Зернистые фильтры

Фильтрующие слои, состоящие из кусковых или зернистых материалов, применяются для очистки газов реже, чем тканевые и волокнистые фильтры. Преимуществом зернистых фильтров является доступность материалов, применяемых для создания фильтрующего слоя, устойчивость к воздействию агрессивных примесей, содержащихся в газах, возможность работы при высоких температурах, перепадах давления и температуры, при одновременной очистке газа от пыли и газообразных примесей и использовании в качестве фильтрующего материала адсорбента или катализатора.

В насыпных зернистых фильтрах в качестве насадки используются керамзит, дробленые горные породы, песок, кокс и другие кусковые и зернистые материалы. Особенно выгодно использовать такие фильтры, если в качестве фильтрующей загрузки использовать отходы основного производства, сырьевые материалы или готовую продукцию.

Степень очистки фильтровальных установок в практике проектирования не рассчитывают, а принимают по данным заводов-изготовителей. Эту величину следует рассматривать как оценочную, а реальную степень очистки определять на практике в условиях эксплуатации фильтра.

Зернистые фильтры с неподвижным фильтрующим слоем В фильтрах этого типа фильтрование газа идет через насыпной слой зернистого материала.

В качестве фильтрующего материала в этих фильтрах применяют гравий, шлак, различные дробленые материалы, а также специальные насадки из различных элементов, например, кольца Рашига.

При малых скоростях движения газа, мелкодисперсной пыли и малой запыленности преобладающее значение имеет пылезадержание всем объемом загрузки. При высоких скоростях фильтрации, крупной пыли и большой запыленности частицы в меньшей степени проникают в глубину слоя и процесс фильтрации происходит в основном в поверхностном слое. В большинстве случаев сочетаются оба вида фильтрации. Эффективность осаждения, как и в фильтрах любого другого типа, определяется действием механизмов касания, инерции, диффузии, гравитации и электростатики.

В зернистых фильтрах с неподвижными слоями размер зерен нагрузки обычно находится в пределах 0,2–2 мм. Очищаемый газ движется сверху вниз. Удельная газовая нагрузка принимается
2,5–17 м³/(м²×мин), в зависимости от концентрации пыли в поступающем на очистку газе. Начальное гидравлическое сопротивление фильтрующего слоя обычно составляет 50–200 Па, высота слоя загрузки 10–15 см. В процессе работы фильтра гидравлическое сопротивление его растет, и при достижении установленного в зависимости от условий эксплуатации значения проводится регенерация с помощью рыхления гребковым механизмом или встряхивания и продувки воздухом.

Степень очистки газа зависит от свойств фильтрующего материала, 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.

Изменение степени очистки до максимума приближенно выражается зависимостью следующего вида:

, (58)

где t_ф – время от начала процесса фильтрования, с; a и b – коэффициенты, для гравийных фильтров а = 0,877·10⁷, b = 2,57 10^–11.

Коэффициент захвата пыли слоем К_сл

, (59)

где d_m – медианный размер частиц пыли, м; ρ_ч – плотность частиц пыли; H_сл – толщина слоя зернистой загрузки, м; w_ф – скорость фильтрования, м/с; d_экв – эквивалентный диаметр, м; μ – вязкость газа, Па∙с.

Гидравлическое сопротивление фильтра складывается из сопротивления зернистого слоя Δр₁и прироста сопротивления Δр₂ за счет накопления уловленной пыли:

Δр_ф = Δр₁ + Δр₂ . (60)

Сопротивление зернистого гравийного слоя при турбулентном режиме фильтрования, обычном для зернистых фильтров, с учетом пыли, оставшейся в нем после регенерации, может быть определено по формуле

(61)

где ε_п — пористость пыли, доли единицы.

Прирост сопротивления за счет накопления уловленной пыли может быть вычислен по формуле

, (62)

где z₁ – начальная запыленность газа, кг/м³.

Фильтрующий слой обычно делают неоднородным: на входе газа располагают более крупные зерна диаметром 5–10 мм, на выходе – более мелкие диаметром 2–3 мм. Скорость фильтрования в зернистых фильтрах значительно выше, чем в тканевых, и составляет 0,2–0,5 м/с при сопротивлении запыленного слоя перед регенерацией 1–2 кПа. Степень очистки может достигать 95–98%. Регенерация осуществляется обычно путем обратной продувки в сочетании с вибровстряхиванием.

Фильтр фирмы «Лурги» (рис.29) состоит из нескольких параллельно работающих камер, в каждой из которых на пружинах установлены контейнеры с фильтрующим слоем, соединенные при помощи штока с вибратором. При фильтровании очищаемый газ проходит снизу вверх; при регенерации – сверху вниз. Регенерация проводится с помощью ви братора в течение 3–5 мин.

Зернистый фильтр серии ЗФ, разработанный НПО «Союзпромэкология», имеет пять типоразмеров с числом секций 2–30 и пропускной способностью 3000–150 000 м³/ч (рис. 30).

Каждая секция состоит из двух параллельно работающих фильтров, в каждом из которых имеется три фильтрующих слоя толщиной по
100 мм: в первом слое по ходу газов находятся зерна размером 5–10, во втором 3–5 и в третьем 2,5–3 мм. Фильтры имеют следующую характеристику: предельная начальная запыленность газа 5–20 г/м³; газовая нагрузка (скорость фильтрования) 15–25 м³/(м²∙ мин); гидравлическое сопротивление 1,2–1,5 кПа; максимальная температура газа 400°С; выходная запыленность 100–120 мг/м³; газовая нагрузка при регенерации
5–15 м³/(м²∙мин); продолжительность периода фильтрования 15–40 мин; продолжительность регенерации 2–3 мин; степень очистки 95–99 %.

Таблица 12