Очистка газов фильтрованием

При очистке фильтрованием газы, содержащие взвешенные твердые частицы, проходят пористые перегородки, пропускающие газ и задержи­вающие на своей поверхности твердые частицы.

В зависимости от вида фильтровальной перегородки различают следу­ющие фильтры для газов:

а) с гибкими пористыми перегородками из природных, синтетических и минеральных волокон (тканевые материалы), нетканых волокнистых материалов (войлок, картон и др.), пористых листовых материалов (губчатая резина, пенополиуретан и др.), металлоткани;

б) с полужесткими пористыми перегородками (слои из волокон, стружки, сеток);

в) с жесткими пористыми перегородками из зернистых материалов (пористые керамика, пластмассы, спеченные или спрессованные порошки металлов и др.);

г) с зернистыми слоями из кокса, гравия, кварцевого песка и др.

Выбор пористой перегородки обусловлен рядом факторов, из которых основными являются: химические свойства фильтруемого газа, его темпе­ратура, гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки и раз­меры взвешенных в газе частиц.

Фильтры с гибкими пористыми перегородками. К числу наиболее широко применяемых фильтров с гибкими пористыми перегородками отно­сятся рукавные фильтры. В фильтре (рис. V-44) запыленный газ нагнетается вентилятором через входной газоход 2 в камеру 3, затем проходит через рукава 4, нижние концы которых закреплены хомутами на патрубках распределительной решетки 5. Пыль осаждается в порах ткани, а очищенный газ проходит через дроссельный клапан 6 и выхлопную трубу 7 и удаляется из аппарата.

При помощи распределительного механизма, установленного на крышке камеры, отдельные секции фильтра через определенные промежутки вре­мени отключаются для очистки ткани от накопившейся пыли. На рис. V-44 справа показан момент, когда работают три секции фильтра (I, III и IV), а секция II очищается от пыли.

При переключении секции на очистку закрывают клапан 6 и открывают клапан 8, через который вентилятором 9 по коллектору нагнетается воздух или очищенный газ для продувки рукавов. Этот воздух (или газ) движется в направлении, обратном движению запыленного газа, и уходит в газоход 2, поэтому вентилятор Одолжен создавать больший напор, чем вентилятор 1. Одновременно с продувкой производят механическое встряхивание рука­вов, для чего специальным механизмом 10 приподнимают и опускают раму 11, к которой подвешены верхние концы рукавов. Пыль падает в ка­меру 33 и выгружается шнеком 12 через шлюзовый затвор 13.

После окончания очистки секция переключается в рабочее положение, а следующая секция — на очистку. В современных конструкциях рукав­ных фильтров последовательность и продолжительность отдельных опера­ций работы фильтра регулируются с помощью автоматических устройств.

Для увеличения скорости фильтрования, которая в рукавах фильтра не превышает 0.007-0.017 м³/(м²×сек), в настоящее время применяется непрерывная регенерация фильтровальных перегородок. Такая регенера­ция осуществляется непосредственно во время работы рукавного фильтра, т.е. во время фильтрования, без прекращения подачи газа, в частности, путем непрерывной продувки рукавов струей сжатого газа. Этот газ под избыточным давлением 6-10 кн/м² (600-1000 мм вод, ст.) поступает через обращенные в сторону рукавов щели (шириной 0.5-2 мм) в кольцах, плотно прилегающих к рукавам и движущихся вдоль них сверху вниз и в обратном направлении. Включение подачи газа и устройства для управ­ления передвижением колец производится автоматически, когда гидравли­ческое сопротивление ткани достигает определенной величины — обычно не более 2-2.5 кн/м² (200-250 мм вод. ст.). Благодаря непрерывной реге­нерации фильтровальной ткани удается увеличить скорость фильтрования до 0.05-0.08 м^-1 (м²×сек) и более.

Гидравлическое сопротивление наиболее распространенных фильтро­вальных тканей обычно не превышает 1.5-2.5 кн/м² (150-250 мм вод. ст.).

В рукавных фильтрах достигается высокая степень очистки газа от тонкодисперсной пыли (при правильной эксплуатации — до 98-99%). Недостатками этих фильтров являются сравнительно быстрый износ ткани и закупорка пор в ней.

Выбор ткани для рукавов определяется ее механической прочностью, химической и термической стойкостью. Верхний температурный предел работы рукавных фильтров обусловливается термостойкостью ткани, а нижний — температурой точки росы, при которой происходит увлажне­ние и замазывание ткани грязью, вызывающее резкое повышение ее гидрав­лического сопротивления.

Рукава изготовляют из тканей на основе натуральных и химических волокон органического и неорганического происхождения (в скобках ука­заны температуры, до которых устойчива данная ткань): из натуральных материалов — хлопок, лен (менее 80 °С), шерсть (менее 110 °С); из синтетических — полиамидные, полиэтиленовые, полиакрилнитрильные во­локна (до 130-140 °С), политетрафторэтиленовые и фторопластовые (до 275 °С), реже стекловолокно (до 400 °С) и кремнеземные волокна (до 1000 °С), плохо работающие на изгиб.

Фильтры с полужесткими пористыми перегородками. Такие фильтры обычно состоят из ячеек-кассет, в которых между сетками зажат слой стек­ловолокна, шлаковой ваты, металлической стружки, смоченной специаль­ным (висциновым) маслом для лучшего улавливания пыли и т.д. Кассеты обычно собирают в секции, имеющие поверхность, соответствующую тре­буемой производительности фильтра.

Секции устанавливают перпендикулярно к газовому потоку или под углом к нему; возможна периодическая регенерация фильтра путем про­мывки или продувки. Эти фильтры применяют для очистки относительно мало запыленных газов, например вентиляционного воздуха (содержание пыли 0.001-0.005 г/м³).

Для очень тонкой очистки газов от высокодисперсных и радиоактивных аэрозолей (иногда такую очистку называют высокоэффективной, или «абсо­лютной») используют фильтры с перегородками, в которых в качестве фильтрующего материала применяют ультратонкие полимерные волокна, получившие название фильтрующих материалов ФП (фильтры Петрянова). Эти материалы, изготовляемые на основе волокон из перхлорвинила, полиарилатов, эфиров целлюлозы и т.д. обладают высо­кой химической стойкостью, механической прочностью и термостойкостью.

Фильтры с жесткими пористыми перегородками. Для сверхтонкой очистки газов, требуемой в некоторых химических производствах, исполь­зуют фильтры с жесткими перегородками из керамических, металлокерамических и пластмассовых пористых материалов или мелкоячеистых метал­лических сеток и перфорированных листов. Весьма полная очистка газа в них достигается вследствие извилистости и многослойного расположения пор в фильтрующем материале.

Принцип устройства таких фильтров показан на примере металлокерамического фильтра, применяемого для очистки от пыли реакционных газов карбидных печей (рис. V.45). В корпусе 1 фильтра находится ряд открытых сверху металлокерамических гильз 2, герметиче­ски закрепленных в общей решетке 5. Запыленный газ поступает в аппарат через входной штуцер 4 и проходит сквозь стенки гильз, очищаясь приэтом от пыли. Очищенный газ удаляется через штуцер 5. Очистка фильтру­ющих элементов от осевшей на них пыли производится периодически обрат­ной продувкой сжатым воздухом, поступающим через коллектор 6. Пыль собирается в бункере 7 и удаляется из фильтра. С помощью металлокерамических фильтров можно отделять твердые частицы размером более 0.5 мкм.

Гильзы металлокерамических фильтров изготовляют из гранул, порошка или стружки металла путем прессования и спекания, проката или литья. Они более прочны и менее хрупки, чем керамические, отличаются высокой механической прочностью и химической стойкостью, а также хорошо противостоят резким температурным колебаниям. Поэтому металлокерамические фильтры применяются для очистки химически агрессив­ных горячих газов.

Фильтры с зернистыми слоями. Газы в таких фильтрах очищаются, проходя сквозь неподвижные (свободно насыпанные) периодически или непрерывно перемещающиеся слои зернистого материала — мелко раз­дробленный шлак, кокс, кварцевый песок, гравий и т.д. Фильтрующие слои могут быть расположены горизонтально или вертикально, при этом зернистый материал заключен в секции, состоящие из сеток, перфориро­ванных листов и др.

На рис. V-46 показан фильтр непрерывного действия с движущимся слоем зернистого фильтрующего материала. В корпусе 1 фильтра нахо­дятся фильтровальные перегородки 2, внутри которых непрерывно дви­жется сверху вниз фильтрующий материал 3 (например, гранулированный шлак). Загрязненный газ поступает через штуцер 4, проходит сквозь филь­трующие слои и в очищенном виде удаляется через штуцер 5. Отработан­ный фильтрующий материал выводится через затвор 6, очищается от загряз­нений, например промывной водой и снова подается в фильтр через пита­тель 7.

Фильтры с зернистым слоем фильтрующего материала используют до тонкой очистки газов, например для очистки сжатого воздуха от масла, улавливания сажи, очистки от пыли синтез-газов.

Мокрая очистка газов

Для тонкой очистки газов от пыли применяют мокрую очистку — промывку газов водой или другой жидкостью. Тесное взаимодействие между жидкостью и запыленным газом осуществляется в мокрых пылеуло­вителях либо на поверхности жидкой пленки, стекающей по вертикальной или наклонной плоскости (пленочные или насадочные скрубберы), либо на поверхности капель (полые скрубберы, скрубберы Вентури) или пузырьков газа (барботажные пылеуловители).

Мокрая очистка газов наиболее эффективна тогда, когда допустимы увлажнение и охлаждение очищаемого газа, а отделяемые твердые или жидкие частицы имеют незначительную ценность. Охлаждение газа ниже температуры конденсации находящихся в нем паров жидкости способствует увеличению веса пылинок, играющих при этом роль центров конденсации, и облегчает выделение их из газа. Если улавливаемые частицы находятся в высокодиспергированном состоянии и плохо или совсем не смачиваются водой, то очистка газа в мокрых пылеуловителях малоэффективна. В таких случаях для улучшения смачиваемости частиц и увеличения степени очи­стки к используемой жидкости добавляют поверхностно-активные вещества.

Для повышения экономичности мокрой очистки и извлечения уловлен­ных вредных или ценных веществ воду либо другую промывную жидкость вместе со шламом направляют из пылеуловителей в отстойники для освет­ления и последующего ее использования (рис, V-48). Если одновре­менно с очисткой требуется охлаждение газа, то промывную жидкость пред­варительно охлаждают в градирнях или холодильниках.

Наиболее существенным недостатком мокрой очистки газов является образование большого количества сточных вод (шламов), которые вызы­вают коррозию аппаратуры и должны подвергаться дальнейшему разделе­нию или очистке.

Полые и насадочные скрубберы. Простейшими аппаратами для мокрой очистки и одновременного охлаждения газов являются полые скрубберы прямоугольного или круглого сечения. Запыленный газ движется через скруббер снизу вверх со скоростью не более 0.8-1.5 м/сек (для уменьшения брызгоуноса) и орошается водой, разбрызгиваемой через форсунки или брызгала, установленные по всей высоте аппарата. При этом все попереч­ное сечение скруббера полностью перекрывается распыляемой жидкостью.

В качестве насадки для скрубберов обычно используют хордовую или кольцевую насадку, а также кусковой кокс, кварц.

Степень очистки газа от пыли в полых скрубберах достигает 60-75%, а в насадочных 75-85%; при этом гидравлическое сопротивление состав­ляет соответственно 150-200 н/м² (15-20 мм вод. ст.) и 200-300 н/м² (20-30 мм вод. ст.).

Центробежные скрубберы. Процесс мокрой очистки может быть интен­сифицирован при проведении его в поле центробежных сил. Такую очистку проводят в циклонах, стенки которых смачиваются непре­рывно стекающей пленкой жидкости, или в центробежных скрубберах.

В центробежном скруббере (рис. V-47) запыленный газ поступает в цилиндрический корпус 1 через входной патрубок 2, располо­женный тангенциально, и приобретает вращательное движение. Стенки корпуса орошаются через сопло 3 водой, которая тонкой пленкой стекает по его внутренней поверхности. Взвешенные в поднимающемся по винтовой линии потоке газа частицы пыли под действием центробежной силы отбра­сываются к стенкам скруббера, смачиваются водяной пленкой и уносятся с водой через коническое днище 4. Очищенный и одновременно охлажден­ный газ удаляется через выходной патрубок 5.

В центробежных скрубберах достигается более высокая степень очистки, чем в полых или насадочных скрубберах. Она превышает 95% для частиц пыли размером 5-30 мкм и составляет 85-90% для частиц разме­ром 2-5 мкм. Эти пылеуловители отличаются простотой устройства и низ­ким гидравлическим сопротивлением.

Скрубберы Вентури. Для тонкой очистки газов от высокодисперсной пыли применяют струйные турбулентные газопромыватели — скрубберы Вентури (рис. V-48). Запыленный газ через конфузор 1 трубы Вентури попадает в горловину 2, где его скорость достигает 60-150 м/сек. Через отверстия 3 под избыточным давлением 30-100 кн/м² (0.3-1 am) в горловину вводится жидкость, которая, сталкиваясь с газовым потоком, распыляется на мелкие капли (диаметром ~10 мкм). При соударениях с частицами пыли капли, поглощая их, укрупняются. Эти капли вместе с газом проходят через диффузор 4, где скорость потока снижается до 20-25 м/сек, и попадают в цик­лонный сепаратор 5. В циклоне скорость газожид­костной смеси уменьшается до 4-5 м/сек, капли под действием центробежной силы отделяются от газа и вместе со шламом удаляются в отстойник 6. В по­следнем вода отделяется от шлама и вновь подается насосом 7 в скруббер.

В скруббере Вентури эффективно улавливаются весьма тонкие частицы, например, продукты возгон­ки (средний диаметр частиц 1-2 мкм) или туман, образующийся в производстве серной кислоты (раз­меры частиц 0.2-1.1 мкм). При этом возможно удалить из газа до 99% загрязнений. Скруббер Вен­тури прост по устройству (не имеет движущихся ча­стей), но его гидравлическое сопротивление относи­тельно велико — 1500-7500 н/м² (150-750 мм вод. ст.) и более.

Барботажные (пенные) пылеуловители. Для очистки сильно запылен­ных газов, например технологических, выхлопных и дымовых, вентиля­ционного воздуха содового производства и др., используют барботажные пылеуловители. В этих аппаратах жидкость, взаимодействующая с газом, приводится в состояние подвижной пены, что обеспечивает большую поверхность контакта между жидкостью и газом и соответственно высокую степень очистки газа от пыли.

Барботажный пылеуловитель (рис. V-49) представляет собой камеру 1 круглого или прямоугольного сечения, внутри которой находится перфори­рованная тарелка 2. Вода или другая промывная жидкость через штуцер 3 поступает на тарелку, а загрязненный газ подается в аппарат через патру­бок 4. Проходя через отверстия тарелки 2, газ барботирует сквозь жидкость и превращает всю ее в слой подвижной пены. В слое пены пыль погло­щается жидкостью, основная часть которой (~80%) удаляется вместе с пе­ной через регулируемый порог 5. Оставшаяся часть жидкости (~20%) сливается через отверстия в тарелке и улавливает в подтарелочном про­странстве более крупные частицы. Образующаяся при этом суспензия уда­ляется через сливной штуцер 6.

В таких аппаратах применяют также несколько перфорированных тарелок, причем число их зависит от требуемой степени очистки газа.

Степень улавливания пыли в барботажных аппаратах часто превышает 95-99% при относительно низких капитальных затратах и эксплуата­ционных расходах,