Комплексное устройство для нагрева воздуха и очистки дымовых газов

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к использованию тепла дымовых газов котельных агрегатов и промышленных печей при нагреве воздуха, подаваемого на горение. Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение содержания в охлажденных дымовых газах агрессивных и вредных примесей для повышения эффективности и экологической безопасности устройства. Технический результат достигается тем, что комплексное устройство для нагрева воздуха и очистки дымовых газов содержит газовый короб с коллекторами холодного воздуха и горячего воздуха, в котором размещены по ходу движения дымовых газов патрубки холодного воздуха с щелевыми соплами холодного воздуха, устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха, промежуточные ловушки-конфузоры, ловушки горячего воздуха, камера очистки с коническим днищем, соединенным через гидрозатвор с дренажным трубопроводом, в которой размещена параллельно ходу газов гидроокись кальция (Са(ОН)₂) с газовыми каналами между собой и вертикальные отбойные пластины, причем коллектор горячего воздуха соединен с камерой регенерации, в которой помещен вертикальный плоский контейнер с насыщенным активированным углем; камера смешения снабжена перфорированным распределительным патрубком, соединенным с озонатором; в камере очистки помещены параллельно ходу газов два ряда вертикальных плоских контейнеров с перфорированными стенками, при этом первый ряд контейнеров заполнен крошкой из гидроокиси кальция (Са(ОН)₂) и прикреплен к своей крышке, а второй ряд - крошкой из активированного угля и также прикреплен к своей крышке. 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к утилизации тепла дымовых газов совместно с их очисткой при нагреве воздуха, подаваемого на горение.

Известно устройство, содержащее газовый короб с размещенной в нем тепловой камерой, в начале которой от коллектора холодного воздуха через днище пропущены патрубки холодного воздуха, заканчивающиеся щелевыми соплами холодного воздуха, размещенными параллельно друг к другу и направленными в сторону движения дымовых газов, устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха, промежуточные ловушки-конфузоры, аналогичные по конструкции щелевым соплам, а в конце газового короба помещен ряд ловушек горячего воздуха, размещенных аналогично промежуточным ловушкам-конфузорам и соединенных через патрубки горячего воздуха с коллектором горячего воздуха [1].

К недостаткам известного устройства относятся наличие в дымовых газах после их охлаждения до температуры ниже точки росы капель агрессивного конденсата, содержащего кислотные компоненты, и газообразных окислов азота и окислов серы, влекущее за собой интенсивный коррозионный износ следующих по ходу газа газоходов и оборудования, загрязнение окружающей атмосферы, что снижает его эффективность и экологическую безопасность.

Более близким к предлагаемому изобретению является полифункциональный струйный воздухоподогреватель, содержащий газовый короб с размещенной в нем тепловой камерой, в начале которой от коллектора холодного воздуха, через днище пропущены патрубки холодного воздуха, заканчивающиеся щелевыми соплами холодного воздуха, размещенными параллельно друг к другу и направленными в сторону движения дымовых газов, устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха, промежуточные ловушки-конфузоры, а в конце тепловой камеры помещен ряд ловушек горячего воздуха, соединенных через патрубки горячего воздуха с коллектором горячего воздуха, камерой очистки с коническим днищем, соединенным через гидрозатвор с дренажным трубопроводом, в которой помещены параллельно ходу газов перфорированные кассеты, покрытые слоем гидроокиси кальция (Ca(ОН)₂) с газовыми каналами между собой, прикрепленные к крышке кассет и вертикальные отбойные пластины, прикрепленные под некоторым углом относительно нормали движения дымовых газов к крышке отбойных пластин [2].

К основным недостаткам известного полифункционального струйного воздухоподогревателя относится малая эффективность очистки дымовых газов от окислов азота, обусловленная низкой скоростью окисления окиси азота (NO) в двуокись (NO₂) молекулярным кислородом воздуха, невозможностью улавливания СО и несгоревших остатков топлива (CH₄) гашеной известью, относительно небольшой площадью массопередачи, создаваемой суммарной поверхностью перфорированных пластин, соответственно коротким активным циклом работы слоя гидроокиси кальция из-за его малого количества в слое покрытия пластин, что снижает эффективность и экологическую безопасность устройства.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение содержания в охлажденных дымовых газах вредных газообразных примесей и несгоревших остатков топлива и, соответственно, повышение эффективности и экологической безопасности устройства.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое комплексное устройство для нагрева воздуха и очистки дымовых газов (КУНВОДГ) содержит газовый короб с коллекторами холодного воздуха и горячего воздуха, в котором размещены по ходу движения дымовых газов патрубки холодного воздуха с щелевыми соплами холодного воздуха, устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха, промежуточные ловушки-конфузоры, ловушки горячего воздуха, камера очистки с коническим днищем, соединенным через гидрозатвор с дренажным трубопроводом, в которой размещена параллельно ходу газов гидроокись кальция (Ca(ОН)₂) с газовыми каналами между собой и вертикальные отбойные пластины. Коллектор горячего воздуха соединен с камерой регенерации, в которой помещен вертикальный плоский контейнер с насыщенным активированным углем; камера смешения снабжена перфорированным распределительным патрубком, соединенным с озонатором; в камере очистки помещены параллельно ходу газов два ряда вертикальных плоских контейнеров так, что между ними образуются газовые каналы, причем все контейнеры выполнены с перфорированными стенками, прямоугольные отверстия которых отбортованы со стороны, противоположной направлению движения дымовых газов, буртиками под углом 45°, при этом первый ряд контейнеров заполнен крошкой из гидроокиси кальция (Ca(ОН)₂) и прикреплен к своей крышке, а второй ряд - крошкой из активированного угля и также прикреплен к своей крышке.

В основу работы предлагаемого КУНВОДГ положены свойства затопленной турбулентной струи воздуха, в частности плоской струи, которая, распространяясь в направлении истечения, перемешивается с окружающей газовой средой, причем перемешивание сопровождается вовлечением в воздушную струю масс газовой среды, сообщением периферийной части газовой среды движения, совпадающего с направлением струи. При этом наряду с перемешиванием граничных слоев воздушной струи и газовой среды происходит интенсивный теплообмен между ними, значительно превышающий скорость теплопередачи через стенку, так как в этом случае отсутствует термическое сопротивление стенки с загрязнениями и конвективный теплообмен осуществляется непосредственно между частицами воздуха и газа, а также начинает играть существенную роль лучистый теплообмен, что приводит к быстрому выравниванию температуры воздушной струи и газовой среды [3, с.326-339], [4, с.50-60]. Кроме того, частичное смешение воздуха с дымовыми газами и последующее использование полученной смеси для горения позволяет уменьшить содержание в дымовых газах NO_X и SO_X [5, с.457]. Для уменьшения перемешивания воздушной струи с дымовыми газами с одновременным обеспечением высокой температуры ее нагрева используется повторное сжатие одной и той же воздушной струи, что позволяет снизить градиент скорости на оси струи и, соответственно, примеси дымовых газов в ней [6, с.378]. Уменьшение концентрации в охлажденных дымовых газах при их охлаждении до температуры ниже точки росы капель агрессивного конденсата, газообразных окислов азота, окислов серы и окислов углерода обеспечивается путем взаимодействия этих примесей с озонированным воздухом, гидроокисью кальция, активированного угля, улавливания капель агрессивного конденсата и отвода его из рабочей зоны [7, с.10, 14], [7, с.275, 415, 483], [8, с.348], [9, с.227], [10, с.289].

На фиг.1-6 изображено комплексное устойство для нагрева воздуха и очистки дымовых газов (КУНВОДГ).

КУНВОДГ содержит газовый короб 1, в котором размещены по ходу движения дымовых газов тепловая камера 2, в начале которой от коллектора холодного воздуха 3 через днище пропущены патрубки холодного воздуха 4, заканчивающиеся щелевыми соплами холодного воздуха 5, размещенными параллельно друг к другу и направленными в сторону движения дымовых газов, устроенные соосно напротив каждого сопла 5, промежуточные ловушки-конфузоры 6, аналогичные по конструкции щелевым соплам 5, и соосный им ряд ловушек горячего воздуха 7, соединенных через патрубки горячего воздуха 8 с коллектором горячего воздуха 9 и камерой регенерации 10; камера смешения 11 с перфорированным распределительным патрубком 12, соединенным с озонатором 13; камера очистки 14 с коническим днищем 15, соединенным через гидрозатвор 16 с дренажным трубопроводом, в которой помещены параллельно ходу газов два ряда вертикальных плоских контейнеров 17 так, что между ними образуются газовые каналы 18, причем контейнеры 17 выполнены с перфорированными стенками, прямоугольные отверстия 19 которых отбортованы со стороны, противоположной направлению движения дымовых газов, буртиками 20 под углом 45°, при этом первый ряд контейнеров 17 заполнен крошкой из гидроокиси кальция (Ca(ОН)₂) 21 и прикреплен к своей крышке 22, а второй ряд - крошкой из свежего активированного угля 23 и также прикреплен к своей крышке 24 (в регенерационной камере 10 также помещен один ряд контейнеров 17, заполненных крошкой насыщенного активированного угля 23), а на выходе из камеры очистки 14 установлены вертикальные отбойные пластины 25, прикрепленные под некоторым углом относительно нормали движения дымовых газов к крышке отбойных пластин 26.

Предлагаемое КУНВОДГ работает следующим образом. Дымовые газы при разрежении, соответствующем режиму работы котельного агрегата или промышленной печи, поступают из газового короба 1 в тепловую камеру 2, куда также вентилятором высокого давления по коллектору холодного воздуха 3 через входные патрубки 4 из щелевых сопел 5, количество которых выбирается исходя из условия создания устойчивых плоских струй со скоростью воздуха, достаточной для последующих сжатий и образования повторных струй, воздух подают в виде параллельных плоских струй, нагреваемых со всех сторон движущимися дымовыми газами, увлекаемыми этими струями, которые далее попадают в промежуточные ловушки-конфузоры 6, аналогичные по конструкции щелевым соплам 5. При этом в пограничных слоях происходит частичное перемешивание и вовлечение в воздушные струи некоторой части дымовых газов, интенсивный конвективный и лучистый теплообмен между дымовыми газами и воздухом и, соответственно, быстрый нагрев воздушных струй и охлаждение дымовых газов. Нагретые до промежуточной температуры и частично смешанные с дымовыми газами воздушные струи в промежуточных ловушках-конфузорах 6 сжимаются, истекают из них в виде повторных плоских струй, которые в очередной раз нагреваются, охлаждая при этом сопровождающие их потоки дымовых газов, попадают в следующий ряд промежуточных ловушек-конфузоров 6, где вышеописанный процесс повторяется и т.д. Нагретые до требуемой температуры воздушные струи с некоторой примесью дымовых газов, количество которых задают из заданной рециркуляции, попадают в прямоугольные входные отверстия ловушек горячих струй 7, расположенных аналогично ловушкам-конфузорам 6, откуда через патрубки 8, коллектор горячего воздуха 9 воздух поступает в камеру регенерации 10, где за счет своего тепла, полученного от дымовых газов, десорбирует из крошки насыщенного активированного угля 23 в контейнерах 17 газообразные остатки несгоревшего топлива (СН₄), угарный газ (СО) и двуокись углерода (CO₂), после чего его подают для проведения процесса горения в топку котельного агрегата или промышленную печь. Охлажденные до температуры ниже точки росы дымовые газы, содержащие капли агрессивного конденсата и подмешанный воздух, поступают в камеру смешения 11, где дымовые газы смешиваются с озонированным воздухом, поступающим из перфорированного распределительного патрубка 12 и приготовленным в озонаторе 13. Далее газовоздушная смесь поступает в камеру очистки 14 со скоростью, большей, чем скорость дымовых газов на входе в тепловую камеру 2, что обусловлено передачей им части энергии воздушных струй. При этом в камере очистки 14 ввиду наличия в дымовых газах кислорода воздуха, озона, который на порядки увеличивает скорость реакций окисления NO в NO₂, капель конденсата, а также относительно низкой температуры (80-90)°С в газовой фазе с большой скоростью протекают реакции окисления вредных примесей (NO_X и SO_X) до легкорастворимых в воде двуокиси азота и серного ангидрида (NO₂ и SO₃), абсорбции их конденсатом с образованием азотной и серной кислот (НNO₃ и H₂SO₄), после чего обогащенный кислотными компонентами конденсат совместно с дымовыми газами проходит газовые каналы 18 между перфорированными контейнерами 17 1-й ступени, заполненными крошкой гидроокиси кальция (Ca(ОН)₂) 21. При этом буртики 20 способствуют направлению дымовых газов вглубь контейнеров 17 через отверстия 19 к поверхности крошки Са(ОН)₂ 21, на которой происходят химические реакции находящихся в дымовых газах окислов азота (NO_x), капель кислого конденсата, двуокиси углерода (СО₂) с образованием нитрита кальция (Ca(NO₂)₂), углекислого кальция (СаСО₃), нитрата кальция (Ca(NO₃)₂) [6, с.415, 483], [8, с.406], [9, с.227], после чего очищенные от большей части вредных примесей (NO_x, SO_x) дымовые газы проходят газовые каналы 18 между перфорированными контейнерами 17 2-й ступени очистки, заполненные крошкой активированного угля 23, где дымовые газы попадают вовнутрь аналогично вышеописанному, очищаются от остатков несгоревшего топлива (CH₄), угарного газа (СО) и частично от двуокиси углерода (CO₂), которые адсорбируются активированным углем, после чего очищенные от большей части вредных примесей (NO_x, СН₄, СО, СO₂, пары воды) дымовые газы ударяются об отбойные пластины 25, освобождаясь от уносимых капель конденсата, и выводятся в атмосферу, а кислый конденсат стекает в поддон 15, откуда через гидрозатвор 16 и дренажный трубопровод отводится к потребителю.

Отработавшую насадку, состоящую из крошки 21 и 23 в перфорированных контейнерах 17, меняют на свежую и регенерированную по мере ее насыщения, что определяется опытным путем. Процесс замены отработавшей крошки 21 1-й ступени очистки заключается в том, что контейнеры 17 с ней извлекают из короба 1, опорожняют их и снова заполняют свежей крошкой гашеной извести (Ca(ОН)₂), после чего повторно используют для очистки дымовых газов. Процесс регенерации отработавшей крошки 23 2-й ступени очистки заключается в том, что контейнеры 17 с ней извлекают из камеры очистки 14 и устанавливают в камере регенерации 10, где происходит вышеописанный процесс отгонки поглощенных газов, после чего контейнеры 1 с регенерированной крошкой 23, состоящей из активированного угля, очищенного от СО и CO₂, снова устанавливают в камеру очистки 14, возвращая тем самым в цикл использованный активированный уголь в качестве адсорбента. Отработавшая крошка 21 представляет собой смесь углекислого кальция, нитрита и нитрата кальция, являющихся азотсодержащими веществами, и может быть использована в качестве азотного удобрения в сельском хозяйстве [10, с.227], а кислый конденсат из поддона 13, обогащенный кислотными компонентами и двуокисью углерода, для последующей обработки и добавки в подпиточную воду.

Таким образом, предлагаемое КУНВОДГ позволяет нагревать воздух, обогащая его несгоревшими компонентами топлива и угарным газом при охлаждении дымовых газов до температуры ниже точки росы, уменьшить содержание агрессивных и вредных веществ в охлажденных дымовых газах, утилизировать уловленные вредные компоненты, что повышает эффективность работы теплогенерирующей установки и экологическую безопасность ее работы.

Комплексное устройство для нагрева воздуха и очистки дымовых газов, содержащее газовый короб с коллекторами холодного воздуха и горячего воздуха, в котором размещены по ходу движения дымовых газов: патрубки холодного воздуха с щелевыми соплами холодного воздуха, устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха промежуточные ловушки-конфузоры, ловушки горячего воздуха, камера очистки с коническим днищем, соединенным через гидрозатвор с дренажным трубопроводом, в которой размещена параллельно ходу газов гидроокись кальция (Са(ОН)₂) с газовыми каналами между собой, и вертикальные отбойные пластины, отличающееся тем, что коллектор горячего воздуха соединен с камерой регенерации, в которой помещен вертикальный плоский контейнер с насыщенным активированным углем; камера смешения снабжена перфорированным распределительным патрубком, соединенным с озонатором; в камере очистки помещены параллельно ходу газов два ряда вертикальных плоских контейнеров так, что между ними образуются газовые каналы, причем все контейнеры выполнены с перфорированными стенками, прямоугольные отверстия которых отбортованы со стороны, противоположной направлению движения дымовых газов буртиками под углом 45°, при этом первый ряд контейнеров заполнен крошкой из гидроокиси кальция (Са(ОН)₂) и прикреплен к своей крышке, а второй ряд - крошкой из активированного угля и также прикреплен к своей крышке.