姜軍劍，王文俊，聶 勇

（1.甕福紫金化工股份有限公司，福建 上杭 364200；2.瀘州鑫?；す煞萦邢薰?，四川 瀘州 646605）

現(xiàn)有的大多數(shù)除塵器[1]只能除去10 μm以上的大顆粒，當(dāng)空氣中的粉塵粒徑小于10 μm時(shí)就很容易被直接吸進(jìn)肺部損害人體健康。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，以及環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行日益嚴(yán)格，人們對(duì)污染物治理技術(shù)與設(shè)備的要求也愈來愈高，做好大氣污染中的粉塵治理在環(huán)境保護(hù)中具有重要意義。對(duì)環(huán)境影響最為嚴(yán)重的主要是火力發(fā)電廠、鋼鐵廠、金屬冶煉廠、化工廠、水泥廠及工業(yè)和民用鍋爐等燃燒煤[2]及石化產(chǎn)品排放的大量粉塵。以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)使粉塵污染空氣風(fēng)險(xiǎn)越來越大，這就要求提升除塵技術(shù)設(shè)備水平以達(dá)到凈化空氣的目的。本文在學(xué)科交叉融合的無機(jī)材料科學(xué)的基礎(chǔ)上，研究探索將無機(jī)膜管運(yùn)用到超微粉塵的除塵設(shè)備上。無機(jī)膜具有其他類型的分離膜無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

（1）化學(xué)穩(wěn)定性。無機(jī)膜能耐酸和弱堿，化學(xué)穩(wěn)定性好，pH值使用范圍寬。

（2）熱穩(wěn)定性好。無機(jī)膜適用于高溫、高壓體系，使用溫度一般可達(dá)400℃，改性無機(jī)膜適用溫度甚至高達(dá)800℃。

（3）抗污染能力強(qiáng)。無機(jī)膜與一般的微生物不發(fā)生生化及化學(xué)反應(yīng)，抗微生物能力強(qiáng)。

（4）無機(jī)膜組件機(jī)械強(qiáng)度大。無機(jī)膜一般都是以載體膜的形式應(yīng)用，而載體都是經(jīng)過高壓和焙燒制成的微孔陶瓷材料和多孔玻璃等材質(zhì)，涂膜后再經(jīng)高溫焙燒工藝，使膜非常堅(jiān)固，不易脫落和破裂。

（5）再生清洗簡(jiǎn)單。無機(jī)膜清潔狀態(tài)好，本身無毒，不會(huì)使體系受到污染，容易完成再生和清洗。當(dāng)膜被污染物堵塞后，可通過反吹或反沖，也可進(jìn)行化學(xué)清洗。

（6）過濾效率高。無機(jī)膜的膜孔徑分布窄，分離性能好。

1 無機(jī)膜管除塵設(shè)備的設(shè)計(jì)

1.1 膜管排列設(shè)計(jì)

管在管板的排列按照換熱器[3]的列管式排列，排列模型見圖1。

圖1 膜管懸掛排列圖

1.2 筒體的設(shè)計(jì)與計(jì)算

（1）厚度設(shè)計(jì)[4]。由于采用100%局部焊接無損探傷，故選用焊接接頭系數(shù)φ=0.85。壁厚δ=PC×Di/（2×［σ］t×φ－PC），其中：PC為設(shè)計(jì)壓力，Di為筒體內(nèi)徑，［σ］t為設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，φ為焊接接頭系數(shù)。［σ］t=235/1.6=146 MPa，PC＝2 MPa，Di=15 cm，帶入以上數(shù)據(jù)得δ=1.22 mm。圓整為δ=2 mm；鋼板負(fù)偏差C1取C1＝1 mm；腐蝕余量C2取C2＝2 mm；設(shè)計(jì)壁厚δe＝δ＋C1＋C2＝5 mm。同理可知：筒體上部選取152×4.5 mm的無縫鋼管焊接，校核筒體設(shè)計(jì)符合要求。

（2）圓筒長(zhǎng)度。陶瓷管長(zhǎng)L=800 mm，上有法蘭，下有錐形封頭，因此取L0=850 mm筒體，加工工藝采用焊接，具體焊接要求按GB150-1998上的規(guī)格實(shí)施。設(shè)計(jì)加工試驗(yàn)套筒設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 除塵套筒設(shè)計(jì)圖

1.3 試驗(yàn)附件的設(shè)計(jì)

鐵頭的設(shè)計(jì)和陶瓷膜管的安裝工藝為，無機(jī)膜管的外徑是14 mm，因此設(shè)計(jì)鐵頭的內(nèi)徑為16 mm從而更易粘接。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鐵頭的厚為7 mm，高為20 mm是最適合安裝的。鐵管接頭設(shè)計(jì)圖見圖3。

圖3 鐵管接頭設(shè)計(jì)圖

鐵頭和陶瓷膜管連接時(shí)清洗烘干，然后調(diào)膠和涂膠。調(diào)膠時(shí)根據(jù)膠粘劑固液組分配比，在規(guī)定范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整固液比例，先把膜管垂直固定以保證和鐵頭是同心圓，同時(shí)在鐵頭的另一端用紙巾包住，以免無機(jī)膠滴下導(dǎo)致氣密性不好，在陶瓷膜管外表面及金屬接頭內(nèi)表面同時(shí)均勻涂膠。然后將涂好膠的金屬接頭與陶瓷膜管套接起來，常溫下固化12～24 h。

粉塵捕集器的設(shè)計(jì)：除塵效率是評(píng)價(jià)除塵設(shè)備的一個(gè)重要指標(biāo)。為測(cè)試裝置的除塵效率，需要再次截留經(jīng)分離后的粉塵來分析其對(duì)粉塵的分離情況。因此選用過濾空隙是0.2 μm，外徑是110 mm的玻璃濾纖維做過濾膜。設(shè)計(jì)方式是可拆卸方式，設(shè)計(jì)成法蘭螺栓安裝。粉塵捕集器設(shè)計(jì)圖見圖4。

圖4 粉塵捕集器

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安裝及操作原理[5-7]

本實(shí)驗(yàn)用除塵裝置的制造在貴陽永青儀電廠進(jìn)行，經(jīng)過反復(fù)摸索，最終完成了整個(gè)設(shè)備的制造和安裝。為了檢測(cè)裝置處理量，需要配置流量計(jì)計(jì)量；為了測(cè)透過膜分離組件后的阻力降，通過U型壓差計(jì)，里面填充低濃度高錳酸鉀溶液，壓差計(jì)一端連通進(jìn)氣管程，另一端連通出氣殼程，通過膜組件進(jìn)出口的氣壓差就可知膜分離組件的阻力降大小。

該裝置采用了列管換熱器單流程形式的設(shè)計(jì)模型，含塵氣體走殼程，粉塵被無機(jī)膜分離組件截留下來，在重力作用下自由沉降到裝置的收塵處。陶瓷膜過濾器運(yùn)行一定周期后，由于陶瓷過濾管內(nèi)部通道可能被流體介質(zhì)中的固體顆粒堵塞，而過濾元件表面也形成一層濾餅層，最終導(dǎo)致流體過濾阻力增大，流體流速降低，這時(shí)可通過高壓氣體逆向反吹方式再生，使其基本恢復(fù)到初始狀態(tài)的水平。因此，周期性的定時(shí)反吹能大大延長(zhǎng)多孔陶瓷過濾元件的使用壽命。反吹過程過濾管外壁脫落的灰餅就進(jìn)入到過濾器下部的儲(chǔ)灰斗中，定期從排灰口處卸灰。實(shí)驗(yàn)裝置總圖見圖5。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置總圖

實(shí)驗(yàn)操作方法如下。

（1）完全打開中間進(jìn)氣管路閥門7和總管球閥4，檢查壓差計(jì)，打開壓差計(jì)管路閥門。

（2）待壓縮機(jī)壓力達(dá)到0.6 MPa時(shí)，打開壓縮機(jī)出氣閥門，手動(dòng)調(diào)節(jié)流量計(jì)前的截止閥2，為實(shí)驗(yàn)裝置充氣升壓，當(dāng)達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期壓力時(shí)，打開裝置上部的出氣閥12，手動(dòng)調(diào)節(jié)使筒體內(nèi)部壓力維持穩(wěn)定。記錄此時(shí)的流量、工作壓力及壓差計(jì)示數(shù)，隔5 min記1次，記錄3或4組數(shù)據(jù)，直至壓差計(jì)液柱高度不再上升為止。

（3）將稱取一定量的煤飛灰加入到加灰裝置，打開加灰裝置的出灰閥門14，再打開此裝置的進(jìn)氣閥門3，關(guān)閉進(jìn)氣總路的球閥4，記錄此時(shí)的各個(gè)數(shù)據(jù)，每5 min記錄1次，直至加灰完成（振蕩加灰裝置，開關(guān)其進(jìn)氣閥門，無含灰氣體流出）。

（4）在加灰過程中，由于氣力較小，可以采用開關(guān)加灰裝置前的球閥，將灰在瞬間大氣流的沖擊下帶入筒體。加灰完之后，先打開進(jìn)氣管路球閥4，在關(guān)閉加灰裝置的進(jìn)氣閥3和出氣閥5，然后慢慢打開裝置的加灰閥門13，緩慢泄壓，再將預(yù)先稱好的灰從加灰閥倒入加灰裝置。按（3）步驟進(jìn)行操作。

（5）加入若干次煤飛灰之后，當(dāng)壓差計(jì)示數(shù)明顯上升時(shí)（壓力差上升1 000 Pa左右），或當(dāng)加灰裝置進(jìn)氣閥門開閉時(shí)壓差計(jì)波動(dòng)很小時(shí)（波動(dòng)最大值與實(shí)際值差值在500 Pa之內(nèi)）可視為膜管過濾飽和。

（6）當(dāng)膜管飽和時(shí)，關(guān)閉壓縮機(jī)，裝置緩慢泄壓至常壓，進(jìn)行下一步操作。

（7）將進(jìn)灰管路閥門關(guān)閉，在記好U型壓差計(jì)讀數(shù)情況下，泄壓至常壓后將通往壓差計(jì)的三根管上的閥門均關(guān)閉。

（8）先關(guān)閉壓縮機(jī)出口閥，當(dāng)壓縮機(jī)壓力達(dá)到0.6 MPa時(shí)停止加壓，同時(shí)將進(jìn)氣管路閥2與出氣調(diào)節(jié)閥門1關(guān)閉，流量計(jì)前截止閥閉合，流量計(jì)后球閥全開，反吹管路閥5全開。

（9）打開筒體下端的兩個(gè)閥門10和11，從中取出落在底部的煤飛灰。并稱量其重量M1。

（10）將裝置出氣口處粉塵捕集器卸下、拆開，稱量濾紙質(zhì)量，記錄m1、m2數(shù)據(jù)。然后在捕集器內(nèi)重新放入一張濾紙，組裝后安裝在筒體底部泄灰口處，將卸灰閥半開45°。

（11）打開壓縮機(jī)出口閥，再迅速打開流量計(jì)前的截止閥（要防止瞬間流量過大導(dǎo)致流量計(jì)轉(zhuǎn)子被撞壞），此時(shí)密切關(guān)注筒體上端及筒體壓力，反吹時(shí)間為5 s左右，并作好數(shù)據(jù)記錄。

3 試驗(yàn)流場(chǎng)仿真與分析

基于試驗(yàn)在套筒鋼管裝置條件下難于測(cè)定內(nèi)部的氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)情況，而常規(guī)采用流體力學(xué)的方法工作量太大不夠直觀[8]。現(xiàn)采用FLUENT流體工程工程軟件模擬仿真，假定膜管內(nèi)的過濾過程為可壓縮、非穩(wěn)態(tài)的湍流流動(dòng)狀態(tài)，模擬套筒內(nèi)部的流場(chǎng)、壓降的變化，從而為試驗(yàn)除塵提供相關(guān)的參數(shù)及理論依據(jù)。

利用Gambit建立膜管三維幾何模型[9]，設(shè)計(jì)個(gè)邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將網(wǎng)格化后的模型導(dǎo)入FLUENT5/6中，其中給定氣體平均速度6 m/s，過濾操作壓力設(shè)置為0.11 MPa。

設(shè)計(jì)好進(jìn)氣口速度6 m/s和工作壓力0.11 MPa，以及各邊界條件，將求解方式設(shè)計(jì)默認(rèn)，采用系統(tǒng)選用的分離求解器，激活兩相滑移速度，開啟K-ε湍流模型，設(shè)置重力加速度9.8 m/s2進(jìn)行迭代計(jì)算200次，在進(jìn)入套筒速度分析結(jié)果為氣流從進(jìn)口處沿套筒壁旋場(chǎng)而轉(zhuǎn)，仿真結(jié)果證實(shí)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)這樣進(jìn)氣有助于氣體的旋轉(zhuǎn)將粉塵揚(yáng)起，增加除塵效率。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)過濾元件材料和結(jié)構(gòu)、粉塵顆粒性質(zhì)與大小、過濾風(fēng)量、氣體性質(zhì)、運(yùn)行參數(shù)等條件對(duì)陶瓷過濾器的除塵性能影響因素分析，在確定了過濾元件和過濾容器之間的幾何關(guān)系尺寸，即過濾元件材料和結(jié)構(gòu)固定后，操作參數(shù)和運(yùn)行條件及粉塵性質(zhì)就是對(duì)無機(jī)膜除塵性能有至關(guān)重要的影響因素。本試驗(yàn)主要研究運(yùn)行參數(shù)即進(jìn)氣流量以及除塵壓力對(duì)過濾器除塵阻力和粉塵層結(jié)構(gòu)的影響。

4.1 膜管阻力降機(jī)理

過濾阻力是評(píng)價(jià)過濾器除塵性能的一個(gè)主要指標(biāo)，一方面決定著過濾裝置的能量消耗大小，另一方面也決定著裝置清灰時(shí)間間隔。研究壓力損失與其他各參數(shù)的關(guān)系，確定一個(gè)合理除塵效率，努力降低過濾器的壓力損失是過濾理論以及試驗(yàn)研究的核心任務(wù)。過濾元件的總阻力是指穿過清潔過濾元件、殘余粉塵層和暫時(shí)粉塵層的壓降總和。隨著粉塵層的增加，過濾阻力增大，當(dāng)過濾阻力很大時(shí)，就需要反吹清洗使得過濾元件再生，因此希望積塵濾料的阻力小一些。本試驗(yàn)對(duì)積塵濾料的阻力特性測(cè)試包括基準(zhǔn)壓降測(cè)試、過濾壓降測(cè)試，以及對(duì)粉塵層結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)分析。單管實(shí)驗(yàn)在流量1.036 m3/h工作壓強(qiáng)為0.11 MPa工況下膜管壓降阻力圖見圖6。

圖6 膜管壓降阻力圖

經(jīng)過多次驗(yàn)證，可以明顯觀察到有段區(qū)域是明顯壓差急劇升高的，隨后波動(dòng)趨穩(wěn)定。雖然兩次試驗(yàn)的流量與壓強(qiáng)發(fā)生改變，但是膜管過濾的這個(gè)性能相似，都是出于一個(gè)壓差不斷升高并趨于穩(wěn)定的，說明數(shù)據(jù)符合理論[10]。

綜合多次試驗(yàn)的研究表明，在膜管試驗(yàn)飽和時(shí)，阻力降將升高300～400 Pa，試驗(yàn)以除塵工作壓力為0.08 MPa且保持不變情況下，測(cè)阻力降隨流量變化情況見圖7；同時(shí)試驗(yàn)以除塵工作流量為1.036 m3/h且保持不變情況下，測(cè)量阻力降隨壓強(qiáng)變化情況圖見圖8。由此可以推斷影響無機(jī)陶瓷膜管過濾的阻力降主要因素是氣體流量和濾過壓強(qiáng)，并且阻力降隨工作流量的增加而增加，隨工作壓強(qiáng)的增加而降低，為尋找最佳過濾工況奠定基礎(chǔ)。

圖7 阻力降隨流量變化情況圖

圖8 阻力降隨工作壓強(qiáng)的變化情況圖

4.2 除塵效率分析

應(yīng)用中多數(shù)采用的是全效率作為除塵效率的考核指標(biāo)，研究時(shí)采用的是粉塵捕集效率，既是除塵器下的捕集器粉塵量與進(jìn)入除塵器粉塵量的百分比，公式如下：

式中：η為除塵器的效率，%；G1為除塵捕集器粉塵量，g；G2為進(jìn)入除塵器的粉塵量，g。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了六大組數(shù)據(jù)表明，過濾效率高達(dá)99.8%。除塵效率圖見圖9。

圖9 除塵效率圖

在過濾過程當(dāng)中，表面的α-Al2O3膜阻留下的粉塵顆粒僅附著在膜的表面，很少量微小顆粒會(huì)深入到膜內(nèi)部，附在膜表面的粉塵層起粗過濾的作用，類似于預(yù)涂膜效果，不影響膜本身的結(jié)構(gòu)和特性，所以無機(jī)膜過濾是一種表面過濾，能獲得較高的除塵效率。

5 結(jié)論

試驗(yàn)通過設(shè)計(jì)組裝過濾設(shè)備，能夠做到方便拆卸，具有很好的操作使用價(jià)值，并且完成了膜管過濾的全部過程，試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)了流量對(duì)膜管的阻力降具有很大影響，同時(shí)具有線性擬合關(guān)系，工作壓力對(duì)阻力降成反比關(guān)系，為今后工業(yè)除塵設(shè)計(jì)尋找合適工況條件奠定了很好的基礎(chǔ)。

6 無機(jī)膜在鹽水精制過程中的應(yīng)用

無機(jī)膜應(yīng)用廣泛的是陶瓷膜，按照制膜材料區(qū)分還有金屬膜、合金膜、高分子技術(shù)配合膜、沸石膜、玻璃膜、分子篩復(fù)合膜等。陶瓷膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、抗微生物能力強(qiáng)、孔徑分布窄和使用壽命長(zhǎng)等性能，還具有滲透量大、恢復(fù)性能好等技術(shù)特征，但也因其易于在液相中酸堿再生清洗而不便于在氣相中反吹清灰，其在氯堿化工企業(yè)鹽水精制過程中的運(yùn)用相對(duì)較好，在煙氣除塵方面還處于運(yùn)用研究階段。

鹽水精制過程飽和粗鹽水進(jìn)人反應(yīng)槽并加入精制劑次氯酸鈉、碳酸鈉和氫氧化鈉等精制劑。次氯酸鈉分解粗鹽水中的有機(jī)物，氫氧化鈉與粗鹽水中的鎂離子反應(yīng)生成氫氧化鎂膠體沉淀，碳酸鈉與粗鹽水中的鈣離子完全反應(yīng)生成碳酸鈣結(jié)晶沉淀。完成精制反應(yīng)后的粗鹽水自流進(jìn)入中間槽，經(jīng)過濾給料泵送往粗鹽水過濾器，濾除大于1.0 mm的顆粒雜質(zhì)后再送往無機(jī)陶瓷膜過濾單元。經(jīng)無機(jī)陶瓷膜過濾處理，鹽水中的SS一般能夠降至0.5 mg/L以下。因無機(jī)陶瓷膜強(qiáng)度高，基本不受酸堿、氧化劑的影響，實(shí)際應(yīng)用上耐磨損性能、酸堿再生性能較好。其顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下。

（1）無機(jī)陶瓷膜鹽水過濾技術(shù)比原有的鹽水預(yù)處理加過濾的傳統(tǒng)工藝相比流程大大縮短，無道爾沉清桶、砂濾器、纖維素預(yù)涂的碳素管過濾器，省去了清理、預(yù)涂的工作量，同時(shí)避免了硅的二次污染。從而無機(jī)陶瓷膜過濾精制鹽水技術(shù)項(xiàng)目的占地和建筑面積大大減少。

（2）由于有機(jī)聚合物膜抗氫氧化鎂及有機(jī)物污染的性能差，需要對(duì)過濾鹽水采用浮上澄清桶進(jìn)行預(yù)處理。而無機(jī)陶瓷膜過濾技術(shù)減少了加壓溶氣、浮上澄清的工藝及設(shè)備，也不需要加人三氯化鐵等腐蝕性化學(xué)藥劑，減少了對(duì)設(shè)備和管道的腐蝕。

（3）無機(jī)陶瓷膜管過濾孔徑一般小于50 nm，簡(jiǎn)單的篩分原理可使過濾后鹽水的SS小于0.5×10-6，正常運(yùn)行設(shè)備出水SS都在0.1×10-6，將大大減輕螯合樹脂塔的運(yùn)行負(fù)荷。