目前全国仅粉煤灰一项的排放量已达1. 5 ×108 t/ a. 对现有的一些除尘装置,如静电除尘器[2 ] ,虽然除尘效率可高达99 %以上,但对超细粉尘的捕集率较低,约有1 %的粉尘进入大气,这部分粉尘以粒径小于2. 5 μm 甚至亚微米级超细颗粒为主,表面富集微量重金属元素和有机污染物,对人体健康和生态环境造成了极大危害. 因此,如何有效控制工业窑炉、燃煤锅炉烟气中的烟尘、建材、冶金等生产过程中的微粉尘对大气的污染,是当今我国急需解决的难题,市场急切期待着高技术、高效率的除尘装置. 随着高技术无机膜的出现,为解决这一难题提供了一种切实可行的新型技术路线. 由于无机膜具有耐高温[3 ] 、耐腐蚀、耐冲刷、机械强度大、结构稳定、寿命长等突出优点,为此,将无机膜技术应用于高温气体除尘的研究,具有重要意义.
1 无机膜管的选取
本研究选用α- Al2O3 无机膜管,孔径范围在(0. 45 ±0. 05) μm ,呈不对称分布. 其支撑体及膜表面的状况如图1 所示. 从支撑体过渡到膜的情况如图2 所示. 由图1 (a) 可见,支撑体的颗粒比较粗大,孔径在5～10μm ,直接用来作为微粉尘的分离是不够的,它主要起支撑作用,以保证分离组件的机械强度. 由图1 ( b) 可见,覆盖于支撑体表面的膜,其颗
图1 支撑体(a) 和α- Al2O3 膜(b) 的形貌(SEM) 图
Fig. 1 Shapes of support (a) andα- Al2O3 membrane (b)
粒粒径在1～2μm,分布均匀,孔隙率高,孔径分布窄,孔径在(0. 45 ±0. 05) μm 范围内. 从图2 看出,从支撑体到膜的过渡覆盖紧密,属于典型的非对称分离膜.
图2 从支撑体到膜的过渡(SEM 图)
Fig. 2 Transition from supporter to membranes (SEM Figure)
2 无机膜管与金属的焊接
由于无机膜管熔点高、不导电,其线膨胀系数与金属的差异较大. 因此,无机膜管与金属的焊接是无机膜用于高温气体除尘的难题. 一般,无机膜管与金属的联接常采用橡胶等材料进行封接. 但在高温下工作的无机膜,这一联接方法显然已不能满足工艺条件的要求. 为此, 本研究采用基玻璃为PbO -B2O3 - SiO2 的玻璃铅料,并用含2. 5 %硝棉的醋酸丁脂按一定比例混合,将无机膜管的两端进行金属化处理后,用自行设计的夹具,在SG2 - 7. 5 - 12 的加热设备中实现了无机膜管与金属的焊接. 玻璃铅料的物性见表1. 其封接结果如图3 表示.
表1 玻璃铅料的物性
Table 1 Physical properties of PbO -B2O3 - SiO2 glass powder
细度/μm 密度/ (g·cm - 3) 线膨胀系数/ ℃-1 转变温度/ ℃ 软化温度/ ℃ 烧成温度/ ℃
> 75 6. 90 ±0. 05 72 ±2 486 ±10 517 ±10 560 ±10
图3 玻璃钎料与膜管的焊接(SEM 图)
Fig. 3 PbO -B2 O3 -SiO2 glass powder and
membrane wedding (SEM Figure)
由图3 看出,玻璃铅料在无机膜管和金属之间实现了很好的流延,铅料填满了膜管与金属之间的间隙,与金属之间的结合为晶间结合. 经宏观检查,未发现夹渣、气孔等缺陷. 通过煤油检漏和0. 5 MPa的高压气喷吹检查,气密性能良好.3 无机膜实验除尘装置的组建无机膜实验除尘装置按GB 191 - 98 压力容器设计规范进行设计. 其筒体壁厚δ按下式进行计算:
式中, K 为形状系数, pc 是设计压力, [σ] t 是材料在设计温度下的许用应力, < 是焊缝系数. 将相关设计参数代入式(1) ,可获得该装置的筒体计算壁厚.高温气体在压力差的驱动下通过α- Al2O3 无机膜管组件从而使粉尘得以分离. 膜管组件以列管式组装,含尘的高温气体走管程,被无机膜管分离组件截留下来的粉尘在重力作用下自由沉降到装置的收尘部分. 吸附在膜管壁上的粉尘在瞬时脉冲反吹气体的作用下脱离而沉降. 分离后的洁净气体通过壳程而排放. 设置瞬时脉冲高压装置的目的是对膜组件进行清洗. 同时为了实现连续生产,装置中配备了超声波料位检测器和电磁阀门以及其他控制元件,使整个装置能在自动控制下运行.
图4 为无机膜除尘装置的示意图.
图4 无机膜实验除尘装置示意图
Fig. 4 Schematic diagram of dust remove device
by using inorganic membrane
4 无机膜实验除尘装置的测试
评价一个除尘装置的基本技术指标[4 ] 是处理量Q ,除尘效率N ,阻力降Δp. 此外,还包括设备的金属或其他材料耗量,占地面积,设备费和运行费,设备的可靠性和使用年限,以及操作和维护管理的难易等. 从大气环境质量控制的角度看,在这些性能中最为重要的应是除尘系统气体排出口气体所含粉尘浓度和排放量. 除尘装置的处理量为通过该设备的含尘气体处理量. 对给定的除尘装置其处理量为定值,一般以体积处理量来表示.对不是一个大气压情况下的高温气体必须将其换算为标准状态,以m3/ min 或m3/ h 表示. 本研究中的除尘装置处理量与膜管的表面积多少有关,故用单位膜面积、单位时间和单位压力下的气体透过量来表征,量纲为:m3/ (m2·h·MPa) ,它主要由无机膜管的特性决定的. 装置的除尘效率N 分为总除尘效率η和分级除尘效率. 分级除尘效率系指除尘器
对某一粒径dp 的粉尘或某一粒径范围Δdp 内粉尘的除尘效率. 阻力降Δp 一般以除尘装置的主要部件的动压(速度头) 的多少倍来表示.
4. 1 试验
根据自行研制的无机膜除尘装置,如图4 所示.采用中位径为7μm 的标准粉尘模拟实际工况的含尘高温气体(即原料气) . 标准粉尘的粒径频度和累积筛上率分布如图8 所示.打开阀门,调节压力,原料气进入膜分离除尘装置,同时开始记录时间、流量、温度、压差等数据. 采用JL - 1155 型激光粒度分布测试仪测试处理后出口气体中的粉尘浓度.
4. 2 试验结果
无机膜除尘装置的试验结果如表2 、表3 和图5
～7 所示.
表2 不同工作压力下流量与阻力降的关系
Table 2 Relationship between flux and pressure -drop under different working pressure
工作压力/ kPa 6. 0 7. 0 8. 0 9. 0 10. 0 11. 0 12. 0 13. 0 14. 0
阻力降/ kPa 2. 03 2. 76 3. 44 4. 70 5. 43 6. 51 8. 23 9. 42 10. 65
流量/ (L·h -1) 200 250 360 520 710 810 870 920 960
表3 总除尘效率
Table 3 Total dust removal efficiency
序号 壳层表压/ kPa 流量/ (m 3 ·h - 1) 操作时间/ min 注入粉尘量/ g 滤膜捕集粉尘/ mg 入口含尘浓度/ (mg·m -3) 出口含尘浓度/ (mg·m -3) 总除尘效率/ %
1 4. 1 0. 9 240 20 52 5 986. 2 15. 6 99. 74
2 5. 6 1. 2 240 25 61 5 251. 0 12. 8 99. 77
3 4. 7 1. 05 240 25 59 6 082. 7 14. 4 99. 76
图5 工作压力与流量的关系
Fig. 5 Relationship between working pressure and quantity of flow
由图5 可看出,流量随着工作压力的升高而增加,但当工作压力大于10 kPa 后,流量的增幅变缓;由图6 可发现,随着阻力降的升高流量明显上升,而当阻力降大于7 kPa 时,这一趋势有所减缓. 由图7可以看出,工作压力与阻力降大致呈线性关系,随着工作压力的增加,阻力降增大. 由试验结果发现,基于筛分机理的无机膜除尘装置在过滤富含粉尘的气体过程中,主要的捕捉机制是直接拦截大于敞口孔径的颗粒,通过惯性碰撞、重力沉降、静电沉积拦截、扩散等将粉尘截留下来. 其工作压力和阻力降对流量有较大影响,在一定范围内呈正相关性,但并非如Darcy 定律[5 ]所示的线性相关性,这是因为Darcy 定律假定微孔过滤过程是表面过滤机理起决定作用,并假定膜材均匀且所有微孔均为等径的长圆通孔,
图6 阻力降与流量的关系
Fig. 6 Relationship between pressure - drop and quantity of flow
图7 工作压力与压力降关系
Fig. 7 Relationship between working pressure
and pressure - drop
图8 粒径和累积筛上率分布
Fig. 8 Distributions of particle diameter
and cumulative rate above griddle
这显然与实际状况有差异. 因此,不能简单地依靠提高工作压力和压差来提高处理量.由表3 可以看出,该实验装置对中位径为7μm
的标准粉尘的总除尘效率大于99. 7 %. 本试验研究中用JL - 1155 型激光粒度分布测试仪对出口玻璃滤膜上捕集到的粉尘粒径分布进行了分析,未测到0. 1μm 以上的粉尘数据. 这说明无机膜除尘实验装置出口的粉尘粒径均小于0. 1μm. 因此,该除尘装置对粒径大于0. 1 μm 的粉尘的分级除尘效率为100 %.
5 结论
1) 对无机膜管进行了金属化处理,采用自行设计的夹具,实现了无机膜管与金属的焊接;2) 研制了无机膜实验室除尘装置,并进行了试验研究. 结果表明,无机膜实验室除尘装置的总除尘效率大于99. 7 % ,对0. 1μm 以上粉尘的分级除尘效率为100 %;
3) 研究结果表明,将无机膜分离技术用于高温气体除尘领域是可行的,本研究对该领域的深入研究提供了有价值的参考.
