МАШИНОСТРОЕНИЕ

ФИЛЬТРЫ С ЗЕРНИСТЫМИ, ЖЕСТКИМИ И ПОЛУЖЕСТКИМИ ПЕРЕГОРОДКАМИ

Зернистые фильтровальные перегородки (слои гранулированных или дробленых мате­риалов), жесткие перегородки (керамика, по­рошковые материалы, пластмасса), полужест­кие перегородки (пакеты металлических сеток, термостойких волокон или стружки) обладают едиными гидродинамическими и кинетически­ми закономерностями процесса разделения пылегазовых систем.

Внутренняя структура таких фильтро­вальных перегородок отличается искривлен­ными продольными и поперечными каналами с переменной и нерегулярной площадью и фор­мой поперечного сечения, изменением разме­ров пор в широком диапазоне, одновременным существованием различных режимов течения и механизмов осаждения в соседних каналах, высокой относительной шероховатостью по­верхности зерен, облитерацией, термо - и элек­трофорезом, адгезией и когезией при течении реальных гетерогенных сред. Эти особенности не позволяют использовать при расчете диф­ференциальные уравнения. Поэтому в исследо­ваниях обычно используют гипотетические структуры (модели Гагена - Пуазейля, Козе - ни - Кармана, Дюллиена, Вилли - Спанглера, Карнелла - Катца, Венкатесана, Хванга и др.), позволяющие создать адекватные математиче­ские модели процесса [39].

Теоретические и экспериментальные ис­следования [41, 78] показали, что эффектив­ность обеспыливания газов зернистыми слоями определяется одновременным и совместным действием различных механизмов улавливания частиц - инерционным осаждением, зацепле­нием, седиментацией, диффузией, кинематиче­ской коагуляцией, турбулентной миграцией, термо - и электрофорезом и негидродинамиче­скими факторами (магнитными, электростати­ческими и акустическими полями).

Инерционное осаждение происходит, когда масса или скорость движения частицы настолько значительна, что она отклоняется от криволинейной линии тока газа, стремясь по инерции продолжить свое движение в прежнем направлении. Зацепление возникает, если час­тица, двигаясь по линии тока газа, касается по­верхности зерна слоя. Седиментация проис­ходит под действием силы тяжести. Диффузия определяется броуновским движением высоко­дисперсных пылевых частиц, в процессе кото­рого возрастает вероятность их осаждения на поверхности зерен слоя. Кинематическая коа­гуляция выражается в захвате более мелких частиц более крупными, движущимися с боль­шей скоростью, и образовании конгломератов, что резко повышает эффективность улавлива­ния в результате инерции, зацепления и седи­ментации.

Турбулентная миграция представляет собой форму поперечного движения частиц в сдвиговом турбулентном потоке. Эта форма, открытая Фортье, Флетчером и независимо от них Е. П. Медниковым [78], имеет в механике аэрозолей фундаментальное значение. Термо - форез обусловлен радиометрическими силами, действующими со стороны газообразной среды на находящиеся в ней частицы пыли в направ­лении более холодной части потока (в сторону поверхности зерна слоя). Электрофоретиче - ское осаждение связано с наличием у частиц промышленных пылей собственного электро­статического заряда, полученного ими в про­цессе образования аэрозоля при диспергирова­нии или конденсации исходного вещества.

Зернистые слои, жесткие и полужесткие фильтровальные перегородки отличаются от­носительно невысокой стоимостью и доступ­ностью материала, высокой степенью очистки, прочностью и термостойкостью в сочетании с хорошей проницаемостью, способностью про­тивостоять резким изменениям давления, кор - розионно - и окалиностойкостью, отсутствием электрокапиллярных явлений, возможностью регенерации различными способами, легко­стью и разнообразием форм соединения от­дельных фильтровальных элементов.

Применение таких структур целесообраз­но для очистки газов при температурах, чрез­мерно высоких для тканевых фильтров. Кроме того, жономически выгодной является сухая комплексная очистка газов от пыли и газооб­разных вредных веществ, особенно при усло­вии применения шихтовых материалов в каче­стве сорбента или катализатора. В ряде случаев зернистые фильтры могут быть применены для улавливания слипающихся, высокоомных аб­разивных пылей или для очистки влажных га­зов, т. е. в тех случаях, когда применение дру­гих способов нецелесообразно.

Аппараты с зернистыми, жесткими и по­лужесткими фильтровальными перегородками нашли применение при сушке гранулирован­ных материалов, при высокотемпературном обеспыливании в процессе термоокислитель­ного пиролиза метана, для очистки природного газа, в черной и цветной металлургии и в теп­лоэнергетике для обеспыливания отходящих дымовых газов, в системах пневмотранспорта сыпучих материалов, в которых в качестве фильтровальной перегородки используется гранулированное сырье, возвращаемое вместе с уловленной пылью в технологический процесс. Жесткие фильтровальные структуры хорошо зарекомендовали себя в электронной промыш­ленности, где функционирование изделий мо­жет быть нарушено при попадании на них ино­родных частиц.

Особый интерес представляет внедрение различных модификаций комбинированных фильтров, сочетающих достоинства зернистых слоев со связанной структурой и волокнистых фильтровальных материалов ФПП или поли­мерных мембран. Комбинированные фильтры перспективны для использования на техноло­гических коммуникациях газообразного водо­рода, кислорода, осушенного воздуха при ло­кальной очистке газовых технологических сред.

Длительная проверка показала, что ком­бинированные фильтры обеспечивают содер­жание частиц размером 0,5 мкм на выходе из фильтра от одной до трех в 1 л газа, и отсутст­вие частиц размером 0,7, что соответствует первому классу по содержанию примесей [39].

Двухслойная структура фильтровальных элементов, совмещающая грубо - и тонкодис­
персные слои металлического порошка, облег­чает условия регенерации, препятствует глу­бинному проникновению взвешенных в пыле - газовом потоке частиц, существенно снижает общее гидравлическое сопротивление фильт­ровального элемента.

Классификация аппаратов с зерни­стыми, жесткими и полужесткими фильтро­вальными перегородками. Существующая классификация [70] относит аппараты с жест­кими перегородками к следующим зернистым фильтрам:

С насыпными зернистыми слоями, в кото­рых фильтровальные элементы не связаны же­стко между собой, - с неподвижным зерни­стым слоем (рис. 3.2.12), динамические фильт­ры с гравитационным перемещением зернисто­го слоя (рис. 3.2.13), с псевдоожиженным зер­нистым слоем. Предпочтительной областью применения псевдоожиженных зернистых сло­ев являются хемосорбционные процессы. По­этому для разделения пылегазовых систем та­кие слои применяются достаточно редко:

С жесткой структурой зернистого слоя, в которых зерна прочно связаны в результате спекания, прессования или склеивания - по­ристые керамика, стекло, графит, металлы и их карбиды, пористые пластмассы;

С полужесткими и комбинированными фильтровальными структурами, предназначен­ными для решения специальных технологиче­ских задач.

В слоевом зернистом фильтре-циклоне фирмы Лурги (Германия) после отделения гру­бых фракций пыли в нижней циклонной части аппарата тонкие фракции по центральной вы­хлопной трубе поступают на горизонтально расположенный зернистый слой и затем в ка­меру чистого газа (рис 3.2.12, а). Слой регене­рируют обратной прод\вкой очищенного газа (или чистого воздуха) с одновременным раз­рушением лобовой части запыленного слоя граблеобразным ворошителем.

Особую группу представляют аппараты с виброрегенерацией зернистого слоя (рис. 3.2.12, б, в). К ним относятся, например, зерни­стые фильтры фирмы Лурги, одна из модифи­каций которого представлена на рис. 3.2.12, б.

Представляет интерес аппарат, в котором представленные кассеты с зернистым слоем за­креплены с помощью системы пружин и силь - фонов, а регенерация осуществляется при ра­боте специального вибрагора (рис. 3.2.12, г).

Плоский двухслойный зернистый фильтр позволяет обеспечить высокое значение удель­ной газовой нагрузки (рис. 3.2.12, д). Очевид­ные его преимущества связаны с подачей пы - легазового потока снизу. Опасность псевдо­ожижения зернистого материала компенсиру­ется наличием специального ограничительного слоя из крупных гранул, расположенного на основном фильтрующем материале.

Удобен для компоновки в параллельно действующие секции вертикальный насыпной фильтр с периодической продувкой (рис. 3.2.12, е). Жалюзийные решетки, расположен­ные со стороны очищаемого газа в сочетании с отдувкой автофильтра, образующегося между жалюзи, позволяют не создавать сложные ре­генерирующие устройства.

Аппарат с горизонтальным расположени­ем фильтрующего материала представлен на рис. 3.2.12, ж. Конструкция предусматривает непрерывное или периодическое вращение го­ризонтально расположенного фильтрующего слоя с последовательной продувкой отдельных секторов.

Известный интерес представляет псевдо­ожижение зернистого слоя. Вертикальное рас­положение секций аппарата (рис. 3.2.12, з) спо­собствует равномерному обеспыливанию по всему сечению. Однако возможна переброска части зерен фильтрующего материала из одной секции в другую.

К наиболее перспективным схемам дина­мических фильтров относятся модификации, представленные на рис. 3.2.13, а, г, д, з.

Аппарат со шнековым промывателем 5 и центрифугой 6 (рис. 3.2.13, а) обеспечивает достаточно высокую эффективность улавлива­ния в сочетании со стабильным аэродинамиче­ским режимом работы в результате непрерыв­ного (или периодического) удаления шлюзо­вым затвором части отработанного фильтрую­щего материала на регенерацию. Со стороны чистого газа слой ограничивается щелевидной решеткой. В промышленных условиях фильтр можно выполнить в виде ряда параллельно ра­ботающих секций, что позволяет осуществить компактную установку на большую произво­дительность. Интересные модификации такого фильтра представлены на рис. 3.2.13, г, з.

В аппарате с циклоном (рис. 3.2.13, д) фильтрующий слой образуется в результате инерционного отделения грубых и средних фракций пыли. Этот слой перемещается сверху вниз под действием силы тяжести и задержива­ет тонкую фракцию пылегазового потока, по­даваемую снизу. Вертикальный цилиндриче­ский насыпной фильтр (рис. 3.2.13, б) отлича­ется компактностью. Аппарат с наклонным расположением фильтрующего слоя (рис. 3.2.13, в) удобно применять для разделения аэ­розолей с высоким значением массовой кон­центрации дисперсной фазы.

Наиболее перспективные модификации зернистых фильтров приведены в [6, 40, 71].

Особый интерес представляют ориги­нальные конструкции роторных зернистых фильтров ФЗРИ-100, ФЗРИ-50, фильтра с вер­тикальным радиальным расположением секций ФЭВИ-30-1-300, зернистых фильтров-цикло­нов типа ФЦЗ, зернистых кассетных фильтров типа ЗФ, цепных фильтров типа ФЦГМ [6].

В роторном зернистом фильтре с им­пульсной регенерацией ФЗРИ-100 верхняя часть корпуса 2 снабжена входным патрубком 4 и люками для обслуживания ротора и загруз­ки наполнителя в кассеты (рис. 3.2.14). Фильтр-элемент (ротор) 3 состоит из коллекто­ра чистого газа и 42 фильтрующих кассет, смонтированных в семь блоков, и оснащен им­пульсной системой регенерации.

Аппарат ФЗРИ-50 отличается от ФЗРИ-100 наличием пылеконцентраторов, предназначенных для сепарации крупных пы­левых частиц и работающих по принципу жа - люзийных пылеуловителей.

В фильтре ФЗВИ-30-1-300 (рис. 3.2.15) запыленный газ поступает в корпус 1 через патрубок 4, расположенный тангенциально к цилиндрической части бункера 7. В кольцевом канале 9 газовый поток приобретает враща­тельное движение, направленное вниз, и под действием центробежной силы из него выде­ляются наиболее крупные пылевые частицы, падающие в бункер. Частично очищенный га­зовый поток, повернув в нижней части бункера на 180°, поднимается вверх и попадает в каме­ру 5, распределяясь по всем секциям, кроме одной, находящейся на регенерации. Проходя через зернистый материал, газ очищается от пыли, попадает во внутреннюю полость, затем в камеру очищенного газа и через коллектор 2 удаляется в атмосферч Регенерация фильт­рующего материала осуществляется импульс­ной системой и только в одной из П-образных кассет.

Для сухой очистки аспирационного воз­духа от неслипающейся и слабослипающейся пыли (гранитной от конусных дробилок, из - вестково-песчаной, мергелевой и клинкерной), а также для очистки от пыли парогазовых сме­сей весьма эффективны зернистые фильтры - циклоны типа ФЗЦ (рис. 3.2.16). Принцип ра­боты этих аппаратов основан на отделении крупных частиц пыли в циклонном элементе 7 с последующим осаждением пыли в зернистом слое при движении через него запыленного по­тока.

Пыль, уловленная в циклоне, удаляется из аппарата через бункер 5, а предварительно очищенный пылегазовый поток поступает в зернистый фильтр с двумя параллельно дейст­вующими (ФЦЗ-6, ФЦЗ-З) или одной (ФЦЗ-1,5) фильтрующей кассетой 3. В качестве фильтрующего материала используются стек­лянные шарики диаметром 2,7...3,2 мм.

Фильтр установлен на опорной раме 6 и связан с ней пружинами 5, позволяющими использо­вать для регенерации слоя виброустройство (вал с дебалансами и шкивом для ФЦЗ-6 и ФЦЗ-З или вибратор для ФЦЗ-1,5). По мере на­копления пыли в фильтрующих слоях и увели­чения перепада давлений на слое автоматиче­ски переключается клапанное устройство 2 и включается виброустройство 4 при одновре­менной обратной продувке слоя чистым возду­хом. По окончании регенерации фильтр авто­матически переводится в рабочий режим.

Широко известны зернистые фильтры типа ЗФ с площадью фильтрующей поверхно­сти одной секции 1,0...5,4 м2 [30]. Пропускная способность таких аппаратов достигает 42 м3/с. В каждой секции фильтра ЗФ имеются три слоя насыпного материала высотой по 100 мм. Раз­мер зерен по ходу газа составляет в первом слое 5... 10, во втором 3...5 и в третьем 2,5...3 мм. Для удаления уловленной пыли секцию вибратором приводят в колебательное движение.

Для предварительной очистки газов с вы­сокой массовой концентрацией пыли целесо­образно использовать цепные фильтры типа ФЦГМ [30]. По конструктивному решению и принципу действия эти фильтры не имеют альтернативы для очистки сильнослипаюшихся пылей. Принцип их действия основан на осаж­дении частиц пыли в фильтрующем элементе 6, выполненном из цепей, при прохождении через него запыленного воздуха (рис. 3.2.17). Во время фильтрации верхняя рама 7 с цепями 13 опущена на нижнюю. Цепи находятся в сложенном состоянии и образуют фильтрую­щий слой. Регенерация фильтрующего слоя производится автоматически путем поднятия и опускания верхней рамы 7 с цепями.

На рис. 3.2.18 представлены весьма рас­пространенные жесткие фильтровальные эле­менты из пористых металлов. Исходным мате­риалом для их изготовления служат металли­ческие порошки со сферической или несфери­ческой формой частиц. Обычно используют порошки из углеродистой и коррозионно - стойкой стали (12X13, 12Х18Н9Т, 08Х18Н12Б, 12Х18Н12М2Т), никеля, монель-металла, тита­на, бронзы, меди и карбидов тяжелых метал­лов.

Комбинированные фильтровальные эле­менты сочетают достоинства зернистых слоев (прочность, термостойкость, нечувствитель­ность к резким колебаниям давления) и волок­
нистых фильтровальных материалов или поли­мерных мембран (высокую задерживающую способность, хорошо регулируемые в широком диапазоне фильтрующие свойства, возмож­ность наведения стойкого электростатического заряда, равномерность структуры, исключаю­щую локальные проскоки)

В комбинированном фильтре (рис. 3.2.19) пылегазовый поток поступает в корпус 2 и проходит через фильтровальный элемент, со­стоящий из расположенных последовательно по ходу газа двух слоев электростатически за­ряженного перхлорвинилового фильтрующего материала 3 ФПП-15-1,5 и пористой втулки 4 из порошкового материала из коррозионно - стойкой стали.

Фильтр можно использовать при давле­нии до 20-105 Па и разрежении до 133(10-4... КГ6) Па. Температура газа на входе в аппарат должна быть на 5... 10 °С выше точки росы, чтобы исключить конденсацию водяных паров и резкое повышение перепада давлений на фильтре. Аппарат компактен, монтируется не­посредственно на технологической коммуни­кации, демонтаж фильтровального элемента затруднений не вызывает.

Методы расчета основных технологи­ческих характеристик, конструктивных размеров и энергетических затрат при вы­боре аппаратов с зернистыми жесткими и полужесткими фильтровальными перего­родками. Расчет процесса обеспыливания га­зов выполняют в таком порядке.

Проводится сбор и анализ исходных дан­ных, которыми являются;

Расход и физико-химические свойства пылегазового потока - концентрация пыли, плотность, температура, точка росы и химиче­ский состав газа, давление или разрежение в аппарате, технологическое происхождение пы­легазового потока;

Физико-химические свойства пыли - дис­персный и химический составы, насыпная и истинная плотности, показатель сжимаемости и угол естественного откоса, слипаемость, сма­чиваемость, самовозгораемость, удельное со­противление;

Технологические параметры - требуемая степень очистки, допустимый перепад давле­ний, возможность утилизации пыли и способы ее транспортировки, степень непрерывности работы.

Выбирается, обосновывается и рассчиты­вается первая ступень очистки.

Выбирается и обосновывается тип слоя - насыпной неподвижный или движущийся, свя­занный зернистый, материал и гранулометри­ческий состав зерен слоя, его высота, скорость перемещения для движущегося материала, удельная газовая нагрузка, условия и парамет­ры регенерации.

Предпочтительным решением при на­чальной концентрации больше КГ3 кг/м3 явля­ется двухступенчатая технологическая схема, обеспечивающая повышенную продолжитель­ность фильтрования при резком увеличении общего ресурса работы зернистых слоев. В ка­честве первой ступени целесообразно исполь­зовать группу высокоэффективных циклонов.

Выбирается удельная газовая нагрузка q - для насыпных слоев 0,28 < q < 0,72 м3/(м2 с); для жестких структур 1,6-10~3<<7< <0,16 м3/(м2 с).

Рассчитывается общий перепад давлений для зернистой фильтровальной перегородки и осадка по формулам [39]:

Для цилиндрического зернистого слоя и осадка на нем

АРобщц +

Пв

L/l-S

I|iro(l-S)/?nHwln

(3.2.15)

Для плоской фильтровальной перегородки и осадка на ней

L/l-S

ДРобщ. пл. =Vrnhnw+

Хит

(3.2.16)

Где гп - удельное сопротивление фильтроваль­ной перегородки, м~2; Япн, RnB - соответст­венно наружный и внутренний радиусы цилин­дрической фильтровальной перегородки, м; hu - толщина фильтровальной перегородки, м;

Hoc - толщина осадка, м; хн - объемная кон­центрация дисперсной фазы в пылегазовом по­токе перед слоем осадка; w - скорость фильт­рования, м/с; Aq - коэффициент пропорцио­нальности; S - показатель сжимаемости; т - продолжительность фильтрования, с.

Зависимости (3.2.15) и (3.2.16) соответст­вуют процессу фильтрования с отложением осадка на поверхности фильтровальной пере­городки. Для более сложных процессов (фильтрование с закупориванием пор, комби­нированное и т. д.) расчетные зависимости для определения значений А/?общ ц и А/?общ пл

Приведены в литературе [6, 18, 39-41].

Определяют прогнозируемые значения общего коэффициента проскока К или его фракционных значений Кф с учетом кинетики

Изменения этих величин в зависимости от па­раметров пылегазового потока и фильтроваль­ной перегородки, используя полученные экс­периментально уравнения регрессии и постро­енные к ним номограммы.

Определяют площадь фильтровальной поверхности аппаратов этого типа и мощность вентилятора, используя методики расчета, ана­логичные для тканевых фильтров.

Сравнительные технико-экономические показатели различных пылеуловителей, в том числе и зернистого насыпного фильтра, приве­денные в [39], показывают, что капитальные затраты на зернистые фильтры не превышают затрат на сооружение электрофильтров, а экс­плуатационные расходы оказываются ниже в десятки раз.