Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

ния частиц пыли размером >15 мкм. За счет разности давлений, со-

здаваемых рабочим колесом, запыленный поток поступает в "улит-

ку" и приобретает криволинейное движение. Частицы пыли от-

брасываются к периферии под действием центробежных сил и вме-

сте с 8-10% газа отводятся в циклон, соединенный с улиткой. Очи-

щенный газовый поток из циклона возвращается в центральную часть

улитки. Очищенные газы через направляющий аппарат поступают в

рабочее колесо дымососа-пылеуловителя, а затем через кожух выб-

росов в дымовую трубу.

В табл. 1.1 приведены характерные параметры сухих меха-

нических пылеуловителей.

2.3. Очистка газов в фильтрах

В основе работы пористых фильтров всех видов лежит процесс

фильтрации газа через пористую перегородку, в ходе которого твер-

дые частицы задерживаются, а газ полностью проходит сквозь нее.

Фильтрующие перегородки весьма разнообразны по своей струк-

туре, но в основном они состоят из волокнистых или зернистых эле-

ментов и условно подразделяются на следующие типы:

гибкие пористые перегородки — тканевые материалы из при-

родных, синтетических или минеральных волокон; нетканые волок-

Таблица

I-1.

Характерные параметры сухих механических пылеуловителей

Тип пылеуло-

вителя

Максимальная

производи-

тельность, м

/ч

Эффективность

пылеулавливания

частиц различных

размеров, %

Гидравли-

ческое со-

противле-

ние, Па

Верхний

предел

темпера-

туры га-

зов,

Осадительная

камера

80—90 (50 мкм)

50—130

350—550

Циклон

ООО

50—80 (10 мкм)

250—1500 350—550

Вихревой пы-

леуловитель

ООО

90 (2 мкм)

До 2000

До 250

Батарейный

циклон

170

ООО

90 (5 мкм) 750—1500 350—550

Инерционный

пылеуловитель

127

ООО

90 (2 мкм)

750—1500

До 400

Динамический

пылеуловитель

42 500

90 (2 мкм)

750—1500 До 400

определяется возможной площадью для размещения

нистые материалы (войлоки, клееные и иглопробивные материалы,

бумага, картон, волокнистые маты); ячеистые листы (губчатая ре-

зина, пенополиуретан, мембранные фильтры);

полужесткие пористые перегородки — слои волокон, струж-

ка, вязаные сетки, расположенные на опорных устройствах или за-

жатые между ними;

жесткие пористые перегородки — зернистые материалы (по-

ристая керамика или пластмасса, спеченые или спрессованные порош-

ки металлов, пористые стекла, углеграфитовые материалы и др.); во-

локнистые материалы (сформированные слои из стеклянных и метал-

лических волокон); металлические сетки и перфорированные листы.

В процессе очистки запыленного газа частицы приближаются к

волокнам или к поверхности зерен материала, сталкиваются с ними

и осаждаются главным образом в результате действия сил диффу-

зии, инерции и электростатического притяжения.

Проходя через фильтрующую перегородку; поток разделяется

на тонкие непрерывно разъединяющиеся и смыкающиеся струйки.

Частицы, обладая инерцией, стремятся перемещаться прямолиней-

но, сталкиваются с волокнами, зернами и удерживаются ими. Такой

механизм характерен для захвата крупных частиц и проявляется силь-

нее при увеличении скорости фильтрования. Электростатический

механизм захвата пылинок проявляется в том случае, когда волокна

несут заряды или поляризованы внешним электрическим полем.

В фильтрах уловленные частицы накапливаются в порах или об-

разуют пылевой слой на поверхности перегородки, и, таким образом,

сами становятся для вновь поступающих частиц частью фильтрую-

щей

среды.

По мере накопления пыли пористость перегородки умень-

шается, а сопротивление возрастает. Поэтому возникает необходи-

мость удаления пыли и регенерации фильтра.

В зависимости от назначения и величины входной и выходной

концентрации фильтры условно разделяют на три класса:

фильтры тонкой очистки (высокоэффективные или абсо-

лютные фильтры) — предназначены для улавливания с очень вы-

сокой эффективностью (>99%) в основном субмикронных частиц из

промышленных газов с низкой входной концентрацией (<1 мг/м

) и

скоростью фильтрования <10 см/с. Фильтры применяют для улавли-

вания особо токсичных частиц, а также для ультратонкой очистки

воздуха при проведении некоторых технологических процессов. Они

не подвергаются регенерации;

воздушные

фильтры

— используют в системах приточной вен-

тиляции и кондиционирования воздуха. Работают при концентрации

пыли менее 50 мг/м

, при высокой скорости фильтрации — до 2,5-3

м/с. Фильтры могут быть нерегенерируемые и регенерируемые;

промышленные фильтры (тканевые, зернистые, грубоволок-

нистые) — применяются для очистки промышленных газов концен-

трацией до 60 г/м

. Фильтры регенерируются.

Тканевые фильтры. Эти фильтры имеют наибольшее распро-

странение. Возможности их использования расширяются в связи с

созданием новых температуростойких и устойчивых к воздействию

агрессивных газов тканей. Наибольшее распространение имеют ру-

кавные фильтры (рис. 1-10).

Корпус фильтра представляет собой металлический шкаф, раз-

деленный вертикальными перегородками на секции, в каждой из ко-

торых размещена группа фильтрующих рукавов. Верхние концы ру-

кавов заглушены и подвешены к раме, соединенной с встряхиваю-

щим механизмом. Внизу имеется бункер для пыли со шнеком для ее

выгрузки. Встряхивание рукавов

в каждой из секций производится

поочередно.

В тканевых фильтрах при-

меняют фильтрующие материа-

лы двух типов: обычные ткани,

изготавливаемые на ткацких

станках, и войлоки, получаемые

путем свойлачивания или

механического перепутывания во-

локон иглопробивным методом. В

типичных фильтровальных тканях

размер сквозных пор между нитя-

ми достигает 100-200 мкм.

К тканям предъявляются

следующие требования: 1) высо-

кая пылеемкость при фильтрации

и способность удерживать после

регенерации такое количество

пыли, которое достаточно для

обеспечения высокой эффектив-

ности очистки газов от тонкоо-

Очищенный газ

Рис. 1-10. Рукавный фильтр: 1—корпус;

2 — встряхивающее устройство; 3 — ру-

кав; 4 — распределительная решетка

дисперсных твердых частиц; 2) сохранение оптимально высокой воз-

духопроницаемости в равновесно запыленном состоянии; 3) высокая

механическая прочность и стойкость к истиранию при многократ-

ных изгибах, стабильность размеров и свойств при повышенной тем-

пературе и агрессивном воздействии химических примесей, находя-

щихся

сухих и насыщенных влагой газах; 4) способность

легкому

удалению накопленной пыли; 5) низкая стоимость.

Существующие материалы обладают не всеми указанными свой-

ствами и их выбирают в зависимости от конкретных условий очист-

ки. Например, хлопчатобумажные ткани обладают хорошими фильт-

рующими свойствами и имеют низкую стоимость, но обладают не-

достаточной химической и термической стойкостью, высокой горю-

честью и влагоемкостью. Шерстяные ткани характеризуются боль-

шой воздухопроницаемостью, обеспечивают надежную очистку и ре-

генерацию, но стойкость к кислым газам, особенно к SO

и туману

серной кислоты, низкая. Стоимость их выше, чем хлопчатобумаж-

ных.

При

длительном воздействии высокой температуры волокна ста-

новятся хрупкими. Работают при температуре газов до 90°С.

Синтетические ткани вытесняют материалы из хлопка и шер-

сти благодаря более высокой прочности, стойкости к повышенным

температурам и агрессивным воздействиям, более низкой стоимос-

ти. Среди них нитроновые ткани, которые используют при темпера-

туре 120-13

C в

химической промышленности

и цветной

металлургии.

Лавсановые

ткани

используются

для

очистки горячих сухих газов в це-

ментной, металлургической

химической промышленностях. В кислых

средах стойкость их высокая, в щелочных — резко снижается.

Стеклянные ткани стойки при 150-35O

C. Их изготовляют из

алюмоборосиликатного бесщелочного или магнезиального стекла.

Аэродинамические свойства чистых фильтровальных

тканей

ха-

рактеризуются воздухопроницаемостью — расходом воздуха при оп-

ределенном перепаде давления AP

обычно равном 49 Па. Воздухо-

проницаемость выражается в м

/(м

мин); численно она равна ско-

рости фильтрации (в м/мин) при AP

= 49 Па. Сопротивление незапы-

ленных тканей AP

при нагрузках 0,3-2 м

/(м

мин) обычно состав-

ляет 5-40 Па.

По мере запыления аэродинамическое сопротивление

ткани

воз-

растает. а расход газа через фильтр уменьшается. Ткань регенери-

руют путем продувки в обратном направлении, технического встря-

хивания или другими методами. После нескольких циклов фильтра-

ции-регенерации остаточное количество пыли в ткани стабилизиру-

ется; оно соответствует так называемому равновесному пылесодер-

жанию ткани q (в кг/м

) и остаточному сопротивлению равновесно

запыленной ткани AP

. Значения этих величин зависят от типа филь-

трующего материала, размеров и свойств пылевых частиц, относи-

тельной влажности газов, метода регенерации и других факторов.

В общем случае аэродинамическое сопротивление тканей по-

стоянно изменяется во времени в некоторых пределах: от остаточ-

ного сопротивления равновесно запыленной ткани AP

до заданного

сопротивления перед регенерацией AP

t п

AP =AP + AP , ¢-18)

ТП P ПС

где AP

— сопротивление слоя пыли, накопленной после регенерации.

Средняя скорость фильтрации U

(в м/мин) для многосекцион-

ных тканевых фильтров:

ТП

К Ct

ПС ф

2К C-C

ПС ф

f Л

ТП

(АР

ТП

f *

(АР У

ТП

, (1.19)

где АР'

— заданное сопротивление запыленной ткани перед реге-

нерацией, Па; т

— продолжительность цикла фильтрации в секции,

мин; с' — исходная концентрация пыли, г/м

; K

— коэффициент удель-

ного сопротивления пыли, Н мин/(кг м); и

— скорость фильтрации,

м/мин (и

определяют при AP

= 49 Па);

К = (АР' - AP') / u g , (1.20)

ПС

ТП P

ф°пс'

где g

— количество пыли, накопленное при увеличении сопротивле-

ния от AP' до AP' , кг/м

ТП

Коэффициент

характеризует структуру слоя пыли в реальных

условиях работы фильтра и представляет собой слой пыли массой 1

кг, накопленный на

фильтрующей поверхности и создающий со-

противление

Па при скорости фильтрации и =1 м/мин.

Необходимая площадь ткани в м

в одной секции:

S =V / о n, (1.21)

с г ср '

где V — объем фильтруемого газа, м

/мин; п —число секций.

Сопротивление запыленной ткани ДР"

то

с учетом продувочного

воздуха в регенерируемой секции определяется по уравнению:

ДР" =AP' (и n + u ) /и п, (1.22)

ТП TIl

Cp пр-' <Р

где

пр

— скорость продувочного воздуха через ткань в регенериру-

емой секции, м/мин.

Исходя из практических и экономических соображений, сопро-

тивление фильтров не должно превышать 0,75-1,5 кПа, лишь в осо-

бых случаях оно может быть 2-2,5 кПа. При более высоком значе-

нии сопротивления резко увеличивается величина проскока и возмо-

жен срыв рукавов или их разрушение.

Для приближенного расчета площади фильтрации следует оп-

ределить общий расход запыленных газов (с учетом подсоса) и рас-

ход продувочных газов, поступающих

из

регенерируемой

секции.

Надо

знать скорость фильтрования. Тогда общая площадь фильтрации ус-

тановки (в м

) составит

-S

+ S

-(V

+ V

)/У

+ S

(1.23)

где

— площадь фильтрации

одновременно работающих секциях,

; S

— площадь ткани в регенерируемой секции, м

; V

— расход

запыленных газов с учетом подсоса. м

/мин; V

— расход продувоч-

ных газов или воздуха, м

/мин.

По данным практики, остаточная концентрация пыли после тка-

невых фильтров составляет 10-50 мг/м

Волокнистые фильтры. Фильтрующий элемент этих фильт-

ров состоит из одного или нескольких слоев, в которых однородно

распределены волокна. Это фильтры объемного действия, так как

они рассчитаны на улавливание и накапливание частиц

преиму

ще-

ственно по всей глубине слоя. Сплошной слой пыли образуется толь-

ко на поверхности наиболее плотных материалов. Для фильтров ис-

пользуют естественные или специально получаемые волокна тол-

щиной от 0,01 до 100 мкм. Толщина фильтрующих сред составляет

от десятых долей миллиметра (бумага) до 2 м (многослойные глу-

бокие насадочные фильтры долговременного использования). Такие

фильтры используют

при

концентрации дисперсной твердой

фазы

0,5-

5 мг/м

и только некоторые грубоволокнистые фильтры применяют

при

концентрации 5-50 мг/м

. При таких концентрациях

основная

доля

частиц имеет размеры менее 5-10 мкм.

Различают следующие виды промышленных волокнистых фильт-

ров: 1) сухие—тонковолокнистые, электростатические,

глубокие,

филь-

тры предварительной очистки (предфильтры), 2) мокрые — сеточные,

самоочищающиеся, с периодическим или непрерывным орошением.

Процесс фильтрации в волокнистых фильтрах состоит из двух

стадий. На первой стадии (стационарная фильтрация) уловленные ча-

стицы практически не изменяют структуры фильтра во времени, на

второй стадии процесса (нестационарная фильтрация) в фильтре про-

исходят непрерывные структурные изменения вследствие накопле-

ния уловленных частиц в значительных количествах. В соответствии

с этим все время изменяются эффективность очистки и сопротивле-

ние фильтра. Теория фильтрования в таких фильтрах еще недоста-

точно разработана.

Волокнистые фильтры тонкой очистки. Используются в

атомной энергетике, радиоэлектронике, точном приборостроении, про-

мышленной микробиологии,

химико-фармацевтической

других от-

раслях. Фильтры позволяют очищать большие объемы газов от твер-

дых частиц всех размеров, включая субмикронные. Их широко при-

меняют для очистки радиоактивных аэрозолей. Для очистки на 99%

(для частиц 0,05-0,5 мкм) применяют материалы в виде тонких лис-

тов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон (диа-

метр менее 2 мкм). Скорость фильтрации в них составляем 0,01-

0,15 м/с, сопротивление чистых фильтров не превышает 200-300 Па,

а забитых пылью фильтров 700-1500 Па. Улавливание частиц в филь-

трах тонкой очистки происходит за счет броуновской диффузии и эф-

фекта касания.

Регенерация отработанных фильтров неэффективна или не-

возможна. Они предназначены для работы на длительный срок (0,5-3

года). После этого фильтр заменяют на новый. С увеличением концент-

рации пыли на входе >0,5 мг/м

срок службы значительно сокращается.

В России широко распространены фильтрующие материалы типа

ФП (фильтры Петрянова) из полимерных смол. Они представляют

собой слои синтетических волокон диаметром 1-2,5 мкм, нанесен-

ные на марлевую подложку (основу) из скрепленных между собой

более толстых волокон. В качестве полимеров для ФП используют

перхлорвинил (ФПП) и диацетатцеллюлозу (ФПА), хотя возможно

применение других материалов. Перхлорвиниловые волокна харак-

теризуются гидрофобностью и высокой химической стойкостью в

кислотах, щелочах и растворах солей. Но они не стойки против ма-

сел и растворителей, и термостойкость их не велика (до 60 °С). Аце-

татные волокна — гидрофильны, недостаточно стойки к кислотам и

щелочам, но термостойкость их достигает 150 °С.

Материал ФП характеризуется высокими фильтрующими свой-

ствами. Толщина слоев ФП (0,2-1 мм) дает воможность получить

поверхность фильтрации до 100-150 м

на 1 м

аппарата. Пылеем-

кость материалов ФП (50-100 г/м

) выше, чем асбестоцеллюлозных

картонов и стекловолокнистых бу маг.

Оптимальная конструкция фильтров тонкой очистки должна от-

вечать следующим основным требованиям: наибольшая поверхность

фильтрации при наименьших габаритах, минимальное сопротивление,

возможность более удобной и быстрой установки, надежная герме-

тичность групповой сборки отдельных фильтров. Этим требованиям

соответствуют рамные фильтры (рис. I-11,а). Фильтрующий матери-

ал в виде ленты вкладывают между П-образными рамками, череду-

ющимися при сборке пакета, открытыми и закрытыми сторонами в

противоположных направлениях. Между соседними слоями материала

устанавливают гофрированные разделители, чтобы

не

допустить при-

мыкания их друг к другу. Материал для рамок: фанера, винипласт,

алюминий, нержавеющая сталь. Загрязненные газы

посту

пают в одну

из открытых сторон фильтра, проходят через материал и выходят с

противоположной стороны.

Фильтры марки Д-КЛ (рис. I-11,6) представляют собой набор цель-

ноштампованных гофрированных рамок-разделителей из виниплас-

товой пленки, между которыми укладывается фильтрующий мате-

риал. Рамки имеют форму клиньев и установлены с чередованием

открытых и закрытых сторон в противоположных направлениях.

Разработаны стекловолокнистые фильтры тонкой и грубой очи-

стки производительностью от 200 до 1500 м

/ч с сопротивлением от

200 до 1000 Па.

Двухступенчатые или комбинированные фильтры (рис. I-

11, в). В одном корпусе размещают фильтры грубой очистки из на-

бивного слоя лавсановых волокон толщиной 100 мм и фильтр тонкой

очистки из материала ФП.

Глубокие фильтры. Это фильтры многослойные. Используются

для очистки вентиляционного воздуха и технологического газа от ра-

диоактивных частиц. Многослойные фильтры рассчитаны на работу

в течение 10-20 лет. После этого их захоранивают с цементированием.

Зернистые фильтры. Применяются для очистки газов реже, чем

волокнистые фильтры. Достоинства зернистых фильтров: доступность

материала, возможность работать при высоких температурах и в усло-

виях агрессивной среды, выдерживать большие механические нагрузки

и перепады давлений, а также резкие изменения температуры. Разли-

чают насадочные и жесткие зернистые фильтры.

Насадочиые (насыпные) фильтры В таких фильтрах улавли-

вающие элементы (гранулы, куски и т д.) не связаны друг с другом.

К ним относятся: статические (неподвижные) слоевые фильтры;

динамические (подвижные) слоевые фильтры с гравитационным

перемещением сыпучей среды; псевдоожиженные слои. В насыпных

фильтрах в качестве насадки используется песок, галька, шлак, дробле-

ные

горные

породы, древесные опилки, кокс, крошка резины, пластмас-

сы, графит и др. Выбор материала зависит от требуемой термической и

химической стойкости, механической прочности и доступности.

По мере накопления пыли в порах насадки эффективность улав-

ливания возрастает. При увеличении сопротивления до предела про-

изводят рыхление слоя. После нескольких циклов рыхления насадку

промывают или заменяют.

Фильтры имеют насадку с размером зерен 0,2-2 мм. Воздух на-

Запыленный

газ —J

Запыленный

газ

АЛАЛЛ

Л АЛЛА

ШИШ

«э

¢0

. -I-

* 1

э-

РИС. 1-11. Фильтры тонкой очистки: a — рамный: 1 — П-образная планка; 2 —

боковая стенка; 3 — фильтрующий материал; 4 — разделитель; б — с сепараторами

клиновой формы типа Д-KJI: 1 — фильтрующий материал; 2 — рамка-сепаратор

клиновидной формы;

— комбинированный:

— секция с набивным слоем из воло-

кон; 2 — секция тонкой очистки

правляется сверху вниз. При концентрации пыли на входе в фильтр

1-20 мг/м

расход воздуха составляет 2,5-17,0 м

/(м

.мин); началь-

ное сопротивление от 50 до 200 Па. Высота слоя на сетках находит-

ся в пределах от 0,1 до 0,15 м.

Имеются

зернистые фильтры, регенерируемые путем вороше-

ния или вибрационной встряски зернистого слоя внутри аппарата, а

также

фильтры

с движущейся средой (рис. 1-12). Материал перемеща-

ется мевду сетками или жалюзийными решетками. Регенерацию ма-

териала от пыли проводят в отдельном аппарате путем грохочения

или промывки. Если фильтрующая среда состоит из того же матери-

ала, что и пыль, то загрязненные гранулы выводят из системы и ис-

пользуют в технологическом процессе.

Зернистые жесткие фильтры.

В этих фильтрах зерна

прочно

свя-

заны друг с другом в результате спекания, прессования или склеивания

и образуют прочную неподвижную систему. К ним относятся пористая

керамика, пористые металлы, пористые пластмассы. Фильтры устой-

чивы

высокой температуре,

коррозии и

механическим

нагрузкам

и при-

меняются для фильтрования сжатых газов. Недостатки таких фильт-

ров:

высокая

стоимость, большое гидравлическое сопротивление

труд-

ности регенерации, которую проводят

четырьмя

способами: 1) продува-

нием воздухом в обратном направлении; 2) пропусканием жидких ра-

створов

в обратном

направлении; 3)

пропу

сканием горячего пара;

4) про-

стукиванием или вибрацией трубной решетки с элементами.

Очищенный

газ <—

Зернистый -^

материал N

Запыленный

< газ

Зернистый

материал

Рис. 1-12. Фильтр с движущимися слоями зернистого материала: 1 — короб

для подачи свежего зернистого

материала;

2 —

питатели;

3 — фильтрующие

слои;

4 —

затворы; 5 — короб для вывода зернистого материала