4 Тканевые фильтры

Фильтрация запыленных промышленных газов и аспирационного 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 типу фильтровальной ткани: из натуральных и синтетических тканей;

– по способу регенерации ткани: встряхиванием, обратной продувкой, продувкой сжатым воздухом, импульсной продувкой, звуковой регенерацией;

– 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 разряжением, и нагнетательные, работающие под давлением).

Тканевые фильтры способны улавливать частицы размером от нескольких сотен микрон до субмикронных, что обеспечивается главным образом осаждением пылевым слоем на поверхности фильтра.

Наиболее распространенным типом тканевого фильтра является рукавный фильтр, который обеспечивает тонкую очистку воздуха от пылевых частиц, имеющих размер менее 1 мкм. Схема работы рукавного фильтра представлена на рисунок 7.9.

а– режим фильтрования; б – режим регенерации; 1 – входной патрубок; 2 – корпус фильтра; 3 – рукав; 4 – продувочный клапан; 5 – выпускной клапан; 6 – коллектор очищенного газа; 7 – вал механизма встряхивания; 8 – пылевыгрузное устройство

Рисунок 7.9 Схема рукавного фильтра:

Главным элементом тканевого фильтра является рукав, изготовленный из фильтровальной ткани. Корпус фильтра разделен на несколько герметизированных камер, в каждой из которых размещено по нескольку рукавов. Газ, подлежащий очистке, подводится в нижнюю часть каждой камеры и поступает внутрь рукавов. Фильтруясь через ткань, газ проходит в камеру, откуда через открытый выпускной клапан поступает в газопровод чистого газа (рисунок 7.9, а). Частицы пыли, содержащиеся в неочищенном газе, оседают на внутренней поверхности рукава, в результате чего сопротивление рукава проходу газа постепенно увеличивается. Когда оно достигнет некоторого предельного (по условиям тяги) значения, фильтр переводится на режим регенерации (рисунок 7.9, б), т. е. рукава освобождаются от осевшей на них пыли.

Наиболее часто регенерация осуществляется обратной продувкой. Продувочный воздух от специального вентилятора направляют внутрь камеры через открытый продувочный клапан (выпускной клапан закрыт). Фильтруясь через рукав в обратном направлении, воздух разрушает образовавшийся на внутренней поверхности рукава слой пыли, которая падает в бункер, откуда удаляется при помощи шнека или другого устройства. Отработавший продувочный воздух через подводящий газ патрубок поступает в газопровод неочищенного газа. В целях повышения эффективности регенерации одновременно с обратной продувкой осуществляется встряхивание рукавов, для этого используется специальный встряхивающий механизм, перемещающий вверх и вниз крышку, к которой крепится рукав.

В процессе регенерации, как гидравлическое сопротивление, так и эффективность фильтра снижаются. Поэтому при регенерации следует разрушать и удалять пылевой слой, оставляя проникшую внутрь пыль в порах ткани. Для этого обратную продувку ведут при невысоких скоростях, соизмеримых со скоростями фильтрования.

Камеры фильтра переводят на регенерацию по очереди, и, следовательно, фильтр в составе п – 1 камера все время находится в работе.

Применяют всасывающие и нагнетательные рукавные фильтры. Всасывающие рукавные фильтры устанавливают до вентилятора, т.е. на его всасывающей линии, нагнетательные рукавные фильтры- на нагнетательной линии. Воздух, очищенный в рукавах нагнетательных фильтров поступает непосредственно в помещение, где установлены фильтры. Недостатком нагнетательных фильтров, из-за которого не может быть рекомендовано их применение является поступление воздуха после фильтра в помещение. При наличии неплотности в рукавах происходит выбивание пыли в помещениях. Запыленный воздух проходит через вентилятор, что вызывает более быстрый его износ, а при перемещении воздуха, содержащего пожаро- и взрывоопасную пыль, это недопустимо. Недостатком всасывающих фильтров является наличие подсосов воздуха.

Эффективность очистки воздуха (газа) в рукавных фильтрах в основном зависит от свойств фильтровальной ткани, из которой изготовлены рукава аппарата, а также от того, в какой мере эти свойства соответствуют свойствам очищаемой среды и взвешенной в них частиц.

Оптимальные значения скорости фильтрования в тканевых фильтрах лежат в пределах от 0,5 до 1,0 м/мин. При больших скоростях фильтрования эффективность тканевых фильтров снижается вследствие выноса пылевых частиц, а гидравлическое сопротивление становится чрезмерно высоким. При меньших скоростях фильтрования необходимо увеличение поверхности фильтра.

Основные показатели, характеризующие работу фильтров. Работу фильтров характеризуют следующие показатели: эффективность очистки, пористость фильтра, скорость фильтрации, пылеёмкость, гидравлическое сопротивление, а также технико-экономические данные – расход энергии и материалов, стоимость установки, стоимость очистки.

Эффективность очистки. Эффективность очистки газов (степень очистки) обычно выражается отношением количества уловленной пыли к общему количеству пыли, поступающей в фильтр с газовым потоком за определенный период времени.

При использовании весового метода определения количества поступающего материала эффективность очистки газов рассчитывают следующим образом.

1. По содержанию пыли в газах до поступления в фильтр и на выходе из него:

(7.1)

где η – степень очистки газов, доли;

G₁,G₂ – массовый расход частиц пыли (тумана), содержащихся в газах, соответственно поступающих и выходящих из фильтра, кг/с;

V₁,V₂ – объемный расход газов, на входе и выходе из фильтра, м³/с (н. у.);

z_1, z₂ – концентрация частиц пыли в газах, на входе и выходе из фильтра, кг/м³.

Если объемный расход газов, проходящих через фильтр, изменяется за счет подсоса воздуха, то эффективность фильтра определяют в соответствии с объемным расходом воздуха при подсосе, исходя из концентрации какого-либо газового компонента (не вступающего в фильтре в реакции), обычно SO₂ или СО₂:

, (7.2)

где К_п – коэффициент подсоса, равный отношению концентраций анализируемого газового компонента (в объемных %) в газах после и до фильтра.

2. По концентрации пыли в газах до поступления в фильтр и количеству уловленной пыли в единицу времени:

, (7.3)

где G₃ – массовый расход уловленной пыли, кг/с.

3. По количеству уловленной фильтром пыли и концентрации пыли в газах, выходящих из фильтра:

(7.4)

Коэффициент очистки часто определяют по фракционной эффективности – степени очистки газов от частиц определенного размера.

Фракционная эффективность очистки η_Ф (в долях) выражается формулой:

, (7.5)

где Ф_н, Ф_к – содержание данной фракции в газах соответственно начальное на входе в фильтр и конечное на выходе из фильтра, %.

Зная фракционную степень очистки газов, можно определить общую степень очистки (в долях) по формуле:

, (7.6)

Суммарную степень очистки газов η (в долях единицы) в нескольких фильтрах, установленных последовательно, рассчитывают по формуле:

, (7.7)

где η₁, η₂, η_n – степень очистки газов, соответственно в первом, втором, n-ом фильтре.

4. По коэффициенту проскока частиц, который представляет собой отношение концентрации частиц аэрозоля за фильтром к их концентрации перед фильтром. Коэффициент проскока К (в %) можно рассчитать по формуле:

, (7.8)

При η = 0,99999, K=0,001 %.

В ряде случаев при оценке качества фильтрования газов пользуются коэффициентом очистки, показывающим степень снижения концентрации частиц пыли в фильтре:

(7.9)

В приведенном выше примере K_оч=10⁵.

При использовании счетного метода эффективность очистки рассчитывают по приведенным формулам (величины G выражают в частицах, а z – в частицах/ м³).

Пористость фильтра. Под пористостью фильтра понимают отношение объема воздушного пространства между твердыми непроницаемыми элементами пористой среды (объема пор) к общему объему, занятому пористой средой, и выражают в долях единицы или в процентах.

Пористость может быть вычислена по формуле:

, (7.10)

где ρ_м – плотность материала элементов фильтрующей среды, кг/м³;

ρ_с – кажущаяся плотность фильтрующей среды, кг/м³;

– плотность упаковки или относительная плотность фильтрующей среды, численно равная объему волокон в единице объема пористой среды.

Скорость фильтрации. Под скоростью фильтрации понимают нагрузку по газу – отношение объемного расхода газов, проходящих через фильтр, к площади фильтрующей поверхности, выражаемое в м³/(м²∙мин) или м³/(м² ∙ч).

Пылеёмкость фильтра. Под пылеёмкостью фильтра понимают количество пыли (в г или кг), которое фильтр удерживает за период непрерывной работы между двумя очередными операциями регенерации фильтрующего слоя или до достижения определенной величины сопротивления фильтра.

Пылеёмкость одного и того же фильтра при улавливании мелких частиц всегда меньше, чем при улавливании более крупных, поэтому пылеёмкость следует относить к пыли определенной дисперсности.

Гидравлическое сопротивление фильтра − разность давлений на входе в фильтр и на выходе из него (Па).

Периодичность регенерации τ_мр – время, протекающее от начала регенерации одного и того же фильтровального элемента до начала следующего цикла регенерации этого же фильтровального элемента (мин).

Продолжительность регенерации – время, затрачиваемое на одновременную регенерацию группы (секции) фильтровальных элементов (с).

Фильтровальные материалы. В тканевых фильтрах применяют два вида фильтровальных материалов из естественных и синтетических волокон: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках; и войлоки (фетры), получаемые путем свойлачивания или механического перепутывания волокон иглопробивным методом. Таким образом, по структуре фильтровальные материалы подразделяют на тканые и нетканые.

Фильтровальные тканые материалы представляет собой определенного вида переплетения нитей (пряжи), скрученных из коротких (штапельных) или непрерывных волокон диаметром от 6 до 30 мкм. При изготовлении фильтрования ткани применяют три главных переплетения (структуры) нитей основы (продольных нитей) и утка (поперечных нитей): полотняное, саржевое и сатиновое

Более толстые (тяжелые) ткани из естественных или синтетических волокон для улучшения эффективности фильтрации подвергают начесыванию, а шерстяные – еще и валке. В результате на поверхности переплетения образуется ворс или застил из расположенных в различных направлениях отдельных волокон. Застил частично закрывает сквозные поры и уменьшает прохождение пыли через ткань.

Более тонкие (легкие) ткани из стеклянных и синтетических непрерывных или штапельных волокон ворсованию не подвергаются, но степень закручивания нитей и плотность их расположения значительно выше, чем в толстых тканях.

К тканям и нетканым материалам, применяемым в качестве фильтровальных материалов, предъявляют следующие требования:

1) высокая пылеемкость в процессе фильтрации и способность удерживать после регенерации пыль в количестве, достаточном для обеспечения высокой эффективности улавливания высокодисперсных частиц;

2) сохранение оптимально высокой воздухопроницаемости в равновесно запыленном состоянии и хорошая регенерируемость;

3) высокая механическая прочность и стойкость к истиранию при многократном изгибе, стабильность размеров и свойств при повышенных температурах и агрессивном воздействии химических компонентов газа; максимально возможная стойкость синтетических волокон, из которых изготовлены ткани, к гидролизу (т.е. к разрушению под воздействием высокого влагосодержания и повышенной температуры);

4) минимальное влагопоглощение и способность к легкому удалению накопленной влаги;

5) низкая стоимость, обеспечивающая оптимальные технико-экономические показатели очистки газов в тканевых фильтрах.

Выполнение перечисленных требований связано с выбором в каждом конкретном случае очистки фильтрующего материала, который будет работать в определенных, наиболее благоприятных для него условиях. Выбор вида ткани определяется в основном температурой газа, а также влагосодержанием и агрессивными свойствами газового потока, сроками службы ткани в рабочих условиях и стоимостью ткани.

Фильтровальные материалы для очистки газа от пыли по происхождению волокон разделяют на группы:

– из натуральных органических волокон растительного и животного происхождения (хлопчатобумажные, льняные, шерстяные, шелковые);

– из натуральных неорганических волокон (асбестовые);

– из ненатуральных органических синтетических волокон (лавсан, нитрон, оксалон, фенилон, капрон, полифен, фторфлон и др.);

– из ненатуральных неорганических волокон (стеклянные, металлические).

Ткани из натуральных волокон. Основным веществом всех натуральных волокон растительного происхождения является целлюлоза, которая определяет их химическую стойкость и механическую прочность.

Хлопковое волокно на 94 – 95 % состоит из целлюлозы, оно гигроскопично. При нагревании до 120 – 130 °С заметных последствий не наблюдается, но при более высокой температуре происходит нарушение волокон. Этим объясняется ограниченность применения хлопка, несмотря на его низкую стоимость.

Шерстяные волокна содержат 90 % каротина. В отличие от хлопка шерстяные волокна, менее стойки к действию кислот и кислым газам, однако их быстро разрушают щелочи. Термостойкость шерстяных тканей выше хлопчатобумажных. 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.

Ткани из синтетических (ненатуральных) волокон. Основными преимуществами этих тканей являются стойкость к действию агрессивных сред и повышенных температур, высокая прочность и доступность применения.

Нитроновое волокно – продукт полимеризации акрилнитрина, сырьем для которого служат ацетилен и синильная кислота. Ткани из нитрона обладают высокой механической прочностью, могут применяться длительное время при температуре от 120 до 130 °С и выдерживают кратковременное воздействие температуры до 180 °С. Они более устойчивы к кислотам, органическим растворителям, и к резким колебаниям влажности.

Лавсановое волокно устойчиво к истиранию и температуре, так же как и нитроновое волокно, однако более устойчиво к химическим реагентам. Лавсановое волокно обладает способность, электризоваться, которая может привести к взрыву пылегазовых смесей. Износ лавсановых и нитроновых тканей ускоряется при резких колебаниях температуры.

Капроновое волокно характеризуются высокой стойкостью к истиранию и воздействию знакопеременных нагрузок (растяжение-сжатие), обладает хорошей устойчивостью к щелочным средам Ткани из капрона выдерживают температуру 90°С. В концентрированных кислотах капрон растворяется.

Оксалоновые волокна имеют высокую термостойкость до – 210 °С, устойчивы в кислых средах. Оксалоновые ткани выпускаются с гладкой поверхностью, что способствует интенсивной регенерации. Они подвержены гидролизу при очистке газов с высоким содержанием водяных паров.

Тефлоновые волокна отличаются высокой химической стойкостью превосходящей все известные материалы, устойчивы к изгибу и трению. Под действием больших механических нагрузок материал из тефлона вытягивается, «течет». Тефлоновые ткани могут выдерживать температуру до 230 °С.

Стеклянное волокно обладает высокой термостойкостью – до 300 °С, характеризуется высокой химической стойкостью, выдерживают значительные нагрузки на разрыв, но весьма низкая сопротивляемость трению и изгибу. Для улучшения сопротивляемости к многократным изгибам стеклянные ткани покрывают силиконом и графитируют . Обработанные стеклянные ткани приобретают эластичность, их поверхность становится гладкой и гидрофобной, с нее легко удаляется уловленная пыль.

Стеклянную ткань получают из алюмоборосиликатного бесщелочного и алюмомагнезиального щелочного стекла соответственно для фильтрования щелочесодержащих и кислых сред.

Металлическое волокно. Применение тканей из металлических нитей (сеток) позволяет фильтровать газы с температурой от 400 °С до 500 °С. Металлические ткани обладают хорошей механической прочностью, технологичны в изготовлении.

Классификация тканевых фильтров. Конструктивное исполнение промышленных фильтров весьма разнообразно. Основные классификационные признаки: система регенерации фильтровального материала, тип устройств регенерации и тип фильтрующих элементов, из которых формируется поверхность фильтрации.

Классификация по системе регенерации. Фильтры с посекционной и поэлементной системой регенерации.

Фильтры с посекционной системой регенерации фильтровального материала характеризуются тем, что регенерации подвергается целая секция многосекционного фильтра. На период регенерации секцию отключают от подачи в нее газа.

В фильтрах с поэлементной системой регенерации обратной продувке подвергают не всю секцию фильтра, а последовательно отдельные фильтрующие элементы или их группы.

Конструктивное исполнение фильтров с поэлементной продувкой сложнее, чем фильтров с посекционной продувкой, вследствие введения каркасных фильтрующих элементов, устройства сложных подвижных систем внутри фильтров и т.д.

Существенное преимущество поэлементной регенерации состоит в том, что она весьма интенсивна, так как воздействует непосредственно на запыленные участки ткани и поэтому продолжительность регенерации значительно сокращается по сравнению с посекционными способами, а это в свою очередь ведет к сокращению количества продувочного газа. Регенерацию ткани осуществляют, не прекращая подачи запыленного газа в фильтр пыли в отдельные его участки. При этом на регенерацию и очистку продувочного газа отвлекается незначительное число элементов и таким образом эффективно используется вся фильтрующая поверхность.

Интенсификация процесса регенерации позволяет использовать в фильтрах с поэлементной системой регенерации плотные фильтровальные материалы (например, войлоки), которые в фильтрах с посекционной продувкой регенерировать трудно или невозможно, а также дает возможность повысить нагрузки на ткань.

Классификация по типу устройств регенерации. Фильтры с посекционной системой регенерации выполняют двух основных типов: с обратной продувкой и с комбинированной регенерацией (обратная продувка с одновременным отряхиванием). Обратную продувку с встряхивание применяют для изгиба устойчивых тканей (лавсана, нитрона), а без встряхивания – для тканей, плохо сопротивляющихся изгибу (стеклоткани, металлоткани). Обратную продувку осуществляют посекционно с отключение регенерируемой секции от потока очищаемого газа, что следует учитывать при выборе необходимой поверхности фильтра. На время регенерации подача фильтруемого газа в секцию прекращается. Отключение и повторное включение секции по окончании регенерации производят автоматически.

Фильтры с поэлементной регенерацией выполняют следующих основных типов: с импульсной регенерацией; с обратной продувкой жесткокаркасных элементов через подвижное сопло; с обратной струйной продувкой.

Фильтры с посекционной системой регенерации характеризуются использованием бескаркасных фильтрующих элементов. Обратная продувка в них обеспечивается переключением клапанов одной из секций фильтра. В фильтрах с комбинированной регенерацией во время обратной продувки в регенерируемой секции одновременно включается встряхивающий механизм. Разнообразие конструктивных модификаций фильтров этой группы определяется различными схемами и режимами работы переключающих устройств и конструктивным исполнением механизмов.

В фильтрах с импульсной продувкой применяются жесткокаркасные элементы с подачей фильтруемого газа снаружи внутрь элемента. Продувка происходит при подаче кратковременных импульсов сжатого воздуха внутрь элемента. По аналогичной схеме прохождения фильтруемого газа (снаружи внутрь жестко-каркасного элемента) устроены и фильтры с продувкой подвижным соплом. Она осуществляется подачей продувочного газа в выходное сечение фильтрующего элемента через сопло, которое, передвигаясь, производит последовательную продувку всех элементов фильтра.

С помощью передвигающихся сопел регенерируется фильтровальный материал в фильтрах с обратной струйной продувкой. В этом случае используют бескаркасные фильтрующие элементы, а подвижные сопла охватывают их снаружи и, передвигаясь вдоль рукавов, обеспечивают их регенерацию по всей высоте.

Классификация по типу фильтрующих элементов. В промышленных фильтрах (тканевых и из нетканых материалов) применяют два основных типа фильтрующих элементов: бескаркасные (рукава), в основном цилиндрические, и жесткокаркасные, состоящие из каркаса, обтянутого тканью или нетканым материалом.

Применение бескаркасных элементов предполагает подачу фильтруемого газа внутрь рукава и сохранение формы элемента вследствие подпора давления в нем.

При регенерации обратной продувкой такие рукава несколько сплющиваются, что не мешает, однако, регенерация, если ткань хорошо натянута. При слабом натяжении рукава или весьма интенсивной обратной продувке рукав может сильно сплющиться, тогда процесс регенерации сильно затрудняется, так как уловленная пыль не проходит в бункер аппарата. В ряде случаев рукав армируют, вшивая в него через определенные промежутки кольца жесткости или устанавливая внутрь гибкий каркас, состоящий из троса с закрепленными на нем кольцами.

Рукав, армированный вшитыми в ткань кольцами, лучше работает не только при регенерации, но и при фильтрации, так как кольца жесткости препятствуют чрезмерному раздутию ткани и ее преждевременному износу. Однако заделка колец является дополнительной операцией при изготовлении рукавов, в связи с чем их применяют только в случае необходимости, например в рукавах большой высоты.

Применение жесткого каркаса в конструкции фильтрующего элемента позволяет придавать последнему любую форму – цилиндрическую, плоскую, клиновую, звездчатую и другую, сохраняемую неизменной в процессе фильтрации и регенерации; поддерживать постоянное натяжение фильтрующего материала за счет плотного крепления его на каркасе, а также осуществлять фильтрацию газа, подавая его снаружи внутрь фильтрующего элемента. Применение жесткокаркасных элементов позволяет улучшить использование рабочего объема фильтров, а также применять интенсивные способы регенерации ткани, которые невозможно осуществить в бескаркасных рукавных фильтрах.

Недостатки жесткокаркасных фильтрующих элементов: повышенная металлоемкость и трудоемкость изготовления, усложнение обслуживания фильтров, особенно замена рукавов (они тяжелы и громостки). Кроме того ускоряется износ тканей в местах контакта с каркасом из-за трения о металл, что исключает применение стеклоткани.

Жесткокаркасные цилиндрические фильтрующие элементы. Применяются при подаче фильтруемого газа снаружи внутрь элемента. Фильтрующий элемент представляет собой жесткий металлический каркас (обычно из проволоки), на который натянут и закреплен хомутами тканевый рукав, открытый, как правило, сверху

Жесткокаркасные нецилиндрические фильтрующие элементы. Для лучшего использования рабочего объема фильтра применяют плоские и клиновые фильтрующие элементы с каркасом для сохранения их формы. Подлежащий очистке газ подается снаружи внутрь элемента. Элементы закрепляются в вертикальной перегородке, разделяющей камеры запыленного и чистого газа. По всему периметру примыкания каркаса к перегородке предусматривается уплотнение, предотвращающее переток газа. Каркас выполняют обычно из проволоки и на нем закрепляют фильтрующую ткань. Фильтры с плоскими фильтрующими элементами часто называют рамочными в отличие от фильтров с рукавами.

Кроме плоских и клиновых, используются фильтрующие элементы и более сложной формы. Известны, например, жесткокаркасные элементы, каркас которых выполнен в виде «звездочки», обтянутой тканью. Сложность конструкции такого элемента вызывается специальными требованиями, если по условиям компоновки или способа регенерации необходимо сосредоточить всю фильтрующую поверхность в одном элементе.

Разрабатываются фильтры с уменьшенной трудоемкостью операции замены фильтровального материала. Это достигается использованием сложных жесткокаркасных фильтрующих элементов с большой единичной фильтрующей поверхностью каждого из них, а также применением устройств для извлечения этих элементов из фильтра.

К недостаткам нецилиндрических фильтрующих элементов следует отнести сложность раскроя и пошива фильтрующего материала, закрепления и герметизации его краев на каркасе. В аппаратах с жесткокаркасными элементами стенки необходимо выполнять съемными или предусматривать в них большие проемы для извлечения элементов, что затрудняет герметизацию корпуса.