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.

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, синтетических или минеральных волокон; нетканевые волокнистые материалы (войлоки, клееные и иглопробивные материалы, бумага, картон, волокнистые маты); ячеистые листы (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры);

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

− жесткие пористые перегородки − зернистые материалы (пористая керамика и пластмасса, спеченные или спрессованные порошки металлов, пористые стекла, углеграфитовые материалы и др.); волокнистые материалы (сформированные слои из стеклянных и металлических волокон); металлические сетки 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 фильтры) − 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 нерегенерируемые и регенерируемые;

− промышленные фильтры (тканевые, зернистые, грубоволокнистые) −

применяются для очистки промышленных газов c концентрацией пыли до 60 г/м3. Фильтры регенерируются.

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.

Рис. 13. Рулонные фильтры Рис. 14. Рукавный фильтр:

обычного типа (а) и компактные (б)

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 тонкодисперсных 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.

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.

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.

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; φ − поправочный коэффициент на изменение объема отсасываемого воздуха за счет изменения давления:

(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):

Q = 3600·f·w, (24)

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

Эффективность η фильтров определяется по формуле:

(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):

(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:

(27)

где ΔР_н − начальное сопротивление фильтра, кгс/м2; ΔР_к – конечное сопротивление фильтра, кгс/м²; ΔР_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.