Техника и технология удаления взвешенных веществ из атмосферных выбросов.

Оборудование, применяемое для очистки газов, подразделяется на ос­новное и вспомогательное. Основное оборудование газоочистных соору­жений — аппараты, в которых непосредственно происходит процесс очи­стки газов, а также некоторые аппараты их дополняющие. Остальное оборудование называют вспомогательным — средства для удаления и транспортировки уловленного продукта, растворооборотные и растворо-приготовительные устройства, средства контроля и автоматизации т. д. Про­вести абсолютно четкую грань между основным и вспомогательным обо­рудованием невозможно, поскольку нередко функции оборудования, формально относимого к вспомогательному, по своей важности не усту­пают основному. Основное и вспомогательное оборудование компонует­ся в соответствии с технологической схемой, разработка которой является основой технологии удаления вредных веществ из выбросов. Первоначаль­но рассмотрим основное газоочистное оборудование, применяемое для улавливания взвешенных веществ.

Пылеулавливающее оборудование может быть классифицировано по следующим признакам: назначению, способу очистки, методу очистки, эффективности, размеру эффективно улавливаемой пыли.

По назначению различают:

— воздушные фильтры — оборудование, используемое для очистки от взвешенных веществ в воздухе, подаваемом в помещение;

— пылеуловители — оборудование, используемое для очистки выбро­сов от взвешенных веществ.

По способу действия существует несколько классификаций.

ГОСТ 12.2.043—80 (в настоящее время не действует) разделяет пыле­уловители на две группы: оборудование, где улавливание происходит мок­рым способом, и оборудование, где улавливание происходит сухим спосо­бом (рис. 5.1).

Другой вариант классификации по способу действия представлен на рис. 5.2.

В зависимости от размера эффективно улавливаемых частиц пыли пы­леуловители разбиты на 5 классов (табл. 5.1).

В данной книге за основу взята классификация по методам очистки — все пылеуловители разбиты на четыре группы.

1. Сухая механическая газоочистка — разделение газовых взвесей воз­действием внешней механической силы на частицу, взвешенную в газе.

2. Мокрая газоочистка — промывка загрязненного газа жидкостью (чаще водой), поглощающей взвешенные в газе частицы.

3. Фильтрация газа через пористые перегородки, задерживающие взве­шенные в газе частицы.

4. Электрическая очистка газа — осаждение взвешенных в газе частиц в электрическом поле.

Основные характеристики пылеуловителей

К основным характеристикам пылеуловителей, как, впрочем, и других газоочистных устройств, относятся: эффективность очистки газа, произво­дительность устройства, гидравлическое сопротивление, расход электри­ческой энергии, стоимость очистки.

Эффективность очистки газов. Эффективность очистки газов η (степень очистки, коэффициент полезного действия) обычно выражается отноше­нием количества уловленного материала к количеству материала, посту­пающего в газоочистной аппарат с пылегазовым потоком, за определен­ный период времени. Суммарную степень очистки газов η, достигаемую в нескольких последовательно установленных аппаратах, определяют по фор­муле

η=1-(1-η₁)∙ (1-η₂)∙ (1-η_n), где η_1, η₂, η_n — степень очистки газов соответственно в первом, втором и n-ном газоочистителе.

Эффективность улавливания пыли может быть выражена в виде коэф­фициента проскока частиц, который представляет собой отношение ко­личества вредных веществ за газоочистителем к количеству вредных веществ, поступающих в газоочистной аппарат. Коэффициент проскока ε рассчиты­вается по формуле ε = 100 — η.

Эффективность очистки может быть определена различными методами. Метод, основанный на использовании экспериментальных данных. В

данном случае эффективность очистки определяется по содержанию вред­ных веществ в газах до поступления в газоочистной аппарат и на выходе из него:

где М _ул — масса вредных веществ, уловленных в единицу времени, г/с; М_вх, М_вых — массовый расход вредных веществ в газах, соответственно поступа­ющих и выходящих из газоочистного аппарата, г/с; Q_вх , Q_вых, — объемный

расход газов, соответственно поступающих и выходящих из газоочистного аппарата, м³/с; С_вх ,С_вых — концентрация частиц в газах, соответственно по-

ступающих и выходящих из газоочистного аппарата, г/м³.

Если объемный расход газов, проходящих через газоочистной аппарат, изменяется за счет подсоса воздуха, эффективность аппарата определяют в соответствии с объемным расходом воздуха при подсосе, исходя из концен­трации какого-либо газового компонента, не вступающего в аппарате в ре­акции (обычно S0₂ или С0₂):

где К_п — коэффициент подсоса, равный отношению концентраций анали­зируемого газового компонента в газах,% (объемная), после и до аппа­рата.

Если имеются экспериментальные данные по фракционным степеням очистки η_ф (для взвешенных частиц), то может использоваться формула

где Ф₁, Ф₂,... Ф_n — содержание данной фракции на входе в фильтр,%. Фракционная эффективность очистки η_ф выражается формулой

где Ф_вх, Ф_вых — содержание данной фракции в газах соответственно на входе и на выходе из фильтра,%.

Для расчета по формуле (5.3) могут быть использованы кривые фракци­онных эффективностей (степени очистки) η_ф = f {d₄), полученные экспериментальным путем для некоторых типов пылеуловителей (5.3). К кривым фракционной эффективности даются условия, при которых они были получены (по плотности пыли, диаметру аппарата и т. д.), а также поправочные формулы для пересчета на конкретные условия очистки выб­росов. Для сокращения расчетов могут быть использованы номог­раммы.

2. Метод расчета, основанный на вероятностном подходе к про­цессу пылеулавливания. В некото­рых случаях кривая фракционной эффективности аппарата η_ф =f(d₄) при построении в вероятностно-логарифмической системе коор­динат приобретает вид прямой линии, свидетельствующей о том, что она подчиняется логарифми­чески нормальному закону распре­деления и может быть записана в виде интеграла вероятности

где lg (d₄/d₅₀) — логарифм отношения текущего размера частиц d_ч к диамет­ру частиц d₅₀, осаждаемых в аппарате при данном режиме его работы на 50%; lg σ_n — стандартное отклонение в функции распределения фракци­онных коэффициентов очистки.

Значение d соответствует ординате графика η_ф = f(d_ч), равной 0,5 (50%), a Lg σ находится из соотношения

где d_l5,97 — значение абсциссы, ордината которой равна 0,1597 (15,97%); d_84,13 — значение абсциссы, ордината которой равна 0,8403 (84,03%).

Если распределение подлежащих улавливанию частиц пыли на входе в аппарат является нормально-логарифмическим, то зависимость полно­го коэффициента очистки можно найти по формуле

Значения нормальной функции распределения Ф (х) в зависимости от величины х приведены в табл. метод. указаний.

Таким образом, зная d_m и σ_ч (характеристику улавливаемой пыли), d₅₀ и σ_n (характеристику пылеулавливающего аппарата), можно определить эф­фективность очистки проектируемого аппарата.

Необходимо иметь в виду, что расчет эффективности по формуле (5.6) возможен только для пылеуловителей, работающих в тех режимах, при ко­торых были найдены значения d₅₀ и σ_n. Если условия работы отличаются от экспериментальных, то необходимо скорректировать величину d₅₀.

3. Энергетический метод расчета эффективности мокрых пылеулови­телей. Практика показывает, что эффективность мокрых механических пылеуловителей определяется, главным образом, затратами энергии на осу­ществление процесса очистки.

Энергия контакта между газом и жидкостью в мокрых пылеуловителях К_ч, в общем случае, может включать три составляющие: энергию газового потока, характеризующую степень турбулизации газового потока в аппара­те; энергию жидкостного потока, характеризующую степень диспергирова­ния жидкости, и механическую энергию вращающих элементов конструк­ции аппарата. Контактная энергия обычно меньше общего расхода энергии в мокрых пылеуловителях, так как не включает в себя потери на трение в аппарате, в отводящих и подводящих патрубках и т. д. В связи с этим, точ­ное определение энергии соприкосновения в целом ряде мокрых пылеуло­вителей представляет определенные трудности.

Величину энергии газового потока обычно принимают равной гидрав­лическому сопротивлению аппарата Δр (Па), хотя в действительности, если учитывать потери на трение в «сухом» аппарате, она должна быть несколько меньше. Величина К_ч (кДж/1000 м³ газов) обычно рассчитывается по при­ближенной формуле, которая, в общем случае, имеет вид

где р_ж — давление распыливаемой жидкости, Па; Q_r и Q_ж — объемный расход соответственно газов, жидкости, м³/с; N_M — мощность вращающегося механизма, расходуемая на контактирование газов с жидкостью, Вт.

Влияние каждого слагаемого зависит от типа аппарата.

Зависимость между степенью очистки и затратами энергии выражается формулой

где В и х — константы, определяемые дисперсным составом пыли.

Величина л мало характеризует качество очистки в интервале высоких значений степени пылеулавливания, поэтому в этом случае часто исполь­зуют понятие «число единиц переноса N_ч», которое аналогично применяе­мому в технологических процессах, связанных с массопереносом. Число единиц переноса находится по формуле

Тогда N_ч=BK^X_ч.

Величины В и χ определяются экспериментально. Например, по неко­торым данным, зола дымовых газов ТЭЦ (при сжигании высокозольных топлив) имеет следующие значения коэффициентов: В = 4,34 - 10^-3 и χ = 0,3.

Применимость энергетического метода расчета для различных типов мокрых пылеуловителей объясняется тем, что в основе улавливания взве­шенных частиц лежит, главным образом, один и тот же механизм — инерционное осаждение. Поэтому, если на улавливание пыли в мокрых аппаратах начинают оказывать влияние другие силы (например, диффузионные), наблюдаются значительные отклонения от энергетической зави­симости (5.8).

Производительность газоочистного устройства. Производительность характеризуется количеством воздуха, которое очищается за 1 час. Аппа­раты, в которых воздух очищается при прохождении через фильтрующий слой, характеризуются удельной воздушной нагрузкой, т. е. количеством воздуха, которое проходит через 1 м² фильтрующей поверхности за 1 час.

Гидравлическое сопротивление. От величины гидравлического сопро­тивления зависит требуемое давление вентилятора, а следовательно, и рас­ход электроэнергии. Для определения гидравлического сопротивления могут использоваться следующие формулы:

где ξ,— коэффициент местного сопротивления газоочистного устройства (безразмерная величина); v_г — скорость движения воздуха через аппарат, м/с.

где А, п — коэффициенты, определяемые экспериментальным путем и за­висящие от конструкции аппарата.

Коэффициент местного сопротивления ξ зависит от типа газоочистного аппарата, а также от его конструктивных особенностей.

Расход электрической энергии. В значительной мере эта характеристи­ка зависит от гидравлического сопротивления аппарата. Исключение со­ставляют аппараты, в которых используются электрические методы осаж­дения частиц, а также механическая энергия вращающих элементов конструкции аппарата. Расход электроэнергии при одноступенчатой очи­стке находится в пределах от 0,035 до 1,0 кВт-ч на 1000 м³ воздуха.

Стоимость очистки. Зависит от многих факторов: капитальных затрат на оборудование, эксплуатационных расходов, требуемой эффективности очистки и др. Стоимость очистки воздуха в различных аппаратах значи­тельно отличается. Если стоимость очистки определенного количества воз­духа в циклоне большой производительности принять за 100%, то стоимость такого же количества воздуха в батарейном циклоне составит 120%, в цик­лоне с водяной пленкой — 130%, в электрофильтре — 220%, в тканевых фильтрах — 280%, в системе батарейный циклон-электрофильтр — 330%.

СУХИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ

К сухим механическим пылеуловителям относятся аппараты, исполь­зующие различные механизмы осаждения: гравитационный (пылеосадительные камеры), инерционный (инерционные пылеуловители) и центробежный (одиночные, групповые и батарейные циклоны, вихревые и динамические пылеуловители).

Пылеосадительные камеры. Пылеосадительные камеры являются про­стейшими пылеулавливающими устройствами, применяемыми для пред­варительной очистки газов. Принцип работы пылеосадительной камеры основан на использовании действующей, на частицы пыли силы тяжести. Приемлемая эффективность достигается при длительном нахождении частиц в пылеосадительной камере. Поэтому пылеосадительные камеры, рас­считанные на осаждение даже относительно крупных частиц, весьма громоздки.

Материалом для их постройки являются кирпич или сборный же­лезобетон, реже сталь или дерево.

Осадительные камеры используются для осаждения пыли из горизон­тальных (рис. 5.4) и вертикальных (5.5) газовых потоков.

В горизонтальных пылеосадительных камерах для повышения их эф­фективности устраивают цепные или проволочные завесы и отклоняющие

перегородки. Это позволяет дополнительно к гравитационному использо­вать эффект инерционного осаждения частиц при обтекании потоком газов различных препятствий. Эффективность работы в значительной мере зави­сит от того, насколько равномерно распределен поток. Для этой цели каме­ры оборудуют газораспределительными решетками.

В вертикальных осадительных камерах осаждаются частицы, скорость осаждения которых выше скорости газового потока. Диаметр осадительной камеры обычно в 2,5 раза больше диаметра дымовой трубы, и соответствен­но скорости газов в камере в 6,25 раз меньше, чем в трубе. Такое соотноше­ние размеров трубы и осадительного устройства позволяет при скорости газов в дымовой трубе 1,5-2,0 м/с осаждать частицы размером 200—400 мкм. Расчет пылеосадительных камер. Приближенный расчет пылевых ка­мер сводится к определению площади осаждения, т. е. площади дна каме­ры или полок по заданному размеру частиц пыли, подлежащих улавлива­нию. При расчетах принимаются следующие допущения: распределение концентрации и дисперсности пыли по сечению аппарата равномерное, форма частиц пыли сферическая, сила сопротивления среды движению частиц подчиняется закону Стокса, скорость газа по сечению камеры рав­номерная, нет вторичного уноса пыли из камеры, влияние турбулентнос­ти потока на частицы отсутствует.

При ламинарном движении запыленного газа под влиянием силы тя­жести пылинки оседают на дно пылевых камер со скоростью витания v_c. Газ движется в камере со скоростью

где Q_г — объемный расход газов, м³/с; В — ширина камеры, м; Н— высота камеры (высота падения пылинки, м.):

где L — длина камеры, м.

Подставляя (5.11) в уравнение (5.12), получим:

Подставляя в уравнение (5.13) формулу для определения скорости ви­тания (4.6), получим минимальный размер частиц пыли d_min, м, которые 1 могут быть полностью осаждены в камере:

По этой формуле, зная расход газа, поступающего в пылевую камеру, и площадь осаждения, можно рассчитать, какого размера частицы полностью осядут в камере, и, наоборот, задаваясь размером пылинок, можно узнать тре­буемую поверхность осаждения при ламинарном движении запыленного газа.

П о формуле (5.14) построена номограмма (рис. 5.6) в предположении, что вязкость газа равна вязкости воздуха. Если вязкость газа существенно отличается от вязкости воздуха, то полученный по номограмме результат d_mln следует умножить на величину , где μ_г — вязкость газа при дан­ной температуре и μ_в — вязкость воздуха при той же температуре.

При проектировании осадительных камер следует учитывать возмож­ность вторичного уноса. Необходимо, чтобы скорость газового потока была не выше 3 м/с, хотя для некоторых пылей, например сажи, и эта скорость высока. В табл. 5.3 приведены некоторые рекомендации по выбору макси­мально допустимой скорости газов в пылеосадительных камерах.

Фракционная эффективность некоторых пылеосадительных камер (см. рис. 5.5, в) показана на рис. 5.7.

Основные достоинства осадительных камер заключаются в простоте конструкций, низкой стоимости, в небольших расходах энергии (гидрав­лическое сопротивление 50—100 Па) и в возможности улавливания абразивной пыли. В осадительных камерах достаточно эффективно улавлива­ются частицы пыли размером от 40 мкм. Эффективность же улавливания частиц высокодисперсной пыли размером менее 5 мкм даже в камерах больших размеров близка к нулю.

В настоящее время даже самые совершенные по конструкции пылевые камеры занимают много места и в качестве самостоятельных аппаратов пы­леулавливания почти не применяются. Однако упрощенные варианты пы­левых камер находят некоторое применение в качестве элементов основного технологического оборудования. Так, разгрузочные головки ряда вращающихся печей и сушильных бараба­нов, а также конверторы иного типа снаб­жаются некоторым подобием пылеосадительных камер, позволяющих улавливать наиболее крупные частицы для разгрузки основного газоочистного оборудования и предупреждения осаждения частиц в соеди­нительных газоходах.

Инерционные пылеуловители. Действие инерционных пылеуловителей основано на резком изменении направления движе­ния газопылевого потока. Частицы по инерции движутся в первоначальном на­правлении и попадают в сборный бункер, а очищенный от крупных частиц пылегазовый поток выходит из пылеуловителя. Некоторые из пылеуловителей данного типа представлены на рис. 5.8.

В подобных пылеуловителях скорость газов в свободном сечении составляет при­мерно 1 м/с. При этом частицы крупнее 20-30 мкм улавливаются на 60-95%. Точ-

ное значение зависит от многих факторов: дисперсности пыли и других ее свойств, скорости потока, конструкции аппарата и др. Гидравлическое сопротивление подобного пылеуловителя составляет 150-400 Па. Инер­ционные пылеуловители применяют обычно на первой степени очистки с последующим обеспыливанием воздуха в более совершенных аппаратах.

Современные инерционные пылеуловители представлены на рис. 5.9. В одном из вариантов в кольцевой зазор перед муфтой вдувают воздух (с вращательным моментом движения) со скоростью в три раза большей, чем осевая скорость основного газового потока. Эта кольцевая струя, сопри­касаясь с основным газовым потоком на его границе, способствует враще­нию газа. Выходной газоход служит для отвода очищенного газа, в нем часть кинетической энергии переходит в энергию давления.

К инерционным пылеуловителям относится экранный пылеуловитель, представленный на рис. 5.10. Главная его часть — U-образный элемент, где струи запыленного газа, образованные в промежутках между профи­лями элемента, сталкиваются с его основой. Газовый поток либо отталки­вается от основы U-образного элемента, либо движется по кругу вдоль кривой составляющей элемента. При столкновениях и круговом движе­нии пыль отделяется от газового потока и попадает в пылесборник, распо­ложенный внизу.

Принцип внезапного изменения газового потока при встрече с решеткой, состоящей из наклонных пластин, использован в пылеуловителе жалюзийного типа, приведенном на рис. 5.11. Назначение жалюзийной ре­шетки - разделить газовый поток на две части: на освобожденную в

значительной мере от пыли и составляющую 80-90% всего количества газа и на содержащую основную массу пыли, улавливаемую затем в циклоне или другом достаточно эффективном пылеуловителе, составляющую 10-20%. Очищенный в циклоне газ возвращается в основной поток газов, очи­щенных при помощи жалюзийной решетки.

Конструкции жалюзийных пылеуловителей представлены на рис. 5.12 и 5.13. Жалюзийный пылеуловитель конического типа отличается боль­шей эффективностью. Запыленный газ поступает в широкую часть усе­ченного конуса, имеющего почти по всей поверхности жалюзевидные щели. Газовый поток изменяет свое направление, чтобы пройти через ко­нус, тогда как пыль проходит прямо до конца конуса вместе с некоторой частью газового потока, откуда она выбрасывается во вторичный коллек­тор. При повышении скорости подачи газа к пластинам решетки степень улавливания пыли в жалюзийном пылеуловителе вначале быстро растет; начиная со скорости 10 м/с этот рост замедляется. Обычно скорость газов в жалюзийном пылеуловителе составляет 12—15 м/с.

На степень очистки влияет скорость движения газов, отсасываемых в циклон. Для того чтобы в циклон было отведено как можно больше пыли, эта скорость должна быть не меньше скорости газов при подходе к решет­ке. Обычно жалюзийные пылеуловители применяют для улавливания ча­стиц пыли крупнее 20 мкм. Недостатками жалюзийного пылеуловителя являются: изнашивание пластин решетки при высокой концентрации, особенно крупной пыли и возможность образования отложений при ох­лаждении газов до точки росы. Гидравлическое сопротивление 100-500 Па. Температура газов, очищаемых при помощи жалюзийной решетки из углеродистой стали, не должна превышать 450 °С. При более высоких темпе­ратурах пластины жалюзийной решетки отливают из чугуна.

Ориентировочно степень улавливания в жалюзийном пылеуловителе можно оценить по формуле

где η_ц — степень улавливания той же пыли при аналогичных условиях в цик­лоне НИИОгаз ЦН-15; К_ж — коэффициент, лежащий в пределах 2,5-4,0.

Более точно эффективность очистки жалюзийных пылеуловителей, как, впрочем, и остальных инерционных пылеуловителей, можно опреде­лить по формуле (5.3). При этом используют данные фракционной эффек­тивности в виде кривых (см. рис. 5.9, 6) или в табличной форме (табл. 5.4).

Приведенная эффективность определялась при очистке газа от золы плотностью р = 2600 кт/м³.

На коэффициент очистки большое влияние оказывает степень отсоса

(табл. 5.5).

ФИЛЬТРЫ

Фильтрующие аппараты относятся к наиболее эффективным пыле­улавливающим устройствам.

Преимущества фильтров:

— более высокая степень очистки газов от взвешенных частиц, чем в газоочистных аппаратах других типов (фильтры обеспечивают прак­тически полное улавливание частиц всех размеров, включая субмикронные);

возможность улавливания частиц при любом давлении газов; — высокая степень очистки при любых концентрациях взвешенных частиц в газах; — возможность очистки газов, нагретых до высокой температуры; — использование химически стойких материалов; — возможность полной автоматизации процесса очистки газов;

— стабильность процесса очистки и меньшая зависимость от измене­ния физико-химических свойств улавливаемых частиц и расхода газов, чем при использовании других способов;

— простота эксплуатации. Недостатки:

— необходимость периодической замены некоторых фильтрующих пе­регородок;

— сравнительно высокий расход энергии при использовании отдель­ных видов пористых фильтров;

— громоздкость установок с фильтрами (особенно при большом объем­ном расходе очищаемых газов);

— относительная сложность эксплуатации.

Применяемые в современных аппаратах фильтрующие пористые пе­регородки по своей структуре весьма разнообразны, но в большинстве сво­ем они состоят из волокнистых или зернистых элементов, которые услов­но могут быть разделены на следующие типы.

Гибкие пористые перегородки: тканевые материалы из природных, син­тетических и минеральных волокон; нетканевые волокнистые материалы (войлоки, клееные и иглопробивные материалы, бумага, картон, волок­нистые маты); ячеистые (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры).

Полужесткие пористые перегородки: слои волокон, стружка, вязаные сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними.

Жесткие пористые перегородки: пористая керамика и пластмасса, спе­ченные или спрессованные порошки металлов (металлокерамика), пори­стые стекла, углеграфитовые материалы и др.; волокнистые материалы — сформированные слои из стеклянных и металлических волокон; металли­ческие сетки и перфорированные листы.

Зернистые слои: неподвижные, свободно насыпанные материалы; пе­риодически или непрерывно перемещающиеся материалы.

В зависимости от назначения и допустимой пылевой нагрузки совре­менные фильтры условно разделяются на три класса.

Воздушные фильтры предназначены для обеспыливания атмосферно­го воздуха в системах приточной вентиляции; кондиционирования и воз­душного отопления производственных, служебных и общественных зда­ний; подачи воздуха на технологические нужды; подстанций агрегатов питания электрофильтров. Разработано много конструкций и фильтрующих элементов, классификация которых приведена в табл. 5.21.

Абсолютные фильтры предназначены для улавливания с очень высокой эффективностью (обычно выше 99%) в основном субмикронных частиц из промышленных газов и воздуха при низкой входной концентрации (менее 1 мг/м³). Такие фильтры применяют для улавливания особо токсичных веществ, а также для ультратонкой очистки при проведении некоторых тех нологических процессов или в особо чистых помещениях, где воздух слу­жит рабочей средой.

Промышленные фильтры применяются для очистки промышленных га зов в основном с высокой концентрацией дисперсной фазы (до 60 г/м³). Для периодического или непрерывного удаления накапливающейся и фильтрующей перегородке пыли, фильтры этого класса имеют устройство для регенерации, позволяющие поддерживать производительность на за­данном уровне и возвращать ценные продукты в производство; фильтры этого класса нередко являются составной частью технологического обо­рудования.

Абсолютные фильтры. К абсолютным фильтрам (высокоэффективным фильтрам, или фильтрам тонкой очистки) относятся в основном волокни­стые фильтры, представляющие собой слои различной толщины, в которых более или менее однородно распределены волокна (набивные маты из бу­маги, картона и др.). Для фильтров используют естественные или специ­ально получаемые волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм, а также их смеси. Толщина фильтрующих сред составляет от десятых долей миллиметра (бу­мага) до двух метров (многослойные, глубокие насадочные фильтры долго­временного пользования).

Волокнистые фильтры могут быть подразделены на тонковолокнис­тые, глубокие и грубоволокнистые фильтры.

Тонковолокнистые фильтры. Тонковолокнистые фильтры служат для улавливания высокодисперсной пыли и других аэрозольных частиц разме­ром 0,05—0,1 мкм с эффективностью не менее 99%. Чаще всего применяют фильтрующие материалы в виде тонких листов или объемных слоев из тон­ких или ультратонких волокон (диаметром менее 2 мкм). Скорость фильт­рации составляет 0,01—0,15м/с, сопротивление чистых фильтров обычно не Превышает 200-300 Па, а забитых пылью фильтров — 700-1500 Па. Улавли-|ание пыли происходит в основном за счет броуновской диффузии и эф­фекта касания, поэтому очень важно использовать волокна диаметром 0,1— I мкм. Регенерация отработанных фильтров тонкой очистки в большинстве случаев нерентабельна или невозможна, что является их главным недостат­ком. Тонковолокнистые фильтры предназначены для длительной работы (в течение 0,5-3 лет) с последующей заменой фильтра на новый.

В качестве тонковолокнистых сред наибольшее распространение получили фильтрующие материалы типа ФП (фильтры Петрянова) из поли­мерных смол. Они представляют собой слои синтетических волокон диа­метром 1-2,5 мкм, нанесенные в процессе получения на марлевую подложку, или основу из скрепленных между собой более толстых волокон. Материа­лы ФП характеризуются высокими фильтрующими свойствами. Малая тол­щина слоев ФП (0,2—1 мм) дает возможность получать поверхность фильт-юации до 100—150 м² в расчете на 1 м³ аппарата.

Оптимальная конструкция фильтров тонкой очистки должна отвечать следующим требованиям: наибольшей поверхностью фильтрации при Меньших габаритах; минимальному сопротивлению; возможности более удобной и быстрой установки; надежной герметичности групповой сбор-ки отдельных фильтров. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют распространенные в настоящее время фильтры рамочной конютрукции (рис. 5.38). Фильтрующий материал в виде ленты укладывается между П-образными рамками, чередующимися при сборке пакета открытыми и закрытыми сторонами в противоположных направлениях. Между [соседними слоями материала устанавливаются гофрированные разделители, чтобы не допустить примыкания их друг к другу. Рамки, разделите-боковые стенки корпуса могут быть из различного материала: фанеры, винипласта, алюминия, нержавеющей стали. Загрязненные газы поступают в одну из открытых сторон фильтра, проходят через материал и выходят с противоположной стороны.

Глубокие фильтры. Глубокие фильтры лишены основного недостатка тонковолокнистых фильтров — короткого срока непрерывной работы. Они представляют собой многослойный фильтр общей высотой 0,3—2,0 м. Ди­аметр волокон 8-19 мкм. Скорость фильтрации составляет 1 м/с. Первый слой фильтра на пути движения очищаемой среды состоит из грубых во­локон, последний — из тонких. Основная сфера применения — очисти вентиляционных и технологических газов от радиоактивных частиц, а так­же в системах стерилизации воздуха в производстве антибиотиков, вита­минов и других медицинских аппаратов.

Глубокие фильтры рассчитаны на непрерывную работу в течение 10-20 лет, что подтверждено практикой их эксплуатации. При очистке от ра­диоактивных веществ фильтры по истечении всего срока службы захора­нивают на месте путем цементирования. При очистке от бактерий глубокие фильтры стерилизуют острым паром в течение 4 ч, а затем подсушивают путем продувки в течение суток.

Грубоволокнистые фильтры. Основная задача грубоволокнистых фильт­ров — снижение начальной концентрации аэрозоля при высокоэффектив­ной очистке. Они имеют высокую пылеемкость и значительно дешевле (по­чти в 10 раз) тонковолокнистых фильтров. В связи с этим их можно легко заменять или регенерировать.

Оптимальный состав грубоволокнистого фильтра — смесь волокон диа­метром 1—20 мкм, причем до 50% волокон должны иметь размеры до 4 мкм. При скорости фильтрации 0,05-0,1 м/с материал должен почти полностью улавливать частицы крупнее 1 мкм. После частичного забивания пылью фильтр становится эффективным для частиц субмикронного размера.

Срок службы грубоволокнистого фильтрадо смены или регенерации опре­деляется его пылеемкостью, которая в свою очередь зависит от допустимого гидравлического сопротивления аппарата. Установлено, что при гидравличес­ком сопротивлении 0,3-0,5 кПа дальнейшая эксплуатация фильтра нецелесо­образна. Обычно при входной концентрации от 0,5—1 мг/м³ смену грубово­локнистых фильтров производят 4—6 раз в год.

На рис. 5.39 представлен фильтр предварительной очистки марки ДСВ. В качестве набивки используется грубое лавсановое волокно диаметром от 15 до 25 мкм; плотность набивки 15-25 кг/м³; толщина слоя — 0,1 м.

Мокрые фильтры-туманоуловители. Для улавливания жидких аэрозоль­ных частиц широко применяются волокнистые и сеточные фильтры-ту-маноуловители, принцип действия которых основан на захвате жидких ча­стиц волокнами при пропускании туманов через волокнистый слой с непрерывным выводом из него уловленной жидкости. Материалами во­локон могут быть стекло, синтетика и металлы.

Отличительной особенностью волокнистых фильтров-туманоуловите-

|лей являются коалесценция уловленных жидких частиц при контакте с по­верхностью волокон и образование на них пленки жидкости, удаляющей­ся по мере накопления из слоя в виде струек или крупных капель, | перемещающихся внутри слоя и с тыльной стороны под действием силы тяжести. При этом обычно не требуется никаких механических воздействий на фильтрующие слои, т. е. фильтры работают с постоянным сопротивлением в стационарном режиме саморегенерации (самоочищения).

Выгодно отличаясь по всем параметрам от других устройств для улав-1ивания жидких частиц, волокнистые фильтры обладают существенным недостатком: возможностью зарастания при наличии в тумане значитель­ного количества твердых частиц и образования в слое нерастворимых отложений - солей (CaS0₄, CaC0₃, CaF₂, CaS0₃, и др.).

Несмотря на указанные недостатки, эти аппараты характеризуются вы­сокой степенью очистки, надежностью в работе, простотой конструкции, монтажа и обслуживания, а главное — возможностью обеспечения очистки тонкодисперсных туманов до любой остаточной концентрации. Поэтому в ряде случаев туманоуловители являются незаменимыми, а иногда единственными аппаратами для тонкой очистки газов от туманов в технологических процессах получения серы и термической фосфорной кисло­ты, концентрирования различных кислот и солей упаркой, производства хлор-газа, испарения масел и других органических жидкостей.

В соответствии с основным механизмом осаждения частиц в фильтре туманоуловители разделяют на низкоскоростные, работающие в режиме осаждения за счет диффузии, касания и использующие тонкие волокна, и высокоскоростные, т. е. инерционные фильтры, как правило, на основе гру бых волокон и объемных сеток, а также двухступенчатые.

Низкоскоростные фильтры-туманоуловители. Низкоскоростные фильтры-туманоуловители (v_г < 0,2 м/с) снаряжаются волокнами диаметром 5— 20 мкм (меньшие не используются из-за низкой скорости вывода жидко­сти, быстрого зарастания твердыми примесями) и предназначены для улавливания субмикронных частиц за счет диффузии и эффекта зацепле­ния; эффективность их увеличивается с уменьшением скорости фильтра­ции, размера частиц и диаметра волокон.

Для снаряжения низкоскоростных фильтров оптимальной является смесь волокон с определенным соотношением грубых и тонких. Грубые упругие волокна обеспечивают равномерное объемное распределение бо­лее тонких, увеличивают скорость вывода жидкости из слоя, придают слою механическую прочность и стабильность, обеспечивая возможность рабо­ты более тонким волокнам по всей глубине слоя. Обычно применяются слои смеси волокон диаметром от 5 до 30 мкм с плотностью упаковки 100— 200 кг/м³ и толщиной 0,05 м. Характерная конструкция фильтрующего эле­мента приведена на рис. 5.40. Элемент состоит из двух соосно располо­женных цилиндрических элементов сеток из проволоки диаметром 3,2 мм, приваренных к дну и входному патрубку-фланцу. Пространство между сет­ками заполнено стекловолокном. Дно элемента оборудовано трубкой, гид-

розатвором, погруженным в стакан, из ко­торого жидкость перетекает в корпус.

Рис. 5.40. Цилиндрический фильтрующий элемент:

1 — опорная трубчатая перегородка; 2 — уплотняющий патрубок-фланец; 3 — шпилька;

4 — прокладка; 5 — сетки, 6 — стекловолокнистый слой; 7 — дно; 8 — трубка гидрозатвора; 9 — стакан

В зависимости от производительности установок в одном корпусе может монти­роваться от 5 до 100 элементов. Габариты наиболее распространенных элементов: диаметр 450 мм, высота 2,4 м. Особое вни­мание при проектировании аппаратов уде­ляется выбору конструкционных матери­алов (пластик, нержавеющая сталь). При температурах выше 50 °С применяют леги­рованные молибденистые стали. Для изго товления волокон используют стекла спе­циальных составов, лавсан, полипропилен и другие полимеры. Толщина слоя состав ляет от 5 до 15 см, скорость фильтрации - 5—20 см/с. Аэродинамическое сопротивление сухих фильтров составляет 200-1000 Па, а в ре­жиме самоочищения — от 1200 до 2500 Па. Максимально допу­стимая температура для фильт­ров из стеклянного волокна — 400 °С.

Высокоскоростные филътры-туманоуловители. Высокоскоро­стные фильтры-туманоуловители (v_г > 0,5÷1,2 м/с) со слоем грубых Волокон диаметром 20-100 мкм, служащие для выделения из газа частиц крупнее 1 мкм за счет ме­ханизма инерционного осажде­ния, эффективность которого воз­растает с увеличением размера частиц и скорости фильтрации до

определенной (критической) величины (обычно 2,5 м/с), при которой на­чинается вторичный брызгоунос уловленной жидкости из слоя в виде круп­ных капель.

Высокоскоростные тумано-брызгоуловители фирмы Monsanto выпол­няются в виде плоских элементов (рис. 5.41), в которых волокно 2 уложе-I но между двумя плоскими параллельными решетками 3. В установках большой производительности они вмонтированы в многогранный опорный каркас, имеющий снизу поддон конической формы, в который стекает ус­ловленная жидкость. Эффективность улавливания частиц размером ме­нее 3 мкм составляет 90-98% при Ар= 1500+2000 Па. Снижение проектной скорости фильтрации в этих фильтрах более чем на 20—30% сопровождается резким падением эффективности очистки.

Такие фильтры нашли широкое применение во многих отраслях промышленности, в частности, при производстве серной кислоты, аммиака, I метанола, этилена, переработке пластмасс.

Для улавливания жидких частиц при высоких скоростях наиболее благоприятным способом формирования волокнистых слоев является игло-I пробивной, так как при этом волокна сцепляются не только в плоскости I слоя, но и переплетаются между отдельными слоями. При этом образует­ся объемная однородная структура, очень устойчивая к механическим воз­действиям, упругая и стабильная в мокром состоянии. Наиболее подходя­щим материалом являются полипропиленовые волокна, обладающие универсальной химической стойкостью.

На рис. 5.42 показан фильтр, снаряжаемый полипропиленовыми и лав­сановыми иглопробивными материалами. Цилиндрический фильтрующий элемент установлен в слой уловленной кислоты, находящейся в простран­стве, образованном входящим внутрь элемента с патрубком и стенками корпуса фильтра. Фильтрующий элемент представляет собой перфориро­ванный и решетчатый барабан с глухой крышкой. Соосно с ним установ­лен брызгоулавливающий элемент, имеющий больший диаметр. На решет­чатом цилиндре крепится пакет из винипластовых сеток или складчатый грубоволокнистый войлок толщиной 3-5 мм.

Грубоволокнистые фильтры с периодической и непрерывной промыв­кой применяются для очистки тумана и брызг растворов кислот, солей и щелочей при проведении операций травления металлических изделий и гальванопокрытий. На рис. 5.43 представлен фильтр ФВГ-Т, предназначенный для очистки аспирационного воздуха от частиц хромовой и серной кислоты. Внутри корпуса фильтра размещена кассета с фильтрующим ма­териалом, наложенным на каркас и прижатым решеткой (из пруткового материала). Кассета изготовлена в виде вертикально расположенных скла­док. Установка и смена кассет осуществляется через монтажный люк. Фильтр работает в режиме накопления уловленного продукта на поверхности филь­трующего материала с частичным стоком жидкости. При достижении пере­пада давления 500 Па фильтр подвергается периодической промывке (обыч­но 1 раз в течение 15—20 суток) с помощью переносной форсунки, вводимой через промывочные люки.

Промышленность выпускает пять типоразмеров подобных фильтров производительностью от 5000 до 80 000 м³/ч. При скорости фильтрации 3-3,5 м/с эффективность очистки составляет 96%. Фильтрующий мате­риал — иглопробивное волокно марки Т-2. Кассеты с таким же фильтру­ющим материалом могут располагаться непосредственно в бортовых от­сосах ванн.

Двухступенчатые филътры-туманоуловители. Разработаны два основных типа двухступенчатых волокнистых туманоуловителей, различающих­ся между собой функциями, которые выполняются ступенями. В одном типе установок, в первом по ходу газа фильтре, улавливаются крупные час­тицы и несколько снижается концентрация тумана. Кроме того, задержи­ваются твердые взвешенные частицы, загрязняющие туман. Во втором [фильтре (обычно низкоскоростном) осуществляется тонкая очистка тумана ■от высокодисперсных частиц, не уловленных на первой ступени.

В другом типе установок на первой ступени используется тонковолокнистый слой. На его тыльной поверхности при скорости газа, равной или 1 больше критической, образуются многочисленные пузырьки, при разрыве которых формируются мелкие капли, уносимые газовым потоком. Вторичные капельки значительно крупнее, в связи с чем первая ступень является агломератом — укрупнителем частиц всех размеров. На второй ступени используется фильтр-брызгоуловитель. Конструктивно обе ступени I фильтра размещаются в едином корпусе.

Сеточные тумано-брызгоуловители. Для очистки грубодисперсных туманов (размер частиц жидкости более 5 мкм) и улавливания брызг применяются каплеуловители, состоящие из пакетов вязаных металлических се-I ток, которые при высокой нагрузке по улавливаемой жидкости и большой I скорости потока устойчиво сохраняют форму и размеры ячеек. Сетки трикотажного переплетения изготавливаются из проволоки диаметром 0,2-0,3 мм, материалом для них служат легированные стали (мягкие сорта), монель-металл, сплавы на основе титана или других коррозионно-стой­ких металлов, а также фторопластовое и полипропиленовое моноволокно (леска). Размеры ячеек от 5 до 13 мм.

Сетки гофрируют и укладывают в пакеты толщиной 100—200 мм. Для аппаратов диаметром менее 2 м сетки свертывают в цилиндрические сплошные элементы. Для аппаратов больше го диаметра пакеты изготавливают стандартного размера и формы, что позволяет вести монтаж их через люки и легко удалять для очистки (рис. 5.44). Для работы в различных условиях используют пакеты различной плотности — от 112 до 180 кг/м³. Сеточные брызгоуловители устанавливаются как внутри технологических аппаратов, так и в отдельном корпусе.

Для повышения эффективности улавливания тумана предусматриваются две ступени сеточных сепарато

ров. На нижней ступени устанавливают пакеты с более мелкими ячейками и повышенной плотностью (до 224 кт/м³), которые действуют как укрупнители капель; пакеты второй ступени имеют низкую плотность (96—112 кг/м³). Различная плотность упаковки достигается применением сеток с различной высотой гофр и величиной ячеек в сетках. В нижнем пакете поддерживается режим затопления. При этом улучшается промывка пара или газа, увеличиваются скорость движения капель и их инерционный захват расположенными выше сетками пакета. Практически установлено, что эффективность улавливания тумана на смоченных сетках более высокая, чем на сухих. Расстояние между ступенями обычно составляет около 3/4 диаметра колонны.

Допустимая скорость движения газа составляет 0,9—6 м/с. Следует отметить, что высокая эффективность сепарации сеточных каплеуловителей сохраняется в диапазоне изменения скорости движения газов от 30 до 110% оптимальных значений; при этом максимальная концентрация жидкой фазы в парах (газах) не должна превышать 100—120 г/м³. Гидравлическое сопротивление смоченных сеток при исходной концентрации жидкости менее 5 г/м³ в 1,5—2 раза выше, чем сопротивление сухих сепаратором

При расчетах фильтров-туманоуловителей, как правило, эффекта и ность принимается в соответствии с данными паспортов на уловители. Еетественно, что параметры газового потока должны минимально отличатся от тех, при которых определялись паспортные данные. Однако и некоторых источниках приводится порядок расчета туманоуловителя.

Например, эффективность очистки от капель в сетчатом пакете может быть рассчитана по формуле

где Н—толщина пакета, м; N— число сеток в пакете; S_уд — удельная поверх­ность проволоки в пакете сеток, м²/м³; η'— эффективность очистки воздуха капель определенного размера (фракционная очистка) одной сеткой.

Толщина пакета сеток выбирается в пределах 100-200 мм, а удельная Поверхность проволоки в пакете сеток вычисляется по формуле

где П — пористость пакета сеток, выбираемая в пределах 0,85÷0,95; d_пр — диаметра проволоки сетки, м (обычно d_пр = 100÷200 мкм).

Значение η' определяется графически (рис. 5.45).

При определении критерия Стокса (см. § 4.1) скорость фильтрации рассчитывается по формуле

Задаваясь различными значениями размера капель, окончательно определя­ем эффективность очистки по формуле (5.3).

В качестве туманоуловителей могут использоваться также и мокрые газоочи­стители и электрофильтры. Сравнитель­ная характеристика туманоуловителей приведена в табл. 5.22.

Тканевые фильтры. Фильтрация запыленных промышленных газов и ас пирационного воздуха в тканевых фильтрах является радикальным техническим решением для достижения эффективного пылеулавливания при относительно умеренных капитальных и эксплуатационных затратах. Возросшие требования очистки газов выявили тенденцию к увеличению доли применяемых тканевых фильтров перед аппаратами мокрой очистки газов и электрофильтрами.

Тканевые фильтры различаются по следующим признакам:

— по форме фильтровальных элементов (рукавные, плоские, клино­вые и др.) и наличию в них опорных устройств (каркасные, рамные);

— по виду используемой ткани;

— по способу регенерации ткани;

— по наличию и форме корпуса для размещения ткани — прямоуголь­ные, цилиндрические, открытые (бескамерные);

— по числу секций в установке (однокамерные и многосекционные);

— по месту расположения вентилятора относительно фильтра (всасы­вающие, работающие под разрежением, и нагнетательные, работающие под давлением).

Чаще всего тканевые фильтры содержат гибкую фильтровальную перегородку, имеющую форму гибких цилиндрических рукавов (рис. 5.46), закрепленных на трубных перегородках в корпусе, оборудованном устрой­ствами для удаления уловленного материала с рукавов и выгрузки его из бункеров. Тканевые фильтры способны улавливать частицы размером от нескольких сотен микрон до субмикронных, что обеспечивается главным образом осажденным пылевым слоем на поверхности фильтра.

Виды фильтровальных тканей. Эффективность очистки в основном за­висит от вида фильтровальной ткани, из которой изготовлены рукава. К тка­ням, используемым в качестве фильтрующих материалов, 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 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, находящихся в сухих и насыщенных влагой газах;

4) способность к легкому удалению накопленной пыли;

5) низкая стоимость.

Применяемые материалы удовлетворяют не всем перечисленным тре­бованиям, поэтому каждый материал используется в определенных, наиболее благоприятных для него условиях.

В тканевых фильтрах применяются фильтрующие материалы двух ти­пов: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках, и войлоки (фетры), получаемые путем свойлачивания или механического перепутывания волокон иглопробивным методом.

Фильтровальная ткань представляет собой материал с определенным видом переплетения нитей, скрученных из коротких или непрерывных волокон диаметром от 6 до 20—30 мкм.

В зависимости от состояния поверхности фильтровальные ткани бывают ворсированными и гладкими. Наличие ворса повышает эффектив­ность фильтрации. Ворс должен быть обращен навстречу запыленному потоку. При движении запыленного потока воздух прижимает ворсинки к ткани. При обратной продувке происходит выпучивание ворсинок и на­копившиеся пылевые частицы удаляются (рис. 5.47). Если же ворс будет направлен в противоположную сторону, то количество задержанной пыли уменьшается, поскольку происходит выпучивание ворсинок. Затруднена и регенерация, поскольку ворсинки прижимаются к нитям и препятству­ют отделению пыли от ткани.

Все фильтровальные материалы по виду используемых волокон можно подразделить на четыре основных типа (рис. 5.48), различающихся тем, что они изготовлены из: естественных органических волокон животного и расти­тельного происхождения (шерстяные, льняные, хлопчатобумажные, шелко­вые); искусственных органических волокон (лавсан, нитрон, капрон, хлорин, оксалон и др.); естественных минеральных (неорганических) волокон (асбест); искусственных неорганических волокон (стеклоткань, металлоткань).

Хлопковое волокно служит основой для производства хлопчатобумаж­ных тканей. Хлопковое волокно на 94-95% из целлюлозы, оно гигроскопично. При нагревании до 120—130 °С заметных последствий не наблюда­ется, при более высокой температуре происходит нарушение волокон. Именно поэтому хлопчатобумажные ткани, несмотря на низкую стоимость, нашли ограниченное применение для фильтровальных тканей.

Шерстяные волокна содержат 90% каротина. В отличие от хлопка шер­стяные волокна менее стойки к кислотам и кислым газам, особенно к ок­сидам серы. Шерстяные ткани характеризуются высокой воздухопрони­цаемостью, обеспечивают надежную очистку и легкость регенерации. Шерстяные волокна, несмотря на более высокую стоимость, более при­годны для изготовления фильтровальных тканей благодаря большей уп­ругости.

В настоящее время материалы из шерсти и хлопка вытесняются синте­тическими тканями.

Ткани из нитрона обладают высокой механической прочностью, могут применяться длительное время при температуре 120-130 *С и выдерживают кратковременное воздействие температуры до 180 °С. Они более ус­тойчивы к кислотам, органическим растворителям, к действию микроорганизмов, моли.

Ткани из лавсана прочны, устойчивы к истиранию и температуре так же как и нитроновые ткани, однако более устойчивы к химическим реагентам. Износ лавсановых и нитроновых тканей ускоряется при резких колебаниях температуры.

Асбестовые волокна не очень прочные, однако не загнивают, стойки но отношению к растворам щелочей и кислот и, самое главное, обладают высокой термостойкостью.

Стеклянное волокно — одно из наиболее перспективных, поскольку об­ладает высокой термостойкостью (до 300 °С), химической стойкостью, вы­держивает значительные разрывные нагрузки. Фильтровальные стеклотка­ни обычно изготовляют из волокон диаметром 6—8 мкм. Для улучшения сопротивляемости к многократным изгибам стеклянные ткани покрыва­ют кремнийорганическим соединением — силиконом и графитируют.

Свойства фильтровальных тканей, применяемых в промышленности, приведены в табл. 5.23.

Как было указано в гл. 4, эффективность очистки в тканевых фильтрах во многом определяется наличием на поверхности ткани слоя пыли. В табл. 5.24 приведены данные об эффективности очистки пыли тканевыми филь­трами в различные периоды их работы.

При низких входных концентрациях пыли процесс образования слоя Занимает много времени, поэтому лучшие результаты достигаются при очистке газов с высокой запыленностью. При регенерации часть осадка удаляется, но внутри ткани между нитями и волокнами остается значительное количество пыли, сохраняющее высокую эффективность очистки газов, поэтому при регенерации тканей нельзя допускать их переочистки.

В тканевых фильтрах целесообразно использовать небольшие скорости фильтрации, обычно 0,5-1,2 см/с. При большей скорости происходит чрез­мерное уплотнение пылевого слоя, сопровождающееся увеличением гид­равлического сопротивления, что в свою очередь может привести к вторич­ному уносу.

Рассмотренные недостатки тканей в значительной мере устраняются при использовании в качестве фильтрующего материала войлока. Эффективность улавливания частиц в этом случае не будет определяться глав­ным образом наличием ранее сформированного слоя пыли. Равномерное распределение волокон по всей поверхности и в толще фетра и отсутствие сквозных отверстий обеспечивает равноценное участие волокон в процессе осаждения частиц. Процесс фильтрации протекает в объеме материала. При очистке фетров внутри них всегда остается часть пыли, обеспечивающая очень высокую эффективность улавливания субмикронных частиц. Это принципиальное отличие войлочных фильтрующих материалов от тканых дает возможность в 2—5 раз увеличить нагрузку по газу, а также проводить регенерацию материала без прекращения подачи пылегазового потока.

Способы регенерации тканевых фильтров. Существуют два основных способа регенерации запыленных тканей:

1) встряхивание фильтрующих элементов (механическое, аэродинами­ческое — путем пульсации или резких изменений направления фильтруе­мого потока газов, воздействием звуковых колебаний и т. п.);

2) обратная продувка фильтрующих элементов очищенными газами или воздухом (нагнетание в секцию газов с низким давлением при боль­шом расходе, подсос атмосферного воздуха, струйная локальная продувка каждого рукава или плоского элемента и др.).

В большинстве случаев сочетаются оба способа фильтрации.

Механическое встряхивание (рис. 5.49) закрепленных на общей раме закрытых сверху рукавов наибо­лее эффективно в продольном направ­лении, но при этом сильно изнашива­ются рукава, особенно в нижней части. Встряхивание должно быть кратковре­менным и резким, но не настолько сильным, чтобы вызвать большие ме­ханические усилия в ткани. Операция встряхивания рукавов в продольном направлении заключается в поднятии штанги подвеса на 7-10 см и последую­щем свободном падении ее с этой вы­соты вместе с рукавами на подушки, которые амортизируют удар. Подъем и сброс повторяются непрерывно 5—15 раз, в зависимости от свойств пыли. Этот способ в сочетании с обратной продувкой наиболее старый.

Колебательные перемещения вер­хних частей рукавов в горизонтальном направлении вызывают значительно меньший износ, но они и менее эф­фективны, так как колебания плохо распространяются по длине рукавов. Пыль удаляется по длине рукава неравномерно. Обычно в средней части рукавов остается больше пыли, что вызывает неравномерное распределе­ние скоростей газов и более быстрое изнашивание тех мест, где интенсив­нее происходит процесс регенерации — в верхней или нижней частях, в зависимости от способа встряхивания. Колебания рукавов в поперечном направлении чаще используются для тонких тканей с гладкой поверхнос­тью, а также тканей, не стойких на излом (стеклотканей).

Диаметр рукавов, как правило, составляет 0,1-0,3 м, а длина 0,5—4,0 м. К фильтрам с механическим встряхивания относятся фильтры РФГ, УРФМ, РФК.

Регенерация с помощью аэродинамического встряхивания (5.50) осу­ществляется путем подачи импульса сжатого воздуха внутрь каждого фильтрующего элемента. В рассматриваемом методе механическое воздействие,

обеспечивающее деформацию тка­ни, сочетается с обратной продув­кой. Такой вид регенерации исполь­зуется в каркасных рукавных и плоских фильтрах. Металлический каркас рукавов используется во из­бежание «схлопывания» рукавов. Избыточное давление сжатого воз­духа при регенерации составляет 0,4-0,8 МПа; длительность импуль­са 0,1—0,2 с. В качестве фильтрующего материала обычно используют ретры, ибо ткани часто очищаются слишком интенсивно. Расход про­бочного сжатого воздуха составляет 0,1-0,2% от количества очищаемых газов. В таких фильтрах нагрузка по газу составляет 1,5—6 м/мин. Одним из основных условий эффективных условий работы данного типа фильтров является ограниченность геометрических размеров фильтрональных элементов, что связано с эф­фективной регенерацией по всей длине рукава, в условиях, когда энергия импульса при перемещении вдоль рукава постепенно рассеивается. Поэтому диаметр рукавов не превышает 0,135 м, а длина, как правило, составляет 2-3 м (лишь в отдельных случаях до 6 м). К филь­трам данного типа относятся ФРКИ и ФРКД И (см. рис. 5.46).

Обратная продувка без механического встряхивания достигается использованием отдельного вентилятора и применяется для пылей, легко сбрасываемых с ткани. Пред­почтительно использовать для продувки очищенный газ, поскольку при этом не уве­личивается общий объем газов. Объем про­дувочного газа лежит в пределах 7—10% по отношению к объему очищаемого газа. Этот способ считается «мягким» и используется в больших фильтрах, оснащенных стекло­тканями. Диаметр рукавов фильтров данно­го типа, как правило, не превышает 0,3 м, а

длина — 5 м. Отечественной промышленностью выпускается ряд фильтров с обратной посекционной продувкой — ФРО, ФР, СМЦ. В фильтрах с об­ратной продувкой, так же как и в фильтрах с механическим встряхивани­ем, используют рукава, выполненные из тканого материала, который яв­ляется «подложкой» для формирования пылевого слоя, обеспечивающего высокую эффективность очистки газов.

Обратная струйная продувка используется для всех видов фильтроваль­ных элементов (рукава или кассеты, тканые и войлочные материалы, осаж­дение пыли на внутренней и наружной поверхности рукава, одна или не­сколько секций). Принцип работы фильтра заключается в следующем. Вдоль рукава (рис. 5.51) вверх и вниз движется полое кольцо, через кото­рое проходит истечение радиальной высокоскоростной струи воздуха с по­вышенным давлением, выдувающим пыль в направлении, обратном фильтрации. Воздух подается в кольцо или в раму с кольцами от высоко-напорного вентилятора или газодувки через гибкие шланги. Диаметр ру­кавов фильтров данного типа, как правило, не превышает 0,3 м, а длина — 5 м. К фильтрам с обратной струйной продувкой относится фильтр РФСП. Недостаток струйной продувки — относительно сложная кинематика механизма перемещения каретки.

В России выпускается несколько десятков типов тканевых фильтров, отличающихся формой корпуса, диаметром рукава (от 90 до 450 мм), дли­ной рукава (от 2,5 до 10 м), отношением длины рукава к его диаметру (15—20), способом регенерации, видом применяемой фильтровальной ткани и др. Большинство из них разработано применительно к специфическим физико-химическим свойствам пылегазовых потоков в отраслях промышленности. Поэтому многие аппараты изготавливаются индивидуально или малыми сериями. Конструкции тканевых фильтров и их подробные характеристики представлены в источниках.

Наиболее дорогостоящий элемент при эксплуатации фильтра — фильтровальный материал (20-60% стоимости фильтра), а срок их службы — 18-36 месяцев. Для нормального функционирования любого тканевого фильтра необходимо выполнение следующих требований.

1. Температура очищаемого газа не должна превышать порога термостойкости фильтровального материала.

2. Система пылевыгрузки и транспортировки пыли должна функционировать бесперебойно. В случае неудовлетворительной пылевыгрузки и транспортировки, бункера переполняются и забиваются уловленной пылью, и в итоге фильтр выходит из строя.

3. Замена изношенных рукавов должна производиться своевременно. Для обнаружения секций фильтра с поврежденными рукавами в патруб­ки, соединяющие секции с коллектором очищенного газа, перпендику­лярно газовому потоку, через специальные пробки вставляются специаль­ные прутки, которые периодически вынимаются из патрубков. Наличие наростов пыли на них свидетельствует о разрыве или нарушении герме­тичности фильтра.

4. Правильное и своевременное техническое обслуживание всех вспо­могательных узлов фильтра.

Расчет тканевых фильтров. Эффективность очистки воздуха в тканевых фильтрах достаточно высока и обычно не рассчитывается.

Разработка и расчет любого фильтра начинаются с выбора удельной га­зовой (или воздушной) нагрузки v , которая представляет собой отноше­ние объема очищаемого газа (воздуха) в единицу времени к площади поверхности фильтрации. Удельная газовая нагрузка измеряется в м³/(м²мин) или м³/(м²ч). Ясно, что численно это отношение после деления соответ­ствует скорости фильтрации (м/мин).

Правильный выбор удельной газовой нагрузки (скорости фильтрации) является непростой задачей. Она должна выбираться исходя из оптималь­ного соотношения между гидравлическим сопротивлением фильтра и за­нимаемой им площади. При высокой скорости фильтрации увеличиваются гидравлические потери, износ, возникает большая вероятность забивания рукавов пылью, уменьшается эффективность пылеулавливания. В результате- возрастают эксплуатационные затраты на фильтр. Выбор неоправданно низких скоростей фильтрации приводит к большим габаритным размерам фильтра и завышенным капитальным затратам.

При выборе величины удельной газовой нагрузки обычно ориентируются на практический опыт эксплуатации тканевых фильтров на промышленных установках (табл. 5.25). При выборе удельной газовой нагрузки необходимо учитывать свойства ткани (табл. 5.26).

Результаты этих испытаний рассматриваются как ориентир для окончательного выбора величины удельной газовой нагрузки, который производится с учётом характеристик очищаемого газа.

Более низкие значения удельной газовой нагрузки применяются при:

— улавливании мелких частиц; — улавливании маслянистых и мелких частиц; — увеличении интервалов между циклами регенерации; — повышенной запыленности и температуре газового потока. Наиболее надежным методом определения оптимальной удельной га­зовой нагрузки считается испытание «пилотной установки» непосредствен­но на промышленном объекте.

Практически удельная газовая нагрузка для выбранного типа фильтра может определяться двумя способами.

1. Для ориентировочных расчетов скорости фильтрации можно пользоваться табл. 5.25, где деление пыли на пять классов является условным. Однако значения v_ф относятся к средним величинам входных концентра-ций пыли. Скорость фильтрации, как правило, будет меньше при повы­шенных концентрациях и температуре и при меньших размерах частиц, чем это обычно встречается. Поэтому выбранную скорость корректируют по формуле

v_ф= v_фп ABCD, (5.46)

где v — константа удельной нагрузки, зависящая от вида улавливаемой пыли: определяется по табл. 5.25 как среднее арифметическое из максимального и минимального значений нагрузки; А — коэффициент, учитывающий влия­ние размера частиц и определяемый по приведенным ниже данным:

Медианный размер частиц, мкм Коэффициент А

> 100 1,2

50-100 1,1

10-50 1,0

3-10 0,9

1-3 0,8

< 1,0 0,7

В — коэффициент, учитывающий влияние технологического передела и определяемый по приведенным ниже данным:

Отвод пыли от узлов пересылки, конвейеров, упаковочных пунктов 1,0

Улавливание продукта после мельниц, сушильных камер

и системах пневмотранспорта 0,9

Очистки газов сушилок, обжиговых и плавильных цехов 0,8

С—коэффициент, учитывающий влияние температуры газов и определяемый по приведенным ниже данным:

Температура, °С 20 40 60 80 100 120

Коэффициент С 1,0 0,9 0,84 0,78 0,75 0,73

D — коэффициент, учитывающий влияние концентрации пыли в очи­щаемом газе и определяемый по приведенным ниже данным Концентрация пыли, г/м³ 0-7 8—19 20—40 41—91 свыше 91

Коэффициент D 1,2 1,0 0,95 0,9 0,85

2. При расчете газовой нагрузки исходят из количества пыли, доступающей на единицу поверхности ткани. Полагают, что для нормальной экс­плуатации фильтров, например в цементной промышленности, это коли­чество пыли на 1 м² не должно превышать 12-18 г/(м²мин). Исходя из этого, расчетная нагрузка по газам определится из уравнения

где С — входная концентрация пыли, г/м³.

Как правило, гидравлически сбалансированный фильтр обеспечивает высокую эффективность пылеулавливания, поэтому после удельной газовой нагрузки второй важнейшей характеристикой фильтра является его гидравлическое сопротивление, которое складывается из гидравлических по­терь при прохождении через входной и выходной патрубки, корпус и не­посредственно через фильтровальный материал. Гидравлическое сопро­тивление корпусных узлов зависит от его конструкции и колеблется в пределах 250—500 Па.

Гидравлическое сопротивление чистой фильтровальной ткани харак­теризуется воздухопроницаемостью — расходом воздуха при определен­ном перепаде давления, обычно равном 49 Па. Воздухопроницаемость из­меряется в м³/м²мин, численно она равна скорости фильтрации при ΔР = = 49 Па. Сопротивление незапыленных тканей ΔР_т обычно составляет 5-40 Па. Гидравлическое сопротивление запыленного фильтровального ма­териала в работающем фильтре может составлять 250 Па и более. После обратной продувки начальное сопротивление ткани не достигается: оно становится выше за счет проникновения мелких частиц в поры ткани, ко­торые не выдуваются обратно в процессе регенерации. После определен­ного периода работы фильтра с чередованием циклов фильтрации и реге­нерации, остаточное количество пыли в ткани стабилизируется; оно соответствует равновесному пылесодержанию ткани G (г/м²) и остаточно­му сопротивлению равновесия запыленной ткани ΔР.

В общем случае гидравлическое сопротивление тканей постоянно из­меняется во времени в некоторых пределах: от остаточного сопротивления равновесно запыленной ткани ΔР_р до заданного сопротивления перед реге­нерацией

ΔР_{т п.}

Исходя из практических и экономических соображений, сопротивле­ние фильтров не должно превышать 0,75-1,5 кПа и только в особых слу­чаях оно может составлять до 2-2,5 кПа. При более высоком значении со противления резко увеличивается величина проскока и возможен срыв рукавов или их разрушение по шву в результате аэродинамических ударов при переключении секций на регенерацию.

Соотношение между гидравлическим сопротивлением фильтра ΔР (Па) и скоростью фильтрации v_ф (м/мин) выражается уравнением

где К— коэффициент сопротивления фильтра, Па мин/м.

Для фильтров с механическим встряхиванием и обратной продувкой:

К = К₀ + К₁ (5.49)

для фильтров с импульсивной продувкой

К = К₀ + К₁ + К₂ (5.49)

В уравнениях (5.49) и (5.50): К₀ — коэффициент сопротивления ткани после регенерации; К₁ — коэффициент сопротивления свежеотложенного слоя пыли; К₂ — коэффициент сопротивления повторно отложенного слоя пыли.

Последние определяют по результатам лабораторных и опытно-промышленных исследований модели фильтра на конкретном промышленном объекте. В этом случае по формуле (5.48) можно определить значение удель­ной газовой нагрузки при выбранном гидравлическом сопротивлении.

В некоторых источниках приводятся формулы по определению гид­равлического сопротивления в рабочем (запыленном) состоянии:

d — средний условный диаметр пылинок, определенный по методу возду­хопроницаемости, м; С — запыленность газов, поступающих на фильтр, кг/м³; т — время фильтрации (промежутки между регенерациями ткани), с; р_л — плотность пыли, кг/м³.

Значения т_т для некоторых тканей приведены ниже:

Шерстяная ткань, артикул 21.........................................................................................0,86

Рукава ЦМ, артикул 83...................................................................................................0,83

Нитрон рукава НЦМ......................................................................................................0,83

Нитрон термофиксированный.......................................................................................0,72

Сатин четырехремизный из стекловолокна..................................................................0,49

Сатин ТСФ из стекловолокна С-2 5/3...........................................................................0,55

ТСФ-9 из стекла 20 (ВНИИстекловолокно).................................................................0,47

Ситец хлопчатобумажный..............................................................................................0,63

Бязь..................................................................................................................................0,53

Хлорин, артикул 300....................................................................................................0,63

Заключительным этапом расчета является определение площади фильтрации тканевого фильтра, выбор типоразмера и необходимого числа тканевых фильтров. Для приближенного расчета площади фильтрации тканевого фильтра следует определить общий расход запыленных газон, поступающих на ткань (с учетом подсосов воздуха), и расход продувочных газов или воздуха, поступающих из регенерируемой секции.

Общая площадь фильтрации установки S_ф (м²) составит:

где S — площадь фильтрации в одновременно работающих секциях, м²; S_c — площадь ткани в регенерируемой секции, м²; V_l — расход запыленных газов с учетом подсоса. Для небольших фильтров (РФГ, РФК, СМЦ, ФРКИ, ФРКН и др.) подсос газа составляет 5-10%, для крупных фильтров (УРФМ, РФСП-1580, ФРО и др. 15-20%), м³/ мин; V₂ — расход про­дувочных газов или воздуха, м³/ мин.

Определив общую площадь ткани, находят требуемое число фильтрон или секций п в многосекционной установке:

где S1 — площадь фильтровальных рукавов в одном фильтре (в одной секции), м².

Так как п должно быть целым числом, полученное значение округляют в сторону увеличения числа фильтров или секций.

Фильтровальная ткань не связана, за исключением отдельных специ­альных случаев, с каким-либо определенным типом фильтра. Выбирая ткань, необходимо руководствоваться следующими соображениями. Во-первых, ткани из синтетических волокон предпочтительнее натуральных, во-вторых, ткань быстро разрушается даже при кратковременных пиках температуры сверх ее нормального паспортного предела применения. По­этому ее следует выбирать не по среднему, а по максимальному значению температуры.

При выборе типа тканевого фильтра применительно к новому техно­логическому процессу следует иметь в виду, что почти все виды серийных аппаратов, особенно крупномасштабные, созданы для определенных про­изводств. Например, фильтры РФГ, УРФМ, РФОСП применяются в ос­новном для улавливания возгонов в цветной металлургии; фильтры ФР -в сажевых производствах; фильтры СМЦ — на цементных заводах. Вместе с тем все эти типы аппаратов могут быть успешно использованы в других, отраслях промышленности.

Представленные выше методы расчета оптимальных параметров рабо ты тканевых фильтров не доведены до возможности их практического применения. Поэтому в каждом конкретном случае после соответствующих

расчетов необходимо провести анализ данных эксплуатации фильтров с подходящими тканями, в условиях, аналогичных рассматриваемым, уточ­няя оптимальные параметры работы путем проведения испытаний опыт­но-промышленных установок. При этом желательно пользоваться офици­альными каталогами, регламентами и рекомендациями НИИ.

Зернистые фильтры. Фильтрующие слои, состоящие из зерен сфери­ческой или другой формы, применяются реже, чем волокнистые материалы. Преимуществами многих зернистых фильтров является доступность материалов, возможность работы при очень высоких температурах и в ус­ловиях агрессивной среды, выдерживать большие механические нагрузки и перепады давлений, а также резкие перепады температуры. Кроме того, зернистые фильтры при соответствующем выборе насадки могут выпол­нять функцию катализатора или адсорбента.

Различают следующие типы зернистых фильтров:

1) зернистые насадочные (насыпные) фильтры, в которых улавливаю­щие элементы (гранулы, куски и т. д.) не связаны друг с другом. К этим фильтрам относятся: статические (неподвижные) слоевые фильтры; ди­намические (подвижные) слоевые фильтры с гравитационным перемеще­нием сыпучей среды; псевдоожиженные слои;

2) жесткие пористые фильтры, в которых зерна прочно связаны друг с другом в результате спекания, прессования или склеивания и образуют прочную неподвижную систему. К этим фильтрам относится пористая керамика, пористые металлы, пористые пластмассы.

Улавливание аэрозольных частиц в зернистых фильтрах подчиняется тем же закономерностям, которые рассматривались для волокнистых ма­териалов.

Зернистые насыпные фильтры. В качестве насадки в насыпных фильт­рах используют песок, гальку, шлак, дробленые горные породы, древес­ные опилки, кокс, крошку резины, пластмассы, графит и другие материалы. Выбор материала для насадок обусловливается требуемой термической И химической стойкостью, механической прочностью и их доступностью. Широко применяются природные материалы и различные отходы произ­водства. Но чаще насадки готовят специально — путем дробления и про-ссеивания для получения требуемой фракции.

Зернистый фильтр с неподвижным слоем. Конструкции фильтров с неподвижным слоем представлены на рис. 5.52.

Регенерация фильтрующего материала может осуществляться рыхле­нием, ворошением или вибрационной встряской и происходит при возрастании сопротивления до предела, допускаемого вентилятором. После ряда циклов регенерации наступает момент, когда эта операция уже не дает заметного снижения Δ р_ф. Тогда насадку меняют или (при улав­ливании растворимых аэрозолей) промывают водой непосредственно в аппарате.

а — горизонтальный с периодическим ворошением; б—с цилиндрическим расположением слоя и виброрегенерацией; в—горизонтальный с вибровстряхиванием; г—двухходовой на пружинах; д—плоский двухслой ный; е—вертикальный шахтного типа; ж —с вращением кассеты; з — с секционированным слоем и регенс рацией псевдоожижением; 1 — вибратор; 2 — шнек; 3 — ворошитель; / — газ; // — продувочный агент

В зависимости от габаритов фильтра рыхление проводят вручную или механически с приводом от электродвигателя.

Чаще всего размер зерен в рассматриваемых фильтрах составляет 0,2—2 мм; воздух направляется сверху вниз. Нагрузку воздуха в зависимости от исходной концентрации (г— 1—20 мг/м³) принимают от 2,5 до 50,0 м³/(м²-мин); на­чальное сопротивление при этом составляет 50—200 Па. Высота слоя на сет­ках выбирается от 10 до 15 см. Остаточное содержание пыли в очищенных газах обычно составляет 10—100 мг/ м³; эффективность очистки до 99,5%. При начальной концентрации пыли более 12 г/м³ перед гравийными фильт рами устанавливают циклоны.

Зернистые насыпные фильтры предназначены для очистки газов от пылей механического происхождения (от дробилок, грохотов, сушилок, мельниц, транспортирующих устройств). Они применяются при получении цемента, извести, гипса, фосфорных удобрений и других производств, при наличии абразивной пыли и агрессивных газов или веществ, плохо улавливаемых в электрофильтрах и других пылеуловителях. Однако в этих фильтрах нельзя очищать трудноудаляемые пыли. Наибольшее распространение в РФ получили отечественные фильтры: роторные зернистые фильтры ФЗРИ-100, ФЗРИ-50; фильтры с вертикальным радиальным рас

Положением секций ФЗВИ-30-1-300; зернистые фильтры — циклоны ФЦЗ; зернистые кассетные фильтры ЗФ; цепные фильтры ФЦГМ и ФЦ,-1П(1Э).

Конструкция цепного фильтра представлена на рис. 5.53. Принцип его |ействия основан на осаждении частиц пыли в фильтрующем элементе, (выполненном из цепей. Во время фильтрации верхняя рама с цепями опу­щена на нижнюю. Цепи находятся в сложенном состоянии и образуют фильтрующий слой.

Регенерация фильтрующего слоя производится автоматически путем поднятия и опускания верхней рамы с цепями. Для переключения с фильтрации на регенерацию и обратно служит клапанное устройство. Уловленная пыль без дополнительной переработки возвращается в технологичес­кий процесс.

Производительность данного фильтра — 10 000 м³/ч, максимальный Перепад давления — 500 Па, эффективность очистки — 96-98%.

Зернистые фильтры с движущейся средой. Свойство сыпучести зернис­тых материалов используют для создания фильтров с движущейся средой И периодическим или непрерывным удалением из установки на регенерацию слоя зёрен, забитого пылью.

а — со шнековым промывателем и центрифугой; б — с аксиальным расположением слоя; в — с наклон­ным расположением слоя; г — с жалюзи, вибратором и промывкой; д — с циклоном и фильтрацией через пылевой слой; е — с цилиндрическим расположением и периферийным выводом газа; ж — с вертикаль­ным расположением слоя; з — с устройством для предотвращения выноса гранул; 1 — вход загрязненного газа; 2 — выход очищенного газа; 3, 4 — вход и выход продувочного агента; 5 — шнек; 6 — центрифуга; 7— вода для промывки; 8 — бункер загрузочный; 9, 10 — конусы приемные внутренний и наружные Обычно материал перемещается между сетками или жалюзийными решетками под действием гравитационных сил. Регенерация выгруженного материала от уловленной пыли проводится в отдельном аппарате путем грохочения или промывкой в восходящем пото­ке воды зерен, находящихся в псевдоожиженном состоянии.

Наиболее перспективные фильтры с движущейся средой показаны на рис. 5.54.

Перспективным направлением считается использование в качестве фильтрующей среды тот же материал, что и улавливаемая пыль. В этом слу­чае загрязненные гранулы выводятся из системы газоочистки и использу­ются в технологическом процессе. На рис. 5.55 схематически показана опытная установка с несколькими последовательно расположенными зер­нистыми слоями.

За рубежом разработкой зернистых фильтров занимается фирма «Лурги» (ФРГ). Перспективными можно считать и конструкции с импульсной продувкой без применения механических устройств регенерации. Другое перспективное направление — использование в качестве насыпного мате­риала соответствующего абсорбента или катализатора, что позволит отказаться от дополнительных устройств для очистки от газообразных вредных веществ.

Зернистые жесткие фильтры. Керамические (поролитовые), металло-мористые (металлокерамические) и другие жесткие пористые перегородки занимают особое место среди регенерируемых фильтров, в связи с высокой устойчивостью их к высокой температуре, коррозии и механическим на­грузкам. Существенными недостатками жестких фильтров, по сравнению с тканевыми, является их высокая стоимость, большое гидравлическое сопротивление и трудность осуществления длительной регенерации, что значительно сокращает срок их службы.

Жесткие пористые элементы могут регенерироваться следующими ме­тодами:

1) продуванием воздуха или газа в направлении, противоположном рабочему потоку;

2) пропусканием жидких растворов в обратном движению газа направ­лении, иногда при одновременном воздействии на жидкость ультразвуком;

3) пропусканием горячего пара (при забивании фильтров парафином) или струй горячих газов для выжигания смолистых примесей;

4) простукиванием или вибрацией трубной решетки с элементами, устанавливаемой в эластичном уплотнении, или самих элементов, закреп­ленных на перегородке с помощью резиновых патрубков.

Трудность регенерации жестких перегородок вызвана глубоким проникновением высокодисперсных частиц в поры при полном удалении слоя пыли

с поверхности.

Жесткие пористые фильтры редко применяются в системах очистки воздуха или газов большой производительности, так как сопротивление их велико и необходимо работать при низкой скорости фильтрации.

Керамические фильтры. Керамические патроны, пластины и диски получают спеканием отсортированных зерен шамота, кварцевого песка, асбеста И других природных минералов до стекловидного состояния. Керамические пористые изделия хрупки; для увеличения их прочности стенки патронов и изготавливаются значительной толщины (6—10 мм и более), но при этом увеличивается их гидравлическое сопротивление. Длина патронов обычно составляет 0,5—1,2 м, диаметр — 50—80 мм; общая пористость — 35-55%.

Патроны могут быть открытыми с обоих концов или с закрытым дном, сверху обычно предусматривают бурты для их крепления. Патроны закрепляются в трубной решетке с помощью стяжных шпилек (рис. 5.56, а), или поджатием сверху (рис. 5.56, б).

Скорость фильтрации, в зависимости от вида керамики, концентраций и свойств пыли, а также от располагаемого давления в системе, составляет 0,01—0,5 м/с.

Керамические фильтры применяют для очистки технологических газов внутри аппаратов (газов крекинга, аммиака в производстве азотной кис лоты и других газокаталитических процессов); в системах газоснабжения (для очистки природных и синтетических газов); для очистки сжатого воз духа, применяемого при окраске методом распыления; для обеспыливания сжатых газов (хлора, диоксида углерода). Размеры и форма фильтрующих керамических элементов представлены в табл. 5.27.

Рис. 5.56. Крепление керамического цилиндрического патрона в съемной трубной решетке:

а — стяжной шпилькой; б— поджатием пружиной

Металлокерамические фильтры. Исходным материалом для изготовления служат металлические порошки шарообразной формы с гладкой поверхностью или порошки несферической формы с шероховатой поверх­ностью. Порошки изготавливаются из нержавеющих сталей (Х18Н9, XI7H2, Х18Н12М2Т и т. п.), из бронзы, меди, никеля, титана, монеля, нихрома, алюминия, вольфрама и других металлов.

Металлокерамические фильтрующие материалы получают методом прессования и прокаткой, с последующим спеканием при высокой температуре (800—1300 °С) в виде цилиндрических элементов высотой 80—100 м, толщиной стенок 2-5 мм; трубок разного диаметра; лент шириной 300— I 400 мм; листов больших размеров толщиной 0,35—2,5 мм и других форм (рис. 5.57). На рис. 5.58 представлены схемы патронного и тарельчатого

I фильтров.

Металлокерамические цилиндрические элементы более прочны и пластичны, чем керамические фильтры, и лучше сопротивляются ударным на-Фузкам. Однако стоимость их в 10 и более раз выше, чем керамических. Фильтрующие свойства металлокерамических элементов также лучше; кроме того, их можно сварить, склеивать и подвергать механической об­работке на станках. Изделия, получаемые прессованием, характеризуются и более высокой эффективностью очистки газов, чем изделия, получаемые спеканием, при одинаковой пористости.

Размеры пор в фильтровальных перегородках из пористых металлов 1 75 мкм, пористость до 50%. Нагрузки по газу в металлокерамических филь трах могут изменяться от 0,2 до 10 м³/(м²мин) при аэродинамическом со противлении от 0,1 до 6 кПа. Поэтому эти фильтры громоздки: например, при производительности 0,1 м³/с фильтр имеет диаметр 1,2 м и высоту 1,8 м. Так как на жесткой поверхности образуется очень однородный слой, то эффективность улавливания в этих фильтрах, даже по субмикронным частицам, очень высокая. Металлокерамические элементы из порошка, раз

ром частиц от 75 до 150 мкм, практически полностью задерживают частицы более 1 мкм. Остаточная концентрация обычно составляет примерно менее 1 мг/м³.

Рис. 5.58. Схемы фильтров из пористых металлов:

а — патронный фильтр: 1 — корпус фильтра; 2 — крышка; 3 — цилиндрический элемент; 4 — прокладка. 5 — стяжной болт; 6 — откидное дно; б — тарельчатый фильтр: 1-корпус фильтра; 2 — фильтрующие пакет; 3 — заглушка; 4 — крышка

мером частиц от 75 до 150 мкм, практически полностью задерживают час­тицы более 1 мкм. Остаточная концентрация обычно составляет при этом

менее 1 мг/м³.

В настоящее время широкое применение для улавливания твердых арозолей при высоких температурах получили фильтровальные элемен-Ш из многослойных (прессованных) металлических сеток. По гидродина­мическим характеристикам они идентичны зернистым слоям со связан­ном структурой. Степень очистки в таких фильтрах может достигать 99,99% При входной концентрации пыли 20-40 г/м³. Фильтровальные элементы обычно выполняют в виде обечаек, надетых на жесткий каркас.

Металлокерамические фильтры наиболее широко применяются для |ыделения из горячих газовых потоков ценных пылевидных продуктов, например, пылевидных катализаторов.

Зернистые жесткие пористые фильтры находят широкое применение в очистке выхлопных газов автомобилей.

5.4. МОКРЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ

Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запыленного газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. Метод мокрой очистки от пыли счи­тается достаточно простым и в то же время эффективным способом обес­пыливания.

При современном уровне развития техники пылеулавливания наметилась тенденция применения сухих пылеуловителей, однако в ряде слу­чаев мокрые пылеуловители конкурируют с такими высокоэффективны­ми аппаратами, как рукавные фильтры и электрофильтры.

Преимущества мокрых пылеуловителей перед аппаратами других типов:

— сравнительно небольшая стоимость (без учета шламового хозяйства) и более высокая эффективность улавливания частиц по сравнению с сухими механическими пылеуловителями;

— применение для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм;

— охлаждение и увлажнение (кондиционирование) газов;

— возможность применения для очистки высокотемпературных газо­вых потоков;

— возможность одновременной очистки от пыли и от газообразных вред­ных веществ, т. е. использование в качестве абсорберов.

К недостаткам пылеуловителей относятся:

— улавливаемый мокрыми пылеуловителями продукт выделяется в виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточных вод;

- потери жидкости вследствие брызгоуноса;

— необходимость антикоррозионной защиты оборудования при филь трации агрессивных газов и смесей.

В мокрых пылеуловителях в качестве орошающей жидкости чаще все го применяется вода. При решении вопросов пылеулавливания и хими ческой очистки газов выбор орошающей жидкости (абсорбента) обуслон ливается процессом абсорбции.

Общепринятой классификации мокрых пылеуловителей в настоящее время не существует. Обычно они классифицируются на группы в зависи мости от поверхности контакта или по способу действия:

— полые газопромыватели;

— насадочные скрубберы;

— тарельчатые газопромыватели;

— газопромыватели с подвижной насадкой;

— мокрые аппараты ударно-инерционного действия;

— мокрые аппараты центробежного действия;

— механические газопромыватели;

— скоростные газопромыватели.

Помимо перечисленных групп к мокрым пылеуловителям в какой-то степени могут быть отнесены мокрые электрофильтры, орошаемые волок нистые фильтры и аппараты конденсационного действия.

Иногда мокрые пылеуловители подразделяют по затратам энергии на низконапорные, средненапорные и высоконапорные. К низконапорным an паратам относятся пылеуловители, гидравлическое сопротивление которых не превышает 1500 Па. В эту группу входят полые скрубберы, барботеры, мок­рые центробежные аппараты и др. К средненапорным мокрым пылеуловите­лям с гидравлическим сопротивлением от 1500 до 3000 Па относятся некото­рые динамические скрубберы — газопромыватели ударно-инерционного действия. Группа высоконапорных газопромывателей с гидравлическим со противлением больше 3000 Па включает в основном скрубберы Вентури.

Подвод орошающей жидкости в мокрые газоочистные аппараты. Надеж­ная и эффективная работа мокрых пылеуловителей в немалой степени за­висит от правильного выбора устройств подвода жидкости. Способ пода­чи жидкости в значительной мере влияет на распределение энергии, затрачиваемой на проведение процесса. В аппаратах, где главная роль и энергетических затратах принадлежит орошающей жидкости (полые), при­меняются энергоемкие средства подвода орошения — форсунки, работа­ющие под высоким давлением. В аппаратах, где затраты энергии, подво димой к жидкости, играют второстепенную роль (скрубберы Вентури), используются низконапорные форсунки. В тех же аппаратах, где практи­чески вся энергия подводится к газовому потоку (насадочные, тарельча­тые) и требуется равномерное орошение всего сечения аппарата, приме­няют оросители различных конструкций.

Форсунки. Форсунки подразделяются на три основные группы: меха­нического, пневматического и электрического действия. Механические форсунки, наиболее распространенные в газоочистных тратах, бывают прямого действия, центробежные и ультразвуковые. На I, 5.59 показаны типы механических форсунок: струйные, струйно-ударные, с внешним соударением струй, центробежные, центробежно-струйные. В центробежных форсунках жидкость приобретает вращательное движение за счет тангенциального подвода (рис. 5.59, в) или проходя через завихрительную спираль (рис. 5.59, а, б). Далее струя покидает форсунку в виде полого вращающегося конуса (рис. 5.60, а), который под действием центробежных сил распадается на отдельные капли. Достоинства центробежных форсунок — простота конструкции, возможность широкой регулировки расхода жидкости и угла распыла, высокая эксплуатационная надёжность.

Рис. 5.59. Механические форсунки:

в — цетробежные форсунки (а — Григорьева-Поляка; б — Кертинга; в — эвольвентная форсунка); е—центробежно-струйные форсунки (г — ВТИ; д—с цилиндрическим вкладышем и горизонтальными каналами; е — с цилиндрическим плоским вкладышем и с периферийными винтовыми каналами); ж – плоскофакельная струйная форсунка

Рис. 5.60. Формы факела форсунок:

а — полый факел; 6 — заполнении» факел; в — плоский факел

В центробежно-струйных форсунках, помимо вращающейся струи, создается и осевая струя. При этом образуется сплошной конус распыли (рис. 5.60, б) для равномерного получения которого необходимо соблюдать правильное соотношение между количеством вращающейся жидко сти и жидкостью, подаваемой в центральную струю.

Производительность форсунок определяется в основном их конструкцией и не зависит от физических свойств распыляемой жидкости.

Объемный расход жидкости определяется по формуле

(5.53)

где d_c — диаметр сопла форсунки, м; К_ж — коэффициент расхода жидко сти; р_ж — давление жидкости перед форсункой, Па.

Наибольшие значения коэффициента расхода характерны для струй­ных форсунок (0,75-0,98), наименьшие — для центробежных (0,2-0,3).

В пневматических форсунках поток жидкости дробится, соприкасаясь с высокоскоростным потоком газа или пара (рис. 5.61). Жидкость подается в пневматические форсунки под небольшим давлением либо засасывается инжектирующим действием газового потока. Форма факела зависит от конфигурации выходного отверстия и от расхода газа.

Энергозатраты пневматических форсунок выше, чем механических, поэтому они не получили широкого распространения в мокрых пылеуловителях. Однако они позволяют получить более тонкий распыл, вследствие чего их можно использовать при увлажнении газов.

Оросители. По режиму истечения жидкости оросительные устройства делятся на струйные разбрызгивающие и на струйные неразбрызгивающие.

Рис. 5.61. Пневмофорсунка:

1 - патрубок для подвода воды; 2— элемент плоскофакельной форсунки;

3 — горловина

Орошение сечения аппарата может быть точечным, зональным и сплошым (рис. 5.62). Точечное орошение целесообразно при ограниченном рас­ходе жидкости и при недопустимости брызгоуноса. Обеспечивается струй­ными неразбрызгивающими оросителями. Примером таких оросителей является желобчатые оросители (рис. 5.62, а).

Зональное и сплошное орошение обеспечивается различными видами брызгалок. При зональном и сплошном орошении обеспечивается лучшая смачиваемость, однако этот способ связан с большим расходом орошаю­щей жидкости. Кроме того, за счет перекрытия смежных зон орошения на­блюдается значительная неравномерность плотности орошения по сечению

аппарата.

Каплеулавливающие устройства. Во всех мокрых пылеуловителях в той Или иной степени происходит брызгоунос, интенсивность которого опре­деляется скоростью газового потока в свободном сечении аппарата и способом подвода орошающей жидкости.

Максимально возможный размер уносимых капель может быть рас­считан по скорости витания капель (номограмма), которая принимается равной скорости газов в свободном сечении аппарата.

Для сепарации капель из газов используются следующие механизмы осаждения: гравитационный, инерционный, центробежный, диффузион­ный и электростатический. Последние два используются в основном для улавливания туманов. Наибольшее применение нашли инерционные, цен­тробежные и диффузионные.

Каплеулавливающие устройства могут монтироваться в одном корпу­се с мокрым пылеуловителем, а могут в виде отдельного аппарата устанавливаться за ним.

Инерционные каплеуловители. В качестве инерционных каплеуловителей используют различные насадки, гальку, кольца Рашига, вязаную сет­ку и т. д. (рис. 5.63). Эффективность инерционных каплеуловителей уве­личивается с ростом скорости газов, однако этот рост не может быть

Рис. 5.62. Основные типы оросителей:

а — точечное орошение; б — зональное орошение; в — сплошное орошение; 1 — распределительная плита; 2 — желоб с боковыми прорезями; 3 — желоб с длинными патрубками; 4 — многотрубчатый ороситель; 5 — перфорированный стакан; 6 — щелевая брызгалка; 7 — розетка; 8 — многокопусный ороситель; 9 - разбрызгивающая звёздочка

беспредельным, поскольку при достижении определенной скорости газа возникает вторичный унос, наступает захлебывание каплеуловителя. Обыч-оптимальная скорость газа лежит в диапазоне 3—5 м/с, максимальная —6 м/с. Критическая скорость определяется конструкцией, направлени­ем набегающего газового потока и др.

Кроме представленных на рис. 5.63 инерционных каплеуловителей на практике широко применяются сеточные брызгоуловители, представляющие собой пакет вязаных сеток (металлическая проволока, фторопластин и полипропиленовое волокно).

Для некоторых каплеуловителей при расчетах оптимальной скорости

можно использовать формулу

(5.54)

где К_с – коэффициент, изменяющийся от 0,09 до 0,305.

Рис. 5.63. Элементы инерционных каплеуловителей:

а, б — горизонтальные жалюзийные; в — прямоточный сепаратор Карбейта;

г — гофрированные вязаные сетки; д — уголковые; е — вертикальные жалюзийные;

ж — швеллерковые

Рис. 5.64. Малогабарит­ный Рис. 5.65. Каплеуловитель коленного типа:

циклон каплеуловитель КЦТ 1 — корпус; 2 — лопатка; 3 — сливные карманы;

4 — труба для сбора уловленной жидкости;

5 — устройство для вывода жидкости

Рис. 5.66. Цилиндрический каплеуловитель

1 — диск; 2 — кольцо; 3 — лопатки; 4 —карман; 5—канал

Основным недостатком инерционных каплеуловителей является возможность образований отложений.

Центробежные каплеуловители. Центробежные пылеуловители получили наибольшее распространение в газоочистной технике.

В качестве каплеуловителей могут быть использованы обычные циклоны, например циклоны НИИОгаза. Однако более эффективными являют­ся специально разработанные устройства, например, циклон-каплеуловитель (рис. 5.64), устанавли­ваемый обычно за трубами Вентури. Скорость газа в плане аппарата составляет 4,5—5,5 м/с. Разработан типоразмерный ряд каплеуловителей КЦТ на производительность по газу — 3100—84 000 м³/ч.

Кроме того, в качестве каплеуловителей могут применяться устройства коленного типа (рис. 5.65). Эффективность подобного каплеуловителя после трубы Вентури составляет 90%.

Более перспективными считаются встроенные каплеуловители, один из которых представлен на рис. 5.66.

Оптимальная скорость равна 5 м/с. Отвод жидкости осуществляется через сливные патрубки, расположенные в нижней части.

Диффузионные каплеуловители. Применяются при улавливании капель размером меньше 3 мкм. Представляют собой волокнистые фильтры диаметром волокон 5-20 мкм и толщиной слоя 50 мм. Гидравлическое сопротивление колеблется от 1 до 5 кПа. Капли диаметром 3 мкм улавливаются на 100%.

Полые газопромыватели. В полых газопромывателях газопылевой поток пропускают через завесу распыляемой жидкости. При этом частицы пыли захватываются каплями промывной жидкости и осаждаются в промывателе, а очищенные газы удаляются из аппарата. Наиболее распространенные аппараты этого класса представлены на рис. 5.67.

Рис. 5.67. Конструкции полых скрубберов: а - с тарельчатыми форсунками; б — конденсационная башня; в-д—колонны улавливания фтористых газов и аммиака; е — скруббер типа СП; 1—ярусы орошения; 2 — система гидросмыва каплеуловителя; 3 — капле-

уловитель; 4—завихритель; 5—форсунки газохода

очистки газов от достаточно крупных частиц пыли, так и для охлаждения выполняя в различных системах пылеулавливания роль аппарата, обеспечивающего подготовку (кондиционирование) газов.

По направлению движения газов и жидкости полые скрубберы делятся на противоточные, прямоточные и с поперечным подводом жидкости. Гидравлическое сопротивление полого скруббера весьма незначительно но: при отсутствии каплеуловителя и газораспределителя оно обычно не превышает 250 Па. Полые форсуночные скрубберы обеспечивают высокую степень очистки только при улавливании частиц размером больше 5 мкм.

Максимальная эффективность при инерционном осаждении улавливаемых частиц на каплях, падающих под действием силы тяжести в неподвижном воздухе (независимо от размера частиц), достигается при d_K = 0,6 - 1,0 мм. Поэтому в полых газопромывателях обычно устанавливают центробежные форсунки грубого распыла (работающие под давлением от 3-10⁵ до 4-10⁵ Па), которые и создают капли требуемого размера. Такие форсунки позволяют работать на оборотной воде, содержащей взвеси, просты в изготовлении и мало подвержены износу. Для расчета полого газопромывателя необходимо знать расход пылегазового потока Q, плотность газов р_г, плотность частиц пыли р_ч и ее дисперсный состав. Расчет выполняют в следующем порядке.

1. Определяют площадь сечения скруббера S, м²:

(5.55)

2. По найденному значению S рассчитывают диаметр скруббера D и е высоту H по формулам

(5.56)

(5.57)

3. Удельный расход жидкости т принимают от 0,5 до 10 л/м³ и определяют общий расход жидкости на орошение аппарата Q_ж:

Q_ж = mQ_r (5.58)

4. Коэффициент очистки в полом противоточном скруббере находив по формуле

(5.59)

где η_з — эффективность захвата каплями частиц определенного диаметра; v_K — скорость осаждения капли, м/с; d_K — диаметр капли, м.

Значения η_з приведены в таблице 5.28. Скорость осаждения капель v_t определяют по номограмме, представленной на рис. 5.68.

Насадочные газопромыватели. Насадочные газопромыватели представляют собой колонны, заполненные телами различной формы (рис. 5.69).