1544 工程科学学报，第43卷，第11期 据世界卫生组织(WHO)统计，全世界92%的 过滤层.此时，陶瓷膜孔道内尘粒沉积是过滤压降 人口正在呼吸受污染的空气四.来自工业制造和 升高的主要因素 废物焚烧的高温含尘烟气不仅会增加肺部疾病发 Dust cake Membrane Support 生概率，过高的磁铁矿微粒水平还会影响人的大 脑P-)陶瓷膜具备耐高温、耐腐蚀、抗热震等特 性，是过滤高温烟气最有效的材料之一，已成功 用于整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)等领 Flue gas 域6陶瓷膜由多孔的支撑体层和膜层构成.当 过滤高温烟气时，大部分尘粒会在陶瓷膜外形成 灰饼层，少部分尘粒会进入到陶瓷膜内.沉积在陶 瓷膜孔隙内的尘粒会堵塞气体流道，导致运行阻 力升高，过滤效率降低，进而影响陶瓷膜的使用 ◆120um← ·Dust particles 寿命10-1) 图1工作中的陶瓷膜示意图 对陶瓷膜脉冲反吹，可实现膜外表面灰饼层 Fig.1 Ceramic membrane in work 的部分脱除，以及膜孔隙内沉积的烟尘粒子在线 陶瓷膜的膜层由约10um的陶瓷颗粒烧结而 清洗，是降低运行阻力、提升过滤性能最便捷的方 成，各颗粒间由三维颈部连接.考虑到建模的复杂 式4实验研究表明，使用不同反吹设备或采用 性，模拟收敛的难度以及微小颈部对流动的有限 反吹操作参数清洗陶瓷膜时，临时形成的灰饼层 影响，本文建立的模型忽略了三维颈部，结构与郎 会被破坏，不过，陶瓷膜过滤压降随着运行时间的 莹等四提到的类似.陶瓷颗粒简化为圆形，直径 增加而升高6受实验手段的限制，陶瓷膜孔道 10m.适用于高温气体过滤的陶瓷膜孔隙率在 内含尘烟气的输运机制只能通过模拟研究获得 40%到50%之间.考虑到陶瓷颗粒立方最密堆 Li等采用拉格朗日法跟踪胶体粒子模拟了粒子 积、六方最密堆积、立方体心堆积和简单立方堆 的沉积.Boccardo等2o模拟了清洁床过滤时颗粒 积的比例变化，本文建立了孔隙率为40%、45%和 沉积的过程.颜翠平研究了脉冲喷射清洗过程 50%的三个模型.为了实现高效、低阻过滤，陶瓷 中褶皱织物筒的沉积和清洗过程.但是，很少有人 膜层的厚度一般在100m至150um之间，本文陶 模拟脉冲反吹时陶瓷膜孔隙内烟尘粒子的沉积与 瓷膜层厚度采用120um.三个模型的孔径分布在 脱附.究其原因主要有两点，其一，多孔陶瓷膜内 0~10m之间，如图2所示.图中N表示为陶瓷膜 部孔道结构复杂，从而造成陶瓷膜内烟气流动轨 的孔隙数量.为避免模拟误差，流体区域的入口和 迹复杂多变；其二，脉冲反吹时引入的高压气体会 出口分别设置了20um缓冲区域 冲击原有流场、压力场以及烟尘运动路径，因此很 难捕捉到尘粒在陶瓷膜内的沉积与脱附状态 0.6 Pore porosities 本工作分析了在过滤和脉冲反吹两种工况下， 0.5 一40% 尘粒在陶瓷膜孔道内沉积和脱附机制，旨在了解 。-45% 0.4 -50% 烟尘粒子在陶瓷膜孔隙内的流动与沉积特性，以 及脉冲反吹再生的最佳工艺参数，为理解陶瓷膜 0.3 的性能衰减机制及应用提供理论依据 0.2 1建模及数值方法 0.1 1.1物理模型 0 4 681012141618.20 工作中的陶瓷膜结构示意图，如图1所示.陶 Pore diameter/um 瓷膜层附着在支撑体层表面，是有效过滤层.支撑 图2不同孔隙率下的孔隙直径分布图 体层为过滤元件提供强度.灰饼层在陶瓷膜工作 Fig.2 Pore diameter distribution with porosities of 40%,45%,and 50% 时形成，由含尘烟气中的尘粒在陶瓷膜表面附着、 1.2 数学模型 堆积而成，是主要过滤层.在过滤初期或灰饼层被 1.2.1控制方程 高压反吹气体破坏时，陶瓷膜层短暂地成为主要 含尘烟气在陶瓷膜内流动满足流体的连续性据世界卫生组织 (WHO) 统计，全世界 92% 的 人口正在呼吸受污染的空气[1] . 来自工业制造和 废物焚烧的高温含尘烟气不仅会增加肺部疾病发 生概率，过高的磁铁矿微粒水平还会影响人的大 脑[2−3] . 陶瓷膜具备耐高温、耐腐蚀、抗热震等特 性[4−5] ，是过滤高温烟气最有效的材料之一，已成功 用于整体煤气化联合循环发电系统 (IGCC) 等领 域[6−9] . 陶瓷膜由多孔的支撑体层和膜层构成. 当 过滤高温烟气时，大部分尘粒会在陶瓷膜外形成 灰饼层，少部分尘粒会进入到陶瓷膜内. 沉积在陶 瓷膜孔隙内的尘粒会堵塞气体流道，导致运行阻 力升高，过滤效率降低，进而影响陶瓷膜的使用 寿命[10−13] . 对陶瓷膜脉冲反吹，可实现膜外表面灰饼层 的部分脱除，以及膜孔隙内沉积的烟尘粒子在线 清洗，是降低运行阻力、提升过滤性能最便捷的方 式[14−15] . 实验研究表明，使用不同反吹设备或采用 反吹操作参数清洗陶瓷膜时，临时形成的灰饼层 会被破坏，不过，陶瓷膜过滤压降随着运行时间的 增加而升高[16−18] . 受实验手段的限制，陶瓷膜孔道 内含尘烟气的输运机制只能通过模拟研究获得. Li 等[19] 采用拉格朗日法跟踪胶体粒子模拟了粒子 的沉积. Boccardo 等[20] 模拟了清洁床过滤时颗粒 沉积的过程. 颜翠平[21] 研究了脉冲喷射清洗过程 中褶皱织物筒的沉积和清洗过程. 但是，很少有人 模拟脉冲反吹时陶瓷膜孔隙内烟尘粒子的沉积与 脱附. 究其原因主要有两点，其一，多孔陶瓷膜内 部孔道结构复杂，从而造成陶瓷膜内烟气流动轨 迹复杂多变；其二，脉冲反吹时引入的高压气体会 冲击原有流场、压力场以及烟尘运动路径，因此很 难捕捉到尘粒在陶瓷膜内的沉积与脱附状态. 本工作分析了在过滤和脉冲反吹两种工况下， 尘粒在陶瓷膜孔道内沉积和脱附机制，旨在了解 烟尘粒子在陶瓷膜孔隙内的流动与沉积特性，以 及脉冲反吹再生的最佳工艺参数，为理解陶瓷膜 的性能衰减机制及应用提供理论依据. 1    建模及数值方法 1.1    物理模型 工作中的陶瓷膜结构示意图，如图 1 所示. 陶 瓷膜层附着在支撑体层表面，是有效过滤层. 支撑 体层为过滤元件提供强度. 灰饼层在陶瓷膜工作 时形成，由含尘烟气中的尘粒在陶瓷膜表面附着、 堆积而成，是主要过滤层. 在过滤初期或灰饼层被 高压反吹气体破坏时，陶瓷膜层短暂地成为主要 过滤层. 此时，陶瓷膜孔道内尘粒沉积是过滤压降 升高的主要因素. Flue gas Dust cake Membrane Support 120 μm Dust particles 图 1    工作中的陶瓷膜示意图 Fig.1    Ceramic membrane in work 陶瓷膜的膜层由约 10 μm 的陶瓷颗粒烧结而 成，各颗粒间由三维颈部连接. 考虑到建模的复杂 性，模拟收敛的难度以及微小颈部对流动的有限 影响，本文建立的模型忽略了三维颈部，结构与郎 莹等[22] 提到的类似. 陶瓷颗粒简化为圆形，直径 10 μm. 适用于高温气体过滤的陶瓷膜孔隙率在 40% 到 50% 之间. 考虑到陶瓷颗粒立方最密堆 积、六方最密堆积、立方体心堆积和简单立方堆 积的比例变化，本文建立了孔隙率为 40%、45% 和 50% 的三个模型. 为了实现高效、低阻过滤，陶瓷 膜层的厚度一般在 100 μm 至 150 μm 之间，本文陶 瓷膜层厚度采用 120 μm. 三个模型的孔径分布在 0～10 μm 之间，如图 2 所示. 图中 N 表示为陶瓷膜 的孔隙数量. 为避免模拟误差，流体区域的入口和 出口分别设置了 20 μm 缓冲区域. 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 2 4 6 8 10 Pore diameter/μm Pore porosities 40% 45% 50% dN/N 12 14 16 18 20 图 2    不同孔隙率下的孔隙直径分布图 Fig.2    Pore diameter distribution with porosities of 40%, 45%, and 50% 1.2    数学模型 1.2.1    控制方程 含尘烟气在陶瓷膜内流动满足流体的连续性 · 1544 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期