ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ ОТ ГОРЯЧИХ ГАЗООБРАЗНЫХ ИЛИ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 1997 года по МПК B01D46/24 B01D27/02 

Изобретение относиться к фильтру для отделения частиц твердых веществ от горячих газообразных или жидких сред, в частности частиц пыли, от горячих дымовых газов в температурном диапазоне от 120 до 800^oC.

Известно применение фильтров для отделения частиц от газообразных или жидких сред и в зависимости от области их применения осуществление этих фильтров в виде текстильных, углеродно-волоконных фильтров, фетровых фильтров, бумажных фильтров, фильтров из синтетических материалов, металлических или керамических фильтров. В то время как текстильные, фетровые, бумажные фильтры и фильтры из синтетических материалов используются в более низком температурном диапазоне приблизительно до 150^oC, металлические и керамические фильтры могут перекрывать более высокий температурный диапазон, приблизительно до 800^oC, так что последние фильтры являются пригодным для применения также в области дымовых газов тепловых установок. Это является особенно желательным в связи с тем, что при увеличивающемся снижении нагружающих окружную среду выделений фильтрации горячих газов с температурами, превышающими 250^oC, постепенно приобретает все большее значение, так как, во-первых, высокое теплосодержание очищенного газа может тогда использоваться без дополнительных мероприятий и, во-вторых, эти дымовые газы обуславливают меньшую нагрузку окружающей среды.

Тем временем использование указанных выше материалов для фильтров показало, что стеклянные, керамические и углеродные волокна вследствие хрупкости являются чувствительными к излому, в случае металлических проволок, соответственно металлических тканей, промежуточный объем между проволоками является слишком большим для того, чтобы достигнуть достаточного фильтрующего действия при тонких пылях. Сюда добавляется то, что также применение таких жаропрочных материалов, как спеченные материалы, пористых, мелкопористых керамических материалов и др. дает сравнительно мало, так как хорошее вначале отделяющее действие непрерывно ухудшается в связи с тем, что в поры этих материалов проникает тонкая пыль, которая уже не может быть выделена растворением даже за счет специальных мероприятий по очистке и за счет этого в конце концов приводит к забиванию фильтра.

В случае фильтров для использования в так называемом высокотемпературном диапазоне приняты такие фильтры, фильтровальные элементы которых состоят из глины, соответственно керамики, и которые для простоты выполняются в виде цилиндрических трубок в форме фильтровальных свечей. Эти фильтровальные свечи, выполненные со стороны концов открытыми, встроены между держателями в корпусе для фильтра и закреплены там таким образом, что фильтруемая среда проникает через боковую поверхность фильтровальной свечи вовнутрь нее и вновь покидает этот внутренний объем через выпускной патрубок фильтра. Закрепленные на держателях фильтровальные свечи жестко установлены на них и не могут отслеживать нагрузки за счет течения среды и в особенности нагрузки во время очистки этих свечей за счет осуществления противотоков через них, в результате чего не могут предупреждаться разрушения, в особенности в горловинах фильтровальных свечей [1]
Для предупреждения, в частности, таких повреждений фильтровальных свечей, фильтровальные свечи этого рода закрепляются на их держателях маятниковым образом. Это маятниковое закрепление соответствующей фильтровальной свечи обеспечивается таким образом, что, во-первых, держатель, отделяющий чистовой объем от фильтровального объема, выполнен в виде перфорированной плиты, причем отверстия выполнены таким образом, что они имеют в сторону чистового объема большее поперечное сечение, чем в сторону фильтровального объема. Фильтровальная свеча, в свою очередь, на ее обращенном к чистовому объему конце снабжена фланцеобразным буртиком, которым эта фильтровальная свеча опирается на вытянутую вовнутрь утолщение отверстия в держателе. Для лучшей опоры фильтровальной свечи на это утолщение оно также может выполняться в виде кольцевого заплечика сферической формы, и дальнейшее поперечное сечение этого отверстия, начиная с этого кольцевого заплечика, с увеличением в сторону фильтровального объема выполнено расширенным для того, чтобы создать для фильтровального элемента необходимый объем для маятникового колебания. Удаленный от этой горловины конец фильтровального элемента, то есть фильтровальной свечи, снабжен отверстием, в которое входит закрепленная на держателе ось. Эта ось может вставляться в отверстие с люфтом или без люфта: причем при безлюфтовом осуществлении ось опирается на фильтровальную свечу через эластичную втулку. Кольцевой заплечик сферической формы на горловине фильтровального элемента и эластичная опора оси на противоположном конце обеспечивают, с одной стороны, опору оси на противоположном конце и, с другой стороны, маятниковый подвес фильтровальной свечи на держателях, так что эта фильтровальная свеча будет защищена от повреждения по сравнению с неподвижно установленными фильтровальными свечами. Однако в этом фильтре рассматривается в качестве отрицательного то, что соответствующая фильтровальная свеча слишком неустойчиво зажата между держателями, что, с одной стороны, может приводить к проблемам уплотнения и тем самым к загрязнениям отфильтрованной среды, и, с другой стороны, за счет подвеса фильтровальных свечей на кольцевых заплечиках сферической формы усложняется демонтаж фильтровальных свечей [3]
В соответствии с этим в основе изобретения лежит задача усовершенствовать фильтр названного вначале типа таким образом, чтобы этот фильтр стал пригодным для фильтрования горячих сред, таких, как дымовые газы и др. причем несмотря на сильные температурные нагрузки, например 600^oC и при определенных обстоятельствах выше, фильтр сохранял свою стабильность формы и фильтрующее действие и не был склонен ни к образованию трещин, ни к отделению составляющих материалов, и помимо этого указанный фильтр мог абсолютно плотно закрепляться на держателях, а также без больших затрат мог монтироваться и демонтироваться на этих держателях и к тому же оставался установленным на этих держателях таким образом, чтобы даже механические нагрузки на него, в частности во время его очистки, не могли приводить к его повреждению.

На фиг.1 изображен вид сбоку на выполненный в виде цилиндрической трубки фильтроэлемент; на фиг.2 разрез фильтроэлемента по плоскости А-А на фиг.1; на фиг. 3 вид сбоку на выполненный в виде пакета пластин фильтроэлемент; на фиг. 4 разрез фильтровального элемента в плоскости Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - вид сверху в увеличенном масштабе на вырез разрезанного фильтроэлемента согласно фиг.1 или 3 с несколькими образующими его покровной слой шариками, например, одинакового диаметра; на фиг.6 аналогичный увеличенный вид сверху, как на фиг.5, но с шариками, например, различного диаметра; на фиг.7 разрез фильтроэлемента в зоне его покровного слоя с рядом скопившихся на нем шариков и введенными в материалоноситель частицами порошка согласно вырезу В; на фиг. 8 продольный средний разрез через корпус фильтра с одним состоящим из нескольких фильтровальных свечей фильтровальным элементом; на фиг.9 - поперечный разрез корпуса фильтра с двумя расположенными параллельно с фильтроэлементами в плоскости А-А на фиг.1; на фиг.10 в увеличенном масштабе вид выполненного в виде фильтровальной свечи фильтроэлемента и удерживающих там фильтровальную свечу опорных средств в разрезе; на фиг.11 в увеличенном масштабе продольный средний разрез через головку фильтровальной свечи с поддерживающим ее относительно ее держателя трубчатым фланцем; на фиг.12 в увеличенном масштабе продольный средний разрез через ножку фильтровальной свечи с поддерживающей ее относительно ее держателя круглой осью.

Фильтроэлемент 1 согласно фиг.1-7 изображен и описан на примере двух из возможных конфигураций. Одну такую простую конфигурацию может представлять собой фильтроэлемент 1 трубчатой формы, такой, какой изображен на фиг.1 и 2. Этот фильтроэлемент или фильтровальный элемент 1 выполнен таким образом, что он образует цилиндрический несущий элемент 2, имеющий на одном своем конце фланцеобразную головку 3 и на другом своем конце дно 4. В то время как фланцеобразная головка 3 имеет сама по себе поперечное сечение отверстия 5 фильтровального элемента 1, то есть несущего элемента 2, которое одновременно приблизительно соответствует поперечному сечению отверстия 6 цилиндрического несущего элемента 2, дно 4 несущего элемента выполнено в виде запора этого элемента и там при определенных обстоятельствах снабжено ножкой 7 для того, чтобы можно было зафиксировать несущий элемент в несущем каркасе 8 корпуса фильтра. Сам несущий элемент 2, изготовленный из жаропрочного материала, например, керамики, имеет крупнопористую структуру, то есть большие поры 9, на которую помещена мелкопористая структура в форме покровного слоя 10, имеющего мелкие поры 11. Этот покровный слой 10 образует фильтрующую поверхность фильтровального элемента 1, на которой отделяются отделяемые частицы от подлежащей фильтрованию среды.

Фильтровальный элемент 1 согласно следующей возможной конфигурации согласно фиг.4 строится на основе так называемого пластинчатого фильтра, и отличается от этого фильтра в основном за счет того, что его несущий элемент 2, соответственно его материал-носитель, изготовлен из жаропрочного материала, например, описанного выше керамического первоисточника, и его покровной слой 10 образован из большого числа соединенных с материалом несущего элемента 2 и/или между собой, преимущественно шаро- и/или порошкообразных элементов 12 из также жаропрочного материала.

Различные части фильтровального элемента 1, т.е. материал-носитель и его покровной слой 10, имеет различные величины пор, причем размеры пор 9 материала-носителя должны быть выбраны большими, чем размер пор покровного слоя для того, чтобы могла происходить фильтрация среды на поверхности фильтровального элемента 1.

При этом материал-носитель может состоять из керамики в форме окиси алюминия (Al₂O₃), окиси цинка (ZnO₂) или окиси кремния (SiO₂), причем его изготовление может осуществляться таким образом, что соответственно выбранный материал обычным образом перерабатывается в формовочную массу, например, экструдируется в трубки, и вслед за тем обжигается, в результате чего тогда возникает открытопористый, т.е. крупнопористый несущий элемент, т.е. материал-носитель. Если, напротив, массу материала-носителя загружают в формы, что может быть более предпочтительно во многих случаях, то одновременно могут производиться фланцеобразная головка 3 и запирающее трубку дно 4.

На наружную боковую поверхность этого крупнопористого несущего элемента 2 наносится мелкопористый дополнительный покровной слой 13 либо в форме эмульсии за счет разбрызгивания либо намазыванием, причем эта эмульсия преимущественно собирается в отверстиях, соответственно дырках, материала-носителя и там перекрывает более крупные поры 9 большим числом малых отверстий, соответственно пор 11. Малые поры 11 производят в покровном слое за счет того, что материал покровного слоя, например, в форме более крупных и более мелких элементов 12, например шариков, соединяется между собой частично, например, по точкам или по линиям, и несоединенные поверхности сохраняют отверстия в форме пор 11. Эти поры 11, соответственно отверстия, могут в значительной степени произвольно назначаться по их величине, так что дополнительный покровной слой 13, соответственно покрытие, образует мелкопористый слой по типу пленки, еще пропускающей среду, имеющий малый размер его пор 11.

Следующая возможность нанесения дополнительного покровного слоя 13 состоит в том, что из мелкозернистого порошка для покровного слоя производится шликер, такой, какой применяется при аналогичной консистенции для эмалирования. В этот шликер может погружаться несущий элемент 2, т.е. материал-носитель. Этот покровный слой затем обжигается совместно с материалом-носителем, благодаря чему производится мелко- и открытопористый ангол аналогично глазури. Как в случае материала-носителя, также здесь за счет испарения суспендирующей жидкости возникают требуемые открытые мелкие поры 11.

Соединение покровного слоя, т.е. его наполнителя, с материалом-носителем, является преимущественно гомогенным плотным соединением, которое, как правило, невозможно растворить. Это в той мере, чтобы покровный слой не мог быть смыт с материала-носителя, что легко могло бы происходить при фильтрации жидкостей.

Фильтровальный элемент 1 согласно примеру осуществления в соответствии с фиг. 8-12 практически не отличается от фильтровального элемента в соответствии с фиг.1-7 и также служит для отделения частиц от газообразных или жидких сред. Для лучшего понимания этот фильтровальный элемент 1 выполнен в виде трубки, соответственно фильтровальной свечи, и расположен в основном в корпусе фильтра 14 вместе с одним по меньшей мере следующим фильтровальным элементом в этом корпусе. Сам корпус 14 имеет чистовой объем 15 для отфильтрованной среды и разгрузочную шахту 16 для частиц и помимо этого впускной и выпускной патрубки 17 и 18 для среды. Фильтровальный элемент 1, выполненный согласно изображенному здесь примеру в форме трубчатой фильтровальной свечи, преимущественно также изготовлен из керамического материала, состоящего из имеющего более крупные поры 9 материала-носителя и поверхностного покрытия, то есть покровного слоя 10, меньшими порами 11. Закрепление этого фильтровального элемента 1, т.е. соответствующей фильтровальной свечи, в фильтровальном объеме корпуса фильтра 14 может осуществляться вертикально или горизонтально, причем каждая фильтровальная свеча имеет на ее соответствующем конце, т. е. на головке свечи 19 и ножке свечи 20, специальные крепежные элементы, через которые она зафиксирована на держателях 21, 22 в фильтровальном объеме. Крепежные элементы на головке свечи 19 в основном образованы трубчатым фланцем 23 и по меньшей мере одним уплотнением 24, (25), из которых трубчатый фланец помимо кольцевого буртика 26 имеет входящую в чистовой объем 15 отбортовку 27 и погружающуюся в фильтровальный элемент 1 рубашку 28. Кольцевой буртик 26, образующий приблизительно поясную линию трубчатого фланца 23, имеет больший диаметр, чем боковая поверхность фильтровального элемента 1. За счет этого трубчатый фланец 23 имеет достаточно большие опоры, на которые опираются концы фильтровального элемента, т. е. фильтровальной свечи, во-первых, на держатель 22 для этой свечи и, во-вторых, на держатель 21 на конце со стороны чистого газа.

Для того, чтобы при этом сделать очень эффективным уплотнение, рекомендуется предусмотреть на обеих сторонах кольцевого буртика 26, следовательно соосно по отношению к нему, уплотнения 24, 25, из которых одно как кольцевое уплотнение 29 и другое уплотнение 25 помимо кольцевой поверхности также может иметь мешкообразное расширение. Это мешкообразное расширение в таком случае охватывало бы концентрично погружающуюся в фильтровальный элемент 1 рубашку 28 и там принимало бы на себя как уплотнение, так и радиальную эластичную опору. Само собой разумеется, что вместо мешкообразного уплотнения в этом месте также можно предусмотреть кольцевое уплотнение 29 и взаимно поддерживать фильтровальную свечу помимо держателя 21 лишь через это уплотнение.

Другой конец фильтровального элемента 1 первично опирается на буртик 30 круглой оси 31, причем эта ось аналогично трубчатому фланцу 23 также имеет отбортовку 32 и направленный противоположно по отношению к ней выступ 33. Отбортовкой 32 эта круглая ось 31 входит до буртика 30 на свободном конце фильтровального элемента 1, причем эта отбортовка не может иметь радиального зазора между собой и внутренней боковой поверхностью фильтровального элемента или лишь малый радиальный зазор. Собственное уплотнение этого конца фильтровального элемента 1 на ножке свечи 20 осуществляется, как и на головке свечи 19, через кольцевое уплотнение 29, к которому прилегает с уплотнением конец фильтровального элемента. Выступ 33 круглой оси 31 сам погружается в отверстие 37 держателя 23 и настолько входит в это отверстие, что фильтровальный элемент 1 остается направленным в отверстии не только по отношению к радиальным движениям, но также по отношению к осевым движениям. Для того, чтобы герметично уплотнить соответствующий фильтровальный элемент 1 относительно фильтровального объема корпуса фильтра 14, между буртиком 30 круглой оси 31 и держателя 22 установлена спиральная пружина 34, вокруг выступа 33, которая с одной стороны опирается на буртик 30 и с другой стороны опирается на держатель 22. Эта спиральная пружина 34 также прижимает фильтровальный элемент 1, то есть фильтровальную свечу, к уплотнениям 24, 25 на головке свечи 19, а также буртик 30 к кольцевому уплотнению 29, так что эти уплотнения имеют там полное прилегание.

Сама круглая ось 31 может иметь на ее отбортовке 32 и выступе 33 сплошную стенку или она может иметь кольцевые канавки 35, как это изображено на фиг. 10. Также вместо круглой оси мог бы быть использован эквивалентный направляющий элемент, так, например, елочной формы пружина или крестовина. Точно так же вместо спиралевой пружины 34 могла бы быть применена тарельчатая пружина, соответственно пакет тарельчатых пружин, обеспечивающий предварительное осевое напряжение фильтровального элемента 1.

Сам держатели 21, 22, которые, например, могут выполняться в виде U-образных подкосов, опираются их концами на консоли 36 корпуса фильтра 14 и могут опираться там жестко или эластично.

Фильтроэлемент работает следующим образом.

Фильтруемая среда, поступающая через впускной патрубок 17 в фильтровальный объем корпуса фильтра 14, обтекает отдельные фильтровальные элементы 1 и поступает через них в чистовой объем 15, тогда как направляемые совместно с ней частицы осаждаются на боковых поверхностях фильтровальных элементов. Среда, поступающая таким образом в чистовой объем 15, покидает его через выпускной патрубок 18 для того, чтобы попасть в атмосферу или подводиться к следующему процессу. Осажденные на фильтровальных свечах частицы сбрасываются за счет известной самой по себе встречной продувки фильтровальных свечей изнутри наружу и поступают в разгрузочную шахту 16, из которой они разгружаются непрерывно или с перерывами. Устройство встречной продувки может быть известным само по себе устройством струйной продувки, сопла которого вдувают в отверстия трубчатых фланцев 23 инъекторной формы очищающую среду, например, сжатый воздух.

Монтаж и демонтаж фильтровальных элементов 1, например, фильтровальных свечей, при этом свечеобразном осуществлении в особенной степени облегчается за счет того, что после вставления выступа 33 круглой оси 31 в отверстие 37 держателя 22 и вдавливания ее против действия силы спиральной пружины 34 отбортовка 32 трубчатого фланца 23 на головке свечи 19 сначала отжимается под отверстие держателя 21 на этом конце и после медленного снятия давления прижатия эта отбортовка заскакивает в отверстие и фиксирует там фильтровальную свечу. Демонтаж фильтровальной свечи, соответственно фильтровального элемента 1, осуществляется в обратной последовательности, когда речь идет о том, чтобы удалить ее с ее держателей 21, 22.

Состав наполнителя, т.е. покровного слоя, наносимого на несущий элемент 2, согласно одному предпочтительному выбору материалов характеризуется следующими ниже составляющими.

Эти составляющие, диспергированные в виде смеси, наносятся на несущий элемент 2, например, с помощью щетки, и этот наполнитель вместе с несущим элементом в течение примерно одного часа подвергается воздействию температуры приблизительно 500^oC, благодаря чему наполнитель вжигается в материал, соответственно в поры 9, несущего элемента 2.

Составляющие наполнителя, соответственно покровного слоя 110, могут быть следующими:
1 объемная доля жидкого натриевого стекла,
14 объемных долей воды,
4 объемные доли каолина,
2 объемные доли полевого шпата,
2 объемные доли крахмала (крахмальной муки),
0,2 объемной доли дифосфата натрия.

Изготовленный таким образом и нанесенный на несущий элемент 2 наполнитель осаждается в зоне боковой поверхности пор 9 несущего элемента 2 и заполняет их в такой степени, что на поверхности этого элемента возникает пленкообразное покрытие. При этом вода под воздействием температуры испаряется и крахмал также при этой температуре отделяется от смеси за счет сгорания.

Как уже упоминалось выше, фильтровальные элементы 1 изготовлены из керамического жаропрочного материала. Это, естественно не исключает также использование других фильтровальных элементов 1, например, из синтетических материалов, если фильтр должен работать в другом температурном диапазоне. Точно так же является возможным использовать другие конфигурации фильтровальных элементов 1.

Здесь изображен и рассмотрен фильтровальный элемент 1 для фильтрации горячих газов. Само собой разумеется, этот фильтровальный элемент 1 также может применяться для фильтрации горячих жидкостей или негорячих газов или жидкостей. Особенно интересным является этот фильтровальный элемент 1 также для агрессивных сред в газообразной или жидкой области, так как агрессивные материалы из него практически не действуют.

Жаропрочный фильтровальный элемент 1 изображен и описан здесь на примерах трубок и так называемого пластинчатого фильтра, какой изображен на фиг. 1-4. Само собой разумеется, этот фильтровальный элемент 1 может иметь также другие конфигурации. Предпочтительным является выбор такой конфигурации, которая имеет наибольшую возможную поверхность фильтра. Такая конфигурация также может явиться комбинированной, так, например, овальной, треугольной и др. Конфигурация в большинстве случаев будет зависеть от фильтруемого объема, стойкости фильтровального элемента, т.е. фильтровальной свечи, и фильтровальной среды. Последняя определяет также величину пор, которая с целью оптимизации потерь давления согласуется со средой.

Функционирование фильтра изображено и описано здесь со ссылкой на струйную очистку на примере отделения частиц от газообразных сред. Отделение частиц от жидкостей осуществляется аналогичным образом, однако в этом случае очистка производиться по-другому, т.е. за счет встречного потока чистой жидкости. Если жидкость позволяет вдувание воздуха, то для очистки также может использоваться сжатый воздух.

Сущность изобретения: фильтроэлемент для отделения частиц твердых веществ от горячих газообразных или жидких сред, в частности частиц пыли от горячих дымовых газов в температурном диапазоне 120-800^oС содержит газопроницаемый пористый несущий элемент, выполненный из жаропрочного материала, включающего некорродирующие материалы, жаропрочный покровный слой, выполненный из мелкозернистого наполнителя с размером пор меньше 10 мкм, зерна которого расположены на внешней стороне несущего элемента, и дополнительный покровный слой с размером пор меньше, чем размер пор покровного слоя. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Фильтроэлемент для отделения частиц твердых веществ от горячих газообразных или жидких сред, в частности частиц пыли от горячих дымовых газов, в температурном диапазоне от 120 до 800^oС, содержащий стабильный по форме газопроницаемый пористый несущий элемент, выполненный из жаропрочного материала, включающего некорродирующие материалы, например стекло, керамику, металлы и их соединения, при этом с внешней стороны несущий элемент снабжен жаропрочным покровным слоем, содержащим некорродирующие материалы элемента, отличающийся тем, что покровный слой выполнен из мелкозернистого наполнителя с величиной пор меньше 10 мкм, при этом в порах несущего элемента на внешней стороне расположены зерна наполнителя. 2. Фильтроэлемент по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным покровным слоем, расположенным с внешней стороны покровного слоя, при этом размер пор покровного слоя превышает размер пор дополнительного покровного слоя.