本公开属于废气治理环保领域，涉及一种高温气体中细颗粒物沸腾床再生分离方法，适用于高温气体中细颗粒物的去除。具体的说，本公开提供了一种沸腾床净化高温气体的方法和装置。
背景技术：
如何有效除尘净化石油、化工、冶金、电力等生产过程中产生的大量高温含尘气体，使其达到环保排放标准或回收能量的目的，是当今我国急需解决的难题。例如，在煤热解气化过程中，不可避免的会导致裂解气中夹带大量的煤炭颗粒、飞灰等物质，对后续工艺产生不利影响，不仅影响焦油的品质，严重时还可能堵塞设备与管道。因此，为保证焦油液化收集过程和煤气利用过程的高效性与安全性，就必须在高温下实现有效脱除裂解气中的细颗粒物。
中国发明专利申请公开cn1050013267a公开了一种高温烟尘超细颗粒的高效捕集方法及装置。该方法通过多孔的无机陶瓷膜分离元件截留高温气体中的细颗粒污染物。但由于无机陶瓷材料脆性大、弹性小等特性的影响，无机膜元件制作成本高、装填密度小，导致膜元件和装置的造价较高。同时，该系统需辅以声波辅助清灰器和压缩气体脉冲反吹装置，使吸附在无机膜管壁上的细颗粒物脱离无机膜管壁，从而也增加了该系统的造价成本和运行成本。
中国发明专利申请公开cn104001622a公开了一种可以在300～800℃高温条件下连续运行的高温静电除尘系统，能够有效捕集裂解气中的细微颗粒物，且实现设备运行阻力小于600pa。但该系统受限于细颗粒物的比电阻和气体成分等性质的制约，以及存在电极腐蚀的问题，同时电除尘器的设备投资大，运行费用高。
中国发明专利cn103341294b公开了一种高温气体过滤装置及其过滤方法，通过预涂过滤的方法，提高烧结金属或陶瓷过滤管的过滤效率，适用于处理工艺气中含有粘性粉尘、焦油和水蒸气的工况。但该方法存在工艺过程复杂、设备投资大等问题。
中国发明专利cn102716628b公开了一种颗粒除尘过滤器及除尘过滤方法，该颗粒除尘过滤器是利用固体颗粒物料作为过滤介质用以净化高温含尘气体或者去除热解气中的粉尘、重质焦油等成分。但该方法存在脱除效果不彻底、能耗较大、控制复杂等问题。
因此，针对现有技术中存在的上述缺陷，本领域迫切需要开发出一种能够实现高温气体中有效脱除细颗粒物的目的的高温气体中细颗粒物分离方法。
技术实现要素：
本公开提供了一种高温气体中细颗粒物沸腾床分离方法，实现了高温气体中有效脱除细颗粒物的目的。该方法简单有效，媒质床层具有特殊的排序方式，能对高温气体中2.5μm以下的细颗粒物进行高效的梯度过滤，且适用范围广，投资和运行成本低。
一方面，本公开提供了一种高温气体中细颗粒物沸腾床分离方法，该方法包括以下步骤：
(i)含有细颗粒物的高温气体在压力驱动下通过沸腾床的媒质床层，其中具有粒径梯度或密度梯度排序方式的媒质颗粒对气体中的细颗粒物进行梯度过滤；
(ii)待媒质床层连续运行至压差升高到一定值后，由媒质床层底部加大气量吹入高温气体，也可吹入氮气，使床层沸腾流化，以释放媒质床层中拦截或吸附的细颗粒物；对含有媒质颗粒和细颗粒物的气-固两相混合物进行旋流分离，以使媒质颗粒脱附再生；再生完全后，媒质颗粒返回至下部床层，根据其粒径梯度或密度梯度自然沉降分层，形成初始的排序形式，携带细颗粒物的气体排出；以及
(iii)待媒质床层再生完全后，将床层切换至正常工作状态，继续对高温气体进行过滤处理，并依次循环上述步骤(i)-(ii)。
在一个优选的实施方式中，所述高温气体为900℃以下的含尘高温气体。
在另一个优选的实施方式中，所述媒质床层由多种不同的耐高温、耐腐蚀、抗热震性好的媒质颗粒组成，其粒径在0.2mm～5mm的范围内。
在另一个优选的实施方式中，采用密度梯度排序方式，其中，粒径大、密度小的颗粒在上层，逐渐过渡到粒径小、密度大的颗粒在下层，形成具有密度梯度的排序媒质床层；媒质颗粒在沸腾脱附再生后，在沉降过程中因密度差自然形成密度梯度排序媒质床层。
在另一个优选的实施方式中，采用粒径梯度排序方式，其中，粒径小的颗粒在上层，逐渐过渡到粒径大的颗粒在下层，形成具有粒径梯度的排序媒质床层；媒质颗粒在沸腾脱附再生后，在沉降过程中因粒径差自然形成粒径梯度排序媒质床层。
在另一个优选的实施方式中，所述媒质床层进行再生操作时，使媒质颗粒完全流化、沸腾破散，以释放媒质床层中拦截或吸附的细颗粒物。
在另一个优选的实施方式中，所述媒质床层在完全流化、沸腾破散后，在旋风分离器内部的旋流场作用下，使媒质颗粒在其中产生高速自转、公转，通过自转、公转两者的耦合作用，使其表面附着物及进入孔道内的附着物在高速自转、公转下加速脱附，达到媒质颗粒再生的目的。
另一方面，本公开提供了一种高温气体中细颗粒物沸腾床分离装置，该装置包括：
壳体；
置于壳体内的媒质床层，用于对含有细颗粒物的高温气体进行梯度过滤，该梯度过滤包括粒径梯度或密度梯度过滤；
置于壳体顶部的旋风分离器，用于床层沸腾流化后含有的媒质颗粒和细颗粒物的气-固两相混合物进行旋流分离，以使媒质颗粒脱附再生；
其中，该壳体包括高温气体入口、净化气体出口以及再生气体出口。
在一个优选的实施方式中，该装置还包括：入口分布器，用于使进气分布均匀，同时避免进气直接冲刷媒质床层；过滤网，用于过滤时阻挡媒质颗粒，避免运行时滤料跑损；支撑板，用于安装过滤网，并支撑媒质床层。
在另一个优选的实施方式中，媒质床层的高度为0.5～1.5m。
有益效果：
本发明工作原理简单，所开发的装置投资小，运行成本低，能对高温气体中2.5μm以下的细颗粒物进行高效的梯度过滤，且适用范围广，可广泛应用于煤热解气化、工业燃煤锅炉、冶金行业等高温气体中细颗粒物的脱除。
附图说明
附图是用以提供对本发明的进一步理解的，它只是构成本说明书的一部分以进一步解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是根据本发明的媒质床层密度梯度排序沸腾床分离器结构示意图。
图2是根据本发明的媒质床层粒径梯度排序沸腾床分离器结构示意图。
图3是根据本发明的媒质床层密度梯度排序沸腾床分离器工作原理示意图。
图4是根据本发明的媒质床层粒径梯度排序沸腾床分离器工作原理示意图。
图5是根据本申请实施例1的180万吨/年甲醇制烯烃再生器外排烟气沸腾床分离器工艺流程图。
具体实施方式
本申请的发明人经过广泛而深入的研究后发现，对于高温气体中的细颗粒物，较为常规的方法是采用旋风除尘或颗粒层过滤的方法；在实际生产中，旋风除尘存在分离精度不高、分离效率低等问题，颗粒层过滤细微尘粒的分级效率不高，控制复杂；因此，发明采用颗粒床梯度过滤净化高温气体，避免了传统颗粒床过滤装置压差升高快、滤芯易堵塞、再生不彻底的缺陷，同时该装置相比旋风除尘分离效率高，并且相比传统颗粒床过滤装置设备成本、能耗更低，运行更可靠。
本发明的技术构思如下：
含有细颗粒物的高温气体在压力驱动下通过具有粒径梯度或密度梯度排序方式的媒质床层，对气体中的细颗粒物进行梯度过滤；连续运行至媒质床层操作压差增加到一定值后，从床层底部加大气量吹入高温气体，也可吹入氮气，以使床层完全流化，呈沸腾状；流化后的媒质颗粒经旋风分离器，在旋风分离器内部的旋流场作用下媒质颗粒产生高速自转、公转，通过自转、公转的耦合作用，达到媒质颗粒脱附再生的目的；再生完全后，媒质颗粒返回至下部床层，根据其粒径梯度或密度梯度自然沉降分层，形成初始的排序形式；气体由顶部气相出口排出；媒质颗粒再生沉降完全后继续用于高温气体净化。
在本公开的第一方面，提供了一种高温气体中细颗粒物沸腾床分离方法，该方法包括以下步骤：
含有细颗粒物的高温气体在压力驱动下通过媒质床层，其中媒质颗粒对气体中的细颗粒物进行过滤；
待装置连续运行一定时间后，压差升高至一定值，由床层底部吹入高温气体，也可吹入氮气，进行再生操作，使媒质床层破散、流化、分离，释放媒质床层中拦截或吸附的细颗粒物；含有媒质颗粒、细颗粒物的气-固两相混合物经设备顶部的旋风分离器，媒质颗粒回收返回至下部床层沉降分层，携带细颗粒物的气体由顶部气相出口排出；
待媒质床层再生完全后，切换至正常工作状态，继续对高温气体进行过滤处理，并依次循环上述流程。
在本公开中，所述沸腾床净化可与旋风分离方法串联使用，先经旋风分离方法预脱除高温气体中部分大颗粒，初步降低固含量后再经沸腾床净化装置做进一步净化处理。
较佳地，所述方法可适用于900℃以下的含尘高温气体。
较佳地，所述媒质床层由多种不同的耐高温、耐腐蚀、抗热震性好的媒质颗粒组成，粒径在0.2mm～5mm范围内。
较佳地，所述媒质床层的一种具体排列方式为粒径大、密度小的颗粒在上层，逐渐过渡到粒径小、密度大的颗粒在下层，形成具有梯度的排序媒质床层。媒质颗粒在沸腾再生后，在沉降过程中因密度差自然形成上述梯度排序媒质床层。
较佳地，所述媒质床层的另一种具体排列方式为粒径小的颗粒在上层，逐渐过渡到粒径大的颗粒在下层，形成具有梯度的排序媒质床层。媒质颗粒在沸腾再生后，在沉降过程中因粒径差自然形成上述梯度排序媒质床层。
在本公开中，所述具有一定排序方式的媒质床层对高温气体中的细颗粒物进行梯度过滤。
在本公开中，所述媒质床层进行再生时，使媒质颗粒完全流化，沸腾破散，释放床层中拦截或吸附的细颗粒物。
在本公开中，所述媒质床层再生流化后，在旋风分离器内部的旋流场作用下，使媒质颗粒在其中产生高速自转、公转，通过自转、公转两者的耦合作用，使其表面附着物及进入孔道内的附着物在高速自转、公转下加速脱附，达到媒质颗粒脱附再生的目的。
在本发明的第二方面，提供了一种高温气体中细颗粒物沸腾床分离装置，该装置包括：壳体；排序媒质床层，用于过滤高温气体中携带的细颗粒物；旋风分离器，用于媒质床层沸腾流化时对媒质颗粒进行分离、再生与回收，同时使携带细颗粒物的再生气体由上部气相出口排出；该壳体，包括高温气体入口、净化气体出口以及再生气体出口。
较佳地，该装置还包括：支撑板，用于安装过滤网，并支撑媒质床层；过滤网，用于过滤时阻挡媒质颗粒，避免运行时滤料跑损；入口分布器，用于使进气分布均匀，同时避免进气直接冲刷媒质床层。
较佳地，媒质床层高度为0.5～1.5m，床层下部可铺设粒径较大的沙砾作为承托层，用于防止媒质颗粒跑损，同时用于保障再生时流量分布均匀。
在本公开中，壳体顶部设置旋风分离器，沸腾流化后，混合气体由上部进气，经进气口后形成旋流，粒径较大的媒质颗粒由底部固相出口返回床层，粒径小的细颗粒物和氮气由气相出口排出。
较佳地，本公开的高温气体中细颗粒物沸腾床分离装置可以推广到各种高温气体夹带微细颗粒物的非均相分离场合。
以下参看附图。
图1是根据本发明的媒质床层密度梯度排序沸腾床分离器结构示意图。如图1所示，该设备包括置于顶部的高温气体入口1及入口分布器4、再生气体出口2和旋风分离器3，以及置于底部的净化气体出口7、过滤网5和支撑板6，其中，设备壳体中包括不同的多种颗粒滤料，并使滤料从上至下粒径大、密度小到粒径小、密度大的排序方式排列，用于装置运行时对气体中颗粒物进行梯度拦截及吸附；设备支撑板6上安装有滤帽，用于阻挡滤料，防止滤料跑损；设备顶部设有旋风分离器3，用于装置再生时对滤料进行洗涤脱附，并使夹带细颗粒物的再生气体外排。
图2是根据本发明的媒质床层粒径梯度排序沸腾床分离器结构示意图。如图2所示，该设备包括置于顶部的净化气体出口7、再生气体出口2和旋风分离器3，以及置于底部的高温气体入口1及入口分布器4、过滤网5和支撑板6，其中，设备壳体中包括粒径不同的一种或多种密度相近的颗粒滤料，并使滤料从上至下按粒径小至粒径大的排序方式排列，用于装置运行时对气体中颗粒物进行梯度拦截及吸附；设备支撑板6上安装有滤帽，用于阻挡滤料，防止滤料跑损；设备顶部设有旋风分离器3，用于装置再生时对滤料进行洗涤脱附，并使夹带细颗粒物的再生气体外排。
图3是根据本发明的媒质床层密度梯度排序沸腾床分离器工作原理示意图。如图3所示，工作流程包括：梯度过滤11、沸腾流化12、自转脱附13、分离沉降14和排序分层15，其中，含有细颗粒物的高温气体从设备上方的气体入口进入设备，通过媒质床层，其中媒质颗粒对气体中的细颗粒物进行过滤；待装置连续运行一定时间后，压差升高至一定值，由床层底部吹入高温气体，也可吹入氮气，进行再生操作，使媒质床层破散、流化、分离，释放媒质床层中拦截或吸附的细颗粒物；含有媒质颗粒、细颗粒物的气-固两相混合物经设备顶部的旋风分离器，媒质颗粒回收返回至下部床层沉降分层，携带细颗粒物的气体由顶部气相出口排出；待媒质床层再生完全后，切换至正常工作状态，继续对高温气体进行过滤处理，并依次循环上述流程。
图4是根据本发明的媒质床层粒径梯度排序沸腾床分离器工作原理示意图。如图4所示，工作流程包括：梯度过滤11、沸腾流化12、自转脱附13、分离沉降14和排序分层15，其中，含有细颗粒物的高温气体从设备下方的气体入口进入设备，通过媒质床层，其中媒质颗粒对气体中的细颗粒物进行过滤；待装置连续运行一定时间后，压差升高至一定值，由床层底部加大气量吹入高温气体，也可吹入氮气，进行再生操作，使媒质床层破散、流化、分离，释放媒质床层中拦截或吸附的细颗粒物；含有媒质颗粒、细颗粒物的气-固两相混合物经设备顶部的旋风分离器，媒质颗粒回收返回至下部床层沉降分层，携带细颗粒物的气体由顶部气相出口排出；待媒质床层再生完全后，切换至正常工作状态，继续对高温气体进行过滤处理，并依次循环上述流程。
图5是根据本申请实施例1的180万吨/年甲醇制烯烃再生器外排烟气沸腾床分离器工艺流程图。如图5所示，将甲醇送入反应器21中进行处理，所得的反应气从顶部外排，所得的产物送入再生器22中反应；未反应的甲醇返回反应器21中继续进行处理，反应得到的含催化剂细粉的烟气首先进入预旋风分离器23中脱除较大的催化剂颗粒，脱除的催化剂颗粒送入储粒罐24，经过预除尘的烟气通过进气阀26进入沸腾床分离器组25，氮气经氮气进气阀送入沸腾床分离器组25，其中媒质床层对其进行过滤，脱除气体中的细颗粒物经余热锅炉回收热量后，净化气体经出气阀28去烟囱排空，催化剂经再生气体出气阀29回收；其中，沸腾床分离器组为6台并联工作，5开1备，连续运行至压差升高至500pa后，轮流切换至再生操作；完成再生后，切换至正常工作状态继续运行。
实施例
下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。
实施例1：
在一个180万吨/年甲醇制烯烃工艺过程中，按照本发明的方法，采用沸腾床，对含有固体催化剂的再生器外排烟气进行过滤净化，脱除其中残余废催化剂微粒，其具体运作过程及效果描述如下：
1.物料性质及相关参数
甲醇制烯烃的再生器外排烟气为气-固两相混合物，气体中含有固体催化剂颗粒，其中气体为连续相，固体催化剂为分散相介质。外排烟气处理量为62500nm3/h，操作温度为260～680℃，催化剂含量为60～400mg/nm3，平均粒径为2.5μm。
2.沸腾床装置
该装置直径为2.5m，高度约为6m，装置顶部安装旋风分离器，用于再生时回收媒质颗粒，并同时外排再生气体。装置使用的媒质颗粒为粒径0.5～1mm、1～2mm、2mm～3mm的三种石英砂，采用粒径梯度排序，床层高度约为1500mm，单台处理量为12500nm3/h，6台并联，其中5台运行，1台备用，轮流切换再生状态。
3.实施过程
如图5所示，根据本发明方法实施，具体如下：
处理对象为甲醇制烯烃再生器外排烟气，再生气体选用氮气。
(1)来自甲醇制烯烃再生器的含催化剂细粉的烟气首先进入预旋风分离器脱除较大的催化剂颗粒。经过预除尘的烟气通过沸腾床分离器组，其中媒质床层对其进行过滤，脱除气体中的细颗粒物经余热锅炉回收热量后再经烟囱排空；
(2)沸腾床分离器组为6台并联工作，5开1备，连续运行至压差升高至500pa后，轮流切换至再生操作；
(3)完成再生后，切换至正常工作状态继续运行。
4.实施效果
(1)分离效果
再生烟气在经沸腾床分离器后，固含量从400mg/nm3降到10mg/nm3，颗粒去除率达97.5％。
每隔10h再生一次，再生后媒质颗粒的分离效率约为初期运行状况99％以上，在长期运行状况下，分离效率仍保持在95％。0.5μm颗粒分离效率为60-90％，1.0μm颗粒分离效率为80-95％。
(2)再生效果
媒质颗粒可有效再生，后媒质颗粒表面催化剂残留率在5％以下，孔隙附着物残留率在15％以下。
上述所列的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依据本发明申请专利范围的内容所作的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。