矿用膜分离制氮装置的膜污染与预防

1、矿用膜分离制氮装置的膜污染与预防胡福杰,徐扬,付云生,何乃荣,徐娥(煤炭科学研究总院抚顺分院,辽宁抚顺113122摘要:详细介绍了有关矿用膜分离制氮装置中空纤维膜的污染形成过程及预防的方法,同时粗略地介绍有关了中空纤维膜及膜的结构与分离原理。关键词:中空纤维膜;制氮装置;污染和预防中图分类号:TD75+2.2文献标识码:B文章编号:1003-496X(200712-0081-03膜是矿用膜分离制氮装置技术的核心,膜的形态结构与其分离性能密切相关,对分离性能起决定性影响。纵观膜技术的发展是已经有200多年的历史,膜技术得到迅猛发展是在20世纪60年代。现代商业化的高质量膜材料基本上采用聚酰胺(俗

2、名:尼龙,还有一些醋酸纤维素。膜的形式包括反渗透膜、低压反渗透膜、纳滤膜和超滤膜4种;结构上可分为卷式膜、毛细管式膜、管式膜、板框式膜、中空纤维膜5种。利用中空纤维膜技术制取氮气并用于煤矿井下的防灭火工作,是近十几年来的一项新技术;它是矿井安全生产的重要手段之一,起着不可或缺的作用。1膜结构和分离原理1.1膜的结构中空纤维膜最早是由美国Do w化学公司采用醋酸纤维素为原料研制成功,它在结构上是非对称的,与管式膜不同中空纤维膜的抗压强度是靠自身的非对称结构支撑,故可承受6MPa的静压力而不致压实。由于纤维的管径非常细,所以中空纤维式膜组件是装填密度最高的一种膜组件形式,按其作用形式可分为外压式和

3、内压式2种。中空纤维膜组件的壳体最早采用钢衬耐腐蚀环氧酚醛涂料,由于钢材料较重同时内衬涂料容易剥落使用不安全,现在都改用不锈钢客体,也有用缠绕玻璃纤维的环氧增强塑料(玻璃钢客体。中空纤维膜管得单根直径为0.52.5L m,外径与内径之比为24。其特点是具有在高压下不产生形变的强度,膜的耐压强度决定于外径和内径之比(r外/r内,与管壁的绝对厚度无关。即p=K(r外/r内-1式中K材料的拉伸强度,M Pa;r管径,L m。中空纤维的外径内径之比较大,因而具有较大的耐压性。1.2膜分离原理气体混合物通过高分子膜时,由于各种气体在膜中溶解度和扩散系数的差别,导致不同气体在膜中相对渗透速率之不同。渗透速

4、率相对高的气体如H2O、H2、H2S、C O2等透过膜后,在膜的渗透侧被富集,而渗透率相对较低的气体,如C H4、N2、CO和等气体则在膜滞留侧被富集,从而达到混合气体分离的目的。整个分离过程是平稳连续的。见图1 。图1膜组件示意图空气中的氧氮分离是通过这种中空纤维膜组件来完成的,每根中空纤维膜组件中装有数以万计细如发丝的中空纤维膜,细小的中空纤维膜就如同一根塑料管(实际上就是一种特殊塑料管由于空气中的O2与N2在管中的透过速率不同,当压缩空气进入管中后,单位时间内O2、水蒸气等渗透速率相对高的气体大部分透过管壁并排空,而N2则在管中富集从管的另一端输出。2膜的污染越来越多的膜分离制氮装置(以

5、下简称制氮装置应用煤矿井下的事例表明,如何做好制氮装置膜的污染和预防工作,已经受到制造商及用户的深#81#问题探讨煤矿安全(2007-12切关注。虽然在制造商为用户提供制氮装置的初期,为设备的使用规定了很多井下使用的约束,但是在实际使用过程中,由于受到井下客观条件的限制,使用者并不会去刻意按照制造商使用说明上的要求去做。膜的结构和它分离里气体的原理,决定了它对煤矿井下环境条件、工作条件、人为操作条件的特殊要求。也就是说在井下环境中使用制氮设备,环境、工作、人为操作条件的好坏,直接影响制氮装置的使用性能和膜的使用寿命。(1环境条件。由于煤矿井下条件的特殊性,制氮装置因条件所限经常被安置在非新鲜流

6、空气的洞室或巷道中;或被安置在过于潮湿或环境粉尘过大的地方(这一点往往会被用户忽略。引起的后果是设备长期运行在非新鲜流空气的影响环境中,在膜分离空气的过程中导致供气源(空气压缩机的压力提高,过高的压力逐渐引起膜的致密性系数的变化,导致膜性能下降。也就是膜的致密性系数的变化引起了膜自身结构的变化,膜产气效率下降。洞室或巷道中空气过于潮湿或环境粉尘过大,制氮装置在运转中吸入大量过于潮湿或粉尘过大的空气,给设备预处理系统带来很大的工作压力,超量的的过滤工作引起预处理系统的运行寿命缩短,过滤效果下降导致系统压力升高、或过滤系统因使用寿命缩短而又更换不及时,导致部分污染物不能及时被过滤引起膜的污染,污染

7、直接导致膜的透过通量下降。单位时间内有效的膜面积上透过的气体量称之为透过通量,即:j=V/At式中j膜的通量,mm/s;V透过气的体积,mm3;A膜的有效面积,mm2;t操作时间,s。这个公式表示:随着制氮装置中膜运行时间的延长,过滤系统无法处理的污染物逐渐形成了吸附物、凝胶层、沉淀堵塞,致使膜的有效面积变小,增加了渗透物质的传递阻力。(2工作条件。矿用膜分离制氮装置在井下属于中型设备,设备配置的动力一般都在100k W以上,一般在井下使用需要单独供电。但是在煤矿井下实际使用中很难做到这一点,很多矿井实际使用中都将制氮装置与其他并在一起,共用1个变压器。这很危险,一旦变压器处于使用的临界状态时

8、,经常会引起突然停电现象,危险随之出现。因为,制氮装置在正常运行过程中,供气压力一般在1.0M Pa左右,突然停电会造成整个设备系统中的压力因为空气压缩机瞬间停止提供压缩气体而产生反冲击。瞬间的反向压力冲击会给空气压缩机过滤系统、预处理系统的过滤效果带来很大的影响,如果经常发生突然停电现象,过滤系统会受到严重损坏。于是,造成整个制氮装置过滤系统过滤效果下降,引起膜的污染,这种污染是不可逆。因为,这种污染由于过滤逐渐失效使膜的通透性下降,也由于经常出现突然停电频繁出现瞬间的反向压力冲击过滤系统和制氮装置中的膜,使膜的内部结构发生变化,并使膜管体出现收缩。随着运行时间的延长膜壁多孔层会逐渐被压密,

9、气通量会逐渐下降。(3人为条件。在现今井下使用的制氮装置由于人为条件引起的污染比较普遍。一台膜分离制氮装置设备使用的好坏,性能发挥的高低、寿命长短,正确的操作和良好的维护至关重要。人为引起的膜污染主要有设备操作不当,这问题看起来不大,但实质为以后的工作埋下了很多隐患。操作人员经常会出现不按操作规程进行设备的操作,具体表现在:空气压缩机的停机不按程序先卸压后停机操作,带压按紧急停机按钮,造成突然停机而引起瞬间反冲击压力,使设备中过滤器滤芯因经常突然冲击发生,致使过滤效果下降直至失效。过滤系统长期使用而不及时更换,这种现象很普遍,也是导致膜污染的直接原因。有些操作者为了图方便每次给空气压缩机更换润

10、滑油时,不按要求或规定进行,造成润滑油不是过多就是过少。润滑油过多会造成空气压缩机的压缩空气中含油量过多,过滤系统过滤不尽引起油污污染膜体。再者就是矿井的管理者对制氮设备缺乏足够重视,一般制造商规定设备的操作人员必须固定不变。但是在煤矿现场经常会出现这次培训的操作人员,等到下次再见时人员已经被更换的差不多了。至于设备如何操作、维护只靠彼此之间的口传,于是很多操作规程就变了味道,膜的污染也就不可避免。操作者没有足够的责任心,设备运行记录不健全,导致设备一旦发生故障没有详尽的记录,汇报不及时,延误设备维护的最佳时机,稀里糊涂中导致膜的污染等等。3膜污染的预防首先,膜污染本身在膜的分离过程中是不可避

11、免的,随着膜的长时间运行,膜本身会产生化学劣化或物理劣化,发生化学性劣化时膜得透过流速会增加,而截留率会减小;当发生物理性劣化时膜的透过流速会降低,但截留率反而会增加,这种劣化现象直#82#煤矿安全(T ota l397问题探讨接影响膜的使用寿命。因为膜的劣化引起的污染是不可逆,这有膜的特性所决定的。导致膜的污染是因为空气压缩机提供的压缩气源质量差,而在膜表面形成了滤饼、凝胶及结垢等附着层或膜孔堵塞等外部因素导致膜性能变化。客观条件引起的膜污染是可以通过有效地控制加以减少的,这种污染是可逆的。在矿井下恶劣的环境中使用制氮设备本省就是一种挑战,它将充分体现一个企业管理和运用水平。严格控制膜过程的

12、污染的方法虽然有很多,但具体适用于膜设备用户的方法就是采取预防的方法。首先,设备用户必须认真学习领会设备的使用手册,有制造商对操作人员进行严格培训,严格执行设备使用手册的要求。设备的操作者和维修者必须要有足够的责任心,在操作人员的安排上必须要有足够的延续性,不能经常更换。在井下制氮设备的安装初期,要尽量选择通风良好、空气干燥的新鲜气流的峒室或巷道安装设备。以确保可呼吸空气尽量减少过滤系统的过滤压力,减少污染。如果条件允许的话制氮设备要尽量实行单独供电,尽量避免突然停电造成压力气体产生的强力冲击损坏过滤系统,导致不必要的膜污染。在井下要建立完善的操作、维护制度,并且要认真贯彻执行。对设备的预处理

13、系统必须作详细的运行记录,尽量控制好进气源的清洁,使设备的预处理系统必须有一个良好的运行环境,要及时更换预处理系统的配件,认真对待设备运行中的每一个细节,严格把好气体进入膜之前的质量关,尽可能减少气体中的污染源,提高膜的使用寿命。4结束语膜分离制氮装置在煤矿井下的使用已经相当广泛,它对煤矿的防灭火工作起着很重要的作用。规范的操作和良好的维护是设备正常运转的保障,做到了这一点就可以保证制氮设备的工作性能,延长使用寿命。作者简介:胡福杰(1974-,男,工程师,1997年毕业于沈阳理工大学机械制造专业,现在煤炭科学研究总院抚顺分院安全装备中心从事产品技术研究工作。(收稿日期:2007-06-07;

14、责任编辑:郭瑞年#国外煤矿安全信息#在下石炭纪含煤岩系中游离瓦斯分布的特征在克拉斯诺煤田抽放瓦斯作业显露出下石炭纪含煤岩系中游离瓦斯分布的特征,它与中石炭纪含煤岩系中的分布条件不同。中石炭纪岩层中气体饱和水平的特点是流体静压0.70.8 MPa的层状压力。上述规律出现在该煤田 - 牌号煤的矿井中。但是,在矿区的工业试验证明,在深度300m砂岩中气体饱和水平的特征是:第一,由煤层返回的钻孔冲洗液有高度的接受性;第二具有液体静压为0.250.3M Pa的层状压力。这可能是,在钻孔过程中由于瓦斯使钻孔附近地带卸压造成的,或者由于高含水程度造成的。而离钻孔远处,在砂岩层中将有更大的压力。利用瓦斯煤芯采取器和试验室方法(吸附瓦斯容量得出高瓦斯含量(达30m3/t,这不同于深度