Очистка газовоздушных сред на фильтрах

Процесс очистки газов от твердых или жидких частиц с помощью порис­тых сред (перегородок) называется фильтрацией. При фильтрации (рис. 12) взвешенные в газовом потоке частицы осаждаются на поверхности или в объе­ме пористых сред (перегородок) за счет броуновской диффузии, эффекта каса­ния (зацепления), инерционных, электростатических и гравитационных сил.

газ БгД очищенный газ

 

Рис. 12. Схема процесса фильтрования

Фильтрующие перегородки весьма разнообразны по своей структуре, но в основном они состоят из волокнистых или зернистых элементов и условно под­разделяются на следующие типы:

- гибкие пористые перегородки - тканевые материалы из природных, син­
тетических или минеральных волокон; нетканевые волокнистые материалы
(войлоки, клееные и иглопробивные материалы, бумага, картон, волокнистые
маты); ячеистые листы (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильт­
ры);

- полужесткие пористые перегородки - слои волокон, стружка, вязаные
сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними;

- жесткие пористые перегородки - зернистые материалы (пористая ке­
рамика и пластмасса, спеченные или спрессованные порошки металлов, порис­
тые стекла, углеграфитовые материалы и др.); волокнистые материалы (сфор­
мированные слои из стеклянных и металлических волокон); металлические сет­
ки и перфорированные листы.

В процессе очистки запыленного газа частицы приближаются к волокнам или к поверхности зерен материала, сталкиваются с ними и осаждаются глав­ным образом в результате действия сил диффузии, инерции и электростатиче­ского притяжения.

В фильтрах уловленные частицы накапливаются в порах или образуют пы­левой слой на поверхности перегородки, и, таким образом, сами становятся для вновь поступающих частиц частью фильтрующей среды. По мере накопления пыли пористость перегородки уменьшается, а сопротивление возрастает. По­этому возникает необходимость удаления пыли и регенерации фильтра.

В зависимости от назначения и величины входной и выходной концентра­ции фильтры условно разделяются на три класса:

- фильтры тонкой очистки (высокоэффективные или абсолютные фильт­
ры) - предназначены для улавливания с очень высокой эффективностью (более
99 %) в основном субмикронных частиц из промышленных газов с низкой

входной концентрацией (менее 1 мг/м³) и скоростью фильтрования менее 10 см/с. Фильтры применяют для улавливания особо токсичных частиц, а также для ультратонкой очистки воздуха при проведении некоторых технологических процессов. Они не подвергаются регенерации;

- воздушные фильтры - используют в системах приточной вентиляции и
кондиционирования воздуха; работают при концентрации пыли менее 50 мг/м³,
при высокой скорости фильтрации - до (2,5-3) м/с. Фильтры могут быть нере-
генерируемые и регенерируемые;

- промышленные фильтры (тканевые, зернистые, грубоволокнистые) -
применяются для очистки промышленных газов c концентрацией пыли до
60 г/м³. Фильтры регенерируются.

3.3.1. Тканевые фильтры

Эти фильтры имеют наибольшее распространение. Возможности их ис­пользования расширяются в связи с созданием новых температуростойких и ус­тойчивых к воздействию агрессивных газов тканей. Наибольшее распростране­ние получили рулонные (рис. 13) и рукавные (рис. 14) фильтры.

очищенный газ

запыленный газ

очищенный газ

очищенный газ

пыль

а

Рис. 13. Рулонные фильтры обычного типа (а) и компактные (б)

Рис. 14. Рукавный фильтр:

1 - корпус; 2 - встряхивающее устройство; 3 - рукав; 4 - распределительная решетка

Корпус фильтра представляет собой металлический шкаф, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которых размещена группа фильтрующих рукавов. Верхние концы рукавов заглушены и подвеше­ны к раме, соединенной с встряхивающим механизмом. Внизу имеется бункер со шнеком для выгрузки пыли. Встряхивание рукавов в каждой из секций про­изводится поочередно.

В тканевых фильтрах применяют фильтрующие материалы двух типов: обычные ткани, изготовляемые на ткацких станках, и войлоки, получаемые пу­тем свойлачивания или механического перепутывания волокон иглопробивным методом. В типичных фильтровальных тканях размер сквозных пор между ни­тями достигает 100-200 мкм.

К тканям предъявляются следующие требования: 1) высокая пылеемкость при фильтрации и способность удерживать после регенерации такое количество пыли, которое достаточно для обеспечения высокой эффективности очистки га­зов от тонко дисперсных твердых частиц; 2) сохранение оптимально высокой воздухопроницаемости в равновесно запыленном состоянии; 3) высокая меха­ническая прочность и стойкость к истиранию при многократных изгибах, ста­бильность размеров и свойств при повышенной температуре и агрессивном воздействии химических примесей; 4) способность к легкому удалению накоп­ленной пыли; 5) низкая стоимость.

Существующие материалы обладают не всеми указанными свойствами и их выбирают в зависимости от конкретных условий очистки. Например, хлоп­чатобумажные ткани обладают хорошими фильтрующими свойствами и низкой стоимость, но недостаточная химической и термической стойкостью, высокой горючесть и влагоемкость.

Синтетические ткани вытесняют материалы из хлопка и шерсти благодаря более высокой прочности, стойкости к повышенным температурам и агрессив­ным воздействием, более низкой стоимости. Среди них нитроновые ткани, ко­торые используют при температуре 120-130 оС в химической промышленности и цветной металлургии. Стеклянные ткани стойки при 150-350 оС. Их изготав­ливают из алюмоборосиликатного бесщелочного или магнезиального стекла.

3.3.2. Волокнистые фильтры

Фильтрующий элемент этих фильтров состоит из одного или нескольких слоев, в которых однородно распределены волокна. Это фильтры объемного действия, так как они рассчитаны на улавливание и накапливание частиц пре­имущественно по всей глубине слоя. Сплошной слой пыли образуется на по­верхности наиболее плотных материалов. Для фильтров используют естествен­ные или специально получаемые волокна толщиной 0,01-100 мкм. Толщина фильтрующих сред составляет от десятых долей миллиметра (бумага) до 2 м (многослойные глубокие насадочные фильтры долговременного использова­ния). Такие фильтры используют при концентрации дисперсной твердой фазы 0,5-5 мг/м³ и только некоторые грубоволокнистые фильтры применяют при концентрации 5-50 мг/м3. При таких концентрациях основная доля частиц име­ет размеры менее 5-10 мкм.

Различают следующие виды промышленных волокнистых фильтров: 1) су­хие - тонковолокнистые, электростатические, глубокие, фильтры предваритель­ной очистки (предфильтры), 2) мокрые - сеточные, самоочищающиеся, с пе­риодическим или непрерывным орошением.

Процесс фильтрации в волокнистых фильтрах состоит из двух стадий. На первой стадии (стационарная фильтрация) уловленные частицы практически не изменяют структуры фильтра во времени, на второй стадии процесса (неста­ционарная фильтрация) в фильтре происходят непрерывные структурные изме­нения вследствие накопления уловленных частиц в значительных количествах. В соответствии с этим все время изменяются эффективность очистки и сопро­тивление фильтра. Теория фильтрования в таких фильтрах еще недостаточно разработана.

Волокнистые фильтры тонкой очистки (рис. 15). Используются в атомной энергетике, радиоэлектронике, точном приборостроении, промышленной мик­робиологии, в химико-фармацевтической и др. Фильтры позволяют очищать большие объемы газов от твердых частиц всех размеров, включая субмикрон­ные. Их широко применяют для очистки радиоактивных аэрозолей. Для очист­ки до 99 % (для частиц 0,05-0,5 мкм) применяют материалы в виде тонких лис­тов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон (диаметр менее 2 мкм). Скорость фильтрации составляет 0,01-0,15 м/с, сопротивление чистых фильтров не превышает 200-300 Па, а забитых пылью фильтров 700-1500 Па. Улавливание частиц в фильтрах тонкой очистки происходит за счет броунов­ской диффузии и эффекта касания.

запыленный гаэ

 

Рис. 15. Фильтры тонкой очистки:

а - рамный: 1 - П-образная планка; 2 - боковая стенка; 3 - фильтрующий материал;

4 - разделитель; б - с сепараторами клиновой формы типа Д-КЛ: 1 - фильтрующий

материал; 2 - рамка-сепаратор клиновой формы; в — комбинированный: 1 - секция

с набивным слоем из волокон; 2 - секция тонкой очистки

3.3.3. Зернистые фильтры

Зернистые фильтры применяют для очистки газов реже, чем волокнистые фильтры. Достоинства зернистых фильтров: доступность материала, возмож­ность работать при высоких температурах и в условиях агрессивной среды, вы­держивать большие механические нагрузки и перепады давлений, а также рез­кие изменения температуры. Различают насадочные и жесткие зернистые фильтры.

В насадочных (насыпных) фильтрах улавливающие элементы (гранулы, куски и т.д.) не связаны друг с другом. К ним относятся: статические (непод­вижные) слоевые фильтры; динамические (подвижные) слоевые фильтры с гра­витационным перемещением сыпучей среды (рис. 16). В насыпных фильтрах в качестве насадки используется песок, галька, шлак, дробленные горные поро­ды, древесные опилки, кокс, крошка резины, пластмассы, графит и др. Выбор материала зависит от требуемой термической и химической стойкости, механи­ческой прочности и доступности.

2 3

очищенный

зернистыйматериал

запыленный
у_______ гад

Рис. 16. Фильтр с движущимися слоями зернистого материала:

1 - короб для подачи свежего зернистого материала; 2 - питание; 3 - фильтрующие слои; 4 - затворы; 5 - короб для вывода зернистого материала

По мере накопления пыли в порах насадки эффективность улавливания возрастает. При увеличении сопротивления до предела производят рыхление слоя. После нескольких циклов рыхления насадку промывают или заменяют.

В зернистых жестких фильтрах зерна прочно связаны друг с другом в ре­зультате спекания, прессования или склеивания и образуют прочную непод­вижную систему. К ним относятся: пористая керамика, пористые металлы, по­ристые пластмассы. Фильтры устойчивы к высокой температуре, коррозии и механическим нагрузкам и применяются для фильтрования сжатых газов. Не­достатки таких фильтров: высокая стоимость, большое гидравлическое сопро­тивление и трудности регенерации. Регенерацию можно проводить четырьмя

способами: 1) продуванием воздухом в обратном направлении; 2) пропускани­ем жидких растворов в обратном направлении; 3) пропусканием горячего пара; 4) простукиванием или вибрацией трубной решетки с элементами.

3.3.4. Испытание фильтров

Испытание фильтров и оценку их эффективности проводят по следующей методике.

Концентрация пыли С (мг/м³) в воздухе по массе частиц подсчитывается по формуле:

^ (22)

где g - привес аналитического фильтра в пылезаборной трубке, мг; Q - расход воздуха через трубку, м³/ч; t - длительность пропускания воздуха через фильтр, ч; ф - поправочный коэффициент на изменение объема отсасываемого воздуха за счет изменения давления:

Р
⁽Р = ^_> (23)

где Р1 - абсолютное давление в воздуховоде стенда в месте отбора пробы, кгс/м²; Р₂ - абсолютное давление в шланге перед измерительным устройством, кгс/м²

Количество воздуха, отсасываемого через пылезаборную трубу, определя­ется по формуле (м³/ч):

(} = 3600-г-™, (24)

где f - площадь отверстия насадки в пылезаборной трубке перед фильтром, м²; XV - скорость в точке отбора пробы, м/с.

Эффективность г\ фильтров определяется по формуле:

Л = 5^^.100%, (25)

где С_н - средняя концентрация пыли в воздухе до фильтра, мг/м³; С_к - средняя концентрация пыли в воздухе после фильтра, мг/м³.

Удельная пылеемкость G_у фильтра определяется (г/м²):

_ (С_н-С_к)-1-Р
^у" 1000-5 ' ⁽²⁶⁾

где F - расход воздуха через фильтр, м³/ч; S - площадь входного сечения фильтра или поверхность фильтрующего материала, м2.

Класс эффективности фильтров определяется на основании показателей эффективности фильтров, полученных при стендовых исследовательских испы­таниях.

К I классу относятся фильтры, эффективность которых не ниже (99 ± 0,1) %, II - (85 ± 3) %, III - (60 ± 5) %.

Степень регенерации фильтра R определяется:

АР_к-АР_р

АР_к-АР_н ' ^ ^П

где АР_Н - начальное сопротивление фильтра, кгс/м²; АР_К - конечное сопротив­ление фильтра, кгс/м²; АР_Р - сопротивление фильтра после регенерации, кгс/м². После окончания испытаний должны быть представлены в виде графиков следующие характеристики фильтров:

а) аэродинамическая - зависимость сопротивления от удельной воздушной
нагрузки или расхода воздуха через испытанный фильтр;

б) пылевая - зависимость от количества пыли, накопляющейся в фильтре,
его эффективности и сопротивления.

Результаты испытаний фильтра оформляются в виде технического отчета. Его содержание: 1) схема и краткое описание стенда и условий испытаний; 2) схематический чертеж испытательного фильтра; 3) соответствие конструкции фильтра рабочим чертежам; 4) полученные результаты испытаний; 5) заключе­ние об оценке фильтра. К отчету прилагаются протоколы испытания.