فیلتراسیون گازهای داغ با استفاده از فیلترهای سرامیکی

فیلتراسیون گازهای داغ بیشتر و بیشتر در طیف گسترده ای از فرآیندها در سال های گذشته مورد توجه قرار گرفته اند که علت اصلی آن افزایش سطح تولید گازها است که به سادگی فرآیندهایی را تشدید و باعث مشکلاتی می گردد.

در سیستم ژنراتورهای پیشرفته ، در صنایع شیمیای ، در پالایشگاه های نفت ، در سوزاندن ، پالایش و بازیافت فلزات نیاز به تمیز کردن گازهای داغ است که لازمه افزایش بهر وری فرآیند ، تشدید فرآیند ، کیفیت محصول و قوانین زیست محیطی است .نشان داده شده که می توان با فیلتراسیون گازهای داغ کیفیت و بهرره وری و جنبه های اقتصادی فرآیند را بهبود بخشید .به عنوان مثال فیلتراسیون گازهای داغ برای حذف خاکسترهای معلق بجای پاکسازی مرطوب یا افزایش گازسازی ذغال سنگ به میزان حدود ۳%. در بسیاری از فرآیندها فیلتراسیون در دماهای بالا نیاز است تا از تراکم نامطلوب و یا تصعید واکنش که در نتیجه باعث رسوب، مسدود کردن فیلتر یا آلوده کردن محصول می شود، جلوگیری گردد.

تنها نقطه ضعف فیلتراسیون گازهای داغ سرمایه گذاری بالاتر برای سیستم فیلتر با توجه به افزایش تقاضا مواد و حجم بالاتر گاز در دماهای بالاتر است . از این گذشته ، افت فشار بالاتر است که سبب افزایش ویسکوزیته گاز با درجه حرارت می شود با این حال مزایای تحت تسلط سیستم فیلتراسیون با کاهش هزینه های کلی فرآیند جبران می شود .اولین کاربرد فنی فیلتراسیون گاز داغ برای سوزاندن زباله های هسته ای با سطح پایین مواد رادیو اکتیو بود که برای تولید برق استفاده شد .

گسترش تکنیک های پیشرفته تولید انرژی بر پایه ذغال سنگ مانند  PFBC( احتراق تحت فشار بستر سیالی ) و IGCC( ترکیب یکپارچه تبدیل به گاز )  به طور قابل توجهی تحت تاثیر گسترش فیلتراسیون گازهای داغ بود. در حال حاضر ۲۵ واحد بزرگ فیلتراسیون گازهای داغ در رابطه باکارخانه های ایجاد گاز از ذغال سنگ در سراسر دنیا عملیاتی یا در حال راه اندازی می باشد که در ۸ سال گذشته ۲۰ تای آن ها در چین نصب شده است .

فیلتراسیون در دمای بالا

فیلتراسیون در دمای بالاتر از  ۲۶۷ درجه سانتی گراد فیلتراسیون گاز داغ نامیده می شود. دمای بالا جایی است که خواص مکانیکی ، پایداری دمایی و شیمیایی مواد استفاده شده خواسته می شود. در فیلترهای چندگانه ، مواد ظرف باید در برابر دما ، فشار و ترکیب شیمیایی گاز و غبار مقاوم باشد.

فیلتراسیون گازهای داغ عموما در دمای بالاتر از ۹۰۰ و در فشار بالای  MPa 8 انجام می شود که در این شرایط اکسیداسیون و اتمسفر در حال کاهش است و اغلب ترکیبات به صورت شیمیای و مهاجم است.

در فیلتراسیون دمای پایین ، خواص گرد و غبار مانند توزیع اندازه ذرات ، نیروی چسبندگی و انسجام پذیری گرد و غبار ، افت فشار و رفتار جدائی ذرات غبار از کیک گرد و غبار را تعیین می کند . در دماهای بالاتر خواص دمایی غبار بر رفتار فیلتراسیون تاثیر می گذارد .

غبارات نرم یا غبار های ناشی از زینترینگ یک لایه چسبنده در سطح فیلتر ایجاد می کنند که متعاقبا باغث فیلتراسیون ناپایدار می شود . برای اندازه گیری میزان نرم شوندگی غبار در دمای بالا از رئومتر یا دستگاه دیلاتومتری استفاده می شود . نرم شوندگی به دما و ترکیب شیمیایی غبار بستگی دارد . کلریدها ، مانند KCl و NaCl یا CaCl2 دمای نرم شوندگی را کاهش می دهند . در صورتی که مخلوط یوتکتیک باشد ، دمای نرم شوندگی به طور قابل توجهی کاهش می یابد .

 

فیلترهای سرامیکی

فیلترهای سرامیکی که از الیاف آلومینوسیلیکات ساخته می شوند دانسیته کمی دارند با این حال با توجه به ساختار سست خود چقرمگی شکست بالایی دارند ولی استحکام مکانیکی آن ها بسیار کم است و خطر شکسته شدن الیاف و به دنبال آن کندل نسبتا بالا است ، که نیاز است شدت پالس تماس برای بازسازی کنترل شود به طوری که الیاف فیلتر از ساختار بیرون نزد . دیفرانسیل فشار در سرامیک های کم دانسیته نسبتا کم است .

 

1

شکل ۱) الیاف سرامیکی.

سرامیک هایی که دارای دانسیته بالایی هستند ، ساختار مکانیکی بسیار پایدار و مقاومت مکانیکی بالایی دارند . فیلترهای سرامیکی که در شرکت پال ساخته می شوند از سیلیکون کاربید غنی هستند می توانند فشار های بیشتر از ۵ MPa و حلقه های فشار بیشتر از ۲۰ MPa را تحمل کنند . این سرامیک ها توسط فرآیند پرسینگ یا اکستروژن و پخت در دمای بالا تولید می شوند.

اندازه منافذ و توزیع آن می تواند با انتخاب اندازه دانه تنظیم شود علاوه بر این گزینه هایی نیز برای تنظیم اندازه منافذ و تخلخل ها وجود دارد مانند اضافه کردن موادی که در حین پخت بسوزند وخارج شوند ، مانند خاک اره ، پلیمرها و یا گرافیت .

در سرامیک های متراکم ساختار متقارن یا نامتقارن هستند . ساختار متقارن دارای توزیع اندازه تخلخل یکنواخت در کل ضخامت مواد است . در ساختار نامتقارن یک لایه غشایی با تخلخل های کوچک از مواد روی آن حمایت می شود . جمع آوری ذرات کوچک توسط غشا ، به دلیل خلل و فرج آن خوب است . با ساخت غشای نازک دیفرانسیل فشار در فیلتر محدود می شود .حالت بهینه این است که یک لایه نازک داشته باشیم که یک لایه دیگر را بدون ایجاد عیب بپوشاند.

 

2

شکل ۲) ساختار نامتقارن فیلترهای سرامیکی متراکم که دارای پشتیبانی متافذ درشت و فیلتراسیون غشایی با منافذ ریز هستند.

فیلترهای فلزی

فیلترهای فلزی از گریدهای متفاوت فولاد و آلیاژهای مختلف فلزی ساخته می شود . مواد به کار رفته بر اساس دما و پایداری شیمیایی انتخاب شده اند . اکسیداسیون و خوردگی منجر به اتصال غیرقابل برگشت منافذ می شود . فیلتر ساخته شده برای فولاد ضد زنگ معمولا در دمای c420 به کار می رود .اغلب گازهای داغ در محیط کاربرد سولفور و کلرید هستند . در این موارد فقط از آلیاژهای ویژه فلزی مانند اینکونل ۶۰۰ یا هاستلوی Hastelloy استفاده می شود .در سال های اخیر ، برای افزایش دمای کاری فیلترها ، استفاده از آلیاژ ویژه آهن – آلومینید توسعه یافته است که دمای کاری را تا c780 افزایش داده است .

 

سیستم های فیلتر گاز داغ

ظرف فیلتر باید تماما ویژگی هایی که در دمای بالا نیاز است را داشته باشد  . ضروروی است که ظرف دارای تحمل حرارتی و فشار بالا به همراه دیرگدازی باشد .سیستم های متفاوتی از فیلتراسیون در سال گذشته طراحی شده و گسترش یافته است که بعضی از این سیستم ها مزیت و معایبی دارند که در ادامه به آن ها اشاره می کنیم .

 

Single TubeSheet Design

در این سیستم ، فیلترهای شمعی که از انتها بسته هستند به صورت عمودی در یک ورق که از فیلتر جدا می باشد آویزان هستند.

 

3

Multy-Stage Design

در این سیستم بخاطر غلبه بر محدودیت تعداد ظرف و عناصر و افزایش سطح فیلتراسیون ، به جای حالت ورقه ای از حالت مدور یا استوانه ای استقاده شده است .

 

4

Filter Tube Design Of Asahi Glass

در این سیستم لوله ها از جنس کوردیریت ساخته می شود ، لوله ها توسط یک پالس تماسی از خارج به داخل جدا هستند و تخلیه در پایین لوله است . مزیت اصلی این فیلتر در طراحی آن است که باعث می شود گرد وغبار بین لوله ها پل نزنند ، در نتیجه خطر شکستگی شمع کم می شود. همچنین در این فیلتر می شود لوله ها را با تراکم بالا نصب نمود .

 

5

Cross flow filtration concepts

در این فیلتر از اصل جریان متقابل مایع برای فیلتراسیون استفاده شده است و مزیت اصلی این سیستم ، کاهش اندازه فیلتر و میزان فیلتراسیون بالاتر ، همچنین سرعت رشد کیک فیلتر توسط تنش برشی ایجاد شده ناشی از پالس های مکرر و جریان های محوری محدود شده است .

 

7

 

Filter system integration into a biomass gasifier

در این سیستم گاز داغ فشرده و تمیز و برای تبدیل به بیوماس سنتز می شود . عناصر کاتالیزوری روی فیلتر به طور مستقیم ذرات را حذف می کنند . این فیلتر واحد کم حجمی است و روش مقرون به صرفه ای می باشد چون هزینه های سرمایه گذاری برای تجهیزات و همچنین فضای مورد نیازنصب و راه اندازی را کاهش می دهد.

 

8

 کاربردها

 

سوزاندن و تجزیه حرارتی زباله های رادیواکتیوی سطح پایین

اولین کاربرد فنی فیلتراسیون گاز داغ می باشد که در آن با سوزاندن زباله آلوده با سطح پایین رادیواکتیو ، برق تولید می کردند .

به طور معمول ، سیستم فیلتر دو مرحله ای است که هر مرحله شامل یک ظرف ( Vessel ) حاوی ۱۰۰ فیلتر شمعی سرامیکی است . مرحله اول در دمای c 600-800 و مرحله دوم در دمای c500-600 عمل می کند . این فیلتر می تواند زباله های آلوده به مواد رادیواکتیو را پیرولیز نماید .

 

احتراق و تبدیل سازی به گاز ذغال سنگ

استفاده از تکنیک های پیشرفته تولید برق و انرژی بر مبنای استفاده از ذغال سنگ مانند PFBC ( احتراق تحت فشار بستر سیالی ) و IGCC( ترکیب یکپارچه تبدیل به گاز ) ، به طور قابل توجهی باعث توسعه و بکار گیری فیلترهای فیلتراسیون گاز داغ در سیستم های دما و فشار بالا شد .در PFBC دمای کاری C850  و فشار از ۱- تا ۱٫۲ مگاپاسکال و در IGCC فشار تا ۸ مگاپاسکال و دما بین c 250-400 می باشد.

 

پیرولیز و تبدیل سازی به گاز بیوماس ( زیست توده )

 

 این فیلترها در واحدهای بسیار کوچکی بین ۱۰۰-۱ فیلتر شمعی سرامیکی هستند و فیلتراسیون ترجیحا در محدوده دمایی c500-600 انجام می شود . در این محدوده تراکم یک دست است و از سویی دیگر احتمال نرم شوندگی و چسبندگی غبار که معولا قلیایی بالا هستند کاهش میابد . هدف های جدید در این زمینه در راستای تحقق فیلتراسیون در c800-900 می باشد .

 

واحدهای کرکینگ کاتلیست های مایع در پالایشگاه ها ( FCCUs )

این فیلترهای گاز داغ در پالایشگاه برای تمیز کردن گاز خروجی از دودکش ها استفاده می شوند . با استفاده از فیلترهای گاز داغ استاندارد آلایندگی ذرات افزایش میابد و سیستم های توربو و مبدل های حرارتی از فرسایش و رسوب محافظت می شوند .

 

9

 

تجزیه و سوزاندن زباله ها

فیلترهای گاز داغ به طور گسترده ای برای دوکش های مکان های زباله سوزی به کار گرفته می شوند . در این فیلترهای از شمع سرامیکی کم تراکم استفاده می شود . در مکان های زباله سوزی عمدتا زباله های خطرناک ، زباله های صنعتی ، زباله های بیمارستانی یا لجن و پلاستیک های ناشی از تصفیه فاضلاب شهری سوزانده می شود . درجه حرارت در این کاربرد بین c200-350 و مساحت سطح فیلتراسیون بالای ۱۰۰۰ متر مربع است و سرعت فیلتراسیون بین m/h 60-70 و دمای فیلتراسیون در حین تجزیه حرارتی نزدیک به c500 می باشد .

منبع نوشته:Steffen Heidenreich - Hot gas filtration

درباره نویسنده

مطالب مرتبط

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *