5 Зернистые фильтры
В зернистых фильтрах в качестве фильтрующего слоя используют насыпные материалы, в которых отдельные элементы не связаны между собой. К ним относятся: крупнозернистый песок, галька, шлак, дробленые горные породы, древесные опилки, кокс, крошка резины, пластмассы, графит и другие материалы. Фильтрующий слой обычно делают неоднородным: на входе газа располагают более крупные зерна диаметром от 5 до 10 мм, на выходе – более мелкие диаметром от 2 до 3 мм. Выбор материала обусловливается требуемой термической и химической стойкостью, механической прочностью и их доступностью. Насыпной слой в фильтре может быть неподвижным, двигаться или находиться в псевдоожиженном состоянии. При пропускании газа через зернистые материалы, содержавшиеся в нем во взвешенном состоянии твердые или жидкие частицы задерживаются и остаются в фильтрующем слое.
Степень очистки газа зависит от свойств фильтрующего материала, от свойств улавливаемой пыли и режима процесса фильтрования. По мере накопления пылевого слоя она постепенно повышается до некоторого максимума, после чего начинает снижаться, что объясняется увеличением скорости газа в поровых каналах, сопровождающимся повышением выноса пыли.
Зернистые фильтры можно использовать при работе в условиях высоких температур, агрессивной среды и при больших механических нагрузках и перепадах давления. Кроме того зернистые фильтры при соответствующем выборе фильтрующего материалы могут выполнять функцию катализатора или адсорбента.
Зернистые фильтры склонны к завиванию пылью и их регенерация большей частью вызывает трудности. Поэтому если не удается удалить осевшую пыль с фильтрующего слоя промывкой или другими способами, его заменяют. Ввиду того, что скорости фильтрации газа через зернистый материал малы, зернистые фильтры требуют больших площадей для их установки.
Зернистые фильтры устанавливают при обработке запыленных выбросов производства строительных материалов, предприятий химической промышленности, при получении редких и драгоценных металлов и в других технологических процессах.
В зависимости от вида улавливаемых пылей и режима работы зернистые фильтры обеспечивают степень очистки газов от 95 % до 99,5т% при скорости фильтрации от 15 до 35 м/мин. Гидравлическое сопротивление фильтра составляет от 1300 до 3000 Па. Как правило, зернистые фильтры используют для обеспыливания небольших объемов газа.
Разработано большое число аппаратов с зернистым слоем, различающихся как конструкцией фильтрующих элементов, так и способом регенерации.
Различают следующие типы зернистых фильтров:
– 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;
– 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 подчиняется тем же закономерностям, которые рассматривались для волокнистых материалов.
Зернистые насыпные фильтры. Зернистый фильтр с неподвижным слоем. 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. Эффективность улавливания пыли в этих фильтрах растет с увеличением высоты слоя и уменьшением среднего диаметра его зерен.
Конструкции фильтров с неподвижным слоем представлены на рисунок 7.10.
а – горизонтальный с периодическим ворошением; б – с цилиндрическим расположением слоя и виброрегенерацией; в – горизонтальный с вибровстряхиваннем: г– двухходовой нa пружинах; д – плоский двухслойный; е – вертикальный шахтного тина; ж – с вращением кассеты: з – с секционированным слоем и регенерацией псевдоожижением; 1 – вибратор; 2 – шнек; 3 – ворошитель
Рисунок 7.10. Фильтры с неподвижным зернистым слоем:
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 Δрф. Тогда фильтрующий материал меняют или (при улавливании растворимых аэрозолей) промывают водой непосредственно в аппарате. В зависимости от габаритов фильтра рыхление проводят вручную или механически с приводом от электродвигателя.
Чаще всего размер зерен в рассматриваемых фильтрах составляет от 0,2 до 2 мм; воздух направляется сверху вниз. Нагрузку воздуха в зависимости от исходной концентрации (z = 1 – 20 мг/м3) принимают от 2,5 до 50,0 м3/(м2∙мин); начальное сопротивление при этом составляет от 50 до 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 фильтрами устанавливают циклоны.
Наибольшее распространение получили фильтры: роторные зернистые фильтры ФЗРИ–100, ФЗРИ–50; фильтры с вертикальным радиальным положением секций ФЗВИ–30–1–300; зернистые фильтры – циклоны ФЦЗ; зернистые кассетные фильтры ЗФ; цепные фильтры ФЦГМ.
Зернистые фильтры с движущейся средой. Наиболее перспективны конструкции этих фильтров с вертикальным расположением слоя, при котором движение слоя происходит за счет силы тяжести. В таком фильтре при работе питателя загрязненные слои фильтра непрерывно или периодически выводятся из газохода и заменяются чистыми.
Свойство сыпучести зернистых материалов используют для создания фильтров с движущейся средой и периодическим или непрерывным удалением из установки на регенерацию слоя зерен, забитого пылью. 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 рисунок 7.11.
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,
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 саза, 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
Рисунок 7.11- Фильтры подвижные зернистые
На рисунок 7.12 схематически показана опытная установка с несколькими последовательно расположенным и зернистыми слоями.
Перспективными можно считать и конструкции с импульсной продувкой без применения механических устройств регенерации. Другое перспективное направление – использование в качестве насыпного материала соответствующего абсорбента или катали штора, что позволит отказаться от дополнительных устройств для очистки от газообразных вредных веществ.
Зернистые жесткие фильтры. Керамические (поролитовые), металлопористые (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.
1 – короб для подачи свежего зернистого материала; 2 – питатели; 3 – фильтрующие слои; 4 – затворы; 5 – короб для ввода запыленного материала
Рисунок 7.12 Фильтр с движущимися слоями зернистого материала
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. Затруднения с регенерацией обусловлены глубоким проникновением высокодисперсных частиц пыли в поры, откуда они не удаляются. В результате остаточное сопротивление фильтров непрерывно увеличивается, что приводит к необходимости демонтировать фильтрующие элементы для промывки или очистки другими способами.
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. Чаще всего такие фильтры применяют для фильтрации сжатых газов, когда требуется выдерживать высокий перепад давления, а также при температурах 300 – 500 °С. Жесткие пористые фильтры применяют для очистки небольших объемов газов; при этом элементы фильтров устанавливают в отдельных корпусах или технологических аппаратах (в печах сушки и прокалки, в реакторах и т.п.).
Жесткие пористые элементы могут регенерироваться следующими методами:
– продуванием воздуха или газа в направлении, противоположном рабочему потоку;
– пропусканием жидких растворов в обратном движению газа направлении, иногда при одновременном воздействии на жидкость ультразвуком;
– пропусканием горячего пара (при забивании фильтров парафином) или струй горячих газов для выжигания смолистых примесей;
– простукиванием или вибрацией трубной решетки с элементами, устанавливаемой в эластичном уплотнении, или самих элементов, закрепленных на перегородке с помощью резиновых патрубков.
Керамические фильтры. Основным достоинством керамических фильтров является возможность очистки газов с температурой до 1000 °С. В керамических фильтрах используют 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 изготавливаются значительной толщины (6 – 10 мм и более), но при этом увеличивается их гидравлическое сопротивление. Длина патронов обычно составляет от 0,5 до 1,2 м, диаметр от 50 до 80 мм; общая пористость от 35 до 55%.
Скорость фильтрации, в зависимости от вида керамики, концентраций и свойств пыли, а также от располагаемого давления в системе, составляет от 0,01 до 0,5 м/с.
Керамические фильтры применяют для очистки технологических газов внутри аппаратов (газов крекинга, аммиака в производстве азотной кислоты и других газокаталитических процессов); в системах газоснабжения (для очистки природных и синтетических газов); для очистки сжатого воздуха, применяемого при окраске методом распыления; для обеспыливания сжатых газов (хлора, диоксида углерода).
Металлокерамические фильтры. Металлокерамические фильтрующие материалы получают методом прессования и прокаткой, с последующим спеканием при высокой температуре (от 800 до 1300 °С) в виде цилиндрических элементов высотой от 80 до 100 м, толщиной стенок от 2 до 5 мм; трубок разного диаметра; лент шириной 300 – 400тмм; листов больших размеров толщиной от 0,35 до 2,5 мм и других форм.
Исходным материалом для изготовления служат металлические порошки шарообразной формы с гладкой поверхностью или порошки несферической формы с шероховатой поверхностью. Порошки изготавливаются из нержавеющих сталей, из бронзы, меди, никеля, титана, нихрома, алюминия, вольфрама и других металлов.
Металлокерамические фильтры широко применяются для фильтрации жидкостей (пульп), но для фильтрации запыленных газов их использование ограничено.
Металлокерамические цилиндрические элементы более прочны и пластичны, чем керамические фильтры, и лучше сопротивляются ударным нагрузкам. 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 более высокой эффективностью очистки газов, чем изделия, получаемые спеканием, при одинаковой пористости.
Регенерацию фильтрующих элементов ведут посекционно обратной продувкой, сжатым воздухом, подаваемым внутрь секций при избыточном давлении около 200 кПа. Сопротивление металлокерамического фильтра перед регенерацией при улавливании пыли с медианным размером частиц 0,9 мкм составляют (при скорости фильтрации от 0,4 до 0,6 м/мин) от 2000 до 3000 Па. При этом достигается высокая эффективность улавливания пыли – 99,9 %.
Размеры пор в фильтровальных перегородках из пористых металлов 1 – 75 мкм, пористость до 50 %. Нагрузки по газу в металлокерамических фильтрах могут изменяться от 0,2 до 10 м3/(м2∙мин) при аэродинамическом сопротивлении от 0,1 до 6 кПа. Поэтому эти фильтры громоздки: например, при производительности 0,1 м/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.