多孔式无机膜管除尘性能实验研究与应用

姜军剑，王文俊，聂 勇

（1.瓮福紫金化工股份有限公司，福建 上杭 364200；2.泸州鑫福化工股份有限公司，四川 泸州 646605）

现有的大多数除尘器[1]只能除去10 μm以上的大颗粒，当空气中的粉尘粒径小于10 μm时就很容易被直接吸进肺部损害人体健康。随着人们环保意识的增强，以及环境标准执行日益严格，人们对污染物治理技术与设备的要求也愈来愈高，做好大气污染中的粉尘治理在环境保护中具有重要意义。对环境影响最为严重的主要是火力发电厂、钢铁厂、金属冶炼厂、化工厂、水泥厂及工业和民用锅炉等燃烧煤[2]及石化产品排放的大量粉尘。以煤为主的能源消费结构使粉尘污染空气风险越来越大，这就要求提升除尘技术设备水平以达到净化空气的目的。本文在学科交叉融合的无机材料科学的基础上，研究探索将无机膜管运用到超微粉尘的除尘设备上。无机膜具有其他类型的分离膜无法比拟的优点。

（1）化学稳定性。无机膜能耐酸和弱碱，化学稳定性好，pH值使用范围宽。

（2）热稳定性好。无机膜适用于高温、高压体系，使用温度一般可达400℃，改性无机膜适用温度甚至高达800℃。

（3）抗污染能力强。无机膜与一般的微生物不发生生化及化学反应，抗微生物能力强。

（4）无机膜组件机械强度大。无机膜一般都是以载体膜的形式应用，而载体都是经过高压和焙烧制成的微孔陶瓷材料和多孔玻璃等材质，涂膜后再经高温焙烧工艺，使膜非常坚固，不易脱落和破裂。

（5）再生清洗简单。无机膜清洁状态好，本身无毒，不会使体系受到污染，容易完成再生和清洗。当膜被污染物堵塞后，可通过反吹或反冲，也可进行化学清洗。

（6）过滤效率高。无机膜的膜孔径分布窄，分离性能好。

1 无机膜管除尘设备的设计

1.1 膜管排列设计

管在管板的排列按照换热器[3]的列管式排列，排列模型见图1。

图1 膜管悬挂排列图

1.2 筒体的设计与计算

（1）厚度设计[4]。由于采用100%局部焊接无损探伤，故选用焊接接头系数φ=0.85。壁厚δ=PC×Di/（2×［σ］t×φ－PC），其中：PC为设计压力，Di为筒体内径，［σ］t为设计温度下的许用应力，φ为焊接接头系数。［σ］t=235/1.6=146 MPa，PC＝2 MPa，Di=15 cm，带入以上数据得δ=1.22 mm。圆整为δ=2 mm；钢板负偏差C1取C1＝1 mm；腐蚀余量C2取C2＝2 mm；设计壁厚δe＝δ＋C1＋C2＝5 mm。同理可知：筒体上部选取152×4.5 mm的无缝钢管焊接，校核筒体设计符合要求。

（2）圆筒长度。陶瓷管长L=800 mm，上有法兰，下有锥形封头，因此取L0=850 mm筒体，加工工艺采用焊接，具体焊接要求按GB150-1998上的规格实施。设计加工试验套筒设计图见图2。

图2 除尘套筒设计图

1.3 试验附件的设计

铁头的设计和陶瓷膜管的安装工艺为，无机膜管的外径是14 mm，因此设计铁头的内径为16 mm从而更易粘接。经试验发现铁头的厚为7 mm，高为20 mm是最适合安装的。铁管接头设计图见图3。

图3 铁管接头设计图

铁头和陶瓷膜管连接时清洗烘干，然后调胶和涂胶。调胶时根据胶粘剂固液组分配比，在规定范围内适当调整固液比例，先把膜管垂直固定以保证和铁头是同心圆，同时在铁头的另一端用纸巾包住，以免无机胶滴下导致气密性不好，在陶瓷膜管外表面及金属接头内表面同时均匀涂胶。然后将涂好胶的金属接头与陶瓷膜管套接起来，常温下固化12～24 h。

粉尘捕集器的设计：除尘效率是评价除尘设备的一个重要指标。为测试装置的除尘效率，需要再次截留经分离后的粉尘来分析其对粉尘的分离情况。因此选用过滤空隙是0.2 μm，外径是110 mm的玻璃滤纤维做过滤膜。设计方式是可拆卸方式，设计成法兰螺栓安装。粉尘捕集器设计图见图4。

图4 粉尘捕集器

2 实验设备的安装及操作原理[5-7]

本实验用除尘装置的制造在贵阳永青仪电厂进行，经过反复摸索，最终完成了整个设备的制造和安装。为了检测装置处理量，需要配置流量计计量；为了测透过膜分离组件后的阻力降，通过U型压差计，里面填充低浓度高锰酸钾溶液，压差计一端连通进气管程，另一端连通出气壳程，通过膜组件进出口的气压差就可知膜分离组件的阻力降大小。

该装置采用了列管换热器单流程形式的设计模型，含尘气体走壳程，粉尘被无机膜分离组件截留下来，在重力作用下自由沉降到装置的收尘处。陶瓷膜过滤器运行一定周期后，由于陶瓷过滤管内部通道可能被流体介质中的固体颗粒堵塞，而过滤元件表面也形成一层滤饼层，最终导致流体过滤阻力增大，流体流速降低，这时可通过高压气体逆向反吹方式再生，使其基本恢复到初始状态的水平。因此，周期性的定时反吹能大大延长多孔陶瓷过滤元件的使用寿命。反吹过程过滤管外壁脱落的灰饼就进入到过滤器下部的储灰斗中，定期从排灰口处卸灰。实验装置总图见图5。

图5 实验装置总图

实验操作方法如下。

（1）完全打开中间进气管路阀门7和总管球阀4，检查压差计，打开压差计管路阀门。

（2）待压缩机压力达到0.6 MPa时，打开压缩机出气阀门，手动调节流量计前的截止阀2，为实验装置充气升压，当达到实验预期压力时，打开装置上部的出气阀12，手动调节使筒体内部压力维持稳定。记录此时的流量、工作压力及压差计示数，隔5 min记1次，记录3或4组数据，直至压差计液柱高度不再上升为止。

（3）将称取一定量的煤飞灰加入到加灰装置，打开加灰装置的出灰阀门14，再打开此装置的进气阀门3，关闭进气总路的球阀4，记录此时的各个数据，每5 min记录1次，直至加灰完成（振荡加灰装置，开关其进气阀门，无含灰气体流出）。

（4）在加灰过程中，由于气力较小，可以采用开关加灰装置前的球阀，将灰在瞬间大气流的冲击下带入筒体。加灰完之后，先打开进气管路球阀4，在关闭加灰装置的进气阀3和出气阀5，然后慢慢打开装置的加灰阀门13，缓慢泄压，再将预先称好的灰从加灰阀倒入加灰装置。按（3）步骤进行操作。

（5）加入若干次煤飞灰之后，当压差计示数明显上升时（压力差上升1 000 Pa左右），或当加灰装置进气阀门开闭时压差计波动很小时（波动最大值与实际值差值在500 Pa之内）可视为膜管过滤饱和。

（6）当膜管饱和时，关闭压缩机，装置缓慢泄压至常压，进行下一步操作。

（7）将进灰管路阀门关闭，在记好U型压差计读数情况下，泄压至常压后将通往压差计的三根管上的阀门均关闭。

（8）先关闭压缩机出口阀，当压缩机压力达到0.6 MPa时停止加压，同时将进气管路阀2与出气调节阀门1关闭，流量计前截止阀闭合，流量计后球阀全开，反吹管路阀5全开。

（9）打开筒体下端的两个阀门10和11，从中取出落在底部的煤飞灰。并称量其重量M1。

（10）将装置出气口处粉尘捕集器卸下、拆开，称量滤纸质量，记录m1、m2数据。然后在捕集器内重新放入一张滤纸，组装后安装在筒体底部泄灰口处，将卸灰阀半开45°。

（11）打开压缩机出口阀，再迅速打开流量计前的截止阀（要防止瞬间流量过大导致流量计转子被撞坏），此时密切关注筒体上端及筒体压力，反吹时间为5 s左右，并作好数据记录。

3 试验流场仿真与分析

基于试验在套筒钢管装置条件下难于测定内部的气固两相流的运动情况，而常规采用流体力学的方法工作量太大不够直观[8]。现采用FLUENT流体工程工程软件模拟仿真，假定膜管内的过滤过程为可压缩、非稳态的湍流流动状态，模拟套筒内部的流场、压降的变化，从而为试验除尘提供相关的参数及理论依据。

利用Gambit建立膜管三维几何模型[9]，设计个边界条件，进行网格化处理，将网格化后的模型导入FLUENT5/6中，其中给定气体平均速度6 m/s，过滤操作压力设置为0.11 MPa。

设计好进气口速度6 m/s和工作压力0.11 MPa，以及各边界条件，将求解方式设计默认，采用系统选用的分离求解器，激活两相滑移速度，开启K-ε湍流模型，设置重力加速度9.8 m/s2进行迭代计算200次，在进入套筒速度分析结果为气流从进口处沿套筒壁旋场而转，仿真结果证实试验装置设计这样进气有助于气体的旋转将粉尘扬起，增加除尘效率。

4 试验结果分析

通过对过滤元件材料和结构、粉尘颗粒性质与大小、过滤风量、气体性质、运行参数等条件对陶瓷过滤器的除尘性能影响因素分析，在确定了过滤元件和过滤容器之间的几何关系尺寸，即过滤元件材料和结构固定后，操作参数和运行条件及粉尘性质就是对无机膜除尘性能有至关重要的影响因素。本试验主要研究运行参数即进气流量以及除尘压力对过滤器除尘阻力和粉尘层结构的影响。

4.1 膜管阻力降机理

过滤阻力是评价过滤器除尘性能的一个主要指标，一方面决定着过滤装置的能量消耗大小，另一方面也决定着装置清灰时间间隔。研究压力损失与其他各参数的关系，确定一个合理除尘效率，努力降低过滤器的压力损失是过滤理论以及试验研究的核心任务。过滤元件的总阻力是指穿过清洁过滤元件、残余粉尘层和暂时粉尘层的压降总和。随着粉尘层的增加，过滤阻力增大，当过滤阻力很大时，就需要反吹清洗使得过滤元件再生，因此希望积尘滤料的阻力小一些。本试验对积尘滤料的阻力特性测试包括基准压降测试、过滤压降测试，以及对粉尘层结构的试验分析。单管实验在流量1.036 m3/h工作压强为0.11 MPa工况下膜管压降阻力图见图6。

图6 膜管压降阻力图

经过多次验证，可以明显观察到有段区域是明显压差急剧升高的，随后波动趋稳定。虽然两次试验的流量与压强发生改变，但是膜管过滤的这个性能相似，都是出于一个压差不断升高并趋于稳定的，说明数据符合理论[10]。

综合多次试验的研究表明，在膜管试验饱和时，阻力降将升高300～400 Pa，试验以除尘工作压力为0.08 MPa且保持不变情况下，测阻力降随流量变化情况见图7；同时试验以除尘工作流量为1.036 m3/h且保持不变情况下，测量阻力降随压强变化情况图见图8。由此可以推断影响无机陶瓷膜管过滤的阻力降主要因素是气体流量和滤过压强，并且阻力降随工作流量的增加而增加，随工作压强的增加而降低，为寻找最佳过滤工况奠定基础。

图7 阻力降随流量变化情况图

图8 阻力降随工作压强的变化情况图

4.2 除尘效率分析

应用中多数采用的是全效率作为除尘效率的考核指标，研究时采用的是粉尘捕集效率，既是除尘器下的捕集器粉尘量与进入除尘器粉尘量的百分比，公式如下：

式中：η为除尘器的效率，%；G1为除尘捕集器粉尘量，g；G2为进入除尘器的粉尘量，g。实验进行了六大组数据表明，过滤效率高达99.8%。除尘效率图见图9。

图9 除尘效率图

在过滤过程当中，表面的α-Al2O3膜阻留下的粉尘颗粒仅附着在膜的表面，很少量微小颗粒会深入到膜内部，附在膜表面的粉尘层起粗过滤的作用，类似于预涂膜效果，不影响膜本身的结构和特性，所以无机膜过滤是一种表面过滤，能获得较高的除尘效率。

5 结论

试验通过设计组装过滤设备，能够做到方便拆卸，具有很好的操作使用价值，并且完成了膜管过滤的全部过程，试验数据推导了流量对膜管的阻力降具有很大影响，同时具有线性拟合关系，工作压力对阻力降成反比关系，为今后工业除尘设计寻找合适工况条件奠定了很好的基础。

6 无机膜在盐水精制过程中的应用

无机膜应用广泛的是陶瓷膜，按照制膜材料区分还有金属膜、合金膜、高分子技术配合膜、沸石膜、玻璃膜、分子筛复合膜等。陶瓷膜具有机械强度高、耐高温、耐化学腐蚀、抗微生物能力强、孔径分布窄和使用寿命长等性能，还具有渗透量大、恢复性能好等技术特征，但也因其易于在液相中酸碱再生清洗而不便于在气相中反吹清灰，其在氯碱化工企业盐水精制过程中的运用相对较好，在烟气除尘方面还处于运用研究阶段。

盐水精制过程饱和粗盐水进人反应槽并加入精制剂次氯酸钠、碳酸钠和氢氧化钠等精制剂。次氯酸钠分解粗盐水中的有机物，氢氧化钠与粗盐水中的镁离子反应生成氢氧化镁胶体沉淀，碳酸钠与粗盐水中的钙离子完全反应生成碳酸钙结晶沉淀。完成精制反应后的粗盐水自流进入中间槽，经过滤给料泵送往粗盐水过滤器，滤除大于1.0 mm的颗粒杂质后再送往无机陶瓷膜过滤单元。经无机陶瓷膜过滤处理，盐水中的SS一般能够降至0.5 mg/L以下。因无机陶瓷膜强度高，基本不受酸碱、氧化剂的影响，实际应用上耐磨损性能、酸碱再生性能较好。其显著的技术优势如下。

（1）无机陶瓷膜盐水过滤技术比原有的盐水预处理加过滤的传统工艺相比流程大大缩短，无道尔沉清桶、砂滤器、纤维素预涂的碳素管过滤器，省去了清理、预涂的工作量，同时避免了硅的二次污染。从而无机陶瓷膜过滤精制盐水技术项目的占地和建筑面积大大减少。

（2）由于有机聚合物膜抗氢氧化镁及有机物污染的性能差，需要对过滤盐水采用浮上澄清桶进行预处理。而无机陶瓷膜过滤技术减少了加压溶气、浮上澄清的工艺及设备，也不需要加人三氯化铁等腐蚀性化学药剂，减少了对设备和管道的腐蚀。

（3）无机陶瓷膜管过滤孔径一般小于50 nm，简单的筛分原理可使过滤后盐水的SS小于0.5×10-6，正常运行设备出水SS都在0.1×10-6，将大大减轻螯合树脂塔的运行负荷。