CN101757827B - 一种气固相反应分离***及其分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气固相反应分离***及其分离方法，其具体步骤如下：高温烟气(a)进入无机膜错流过滤器(II)，气流在过滤器(II)中沿回转通道(5)由上至下做圆周回转运动，气流中部分颗粒被惯性离心力抛至器壁，并汇集于过滤器底部的集尘箱(7)，而气体则沿中央排气通道(6)从底部向上进入膜组件(3)，通过无机膜的筛分作用进行气固分离；净化后的洁净气体(b)进入后处理(A)工段；无机膜过滤器截留的浓尘气体(d)进入袋式过滤器(III)进行固体粉尘的收集；透过布袋过滤器的气体进入后处理(A)工段；被无机膜过滤器(II)和袋式过滤器(III)截留下来的粉尘(e)返回反应器(I)参与反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种气固相反应分离***及其分离方法，尤其涉及一种气固相反应的产物中粉尘和气体的分离***及分离工艺，用于气固相催化反应过程和气固相非催化反应过程。
背景技术
气-固分离即气态非均一体系的分离，是在化工、冶金、煤炭燃烧和气化、水泥、环境保护等行业中都要用到的分离过程，特别是高温气体中固态粒子的脱除、回收一直是工业废气处理、环境保护的重大课题。有用粉体的回收，特别是高附加值粉尘的回收可以创造很可观的经济效益。例如在石油化工厂流化床设备中回收催化剂，在气流输送与喷雾干燥过程中收集粉料，纳米材料生产，有机硅、多晶硅生产过程中硅粉的收集，冶金行业中有色金属的回收以及其它超细粉体生产中粉体的回收等。
气固相反应过程即反应物系中存在气相和固相的一种多相反应过程，包括气固相催化反应过程和气固相非催化反应过程。气固相催化反应过程是气相组分在固体催化剂作用下的反应过程，是化学工业中应用最广、规模最大的一种反应过程。据统计，90％左右的催化反应过程是气固相催化反应过程。如有机硅的生产，是将硅粉与氯甲烷在催化剂铜粉的作用下反应生成的混合气是一种混合物，里面含有多种硅烷气体和粉尘原料。在有机硅的生产过程中，需要将混合气中的粉尘去除。
气固相非催化反应过程，即固相反应物受热分解生成气相产物的反应，如煤化工，煤粉和空气(或者氧气等气化剂)在反应器内气化生成煤气，混合气体中含有煤粉颗粒。燃煤电厂需要将混合气体中的颗粒去除，得到的洁净气体再进入下一步工序，目前采用的静电除尘器，设备投资大，能耗高，除尘的效果仍达不到陶瓷膜的水平；煤的洁净燃烧新工艺——集成气化联合循环发电(IGCC)路线，即在煤气化反应塔和脱硫装置之后需要进行高温气体粉尘滤除。
目前的一些除尘装置，如湿式除尘、静电除尘等，都或多或少存在一些缺点。中国专利申请公开CN1438226A和CN101148453A中分别公布了一种有机氯硅烷湿法除尘和干法除尘工艺，湿法除尘工艺用有机氯硅烷作为洗涤液，该方法除尘的浆液中含有约60％的有机氯硅烷，提取浆液中的固体物质较困难，有机氯硅烷的用量很大；干法除方法采用挂烛式陶瓷滤芯对含粉尘的混合气进行除尘，该方法为终端式过滤，容易在膜面积聚滤饼，导致通量迅速下降，过滤阻力增大，为维持通量而进行的高频反冲导致工业应用中存在陶瓷管断裂的问题。而错流式过滤则克服了上述缺点，其进料方向平行于膜面，对膜面具有很好的冲刷作用，可有效减少滤饼沉积，显著提高膜通量，减少膜的清洗周期(如反冲频率)。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、除尘效率高、无环境污染的气固相反应过程中的气固相反应分离***，本发明还有一目的是提供一种气固相反应分离方法，该方法使用新型无机膜错流过滤器和传统袋式过滤器结合来实现气固分离，简化现有工艺，以解决湿法除尘工艺复杂、水洗工艺产生废水污染环境等缺点。
本发明的技术方案：一种气固相反应分离***，其特征在于该分离***由反应器、无机膜错流过滤器、布袋过滤器、风机和压缩机组成，并通过不锈钢管路连接；其中，无机膜错流过滤器由壳体和膜组件组成，壳体的上部设有高温烟气进口，下部为倒锥形，底部设有集尘箱；膜组件的顶部设有浓尘腔、底部设有排气通道、中间固定膜过滤元件；浓尘腔上设有浓尘气体出口、膜组件的上端分别设有洁净气体出口和反吹气体进口；壳体和膜组件之间为气体回转通道。
其中无机膜错流过滤器中所述的膜过滤元件为陶瓷或金属材料构成的管式膜；膜的平均孔径为0.02μm～50μm；膜通道的直径为3-100mm。
陶瓷材料优选氧化铝、氧化锆、碳化硅；金属材料优选不锈钢、FeAl合金、FeCrAl合金。
本发明还提供了一种利用上述气固相反应分离***的气固相反应分离方法，其具体步骤如下：
A)反应器中出来的高温烟气在离心风机的作用下经高温烟气进口沿切线方向通入无机膜错流过滤器，气流在无机膜错流过滤器中沿回转通道由上至下做圆周回转运动，气流中的颗粒被惯性离心力抛至器壁，并汇集于过滤器锥形底部的集尘箱，进行一次除尘，气体则沿排气通道从底部向上进入膜组件，通过无机膜的筛分作用来实现气固分离，进行二次除尘；
B)透过无机膜错流过滤器的洁净气体进入后处理工段；膜截留侧的浓尘气体从浓尘气体出口排出并进入袋式过滤器中进行三次除尘，透过布袋过滤器的气体进入后处理工段；
C)被无机膜错流过滤器和袋式过滤器截留下来的粉尘返回反应器参与反应。
优选步骤A中高温烟气平行于膜面，高温烟气进入无机膜错流过滤器时，控制跨膜压力0.01MPa-1.0Mpa；膜面气体流速1m/s-100m/s。
上述无机膜错流过滤器装有反吹气体进口，在膜通量下降至初始通量的40-60％时，自动采用无机膜过滤器出口的洁净气体(b)间歇反冲膜分离器，将附着在膜面上的滤饼脱落，沉降到分离器的底部，从而有效地防止膜污染。
本发明采用常规的反应器、布袋过滤器、风机和压缩机。
本发明将气固相反应过程和粉尘的分离过程耦合于同一***中，可以有效实现过程的连续性。本发明适用于气固相反应过程中的反应分离***，如有机硅工艺中的除尘装置、煤气化过程中除尘、多晶硅尾气处理以及流化床催化反应制氯乙烯流程中催化剂的回收等。无机膜机械强度高，化学稳定性好，耐高温，可以有效去除混合气中的粉尘。
有益效果：
(1)本发明在气固相反应的工艺基础上，不改变原有的反应条件，将新型无机膜错流过滤器与袋式过滤器结合净化含尘气体以及回收有用的粉体，在连续生产过程中完成气固分离。
(2)本发明工艺简单，反冲气体的温度和过滤体系的温度相当，应用在高温气固相反应分离时，反吹气体不需要另外加热。
(3)本发明没有湿法洗涤除尘步骤，工业用水需要量少，无废水排放，对环境污染小。
(4)本发明将旋风分离器的原理用于无机膜过滤器的设计，在无机膜错流过滤器之后设有袋式过滤器来进行粉尘收集，因此本发明对粉尘去除率高，分离效率超过99.8％。
附图说明
图1为本发明所述的气固相反应过程中粉尘分离工艺的流程图；
其中I-反应器、II-无机膜错流过滤器、III-布袋过滤器、IV-风机、V-压缩机；A-后处理；
图2为本发明所述的无机膜错流过滤器结构示意图；
其中1-高温烟气进口、2-壳体、3-膜组件、4-膜过滤元件、5-回转通道、6-排气通道、7-集尘箱、8-洁净气体出口、9-浓尘气体出口、10-浓尘腔、11-反吹气体进口；
图3为本发明的无机膜错流过滤器的俯视图。
具体实施方式
实施例1：生物质发电除尘***
下面结合附图对本发明进行详细的说明：
A)整个***由气化器、无机膜错流过滤器、布袋过滤器、风机和压缩机组成，气化器、无机膜错流过滤器均为不锈钢材质，无机膜错流过滤器上设有高温烟气进口1、洁净气体出口8，浓尘气体出口9以及反吹气体进口11；气化器出口设有风机，并经不锈钢管路连接到高温烟气进口1；洁净气体出口8经不锈钢管路连接到后处理工段，管路上接一支口经不锈钢管路经过压缩机连接到反吹气体进口11；浓尘气体出口9经不锈钢管路连接到布袋过滤器；布袋过滤器出口经不锈钢管路连接到后处理工段；膜过滤原件采用一根孔径为20um的碳化硅滤管，单管，内径40mm，外径60mm；
B)从气化器出来的气体中含有颗粒、焦油、NOx、CO2，气化器出口处的高温烟气(a)在离心通风机(IV)作用下进入无机膜错流过滤器(II)中进行分离，错流速度18m/s，跨膜压差0.03MPa，进料侧含尘浓度为3.9686g/m3，过滤起始时刻，膜管通量为43.6m3/m2·h，，浓尘气体(d)在风机(IV)的作用下通入袋式过滤器(III)，透过无机膜错流过滤器(II)和布袋过滤器(III)的气体混合后的总含尘浓度为3.6mg/m3。
如图2、3所示，气化器(I)出口处的高温烟气(a)在离心风机(IV)的作用下经高温烟气进口1沿切线方向进入无机膜错流过滤器(II)，气流沿回转通道5由上至下做回转运动，在回转过程中，粉尘沿器壁在向下的气流和重力的共同作用下沿过滤器壁运动到过滤器底部进入集尘箱7，含尘气体经排气通道6向上流动经过膜过滤元件4中，透过无机膜错流过滤器(II)的洁净气体(b)方向垂直于原混合气流向，经洁净气体出口8排出。截留的富含粉尘的浓尘气体(d)则经浓尘气体出口9排出过滤器，进入到布袋过滤器(III)中。当无机膜错流过滤器(II)通量显著降低至设定值17.5m3/m2·h时，反冲***自动启动，经反吹气体进口11对分离膜进行反向冲洗，使滤饼脱落，沉降到分离器的底部并自动排出滤渣，滤渣进入集尘箱7；
B)从无机膜错流过滤器(II)流出的洁净气体(b)和透过袋式过滤器(III)的气体一起进入后处理(A)工段；
C)被无机膜过滤器(II)和袋式过滤器(III)截留下来的粉尘(e)返回流化床反应器(I)参与反应。
反冲的时候，反冲时间3s，反冲压力0.2MPa。本实施例对混合气体中粉尘的去除率达到99.91％。
实施例2：有机硅除尘装置
下面结合附图对本发明进行详细的说明：
A)高温烟气(a)在离心通风机(IV)作用下进入无机膜错流过滤器(II)中进行分离，采用一根孔径为0.2μm的氧化锆膜，19通道，通道内径6mm，错流速度30m/s，跨膜压差0.1MPa，进料侧气体含尘浓度为0.9308g/m3，过滤起始时刻，膜管通量为51.5m3/m2·h，，含有浓尘的混合气在风机的作用下通入袋式过滤器(III)，透过无机膜错流过滤器(II)和布袋过滤器(III)的气体混合后的总含尘浓度为1.1mg/m3。
如图2所示，流化床反应器(I)出口处的高温烟气(a)在离心风机(IV)的作用下沿切线方向经高温烟气进口1进入无机膜错流过滤器(II)，气流由上至下做回转运动，在回转过程中，粉尘沿器壁在向下的气流和重力的共同作用下沿过滤器壁运动到过滤器底部进入集尘箱7，含尘气体经排气通道6向上流动经过膜过滤元件4中，透过无机膜错流过滤器的洁净气体(b)方向垂直于原混合气流向，经洁净气体出口8排出。截留的富含粉尘的浓尘烟气(d)则经浓尘气体出口9排出过滤器，进入到袋式过滤器(III)中。当无机膜错流过滤器(II)通量显著降低至设定值20.6m3/m2·h时，反冲***自动启动，经反吹气体进口11对分离膜进行反向冲洗，使滤饼脱落，沉降到分离器的底部。当滤饼量积累到一定程度时可自动排出滤渣，滤渣进入集尘箱7；
B)从无机膜错流过滤器(II)流出的洁净气体(b)和透过袋式过滤器的气体一起进入后处理(A)工段；
C)被无机膜过滤器(II)和袋式过滤器(III)截留下来的粉尘(e)返回流化床反应器参与反应。
反冲的时候，反冲时间3s，反冲压力0.2MPa。本实施例对混合气体中粉尘的去除率达到99.89％。
实施例3：煤气化除尘
煤粉和空气在反应器内气化生成煤气；正常操作期间，高温烟气在离心风机的作用下沿切线方向通入无机膜错流过滤器，气流由上至下做回转运动，在回转过程中，粉尘沿器壁在向下的气流和重力的共同作用下沿过滤器壁运动到过滤器底部进行收尘，含尘气体从过滤器的底部向上流动经过陶瓷过滤管，混合气中一部分粉尘被无机膜捕集去除，无机膜过流过滤器截留的浓尘气体进入袋式过滤器进行终端除尘；采用四根孔径为10μm的多孔FeAl合金对称膜，单管，内径50mm，错流速度25m/s，跨膜压差0.07MPa，进料侧含尘浓度为7.9357g/m3，透过无机膜错流过滤器和布袋过滤器的气体混合后的总含尘浓度为5.6mg/m3；从无机膜错流过滤器流出的净化气体和透过袋式过滤器的气体一起进入后处理工段；被无机膜过滤器和袋式过滤器截留下来的粉尘，经过再处理后，返回流化床反应器参与反应。实验进行20h无需对膜进行反冲。本实施例对混合气体中粉尘的去除率达到99.93％。
实施例4：多晶硅尾气处理
硅粉和氯化氢进入流化床反应器，在催化剂的催化作用下，发生反应生成混合气体，混合气体由三氯氢硅、氯化氢以及硅粉组成；混合气体在离心风机的作用下沿切线方向通入无机膜错流过滤器，气流由上至下做回转运动，在回转过程中，粉尘沿器壁在向下的气流和重力的共同作用下沿过滤器壁运动到过滤器底部进行收尘，含尘气体从过滤器的底部向上流动经过陶瓷过滤管，混合气中一部分粉尘被无机膜捕集去除，无机膜过流过滤器截留的浓尘气体进入袋式过滤器进行终端除尘；采用六根孔径为5μm的FeCrAl合金对称膜，单管，内径50mm，错流速度15m/s，跨膜压差0.04MPa，进料侧含尘浓度为4.3856g/m3，透过无机膜错流过滤器和布袋过滤器的气体混合后的总含尘浓度为4.3mg/m3，从无机膜错流过滤器流出的净化气体和透过袋式过滤器的气体一起进入后处理工段；被无机膜过滤器和袋式过滤器截留下来的粉尘，经过再处理后，返回流化床反应器参与反应。实验进行20h无需对膜进行反冲。本实施例对混合气体中粉尘的去除率达到99.90％。
实施例5：流化床催化反应制氯乙烯流程中催化剂的回收
流化床反应器中进行乙烯氧氯化反应时，采用细颗粒催化剂，原料乙烯、氯化氢和空气分别由底部进入反应器，充分混合均匀后，通入催化剂层，使催化剂处于流化状态。反应生成的混合气体为多种气体和催化剂颗粒的混合物；混合气体在离心风机的作用下沿切线方向通入无机膜错流过滤器，气流由上至下做回转运动，在回转过程中，粉尘沿器壁在向下的气流和重力的共同作用下沿过滤器壁运动到过滤器底部进行收尘，含尘气体从过滤器的底部向上流动经过陶瓷过滤管，混合气中一部分粉尘被无机膜捕集去除，无机膜过流过滤器截留的浓尘气体进入袋式过滤器进行终端除尘；采用一根孔径为30μm的堇青石滤管，单管，内径40mm，错流速度22m/s，跨膜压差0.02MPa，进料侧含尘浓度为3.4892g/m3，透过无机膜错流过滤器和布袋过滤器的气体混合后的总含尘浓度为2.3mg/m3，从无机膜错流过滤器流出的净化气体和透过袋式过滤器的气体一起进入后处理工段；被无机膜过滤器和袋式过滤器截留下来的粉尘，经过再处理后，返回流化床反应器参与反应。实验进行30h无需对膜进行反冲。本实施例对混合气体中粉尘的去除率达到99.93％。
Claims (6)
1.一种气固相反应分离***，其特征在于该分离***由反应器(I)、无机膜错流过滤器(II)、布袋过滤器(III)、风机(IV)和压缩机(V)组成，并通过不锈钢管路连接；其中，无机膜错流过滤器(II)由壳体(2)和膜组件(3)组成，壳体(2)的上部设有高温烟气进口(1)，下部为倒锥形，底部设有集尘箱(7)；膜组件(3)的顶部设有浓尘腔(10)、底部设有排气通道(6)、中间固定膜过滤元件(4)；浓尘腔(10)上设有浓尘气体出口(9)、膜组件的上端分别设有洁净气体出口(8)和反吹气体进口(11)；壳体(2)和膜组件(3)之间为气体回转通道(5)。
2.根据权利要求1所述的分离***，其特征在于无机膜错流过滤器(II)中所述的膜过滤元件(4)为陶瓷或金属材料构成的管式膜；膜的平均孔径为0.02μm～50μm；膜通道的直径为3-100mm。
3.根据权利要求2所述的分离***，其特征在于所述的陶瓷材料为氧化铝、氧化锆或碳化硅；金属材料为不锈钢、FeAl合金或FeCrAl合金。
4.一种气固相反应分离方法，其具体步骤如下：
A)反应器(I)中出来的高温烟气(a)在离心风机(IV)的作用下经高温烟气进口(1)沿切线方向通入无机膜错流过滤器(II)，气流在无机膜错流过滤器(II)中沿回转通道(5)由上至下做圆周回转运动，气流中的颗粒被惯性离心力抛至器壁，并汇集于过滤器锥形底部的集尘箱(7)，进行一次除尘，气体则沿排气通道(6)从底部向上进入膜组件(3)，通过无机膜的筛分作用来实现气固分离，进行二次除尘；
B)透过无机膜错流过滤器(II)的洁净气体(b)进入后处理(A)工段；膜截留侧的浓尘气体(d)从浓尘气体出口(9)排出并进入布袋过滤器(III)中进行三次除尘，透过布袋过滤器(III)的气体进入后处理(A)工段；
C)被无机膜错流过滤器(II)和布袋过滤器(III)截留下来的粉尘(e)返回反应器(I)参与反应。
5.根据权利要求4所述的分离方法，其特征在于步骤A中高温烟气(a)平行于膜面，高温烟气(a)进入无机膜错流过滤器时，控制跨膜压力0.01MPa-1.0Mpa；膜面气体流速1m/s-100m/s。
6.根据权利要求4所述的分离方法，其特征在于无机膜错流过滤器装有反吹气体进口(11)，在膜通量下降至初始通量的40-60％时，自动采用无机膜错流过滤器出口的洁净气体(b)间歇反冲无机膜错流过滤器，将附着在膜面上的滤饼脱落，沉降到无机膜错流过滤器的底部，从而有效地防止膜污染。
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