CN109224694A - 处理高粉尘气体的中空纤维膜组件及其应用结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了采用中空纤维膜为主要材料制成处理高粉尘气体的中空纤维膜组件，以及这种膜组件的应用结构的整体解决方案。用铆接或铸造的方式制成上花板和下花板，上面分别设有气嘴和风嘴，风嘴一端用压接或粘接的方式固定中空纤维膜膜丝，组成膜丝集束。高压空气从气嘴喷出进入风嘴，达到膜丝内孔，起到反吹的作用。相比布袋除尘器，本发明可以将过滤效果提高1000倍。

Description

处理高粉尘气体的中空纤维膜组件及其应用结构

技术领域

处理高粉尘气体的中空纤维膜组件及其应用结构。

背景技术

高粉尘环气体主要指发电、冶炼、焚烧厂等典型的高粉尘排放场合，以及工作在人为、天然沙尘暴环境中的车辆、房屋所面临的大气。这些气体中的粉尘含量通常达到10---1000g/m³的浓度。处理高粉尘气体的常用方法是机械离心除尘、静电除尘、布袋除尘、滤网除尘以及这些方式的混合。但是这些方式都面临三个共同的缺陷，一是容尘量不足，难以经受长期高粉尘的冲击和堆积。二是过滤效率不足或不稳定，难以保障长期输出符合要求的洁净空气。三是风阻过高，消耗能量很大。例如，发电厂现在的排放标准是30—50mg/m³，但是普遍使用的布袋除尘器很难达到这个标准，而且，这个标准本身也是不能令人满意的，社会期望的标准是30ug/m³，还有1000倍的差距。又如装甲车辆在沙尘暴条件下只能行走几十千米，就必须停车清灰，更换滤芯。坦克上用的空气滤清器系统，正常工况下消耗发动机总功率的3-5%，堵塞条件下消耗20%，可以使车辆失去能力。

业界都在努力寻找一种新的材料和方法，来提高高粉尘气体处理的效率。努力寻求更加廉价、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3—20mm的细管状，管壁的厚度为0.5—5mm。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，这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2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。

虽然如此，市场上却没有这样的产品，也没有能检索到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。

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，用于高粉尘处理才成为可能。

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，本发明人郭绍华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，将高粉尘气体净化处理的指标由5-30mg/m³在更低风阻条件下大幅度提高到10—100ug/m³甚至1—10ug/m³成为可能。

需要解决的问题是设计恰当的中空纤维膜组件结构和工作方式，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

为解决更有效的高粉尘气体的净化处理问题，本发明提出了：

处理高粉尘气体的中空纤维膜组件及其应用结构，其特征在于，所述处理高粉尘气体的中空纤维膜组件02本体的结构是：

风嘴2的一端固定在下花板3上，所述下花板3上固定有许多风嘴2构成的阵列，中空纤维膜膜丝1固定在所述风嘴2的另一端，

所述下花板3上固定有壳体9，所述壳体9的中部装有上花板11，所述上花板11上装有许多气嘴6构成的阵列，每一个所述气嘴6都与一个安装在所述下花板上的所述风嘴2的上端同心对应，

所述壳体9被所述上花板11分割成了上汽室8和下气室5，所述下气室5的室壁上开有出风口4，所述上汽室的室壁上装有进气接头10，

所述下花板3的下部装有金属笼01，所述金属笼01将所述中空纤维膜膜丝1组成的集束保护约束在所述金属笼01的包围内，

所述处理高粉尘气体的中空纤维膜组件02的应用结构是：

一系列所述处理高粉尘气体的中空纤维膜组件02被安装在一个大花板04之上，构成了一个中空纤维膜组件02阵列，所有所述中空纤维膜组件02的进气接头10都被分组由高压气管03经脉冲阀05连接到储气罐06上，所述储气罐06通过进气管07与压缩空气机连接，

所述大花板04安装在一个大箱体内，将大箱体隔离为上下两部分，含粉尘气体注入所述大箱体下部分，经过所述中空纤维膜膜丝1组成的阵列过滤，纯净空气经过所述风嘴2、所述出风口4组成的阵列汇集到所述大箱体上部分的大出风口08，排出，

逐渐沉积在所述中空纤维膜膜丝1表面的积尘达到一定程度时，各脉冲阀05顺序打开，瞬间吹出高压空气，经所述高压气管03、进气接头10、上气室8、气嘴6、风嘴2吹进中空纤维膜膜丝1的内孔里，形成瞬间高压，将附着在所述中空纤维膜膜丝1外壁上的积尘吹落。

进一步的，所述下花板3和上花板11用金属或陶瓷或耐高温塑料制成，

所述风嘴2在所述下花板3上的安装方式有螺纹连接或高温胶水粘接或压铆连接，

或将所述风嘴2的结构与所述下花板3的结构用铸造的方式制成一体，

所述气嘴6在所述上花板11上的安装方式有螺纹连接或高温胶水粘接或压铆连接，

或将所述气嘴6的结构与所述上花板11的结构用铸造的方式制成一体。

进一步的，所述中空纤维膜膜丝1，是聚四氟乙烯中空纤维膜。

进一步的，所述气嘴6的直径为3—10mm，所述风嘴2的直径为3—12mm，两者同心正对，中间留有3—20mm的间隙，高压脉冲空气瞬间通过所述气嘴6吹入所述风嘴2，由此进入所述中空纤维膜膜丝1的内孔，瞬间高压空气的压力为0.05---0.5Mpa，高压空气持续的时间为0.5—5秒，高压空气脉冲的间隔时间为10—180秒。

进一步的，所述风嘴2与所述中空纤维膜膜丝1的连接方式是：将所述中空纤维膜膜丝1套在所述风嘴2的端部，用卡或箍压紧或用耐高温胶水粘接。

进一步的，用锌合金为材料将所述风嘴2的结构与所述下花板3的结构用铸造的方式制成一体，

用锌合金为材料将所述气嘴6的结构与所述上花板11的结构用铸造的方式制成一体。

附图说明

附图1是一个处理高粉尘气体的中空纤维膜组件的一个结构实例图。图1中，1是中空纤维膜膜丝1；2是风嘴；3是下花板；4是出风口；5是下气室；6是气嘴； 8是上汽室；9是壳体；10是进气接头；11是上花板。

附图2是一个处理高粉尘气体的中空纤维膜组件的外围部件和安装关系示意图，图2中，1是处理高粉尘气体的中空纤维膜组件上的中空纤维膜膜丝；01是用于约束和保护中空纤维膜膜丝的金属笼，正常安装时，中空纤维膜膜丝集束被装在金属笼内；04是大花板；02是一个处理高粉尘气体的中空纤维膜组件。

附图3是一个处理高粉尘气体的中空纤维膜组件的应用结构的剖面示意图，图中省略了大花板上面和下面的大箱体。图3中，2是从剖面中看到的风嘴的端面；4是从剖面中看到的出风口；02是一系列处理高粉尘气体的中空纤维膜组件；03是高压气管；04是大花板；05是一系列脉冲阀；06是储气罐；07是连接压缩空气机的进气管；10是从剖面中看到的进气接头；08是大出风口，也就是大花板上所有膜组件出风汇集输出的出口。

实施方式

通常，用膜丝集束制成膜组件的方式是用树脂浇筑，但是由于高粉尘处理的工作环境是充斥腐蚀性气体、温度在120度以上的高温环境，原有的方式已经不适宜。其次，如果某根膜丝损坏，浇筑的组件中，不可能单独更换膜丝。基于这种考虑，本发明采用的具体方法是在花板上固定一系列风嘴，或者直接将两者用铸造的方法制成一个整体，再把膜丝固定在风嘴上。

花板和风嘴的材料选择原则是耐高温、耐腐蚀、形状稳定。可以选择的材料是普通钢铁、不锈钢、铝、铜、锌合金、陶瓷、耐高温塑料。

如选用花板与风嘴、气嘴分开的设计，花板优选不锈钢钢板，风嘴、气嘴优选不锈钢钢细管，用铆接方式将风嘴、气嘴固定在花板上。如果选用花板----风嘴、气嘴一体化设计，优选锌基合金，可以一次压铸成型。其次是耐高温塑料。

膜丝直接套在风嘴上，但是需要固定，固定的方式有机械方式和化学方式两种。机械方式可采用弹簧卡或管箍或螺纹锁紧方式；化学方式就是用耐高温胶水粘接。

与下花板对应的是上花板，上花板是固定了许多气嘴，每个气嘴都分别与下花板上的风嘴同轴相对，中间有5—30mm的间距。

当机组处在过滤工作状态时，含大量烟尘的气体被风机驱动形成1—2Kpa的气压，作用到中空纤维膜膜丝外表面，经过膜丝上的滤孔过滤，粉尘被拦截，洁净空气从中空纤维膜膜丝中心的管孔中流出，经过风嘴2 进入下气室5，中空纤维膜集束过滤后的气流在下气室中汇集，通过出风口4流出，去往以大花板为一面墙壁的大箱体中，一系列膜组件02输出的气流再此汇合，最后从大箱体排出。

当机组处在清灰反吹状态时，脉冲阀05顺序打开，输出瞬间的高压气流，经过高压气管03分配到每一个膜组件02上。高压气流进入膜组件02的上汽室8，进一步被分配的每一个气嘴6，由于气嘴6与风阻2是逐个同心正对，高压气流就会直冲中空纤维膜膜丝1的中心，瞬间在中空纤维膜膜丝的内腔中形成高压，反吹的力量穿过膜丝壁上的微孔，将附着在膜丝外壁上的积尘吹落，使膜丝恢复通透性。

虽然反吹技术是成熟技术，但是过去都只用在布袋除尘器和水处理用的中空纤维膜上，在过滤粉尘的中空纤维膜集束上使用反吹设计尚属首次，有很多独特的技术问题需要解决。例如上汽室的设计显然具有新颖性和必要性，他的作用是均匀分配气流，保持气压的平稳和持续时间。这与布袋除尘使用的反吹方式有明显的不同。

有益效果

传统的布袋除尘器多采用初尘层粉饼过滤原理，也就是用在滤材表面形成的积尘层过滤粉尘，用粉尘过滤粉尘，积尘层形成之前布袋的过滤效率极低，大量粉尘逃逸。积尘层形成之后风阻又很大，造成功耗很高。本发明避免了这些问题，膜丝表面的微孔只有0.1—0.5um,本身就具有优异的拦截性能，不依赖积尘层的形成，也就是说，中空纤维膜的过滤原理与布袋除尘器不同，不会出现粉尘逃逸现象。

由于聚四氟乙烯中空纤维膜材料本身的不粘性，反吹所需要的压力和流量都很小，可以很容易恢复通透性。

也有在布袋除尘器表面覆膜的技术革新，但是平板膜必然需要支撑，支撑的代价是大幅度损失孔隙率，最后得到的是两种材料混合的结果，不能充分发挥聚四氟乙烯材料的优势，本发明直接采用空气净化专用聚四氟乙烯中空纤维膜，很好地避免了这些弊端。

纯的聚四氟乙烯材料具有的耐氧化、耐腐蚀作用对于高臭氧、高腐蚀性气体的环境也有特别重要的意义。

实验表明，采用本发明的方案，可以将烟尘过滤指标从现行最严格的30---50mg/m³提高1000多倍，轻松达到10---30ug/m³甚至更高的水平，这是一个战略性的重大进展。因为这不仅仅是粉尘过滤的进展，同时也是彻底祛除烟尘中气体污染物的重大契机。众所周知，用膜吸收法处理纯烟气是一个相对成熟的技术，只是由于烟气中含有大量粉尘，阻碍了这项技术的推广采用，一旦能用简便的方法把烟气中的粉尘处理到微不足道的程度，膜吸收方法脱硫、脱硝将变得可用可行，届时，硫和硝将通过膜吸收法直接转变成化肥，每座发电厂、冶炼厂、焚烧场同时就是间化肥厂，真正的0排放不再是梦想。

Claims (6)

1.处理高粉尘气体的中空纤维膜组件及其应用结构，其特征在于，所述处理高粉尘气体的中空纤维膜组件02本体的结构是。

风嘴2的一端固定在下花板3上，所述下花板3上固定有许多风嘴2构成的阵列，中空纤维膜膜丝1固定在所述风嘴2的另一端，

所述下花板3上固定有壳体9，所述壳体9的中部装有上花板11，所述上花板11上装有许多气嘴6构成的阵列，每一个所述气嘴6都与一个安装在所述下花板上的所述风嘴2的上端同心对应，

所述壳体9被所述上花板11分割成了上汽室8和下气室5，所述下气室5的室壁上开有出风口4，所述上汽室的室壁上装有进气接头10，

所述下花板3的下部装有金属笼01，所述金属笼01将所述中空纤维膜膜丝1组成的集束保护约束在所述金属笼01的包围内，

所述处理高粉尘气体的中空纤维膜组件02的应用结构是：

一系列所述处理高粉尘气体的中空纤维膜组件02被安装在一个大花板04之上，构成了一个中空纤维膜组件02阵列，所有所述中空纤维膜组件02的进气接头10都被分组由高压气管03经脉冲阀05连接到储气罐06上，所述储气罐06通过进气管07与压缩空气机连接，

所述大花板04安装在一个大箱体内，将大箱体隔离为上下两部分，含粉尘气体注入所述大箱体下部分，经过所述中空纤维膜膜丝1组成的阵列过滤，纯净空气经过所述风嘴2、所述出风口4组成的阵列汇集到所述大箱体上部分的大出风口08，排出，

逐渐沉积在所述中空纤维膜膜丝1表面的积尘达到一定程度时，各脉冲阀05顺序打开，瞬间吹出高压空气，经所述高压气管03、进气接头10、上气室8、气嘴6、风嘴2吹进中空纤维膜膜丝1的内孔里，形成瞬间高压，将附着在所述中空纤维膜膜丝1外壁上的积尘吹落。

2.根据权利要求1所述的处理高粉尘气体的中空纤维膜组件及其应用结构，其特征在于：所述下花板3和上花板11用金属或陶瓷或耐高温塑料制成，

所述风嘴2在所述下花板3上的安装方式有螺纹连接或高温胶水粘接或压铆连接，

或将所述风嘴2的结构与所述下花板3的结构用铸造的方式制成一体，

所述气嘴6在所述上花板11上的安装方式有螺纹连接或高温胶水粘接或压铆连接，

或将所述气嘴6的结构与所述上花板11的结构用铸造的方式制成一体。

3.根据权利要求1所述的处理高粉尘气体的中空纤维膜组件及其应用结构，其特征在于：所述中空纤维膜膜丝1，是聚四氟乙烯中空纤维膜。

4.根据权利要求1所述的处理高粉尘气体的中空纤维膜组件及其应用结构，其特征在于：

所述气嘴6的直径为3—10mm，所述风嘴2的直径为3—12mm，两者同心正对，中间留有3—20mm的间隙，高压脉冲空气瞬间通过所述气嘴6吹入所述风嘴2，由此进入所述中空纤维膜膜丝1的内孔，瞬间高压空气的压力为0.05---0.5Mpa，高压空气持续的时间为0.5—5秒，高压空气脉冲的间隔时间为10—180秒。

5.根据权利要求1所述的处理高粉尘气体的中空纤维膜组件及其应用结构，其特征在于：所述风嘴2与所述中空纤维膜膜丝1的连接方式是：将所述中空纤维膜膜丝1套在所述风嘴2的端部，用卡或箍压紧或用耐高温胶水粘接。

6.根据权利要求2所述的处理高粉尘气体的中空纤维膜组件及其应用结构，其特征在于：用锌合金为材料将所述风嘴2的结构与所述下花板3的结构用铸造的方式制成一体，

用锌合金为材料将所述气嘴6的结构与所述上花板11的结构用铸造的方式制成一体。