Разработка технологии многослойных регенерируемых фильтровальных нетканых материалов для очистки воздуха

Актуальной задачей в мире является подавление газовоздушных выбросов от промышленных предприятий. Выбросы [1] в виде механических загрязняющих частиц, химических соединений таких как СО, СО2, SO2 и т. д., а также аэрозолей, попадая в атмосферу, загрязняют ее, ухудшая экологическую обстановку. К предприятиям, загрязняющим атмосферу, в наибольшей степени относятся асфальтобетонные, металлургические и производящие минеральные удобрения, заводы по производству цемента, шлака, гравия и т. д. Их выбросы составляют сотни тонн в год. Так, например, при различных операциях по добыче и производству гравия и щебня количество выбросов в отсутствие подавления составляет от 0,07 до 2,7 кг на одну тонну выпускаемой продукции. Более 50% выбрасываемых частиц имеют размеры более 30 мкм. В асфальтобетонном производстве выбросы в отсутствиеподавления в среднем составляют примерно 20 кг/т. При этом выброс составляют относительно крупные частицы, более 50% которых имеют размеры больше 20 мкм. При производстве стекла, а также при его переработке выбросы составляют от 0,018 кг/т до 1,8 кг/т соответственно. При производстве кирпича и керамики, согласно оценкам, объемы выбросов в отсутствие подавления колеблются от 30 до 40 кг на тонну конечного продукта. В производстве минеральных удобрений количество выбросов пыли в среднем составляет 1,88−3,12 кг/тпри производственной мощности завода около 17 млн. тонн в год эти цифры уже будут иметь катастрофические последствия для экологической обстановки.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы.

Представленная тема является актуальной, т.к. быстро развивающаяся промышленность — в частности, производство строительных материалов — в совокупности с возрастающими во всем мире требованиями к охране окружающей среды обусловливают необходимость применения высокоэффективных материалов для фильтрации воздуха с увеличенным сроком службы.

В настоящее время для подавления выбросов от перечисленных выше предприятий используются отечественные рукавные фильтрустановки типа ФРКИ, ФРИ, ФРЦ, а также импортные [2]. В этих установках применяются различные фильтровальные материалы: хлопчатобумажные ткани, бельтинги, полиэфирные ткани (артикулы 83 033, 83 035).

Классические [3] текстильные ткани — это структуры, образованные переплетением нитей. При локальном осаждении загрязнений эти нити способны перемещаться под воздействием увеличивающихся нагрузок (давления), что приводит к увеличению промежутков между ними. Это, в свою очередь, способствует прохождению более крупных частиц загрязнений через фильтровальный материал.

Оснащение фильтровальных установок рукавного типа высокоэффективными фильтровальными элементами (рукавами) позволяет обеспечить эффективность очистки воздуха от газовоздушных загрязнений до 99%.

Все фильтровальные установки рукавного типа в условиях производства [1] работают при температурных перепадах от +30 до -40°С при колебаниях относительной влажности воздуха от 40% до 80%, что способствует комкованию пыли и ведет к «цементации» рукава. При создании высокоэффективного нетканого фильтровального материала необходимо обеспечить исключение этого эффекта.

Забивание фильтровального [6] материала загрязнениями сопровождается повышением его сопротивления, что, в свою очередь, может привести к выводу из строя нагнетательных систем и даже к срыву фильтрэлементов. Чтобы исключить это явление, необходимо проводить регенерацию фильтровальных элементов (рукавов).

Фильтровальные нетканые материалы должны в течение года выдерживать до 10 000 циклов регенерации методом механического встряхивания. Для выполнения условий регенерации фильтровальные нетканые материалы должны обладать высокими прочностными характеристиками и не должны изменять своих геометрических размеров в процессе фильтрации-регенерации.

Сырьевой состав фильтровальных нетканых материалов должен обеспечивать их хемостойкость в рабочих процессах, а также в технологических процессах их выработки. Фильтровальные материалы, используемые в процессах с повышенными температурами, должны обладать достаточно высокой термостойкостью [7].

Таким образом, фильтрустановки необходимо оснащать новыми, современными неткаными фильтровальными материалами, имеющими высокую улавливающую и фильтрующую способность, одновременно характеризующимися многослойной структурой, элементом упрочнения в которой будет материал, выдерживающий многоцикловые нагрузки во время регенерации фильтровального материала.

Целью настоящей работы является разработка технологии производства многослойных регенерируемых' фильтровальных нетканых материалов для очистки воздуха. Поставленная цель определила следующие основные задачи исследования:

1. Изучение и анализ научных трудов, посвященных вопросам разработки, исследования и практического применения фильтровальных материалов, и, прежде всего, нетканых регенерируемых фильтровальных материалов;

2. Изучение теории фильтрации, процесса регенерации, а также оборудования для фильтрации воздушных сред и регенерации фильтровальных материалов.

3. Изучение и анализ оборудования для выработки многослойных регенерируемых фильтровальных нетканых материалов.

4. Изучение методик проведения экспериментов и определения основных характеристик многослойных регенерируемых фильтровальных нетканых материалов.

5. Экспериментальные исследования фильтрующих и физико-механических свойств многослойных регенерируемых фильтровальных нетканых материалов, а также изучение их изменения в процессе регенерации.

6. Оценка и обоснование полученных в ходе работы результатов исследований. Написание выводов.

Методы исследования. В работе использовались стандартные методы исследования и измерения физико-механических и функциональных характеристик фильтровальных материалов. Для анализа эффективности очистки воздуха с помощью различных фильтровальных материалов применялись современные методы световой микроскопии. Испытания фильтровальных материалов на фильтрующие и регенерационные свойства проводились на специальной стендовой установке для испытания воздухоочистителей в соответствии с ГОСТ 8002–74 [9].

Научная новизна работы:

— разработана технология производства многослойного нетканого фильтровального материала с элементом упрочнения;

— проведены испытания многослойных нетканых фильтровальных материалов в условиях периодического воздействия импульсов сжатого воздуха;

— исследованы фильтрующие и прочностные характеристики многослойных нетканых фильтровальных материалов в условиях многократной регенерации;

— исследовано изменение физико-механических и эксплуатационных свойств фильтровальных материалов в зависимости от числа циклов регенерации;

— выведены математические зависимости, характеризующие влияние числа циклов регенерации на основные свойства фильтровальных материаловвыполнена комплексная оценка свойств различных фильтровальных материалов и на ее основе определен материал, наиболее пригодный для работы в условиях многократной регенерации.

Практическая значимость работы: разработана технология производства многослойного нетканого фильтровального материала с элементом упрочнения, пригодного для использования в установках с периодической регенерациейразработанная технология расширяет возможности использования нетканых материалов в качестве фильтровальныхприменение нового многослойного нетканого фильтровального материала позволяет обеспечивать требуемую тонкость фильтрации на протяжении продолжительного временисохранение основных физико-механических и эксплуатационных свойств разработанного материала при многократно проводимой интенсивной регенерации способствует увеличению срока его службы, снижает потребность в фильтровальных материалах, а также затраты времени и простои оборудования, связанные с заменой фильтровальных элементов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Всероссийской научно-технической конференции «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2006);

Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2006), МГТУ имени А. Н. Косыгина;

Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения» (ТЕХТЕКСТИЛЬ-2006), Димитровград: Димит-ровградский институт технологии, управления и дизайна Ульяновского государственного технического университета.

Публикации. Основное содержание результатов исследований изложено в следующих публикациях:

1. Сергеенков А. П., Ермаков В. Ю., Конюхова С.В.// Исследование гидравлического сопротивления и регенерируемости рукавных фильтровальных материалов для очистки воздуха// «Известия ВУЗов». Технология текстильной промышленности, С.78−80, 6С, 2006 г.

2. Сергеенков А. П., Ермаков В.Ю.// Анализ влияния волокнистого состава на физико-механические свойства иглопробивных фильтровальных материалов// «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2006). Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции, 2006 г.

3. Сергеенков А. П., Ермаков В. Ю., Конюхова С.В.// Анализ особенностей фильтрующих нетканых материалов// «Вестник ДИТУД», июнь, 2006 г.

4. Сергеенков А. П., Ермаков В.Ю.// Анализ исследования пылеулавливающей способности многослойных регенерируемых нетканых материалов// «Сборник трудов аспирантов», апрель, 2007 г.

5. Сергеенков А. П., Ермаков В. Ю., Конюхова С. В. //Гидравлическое сопротивление и регенерируемость рукавных фильтровальных нетканых материалов для очистки воздуха// «Химические волокна», С.50−51, № 3, 2007 г.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. В результате анализа литературных источников установлено, что исследования в области изучения и производства фильтров различной конструкции и фильтровальных материалов ведутся постоянно: это свидетельствует об актуальности решаемой проблемы.

2. Фильтровальные нетканые материалы имеют очень хорошие показатели фильтрующей способности, но мало применяются в качестве регенерируемых, т.к. не обладают достаточной прочностью для воздействия на них импульсом сжатого воздуха во время регенерации способом обратной продувки. Чтобы увеличить прочностные показатели и ресурс фильтровальных материалов необходимо усиливать их структуру при помощи каркасного материала. В нашем случае таким материалом служит ткань полиэфирная полотняного переплетения. Необходимость оснащения фильтрустановок новыми фильтровальными материалами предопределила создание многослойного нетканого материала.

3. В установку для испытания воздухоочистителей (ГОСТ 8002−74) внесена и настроена секция регенерации. В связи с этим внесены изменения в методику и испытания воздухоочистителей для определения наряду с фильтрующими показателями фильтровального материала также и его регенераци-онных характеристик. Определены задачи, методы и средства исследования при испытании многослойных регенерируемых фильтровальных нетканых материалов.

4. С использованием методов математического планирования эксперимента проведена оптимизация технологического процесса изготовления фильтровального материала. Установлено, что материал с оптимальными физико-механическими показателями может быть получен при следующих условиях: о.

• Поверхностная плотность готового полотна — 480 г/м ;

• Вид волокнистого сырья:

Полиэфирное волокно 0,33 текс, длина 65−75 мм — 20% Полиэфирное волокно 0,84 текс, длина 65−75 мм — 80%;

• Вид каркасного полотна — ткань КПТ-5;

• Термообработка — на агрегате TERMOPLAST-2400 при температуре верхнего обогреваемого вала 300 °C и температуре нагревательного тэна 300 °C.

5. Исследованы прочностные характеристики. Проведено комплексное исследование свойств многослойных фильтровальных нетканых материалов, включающее удлинение при разрыве, жесткость, воздухопроницаемость, пористость. Установлено, что материал, подвергавшийся термоскреплению на каландре Рамиш Кляйневеферс, обладает наилучшими показателями пористости и воздухопроницаемости, а максимальную прочность и минимальную жесткость имеет материал, прошедший термообработку на швейцарском агрегате TERMOPLAST-2400.

6. Исследовано влияние структуры фильтровального материала на его фильтрующие свойства. Фильтрующие свойства материалов косвенно оценивались по значению гидравлического сопротивления. Предельное гидравлическое сопротивление материалов было определено расчетным путем и составило 250 мм вод.ст. Эксперимент показал, что быстрее остальных мате/ риалов предельного гидравлического сопротивления достигает многослойный фильтровальный нетканый материал, подвергнутый термоусадке на агрегате термоусадки АТУ-1800. Это означает, что регенерацию такого фильтровального материала придется проводить значительно чаще и срок его службы меньше, чем у других материалов.

7. Исследована и оценена способность материалов к регенерации. Установлено, что материал с более гладкой рабочей поверхностью, обработанный на агрегате TERMOPLAST-2400 обладает наилучшей способностью к регенерации. Его гидравлическое сопротивление на стадии регенерации в 3000 циклов оказалось намного меньше и возрастает гораздо медленнее, чем у других материалов, т. е. скорость забивания структуры такого материала пылевыми загрязнениями низкая. В качестве количественной оценки способности фильтровального материала к регенерации использован коэффициент регенерируемости. Максимальное значение коэффициента регенерируемости имеет материал, обработанный на TERMOPLAST-2400.

8. Экспериментальное исследование разрывных характеристик фильтровальных материалов после регенерации показало, что изменение их разрывной нагрузки в зависимости от числа циклов регенерации является более значимым показателем для регенерируемых фильтровальных материалов, чем значение начальной прочности. Лучше других сохраняет свои прочностные свойства материал, подвергнутый термообработке на оборудовании TERMOPLAST-2400.

9. Учитывая, что в условиях регенерации наиболее важное значение имеет разрывная нагрузка материала, а его сопротивление нагрузкам, действующее перпендикулярно поверхности, была исследована прочность материалов при продавливании шариком. Наименьшее снижение прочности наблюдается материала, обработанного на агрегате TERMOPLAST-2400.

10. Проведено исследование эффективности очистки фильтровальных материалов, а также ее изменения в процессе регенерации. Наилучшим результатом по этим показателям обладает материал, обработанный на агрегате TERMOPLAST-2400.

11. Выполнено исследование фильтровальных материалов с помощью световой микроскопии, что позволило проверить на практике теорию фильтрации. Построены кривые распределения частиц пыли по размерам, снятых с трех поверхностей каждого материала. Установлено, что на внутренней поверхности в основном сосредоточены более мелкие частицы загрязнений. Результаты исследований обработаны с использованием статистических методов.

12. Исследована пылеемкость материалов весовым методом. Установлено, что наибольшей пылеемкостью обладает материал, имеющий наиболее высокую объемную плотность — материал, обработанный на агрегате TERMOPLAST-2400. Такой материал, имея гладкую рабочую поверхность, обладая наименьшей пылеемкостью, тем не менее, показал лучшие значения эффективности очистки в условиях регенерации, т.к. с такого материала легко удаляются загрязнения под действием импульса сжатого воздуха изнутри материала в сочетании с встряхиванием.

13. Проведена комплексная оценка результатов исследования при помощи рейтинговой оценки показателей. Согласно такой оценке наиболее высокий суммарный бал имеет материал, обработанный на агрегате TERMOPLAST-2400 характеризующийся лучшими показателями изменения остаточного гидравлического сопротивления при регенерации, изменения эффективности очистки и коэффициента регенерируемости после 3000 циклов регенерации.

14. Проведен анализ характера изменения технико-экономических показателей при внедрении многослойного регенерируемого фильтровального нетканого материала для очистки воздуха. Выполнен расчет стоимости сырья л и основных материалов в себестоимости 1000 м нетканого материала.