CN108211573A - 一种中空纤维膜高粉尘气体净化装置 - Google Patents

Abstract

一种中空纤维膜高粉尘气体净化装置，用聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝集束、膜组件头与一个金属笼组成高粉尘气体过滤单元，将多个这种单元组成高粉尘过滤阵列。将这个阵列安装在高粉尘气体风道中，利用膜丝表面的微孔对粉尘进行过滤，可以将含尘量高达50—100g/m³的高粉尘气体处理为含尘量1—50ug/m³的纯净气体，达到理想排放。无尘气体风道中装有反吹装置，可以保持膜丝的通气能力。

Description

一种中空纤维膜高粉尘气体净化装置

所属领域

粉尘过滤器，主要用于含高粉尘气体排放场所和设施中的粉尘过滤，特别是用于发电、水泥、炼焦、垃圾焚烧、冶炼、锅炉等高粉尘气体排放行业的除尘。

技术背景

以锅炉等设备烟气除尘技术为例，经历了水膜除尘、布袋除尘到静电除尘的过程，现在又有回到布袋除尘器，新的趋势是布袋+静电除尘。

自2004年1月1日起，国家已经对烟尘及SO2的排放提出更加严格的要求。烟尘最高允许排放质量浓度为50mg/m3。从2005年11月1日起，北京市已运行的火电厂锅炉到时烟尘排放质量浓度仅允许30mg/m3。

原有的四电场静电除尘器改为五电场、六电场也很难满足上述要求。与此同时，SO2的排放标准也相应提高。为减少SO2排放，许多电厂将燃用低硫煤或采取相应的脱硫设施，从而导致静电除尘器的除尘效率下降，尤其对于煤中高硅、铝含量的电厂，采用静电除尘器处理的烟尘排放质量浓度已远远达不到环保要求，于是业界开始将静电除尘器改造为布袋除尘器。

近年来，随着滤布材料制造技术的发展，袋式除尘器在滤布的强度、耐高温、耐腐、耐磨等方面都有很大的提高。布袋除尘器的烟尘排放质量浓度可以控制在15～50mg/m³，已经广泛应用于电厂、矿山、冶金、化工、水泥、制药、食品等行业，作为环境净化及产品回收设备。

最新的进展是电、袋混合技术，综合静电和除尘袋两种技术的优点，形成新的工作模式，有望将排放降低到5--10mg/m³以下。

但是，社会对此的期望值很高，理想的排放标准是10ug/m³，距离这个目标还很遥远。

现有的布袋除尘法已经达到了其处理能力的上限，想要大幅度提高过滤效率已经很困难了。布袋+静电技术的出现虽然可以提高整体过滤效率，但是由于静电发生器工作时产生高浓度臭氧，具有强氧化作用，普通化纤制成的布袋都难以持久承受，很快风化。应对这两个问题的出路在于寻找过滤效率更高、风阻更小、抗氧化能力更强的材料。

之后改进是在针刺毡、编织滤料的表面再复合一层PTFE平板膜，这层薄膜相当于起到了“一次粉尘层”的作用，物料交换是在膜表面进行的，使用之初就能进行有效的过滤，透过去的粉尘大幅下降。同时由于PTFE薄膜的不粘性、摩擦系数小，粉饼会自动脱落，确保了设备阻力长期稳定，因此充分发挥了袋式除尘器优越性，成为更有效、风阻更低的过滤材料。通常这种滤材的运行阻力在1000Pa左右。但是，PTFE平板膜必须有支撑材料才能工作。支撑材料本身的过滤性能不如PTFE平板膜；和支撑材料复合时，粘接面必然阻挡了很多微孔，使得整体孔隙率降低。另外，PTFE平板膜的厚度极小，只相当于一维的“孔板”，没有纵深网络结构，为了保证过滤效率，微孔径只能做的很小。这两个因素导致了复合材料的风阻增加。

针对这些问题，有必要提出一种更加廉价、可靠、过滤性能优良、容尘量更大、风阻更低的解决方案，解决上述困难的一个途径是：直接采用中空纤维膜，特别是PTFE中空纤维膜。

PTFE中空纤维膜使用纯聚四氟乙烯材料，通过挤压、拉伸成型，一般制成直径1—3mm的细管状，膜微孔为细长孔，一般宽度为0.1um—0.3um,长度为1---5um。

中空纤维膜表面的性能与平板膜相仿，但是中空纤维膜是立体的，整个壁厚都是网状结构，构成了更加绵密的拦截纵深，大幅度降低了风阻。

中空纤维膜本身就具有相当可观的机械强度，不需要其他材料作为支撑，也就避免了在与其他材料复合的过程中产生孔隙率的损失。

在同样的体积下，比表面积是普通除尘袋的3---10倍，之就意味着风速可以降低3—10倍，对延长空气在膜表面穿过的时间，对提高过滤效率有非常重要的意义。特别是在半干法脱硫中，滤袋表面的粉尘层含有未反应完全的脱硫剂，相当于一个“固定床”的作用。若滤袋表面粉尘层厚度2.0mm，过滤风速为1m/min，则含尘气 流通过粉尘层的时间为1.2s，显著延长了脱硫反应的时间。如果风速进一步降低，脱硫反应时间会延长到6秒---12秒，就可能实现充分反应。

中空纤维膜本身的柔软性，表面的不粘性和拒水、拒油性使得粉饼难以持久附着，很容易通过风吹和抖动自行脱落，极大增加了材料的容尘量和可持续工作时间。

基于这些原因，有理由相信聚四氟乙烯中空纤维膜是一种非常有潜力的新材料，完全可能在治理高粉尘污染方面有所作为。

既然如此，为什么市场上没有这样的产品，也没有这方面的专利和报道，

中空纤维膜出现于19世纪，兴盛于20世纪80年代。普通的塑料都无法承受150度左右的高温，没有足够的机械强度，足够低的风阻，足够大的容尘量，都不可能用在烟气处理这样严酷的环境中。直到上世纪90年代，聚四氟乙烯中空纤维膜出现，郭玉海等人第一份制备专利出现在2012年。然而，直到目前，能够批量生产聚四氟乙烯中空纤维膜的厂家极少，也只有用于水处理的型号，其一致性、成品率、造价等经济技术指标都很不理想。直到最近，也没有专门用于空气处理的专用膜丝产品问世。此前的PTFE中空纤维膜都是用来做水处理或气液分离的，从2014年之后，有郭绍华的专利，提出来用聚四氟乙烯中空纤维膜作为空气除尘的应用，但是其采用的膜丝也都是直接沿用了水处理膜丝，并没有专用于空气粉尘处理的膜丝和相应的参数。

用于水和空气处理的膜丝是两种参数相差极大的产品，制造工艺上也有很大差别。只有当这种材料能走出实验室，可以实现大规模、低成本、稳定可靠生产时，用于大型电厂等等高污染行业烟气处理才成为可能。

由于这些原因，基于中空纤维膜特别是基于聚四氟乙烯中空纤维膜的烟气粉尘处理的技术还是一片空白，查不到任何资料。

最近，本发明人与所在的广东风和公司研制成功了制备高粉尘气体净化专用聚四氟乙烯中空纤维膜的全套装备和工艺流程，生产出了令人满意的高粉尘气体净化专用聚四氟乙烯中空纤维膜产品。经过大量实验，发现其应用于高粉尘处理，有望取代现行的除尘布袋，成为新的高粉尘过滤材料。不仅如此，由于聚四氟乙烯是纯的材料，可以100%回收，还可以避免大量现有退役除尘袋无法回收造成的严重二次污染问题。

基于高粉尘气体净化专用聚四氟乙烯中空纤维膜的研制成功，可在降低风阻的同时，将高粉尘气体净化处理指标由5-30mg/m³大幅度提高3000倍，达到10—100ug/m³甚至1—10ug/m³，显示了极大地应用前景。

需要解决的问题是设计恰当的结构和方案，将这种聚四氟乙烯中空纤维膜新材料安装运用在高粉尘气体的过滤处理的具体位置上。

发明内容

为解决高温、含高浓度腐蚀性气体的高粉尘排放的粉尘处理净化问题，解决聚四氟乙烯中空纤维膜在高粉尘气体净化处理方面的应用方式问题，本发明提出了中空纤维膜高粉尘气体净化装置，其特征在于：聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝集束，与膜组件头组成膜组件；所述膜组件安装在一个金属笼内；所述聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝集束与所述金属笼一同构成高粉尘过滤单元；多个所述高粉尘过滤单元组成高粉尘过滤阵列；多个所述高粉尘过滤阵列安装在高粉尘气体风道中；所述聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝表面直接与所述高粉尘气体风道中的高粉尘气体接触；通过所述聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝过滤后的无尘气体通过所述膜组件头进入无尘气体风道。

进一步的，所述聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝，其材料为聚四氟乙烯（PTFE），其膜丝的直径为3mm---30mm，其壁厚为0.2—3mm，其长度为200mm---10000mm，由所述四氟乙烯中空纤维膜组成的单个膜组件，其膜丝数量为20—1000根。

优选的，所述聚四氟乙烯中空纤维膜是一种高粉尘空气净化专用聚四氟乙烯中空纤维膜，其膜丝直径为10—20mm,膜丝长度为1000—2500mm；所述四氟乙烯中空纤维膜组成的膜组件，其膜丝数量为20—200根。

进一步的，所述膜组件头其直径为50—200mm，固定膜丝的方式是:在一块金属板上装有与膜丝头口数量相等的金属细管，所述金属细管的外径略大于所述膜丝的内径，所述膜丝逐个套在所述金属细管上，用与所述金属细管同轴的迫紧圈压紧。

进一步的，所述聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝集束，与膜组件头组成膜组件，其特征在于：所述膜丝互相之间的的坚固距离为5---10mm。

进一步的，所述无尘气体风道间歇性向所述膜组件头反吹高压空气，所述高压空气的压力是所述高粉尘气体风道中气压的3—10倍。

进一步的，所述膜组件装在一个金属笼里，所述金属笼的制作材料为不锈钢材料。

附图说明

附图1是所述高粉尘过滤单元的一个实例的组装示意图。图中1和3分别是所述膜组件的两个膜组件头；图中的2是中空纤维膜组件的膜丝；图中的4是所述金属笼。所述膜组件安装在所述金属笼内。

一个膜组件有可能制成两个膜组件头，也可能制成只有一个膜组件头的形式，但是这两种形式都可以将膜丝安装进一个金属笼中。

膜组件头可能制成圆柱形的，也可能制成矩形的和环形或其他形状，但是这些形式都可以将膜丝安装进一个金属笼中。

上述种种可能的变形都属于本发明覆盖的范围，附图中给出的各种可能的变形中的一种特例。

具体实施方式

由于聚四氟乙烯中空纤维膜是一种柔软的细管材，制成1000---10000mm长的时候，在气流吹动下，膜丝就会大幅度飘动，许多膜丝就会发生缠绕，甚至断裂，为解决这个问题，本发明设计了一个金属笼，将膜组件的膜丝约束在金属笼中。金属笼限制了膜丝的活动范围，支撑、维护了膜组件的形状，同时，金属笼的大网眼不会阻碍高粉尘气体的流动。之所以选用金属，是因为高粉尘气体的温度都很高，是普通塑料不能承受的。同时，很多高粉尘气体都含有强酸、强碱等腐蚀性成分，对此，所选择的用来制作金属笼的金属材料应当是不锈钢材料。

膜组件与金属笼共同组成了高粉尘过滤单元，每个高粉尘过滤单元通常是1m—2.5m长，直径120—200mm的柱状体，在大型高粉尘处理设备中，可以做到3m—8m长，垂直安装。

多个高粉尘过滤单元组成高粉尘过滤阵列，根据不同的需要，组成阵列的高粉尘过滤单元数目不同，大型电厂可用到2000个高粉尘过滤单元构成的阵列。

高粉尘过滤阵列安装在高粉尘气体风道中，由此经过的高粉尘气体中的粉尘被高粉尘过滤阵列中的大量膜丝所拦截，只有纯净的气体才能穿过，到达膜组件头，膜组件头一端连着膜丝，一端连着无尘气体风道，将过滤后的纯洁气体排入后续工段。

为了清除膜丝表面积存的灰饼，设置从无尘气体风道通过膜组件头向膜丝反吹的过程，当反吹的气压大于高粉尘气体风道中的气压时，附着在膜丝表面的大部分灰饼以及嵌在膜丝上的一部分颗粒就会脱落，从而恢复膜丝的通气能力。这项技术在传统的滤袋技术中已有使用，但是对中空纤维膜特别是聚四氟乙烯中空纤维膜，进一步，特别是高粉尘气体处理专用聚四氟乙烯中空纤维膜在高粉尘气体处理系统中的使用来说，这是前所未有的尝试。具有其新颖性。

由于本装置需要处理的对象是含有高粉尘的气体，粉尘的积累会妨碍通气量，膜丝与膜丝之间的间隔距离应当在1---10mm以上，最好在5---10mm以上。这也是区别传统膜组件的一个特征。

本发明中的膜组件头不同于传统的浇筑式膜组件头，因为在高温和高腐蚀条件下，传统的用来浇筑的材料，如环氧树脂，聚氨酯等都是难以承受的。再加上聚四氟乙烯材料本身的不粘性，和这些浇筑材料在高温、高腐蚀条件下的可靠结合就很困难。为此，本发明采用了机械连接的方式。在一个金属板上固定一系列金属管，金属管的直径略大于膜丝的内径，利用膜丝的弹性，将膜丝的头口套在金属管上，再用与金属管同轴的迫紧圈将膜丝的头口部位压紧。迫紧圈有很多种类，同行容易想到，细节不再赘述。

不同于传统的在膜组件上固定膜丝的方式。因为传统的中空纤维膜的膜管径很小，膜管数量很多，密度极高，不适合用机械连接方式。而空气净化专用的中空纤维膜组件采用的膜丝直径都很粗，一般在5—30mm,膜丝数量较少，一般为50—200根，密度稀疏，且环境温度很高，使用细金属管连接的方式更简洁、可靠，也方便断裂膜丝的补充和修复，是高温、高腐蚀、高粉尘气体净化处理专用膜组件技术的一个重要特点。也具有其新颖性。

用耐高温的环氧树脂、聚氨酯、无机粘接剂等等粘接剂也可以制作膜组件头，实现在高温下运行。

有益效果

1、将传统滤袋除尘、静电除尘、滤袋+静电除尘技术的除尘效果从5-30mg/m³大幅度提升至1—10ug/m³，达到了理想状态。

2、风阻从传统滤袋的1000—2000Pa下降到300---800Pa，节约大量的电能。

3、由于聚四氟乙烯材料本身的不沾灰尘性能，以及无尘气体风道中的反吹气流，能保障高粉尘过滤阵列长久运行。

4、一旦烟气被处理成无尘气体，就为用化学方法或中空纤维膜交换法进一步吸收处理烟气中的有用物质开辟了道路，氮氧化物、二氧化硫就全都变成了宝贵的资源。

5、由于聚四氟乙烯材料的可回收性，避免了二次污染。

本发明所将产生的环保意义、社会意义、经济意义是明显的。

Claims (7)

1.一种中空纤维膜高粉尘气体净化装置，

其特征在于：将聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝集束，用膜组件头组成膜组件，所述膜组件安装在一个金属笼内，所述聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝集束与所述金属笼一同构成高粉尘过滤单元，多个所述高粉尘过滤单元组成高粉尘过滤阵列，多个所述高粉尘过滤阵列安装在高粉尘气体风道中，所述聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝表面直接与所述高粉尘气体风道中的高粉尘气体接触，通过所述聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝过滤后的无尘气体通过所述膜组件头进入无尘气体风道。

2.根据权利要求1所述的一种中空纤维膜高粉尘气体净化装置，其特征在于：所述聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝，其材料为聚四氟乙烯（PTFE），其膜丝的直径为3mm---30mm，其壁厚为0.2—3mm，其长度为200mm---10000mm，由所述四氟乙烯中空纤维膜组成的膜组件，其膜丝数量为20—1000根。

3.根据权利要求2所述的一种中空纤维膜膜高粉尘气体净化装置，其特征在于：所述聚四氟乙烯中空纤维膜是一种高粉尘空气净化专用聚四氟乙烯中空纤维膜，其膜丝直径为10—20mm,膜丝长度为1000—2500mm；所述四氟乙烯中空纤维膜组成的膜组件，其膜丝数量为20—200根。

4.根据权利要求1所述的一种中空纤维膜高粉尘气体净化装置，其特征在于：所述膜组件头其直径为50—200mm，固定膜丝的方式是:在一块金属板上装有与膜丝头口数量相等的金属细管，所述金属细管的外径略大于所述膜丝的内径，所述膜丝逐个套在所述金属细管上，用与所述金属细管同轴的迫紧圈压紧。

5.根据权利要求1所述的一种中空纤维膜高粉尘气体净化装置，所述聚四氟乙烯中空纤维膜膜丝集束，与膜组件头组成膜组件，其特征在于：所述膜丝互相之间的的间隔距离为5---10mm。

6.根据权利要求1所述的一种中空纤维膜高粉尘气体净化装置，其特征在于：所述无尘气体风道间歇性向所述膜组件头反吹高压空气，所述高压空气的压力是所述高粉尘气体风道中气压的3—10倍。

7.根据权利要求1所述的一种中空纤维膜高粉尘气体净化装置，其特征在于：所述金属笼的制作材料为不锈钢材料。