6.3 Физические основы очистки газов от пыли фильтрованием

Фильтрованием принято называть процесс очистки газов от пыли путем пропускания их через пористые перегородки. При этом частицы пыли собираются на перегородке со стороны входа газа, а очищенный газ проходит через перегородки. В зависимости от фильтрующего материала фильтры принято подразделять на тканевые, волокнистые, пористые и зернистые. В тканевых фильтрах применяют не только ткани, но и нетканые материалы – войлок, фетр, т.е. гибкие перегородки.

В волокнистых фильтрах использует набивные слои из натуральных или синтетических волокон, шлаковаты, стружки, полимеров или металлов, а также фильтровальную бумагу, картон. Пористые фильтры делают из пористой керамики, металлов или пластмасс.

При прохождении запыленного газового потока через чистый фильтровальный материал пыль осаждается на волокнах, в порах керамики или насыпного зернистого материала в результате действия: ситового эффекта, сил инерции, сил касания, броуновской диффузии, гравитационных и электрических сил. Ситовой эффект наблюдается редко и только в случаях, когда размеры осаждающихся частиц больше размера пор.

В теории фильтрования степень очистки определяется следующей зависимостью:

, (6.7)

где Stk, R, D, G, K – безразмерные параметры осаждения частиц за счет эффектов инерции, касания, диффузии, гравитационных и электрических сил соответственно.

Инерционное осаждение происходит в тех случаях, когда движущаяся частица не отклоняется вместе с потоком газа, а, сохраняя свою траекторию, осаждается на волокнах или зернах насыпного материала. Вероятность столкновения и осаждения частиц на волокне является функцией безразмерного критерия Стокса для ламинарного режима потока:

, (6.8)

где d_в – диаметр волокна.

Коэффициент захвата частиц за счет сил инерции выражается формулой

. (6.9)

Из уравнения вытекает, что чем больше диаметр частиц и меньше диаметр волокон и с чем большей скоростью движутся частицы, тем выше степень улавливания.

Частицы, у которых сила инерции невелика, могут осаждаться за счет эффекта касания или зацепления R:

. (6.10)

Эффект захвата частиц вследствие касания определяется из выражения:

. (6.11)

Наиболее существенное влияние на захват частиц вследствие касания оказывает отношение размера частиц к диаметру волокна и в существенно меньшей мере – скорость потока. Субмикронные частицы под действием движущихся молекул газа совершают хаотическое движение, происходит смещение траекторий частиц с линии тока и их осаждение на волокнах, зернах насыпного материала или в порах керамических фильтров.

Коэффициент диффузии определяется из отношения:

, (6.12)

где – константа Больцмана (1,3810^–22 Дж/К); Т – абсолютная температура; С – коэффициент, учитывающий скольжение:

Для частиц размером 0,003 мкм С = 90

0,03 7,9

0,10 2,9

1,0 1,16

Диффузионный эффект и эффект касания наиболее заметно проявляются при осаждении частиц с размером менее 0,1 мкм. Наиболее трудно улавливать частицы с размером 0,25..0,5 мкм.

Осаждение под действием гравитационного эффекта заметно для частиц с размером более 5 мкм при вертикальном течении газа и скоростях менее 0,05 м/с. Влияние гравитационного эффекта учитывается при определении степени очистки в фильтрах с насыпным слоем.

Электрические силы могут оказывать очень существенное влияние на степень очистки в случае наличия у волокон или насыпных слоев электрических зарядов. В этом случае нейтральные частицы пыли поляризуются электрическим полем и притягиваются к поверхности фильтровального материала. Эффективный радиус действия электрических сил составляет около 3 мкм. В зависимости от степени электризации фильтроперегородки и частиц пыли могут вступать в действие как кулоновские, так и индукционные силы. Высокая эффективность волокнистых фильтров может быть обеспечена при изготовлении их из заряженных сверхтонких волокон. Экспериментально установлено, что электростатическое осаждение в волокнистых фильтрах играет большую роль для частиц размером до 5 мкм при скоростях газа до 0,2 м/с.

При фильтровании могут проявляться все рассмотренные механизмы осаждения. Суммарный коэффициент улавливания частиц – степень очистки – определяется по формуле:

, (6.13)

где , и – коэффициенты осаждения частиц за счет диффузии, действия гравитационных и электрических сил.

П

Рис. 6.3. Схема образования пылевых наростов: 1 – 3 – контуры отложения частиц во времени; 4 – волокно.

ри очистке пылей в промышленности наибольшее значение имеют механизмы за счет сил инерции и касания. Описанные закономерности характерны для первого периода запыления волокнистых, тканых и зернистых фильтров, т.е. в стационарном режиме. В дальнейшем на волокнах и зернах материала возникают пылевые наросты и образуется фильтрующая пористая пылевая перегородка (рис. 6.3). Она все время изменяется, и протекает нестационарное фильтрование, которое трудно поддается математическому описанию.

По мере накопления слоя пыли увеличивается эффективность осаждения, но возрастает гидравлическое сопротивление движению газа, и уменьшается пропускная способность аппарата. Чтобы восстановить пропускную способность фильтра часть пыли с фильтров периодически удаляют.

Рассмотренные зависимости определяют главным образом качественную характеристику осаждения монодисперсного аэрозоля в однородных слоях фильтрующего материала. В реальности осаждение частиц на волокнах или в зернистом слое всегда сопровождается их агрегацией, а, следовательно, и соответствующим изменением эффективности осаждения и гидравлического сопротивления.

Из теоретических зависимостей следует, что все частицы пыли, соприкасающиеся с поверхностью фильтроматериала, улавливаются. В реальности некоторое количество частиц может отскакивать от волокон или гранул зернистого материала и уноситься газовым потоком. Вероятность осаждения частиц в значительной степени зависит от адгезионных сил, а также от сил когезии, характеризующих взаимодействие между частицами пыли.

Непрерывное изменение геометрии фильтровальной перегородки в процессе очистки пылей крайне осложняет оценку пористости фильтрующего слоя и расчеты протекающих процессов. Из-за сложности явлений, возникающих при фильтровании степень очистки и гидросопротивление в аппаратах, улавливающих промышленные пыли, определяют на основании зависимостей, полученных путем обработки экспериментального материала.