Способ осаждения высокодисперсных аэрозолей
Владельцы патента RU 2593299:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук (ИППУ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к области пылеулавливания и может найти применение не только в производстве технического углерода при осаждении аэрозоля, а также для улавливания целевых продуктов из аэрозолей и очистки отходящих промышленных газов от вредных веществ. Способ осаждения высокодисперсных аэрозолей включает фильтрацию через зернистый слой, размещенный на газораспределительном устройстве, выполненном из слоя крупнозернистого материала, при пропускании сверху вниз и регенерацию слоя путем пропускания очищенного газа снизу вверх. В качестве зернистого фильтрующего слоя используют гранулированный пироуглерод с насыпной плотностью 800-1000 кг/м3, а регенерацию слоя пироуглерода осуществляют через 5-30 мин в течение 10-30 с со скоростью от 0,7 м/с до 1,0 м/с. Техническим результатом является повышение долговечности фильтрующего слоя и обеспечение эффективности очистки газов при высокой скорости фильтрации (до 1,0 м/с), температуре среды до 400°C и более и давлении от /-5,0/ кПа до /+8,0/ кПа. 2 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области пылеулавливания и может найти применение не только в производстве технического углерода (сажи) при осаждении аэрозоля, а также для улавливания целевых продуктов из аэрозолей (вельцокись цинка, окись свинца и др.) и очистки отходящих промышленных газов от вредных веществ (в том числе особо опасных соединений антропогенного происхождения: полихлорированные ароматические соединения, полихлорированные кислородсодержащие гетероциклы).
Предлагаемый способ осаждения высокодисперсных аэрозолей в зернистом слое пироуглерода может найти применение для разделения других аэрозольных систем, например в производстве цемента, чугуна, стали, цветных металлов и других отраслях промышленности.
Известен способ выделения сажи из сажевого аэрозоля путем пропускания его через слой сажевых гранул при температуре 0-400°C. При этом аэрозоль пропускают через слой сверху вниз со скоростью 0,2-0,5 м/с (а.с. СССР №833285). Недостатками данного способа выделения сажи из сажевого аэрозоля являются: низкая скорость фильтрации аэрозоля и эффективность выделения техуглерода (сажи) из него; узкий диапазон давлений, при котором возможно применение данного способа; низкий срок службы фильтрующего слоя сажевых гранул с насыпной плотностью до 600 кг/м3, высокая металлоемкость аппарата для осуществления способа.
Известен способ выделения сажи из сажевого аэрозоля путем фильтрации его при пропускании сверху вниз через зернистый фильтрующий слой сажевых гранул с размером 0,5 мм < d < 2,0 мм и насыпной плотностью 200 кг/м3 < ρ < 500 кг/м3, размещенный на газораспределительном устройстве, выполненном из слоя крупнозернистого углеродного материала с размерами 3,0 мм < d < 6,0 мм и насыпной плотностью 700 кг/м3 < ρ < 1000 кг/м3 (патент RU №2317134, прототип).
Недостатками данного способа выделения сажи из сажевого аэрозоля являются низкая эффективность очистки газов от взвешенных частиц сажи при скорости фильтрации выше 0,4 м/с и низкая прочность сажевых гранул с насыпной плотностью 300-500 кг/м3 при температуре аэрозоля выше 300°C, скорости фильтрации выше 0,4 м/с, аэродинамическом сопротивлении фильтрующего слоя выше 3,0 кПа и скорости регенерации выше 0,6 м/с, что требует высоких затрат на фильтрование аэрозоля и периодическую замену фильтрующего слоя.
Целью настоящего изобретения является повышение долговечности фильтрующего слоя и обеспечение эффективности очистки газов при высокой скорости фильтрации (до 1,0 м/с), температуре среды до 400°C и более и давлении от /-5,0/ кПа до /+8,0/ кПа.
Поставленная цель достигается тем, что аэрозоль пропускают сверху вниз через слой крупнозернистого гранулированного пироуглерода с насыпной плотностью 800-1000 кг/м3 и размером гранул от 0,5 мм до 2,0 мм при температуре аэрозоля от 0°C до 500°C и давлении от /-5,0/ кПа до /+8,0/ кПа со скоростью от 0,6 м/с до 1 м/с, а регенерацию слоя пироуглерода осуществляют путем пропускания очищенного газа через слой снизу вверх через 5-30 мин в течение 10-30 с со скоростью от 0,7 м/с до 1,0 м/с.
Предлагаемый способ осаждения аэрозолей обеспечивает высокую эффективность очистки отходящих газов в широком диапазоне технологических параметров процесса: скорость фильтрации от 0,6 м/с до 1 м/с; температура аэрозоля от 0°C до 500°C; давление аэрозоля от /-5,0/ кПа до /+8,0/ кПа; концентрация твердых частиц в аэрозоле от 0,2 г/м3 до 10 г/м3.
Осуществление предложенного способа осаждения аэрозоля может быть достигнуто в аппарате с максимальным использованием рабочего объема при его невысокой металлоемкости. При этом использование высокопрочного гранулированного пироуглерода в качестве зернистого фильтрующего материала позволяет практически исключить необходимость периодической замены слоя, так как его долговечность соизмерима со стойкостью металлов, применяемых в конструкции фильтра. Применение гранул пироуглерода с размером от 0,5 мм до 2,0 мм и плотностью от 800 кг/м3 до 1000 кг/м3 позволяет достичь высокой эффективности очистки газов при скорости фильтрации до 1 м/с не только в производстве высокодисперсных марок технического углерода (сажи), но и ряде других отраслей промышленности для осаждения высокодисперсных аэрозолей с медианным размером частиц менее 1,0 мкм.
При этом снижение размера гранул пироуглерода менее 0,5 мм приводит к повышению гидравлического сопротивления фильтра и неоправданным энергетическим затратам, а также уносу мелких гранул из слоя при его регенерации. Увеличение размера гранул более 2 мм приводит к снижению их прочности, а также к снижению эффективности очистки газа. Снижение плотности гранул менее 800 кг/м3 приводит к резкому уменьшению их прочности, а увеличение плотности более 1000 кг/м3 экономически неоправдано, так как требует высоких затрат при производстве пироуглерода, скорость науглераживания сажевых гранул при достижении плотности 1000 кг/м3 резко снижается, что ведет к снижению производительности оборудования. Высоки также энергетические затраты на регенерацию слоя пироуглерода при плотности выше 1000 кг/м3.
На фиг. 1 представлена установка фильтра с зернистым слоем пироуглерода для пояснения примера осуществления предложенного способа осаждения аэрозоля. Установка содержит входной патрубок 1, коллектор 2 и отсекающее устройство 3, соединенные с аэрозольными камерами 4. Слой гранулированного пироуглерода 5 расположен на распределительных решетках 6, под которыми находятся камеры чистого газа 7, соединенные с коллектором чистого газа 8. Отсекающие устройства 3 соединены также с коллектором газа 9 регенерации слоя, вентилятором 10 и циклоном 11 со шлюзовым затвором 12. Коллектор чистого газа соединен с вентилятором 13.
Способ осуществляется следующим образом.
Аэрозоль с температурой от 0°C до 500°C и давлением от /-5,0/ кПа до /+8,0/ кПа с содержанием аэрозольных твердых частиц от 0,2 г/м3 до 10 г/м3 подают через входной патрубок 1, коллектор 2 и отсекающее устройства 3 в аэрозольные камеры 4 со слоем пироуглерода 5, расположенным на распределительной решетке 6. Далее аэрозоль пропускают со скоростью 0,6-1,0 м/с через слой пироуглерода с размером гранул от 0,5 мм до 2,0 мм и насыпной плотностью от 800 кг/м3 до 1000 кг/м3 сверху вниз в камеры чистого газа 7. Очищенный газ из камеры 7 направляют в коллектор чистого газа 8, а аэрозольные частицы осаждают в слое пироуглерода 5. Через каждые 5-30 мин отсекающее устройство 3, соединяющее аэрозольную камеру 4 секции фильтра с коллектором 2, закрывает доступ аэрозоля в камеру 4 и открывает выход из нее газа регенерации с осажденными в слое аэрозольными частицами в коллектор 9. При этом очищенный газ из коллектора 8 направляют со скоростью 0,7-1,0 м/с снизу вверх под распределительную решетку и далее через слой пироуглерода и в течение 20-30 с осуществляют регенерацию слоя в секции фильтра. Газ регенерации слоя с выделенными твердыми частицами из коллектора 9 с помощью вентилятора 10 подают в циклон 11, откуда направляют шлюзовым питателем 12 на грануляцию или упаковку, а газ возвращают в коллектор 2. Очищенный в фильтре газ вентилятором 13 подают на обезвреживание путем сжигания в специальных топках котельных установок (при необходимости).
Ниже приведены примеры реализации предлагаемого способа. Результаты, полученные в примерах, сведены в таблицу 1.
Пример 1
Сажевый аэрозоль с концентрацией сажи от 0,3 г/м3 до 0,5 г/м3 и медианой 0,2 мкм, температурой 350°C и давлением /-4,0/ кПа подают в фильтр со слоем гранул пироуглерода размером 1-2 мм, насыпной плотностью 800 кг/м3 и высотой 150 мм сверху вниз со скоростью 0,65 м/с. Регенерацию слоя проводят через 20 мин чистым газом, подаваемым под слой со скоростью 0,7 м/с в течение 20 с. При этом гидравлическое сопротивление фильтра не превышало 3,5 кПа, секции при ее регенерации - 2,0 кПа, а запыленность газов на выходе из фильтра - 0,01 г/м3.
Пример 2
Сажевый аэрозоль с концентрацией от 4,0 г/м3 до 7,0 г/м3 и медианой 1,0 мкм, температурой 350°C и давлением 5,0 кПа подают в фильтр со слоем гранул пироуглерода размером 1,5-2,0 мм, насыпной плотностью 850 кг/м, высотой 150 мм сверху вниз со скоростью 0,65 м/с. Регенерацию слоя проводят через 6 мин чистым газом, подаваемым под слой со скоростью 0,7 м/с в течение 30 с. Сопротивление фильтра не превышало 4,50 кПа, секции при ее регенерации - 3,0 кПа, а запыленность газов на выходе из фильтра - 0,02 г/м3.
Пример 3
Аэрозоль вельцокиси с концентрацией от 3,0 г/м3 до 5,0 г/м3 и медианой 0,7 мкм, температурой 180°C и давлением 8,0 кПа подают в фильтр со слоем гранул пироуглерода размером 1,0-1,5 мм, насыпной плотностью 950 кг/м3, высотой 150 мм сверху вниз со скоростью 0,80 м/с. Регенерацию слоя проводят через 5 мин чистым газом, подаваемым под слой со скоростью 0,8 м/с в течение 25 с. Сопротивление фильтра не превышало 6,0 кПа, секции при ее регенерации - 4,0 кПа, а запыленность газов на выходе из фильтра - 0,04 г/м3.
Примеры по известному способу
Сажевый аэрозоль с концентрацией 4,4 г/м3, температурой 260°C и давлением 2,5 кПа подают в фильтр со слоем сажевых гранул размером 1-2 мм и насыпной плотностью 300 кг/м3, высотой 200 мм сверху вниз со скоростью 0,30 м/с. Регенерацию слоя проводят через 6 мин чистым газом, подаваемым под слой со скоростью 0,6 м/с в течение 30 с. Сопротивление фильтра составило 2,30 кПа, секции при ее регенерации - 2,0 кПа, а запыленность газа на выходе из фильтра - 0,025 г/м3.
Сажевый аэрозоль с концентрацией 4,3 г/м3, температурой 260°C и давлением 3,5 кПа подают в фильтр со слоем сажевых гранул размером 1-2 мм и насыпной плотностью 300 кг/м3, высотой 200 мм сверху вниз со скоростью 0,40 м/с. Регенерацию слоя проводят через 5 мин чистым газом, подаваемым под слой со скоростью 0,6 м/с в течение 30 с. Сопротивление фильтра составило 3,30 кПа, секции при ее регенерации - 3,0 кПа, а запыленность газа на выходе из фильтра - 0,13 г/м3.
В результате экспериментальных исследований установлено, что прочность и износостойкость гранул пироуглерода в десятки раз выше прочности и износостойкости гранул сажи. Это позволяет обеспечить работу зернистого фильтра без замены слоя, что снижает эксплуатационные затраты на выделение сажи из сажевого аэрозоля.
Установлено, что применение в слое гранулированного пироуглерода позволяет увеличить входную концентрацию сажи в аэрозоле от 4-5 г/м3 для сажевых гранул до 10 г/м3.
При этом исключительная прочность и износостойкость к истиранию гранул пироуглерода позволили обеспечить процесс фильтрации аэрозоля со скоростью до 1 м/с в более широком диапазоне давлений.
Также экспериментально установлено, что предлагаемый способ осаждения аэрозолей эффективен при фильтрации не только сажевых аэрозолей, но и аэрозолей вельцокиси цинка и окиси свинца. При этом на поверхности зернистого слоя пироуглерода образуется слой вельцокиси, который является высокоэффективной фильтрующей средой.
На фиг. 2 представлен снимок боковой поверхности фильтрующего слоя пироуглерода при фильтрации аэрозоля вельцокиси (белый порошок). В таблице 2 представлены результаты исследований процесса фильтрования аэрозолей вельцокиси и окиси свинца.
Способ осаждения высокодисперсных аэрозолей путем фильтрации через зернистый слой, размещенный на газораспределительном устройстве, выполненном из слоя крупнозернистого материала, при пропускании сверху вниз и регенерации слоя путем пропускания очищенного газа снизу вверх, отличающийся тем, что в качестве зернистого фильтрующего слоя используют гранулированный пироуглерод с насыпной плотностью 800-1000 кг/м3, а регенерацию слоя пироуглерода осуществляют через 5-30 мин в течение 10-30 с со скоростью от 0,7 м/с до 1,0 м/с.
