Тканевые фильтры

Наиболее распространенным типом тканевого фильтра является рукавный фильтр, схема работы которого дана на рис. 24. Главным элементом такого фильтра является рукав, изготовленный из фильтровальной ткани. Корпус фильтра разделен на ряд герметизированных секций, в каждой из которых размещено по несколько рукавов. Газ, подлежащий очистке, подводится в нижнюю часть каждой секции и поступает внутрь рукавов. Фильтруясь через ткань, газ проходит в секцию, откуда через открытый выпускной клапан поступает в газопровод чистого газа
(рис. 24, 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 (рис. 24, 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 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.

Секции фильтра переводят на регенерацию по очереди, и, следовательно, фильтр все время находится в работе.

Движение запыленного газового потока через ткань. При прохождении газа через чистую ткань, т. е. в начальный период работы фильтра, частицы пыли осаждаются на волокнах ткани. Захват частиц волокнами происходит засчет действия механизмов касания, инерции, диффузии, гравитации или электростатического взаимодействия. Затем, вследствие того, что плотность упаковки у ткани значительно выше, чем у волокнистых фильтров, на лобовой стороне фильтра начинает формироваться сплошной слой из частиц пыли, которые не могут проникнуть вглубь ткани.

Образующийся вторичный лобовой слой (автослой) начинает сам задерживать поступающие частицы, в результате чего толщина его постепенно возрастает, и он становится главной фильтрующей средой. Поскольку поры, образующиеся между частицами лобового слоя, и сами улавливаемые частицы имеют близкие размеры, значительную роль начинает играть ситовый эффект.

Непроницаемость вторичного пылевого слоя для вновь поступающих частиц всех размеров хорошо объясняет обычно очень высокую степень очистки газов (нередко превышающую 99,9%) в тканевых фильтрах в запыленном состоянии. Снижение эффективности фильтра всегда связано с динамическим пробоем этого слоя и проскоком пыли в местах его разрушения, образования трещин, а также с наличием крупных пор в фильтрующем материале, где слой пыли вообще не может образоваться. Возникновение трещин и разрушение пылевого слоя могут происходить непосредственно в ходе процесса фильтрования в результате пульсаций газового потока и микровибрации промышленной установки. Всякое увеличение внешних сил, действующих на систему, в частности рост перепада давления на фильтре, способствует возникновению динамических пробоев слоя.

Практика показала, что оптимальные значения скорости фильтрования в тканевых фильтрах лежат в пределах 0,5–1,0 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.

Гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки Δр_ф может быть представлено суммой двух слагаемых: из которых первое представляет собой постоянное сопротивление Δр₁ самой фильтровальной перегородки с учетом пыли, оставшейся на ней после регенерации, а второе – переменное сопротивление Δр₂ накапливающегося на фильтровальной перегородке слоя пыли, удаляемого с нее в процессе регенерации: Δр_ф = Δр₁+ Δр₂.

В процессе регенерации как гидравлическое сопротивление, так и эффективность фильтра снижаются (рис.25). 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.

Фильтровальные материалы. По структуре фильтровальные материалы подразделяют на тканые и нетканые. Тканые материалы представляют собой переплетение нитей диаметром до 300–700 мкм. Продольные нити называют основой, а поперечные – утком. Характер переплетения может быть различным. В случае специальной обработки – ворсования на поверхности ткани образуется ворс из спутанных между собой волокон.

К нетканым материалам относятся фильтровальные войлоки и фетры, представляющие собой плотные слои беспорядочно упакованных волокон.

К фильтровальным тканям предъявляется ряд требований, являющихся условием их нормальной работы:

1) высокая пылеемкость при фильтрации и способность удерживать при регенерации часть пыли, что обеспечивает достаточно высокую эффективность после регенерации;

2) сохранение оптимально высокой газопроницаемости в равновесно запыленном состоянии;

3) высокая механическая прочность и стойкость к истиранию, изгибу и воздействию температуры и химических веществ, содержащихся в очищаемых газах;

4) способность к легкому удалению осевшей пыли;

5) минимальное влагопоглощение и способность к легкому удалению накопленной влаги (малая гигроскопичность);

6) умеренная стоимость.

Выбор вида ткани определяется в основном температурой, а также влагосодержанием и агрессивными свойствами газового потока, сроками службы ткани в рабочих условиях и стоимостью ткани. Наряду с тканями из натуральных волокон (хлопок, лен, шерсть) широко применяют ткани из синтетических волокон – капрон, нитрон, лавсан, а также стеклоткани. Используют и нетканые материалы.

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

Некоторые из перечисленных требований зависят от свойств применяемых волокон, другие – от структуры готовых материалов. В табл.9 приведены некоторые свойства наиболее широко используемых волокон.

Хлопчатобумажные ткани обладают хорошими фильтрующими свойствами и характеризуются низкой стоимостью. Хорошие фильтрующие свойства тканей обусловлены лентовидной формой, апере-крученностью волокон вокруг оси и малой толщиной (d_в = 12–25 мкм).

Ограниченная применяемость хлопка объясняется низкой химической и термической стойкостью, горючестью и высокой влагоемкостью.

Шерстяные ткани характеризуются высокой воздухопроницаемостью, обеспечивают надежную очистку и легкость регенерации, но стойкость к кислым газам, особенно к оксидам серы и туману серной кислоты, низкая. Срок службы шерстяных тканей на предприятиях цветной металлургии 9–12 месяцев; стоимость их значительно выше, чем хлопчатобумажных и синтетических. При температуре до 90°С срок службы шерстяных рукавов удовлетворительный; при длительном воздействии более высокой температуры волокна становятся хрупкими.

В последние годы ткани из синтетических волокон вытесняют материалы из хлопка и шерсти благодаря высокой прочности, стойкости к повышенным температурам и агрессивным воздействиям. Стоимость их в большинстве случаев ниже стоимости шерстяных тканей.

Нитроновые ткани обладают хорошими фильтрующими свойствами, высокой механической прочностью, могут применяться длительное время при температуре 120…130°С и выдерживают кратковременное воздействие температуры до 180°С. Вследствие химической и термической стойкости и низкого влагопоглощения они широко применяются в цветной металлургии и химической промышленности для очистки горячих газов. Срок службы рукавов из этого материала 9–12 месяцев и больше (в зависимости от условий фильтрации).

Лавсановые ткани используются для очистки горячих сухих газов, в частности, в цементной, металлургической и химической промышленности. Прочность их в 3–5 раз выше, чем шерстяных. Во влажных горячих газах, особенно в щелочной среде, прочность лавсановых тканей резко снижается. В кислых средах и при наличии окислителя стойкость тканей высокая, но концентрированная серная кислота разрушает волокна. Износ лавсановых и нитроновых тканей усиливается при резких колебаниях температур.

Ткани из полиэфирных волокон устойчивы к истиранию, поэтому их используют для улавливания абразивных пылей, например, в производстве керамических огнеупорных материалов.

Кроме перечисленных материалов применяют также ткани из капроновых, полипропиленовых и поливинилхлоридных волокон.

Все они обладают высокой химической стойкостью в специфических средах и низкой влагоемкостью, но не выдерживают более высокой температуры, чем отличаются от тканей на основе лавсана и нитрона. В условиях высокой влажности при низкой температуре (в рудниках) хорошие результаты показали рукавные фильтры из хлориновой ткани.

Фильтровальные ткани на основе полипропилена по стоимости приближаются к хлопчатобумажным. Полипропиленовые волокна отличаются низкой плотностью, высокой прочностью и устойчивостью к истиранию. Высокая химическая стойкость и гидрофобность полипропиленовых тканей (так же как и поливинилхлоридных и тефлоновых) дает возможность использовать их в агрессивных средах при улавливании пылей с повышенными адгезионными свойствами.

Таблица 9

Свойства текстильных волокон^*

^{__________________}

* Условные обозначения: ОХ – очень хорошая; Х – хорошая; У – удовлетворительная; П – плохая; ОП – очень плохая; Г – горючая; НГ – негорючая

Полипропиленовые ткани благодаря низкой адгезии пыли к поверхности волокон были, например, успешно использованы для улавливания ее в производстве пластмасс.

Исключительно хорошими химическими и термическими свойствами обладают политетрафторэтиленовые (полифеновые) ткани, но их недостатками являются текучесть и высокая стоимость. Тефлоновые ткани применяют для очистки газообразного хлора от пыли, возгонов соединений свинца.

Новыми перспективными фильтрующими материалами являются ткани из волокон на основе ароматических полиамидов: фенилон (номекс), полиоксадиазола (оксалон). Они отличаются высокой механической прочностью, устойчивостью к истиранию и эластичностью при температурах до 220–250°С. Эти ткани используются для очистки горячих газов на предприятиях черной и цветной металлургии, в цементной и сажевой промышленности.

Стеклянные ткани стойки при температурах 150…350°С, когда природные и большинство синтетических волокон разрушаются. Стеклянную ткань изготавливают из алюмоборосиликатного бесщелочного или магнезиального стекла. Непрерывные нити из волокон диаметром
5–8 мкм получают из расплава с помощью фильер, штапельное волокно длиной 20–40 см – распылением расплава прерывистыми струями горячего воздуха.

Для улучшения сопротивляемости к многократным изгибам стеклянные ткани подвергают термохимической обработке путем пропитки водной эмульсией кремнийорганических соединений с последующей полимеризацией защитной пленки при высокой температуре. Аппретированная стеклянная ткань становится эластичной, приобретает гладкую и гидрофобную поверхность, с которой легко удаляется слой уловленной пыли.

Срок службы такой ткани зависит от стойкости кремнийорга-нических полимеров, которые начинают разрушаться при 175…225°С; при дальнейшем повышении температуры долговечность ткани резко снижается, но и при 250°С срок службы обработанных тканей по сравнению с необработанными в несколько раз выше и составляет от 6 до 24 месяцев. Получены стеклоткани, выдерживающие температуры до 500°С.

Несмотря на более высокую изгибоустойчивость регенерацию аппретированных стеклотканевых рукавов производят в основном обратной продувкой, а в некоторых случаях периодически (несколько раз в сутки) кратковременным покачиванием рукавов.

При длительном воздействии температуры и высокой абсолютной влажности снижается стойкость покрытия, и волокна приобретают склонность к самоистиранию. Особенно сильный износ наблюдается, если рукава плохо натянуты (провесы), а также, если не обеспечивается синхронное и плавное перекрытие дроссельных клапанов подачи чистого и загрязненного газов. Рукава обычно навешиваются на регулируемые пружины; механические воздействия на стеклянную ткань и резкие толчки, вызывающие изгибающие деформации с образованием складок, должны быть полностью исключены.

При очистке сухих газов от пылей с высоким электрическим сопротивлением фильтровальные ткани из синтетических и стеклянных волокон заряжаются, а это создает опасность возникновения пожара в фильтре в результате электрического пробоя воздушного промежутка между рукавом и корпусом фильтра. Для защиты от электризации в ткани иногда вплетают тонкие металлические проволочки или пропитывают их антистатическими электропроводящими составами.

Для предотвращения образования трудноудаляемых отложений на тканях, в особенности при обработке гигроскопических пылей (на содовых и цементных заводах, при обжиге извести и других операциях), тканям придают водоотталкивающие свойства. Для этого их обрабатывают метил- или фенилсиликонами. Гидрофобные покрытия сохраняют свои свойства длительное время при температуре до 200°С.

Для защиты от статического электричества и повышения устойчивости к изгибающим деформациям во время аппретирования на волокна наносят графит (в коллоидальном состоянии); при этом срок службы тканей при высокой температуре значительно возрастает. Покрытие волокон тефлоновой пленкой (из эмульсии) также существенно повышает долговечность тканей.

Для увеличения воздухопроницаемости тканей при сохранении прочности уточные нити изготавливают из штапельного волокна или структурированной пряжи. Промышленностью выпускаются несколько видов аппретированных стеклянных тканей, различающихся по воздухопроницаемости, массе, прочности; они применяются на сажевых, цементных, металлургических и других предприятиях. Эти ткани успешно зарекомендовали себя для улавливания высокодисперсных саж, цементной пыли, возгонов цветных и редких металлов, в производстве фосфорных удобрений. Для улавливания сажи оптимальная нагрузка по газу не должна превышать 0,35 м³/(м²·мин) для тканей из непрерывного стеклянного волокна и 0,45 м³/(м²·мин) — для тканей со штапельной уточной пряжей.

При низкой запыленности часто используют тяжелые ткани (600–800 г/м²), при более высоких концентрациях – легкие ткани (200–500 г/м²).

Нетканые материалы. К этим материалам относятся фильтровальные шерстяные фетры, получаемые свойлачиванием натуральной шерсти, а также иглопробивные нетканые материалы на основе синтетических обычных и термоусадочных волокон, комбинированные многослойные войлочно-тканевые иглопробивные и вязально-прошивные материалы.

Начат выпуск металлотканей и войлоков, выдерживающих температуры до 600ºС и выше. Длительного промышленного опыта работы фильтров из этих материалов пока нет.

Способы регенерации фильтров. Наиболее распространенными способами регенерации фильтров являются: 1) обратная продувка с встряхиванием; 2) обратная продувка без встряхивания; 3) импульсная продувка; 4) обратная струйная продувка. Иногда применяют регенерацию кручением рукава и вибровстряхиванием.

Обратную продувку (рис.24) обычно производят воздухом под действием небольшой разности давлений (до 5 кПа) со средней скоростью проникновения через фильтровальную перегородку 0,6–1,5 м/мин; продолжительность обратной продувки 15–50 с.

Для каждого фильтровального материала существует максимальная скорость обратной продувки, дальнейшее увеличение которой не способствует отделению пыли, а лишь вызывает бесполезный рост энергетических затрат. Для уменьшения деформации рукавов во время обратной продувки их снабжают распорными кольцами.

Обратную продувку осуществляют посекционно, с отключением регенерируемой секции от потока очищаемого газа, что следует учитывать при выборе необходимой поверхности фильтра. Отключение и повторное включение секции по окончании регенерации производятся автоматически. Обратную продувку с встряхиванием применяют для изгибоустойчивых тканей (лавсана, нитрона), а без встряхивания – для тканей, плохо сопротивляющихся изгибу (стеклоткани, металлоткани).

Импульсную продувку осуществляют струей сжатого воздуха, которая, выходя из сопла в рукав, увлекает за собой очищенный газ и создает внутри рукава волну повышенного давления (рис.26, а). Под действием перепада давления рукава, надетые на проволочные каркасы, раздуваются, деформируя пылевой слой, который отделяется от ткани рукава в виде агломератов, которые попадают в бункер.

Струйную продувку используют при очистке больших объемов газа при низких концентрациях пыли в газе (до 0,5 г/м³). Сжатый воздух подается внутрь кольца со щелями, плотно охватывающего рукав. Кольцо медленно перемещается вдоль рукава вверх и вниз. Все кольца секции связаны между собой и перемещаются с помощью каретки и специального механизма.

Если рукавные фильтры рассчитаны на большую производительность по очищаемому газу, то для обеспечения необходимой площади фильтрации увеличивают длину рукавов.

В этом случае регенерацию осуществляют импульсами сжатого воздуха, подаваемого внутрь рукавов с помощью сопел, установленных и в верхней и в нижней части рукавов.

При подаче импульсов сжатого воздуха длительностью 0,1–0,3 с пыль отделяется от рукава в результате совместного действия струи продувочного воздуха и деформации рукава. Интенсивная регенерация позволяет использовать в качестве фильтровального материала тяжелые нетканые материалы, обеспечивающие высокую эффективность улавливания при высоких скоростях фильтрования (2–6 м/мин) без отключения секций на регенерацию. Расход продувочного воздуха составляет 1–6% объема очищаемого газа. Необходимое давление 60–80 кПа.

Существуют и некоторые другие способы регенерации, которые в РФ широкого распространения не получили.

Среди серийно выпускаемых в нашей стране фильтров с обратной продувкой широко используются фильтры типа ФРО (фильтры рукавные с обратной продувкой), с импульсной продувкой – ФРКИ (фильтры рукавные, каркасные с импульсной продувкой), ФРКДИ (фильтры рукавные, каркасные с двухсторонней импульсной продувкой).

В промышленности строительных материалов и ряде других производств нашли широкое применение универсальные фильтры
ФРКИ–30,60,90,180,360 (рис.27). Цифры после наименования фильтра обозначают суммарную поверхность фильтрования в квадратных метрах. Основные параметры фильтров ФРКИ приведены в табл. 10. Данные по другим типам рукавных фильтров приведены в прил. 3 и4.

Таблица 10