ФИЛЬТРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГОРЯЧЕГО ГАЗА

Полезная модель относится к устройствам для тонкой очистки горячих газов от мелкодисперсных частиц и аэрозолей и может быть использована в энергетике, металлургии, атомной и химической промышленности.
Для очистки газов от механических примесей известны «мокрый» и «сухой» методы, возможность применения которых в конкретном технологическом процессе определяется заданными параметрами потока газа и содержащихся в нем частиц. В технологических процессах, которые связаны с очисткой и использованием горячего газа, применение «мокрого» метода очистки в ряде случаев неприемлемо из-за образования значительного количества жидких отходов и трудности с их утилизацией.
Для реализации сухого способа очистки горячих газов от частиц обычно используют установки с фильтрующими элементами, обладающими высокой термической и коррозионной стойкостью, которые должны выдерживать резкие изменения температуры и давления в процессе эксплуатации без нарушения целостности фильтрующих элементов и герметичности их установки в корпусе.
Известна фильтровальная установка для очистки газов от пыли [патент RU 2375106 C1, B01D 46/02], содержащая корпус, внутри корпуса размещена решетка с закрепленными на ней керамическими фильтрующими элементами, которая разделяет корпус на камеры чистого и грязного газа. Фильтрующие элементы выполнены в виде фильтровальной ткани на перфорированном каркасе в форме параллелепипеда, размещены попарно в камере грязного газа рядами и закреплены открытыми концами в прямоугольных отверстиях перегородки с помощью элементов крепления, установленных со стороны открытых концов фильтрующих элементов в камере чистого газа. Фильтрующие элементы установлены при помощи элементов крепления, выполненных в виде кронштейна с двумя узлами фиксации фильтрующих элементов в форме канавок П-образного профиля, и содержащего в средней части два упора для монтажа кронштейна, установленных перпендикулярно плоскости кронштейна и жестко зафиксированных на нем при помощи пары пластин. Эта установка предназначена для очистки газа от относительно крупных частиц при высокой концентрации пыли и снабжена эффективной системой генерации фильтровальных элементов обратными импульсами газа высокого давления.
Однако возможности ее использования для очистки горячих газов от мелкодисперсных частиц и аэрозолей существенно ограничены из-за нестабильности размера пор тканевых фильтрующих элементов в процессе эксплуатации.
Фильтрующие элементы установок для тонкой очистки горячих газов часто изготавливаются из жестких металлических, керамических или композитных материалов с открытой пористостью заданных параметров. Широкое применение для тонкой очистки горячих газов получили установки с фильтрующими элементами из керамики или из композитных материалов на их основе, которые имеют относительно невысокую прочность и склонность к растрескиванию при механических нагрузках. Поэтому конструкция фильтрующей установки с такими фильтрующими элементами должна обеспечить их надежную фиксацию при изменении температуры и давления газа, а также компенсацию воздействия на них механических нагрузок от температурных расширений корпуса и крепежных деталей.
Для отделения микрочастиц от газового потока при высоких температурах применяются жесткие керамические фильтрующие элементы в форме трубки или стакана цилиндрической формы. В фильтрующих элементах в форме стакана (с одним закрытым торцом) грязный газ находится со стороны его наружной поверхности, а поток очищенного газа проходит внутрь и выводится со стороны открытого торца фильтрующего элемента. Для удаления отложений на поверхности фильтрующего элемента установки обычно содержат систему генерации обратных импульсов газа высокого давления, которые вызывают резкие изменения температуры и механические нагрузки на элементы конструкции устройства. Жесткие условия процесса очистки горячих газов от примесей обуславливают необходимость совершенствования общей конструкции фильтрационных установок, которая может способствовать снижению повреждения и повышению надежности фильтрующих элементов. Известна фильтрационная установка для очистки от пыли горячих газов, содержащая корпус, внутри корпуса размещена решетка с закрепленными на ней керамическими фильтрующими элементами [патент RU №2283687 C1, B01D 46/24]. Фильтрующие элементы выполнены в виде достаточно массивной керамической трубки с одним закрытым торцом (т.е. в форме стакана цилиндрической формы) и с кольцевым бортиком у открытого торца, который используется для закрепления фильтрующих элементов в отверстиях на решетки. Решетка с фильтрующими элементами разделяет рабочий объем фильтрующей установки на камеру загрязненного и камеру очищенного газа, к которым подсоединены каналы подвода и отвода газа, соответственно. Установка снабжена системой регенерации фильтрующих элементов и системой равномерного распределения потока загрязненного газа и его поступления к наружной поверхности фильтрующих элементов. Это изобретение направлено на снижение разрушающих термических напряжений при проведении регенерации керамического фильтрующего элемента и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемой полезной модели.
Однако известная установка решает задачу очистки горячего газа от крупных частиц размером порядка 10-100 Мкм и использует достаточно массивные и прочные керамические фильтровальные элементы в форме стакана цилиндрической формы с небольшим сопротивлением фильтрации обычно не превышающим 100 Па. Такие фильтрующие элементы могут быть достаточно просто размещены и закреплены в отверстиях решетки без риска их разрушения и проскока грязного газа в камеру очищенного газа.
Для проведения тонкой очистки газов от частиц и аэрозолей размером порядка 0,3 Мкм для фильтрующих элементов необходимо использовать более тонкую керамику и керамические композитные материалы, которые обладают более высоким сопротивлением фильтрации.
Известен фильтрующий элемент, пригодный для проведения тонкой очистки горячего газа, который изготовлен с использованием композитного волокнистого керамического материала [патент RU 2163833 C1, В01D 39/20]. Керамическую волокнистую композитную структуру или фильтр получают способом, в котором непрерывное керамическое волокно в виде нити наматывают на пористую вакуумную оправку при одновременном нанесении на нее разбавленной суспензии керамических волокон. Далее проводят сушку и обжиг заготовки с образованием связующей фазы в точках контактного взаимодействия с волокнами. Способ позволяет получить структуру фильтрующих элементов, которая обеспечивает заданные параметры пористости и эффективности тонкой очистки горячего газа.
Однако применение таких фильтровальных элементов в установках известной конструкции [например, патент RU №2283687] не позволяет обеспечить целостность фильтрующих элементов из тонкой керамики и герметичность их закрепления в отверстиях решетки. Это обусловлено жесткими условиями эксплуатации установок, возможными резкими изменениями температуры и давления газа, вибрационными нагрузками, которые приводят к образованию микротрещин в материале фильтрующих элементов, значительно повышает вероятность хрупкого разрушения и катастрофического отказа фильтрующего элемента в зоне его крепления к решетке и катастрофического отказа фильтрационной системы.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение надежности процесса тонкой очистки горячих газов и снижение вероятности прорыва грязного газа в зону чистого газа.
Эта задача достигается с помощью технического результата, который состоит в повышении надежности герметичного закрепления фильтрующих элементов на разделительной решетке установки в условиях термомеханических нагрузок и вибраций.
Для решения поставленной задачи фильтрационная установка для очистки горячих газов включает корпус, внутри которого размещена решетка с отверстиями, разделяющая рабочий объем установки на камеры грязного и очищенного газа, к которым подсоединены каналы подвода грязного и отвода чистого газа, на решетке со стороны камеры грязного газа размещены керамические фильтрующие элементы цилиндрической формы с закрытым торцом, которые установлены открытым торцом к решетке соосно отверстиям в ней, причем фильтровальные элементы выполнены в форме трубок, которые закреплены на решетке блоками по три трубки, каждый блок трубок закреплен на решетке независимо друг от друга при помощи трех закрепленных на решетке конец, трех крышек, металлического стержня, закрепленного на решетке в центре блока соосно трубкам, на конце стержня размещена подпружиненная пластина, которая контактирует с центрами трех крышек и выполнена с возможностью перемещения вдоль оси стержня.
В частном варианте между торцами трубок и решеткой, кольцами, крышками размещен слой эластичного и термостойкого герметика.
В другом частном варианте на наружной поверхности в центре крышек выполнены выпуклости сферической формы.
В предложенной конструкции фильтрационной установки реализуется блочный принцип закрепления трубок фильтрующих элементов на решетке, при котором обеспечивается автономное центрирование трубок в каждом блоке и заданное прижимное усилие торцов трубок через эластичный герметик к металлическим конструктивным элементам при очистке горячих газов. Такое выполнение установки позволяет повысить надежность герметичного закрепления фильтрующих элементов на разделительной решетке установки и компенсировать вибрационные и термомеханические воздействия на керамические фильтрующие элементы со стороны контактирующих с ними элементов конструкции установки.
На фиг.1 представлен вид сбоку на фильтрующую установку через вырез в ее наружной обечайке.
На фиг.2 представлен вид по сечению А-А (фиг.1) на фильтрующие элементы со стороны камеры грязного газа.
На фиг.3 представлено сечение Б-Б (фиг.2) блока из трех фильтрующих элементов.
На фиг.4 представлены зоны герметизации верхнего (а) и нижнего (б) торцов трубок (фиг.3).
Фильтрационная установка содержит корпус (1), внутри которого размещена решетка (2), разделяющая рабочий объем установки на камеры грязного (4) и очищенного (5) газа, к которым подсоединены каналы подвода грязного (6) и отвода чистого (7) газа. На решетке (2) со стороны камеры (4) грязного газа размещены керамические фильтрующие элементы (3) цилиндрической формы с закрытым торцом, которые установлены открытым к решетке (2) соосно ее отверстиям. Фильтрующие элементы выполнены в форме трубок (3), которые закреплены на решетке (2) блоками по три трубки. Каждый блок трубок (3) закреплен на решетке (2) независимо друг от друга при помощи трех закрепленных на решетке (2) колец (17), трех крышек (8), металлического стержня (12). Стержень (12) закреплен на решетке (2) в центре блока (15) соосно трубкам (3). На конце стержня (12) с помощью пружины (13), шайбы (11) и гаек (10) размещена подпружиненная пластина (9), которая контактирует с центром (14) трех крышек (8). Пластина (9) выполнена с возможностью смещения вдоль оси стержня (12) при термическом расширении (сжатии). Между торцами трубок (3) и решеткой (2), кольцами (17), крышками (8) размещен слой эластичного герметика (16) и (18). На наружной поверхности в центре крышек (8) выполнена выпуклость (14) для контакта с пластиной (8).
Фильтрационная установка работает следующим образом.
Загрязненный горячий газ поступает через патрубок (6) в камеру (4). Загрязненный газ проходит в зазоры между фильтрующими элементами и фильтруется через их боковую цилиндрическую поверхность в полость элементов (3) и далее выводится через отверстия в решетке (2) в камеру чистого газа (5), а затем удаляется через канал (7). Аэрозоли и микрочастицы накапливаются в порах и на внешней поверхности фильтрующих элементов (3), что приводит к постепенному увеличению гидравлического сопротивления пористой стенки элементов (3) и снижению эффективности процесса фильтрации. Для восстановления производительности установки проводят регенерацию фильтрующих элементов путем импульсной продувки со стороны камеры (5) чистого газа (система регенерации на рисунках не показана) либо проводят периодическую замену фильтрующих элементов (3). При эксплуатации установки изменение потока и давления горячего газа может приводить к возникновению вибрации корпуса (1) и элементов конструкции. Размещение фильтрующих элементов (3) на решетке (2) в виде отдельных блоков из трех элементов, которые связаны общей подпружиненной системой их крепления с помощью колец (17) крышек (8), металлического стержня (12) в центре блока (15) и подпружиненной пластины (9), значительно повышает механическую устойчивость крепления и снижает вероятность развития вибраций, которые способствуют хрупкому разрушению фильтрующих элементов. Изменение длины стягивающего стержня (12), которое связано с изменением температуры очищаемого газа, компенсируются за счет деформации пружины (13) и перемещения подпружиненной пластины (9) вдоль оси стержня (12), которое ограничено шайбой (11) с гайкой (10). При этом выполнение на наружной поверхности в центре крышек (8) выпуклости (14) позволяет центрировать и равномерно распределить нагрузку прижима фильтровальных элементов (3) через слои эластичного герметика (16) и (18) к решетке (2), кольцам (17) и крышкам (8).
Предлагаемое техническое решение было экспериментально проверено на демонстрационной установке. Экспериментально показана эффективность работы фильтра (фильтрационной установки), позволившей достичь степень очистки горячего газа от паров масла равной 99,8%. Полученные результаты дают возможность использовать заявляемую конструкцию в различных отраслях промышленности и экологии, например:
- для тонкой очистки горячих технологических газов и вентиляционного воздуха под давлением от радиоактивных и других вредных и токсичных аэрозолей, например, в химически вредных производствах и перед выбросом в окружающую среду.
- для тонкой очистки рабочего тела (продуктов сгорания, природного газа, парогазовой смеси, «острого» пара и пр.) от абразивных примесей в турбинных установках теплоэлектростанций для уменьшения на порядок износа лопаток турбины, увеличения в несколько раз ресурса до их замены и снижения энергопотерь.