ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ГОРЯЧЕГО ГАЗА ОТ ПЫЛИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
FILTERING ELEMENT FOR PURIFYING HOT GAS FROM DUST AND ITS MANUFACTURING METHOD

[1] Изобретение относится к области промышленной экологии, в частности к области очистки горячего газа от взвешенных частиц. Изобретение может быть использовано на предприятиях, технологические процессы которых сопровождаются выходом значительного объема высокотемпературного запыленного газа, например, в металлургии.
[2] Необходимость очистки газа может быть продиктована экологическими соображениями в целях недопущения попадания пыли во внешнюю среду. Одновременно с этим в случае дальнейшего использования высокотемпературного газа, например, для нагрева жидкого теплоносителя, предварительная очистка газа позволяет продлить срок службы теплообменного оборудования и повысить эффективность утилизации тепловой энергии, что достигается благодаря снижению абразивного износа и предотвращению накопления отложений на поверхностях теплообмена.
Предпосылки к созданию изобретения
[3] Очистка запыленного газа, имеющего температуру 500-1000°С и выше, в настоящее время осуществляется с использованием двухкамерного устройства, которое включает в себя так называемые грязную и чистую камеры. Запыленный газ под давлением подается грязную камеру, в которой размещено множество фильтрующих элементов. Каждый фильтрующий элемент содержит фильтрующую стенку, выполненную из термостойкого пористого материала и имеющую форму трубы, полость которой закрыта с одного конца. Пыль задерживается на внешней поверхности фильтрующей стенки, а очищенный газ, проходя сквозь поры фильтрующей стенки, выводится через ее внутреннюю поверхность в упомянутую полость фильтрующей стенки, а далее - в чистую камеру.
[4] Для обеспечения возможности фильтрации высокотемпературного газа фильтрующий элемент должен характеризоваться одновременно высокими показателями термостойкости и пористости. Именно по этой причине фильтрующие элементы выполняют из материала, содержащего относительно большое количество термостойкого неорганического волокна и небольшое количество связующего, скрепляющего отдельные волокна между собой с образованием пор между ними.
[5] Однако для фильтрации газа в промышленных объемах требуется обеспечить еще и большую площадь внешней поверхности фильтрующей стенки, т.е. фильтрующий элемент должен иметь большой продольный размер. Отметим, что современные устройства газоочистки предусматривают возможность использования фильтрующих элементов длиной до 6 метров и выше. Проблема состоит в том, что фильтрующий элемент такого размера, изготовленный из описанного выше материала, не обладает достаточным уровнем механической прочности, который требуется для осуществления транспортировки фильтрующего элемента, проведения с ним определенных манипуляций при установке и т.п.
[6] В патентной публикации US 2008314012 A1, 25.12.2008 раскрыт фильтрующий элемент, в состав фильтрующей стенки которого наряду с неорганическим волокном включены неорганические нити. Толщина неорганических нитей может доходить до 0,5 мм, а длина - превышать 100 мм. Такие неорганические нити армируют фильтрующую стенку и повышают прочность фильтрующего элемента. Недостаток данного решения состоит в том, что включение в состав фильтрующей стенки данных неорганических нитей в том количестве, которое необходимо для требуемого повышения прочности, существенно снижает пористость фильтрующей стенки, а значит, и ее газопроницаемость.
[7] В патентной публикации US 2017341004 A1, 30.11.2017 раскрыт фильтрующий элемент, процесс изготовления которого включает этап дополнительного нанесения связующего, осуществляемый после сушки твердой фазы суспензии, осажденной на формообразующей поверхности для формирования фильтрующей стенки. Обратим внимание, что твердая фаза суспензии помимо неорганического волокна уже содержит связующее, и нанесение дополнительного его количества естественным образом повышает прочностные характеристики фильтрующего элемента. В то же время естественным видится и недостаток данного решения, заключающийся в соответствующем снижении пористости, а значит, и газопроницаемости фильтрующей стенки.
[8] Целью изобретения является преодоление недостатков, свойственных известным решениям, и разработка фильтрующего элемента, имеющего одновременно высокую прочность при транспортировке и установке, а также высокие показатели пористости и газопроницаемости, наблюдаемые в процессе эксплуатации.
Сущность изобретения
[9] Для достижения поставленной цели настоящее изобретение реализовано посредством двух объектов изобретения.
[10] Первым объектом изобретения является фильтрующий элемент для удаления частиц из газа, содержащий фильтрующую стенку, в состав которой входят неорганическое волокно и органическое волокно. Фильтрующая стенка может быть выполнена в виде трубы, закрытой с одного конца.
[11] Содержание органического волокна в составе фильтрующей стенки может составлять 35-55 масс.%. Органическое волокно может представлять собой полимерное волокно, в частности, полипропиленовое волокно. Полимерное волокно может иметь длину 5-20 мм и диаметр 20-60 мкм.
[12] Содержание неорганического волокна в материале фильтрующей стенки может составлять 40-60 масс.%. Неорганическое волокно может представлять собой, по меньшей мере, одно из следующего: алюмосиликатное волокно, кальций-магний силикатное волокно, кварцевое волокно, базальтовое волокно, стекловолокно или любую смесь из них.
[13] Материал фильтрующей стенки может содержать неорганическое связующее. В предпочтительном случае неорганическое связующее представляет собой коллоидный диоксид кремния или коллоидный оксид алюминия. Содержание неорганического связующего в материале фильтрующей стенки может составлять 3-10 масс.%.
[14] Материал фильтрующей стенки может содержать флоккулирующий агент. В предпочтительном случае флоккулирующий агент представляет собой катионный крахмал. Содержание флоккулирующего агента в материале фильтрующей стенки может составлять 0,5-4 масс.%.
[15] Вторым объектом изобретения является способ изготовления фильтрующего элемента для удаления частиц из газа, в котором фильтрующий элемент получают путем осаждения твердой фазы суспензии на формообразующей поверхности при всасывании жидкой фазы суспензии через формообразующую поверхность. Согласно способу по второму объекту изобретения в состав твердой фазы суспензии включают неорганическое волокно и органическое волокно.
[16] Формообразующая поверхность может представлять собой цилиндрическую поверхность. Способ по второму объекту изобретения может включать в себя этап сушки твердой фазы суспензии, осажденной на формообразующей поверхности, с последующей роликовой обкаткой.
[17] В качестве органического волокна может быть использовано полимерное волокно, в частности, полипропиленовое волокно. В этом случае сушку твердой фазы суспензии, осажденной на формообразующей поверхности, выполняют при температуре ниже 250°С. В предпочтительном случае используют полимерное волокно, имеющее длину 5-20 мм и диаметр 20-60 мкм.
[18] В качестве неорганического волокна может быть использовано, по меньшей мере, одно из следующего: алюмосиликатное волокно, кальций-магний силикатное волокно, кварцевое волокно, базальтовое волокно, стекловолокно или любая смесь из них.
[19] В состав твердой фазы суспензии может быть включено неорганическое связующее. В качестве неорганического связующего может быть использован коллоидный диоксид кремния или коллоидный оксид алюминия.
[20] В состав твердой фазы суспензии может быть включен флоккулирующий агент. В качестве флоккулирующего агента может быть использован катионный крахмал.
Краткое описание чертежей
[21] Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 - схематическое изображение устройства для очистки горячего газа, в котором использован фильтрующий элемент по первому объекту изобретения;
Фиг. 2 - укрупненное схематическое изображение материала фильтрующей стенки фильтрующего элемента по первому объекту изобретения до введения его в эксплуатацию.
Осуществление изобретения
[22] Осуществление изобретения будет показано на наилучших известных авторам изобретения примерах реализации изобретения, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
Особенности и технические результаты первого объекта изобретения
[23] Устройство 1 для удаления частиц из газа, показанное на Фиг. 1, содержит герметичный корпус 2, заключающий в себе две камеры: грязную камеру 3 и чистую камеру 4. Запыленный газ подается через входной трубопровод 5 и нагнетается в грязную камеру 3 при помощи компрессора 6 под давлением, которое выше атмосферного давления. В свою очередь очищенный газ выводится через выходной трубопровод 7, перед которым установлен вакуумный насос 8, создающий в чистой камере 4 давление, которое ниже атмосферного давления. Таким образом, между грязной камерой 3 и чистой камерой 4 имеется существенный перепад давления.
[24] Устройство 1 содержит также множество одинаковых фильтрующих элементов, из которого на Фиг. 1 показаны фильтрующие элементы 11, 12, 13. Фильтрующий элемент 12 на Фиг. 1 показан в разрезе, и представленное ниже описание конструкции и принципов работы фильтрующего элемента 12 справедливо для всех фильтрующих элементов, составляющих упомянутое множество.
[25] Фильтрующий элемент 12 включает в себя фильтрующую стенку 121 и фланцевый участок 122. Фильтрующая стенка 121 имеет форму трубы и образует полость 123, которая является закрытой с одного конца фильтрующей стенки 121. Фланцевый участок 122 имеет кольцеобразную форму и расположен на другом конце фильтрующей стенки 121, оставляя полость 123 открытой. Внешний диаметр фланцевого участка 122 больше внешнего диаметра фильтрующей стенки 121. В фильтрующем элементе 12 фильтрующая стенка 121 и фланцевый участок 122 выполнены заодно из одного и того же материала, однако, это не является ограничением. Фланцевый участок может быть выполнен, например, из металла с последующей заделкой в фильтрующую стенку. Описанная конфигурация фильтрующего элемента обычно именуется как «свеча».
[26] Грязная камера 3 и чистая камера 4 разделены панелью 9, имеющей множество отверстий с диаметром, который больше диаметра фильтрующей стенки 121, но меньше диаметра фланцевого участка 122. Таким образом, при установке фильтрующего элемента 12 в устройстве 1, в частности, после размещения фильтрующей стенки 121 в грязной камере 3 фланцевый участок 122 позволяет обеспечить опору для фильтрующего элемента 12, а также герметизацию соответствующего отверстия в панели 9.
[27] Полость 123 фильтрующей стенки 121 открыта в чистую камеру 4, соответственно упомянутый выше перепад давления между грязной камерой 3 и чистой камерой 4 соответствует перепаду давления между давлением на внешней поверхности 124 фильтрующей стенки 121 и давлением на ее внутренней поверхности 125. Следует отметить, что представленная на Фиг. 1 конфигурация устройства 1 не является ограничением: панель 9 или функционально аналогичные элементы могут находиться в грязной камере, при этом полость 123 в любом случае должна быть соединена с чистой камерой 4, например, посредством трубопровода.
[28] Фильтрующая стенка 121 выполнена из газопроницаемого материала, через поры которого способен проходить газ, но не способны проходит взвешенные в газе частицы. Таким образом, находящийся в грязной камере 3 газ, содержащий взвешенные частицы, вследствие наличия упомянутого перепада давления проходит сквозь фильтрующую стенку 121, в то время как взвешенные частицы задерживаются на внешней поверхности 124 и осыпаются в бункер 10. Выходя через внутреннюю поверхность 125, очищенный газ попадает в полость 123, а далее - в чистую камеру 4.
[29] На Фиг. 2 показана структура материала 20 фильтрующей стенки 121. Материал 20 включает в себя неорганическое волокно 21, органическое волокно 22, связующее и флоккулирующий агент (не показаны). Следует отметить, что наличие в материале 20 неорганического волокна 21, связующего, флоккулирующего агента является известным из уровня техники и не является предметом данного изобретения. Одновременно с этим включение в состав материала 20, используемого для изготовления фильтрующей стенки 121, органического волокна 22 представляет собой решение, являющееся новым и неочевидным для специалиста в данной области техники.
[30] В материале 20 по сравнению с известным материалом фильтрующей стенки органическое волокно 22 замещает часть неорганического волокна 21. Органическое волокно 22 может быть изготовлено из любого органического вещества, пригодного для изготовления волокна, и характеризуется тем, что ему присущи основные свойства органических веществ, такие как наличие в химическом составе углерода и способность сгорать или разлагаться под действием повышенной температуры. Кроме того, как будет показано ниже, органическое волокно 22 по сравнению с неорганическим волокном 21 имеет больший диаметр, обеспечивающий ему соответствующую прочность, и более значительную длину.
[31] Таким образом, фильтрующая стенка 121 оказывается армированной прочным и длинным органическим волокном 22, и в результате этого фильтрующий элемент 12 приобретает повышенную прочность по сравнению с известным фильтрующим элементом. Данные качество фильтрующего элемента 12 позволяет осуществить его транспортировку от места изготовления на место использования, а также произвести его установку в устройство 1, существенно уменьшив риск разрушения фильтрующего элемента 12 в результате неосторожных или случайных воздействий.
[32] Однако после установки в устройство 1 прочностные характеристики фильтрующего элемента 12 в некоторой степени теряют свое значение, поскольку фильтрующий элемент 12 уже не будет подвергаться ударным или изгибающим нагрузкам. В то же время на данном этапе приобретают особую актуальность эксплуатационные характеристики фильтрующего элемента 12, в частности, пористость и определяемая ею газопроницаемость фильтрующей стенки 121. При подаче в грязную камеру 3 горячего запыленного газа, имеющего температуру 500-1000°С и выше, органическое волокно 22 сгорает или разлагается, оставляя на своем месте дополнительные поры, увеличивающие газопроницаемость фильтрующей стенки 121 и обеспечивающие соответствующее увеличение производительности устройства 1.
[33] Таким образом, фильтрующий элемент 12, выполненный по первому объекту изобретения, характеризуется повышенной прочностью, обеспечиваемой в то время, когда требуется высокая прочность, и характеризуется повышенной пористостью, обеспечиваемой в то время, когда требуется высокая пористость.
[34] В материале 20 фильтрующей стенки 121 количество органического волокна 22 составляет 35-55 масс.%. Если количество органического волокна 22 в материале 20 составляет меньше 35 масс.%, то эффект увеличения прочности фильтрующего элемента 12 на этапе его транспортировки и установки, а также эффект увеличения его пористости на этапе эксплуатации становятся незначительными. В то же время при увеличении количества органического волокна 22 в материале 20 свыше 55 масс.% не обеспечивается требуемая прочность уже находящегося в эксплуатации фильтрующего элемента 12 после удаления органического волокна 22.
[35] В материале 20 фильтрующей стенки 121 органическое волокно 22 представляет собой полимерное волокно, а именно - полипропиленовое волокно, которое по своим прочностным и температурным характеристикам наиболее соответствует указанным выше целям. Следует, однако, отметить, что органическое волокно 22 может также представлять собой волокно биологического происхождения, например, волосы, волокно тутового шелкопряда, растительное волокно и т.п.
[36] Предпочтительно, полимерное волокно имеет длину 5-20 мм и диаметр 20-60 мкм. При длине менее 5 мм снижается эффективность армирования, в то время как при длине свыше 20 мм может быть затруднено обеспечение равномерности распределения полимерного волокна в материале 20 по объему фильтрующей стенки 121. Диаметр полимерного волокна менее 20 мкм не обеспечивает его достаточной прочности, а поры приобретают слишком большое сопротивление прохождению газа. В тоже время диаметр полимерного волокна свыше 60 мкм значительно снижает количество самих волокон при заданной их общей массе, что отрицательно сказывается на прочности и пористости. Кроме того, как будет показано ниже, полимерное волокно данного размера является оптимальным и с точки зрения технологии изготовления фильтрующего элемента 12.
[37] В качестве неорганического волокна 21, входящего в состав материала 20 может быть использовано любое неорганическое волокно, способное без изменения своей структуры выдерживать температуру 500-1000°С и выше в зависимости от условий эксплуатации фильтрующего элемента. В частности, неорганическое волокно 21 может представлять собой, по меньшей мере, одно из следующего: керамическое волокно, например, алюмосиликатное волокно или кальций-магний силикатное волокно, а также кварцевое волокно, базальтовое волокно, стекловолокно или любое другое волокно подобное данным волокнам, а также любая смесь из них. В предпочтительном случае применяется неорганическое волокно, в котором отдельное волокно имеет длину 0,1-1,0 мм и диаметр 1-10 мкм.
[38] В материале 20 фильтрующей стенки 121 количество неорганического волокна 21 составляет 40-60 масс.%. Если количество неорганического волокна 21 в материале 20 составляет меньше 40 масс.%, то не обеспечивается требуемая прочность уже находящегося в эксплуатации фильтрующего элемента 12 после удаления органического волокна 22. Если же количество неорганического волокна 21 в материале 20 превышает 60% масс.%, то эффект увеличения прочности фильтрующего элемента 12 на этапе его транспортировки и установки, а также эффект увеличения его пористости на этапе эксплуатации становятся незначительными ввиду недостаточного количества органического волокна 22.
[39] Материал 20 фильтрующей стенки 121 включает в себя связующее, в качестве которого может быть использовано любое связующее, способное без изменения своей структуры выдерживать температуру 500-1000°С и выше в зависимости от условий эксплуатации фильтрующего элемента. При указанных ограничениях представляется предпочтительным выбор неорганического связующего. Конкретно в материале 20 в качестве связующего может быть использован коллоидный диоксид кремния или коллоидный оксид алюминия.
[40] Количество неорганического связующего в материале 20 фильтрующей стенки 121 составляет 3-10 масс.%. Если количество неорганического связующего составляет меньше 3 масс.%, то прочность фильтрующего элемента 12 является недостаточной, в то время как при превышении количества неорганического связующего уровня в 10 масс.% пористость и обусловленная ей газопроницаемость фильтрующей стенки 121 заметно снижается.
[41] Материал 20 фильтрующей стенки 121 включает в себя флоккулирующий агент, способствующий оптимальному формированию структуры связующего на этапе образования материала 20 из твердой фазы суспензии, что будет более подробно описано ниже. В качестве флоккулирующего агента в материале 20 использован катионный крахмал. Оптимальное количество флоккулирующего агента в материале 20 составляет 0,5-4 масс.% и более точно определяется в зависимости от количества связующего.
[42] Следует отметить, что указанное выше содержание компонентов материала 20 фильтрующей стенки 121 может быть определено после изготовления фильтрующего элемента 12, но до введения его в эксплуатацию. Выгорание органического волокна 22 под воздействием высокотемпературного газа естественным образом перераспределяет содержание каждого компонента, оставшегося в составе материала 20.
Особенности и технические результаты второго объекта изобретения
[43] Для реализации способа изготовления фильтрующего элемента 12 согласно второму объекту изобретения используют установку, известную из уровня техники. Установка включает в себя ванну с суспензией и погруженную в суспензию трубу цилиндрического сечения, которая способна вращаться вокруг своей оси. Поверхность трубы имеет сквозные отверстия. В полости трубы создают вакуум, который побуждает жидкую фазу суспензии просачиваться сквозь отверстия в полость трубы и удаляться, а твердую фазу, содержащую неорганическое волокно, - оседать на внешней поверхности трубы, являющейся формообразующей поверхностью. Осевшую на формообразующей поверхности твердую фазу суспензии впоследствии высушивают, подвергают механической обработке и снимают с формообразующей поверхности с получением фильтрующего элемента 12.
[44] Следует отметить, что в способе согласно второму объекту изобретения в состав твердой фазы суспензии помимо неорганического волокна включают также органическое волокно, что является неизвестным из уровня техники. Как было показано выше, с точки зрения оптимизации свойств фильтрующего элемента 12 в качестве органического волока предпочтительно использовать полимерное волокно, в частности, полипропиленовое волокно, имеющее длину 5-20 мм и диаметр 20-60 мкм.
[45] Ввиду того, что органическое волокно имеет более значительные размеры отдельного волокна по сравнению с неорганическим волокном, прохождение отдельных волокон сквозь отверстия формообразующей поверхности становится менее вероятным. Таким образом, добавление органического волокна в твердую фазу суспензии позволяет уменьшить унос твердой фазы вместе с жидкой фазой сквозь отверстия формообразующей поверхности. Данное обстоятельство обеспечивает более быстрый набор массы твердой фазы суспензии на формообразующей поверхности, а значит, повышает производительность процесса изготовления фильтрующего элемента 12.
[46] Жидкая фаза суспензии представляет собой воду. Предпочтительное соотношение жидкой и твердой фаз суспензии составляет от 96,0:4,0 масс.% до 98,5:1,5 масс.%., что обеспечивают равномерный набор твердой фазы суспензии на формообразующей поверхности.
[47] Состав твердой фазы суспензии соответствует составу описанного выше материала 20 фильтрующей стенки 121:
неорганическое волокно 40-60 масс.%,
органическое волокно 35-55 масс.%,
неорганическое связующее 3-10 масс.%,
флоккулирующий агент 0,5-4 масс.%.
Выбор конкретных образцов для указанных компонентов определяется главным образом эксплуатационными требованиями к фильтрующему элементу 12 и подробно раскрыт выше при описании состава материала 20.
[48] В качестве особенностей технологических операций, выполняемых при реализации способа по второму объекту изобретения, следует отметить целесообразность проведения сушки твердой фазы суспензии, осажденной на формообразующей поверхности, при температуре ниже 250°С, а предпочтительно, ниже 200°С. Данный режим сушки позволяет сохранить структуру органического волокна, что обеспечит прочность фильтрующего элемента 12, как было описано выше.
[49] Кроме того, твердая фазы суспензии, осажденная на формообразующей поверхности, после сушки или в ходе нее может быть подвергнута роликовой обкатке, что дополнительно упрочняет получаемый фильтрующий элемент 12. Некоторое снижение пористости фильтрующей стенки 121, которое может наблюдаться в результате данной операции, впоследствии компенсируется возникновением новых пор, образующихся после выгорания органического волокна 22 на начальном этапе эксплуатации фильтрующего элемента 12.