Z uvedených skutečností vyplývá, že zbývá pouze čištění spalin ve filtru. Dosud převážně používané mechanické odlučovače většinou nejsou schopny plnit náročné emisní limity, řada i nejlepších typů se už nevyrábí, takže ty, které se dosud používají, brzy dožijí. Mechanický odlučovač odlučující popílek podléhá rychlé erozi, která ho zcela znehodnotí a vyřadí z funkce. Návrh správně fungujícího a ekonomicky provozovaného průmyslového filtru je složitý. Rozsah použití filtrace dnes zahrnuje téměř všechny průmyslové technologie a výrobci nabízejí nepřeberné množství filtračních textilií s nejrůznějšími vlastnostmi. Kotelna představuje z hlediska odlučování popílku složitý problém. Popílek má sice dosti hrubé granulometrické složení, takže dosažení dostatečně nízké výstupní koncentrace není obtížné, avšak další vlivy vnášejí do procesu filtrace řadu problémů. K nim patří zejména poměrně vysoká teplota spalin (někdy vyšší než 200 °C) a její kolísání, které zvláště při častém odstavování kotle vede k možnosti kondenzace nejen na kotlových plochách, ale i přímo na textilii. To jednak způsobuje její chemické poškozování (tomu lze zabránit volbou správného typu) a jednak zhoršuje funkci její regenerace. Mnoho zahraničních i českých firem má s odprášením této technologie zkušenosti, a přesto se i dnes můžeme setkat s filtry, které po velmi krátké době provozu vykazují závažné provozní nedostatky a někdy dokonce musejí být úplně vyřazeny z provozu. Při provozu filtru totiž stačí vynechat nebo nedokonale provést jeden nebo dva regenerační cykly a textilie se začne zanášet uvnitř struktury, což vede k postupnému zvyšování hydraulického odporu. Dopravované množství spalin se pak snižuje až k nule a filtr je třeba odstavit.

Návrh filtru a jeho regenerace

Volba filtru pro jakýkoli provoz je ovlivněna celou řadou provozních a ekonomických faktorů. Patří k nim především fyzikální a chemické parametry čištěného plynu a tuhých příměsí (TZL), volba filtrační rychlosti, výsledná velikost filtrační plochy, požadované výstupní koncentrace, prostorové možnosti umístění filtru v rekonstruovaných provozech a některé další okolnosti.

V mnoha případech je velmi problematickým faktorem nepřiměřeně nízká cena nabízeného filtru. Zákazník se většinou později přesvědčí, že nejnižší cena filtru neznamená, že filtr je nejlacinější.

Jednou z velmi důležitých podmínek technicky i ekonomicky úspěšného provozu filtru je regenerace filtrační textilie. V průběhu mnoha let vývoje textilních filtrů se ustálilo několik způsobů regenerace - mechanický oklep, zpětný proplach a pulsní ráz (tzv. pulse-jet). Používala se i kombinace jednotlivých způsobů.

Účinnost regenerace podle různých metod je různá a lze říci, že pro filtračně jednoduché technologie (filtrace dřevního odpadu aj.) je dostatečná i ta nejjednodušší, tj. mechanický oklep. S rozšiřováním použití filtrace pro téměř veškeré technologie však vyvstala potřeba účinnější regenerace, než je pouhý mechanický oklep, neboť už po vynechání jednoho nebo dvou regeneračních cyklů v provozu filtrace dojde k ucpání textilie a k úplnému vyřazení filtru z provozu. Nápravou většinou bývá výměna filtrační textilie, což není jednoduché ani levné. Účinnějším způsobem regenerace je zpětný proplach textilie, značně rozšířený zejména u filtrů s plochými kapsami. U nás byla v 80. letech 20. století zahájena výroba a úspěšná aplikace kapsových filtrů typem FKA, vyvinutým ve Výzkumném ústavu vzduchotechniky v Praze. Následující typy řady FK (B, C,...) byly vyráběny v různých závodech (mj. v ZVVZ Milevsko) a lze říci, že jsou konstrukčně odvozeny od typu FKA. Posledním pokračovatelem této řady je typ FVU.

Nejúčinnější regenerací je pulsní ráz tlakovým vzduchem proti směru proudění filtrovaného plynu. Tato regenerace probíhá buď při odstavené filtrační komoře (off-line), nebo za normálního provozu filtru (on-line). Dnes se prakticky používají pouze tyto dva způsoby regenerace. Všechny způsoby regenerace textilie mají své výhody a nevýhody a žádný nelze prohlásit za všeobecně použitelný a vždy optimální. Kromě už uvedené vysoké regenerační účinnosti, tj. očištění textilie, je velmi podstatné také mechanické namáhání textilie, které je u regenerace typu pulse-jet maximální. Je však nutné brát v úvahu i další možné faktory, jako je případná stavba kompresorové stanice a provozní náklady na tlakový vzduch. S volbou regenerace úzce souvisí rovněž tvar filtrační textilie (hadice, kapsa).

Čistá (nová) textilie má hydraulický odpor p1. V průběhu filtrace se tento odpor se zvětšováním filtračního koláče zvyšuje na hodnotu p2. Při jejím dosažení dojde k regeneraci, textilie se očistí a odpor klesne na hodnotu p1 nebo mírně vyšší.

Je-li účinnost regeneračního cyklu dostatečná, pracuje filtr přibližně v uvedeném tlakovém rozpětí stále. Pokud na povrchu textilie (popř. uvnitř její struktury) dochází k ulpívání prachu (neprobíhá tzv. povrchová filtrace), zvyšuje se odpor až k hodnotě p3, při níž se průtok blíží k nule a zařízení je třeba odstavit. Tento jev může nastat u každého způsobu regenerace. Seriózní odborné firmy mají už dnes dostatek zkušeností, aby mohly navrhnout filtr pro určitou technologii, a to včetně použitého způsobu regenerace a druhu textilie. Obecně platí, že čím jemnější je granulo-metrické složení filtrovaného prachu, tím obtížnější je regenerace textilie. Také pro volbu filtrační rychlosti už existuje dostatek provozních zkušeností; hodnoty vyšší než 0,02 m/s by měly být zcela výjimečné.

Volba způsobu regenerace

Většina známých a úspěšných výrobců průmyslových filtrů (v ČR i v zahraničí) má ve svém výrobním programu oba základní způsoby regenerace, tj. zpětný proplach i pulsní ráz (pulse-jet), který je nejúčinnější a patrně také provozně nejdražší metodou regenerace. Otázkou je, zda ve všech konstrukčních provedeních, která jsou nabízena, jde o filtry provozně spolehlivé. Proces regenerace pulsním rázem je nejlépe prozkoumán ve filtrační hadici.

Regenerace zpětným proplachem

Tato regenerace je nejobvyklejší u kapsových filtrů, avšak je použitelná i u filtrů hadicových. Probíhá vždy v režimu off-line, tedy na odstavené části filtru. Filtr pracuje většinou v podtlaku, což umožňuje přisátí okolního vzduchu pro regeneraci. Jako příklad tohoto provedení je uvedeno schéma filtru typu FVU. Filtr má dva systémy klapek, z nichž jeden zavírá průtok filtrovaného plynu komorou a druhý otvírá vstup nasávaného regeneračního vzduchu, který proudí v protisměru filtrace, a tím odstraňuje z textilie filtrační koláč. Textilie je napnuta na vnitřních kostrách, prostor mezi kapsami je vymezen vnějšími kostrami, takže pohyb textilie je minimální. K regeneraci dochází převážně prouděním při-sátého vzduchu. Protože při přisávání je plný sací účinek ventilátoru využit jen na toto přisátí, je protisměrná rychlost vzduchu vyšší než rychlost filtrace. Pohon klapek je řízen vačkovým mechanismem, umístěným spolu s pohonem na střeše filtru. Tato fáze trvá přibližně desítky sekund. Její délka je nastavitelná, právě tak jako cyklus, v němž se proces opakuje.

U velkých filtračních stanic probíhá regenerace jednotlivých komor stále, takže určitá část filtru je trvale odstavena - regenerována. S tím je třeba počítat při návrhu velikosti filtrační plochy. Někdy mohou nastat určité komplikace vlivem přisávání velmi studeného regeneračního vzduchu. Místo vzduchu lze pro regeneraci použít vyčištěný plyn, ten je ovšem nutné dodávat pomocí speciálního ventilátoru nebo z výtlaku dopravního ventilátoru. U kapsových filtrů je regenerace proplachem většinou úspěšná, a to i u kotelen, jejichž provoz lze z hlediska filtrace považovat za obtížný.

Regenerace pulsním rázem ve filtrační hadici

V hadicovém filtru je regenerační zařízení obvykle uspořádáno tak, že do rozvodné trubky umístěné nad horní konce filtračních hadic je v intervalech krátkými pulsy přiváděn tlakový vzduch [1]. Tato trubka má dole, směrem do hadic, výstupní otvory, kterými tlakový vzduch vytryskne, při-saje vzduch z okolí a Venturiho dýzou proudí do filtrační hadice.

Dýza prošla v minulých letech rozsáhlým vývojem z hlediska velikosti a tvaru a lze říci, že pokud jde o funkci regenerace i o tlakovou ztrátu filtru ve fázi filtrace, je v současné době optimalizována [2]. V tomto uspořádání probíhá filtrace směrem do hadice, která je navlečena na drátěnou kostru. V průběhu filtrace se prach zachytává na vnějším povrchu hadice a vytváří tzv. filtrační koláč. Jeho vytvoření je pro následující regeneraci podstatné. Pokud se v průběhu intervalu filtrace vytvoří dostatečně hmotný koláč, při regeneračním pulsu odpadne a padá jako celek do výsypky. Pokud se koláč nevytvoří (v důsledku příliš časté regenerace nebo velmi nízké vstupní koncentrace a velmi jemného prachu), není obvykle regenerace úspěšná a textilie se postupně ucpává. Jakmile tlakový vzduch spolu s přisátým vzduchem vniknou do hadice, zvýší se v ní tlak a hadice se prudce nafoukne. Dojde ke zvětšení jejího průměru na maximum, které je dáno pružností látky.

Po dosažení maximálního průměru se pohyb textilie náhle zastaví se záporným zrychlením až stovek g, ale filtrační koláč v pohybu pokračuje, takže se od textilie oddělí. Při regeneraci off-line (komora je uzavřena, nefiltruje) padá koláč nerušené do výsypky, při regeneraci on-line (komora normálně filtruje) může být část prachu stržena zpět na povrch hadice. Proto je třeba, aby koláč byl dostatečně hmotný. Protože se zvětšováním filtračního koláče roste tlakový spád na hadici, je třeba volit takovou frekvenci pulsu, která vyhovuje požadavku daného rozsahu tlakové ztráty filtru a velmi účinné regenerace textilie. Tlakový puls se v hadici projevuje jejím nafouknutím, které má charakter vlny, postupující shora dolů. S postupným vyčerpáváním energie tlakové vlny je ve spodní části hadice efekt regenerace slabší než v horní části. U této regenerace se projevuje ještě druhý mechanismus čištění -zpětný profuk. Vzduch, který do hadice vstoupil, vychází zase ven, a to v protisměru filtrace, čímž hadici čistí. Tento efekt se projevuje hlavně v dolní části hadice. Z uvedených skutečností je zřejmé, že délka hadice u tohoto způsobu regenerace je omezena. Zkušenosti z praxe stejně jako práce [2] uvádějí jako maximum délku odpovídající dvacetinásobku průměru hadice (D). Efekt slábnutí tlakového pulsu se vzdáleností od trysky platí nejen u hadice, proces regenerace pulsním rázem v hadici byl zkoumán velmi podrobně. V posledním výzkumu v ČR [2] byly sledovány hodnoty lakového pulsu (jeho průběh po délce hadice) i hodnoty záporného zrychlení textilie v různých vzdálenostech od dýzy. Pro tato velmi náročná měření byla použita čidla měření tlakového pulsu i čidla měření zrychlení.

U pulsní regenerace je podstatné i to, jakým způsobem je regulována frekvence pulsů. Lze použít dva způsoby - časovou regulaci (pevně nastavenou, což vyžaduje obvykle experimentální ověření na místě) nebo regulaci signálem od tlakové ztráty filtru.

Časově nastavená frekvence může v případě příliš krátkých i příliš dlouhých intervalů pulsů vést k ucpání textilie. Při napnutí hadice dochází k jejímu natažení a otevření pórů textilie, přičemž dojde k vniknutí části prachu do její struktury. Tento prach se už při dalším pulsu neodstraní, nejde už o tzv. povrchovou filtraci. Zvyšování množství tohoto prachu vede k trvalému zvětšování tlakové ztráty a až k úplnému zastavení odsávání. Je znám případ, že se filtr zcela ucpal, když se ho provozovatel snaží udržet v provozu trvalou regenerací. Při příliš dlouhé přestávce mezi pulsy může naopak dojít k tomu, že v důsledku nadměrného množství prachu v koláči nespadne všechen prach do výsypky a ztráta tlaku se rovněž zvyšuje.

Zdá se, že vhodnější je regulovat frekvenci pulsů signálem od tlakového rozdílu na výstupu a na vstupu do filtru. Je však nutné udržovat stálý průtok (podmínky pro to, aby tento tlakový rozdíl byl v provozu konstantní) a dále zajistit zcela bezporuchové měření tlakového spádu a přenos jeho signálu na regulaci pulsu.

Oba uvedené způsoby se používají, každý má své výhody a u obou je nutná pečlivá kontrola zařízení.

Současný stav poznání na poli pulsní regenerace hadic lze shrnout do těchto bodů:

• Délka hadice není libovolná, doporučené maximum je 20D.

• Optimální délka pulsu je asi 200 ms, její prodlužování vede jen k vyšší spotřebě tlakového vzduchu.

• Pro regeneraci on-line je nutné použít tlak 0,6 MPa, pro regeneraci off-line stačí tlak 0,3MPa.

• Nárůst tlaku na začátku pulsu musí být razantní (600 Pa/ms).

• Při regeneraci hadic v řadě musí být zajištěn shodný účinek pulsu u všech hadic řady.

• Při regeneraci on-line velmi záleží na prostorovém uspořádání filtračních prvků. Odhozený filtrační koláč by neměl padat přímo na sousední prvek. Dalším důvodem pro vytvoření určitého prostoru je to, že tlakový vzduch musí mít možnost při-sávat okolní vzduch, který je strháván do hadice. Snaha konstruovat filtr co nejmenší není tedy vždy úspěšná. Některé z uvedených závěrů pro regeneraci hadic platí i pro filtry s jiným tvarem filtračního elementu, například pro kapsové filtry. Problematika pulsního čištění textilie u tohoto typu filtrů je mnohem méně prozkoumána než regenerace hadic. Jednak je hadice svým přesným vymezením prostoru pro sledování procesu čištění jednodušší a jednak se tento způsob regenerace používá spíše u hadic.

Regenerace pulsním rázem v kapsovém filtru

U hadicového filtru je tlakový vzduch nasměrován přímo do vnitřního prostoru hadice, zatímco uspořádání filtračních kapes tak jednoduché řešení neumožňuje.

Tlakový vzduch je při regeneraci přiváděn rozvodnou trubkou nad filtračními kapsami. Při otevření ventilu vytryskne puls spolu s přisátým vzduchem do prostoru regenerované komory a do filtračních kapes v protisměru filtrace. To způsobí pohyb textilie a jeho následující zbrzdění. Pokud jsou použity vnitřní i vnější kostry, je pohyb textilie omezený, avšak může být pro regeneraci dostatečný. Při pulsu dojde k překonání adhezních sil, které drží filtrační koláč na textilii, a k odstranění tohoto koláče. Výhodou uvedeného způsobu regenerace je to, že současně dojde k regeneraci všech kapes jedné komory. Rovněž u tohoto provedení filtru je zřejmé, že rozměry filtrační kapsy, hlavně její výška, nejsou libovolné. Odhozený filtrační koláč padá do výsypky podél stěn filtračních kapes, a má-li spolehlivě odpadnout do výsypky, musí k tomu mít dostatek času. Také u tohoto typu filtru platí zásady uvedené pro hadicové filtry: Regenerace má být prováděna v intervalech odpovídajících procesu filtrace, tj. ani příliš často, ani v takových intervalech, které by vedly k nadměrnému zvyšování tlakového spádu.

Všechny tyto zásady je možné dodržet u nově instalovaných filtrů, tj. tam, kde je k dispozici dostatečný půdorysný prostor. Jinak je tomu v některých případech rekonstrukcí nebo dodatečných instalací filtrů. Někteří výrobci se snaží tento problém řešit zvětšováním výšky filtru, takže někdy jde o vícepatrový filtr (téměř o dva filtry nad sebou).

Tato snaha rozšířit sběrací plochu, úspěšná u elektrostatických filtrů (výška sběrné elektrody se u dnešních filtrů zvětšila ze 6 až 8 m na 10 až 12 m), nevede u textilních filtrů k úspěchu, neboť zde chybí usměrňovači prvky, které zaručují využití celé plochy, a hlavně zde není řazeno několik sekcí za sebou.

U textilních filtrů však nadměrná výška představuje určitý problém. Působení gravitace je bohužel konstantní a padání filtračního koláče do výsypky nelze nijak urychlit. U filtrů, které získávají větší filtrační plochu pouze zvětšováním výšky a jsou konstruovány tak, že regenerovaný (odhozený) filtrační koláč padá do výsypky na značnou vzdálenost a kolem filtračních kapes ve spodní části filtru, lze očekávat obtíže při jejich regeneraci.

Jsou použity tři systémy filtračních kapes, umístěné nad sebou. Jde o realizované řešení, které s ohledem na uvedené podmínky nebylo vůbec schopno trvalého provozu. V takovýchto případech nepomůže ani časově omezená trvalá regenerace filtru. Pokusí-li se provozovatel takto nefunkčního filtru přejít na regeneraci off-line, je výsledek velmi pochybný, ale navíc se ztrácí původní výhoda tohoto provedení, tj. zvětšení filtrační plochy. Protože v tomto uspořádání je téměř nemožné přivádět tlakový vzduch nad každou řadu kapes, zvolil výrobce přívod tlakového vzduchu po straně kapes. Tlakový vzduch tedy směřuje do kapsy vodorovně, což vzhledem k popsanému mechanismu regenerace není na závadu, je však velmi obtížné instalovat do prostoru přívodu tlakového vzduchu element typu Venturiho dýzy.

V uvedeném uspořádání filtračních a regeneračních prvků je s ohledem na požadovanou účinnost regenerace omezena jak výška, tak i šířka filtrační kapsy. Šířka proto, že dosah tlakového pulsu je omezen jeho energií, výška proto, že po regeneračním pulsu padá filtrační koláč kolem další regenerované kapsy. Filtrační kapsy umístěné nad sebou musejí být regenerovány současně, jinak by odhozený filtrační koláč padal kolem filtrující kapsy a na jejím povrchu by se opět zachytilo značné množství částic.

Toto konstrukční řešení tedy vede ke zvětšení filtrační plochy, avšak současně přináší značné problémy s její regenerací. Je zřejmé, že pouhé zvětšení plochy, zkrácení intervalu regeneračního pulsu nebo jeho prodloužení či použití vyšších tlaků nemusí vždy přinést kladné výsledky. Samotný systém (většinou) účinné regenerace není samospasitelný. Jako každé spolehlivé řešení vyžaduje i odpovídající konstrukční provedení.

Závěrem

Z dosavadních zkušeností z odprašování uhelných kotelen vyplývá, že při rekonstrukcích nebo uvádění nových kotelen do provozu je jediným spolehlivým zařízením, které plní zákonné požadavky na emisní limity, textilní filtr. U filtrů za kotli lze použít oba způsoby regenerace. Praxe v několika kotelnách ukazuje, že regenerace zpětným proplachem realizovaná u filtrů FVU je zcela vyhovující. Rovněž hadicové filtry regenerované tlakovým vzduchem vykazují většinou vyhovující funkci, ale pouze v případě provozně a dlouhodobě vyzkoušených typů. Filtr s vodorovným vstřikem tlakového vzduchu rozhodně nelze za takový považovat.

Jestliže se provozovatel z určitých důvodů rozhodne pro filtr s regenerací pulsním rázem, je třeba uvážit náklady na případnou výstavbu kompresorové stanice a spotřebu tlakového vzduchu, o němž se oprávněně traduje, že je to vůbec nejdražší energie.

[1] DOUBEK, P., HEMERKA, J., HEJMA, J.: Pulzní regenerace průmyslových filtrů, Ochrana ovzduší, 1997, č. 4, s. 19-22.

[2] HEMERKA, J.: Závěrečná zpráva o řešení grantového projektu, ČVUT v Praze, Fakulta strojní, 11/1999.

[3] HEMERKA, J., DOUBEK, P., HOFMANN, P., HEJMA, J.: Optimalizace geometrického uspořádání regeneračního ústrojí průmyslových filtrů s pulzní regenerací, Ochrana ovzduší, 1999, č. 2, s. 7-11.

Ing. Jiří Hejma, CSc., (1935) pracoval 30 let v oboru odprašování a čtyři roky v inspekci ochrany ovzduší (jako ředitel ČTIO a Hlavní inspektor ochrany ovzduší).

Související

Související témata Kotle vysoko a středotlaké