УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПЫЛЕГАЗОВОЙ СРЕДЫ И СПОСОБ ЕГО РЕГЕНЕРАЦИИ
DEVICE FOR POWDER-GAS CLEANING AND METHOD OF ITS REGENERATION

Заявляемое устройство для очистки пылегазовой среды и способ его регенерации могут быть использованы в химической, пищевой, фармацевтической, микробиологической, нефтяной, газовой, металлургической, атомной и других отраслях промышленности.
Известно устройство для очистки газов от мелкодисперсных примесей по патенту на изобретение РФ №2177821 (класс МПК B01D 45/12, приоритет от 30.03.2001 г.). Данное устройство состоит из корпуса с технологическими патрубками, камеры сбора осаждаемых примесей и выпускной камеры для газа, вихревой трубы с винтовым завихрителем и установленным соосно на ее выходе полым цилиндрическим вытеснителем, на конической части которого выполнены винтовые прорези, а на внешней поверхности цилиндрической части выполнены винтовые канавки, сообщающие полость вихревой трубы с камерой сбора осаждаемых примесей. При этом в стенках вихревой трубы и цилиндрической части вытеснителя выполнены совмещенные отверстия, объединяющие полость вытеснителя с выпускной камерой для газа.
Недостатками этого устройства являются:
- возможность неконтролируемого скопления осадка на поверхности нижней трубной решетки из-за конструктивной особенности самой решетки, являющейся преградой для свободного удаления нафильтрованного осадка в камеру сбора осаждаемых примесей (свободное пространство для сброса отфильтрованного осадка ограничено отверстиями в трубной решетке) и, как следствие, способствующей формированию нижних застойных грязевых зон в данном устройстве;
- невозможность фильтрации пылегазовой среды со 100% влажностью в связи с отсутствием ее нагрева;
- ограниченный диапазон размера и концентрации улавливаемых механических частиц загрязнителя в пылегазовом потоке, находящихся в корреляционной зависимости от нерегулируемого размера (глубины и ширины) винтовых прорезей винтового завихрителя и цилиндрического вытеснителя, расположенных во внутренней полости фильтрующего элемента.
Известно устройство для очистки газов по патенту на изобретение РФ №2200616 (класс МПК B01D 45/12, приоритет от 27.02.2002 г.), наиболее близкое по технической сущности к заявляемому техническому решению и поэтому выбранное в качестве прототипа.
Это устройство содержит корпус с технологическими патрубками, соосный фильтрующий элемент, охватывающий вихревую трубу с винтовым завихрителем, камеру сбора осажденных примесей и выпускную камеру для газа. Согласно конструкции устройства вихревая труба выполнена из двух составных частей, размещенных с винтовым зазором относительно друг друга, при этом винтовой зазор сообщает полость вихревой трубы через переточную трубу с выпускной камерой для газа.
В данном устройстве газовый поток проходит две ступени очистки. В качестве первой ступени используется внутренний завихритель для предварительного отделения крупных частиц пыли, в качестве второй ступени - пористая структура фильтрующего элемента, расположенного радиально внутри корпуса данного устройства снаружи завихрителя.
Недостатками указанной конструкции устройства для очистки газов от мелкодисперсных примесей являются:
- отсутствие непосредственного нагрева фильтруемого газа со 100% влажностью с одновременной центробежной предварительной его очисткой на первой ступени, что затрудняет последующую финишную очистку газа на второй ступени очистки при его повышенной влажности из-за большой вероятности заполнения пористой структуры фильтрующего элемента капельной влагой (конденсатом), следствием чего является снижение его пропускной способности;
- незначительная, в сопоставлении с вместимостью данного устройства, площадь рабочей поверхности фильтрующего элемента, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления и снижению его ресурса;
- возможность неконтролируемого скопления осадка на поверхности нижней трубной решетки и, как следствие, формирование на ней застойных грязевых зон в данном устройстве из-за конструктивной особенности самой решетки, являющейся преградой для свободного удаления нафильтрованного осадка в камеру сбора осаждаемых примесей (свободное пространство для сброса отфильтрованного осадка ограничено отверстиями в трубной решетке);
Задачей заявляемого устройства для очистки пылегазовой среды является:
- обеспечение эффективной фильтрации газового потока со 100% влажностью;
- повышение ресурса фильтра, входящего в состав устройства для очистки пылегазовой среды, до проведения его регенерации;
- обеспечение низкого аэродинамического сопротивления потоку газа;
- исключение застойных зон и обеспечение свободного удаления отфильтрованного осадка.
Поставленная задача в заявляемом устройстве для очистки пылегазовой среды решается за счет того, что устройство для очистки пылегазовой среды, состоящее из корпуса с технологическими патрубками, фильтра, завихрителя, камеры сбора осаждаемых примесей, согласно заявляемому техническому решению дополнительно содержит нагреватель, находящийся на корпусе фильтра, пористые фильтрующие элементы, расположенные в вертикальном положении во внутренней полости фильтра, верхние полые концы которых закреплены в трубной решетке, размещенной в верхней части внутренней полости фильтра и герметично разделяющей полость очистки потока пылегазовой среды и полость очищенного газа, а завихритель находится на наружной стороне цилиндрической обечайки фильтра и расположен между ней и корпусом.
На фиг.1 представлен общий вид устройства для очистки пылегазовой среды, на фиг.2 показана в разрезе внутренняя полость фильтра заявляемого устройства, на фиг.3 - цилиндрическая обечайка с винтовыми направляющими завихрителя, на фиг.4 (вид А) изображено место крепления пористых фильтрующих элементов в трубной решетке.
Заявляемое устройство для очистки пылегазовой среды (фиг.1) состоит из: фильтра (1) для очистки пылегазовой среды; нагревателя (2), например хомутового, предназначенного для нагрева фильтруемой пылегазовой среды и фильтра до температуры выше плюс 100°С, расположенного на корпусе фильтра (3), который герметичного разделяет рабочую зону фильтра от окружающей среды; камеры для сбора осаждаемых примесей (4), используемой для сбора отфильтрованных механических частиц; тангенциально расположенного входного патрубка (5), предназначенного для входа очищаемого газового потока; выходного патрубка (6), через который осуществляется выход очищенного газа; патрубка (7), соединяющего фильтр (1) с камерой для осаждаемых примесей (4); ресивера (8); впускного патрубка (9), предназначенного для проведения обратной импульсной регенерации фильтра высоконапорным потоком воздуха; крана (10).
Фильтр (1), входящий в состав заявляемого устройства для очистки пылегазовой среды, показан в разрезе на фиг.2. Он состоит из: тангенциально расположенного входного патрубка (5); выходного патрубка (6); впускного патрубка (9); корпуса фильтра (3); находящегося на нем нагревателя (2); цилиндрической обечайки (11) с винтовыми направляющими, расположенной внутри корпуса фильтра (3) и формирующей между ней и корпусом фильтра (3) полость первой ступени (12) очистки потока пылегазовой смеси. Во внутренней полости цилиндрической обечайки (11), в верхней ее части, расположена трубная решетка (13). В ней закреплены верхние полые концы пористых фильтрующих элементов (14), например цилиндрических. Пористые фильтрующие элементы (14) находятся в вертикальном положении во внутренней полости цилиндрической обечайки (11) с оптимальным радиальным боковым зазором по отношению друг к другу. Наружные поверхности пористых фильтрующих элементов (14) и внутренняя полость цилиндрической обечайки (11) образуют внутреннюю рабочую полость (15) фильтра (1), которая предназначена для второй (финишной) ступени очистки газового потока.
На фиг.3 показана цилиндрическая обечайка (11) фильтра (1) с винтовыми направляющими. На поверхности цилиндрической обечайки (11) имеется винтовая поверхность (16), предназначенная для направления движения потока входящей пылегазовой смеси по спирали сверху вниз в полости первой ступени очистки потока пылегазовой смеси (12).
На фиг.4, на виде А, изображено место крепления пористых фильтрующих элементов в трубной решетке.
Верхние полые концы (17) пористых фильтрующих элементов (14) выполнены в виде втулок из металла, имеют отверстие и герметично закреплены в трубной решетке (13), благодаря которой происходит герметичное разделение полостей очищаемого пылегазового потока (12 и 15) и полости очищенного газа (18) в фильтре (1). Нижние концы пористых фильтрующих элементов (14) заглушены.
Заявляемое устройство для очистки пылегазовой среды работает следующим образом. Для очистки пылегазовый поток подается через входной патрубок (5) в полость первой ступени очисти потока пылегазовой смеси (12) фильтра (1), где принудительно закручивается по винтовой поверхности (16) между корпусом фильтра 3 и цилиндрической обечайкой 11 в направлении сверху вниз, после чего резко меняет свое направление движения на противоположное, т.е. снизу вверх. За счет воздействия инерционных и гравитационных сил происходит предварительная (грубая) очистка газового потока от крупных механических частиц, которые выпадают из очищаемой пылегазовой среды и через патрубок (7) попадают в камеру сбора осаждаемых примесей (4).
Одновременно с очисткой на первой ступени при помощи нагревателя (2), расположенного на наружной поверхности корпуса (3) фильтра (1), происходит нагрев пылегазового потока до температуры выше плюс 100°С, что исключает образование конденсата при фильтровании пылегазового потока со 100% влажностью на рабочей поверхности пористых фильтрующих элементов (14) и, как следствие, снижение ресурса фильтра (1).
После первой ступени очистки газовый поток направляется к пористым фильтрующим элементам (14), например цилиндрическим, закрепленным в вертикальном положении их верхним полым концом (17) в трубной решетке (13). Пористые фильтрующие элементы (14) максимально плотно занимают внутреннюю рабочую полость (15) фильтра (1), что позволяет эффективно развить рабочую фильтрующую поверхность и, как следствие, максимально снизить аэродинамическое сопротивление фильтра (1). Предварительно очищенный пылегазовый поток проходит окончательную (финишную) фильтрацию через пористую структуру фильтрующих элементов (14), после чего газ, освобожденный от мелкодисперсных механических частиц, через отверстия в верхнем полом конце пористых фильтрующих элементов (17), закрепленных в трубной решетке (13), поступает в полость очищенного газа (18) и удаляется из фильтра (1) через выходной патрубок (6). Трубная решетка (13) расположена в верхней части фильтра (1), что позволяет обеспечить свободное удаление нафильтрованного осадка в камеру сбора осаждаемых примесей (4) с пористых фильтрующих элементов (14) при регенерации фильтра, а также исключает появление застойных зон при работе установки.
Предварительная очистка от механических частиц пылегазовой среды со 100% влажностью и одновременный нагрев ее на первой ступени выше плюс 100°С снижает грязевую нагрузку на пористые фильтрующие элементы (14) во время окончательной (финишной) очистки пылегазовой среды, благодаря чему, из-за снижения аэродинамического сопротивления и повышения проницаемости пористых фильтрующих элементов (14), увеличивается ресурс фильтра (1) до проведения их регенерации.
3
Эффективность заявляемой установки для очистки пылегазовой среды при очистке воздуха со 100% влажностью и расходом 38 м/ч от частиц размером ≥0,3 мкм составляет не менее 99,9%. При этом перепад давления (аэродинамическое сопротивление) на фильтре составляет не более 0,5 кПа.
Способ регенерации устройства для очистки пылегазовой среды
Известен способ регенерации фильтров по заявке на изобретение «Рукавный фильтр с импульсной регенерацией для очистки запыленных газов», патент РФ №2437710 (класс МПК B01D 46/02, дата приоритета 28.12.2009 г.). Рукавный фильтр содержит цилиндрический корпус с решеткой, разделяющей его на камеры запыленного и очищенного газов, фильтровальные рукава, заглушенные снизу, регенерирующее устройство, конический пылесборник с затвором, продувочные трубы с электромагнитным клапаном и ресивером, а также патрубки подачи запыленного и вывода очищенного газов. Фильтровальные рукава натянуты на металлические каркасы, выполненные в виде спиралей, закрепленных на решетке, причем верхней частью рукава закреплены на каркасе хомутом и установлены коаксиально в металлические или полимерные оболочки с открытым дном, в верхней части которых размещены эжектирующие насадки в виде усеченных конусов.
Недостатками предложенного способа регенерации фильтра являются:
- неэффективное использование энергии газового потока во время проведения регенерации, т.к. удаление пыли с поверхности фильтровального материала рукавов происходит из-за разрежения, возникающего в свободном пространстве между оболочкой и фильтровальным рукавом за счет эжектирования газового потока при подаче струи напорного воздуха из эжектирующей насадки (сопла). Возникающий при этом перепад давления на фильтровальном рукаве в направлении изнутри наружу гораздо меньше, чем перепад, возникающий при непосредственном направлении потока изнутри наружу;
- при осуществлении регенерации в корпусе фильтра возникает избыточное давление, которое может достигать значительных величин и являться недопустимым при использовании фильтров в металлургических, вакуумных или вентиляционных системах, особенно в химической и атомной отраслях промышленности, а также в биотехнологических производствах и на биологически опасных объектах.
Известно устройство, предназначенное для регенерации фильтров по заявке на изобретение «Способ регенерации рукавного фильтра для очистки высокотемпературных газов и рукавный фильтр для его осуществления», заявка на изобретение РФ №2005102321 (класс МПК B01D 46/00, дата приоритета 31.01.2005 г.), наиболее близкое по технической сущности, в котором регенерация осуществляется способом воздействия на фильтрующие элементы в направлении изнутри наружу взрывной волны, исходящей от продуктов горения, получаемых в результате воспламенения приготовленной смеси из горючего газа и воздуха. Фильтр включает вертикальный корпус с пирамидальным днищем, снабженным штуцером для удаления пыли, фильтровальные элементы, перегородку для их крепления, штуцер для отвода очищенного газа, штуцер для подачи в аппарат запыленного газового потока, крышку с соединительным штуцером и систему регенерации. Система регенерации состоит из устройства для приготовления горючей смеси из горючего газа и воздуха, камеры взрывного горения, снабженной электромагнитным клапаном, и турбулизаторов, расположенных на осях фильтровальных элементов.
Недостаткамм указанного способа являются:
- необходимость наличия специального горючего газа;
- при осуществлении регенерации в корпусе фильтра возникает избыточное давление, которое может достигать значительных величин и являться недопустимым при использовании фильтров в металлургических, вакуумных или вентиляционных системах, особенно в химической и атомной отраслях промышленности, а также в биотехнологических производствах и на биологически опасных объектах.
Задачей заявляемого способа регенерации устройства для очистки пылегазовой среды является проведение регенерации фильтра обратным высокоскоростным потоком газа без повышения давления внутри его корпуса выше атмосферного, что исключает попадание отфильтрованного осадка и вредных веществ в окружающую атмосферу.
Данная задача решается за счет того, что регенерация фильтра происходит за счет обратного высоконапорного потока газа, например воздуха, при этом согласно заявляемому способу этот высоконапорный поток создается за счет резкой подачи газа, находящегося под давлением в ресивере, через пористые фильтрующие элементы в предварительно отвакуумированные рабочие полости фильтра, причем в его рабочих полостях не происходит повышение давления выше атмосферного.
+10
Заявляемый способ регенерации фильтра реализуется следующим образом: через выходной патрубок (6) производится вакуумирование рабочих полостей фильтра (1) [полости первой ступени очистки пылегазовой среды (12) и внутренней рабочей полости (15)] и камеры сбора осаждаемых примесей (4) до абсолютного давления, например, (30±20) кПа, при этом входной патрубок (5) и впускной патрубок (9) закрыты. Ресивер (8) заполняется газом, например воздухом, с избыточным давлением, например, (70) кПа (кран 10 при этом закрыт). При резком открытии крана (10) открывается и впускной патрубок, (9) и воздух, находящийся в ресивере (8), через впускной патрубок (9) направляется за счет разности абсолютных давлений сначала в полость очищенного газа (18) и через верхние полые концы пористых фильтрующих элементов (17) проходит вовнутрь пористых фильтрующих элементов (14) и в импульсном режиме выходит под высоким напором через их пористую структуру (в направлении изнутри наружу). При этом отфильтрованные в процессе работы фильтра (1) механические частицы, преодолевая силы адгезии, сбрасываются с пористых фильтрующих элементов (14) в камеру сбора осаждаемых примесей (4), герметично соединенную с фильтром (1).
Объемы ресивера (8), рабочих полостей фильтра (1) и камеры сбора осаждаемых примесей (4), а также давления в них воздуха рассчитаны таким образом, что во время и после проведения регенерации абсолютное давление в фильтре (1) не превышает атмосферного, что весьма актуально при фильтрации опасных частиц (например, радиоактивных), попадание которых в атмосферу недопустимо.
Техническим результатом является эффективный способ регенерации фильтра обратным высокоскоростным потоком газа, образующимся при резком повышении абсолютного давления до 0,1 МПа в рабочей полости фильтра, находящейся под вакуумметрическим давлением без повышения давления внутри корпуса фильтра.
Пример
Абсолютное давление в фильтре после регенерации определяется по формуле:
1
1
2
2
3
3
1
2
3
P·(V+V)+Р·V=Р·(V+V+V), где:
1
P=0,03 МПа - абсолютное давление в фильтре и в пылесборнике перед регенерацией;
2
P=0,17 МПа - абсолютное давление в ресивере перед регенерацией;
3
P - искомое абсолютное давление в фильтре, в пылесборнике и в ресивере после регенерации (МПа);
1
V=76,8 л - внутренний объем фильтра;
2
V=116,6 л - внутренний объем пылесборника;
3
V=134 л - внутренний объем ресивера.
Заявляемое устройство для очистки пылегазовой смеси обеспечивает эффективную фильтрацию газового потока со 100% влажностью; повышение ресурса фильтра, входящего в состав установки для очистки пылегазовой среды, до проведения его регенерации; достаточно низкое сопротивление за счет большой рабочей поверхности фильтрующих элементов; двухступенчатую очистку газового потока; компактность изделия в результате рационального использования объема внутренней полости фильтра для очистки пылегазовой среды и финишную очистку запыленного газа методом фильтрования через пористую структуру фильтрующих элементов; простоту в изготовлении фильтра для очистки пылегазовой среды и надежность в его работе.
Предложенный способ регенерации обеспечивает возможность проведения импульсной регенерации (с удалением отфильтрованного осадка за пределы фильтра) пористых фильтрующих элементов обратным потоком воздуха без разборки заявляемой установки для очистки пылегазовой среды и без повышения выше атмосферного внутреннего давления внутри корпуса фильтра, что исключает выброс вредных веществ в атмосферу, повышает производительность его работы и уменьшает время на обслуживание в целом всей установки для очистки пылегазовой среды.