供热企业水处理系统中填充式中空纤维超滤裸膜设计 5页

区域供热2012.1期供热企业水处理系统中填充式中空纤维超滤裸膜设计青岛恒源热电有限公司邓威闽刘胜英国谢菲尔德大学材料学院王璐青岛鑫隆建设集团有限公司邓冠楠【摘要】供热企业水处理系统中超滤装置的应用较为普遍。针对中空纤维超滤膜各组成部分的成本和不同报废原因所占比重，采用模块化理念进行旨在尽可能提高滤芯互换性和在滤芯报废时弃芯留壳的全新设计，创新地设计了带集水头的填充式“工”字形裸膜，使膜件中的中空纤维膜芯与膜壳可分离，膜芯的污堵情况可定期拆解观察，以此确保不同品牌膜芯在原超滤装置中的互换性，最大限度地降低使用成本。【关键词】中空纤维超滤膜件模块随着膜分离技术的不断发展和完善，超装在膜壳内组成一个膜件整体。膜件尺寸越滤膜在工业水处理、生物、食品、医药、环保等大其内填充的中空纤维丝相应地越长，虽增许多方面得到越来越广泛应用。尤其是随着加了膜过水面积，但也使断丝的几率增大。在我国经济的飞速发展，超滤装置被大量应用实际应用过程中，中空纤维膜的污染情况和于热电企业的工业水处理过程，在截留悬浮断丝情况无法直接观察。一旦出现断丝严重、物、胶体、大分子有机物、细菌、铁锈等有害物不可逆转的污堵和膜壳爆裂等情况，都将导质的水质净化过程中起到了关键作用。在各致膜件的损坏而需整体更换。在超滤膜件报类超滤膜中，中空纤维膜以其单位体积有效废原因中由中空纤维膜导致的情况占95%以膜面积大、过滤分离效率高、容易清洗、结构上。由膜丝的问题致使整个膜件的报废，这对简单、操作方便等优点而在工业水处理领域于大型超滤膜件而言无疑会增加使用成本。得到的应用最为广泛，成为废水净化、纯水制此外，不同厂家超滤膜件互换性差也是超滤备的首选装备。应用过程中让用户方头疼的问题。为解决中在热电企业水质净化过程中，大型中空空纤维超滤膜件存在的上述缺陷，我们对其纤维膜超滤膜的应用较为普遍。直径200mm进行了模块化全新设计，或称为填充式“工”以上的膜件其高度已超过了1500mm。由于超字形裸膜设计。使大型中空纤维超滤膜也如滤膜件的膜分离功能由数千根中空纤维膜丝反渗透膜一样成为填充式结构，可方便用户承当，并用环氧树脂将纤维丝束两端固定封在使用过程中的监测和维护，尽可能地减少-58-\n区域供热2012.1期换膜成本。（PVDF）和聚醚砜（PES）。不论膜丝采用何种1.中空纤维超滤膜现状材料，其承担的作用相同，只是在膜的理化性1.1膜件结构能上存在差异。膜壳采用UPVC、ABS工程塑中空纤维超滤膜按进水方式的不同，或料、有机玻璃、玻璃钢或不锈钢等材料。根据根据膜的致密层是在中空纤维的内表面或外膜纤维和膜壳材料的不同，中空纤维丝在整表面，分为内压式和外压式。其主要优点为：个超滤膜件成本中占60～70%。单位容积内装填的有效膜面积大，且占地面1.3存在的问题积小，对原水水质适用范围宽，对污水适应性由于膜件采用整体结构，下列问题影响强，不会堵塞中空管道等。在膜件结构上大多了超滤在使用过程中的性能：采用环氧树脂将纤维束两端固定封装在膜壳1.3.1无法直接观察滤丝的污染情况和内的整体形式。完整性。1.1.1内压式1.3.2中空纤维超滤膜典型特点为无膜原液先进入中空丝内部，经压力差驱动，的支撑物，靠纤维管的本身强度来承受工作沿径向由内向外渗透过中空纤维管成为透过压力。纤细的纤维管越长，受水流冲击力越液，浓缩液则留在中空丝的内部，由另一端流大，其断丝的可能性也就越大。出。如图1所示。1.3.3中空纤维丝束的污染情况在在整个膜件的纵向分布上并非均衡，一旦污染严重无法清洗恢复都将导致膜件的整体报废。膜件的更换成本高。1.3.4不同品牌膜件的互换性差。2.新型中空纤维超滤膜设计原则图1内压式中空维修超滤膜件为最大限度地降低使用成本，针对中空纤维超滤膜的成本和不同报废原因所1.1.2外压式占比重，进行旨在尽可能提高滤芯互换性原液经压力差沿径向由外向内渗透过中和在滤丝报废时弃膜留壳的全新设计，并空纤维管成为透过液（即产水），透过液由中以外压式为首选运行流程。设计的原则空纤维管内流出。而截留的物质则汇集在中是：空丝的外部，由膜件浓水口排出。如图2所2.1确保不同品牌膜件在原超滤装置中示：的互换性，推行模块化设计。2.2膜件中的中空纤维膜芯与膜壳可分离，使之成为可替换零件。可定期拆解观察膜芯的使用情况和对膜芯离线清洗。故谓之“裸膜”。2.3为缩短中空纤维膜丝长度，采用两图2外压式中空维修超滤膜件段式或多段组合设计。1.2主要材料有2.4为用户最大限度地降低换膜成本。膜丝材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜3.新型外压式中空纤维超滤膜设计（PES）、聚丙烯腈（PAN）、聚氯乙烯（PVC）等。外压式新型中空纤维超滤膜由膜壳部目前水处理使用较多的为聚偏氟乙烯分、膜芯部分、集水头组合及若干密封圈构-59-\n区域供热2012.1期图3新型中空维修超滤膜件组合图成。其创新点在于膜芯采用带中心管的主要起定位作用。下套环环氧树脂密封面上“工”字形裸膜设计；采用集水头收集中空纤开有若干进水孔。为增加上、下套环的抗纵向维膜的产水，采用集水头固定螺环将“工”字剪切力可设若干加强筋。如图5。形裸膜的上套环固定密封于集水头内形成密闭产水通道。集水头外围的留有浓水孔道，达到原水与产水的隔离目的。其整体结构如图3。3.1膜壳部分是膜件的承压容器，是容纳膜芯的外壳，也是提供水流通道的涵道。由膜筒、膜盖、进水连接头（喇叭筒）、膜头固定图5“工”字形裸膜结构图螺环组成膜件的外壳。上、下膜盖的结构相同以便于制造和更换。膜盖内的连接头内侧与3.3集水头组合由集水头和膜芯固定螺集水头连接，外侧靠螺纹将进水连接头定位环组成。集水头是中空纤维丝束产水收集器，固定。进水连接头是连接膜盖与裸膜中心管也是膜件内的连接器，与滤芯中芯管相连组内侧的适配器，也是中心管进水侧的封堵塞，成独立的产水通道。其外围设计有浓水孔道。还是进水分配器。如图4。膜芯固定螺环将“工”字形裸膜上套环固定在集水头内形成密封的整体，组成内置滤芯。集水头凸出部靠密封圈与膜盖产水内口及裸膜中心管进水口内侧连接。图4超滤膜件膜壳结构图3.2膜芯部分由上套环、下套环、中心管和中空纤维滤丝束组成，并由环氧树脂将包裹在中心管外围的中空纤维滤丝束均匀地粘接固定在中心管和上、下套环间，形成“工”字形裸膜。中心管是连接上、下套环的固定轴和图6集水头与“工”字形裸膜结构图产水传导通道。上、下套环外侧均留密封圈槽。上套环固定于集水头内靠其外侧密封圈3.4为减小集水头浓水对裸膜下套环进密封，达到与浓水隔离之目的。下套环密封圈水面的应力在裸膜结合部的前段集水头加装-60-\n区域供热2012.1期导流碗。导流碗外缘以密封圈与膜壳内侧密2Q=Sρdvλ/4封。S内=πdL×n3.5膜件内流程为：原液经膜盖进水管S外=πDL×n和进水连接头，进入裸膜下套筒环氧树脂密其中：Q为产水量；ρ为膜单位面积微孔封面的进水孔，进入过滤腔，经中空纤维滤膜数；d为膜面微孔平均直径；v为水流速度；λ过滤后产水进入集水头，并经与之连接的中为有效系数；S内为膜丝总内表面积；d为超滤心管或膜盖产水口流入下段滤芯或膜件产水膜丝的内径；S外为膜丝总外表面积；D为超滤出口。浓水经集水头外侧浓水孔道进入下段膜丝的外径；L为超滤膜丝的长度；n为超滤滤腔或膜件浓水出口。膜丝的根数。4.内压式中空纤维超滤膜设计由于集水头和中心管占据了部分中空纤内压式“工”字形裸膜结构设计上与外压维滤膜丝的空间，会使膜面积比同尺寸传统式基本相同，采用相同膜壳和集水头。裸膜的中膜件略有减少，可通过略为加大膜壳直径，或心棒为上、下套环的固定定位轴，可用高强度厚增加超滤装置膜件个数来达到要求的水通壁不锈钢管或ABS塑料管加工。上、下套环结量。构及尺寸相同，并分别装配集水头。如图7。6.材料选择膜件各部件材质除膜芯的中空纤维丝外均要求强度好，耐压不变形，耐腐蚀。6.1膜壳部分为耐压容器，传统的膜壳材料UPVC、ABS工程塑料、有机玻璃、玻璃钢或不锈钢等均可采用。根据耐压等级不同而有不同的结构尺寸，并预留足够的耐压安全系数。进水连接头（喇叭筒）是膜芯的定位和图7内压式集水头与“工”字形裸膜组合图承压部件，强度和刚性要好，可用ABS工程塑料或不锈钢等材料内压“工”字形裸膜的上、下套环均为中空纤维的透水面，进水经集水头入口分配到6.2膜芯部分的上套环、下套环材质要求与膜壳相同。中心管是产水通道，也是裸膜各中空纤维膜丝内汇集到下端集水头。两段产水端与进水端的连接固定轴，其材质要求式的集水头进出水头用集水头连接套管密封与进水连接头相同。考虑到轴向长度加大会连接。如图8。增加中心管的受力和变形量，因此根据现有超滤膜的尺寸和两段式设计，中心管长度以60cm左右为宜。6.3集水头为耐压容器，要求耐压和高强度，又必须尽量减少径向尺寸以少占用膜图8内压式集水头与“工”字形裸膜组合图丝空间。膜芯固定螺环则要求较高的刚性和5.水通量设计强度，也可选用ABS工程塑料或不锈钢等材单支膜件的水通量取决于中空纤维膜料。丝。在膜丝单位面积产水量不变的情况下，滤7.结论芯装填的膜面积越大，则滤芯的总产水量越中空纤维超滤膜组件的模块化设计，将多。其计算公式为：原有的一体化超滤膜分成几个功能不同的模-61-\n区域供热2012.1期块组合。主要优点有：几率。7.1填充式“工”字形裸膜设计，使膜芯7.3浓水在膜壳内呈非直线曲折流动，可以方便取出直接观察。易损的膜芯成为可对膜丝的冲洗效果好，可减轻膜丝的污堵。更换部件，便于用户方选择替换。单个“工”字7.4浓水口设于膜盖，使膜筒制造更加形裸膜成本仅占整体超滤膜件的30～40%左简单，生产加工更加简化，便于标准化推广，右。可大大降低用户方的使用成本。并可降低膜壳制造成本。7.2两段设计使料液浓度依次升高，从7.5集水头径向壁厚及中心管外径要占后段引出浓缩液。因此在前段中料液可以在据中空纤维丝空间，从而减少膜面积。设计的较低的浓度下运行。这种连续两段操作适用水通量使中心管内径为定值。故在保证强度于大规模工业水质净化。两段的“工”字形裸的前提下，尽量减小集水头径向壁厚和中心膜设计的纤维管比传统结构缩短约55%左管壁厚度，或加大膜壳内径以达到需求的装右，可减轻中空纤维丝所受应力，降低断丝的填膜面积。△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△（上接第54页）3、改进措施质进入下降管的能力，起到了一台小型引射①在各循环回路中尽量降低下降管的流泵的作用。此时的循环方式实质上是自然循动阻力，提高循环流量，即增加下降管的流通环与引射强制循环相结合的混合循环。截面，以降低工质流速。混合循环对提高回路水循环安全性十分将前墙下降管由Φ89改为Φ133，fxj/fss=有效。加回水引射后，可明显提高回路中的循0.48，满足了推荐值的要求。环水速。此时回路中水循环的推动力将由自将侧墙下降管由Φ133改为Φ159，并在然循环时的运动压头Syd和回水引射产生的侧水冷壁中部爆管最严重的区域，即炉膛侧引射压头△Pp组成。即其推动压力为：墙后部增设一根Φ159下降管，缓解该处水量Syd+△Pp=（Pxj-Pss）gH+△Pp不足，从而提高上升管水速。从而大大提高了循环流量。根据计算选锅筒内隔板前移，锅炉一定要全部按图择合适的引射喷头内径（前墙下降管所需引纸施工，安装在对流管束倒数17排处，保证射喷头内径为Φ38×2.5，侧墙为Φ45×4），加设计截面比。装回水引射装置后的循环水速均可达到②由于加装了中部下降管，原炉膛出口0.3m/s以上，满足了《管内未除氧水不发生过位置右移，减轻了高温烟气对原炉膛出口冷沸腾的最低安全水速》及《防止气泡停滞允处燃炉室侧水冷壁的直接冲刷，使该处热负许水速值》的要求，从而有效地避免了过冷沸荷也有所下降，减轻产生过冷沸腾的不利因腾的发生。素。4、结论③为了使回路的循环安全性有明显的提通过采取以上一系列措施，有效地提高高，还应在下降管入口处装设回水引射装置，了上升管流速，解决了爆管问题，使该炉回路回水以较高的流速由引射装置的喷头射入下的水循环安全性有了明显的提高，保证了锅降管。这种高速自由射流具有卷吸锅筒内介炉的安全稳定运行。-62-