Фильтры аспирации
Большое число производственных процессов в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте сопровождается выделением пыли и других загрязняющих воздух и рабочие места вредностей. Например, опилок и стружки в деревообработке. Чрезвычайно «продуктивными» в негативном значении этого слова в части пылеобразования являются дробильно-сортировочные установки на горнодобывающих предприятиях и обогатительных фабриках, мельницы на цементных производствах, бетонно-растворные узлы. Содержание производственной пыли рядом с этим оборудованием может в десятки раз превышать допустимые для воздуха рабочей зоны значения.
В условиях производства существует несколько способов образования пыли. Прежде всего, это механическое измельчение твердых веществ ─ перемешивание, дробление, размол, пересыпание, транспортировка. Пыль образуется в результате механической обработки деталей, например, при шлифовании металлических, деревянных или пластиковых заготовок. Еще один источник пыли ─ горение топлива. Обеспыливание выбросов работающих на каменном или буром угле электростанций ─ одна из актуальнейших экологических проблем современности.
У проблемы пылеобразования несколько аспектов. В некоторых случаях вместе с пылью происходит улетучивание немалой части ценного сырья. Часто воздействие пыли вызывает ускоренный износ механизмов и ухудшение качества производимой продукции (хорошо известно, какой ущерб от избытка пыли испытывает качество окраски). Но, пожалуй, наиболее ощутимый вред пыль, если ее не удалять своевременно, наносит здоровью персонала. Особенно мелкая пыль, подолгу остающаяся в воздухе во взвешенном состоянии. И в этом случае не обойтись без систем аспирации, эффективная работа которых во многом зависит от параметров, используемых в них пылеуловителей. Конечно, только фильтрами их перечень не исчерпывается. Есть еще циклоны, скрубберы, пенные пылеуловители и др. Но роль фильтров, особенно рукавных фильтров для аспирации, переоценить сложно.
Принцип работы фильтра в системе аспирации
Отделять пыль от газа можно различными способами ─ инерционным или гравитационным осаждением, промыванием газа в жидкости и др. Можно ─ фильтрованием через пористые перегородки. Фильтрование ─ разновидность механического обеспыливания. Другие его виды ─ аэродинамическое и гидродинамическое обеспыливание. В свою очередь, механическое обеспыливание ─ один из физических способов борьбы с пылью. Наряду с физическим есть химический и биохимический способы, плюс комбинации перечисленных способов между собой.
В фильтре взвешенные в газе (если это системы аспирации ─ то в воздухе) частицы, проходя через фильтровальный материал, задерживаются в пустотах ─ порах и каналах. Это происходит, когда диаметр частиц больше диаметра пор или сечения каналов, и они просто застревают в них, т. н. ситовой эффект. В процессе фильтрования могут принимать участие силы инерции, ─ отклонившись от первоначального направления движения, аэрозольные частицы теряют скорость и осаждаются. Это т. н. инерционный захват, актуальный для частиц, размером не менее одного микрона. Реже в процессе фильтрования дают о себе знать гравитационные силы, ─ они «проявляются», когда в фильтрационной среде образуются застойные зоны. Свой вклад могут внести электростатические силы ─ при наличии электрического заряда случайно полученного частицами или материалом фильтра в результате трения.
Промышленный фильтр ─ сухой механический пылеуловитель, служащий для очистки запыленного газа, в т. ч. воздуха. В нем происходит чередование фильтровального (запыление фильтрующего материала) и регенеративного (очистка) циклов. Примерами промышленных фильтров, используемых в системах аспирации, являются рукавные, карманные, зернистые фильтры.
Эффект осаждения предварительно получивших электрический заряд частичек пыли в электрическом поле использован в устройствах, называемых электрофильтры. (Используя термин электрические фильтры, мы невольно перемещаемся в область электротехники).
Проектируя системы аспирации и подбирая оборудование для них, нельзя не принимать во внимание неоднородность промышленных пылей, и как следствие, отсутствие универсальных рецептов для борьбы с ними. Индивидуальность пыли обусловлена широким разбросом таких параметров как концентрация, химический состав, фракционный состав, насыпная плотность, абразивность, коррозионная активность, гигроскопичность, токсичность. И это далеко не все. Такое многообразие не только способствовало появлению различных конструкций пылеуловителей, но и способов их использования.
Фильтры могут работать в одиночку, полностью замыкая на себя весь процесс фильтрования. Но нередко целесообразнее, когда они делают это вместе с другими устройствами, образуя с ними последовательную технологическую цепочку, последним звеном которой, является аппарат с наибольшей эффективностью пылеулавливания. И, как правило, место фильтра именно там. При двухступенчатой системе наиболее распространенная схема ─ циклон и фильтр (рукавный фильтр, кассетный фильтр или электрофильтр). Вариант трехступенчатой схемы ─ «жалюзийная решетка-циклон-фильтр».
Фильтрующие материалы. Фильтровальные ткани
Эффективность фильтров во многом зависит от фильтрующего материала. В качестве такового может использоваться текстиль, ─ тканный и нетканый (иглопробивное полотно), минеральные или металлические порошки и зерна (гравий, кокс), металлические или полимерные сетки.
Если пористая перегородка в промышленном фильтре выполнена из волокнистых материалов, ─ это волокнистый фильтр. А если ее формирует, образующий прочную статичную систему слой зерен, ─ зернистый фильтр.
Особенно широкое распространение в системах аспирации получили тканевые фильтры ─ рукавные и карманные.
В рукавном фильтре (нормативные документы не рекомендуют называть его «мешочный фильтр») фильтрующие элементы выполнены в виде открытых или закрытых с одного конца рукавов.
Каркасы для рукавных фильтров, не позволяющие фильтрующему элементу схлопываться, изготавливают преимущественно из углеродистой или нержавеющей стали.
В карманном фильтре, такой фильтр еще называют «каркасный фильтр» или «плоский фильтр», фильтрующий материал образует глубокие карманы или натянутые на жесткий каркас плоские формы.
Фильтровальные ткани изготавливают из волокон различного происхождения. Как натуральных ─ хлопковых, льняных, шерстяных, шелковых, ─ так и синтетических ─ ПВХ, полипропилен, фторопласт. Из волокон диаметром несколько десятков микрометров, а стекловолокна менее 10 мкм, скручиваются нити, диаметр которых измеряется десятыми долями мм. Между нитями формируются пустоты (поры) размером 60-300 мкм.
Фильтровальное полотно может быть гладким или с ворсом. Ворс повышает эффективность фильтрования. (Ворсинки помогают сделать поры между нитями основы и утка еще более мелкими).
Самая прочная ткань для фильтров изготавливается из стекловолокна, наименее прочная ─ из шерсти. Бумага не в счет, хотя в системах аспирации при относительно небольших нагрузках используют фильтры с фильтровальной бумагой.
Ткань из стекловолокна не только прочнее других фильтровальных тканей, но и обладает повышенной химической и термической (до 300 O C) стойкостью.
О том насколько важны тканевые фильтры и соответственно используемые в них ткани (в т. ч. ткань рукавных фильтров) косвенно подтверждает наличие регламентирующих требования к ним нормативов, например, «ГОСТ 332-91 Ткани хлопчатобумажные и смешанные суровые фильтровальные. Технические условия» или «ГОСТ 26095-84 Ткани полиэфирные технические фильтровальные. Технические условия (с Изменением № 1)».
К фильтровальным тканям предъявляется целый ряд требований, главное из которых, ─ обеспечивать полноценную очистку от различных видов пыли в самых сложных (высокая концентрация пыли, механические, температурно-влажностные и химические воздействия) условиях. Другие обязательные качества фильтровальных тканей ─ достаточная пылеемкость и невысокая стоимость.
Фильтровальная ткань по мере накопления пыли работает более эффективно, чем никогда прежде не использовавшаяся. Обычно, постепенно растущая после каждого цикла «запыление-регенерация» эффективность очистки после определенного числа циклов стабилизируется. Но иногда наблюдается непрерывный рост эффективности очистки в силу того, что частицы пыли, застрявшие в порах, не удаляются в результате регенерации. Их число все время увеличивается, что не позволяет остаточному слою пыли стабилизироваться. Похожий эффект вызывает попадание на волокна фильтровальной ткани влаги, масел и некоторые другие факторы.
Рукавные и карманные фильтры
Для систем аспирации производятся тканевые фильтры различных конструкций. Среди них рукавные тканевые фильтры, как и циклоны, относящиеся к числу наиболее широко используемого пылеулавливающего оборудования.
Даже беглое перечисление отраслей, на предприятиях которых в составе аспирационного оборудования применяют рукавные фильтры для очистки воздуха от пыли, займет непозволительно много места. В их числе черная и цветная металлургия, химическое производство, изготовление строительных материалов (рукавные фильтры для АБЗ), переработка горного сырья, энергетика, пищевая промышленность.
Рукавные фильтры, принцип работы которых заключается в использовании в качестве фильтрующего элемента рукавов, могут иметь различное конструктивное исполнение. Разные типы рукавных фильтров отличаются составом фильтровальных тканей, формой корпуса и фильтровальных элементов, опорными устройствами, длиной и диаметром рукавов, количеством секций, способом регенерации. Диаметр рукавов в большинстве случаев составляет 80…500 мм; их длина ─ до 10 м. Длина рукава может в десять и более раз превышать его диаметр.
Конструкция рукавного фильтра помимо рукавов и корпусных деталей включает систему управления, в состав которой входят регулирующие воздушные потоки клапаны и автоматика, контролирующая работу фильтра в контексте используемых технологий.
Основные технические характеристики рукавных фильтров: производительность по очищаемому газу в м3/ч, площадь поверхности фильтрования, число секций, максимально допустимая массовая концентрация пыли в очищаемом газе на входе в г/м3, аэродинамическое сопротивление, габаритные размеры, масса.
Число желающих рукавный фильтр купить год от года увеличивается, поэтому производство рукавных фильтров растет во всем мире.
Причина тому ─ целый комплекс достоинств, важнейшими из которых являются эффективная очистка аспирационного воздуха от частиц размером менее 1 мкм, способность обрабатывать значительные объемы воздуха с высокой концентрацией пыли.
На рынке представлен широкий выбор моделей различной производительности, что позволяет подобрать оптимальное для конкретных условий производства и требований к чистоте очищенного воздуха устройство. Эксплуатация рукавного фильтра удобна и экономична. В случае секционной конструкции возможно выполнение технического обслуживания непосредственно во время работы фильтра.
Немаловажный фактор ─ оптимальное соотношение цены и качества. На фоне чрезвычайно высокой эффективности рукавных фильтров цена рукавного фильтра не пугает потребителя.
Выполнить грамотный расчет рукавного фильтра, подобрать рукавный фильтр характеристики которого полностью бы отвечали условиям конкретного производства, ─ задача, которую лучше доверить специалистам компаний, осуществляющих поставки этого оборудования.
Еще один вид тканевых фильтров ─ карманный тканевый фильтр, состоит из рамки, служащей своего рода матрицей для изготовленного в виде кармана фильтрующего материала. Раздуваясь, карманы не касаются друг друга, поток воздуха ─ равномерный по всей поверхности фильтра.
Волокнистые фильтры
Фильтрующий слой волокнистых фильтров состоит из волокон. В зависимости от их толщины фильтры делят на тонко- и грубоволокнистые.
В системах аспирации волокнистые фильтры применяют преимущественно для очистки воздуха от мелкодисперсной пыли размером от 0,05-0,1 мкм, с небольшой обычно до 5-10 мг/м3 концентрацией. Например, в микробиологической промышленности или для очистки аспирационного воздуха от гальванических ванн. А также токсичных и даже радиоактивных аэрозолей. (После использования такие фильтры уничтожают).
Зернистые фильтры
В системах аспирации они распространены намного меньше рукавных. Их применяют для обработки пылевых выбросов в ряде отраслей, когда тканевые фильтры не могут работать в агрессивной и высокотемпературной (до 800 OC и более) среде.
Фильтрующий слой сформирован зернами сферической или иной формы. Различают насыпные и жесткие зернистые фильтры. В первых слои песка, гравия, кокса, минеральной крошки и проч. не закреплены жестко. Во вторых ─ с помощью высоких температур (спекание), склеивания или прессования формируется жесткая структура. Мягкие зернистые фильтры дешевле, проще поддаются регенерации. Жесткие (керамические, металлокерамические) ─ прочнее, легко переносят воздействие высоких температур.
Электрофильтры
Наряду с фильтрами ─ механическими пылеуловителями, в которых разделение взвешенных частиц и газа происходит в результате воздействия механических сил, в системах аспирации используют электрофильтры. В них «движущей силой» отделения твердых и жидких взвешенных частиц от газа являются электрические силы. Получив электрический заряд в поле коронного разряда (его создают коронирующие электроды, на которые подается постоянное напряжение), получившие отрицательный заряд взвешенные частицы под действием электрического поля осаждаются на поверхности заземленных осадительных электродов. Пыль улавливается тем эффективнее, чем выше напряженность электрического поля и меньше скорость газа. Электрофильтры могут быть мокрыми (если в процессе очистки используется жидкость, орошающая коронирующие и осадительные электроды) или сухими (если жидкости нет).
Различают, ─ это зависит от конструкции осадительных электродов, ─ трубчатые и пластинчатые электрофильтры. В трубчатых ─ это помещенные в одном корпусе трубы, а в пластинчатых ─ параллельные пластины. В первом случае коронирующие электроды установлены вдоль оси труб, во втором ─ вертикально между пластинами.
Также различают электрофильтры одно- и двухзонные (по числу зон, в которых происходит зарядка и осаждение взвешенных частиц), одно- и многопольные (по количеству электрических полей), одно- и многосекционные (по количеству электрических полей, расположенных параллельно). В зависимости от направления газового (в т. ч. воздушного) потока через активную зону, электрофильтра выделяют горизонтальные и вертикальные электрофильтры. (Активная зона ─ рабочая часть электрического фильтра, расположенная между электродами).
Если сравнивать тканевые и электрические фильтры, можно отметить следующие различия. Гидравлическое сопротивление у тканевых фильтров примерно в 5-10 раз выше. Если для тканевых фильтров влажность пыли не является важным параметром, то для электрических, ─ влажность способствует росту эффективности. Минимальный размер частиц, улавливать которые получается с высокой эффективностью, у тканевых фильтров в несколько раз меньше. В части экономической эффективности выбор зависит от множества факторов, и в каждом отдельном случае должен производиться, исходя из конкретных условий.
О регенерации фильтров
Чтобы фильтр работал долго (срок службы фильтровальных тканей обычно составляет от нескольких месяцев до нескольких лет), эксплуатировать его было удобно, а себестоимость очищенного воздуха не зашкаливала, фильтровальные ткани должны обладать способностью к регенерации.
В соответствии с «ГОСТ 25747-83 Фильтры рукавные и карманные. Типы и основные параметры (с Изменением № 1)» по способу регенерации фильтры разделяются на четыре типа:
- с механическим встряхиванием;
- с обратной продувкой воздухом или очищенным газом;
- с регенерацией сжатым воздухом;
- с комбинированным воздействием ─ механическое встряхивание вместе с обратной продувкой.
Очистка рукавных фильтров производится по-разному. Механическое встряхивание рукавного фильтра выполняется несколькими способами. Не очень прочные ткани ─ не меняющим натяжение легким покачиванием. Если ткань более крепкая и эластичная, ─ ей придают волнообразные колебательные движения. Возможна регенерация фильтровальной ткани импульсной продувкой рукавов (рукавный фильтр с импульсной продувкой или импульсный рукавный фильтр). Если пыль легкая и подвижная, очистить рукавный фильтр поможет продувка. Но даже при полном следовании всем регламентам регенерация рукавного фильтра способствует износу ткани.
Зернистые фильтры также нуждаются в регенерации. Ее выполняют с помощью импульсной продувки, вибровстряхивания, удаления части зерен фильтрующего материала, механического или ручного рыхления.
Фильтры, будучи одним из наиболее эффективных средств борьбы с пылью и другими содержащимися в воздухе вредностями, получили широкое распространение в системах аспирации. Их общее достоинство ─ высокая эффективность. И пусть стоимость очистки фильтрованием несколько выше, чем в циклонах, но результат того стоит.