1

Filtracja

proces osadzania rozdrobnionej fazy stałej w medium porowatym

(model zderzenia nieelastycznego

– ziarno, które zetknie się

pojedynczym włóknem uznaje się za odseparowanego od gazu)
Struktury filtracyjne:

włóknistą uporządkowaną - tkaniny lub dzianiny

włóknistą nieuporządkowaną - włókniny,

ziarnistą - złoża sypkie,

kapilarną - membrany.

włóknista struktura
filtracyjna i ziarna pyłu
w dużym powiększeniu

tkanina ET-4 dzianina DF-15 włóknina PE-5213

Struktura materiałów filtracyjnych

2

W początkowym okresie filtracji, gdy ziarna pyłu osiadają na czystych
włóknach, jest ich tak mało, że nie powodują jeszcze istotnego wzrostu
oporu przepływu gazu przez filtr.

Szybko jednak proces ten ulega zasadniczym zmianom. W miarę upływu
czasu kolejne ziarna pyłu osiadają nie tylko na włóknach, ale i na
ziarnach, które już utknęły w strukturze filtru.

Powstające aglomeraty pyłu osiągają wymiary tak znaczne, że
wypełniają przestrzenie między włóknami powodując wzrost oporu
przepływu i znaczny wzrost prędkości gazu w miejscach, gdzie przepływ
jest jeszcze możliwy. Prowadzi to do rozsnuwania tkaniny.

W takim miejscu następuje lokalny spadek oporu przepływu gazu i wzrost
strumienia gazu prowadzący w efekcie do zniszczenia tkaniny czyli
spadku skuteczności odpylania.

Wpływ uziarnienia pyłu i jego nagromadzenia w strukturze
filtracyjnej na opory filtracji:

drobny pył



P=



P

0

exp(a

1

m

P

),

gruby pył



P=



P

0

+a

2

m

P



P

0

– opory przepływu dla czystej struktury, m

P

- masa pyłu

3

Zapylony gaz wprowadzany jest w dolnej części komory w ten
sposób, że wymusza się gwałtowną zmianę kierunku jego przepływu.
Na skutek efektu bezwładnościowego większe
ziarna pyłu już w tym momencie wypadają ze strumienia gazu do
zbiornika pyłu. Drobniejsze frakcje pyłu osiadają na powierzchni a
bardzo drobne wewnątrz struktury filtracyjnej. Nagromadzony pył
jest okresowo usuwany ze struktury na skutek jej odkształceń
wywołanych mechanicznie lub pneumatycznie.

Średnica worka filtracyjnego: 0,1



0,4 m

Długość worka filtracyjnego: 1



8 m

Ilość worków: do kilkuset

Filtry wielosekcyjne:
jednorzędowy,
dwurzędowy

4

widok worków filtracyjnych
od góry i od dołu

filtr pulsacyjny

5

wlot gazu zapylonego

izolacja termiczna

worki filtracyjne

leje pyłowe

6

Właściwości struktury filtracyjnej w dużej mierze są pochodną własności włókien, które mogą być:

• naturalne: wełna, bawełna, jedwab,

• sztuczne: poliamidy (stylon, nylon, nomex), polietyleny (redon, orlon), poliestry (elana,
dakron, tergal),

• szklane silikonowane,

• metalowe oraz spieki metali,

• mineralne

• elektretowe (dielektryki, które przez pewien czas utrzymują stan naelektryzowania i
wytwarzają pole elektryczne w swoim otoczeniu)

typu Spun – naładowana unipolarnie warstwa bardzo cienkich włókien

poliwęglanowych umieszczona pomiędzy dwiema warstwami włókien
polipropylenowych, z których górna spełnia rolę filtra wstępnego (>1



m), dolna zaś

stanowi wzmocnienie

typu Split – pojedyncza warstwa dipolarnie naładowanych włókien

polipropelynowych

7

Filtracyjne działanie układu
oddechowego:
1- górne drogi oddechowe,
2- szczyty płuc, 3 – płuca właściwe, 4 –
działanie łączne

krytyczny obszar filtracji

w zakresie średnic pyłu

0,1 – 1



m

Przedziałowa skuteczność odpylania w filtrach elektretowych typu
Split (SFF250), typu Spun (ESSF9)
oraz w konwencjonalnym filtrze z włókna szklanego (GFF)

Dolna granica przedziałowej skuteczności odpylania dla

przeciętnych polskich tkanin



i



m

2

5

10

20

30

40

60



pi

%

95,5

96,5

97,5

98,2

98,6 99,0 99,4

8

Dobre materiały filtracyjne powinny charakteryzować się:

● wysoką wytrzymałością mechaniczną

zwłaszcza w zakresie odporności na zerwanie i na ścieranie

(tergal), ponieważ wydłuża to okres użytkowania materiału filtracyjnego a tym samym podwyższa średnią
eksploatacyjną skuteczność odpylania,

● odpowiednią odpornością termiczną (

im większa odporność tym wyższa cena (np. ryton (190

0

C) 12 x

droższy od bawełny (80

0

C ):

niskotemperaturowe (do ~ 100

0

C) - wełna, bawełna,

średniotemperaturowe (do ~ 150

0

C) - większość syntetyków,

wysokotemperaturowe (powyżej 200

0

C) - teflon, nomex, włókna szklane, mineralne i metalowe,

● wymaganą odpornością chemiczną

na działanie agresywnych związków chemicznych

(głównie zasad, kwasów i rozpuszczalników ) - teflon,

● wymaganą odpornością biologiczną

(na działanie grzybów i bakterii) - teflon,

● niewrażliwością na wilgoć

(nie powinny być higroskopijne, pęcznieć pod wpływem wody ani zmieniać

swych własności wytrzymałościowych) - włókna szklane, teflon,

● niskimi oporami przepływu

(parametr ten podawany jest dla czystego gazu ),

● wysoką skutecznością przechwytywania ziaren pyłu,

co ma związek z porowatością struktury

(włókniny typu filce igłowane cechuje 2-krotnie większa porowatość w porównaniu z tkaninami

9

10



nazwa firmowa i symbol: Nadefiltz 235-150-1



rodzaj włókna: PAN (homopolimer)



gramatura (masa powierzchniowa): 550 g/m

2



grubość: 2,5 mm



objętość porów: 81 %



znormalizowane jednostkowe obciążenie tkaniny czystej powietrzem w ilości

powodującej spadek ciśnienia



p

F

= 200 Pa: 150 (l/min) / dm

2

(900 (m

3

/h)/m

2

, 0,25 m/s)

(przepuszczalność)



dopuszczalna temperatura pracy: 125

0

C



wydłużenie przy zerwaniu (stosunek długości włókna przy zerwaniu do długości

początkowej): wzdłużne 17 %, poprzeczne 20 %.

11

Powierzchnia filtracyjna jest parametrem wpływającym bezpośrednio na:



koszty inwestycyjne (wielkość odpylacza i koszt zakupu materiału filtracyjnego)



koszty eksploatacyjne (koszt wymiany i utylizacji materiału filtracyjnego).

Przykład: filtr tkaninowy odpylający spaliny z 5 szt. kotłów WR-5, 720 szt. worków, ok.1150 m

2

pow.całk.,

dop. temp. pracy 220

0

C, koszt zakupu w 1992 r. 35 000 DM

Przy określaniu powierzchni filtracyjnej korzysta się ze wskaźnika wyrażającego stosunek strumienia
objętości gazu do powierzchni filtracyjnej (nie mylić z przepuszczalnością):



obciążenie gazowe powierzchni filtracyjnej w (m

3

/h)/m

2

, 30 - 300 (m

3

/h)/m

2



prędkość filtracji 0,008 - 0,080 m/s,



gęstość strumienia filtracji 8 – 80 mm/s.

Wartości te należy traktować bardzo orientacyjnie, ponieważ wielkość powierzchni filtracyjnej przy
określonym strumieniu objętości gazu zapylonego zależy od:



stężenia pyłu w gazie,



wilgotności pyłu ( suchy, wilgotny),



składu ziarnowego pyłu,



innych własności pyłu takich jak np. skłonność do koagulacji, spójność, itp.



rodzaju materiału filtracyjnego (przepuszczalność),



zastosowanego systemu regeneracji materiału

12

13

Od sposobu i stopnia oczyszczenia materiału filtracyjnego zależą opory przepływu gazu i trwałość
materiału a w efekcie skuteczność odpylania, ale także koszty odpylania. Szybkie i głębokie
oczyszczenie struktury filtracyjnej umożliwia bowiem zastosowanie większych prędkości filtracji,
czyli zmniejszenie powierzchni filtracyjnej.

Regeneracja mechaniczna

Regeneracja pneumatyczna:

e), f) – rewersja,

g) – dysza sprężonego powietrza,

h) pulsacyjna

14

Regeneracja pneumatyczna pulsacyjna:
1 – worek filtracyjny,
2 – metalowy kosz,
3 – dysza sprężonego
powietrza,
4 – dysza Venturiego,
5 – zawór regulacyjny sprężonego powietrza

W nowoczesnych konstrukcjach stosuje się metody pneumatyczne polegające na wykorzystaniu fali
uderzeniowej sprężonego powietrza. Zapylony gaz przepływa od zewnątrz do wnętrza worka. Naprzeciw
wylotu gazu z worków umieszczone są wysokociśnieniowe dysze podające powietrze o ciśnieniu 4-6 bar.
Regeneracja dokonuje się poprzez silny, krótkotrwały (0,1-0,2 s) impuls powietrza wypływającego z dyszy z
bardzo dużą prędkością. Impuls ten powoduje równoczesne iniekcyjne zassanie części odpylonego gazu
ponownie do worka i nagły wzrost ciśnienia wewnątrz worka. Worek ulega odkształceniu. To gwałtowne
odkształcenie worka połączone z przedmuchem gazu powoduje usunięcie warstwy pyłu.

15

16



zapewnia głębokie, dokładne oczyszczenie materiału filtracyjnego nie przyspieszając

jego mechanicznego zużycia,



nie wymaga wyłączania oczyszczanej sekcji z ruchu,



umożliwia zwiększenie prędkości przepływu strumienia gazu przez strukturę

filtracyjną co oznacza zmniejszenie powierzchni filtracyjnej, (popiół lotny: filtr z regeneracją
mechaniczną lub rewersją – q

F

= 12,5 mm/s, filtr pulsacyjny - q

F

= 26 mm/s),



umożliwia ekonomiczne dostosowanie procesu regeneracji do własności materiału

filtracyjnego i pyłu oraz obciążenia gazowego i pyłowego filtru (regulacja czasu trwania impulsu i
częstotliwości) oraz diagnozowanie pracy filtra.

Zmiany skuteczności odpylania



i oporów filtracji



P w regenerowanych warstwach filtracyjnych

17

W przypadku wyraźnego pogorszenia efektu pracy filtru tkaninowego przyczyn należy szukać:



w pracy układu regeneracji materiału filtracyjnego,



w zużyciu materiału filtracyjnego.

O obu przyczynach informuje wartość spadku ciśnienia gazu w filtrze. Jeżeli jest większy od eksploatacyjnego przy
niezmienionych warunkach obciążenia pyłowego i gazowego, to nie działa system regeneracji. Jeżeli natomiast
jest mniejszy od eksploatacyjnego to nastąpiło zniszczenie materiału filtracyjnego lub zerwały się worki. W
przypadku dobrze pracującego filtru tkaninowego w pyle emitowanym do atmosfery występują frakcje mniejsze od
5



m.

poprawna praca

wydłużony okres
regeneracji

wydłużony okres
filtracji

18

Poważne trudności eksploatacyjne nastręcza odpylanie:

● gazów silnie zapylonych, zwłaszcza pyłami o własnościach koagulacyjnych lub
zawierającymi dużą zawartość frakcji grubych – odpylanie wstępne w odpylaczach
mechanicznych

●

gazów agresywnych chemicznie – odpowiednia struktura filtracyjna

●

gazów o wysokiej temperaturze – stosowanie struktur o podwyższonej wytrzymałości

termicznej lub schładzanie gazu przed filtrem:

○

w wymiennikach ciepła : dla 300-700 0C - tzw. akumulatory ciepła, często

dwukomorowe, dla >700 0C - kotły utylizacyjne lub klasyczne wymienniki ciepła

○

doprowadzenie chłodnego powietrza atmosferycznego, wadą jest konieczność

zwiększenia powierzchni filtracyjnej,

○

doprowadzenie wody, pod warunkiem, że nie istnieje niebezpieczeństwo schłodzenia

gazu do temperatury punktu rosy i gdy gazy nie zawierają bezwodników kwasowych

●

gazów o temperaturze bliskiej temperaturze punktu rosy dla wody lub kwasu – ostry

reżim technologiczny zarówno w procesie produkcyjnym jak i w eksploatacji
odpylaczy, izolacja termiczna oraz instalowanie filtrów w zamkniętych
pomieszczeniach

19

ZALETY

• możliwość osiągnięcia bardzo wysokich skuteczności odpylania (> 99 %, w dobrze pracującym filtrze
tkaninowym, w pyle emitowanym do atmosfery nie występują frakcje pyłu większe od 5



m)

• możliwość odpylania dowolnie dużych ilości gazu (sekcyjny układ konstrukcyjny) .

WADY

• wysokie koszty inwestycyjne (układy regeneracji i automatycznej regulacji ),

• wysokie koszty eksploatacyjne (wykwalifikowany nadzór eksploatacyjny, wymiana materiału
filtracyjnego a niekiedy także jego utylizacja, duża awaryjność ),

• ograniczenia w stosowaniu ze względu na temperaturę i skład chemiczny gazu oraz pewne
własności pyłu (palność).

ZASTOSOWANIE

Ze względu na bardzo wysoką skuteczność odpylania powinny być stosowane wszędzie tam, gdzie jest to możliwe:

• przemysł metalurgiczny: piece konwertorowe, elektryczne i łukowe (wstępne schładzanie gazu)
• przemysł cementowy: za młynami cementu jako II stopień odpylania
• odpowietrzanie silosów, bunkrów itp.
• instalacje odciągów pyłowych,
• energetyka - kotły pyłowe (wapnowanie materiału filtracyjnego przy odstawieniach i włączeniach
do ruchu).