末过滤管支撑体内，研究了其催化性能，当过滤速度为2cm/s 和丙烯含量为300μl/L 时，可以全部脱除以丙烯为主要成分的VOCs。

图3 催化与过滤复合元件的结构形式

3 高温过滤器发展概况

3.1 高温过滤器的过滤排布形式

3.1.1 单层结构过滤器

德国Schumacher和美国Pall公司设计的高温过滤器，其内部的过滤管为单层排布方式。例如荷兰Buggenum IGCC 电站[26]、美国Wabash River IGCC 电站侧线[27]及美国Tampa IGCC 电站[28]等所用的过滤器，目前我国引进的20 余套Shell 煤气化工艺用高温过滤器也均为单层结构形式。

3.1.2 多束多层结构过滤器

西门子西屋电力公司设计的过滤器内过滤管以多束并联方式布置，每束将2～4 层过滤管组垂直串联在一起，每层的过滤管组由一套脉冲反吹系统同时进行清灰。例如美国的Tidd PFBC 试验电站[29]和Piñonpine IGCC电站[28]、芬兰的Karhuala PFBC电站[30]及美国Wilsonville 动力系统研发平台[31]等所用的过滤器。

3.1.3 倒置式结构过滤器

LLB公司设计的过滤器结构特点是每根过滤管以倒置方式排布，过滤管易更换、可多层排布，整体结构紧凑，单个压力容器可安装2000 根以上滤管。例如德国的HTW 气化装置[32]、Babock 公司的15MWt PCFBC 装 置[33]、 西 班 牙Puertollano 的335MWe IGCC[34]等所用的过滤器。3.1.4 两端支撑结构的多层过滤器

BWE 公司设计的高温陶瓷过滤器中采用多层布置方式，其中的过滤管采用上下两端支撑方式[35]，每根过滤管的上部安装有独立的引射器和反吹气体喷嘴。例如西班牙Escatrón 的80MWe PFBC示范电站[35]所用的过滤器。

3.2 高温过滤器的常用结构形式

3.2.1 行列式高温过滤器

行列式高温过滤器的管板多数为矩形，过滤管在管板上按行列等间距方式排布，结构紧凑，常用于工艺气体流量大和含尘浓度高的高温气体净化领域，尤其适用于常压或压力较低的场合。该类过滤器的脉冲反吹系统由储气包、脉冲阀、反吹气体汇管、喷嘴及相应的连接管路组成，其中每根喷吹汇管设有多个喷嘴，每个喷嘴对应一根过滤管。

3.2.2 分组式高温过滤器

分组式高温过滤器常用于过滤气体压力较高的工况，该类过滤器为圆筒形壳体，圆形管板将过滤管分为若干个组，每组内的几根或数十根过滤管共用一套脉冲反吹系统[1]。美国Pall 公司设计的SZorb工艺用分组式高温过滤器，脉冲反吹气体经过倒U形的管路进入反吹气体汇管，每根汇管下部位置装有多个反吹气体喷嘴，每个喷嘴对应一根过滤管。

3.3 高温过滤器的主要辅助部件

3.3.1 高温脉冲阀

高温脉冲阀是高温过滤器脉冲反吹系统的重要组成部分，常将脉冲阀出口压力峰值、耗气量、开关灵敏度等作为指标对其进行性能评价[36-38]。目前Shell 煤气化选用Müller Coax 公司生产的型号为V2-DN80/PN100-NC 的脉冲阀，满足8000h内脉冲反吹次数为78000～186000次的工艺运行需求，脉冲阀上游气体压力为6～8.1MPa，出口压力为3.0～4.0MPa，要求的疲劳寿命大于10 万次，并可在200ms以内迅速完成阀门的打开和关闭。而S-Zorb工艺用高温反应油气过滤器中，所使用的脉冲阀为气动球阀，阀门开启和关闭时间可控制在2s以内。

3.3.2 失效保护滤芯

根据工作原理通常将失效保护元件划分为三种类型：基于过滤原理的被动式失效保护滤芯、基于颗粒黏附作用的被动式失效保护滤芯和基于阀门密封原理的主动式失效保护机构[39-44]。针对频繁发生的过滤管断裂等问题，Pall公司研发了一种串联在过滤管出口位置的失效保护滤芯，该保护滤芯一般选用深层过滤元件，当过滤管发生断裂时，保护滤芯内部孔隙通道迅速沉积粉尘，阻力快速增加，避免了过滤管断裂引起的含尘气体向净化气体侧的泄漏。Shell 煤气化工艺在每根过滤管上部都安装了金属纤维滤芯作为失效保护滤芯，其外径为60mm，内径为44mm，长度为250mm。

3.4 新型脉冲反吹系统

3.4.1 压力脉冲耦合清灰系统

Pall 公司提出了一种新型的压力脉冲耦合（couple pressure pulse，CPP）装置，该装置将反吹气体喷嘴更换为大直径的喷出管，同时用具有失效保护滤芯功能的多孔管将反吹气体排出管直接与过滤管集成在一起[45-46]。由于CPP 装置的喷管直径较大，提高了反吹气体流量，可选用较低的反吹气体压力，且反吹气体喷管与过滤管为一个整体，使反吹清灰强度沿过滤管长度方向更加均匀。

3.4.2 旋风分离器与过滤器耦合装置

Sharma 等[47-48]提出了旋风分离器与过滤器的组合结构，利用在高温过滤器入口位置安装的气体引射器，将从过滤管外部空间引出部分含尘气体进入旋风分离器，引出的这部分含尘气体在沿过滤管外壁向下流动过程中，会将剪切下来的粉尘带入到旋风分离器内，并分离出直径较大的粉尘颗粒，从而降低了过滤管外表面的粉尘层厚度的增长速率，减少了过滤管的脉冲反吹次数。与传统的多管过滤器相比，利用该耦合装置的过滤管表观速度可以提高40%～60%，在处理气量相同的情况下降低了过滤器的直径。

4 结语

（1）随着洁净煤联合循环发电技术的发展和环境保护要求的提高，高温气固分离技术取得了重要进展。以多孔陶瓷材料和多孔金属材料制备的过滤元件具有过滤效率高、耐高温性能好和抗腐蚀强等特点，已广泛应用于煤气化、石油催化裂化、生物质气化、垃圾焚烧和热解及冶金等各个行业。

（2）催化反应与颗粒物分离复合元件具有广泛的应用潜力，可应用于以下三种工艺过程：烟气排放处理过程的氮氧化物脱除、生物质气化合成气处理过程中催化裂解焦油转化、催化燃烧反应中脱除可挥发性有机物化合物。

（3）石油化工和煤化工领域用高温过滤器具有处理气量大、操作压力高、颗粒物性差别大等特点，过滤管的失效直接影响到整个工艺的运行寿命和经济可靠性，因此在高温过滤器的脉冲反吹系统的先进设计、过滤器性能的失效诊断和实时在线运行优化等方面需要开展深入的研究。