Очистка отходящих газов от пылей и туманов в фильтрах

Принцип работы, виды и основные характеристики фильтров для очистки отходящих газов от пылей и туманов

Содержание

Общие сведения о фильтрах для очистки газов от пылей и туманов
Группы фильтрующих перегородок
Группы фильтров для очистки отходящих газов от пылей и туманов
Тканевые фильтры
Волокнистые фильтры
Зернистые жесткие фильтры
Зернистые насадочные фильтры
Керамические и металлокерамические фильтры
Электрофильтры

Общие сведения о фильтрах для очистки газов от пылей и туманов

В основе работы фильтров всех видов лежит процесс фильтрации газа через пористую проницаемую для газа перегородку. При этом твердые частицы задерживаются на перегородке, а газ полностью проходит сквозь нее.

На эффективность процесса фильтрации (особенно для частиц размером менее 1 мкм) значительно влияет электрическая заряженность частиц: наличие разноименных зарядов на частицах повышает эффективность фильтрации. Этот эффект слабее при повышенном влагосодержании (до 70 %) и высоких скоростях газопылевого потока (до 6 м/мин).

Частицы, осажденные в объеме фильтрующего материала или накопленные на его поверхности, служат для вновь поступающих частиц составным элементом фильтрующей среды, который повышает степень очистки. Однако по мере накопления частиц газопроницаемость фильтрующего материала снижается, поэтому необходима замена фильтрующего материала и его периодическая регенерация.

Схема работы фильтра

В случае улавливания жидких частиц накапливающаяся жидкость удаляется из пористой перегородки самопроизвольно.

Группы фильтрующих перегородок

Фильтрующие перегородки, преимущественно состоящие из волокнистых или зернистых элементов, можно условно разделить на следующие группы:

Группа	Примеры материалов
Гибкие пористые перегородки	-
Тканевые материалы из природных синтетических или минеральных волокон	-
Нетканые волокнистые материалы	войлоки, клееные и иглопробивные материалы, бумага, картон, волокнистые маты
Ячеистые листы	губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры
Полужесткие пористые перегородки	слои волокон, стружка, вязаные сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними
Жесткие пористые перегородки	зернистые материалы (пористая керамика или пластмасса, спеченные или спрессованные порошки металлов, пористые стекла, углеграфитовые материалы и др.)
Волокнистые материалы	сформированные слои из стеклянных и металлических волокон
Металлические сетки и перфорированные листы	-
Зернистые слои	свободно насыпанные материалы (периодически или непрерывно перемещающиеся материалы)

Группы фильтров для очистки отходящих газов от пылей и туманов

В зависимости от назначения и величин входной и выходной концентрации все фильтры для очистки газов от пылей и аэрозолей условно разделяют на три группы:

Фильтры тонкой очистки (высокоэффективные или абсолютные фильтры)

Предназначены для улавливания преимущественно субмикронных частиц с низкой входной концентрацией менее 1 мг/м³ и скоростью фильтрования <10 см/с.
Фильтры используют для улавливания токсичных частиц и ультратонкой очистки воздуха при проведении некоторых технологических процессов. Степень улавливания — более 99%.

Фильтры тонкой очистки не подлежат регенерации

Воздушные фильтры

Используются в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха. Эти фильтры эксплуатируются при концентрации пыли менее 50 мг/м³ при высокой скорости фильтрации — до 3 м/с.

Фильтры могут быть как нерегенерируемые и регенерируемые

Промышленные фильтры (тканевые, зернистые, грубоволокнистые)

Применяются для очистки промышленных газов концентрацией до 60 г/м³ .

Фильтры подлежат регенерации.

Далее рассмотрим основные виды фильтров, используемые в промышленности.

Тканевые фильтры

В тканевом фильтре отходящий газ пропускают через плотную ткань, войлок и другие (см. выше группы фильтрующих перегородок).
При этом твердые частицы собираются на ткани. Тканевые фильтры изготавливают в виде листов, картриджей или рукавов.
Самый распространенный тип тканевых фильтров - рукавные фильтры.

Внешний вид рукавного фильтра типа ФРКИ

Применение тканевых фильтров связано с использованием больших площадей фильтрации, что объясняется необходимостью предотвращения недопустимого падения давления на фильтре, которое может привести к выходу из строя корпуса фильтра и, соответственно, неорганизованному выбросу пыли.

Тканевые фильтры группируются по различным признакам:

Признак	Группы фильтров
Форма фильтровальных элементов	рукавные, плоские, клиновые и др.
Наличие опорных устройств	каркасные, рамные
Место расположения вентилятора относительно фильтра	нагнетательные, работающие под давлением, и всасывающие, работающие под разрежением
Способ регенерации ткани	встряхиваемые, с обратной продувкой, с вибрационным встряхиванием, с импульсной продувкой и др.
Наличие и форма корпуса для размещения ткани	прямоугольные цилиндрические, открытые или бескамерные
Число секций в установке	однокамерные и многосекционные
Вид используемой ткани	стеклотканевые и др.

Например, одним из наиболее популярных типов тканевых фильтров в промышленности являются фильтры ФРКИ (см. рисунок выше) различных исполнений (ФРКИ-30, ФРКИ-90 и т.д.). Тип фильтра, фактически, содержит в себе его описание по группам: "фильтр рукавный каркасный с импульсной продувкой"

Что касается способов регенерации тканевых фильтров, то они подразделяются на два вида: механические (обычно встряхивание, иногда кручение) и пневматические (различные виды обратной продувки: непрерывная, пульсирующая, импульсная, струйная).

В настоящее время в промышленности наиболее распространены следующие типы тканевых фильтров:

тканевый фильтр с регенерацией механическим встряхиванием, при котором отходящий газ поступает во впускную трубу, снабженную дефлектором, где большие частицы удаляются, попадая на отбойник и падая в бункер. Газ с твердыми частицами втягивается через ячеистую пластинку и проходит от внутренней части к внешней, при этом твердые частицы собираются на внутренней стороне рукава. Верх рукава прикреплен к перекладине вибратора, который быстро двигается, обеспечивая регенерацию рукавов;
тканевый фильтр с очисткой обратным потоком, в котором используется более щадящий (но нередко менее эффективный механизм) регенерации ткани по сравнению с механическим встряхиванием. Обычно рукава открыты снизу и закрыты сверху; пыль улавливается на внутренней или внешней стороне рукава. Такой фильтр часто используется в сочетании со встряхиванием, импульсной или ультразвуковой очисткой;
тканевый фильтр с импульсно-струйной регенерацией используется при высоких пылевых нагрузках. Работает при постоянном перепаде давления, занимая при этом меньше места по сравнению с другими типами тканевых фильтров. Рукава закрыты снизу и открыты сверху, поддерживаясь внутренними фиксаторами. Газ с твердыми частицами двигается снаружи к внутренней части рукава, а диффузоры используются для предотвращения повреждения рукава негабаритными частицами. Частицы собираются на внешней стороне рукава и падают в бункер. Такие фильтры могут эксплуатироваться только в качестве внешнего устройства для сбора пыли. Импульсно-струйная регенерация представляет собой нагнетание воздуха в рукава короткими импульсами (0,03–0,1 с) под высоким давлением (0,4–0,8 МПа). Этот способ предусматривает, что поток отходящих газов не останавливается во время регенерации. В тканевых фильтрах с импульсно-струйной регенерацией используют войлочные (нетканые) материалы.

К основным требованиям, предъявляемым к фильтровальным материалам, относятся:

высокая пылеемкость при фильтрации и способность удерживать после регенерации такое количество пыли, которое является достаточным для обеспечения высокой степени очистки газов от тонкодисперсных твердых частиц;
способность к сохранению оптимально высокой воздухопроницаемости в равновесно запыленном состоянии;
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;
способность к легкому удалению накопленной пыли;
низкая стоимость.

Фильтровальные рукава и материалы

Тканевые фильтры в основном используют для удаления твердых частиц размером до 2,5 мкм и опасных веществ в виде твердых частиц, например, металлов, за исключением ртути. Их также можно эффективно использовать для удаления конкретных газообразных загрязняющих веществ, если сочетать их с системами, расположенными после пылеуловительной камеры с рукавными фильтрами и связанными с внесением дополнительных материалов, в том числе с адсорбцией и сухим вдуванием извести/бикарбоната натрия.

Если в очищаемых газах содержатся относительно крупные частицы, то для снижения нагрузки на ткань фильтра (особенно при высоких концентрациях во входном потоке) перед тканевым фильтром устанавливают механические пылеуловители, например, циклоны

Перед рукавным фильтром установлен циклон для улавливания крупнодисперсной пыли

К основным достоинствам и недостаткам тканевых фильтров относят:

Эффективное пылеулавливание при относительно умеренных капитальных и эксплуатационных затратах
Отсутствие зависимости остаточных выбросов от концентрации пыли на входе
Относительно простая эксплуатация
Надежность
Непригодность для обработки влажных или липких пылей из-за риска засорения фильтра
Относительно большие габаритные размеры

Волокнистые фильтры

Волокнистые фильтры нашли широкое применение для очистки выбросов от гальванических производств, однако, могут использоваться также и для тонкой очистки газов от пылей и туманов. В волокнистых фильтрах фильтрующий элемент состоит из одного или нескольких слоев, в которых однородно распределены волокна. Такие фильтры оказывают объемное действие, поскольку рассчитаны на улавливание и накапливание частиц преимущественно по всей глубине слоя и только на поверхности наиболее плотных материалов образуется сплошной слой пыли.

Волокнистый фильтр

Фильтрующие элементы изготавливают из натуральных или искусственных волокон толщиной от 0,01 до 100 мкм. При этом толщина фильтрующих сред составляет от десятых долей миллиметра (бумага) до 2 м (многослойные глубокие насадочные фильтры долговременного использования).

Волокнистые фильтры используют при концентрации дисперсной твердой фазы, равной 0,5–5 мг/м3 , и только некоторые грубоволокнистые фильтры применяют при концентрации, равной 5–50 мг/м3 (при таких концентрациях основная доля частиц имеет размеры менее 5–10 мкм). Группы и виды волокнистых фильтров представлены в таблице ниже

Группа	Виды волокнистых фильтров
Сухие волокнистые фильтры	тонковолокнистые, электростатические, глубокие, фильтры предварительной очистки (предфильтры)
Мокрые волокнистые фильтры	сеточные, самоочищающиеся, с периодическим или непрерывным орошением

С помощью волокнистых фильтров можно очищать большие объемы газа от твердых частиц всех размеров, включая субмикронные, а также использовать для очистки радиоактивных аэрозолей. Для 99%-ной очистки частиц размером 0,05–0,5 мкм применяют материалы из тонких или ультратонких волокон (диаметром менее 2 мкм), скомпонованные в виде тонких листов или объемных слоев. При этом скорость фильтрации достигает 0,01–0,15 м/с, а сопротивление чистых фильтров не превышает 200– 300 Па (забитых пылью фильтров — 700–1500 Па).

Регенерация волокнистых фильтров, рассчитанных на длительный срок эксплуатации (до 3 лет), является либо невозможной, либо экономически нецелесообразной. Если концентрация пыли на входе в фильтр превышает 0,5 мг/м3 , то срок службы фильтра значительно сокращается.

В качестве фильтров-туманоуловителей широко используют волокнистые самоочищающиеся фильтры, оснащаемые слоями из стеклянных, синтетических и металлических волокон, а также пакетами вязаных металлических или синтетических сеток. Конструктивной особенностью этих фильтров является коалесценция уловленных жидких частиц при контакте с поверхностью волокон и образование на них пленки жидкости, которая удаляется по мере накопления в слое в виде струек или крупных капель, перемещающихся внутри слоя и с тыльной стороны под действием силы тяжести, а также увлечения газовым потоком или капиллярных сил. Обычно при этом не требуется применения механических воздействий на фильтрующие слои: фильтры работают с постоянным сопротивлением в стационарном режиме саморегенерации.

Классификация волокнистых фильтров-туманоуловителей следующия:

Группа	Скорость потока, м/с	Диаметр волокон, мкм	Размер улавливаемых частиц
Низкоскоростные	менее 0,2	5−20	менее 1 мкм
Высокоскоростные	0,5−1,2	до 100	более 1 мкм
Многоступенчатые	состоят из 2−3 низкоскоростных и высокоскоростных фильтров, в которых первая ступень работает при скоростях выше критической и является укрупнителем улавливаемых капель при высоких исходных концентрациях тумана

Основными достоинствами волокнистых фильтров-туманоуловителей являются:

Высокая степень очистки
Надежность в эксплуатации
Простота конструкций, монтажа и обслуживания
Возможность обеспечения очистки до любой остаточной концентрации
Возможность зарастания

Если в тумане имеется значительное количество твердых частиц и если в слое образуются нерастворимые отложения солей (СаSO4, CaCO и др.), которые образуются при взаимодействии солей жесткости воды с газами (CO2, HF и др.).

Зернистые жесткие фильтры

Зернистые фильтры в промышленности применяются значительно реже, чем тканевые или волокнистые. В таких фильтрах зерна (пористая керамика, пористые металлы, пористые пластмассы) прочно связанны друг с другом в результате спекания, прессования или склеивания и образуют жесткую неподвижную систему.
Эти фильтры пригодны для регенерации, которую осуществляют продуванием воздухом или пропусканием жидкости/пара в обратном направлении, простукиванием или вибрацией трубной решетки с элементами.

Основными достоинствами и недостатками зернистых жестких фильтров являются

Доступность материала
Возможность эксплуатации при высоких температурах и в условиях агрессивной среды
Способность выдерживать большие механические нагрузки, перепады давлений, резкие изменения температуры
Высокая стоимость
Большое гидравлическое сопротивление
Сложность регенерации

Зернистые насадочные фильтры

Зернистые насадочные (насыпные) фильтры классифицируют по состояние фильтрующего слоя на:

статические (неподвижные) слоевые фильтры;
динамические (подвижные) слоевые фильтры с гравитационным перемещением сыпучей среды;
фильтры с псевдоожиженными слоями.

В зернистых насадочных фильтрах улавливающие элементы (гранулы, куски материалов т. д.) не связаны друг с другом. В качестве фильтрующих материалов используют песок, гальку, шлак, дробленые горные породы, древесные опилки, кокс, резиновую крошку, графит и другие материалы. Выбор материала зависит от требуемой термической и химической стойкости, механической прочности и доступности.

Эффективность улавливания пыли возрастает по мере ее накопления в фильтрующем слое. При увеличении сопротивления до предела производят рыхление слоя, а после нескольких циклов рыхления насадку промывают или заменяют. Конструктивной особенностью зернистых фильтров, регенерируемых продвижением слоя, является непрерывное движение рыхлого слоя, который вместе с уловленной пылью проходит через вибрирующий экран. Для непрерывного возобновления движущегося слоя необходимо использование громоздкой дорогостоящей системы циркуляции гранул.

Основные достоинства и недостатки зернистых насадочных фильтров являются:

Возможность возвращения фильтрующего слоя, состоящего из зерен шихты, вместе с уловленной пылью непосредственно в технологический цикл
Возможность более длительного рабочего цикла зернистого слоя без его замены, а при необходимости — быстрая смена слоя
Возможность эксплуатации при повышенных температурах
Отсутствие вращающихся узлов
Возможность использования аппарата при комплексной очистке газа в качестве фильтра-реактора адсорбера
Неравномерное распределение импульсного потока при регенерации фильтровальной поверхности
Залегание зернистого слоя на жалюзийных решетках

Керамические и металлокерамические фильтры

В керамическом фильтре загрязненный газ проходит через керамический фильтрующий материал, который может быть выполнен в различных формах (ткань, войлок, волокно, стойкий к истиранию агломерат или фильтровальные свечи). В таких керамических фильтрах могут очищаться как пыли, так и различные газообразные примеси. Так, если требуется осуществить удаление кислых компонентов (например, гидрохлорида (316), оксидов азота (301, 304), диоксида серы (330) или диоксинов (3620)), то фильтрующий материал наполняют соответствующими катализаторами или осуществляют впрыск реагентов.

В металлокерамических фильтрах, применяемых для очистки газов с крупнозернистыми и мелкими частицами, поверхностная фильтрация осуществляется спеченными пористыми металлическими фильтрующими элементами, которые устойчивы к абразивному износу от грубых частиц. Фильтрующие элементы можно регенерировать с помощью возвратной или импульсной струи сжатого воздуха, азота или чистого технологического газа. Металлокерамические фильтры обычно используют, когда обычные синтетические или стекловолоконные фильтрующие материалы не возможно использовать из-за чрезмерно высокой рабочей температуры (>300 °C). Керамические и металлокерамические фильтры в основном используют для удаления пыли при высоких температурах:

на установках для сжигания и в системах газификации, где в качестве топлива используется уголь;
в промышленности по переработке отходов;
при производстве полимеров;
в химической и стекольной промышленности;
на нефтехимических заводах для сокращения выбросов (в основном мелких частиц катализатора);
для удаления твердых частиц из остаточных продуктов установок крекинга на псевдоожиженном слое катализатора и установок замедленного коксования.

Основными достоинствами и недостатками керамических и металлокерамических фильтров являются:

Механическая прочность и стойкость к тепловому удару (фильтры нечувствительны к колебаниям температуры)
Очень низкое (<10 мбар) падение давления из-за высокой пористости материала
Достижимый уровень выбросов менее 1 мг/м³
Высокая стоимость по сравнению с другими фильтрующими материалами
Уязвимость керамического материала
Относительно высокий перепад давления
низкая пригодность для очистки от влажных и (или) липких химических веществ
Относительно дорогое техническое обслуживание и высокие эксплуатационные расходы

Электрофильтры

Наиболее распространенными универсальными аппаратами для очистки промышленных газов от твердых и жидких частиц являются электрофильтры. Классифицируют электрофильтры по различным признакам:

Признак	Виды электрофильтров
по форме осадительных электродов	пластинчатые, трубчатые, сотовые
по направлению движения газового потока	горизонтальные и вертикальные
по числу электрических полей	двухпольные и многопольные
по числу параллельно работающих секций	на односекционные и многосекционные
по способу очистки пыли	на сухие и мокрые
по степени совмещения зон ионизации и очистки	однозонные (одноступенчатые) и двухзонные

Устройство промышленного электрофильтра

Основными преимуществами и недостатка электрофильтров являются:

Высокая степень очистки (до 99%)
Низкие энергетические затраты на улавливание частиц

Включая потери энергии на преодоление газодинамического сопротивления аппарата, не превышающего 150−200 Па, и затраты энергии, обычно составляющие 0,3−1,8 МДж (0,1−0,5 кВт·ч) на 1000 м³ газа
Возможность улавливания частиц размером 100−0,1 мкм и менее

При этом концентрация взвешенных частиц в газах может колебаться от долей до 50 г/м³ и более, а их температура может превышать 500 °C
Возможность работы под давлением и разрежением, а также в условиях воздействия различных агрессивных сред
Возможность полной автоматизации
Высокое гидравлическое сопротивление (1250–1500 Па)
Высокая чувствительность процесса электрической фильтрации газов к отклонениям от заданных параметров технологического режима, а также к незначительным механическим дефектам в активной зоне аппарата

Также следует учитывать, что при эксплуатации электрофильтров неизбежно возникновение искровых разрядов. В связи с этим электрофильтры не применяют, если очищаемый газ представляет собой взрывоопасную смесь или такая смесь может образоваться в ходе процесса в результате отклонения от нормального технологического режима.

В очень редких случаях электрофильтры используют в условиях возможного образования взрывоопасных сред, но при этом предпринимают особые меры предосторожности (специальные конструктивные решения, автоматическое отключение агрегата питания при возникновении взрывоопасных концентраций среды и т. п.).