МОДУЛЬНАЯ УСТАНОВКА ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
MODULAR UNIT OF AIR PURIFICATION FROM GAS EMISSIONS OF INDUSTRIAL ENTERPRISES

Заявляемое изобретение относится к области очистки и стерилизации воздуха, а именно к устройствам, служащим для очистки воздуха от газов, паров органических соединений, угарного газа и оксидов азота, и может быть использовано в газоочистной системе промышленных предприятий.
Из уровня техники известно устройство очистки газовых выбросов, в котором осадительные электроды с каталитическим покрытием выполнены с возможностью прямого пропускания электрического тока или с вмонтированными в них теплогенерирующими элементами для нагрева каталитического покрытия до температуры, необходимой для каталитической обработки газового потока (см. патент РФ №2286201 на изобретение «Способ очистки газовых выбросов и устройство для его осуществления», дата подачи 20.01.2004 г., дата публикации заявки 27.06.2005 г.).
Известно устройство для очистки газов, содержащее корпус в виде спирального рекуператора, концы которого соединены со штуцерами ввода и вывода очищаемых газов, выполненного из полуцилиндрических обечаек одного диаметра, смещенных относительно друг друга на ширину канала и соединенных продольными кромками с полуцилиндрическими обечайками, имеющими диаметр, больший на ширину канала, и с выполненными на обечайках гофрами, с расположенной внутри спирального теплообменника каталитической кассетой, при этом устройство включает дополнительно сменный фильтр, расположенный на входе спирального теплообменника, пламепреградители, расположенные на его входе и выходе, термодатчики, расположенные на каталитическом блоке и выходе теплообменника, дифференциальный датчик давления газов на входе и выходе устройства и выносной контроллер, кроме того, каталитические кассеты выполнены съемными и содержат электронагреватели, поджатые ленточными пружинами к каталитическим элементам, выполненным из открытоячеистого пеноникеля и покрытым каталитическим составом (см. патент №2180869 «Устройство для очистки воздуха», дата подачи 20.02.2001 г., 27.03.2002 г.).
Известно устройство для очистки газовых выбросов, в котором температура, необходимая для каталитического процесса, достигается нагревом каталитических блоков прямым пропусканием тока или вмонтированными в блоки тепловыделяющими элементами, причем газовый поток через устройство обеспечивается за счет сил конвекции при вертикальном расположении корпуса и нижнем расположении нагреваемых блоков и поддерживается эффектом, возникающим при коронном электрическом разряде («ионный ветер»), а температура на каталитических блоках на выходе устройства поддерживается за счет энергии рекомбинации ионов и радикалов ионизированного газа (см. заявку №2004101745 на изобретение «Способ очистки газовых выбросов и устройство для его осуществления», дата подачи 20.01.2004 г., дата публикации заявки 27.06.2005 г.).
Известен каталитический реактор, имеющий электрошкаф управления и каталитическую секцию, которая содержит нагреваемые сменными электронагревателями сменные каталитические блоки на основе пенометаллов с каталитическим покрытием из оксидов металлов и размещена внутри спирального противоточного теплообменника-рекуператора, имеющего корпус с входным и выходным отверстиями и спиральные каналы, выполненные из полуцилиндрических гофрированных обечаек одного диаметра, смещенных относительно друг друга на ширину канала и соединенных с торцевыми стенками корпуса, при этом спираль теплообменника-рекуператора с каталитической секцией расположена горизонтально, верхняя часть и торцы спирального противоточного теплообменника-рекуператора защищены слоем теплоизоляции, в каталитической секции имеется плавкий предохранитель, обесточивающий каталитический реактор при достижении в каталитической секции температуры 660°C, каталитические блоки имеют различную толщину и размер ячеек, электронагреватели разделены на две отдельно регулируемые сборки, поджим к которым каталитических блоков осуществляется под их собственным весом, а в каталитический реактор подается регулируемое с помощью расходомера небольшое количество аммиака (см. патент РФ №2264852 на изобретение «Каталитический реактор очистки газовых выбросов от оксидов азота с помощью аммиака, совмещенный со спиральным противоточным теплообменником-рекуператором», дата подачи 04.06.2004 г., опубликовано 27.11.2005 г.).
Кроме того, известно устройство для термокаталитической очистки газовых выбросов в химических процессах, содержащее технологически связанные между собой теплообменник с патрубками для подачи загрязненного воздуха и выпуска очищенного воздуха, воздухоподогреватель с источником нагрева и каталитический узел, который включает расположенную поперек хода очищаемых газовых выбросов опорную решетку из полосовой жаростойкой стали с прямоугольными проемами, в которые установлены разборные заменяемые кассеты, представляющие собой пакеты сетчатых катализаторов, уложенные на наружную поверхность, по крайней мере, трех соосно вставленных друг в друга и свободно перемещающихся в продольном направлении сварных металлических каркасов, закрепленных на опорной рамке из жаростойкой стали с элементами крепления к опорной решетке, позволяющих регулировать зазоры между слоями катализатора, представляющими собой основу из металлической или кремнеземной сетки с нанесенной активной фазой, при этом входные торцы каркасов усилены приваренными по их периметрам прямоугольными обечайками, а каждый собранный каталитический пакет прижат к каркасу сетчатой прокладкой и по бокам скреплен тонкой высоколегированной проволокой или клеем (см. патент РФ №2460016 на изобретение «Устройство для термокаталитической очистки газовых выбросов в химических процессах», дата подачи 30.03.2011 г., дата 27.08.2012 г.).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является установка для очистки воздуха и отходящих газов от токсичных и горючих компонентов, содержащая теплообменник, нагреватель, каталитический нейтрализатор, при этом теплообменник, нагреватель и каталитический нейтрализатор, выход которого подсоединен к теплообменнику для предварительного подогрева вновь поступающего в теплообменник очищаемого воздуха или газов уже очищенными, соединены последовательно по ходу очищаемых воздуха или газов и помещены внутрь теплонакопительного устройства, представляющего собой емкость, заполненную теплонакопительным материалом, и снабженного датчиками температуры теплонакопительного материала и температуры очищенного воздуха или газа и системой нагрева, связанными с системой регулирования (см. патент РФ №2277010 «Устройство для очистки воздуха и отходящих газов от токсичных и горючих компонентов», дата подачи 10.06.2004 г., опубликовано 27.05.2006 г.).
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание компактной конструкции, обладающей повышенной эффективностью очистки, стерилизации и фильтрации воздуха или газовых выбросов промышленных предприятий, а также повышенными эксплуатационными характеристиками.
Указанный технический результат достигается тем, что модульная установка очистки воздуха от газовых выбросов промышленных предприятий, оснащенная нагревательными элементами и включающая связанные между собой, по меньшей мере, одно теплообменное, нагревательное и каталитическое устройства, при этом выход каталитического устройства соединен с теплообменным, согласно изобретению дополнительно содержит сорбционное и фильтрационное устройство, систему вентиляции и систему автоматического управления, связанную с нагревательными элементами, размещенными в нагревательном устройстве, и системой вентиляции, при этом каждое устройство и система выполнены в виде отдельного модуля.
Установка может быть дополнительно оснащена системой подачи реагентов, системой контроля за параметрами работы, системой управления газовыми потоками, а также контрольно-измерительной аппаратурой.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «новизна».
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где
Фиг.1 - общий вид модульной установки очистки воздуха от газовых выбросов промышленных предприятий;
Фиг.2 - вариант горизонтальной компоновки модульной установки очистки воздуха от газовых выбросов промышленных предприятий;
Фиг.3 - вариант горизонтально-вертикальной компоновки модульной установки очистки воздуха от газовых выбросов промышленных предприятий;
Фиг.4 - вариант вертикальной компоновки модульной установки очистки воздуха от газовых выбросов промышленных предприятий.
Заявляемая установка состоит из связанных между собой самостоятельных отдельных модулей: сорбционного 1, фильтрационного 2, по меньшей мере, одного теплообменного 3, каталитического 4, модуля нагрева 5 и системы вентиляции (на чертеже не показана), с помощью которой создается перепад давления на входе и выходе установки. Каталитический модуль 4 и модуль нагрева 5 образуют термокаталитический реактор. Входящий поток газовых выбросов или воздуха, предназначенного для очистки, поступает через входной патрубок 6, а очищенный газ выходит через выходной патрубок 7. Патрубки 6, 7 выполнены в виде фланцевых соединений.
Модули соединены между собой с помощью переточных коробов (на чертеже не показаны), служащих для воздушного сообщения.
В состав модульной установки входит система автоматического управления - САУ (на чертеже не показана), также выполненная в виде отдельного модуля и представляющая собой, по меньшей мере, один электрический шкаф управления с размещенными на его лицевой поверхности органами управления, индикаторами состояния установки и средством визуализации в виде графического дисплея (панели оператора), оснащенного, например, кнопочной панелью. Функции САУ реализуются посредством программно-аппаратных методов на базе микроконтроллера.
В зависимости от производительности установки система автоматического управления может включать несколько электрических шкафов.
Система управления связана с вентиляционной системой и размещенными в модуле нагрева 5 электронагревателями, которые могут быть выполнены, например, трубчатыми. Система вентиляции представляет собой, например, радиальный вентилятор низкого давления, создающий перепад давления на входе и выходе установки.
Выходная мощность регулируется дискретными сигналами с широтно-импульсной модуляцией, что обеспечивает возможность точного поддержания оптимальной температуры при протекании процесса каталитического окисления в реакторе во всем диапазоне мощностей, что является одним из важнейших условий технологического процесса катализа.
В электрической схеме установки в качестве используемых кабелей применяют термоэлектродные кабели, заключенные в изоляторы, благодаря которым предотвращаются контакты с металлическими конструктивными элементами. Кабели присоединяют к электронагревателям, которые установлены попарно.
Система автоматического управления осуществляет постоянный контроль за работой систем и блоков установки, и в случае, обнаружения какого-либо сбоя или отклонения от заданных параметров отправляет соответствующее сообщение на дисплей.
В частности, при обнаружении неисправного электронагревателя САУ отправляет сообщение, которое содержит, в том числе, номер ТЭНа, предназначенного для замены.
Кроме того, САУ предпринимает соответствующие действия по исправлению или корректировке возникшей неисправности.
В качестве дополнительных модулей установка может содержать системы контроля, в том числе за измерением перепадов давления, температуры, а также систему управления потоками: входящим и выходящим, включающую устройство смешения/подмешивания воздуха, устройство управления газовыми потоками в виде электрозадвижек, обеспечивающих быстрый запуск за счет уменьшения времени разгона установки, или в виде системы накопления и концентрации выбросов.
2
3
Помимо этого устройство может быть дополнительно оснащено системой подачи реагентов (на чертеже не показана), например подачи аммиака или растворов аммиака (мочевины), применяемой при высоких концентрациях окислов азота в газовых выбросах. Подача аммиака (мочевины) не требуется, если концентрация окислов азота невелика, а в состав выбросов входит достаточное количество CO, углеводородов, H. Незначительные концентрации окислов азота (до 150 мг/м) можно улавливать с помощью сорбционного модуля 1. Система подачи аммиака (мочевины) содержит насос, трубопровод, снабженный форсунками (на чертеже не показаны).
Установка очистки может быть заключена в единый выполненный из антикоррозионного материала корпус (кожух) или смонтирована, например, под навесом, защищающим ее от атмосферных воздействий.
2
2
x
y
z
x
y
z
3
3
В зависимости от состава поступающих в установку газовых выбросов сорбционный модуль 1 может быть использован не только для сорбции загрязнений, например при очистке газовых промышленных выбросов от галоген-, серо- и фосфоросодержащих соединений и кислых газов, таких как хлорированные углеводороды, галогены, меркаптаны, в том числе HS, SO, HCl, но и для сорбции-десорбции, например, в случае, когда концентрация органических соединений CHO (кроме CO, С1-С4) незначительна, а производительность установки высокая и составляет, например, 100-800 мг/м и 10000 м/час. При применении по первому варианту сорбционный модуль 1 служит для накопления (аккумуляции) загрязнений, по второму - не только для накопления, но и для регенерации при условии, что органические соединения CHO способны сорбироваться-десорбироваться. В сорбционном модуле в качестве материала применяют вещества с высокоразвитой сорбционной способностью и удельной поверхностью, например гранулированный оксид алюминия, цеолиты, активированный уголь и т.п.
Сорбционный модуль применяют для выбросов, имеющих температуру 5-60°C.
3
Фильтрационный модуль 2 обеспечивает очистку выбросов от твердых (пыли) и смолоподобных (жирных) примесей, при этом в качестве фильтра для пылеулавливания при номинальной производительности модульной установки, превышающей 10000 мг/м, используют циклоны, в остальных случаях - рукавные или патронные фильтры, при этом учитывают состав газовых выбросов. Так, например, для сухих пылесодержащих выбросов применяют фильтры из синтетических материалов, при выбросах, содержащих масла, смолистые вещества или влагу - фильтры, изготовленные, например, из термостойкого волокна из ароматического полиамида Nomex. Для смолистых жирных веществ, масла, имеющего температуру 100°C, возможно применение фильтров, выполненных из пенометаллов.
Теплообменный модуль 3 (теплообменник-рекуператор) выполнен в виде пластинчатого теплообменника и предназначен для подогрева входящего потока и охлаждения выходящего из термокаталитического реактора газа, при этом уровень рекуперации может составлять от 30 до 85% в зависимости от температуры, объема газовых выбросов, необходимого уровня потребления электроэнергии.
Каталитический модуль 4 выполняет основную функцию по газоочистке выбросов от органических, неорганических соединений за исключением галоген- и серосодержащих веществ. В модуле 4 размещены каталитические блоки, служащие для осуществления процесса каталитического окисления и выполненные, преимущественно, из пеноматериалов с открытоячеистой структурой, что способствует интенсивному массо- и теплообмену по всему объему катализатора 4, а также увеличивает время контакта газа с рабочей поверхностью каталитического блока и его равномерную газодинамическую и тепловую нагрузку за счет незначительного гидравлического сопротивления и турбулизации газового потока.
Модуль нагрева 5, в котором установлены трубчатые электронагреватели, обеспечивает нагрев поступающего газового потока до температур протекания термокаталитических реакций и охлаждение отходящего потока очищенного газа.
Модули 4, 5 образуют термокаталитический модуль.
Осуществление заявляемого изобретения подтверждается примерами конкретного выполнения.
Принцип действия установки основан на беспламенном низкотемпературном каталитическом разложении молекул загрязняющих веществ в присутствии кислорода воздуха до простейших составляющих.
Промышленные газовые выбросы, смешанные с атмосферным воздухом, потоком через входной патрубок 6 последовательно проходят через сорбционный 1, фильтрационный 2 модули и поступают в, по меньшей мере, один теплообменный модуль 3 (теплообменник-рекуператор), и, соприкасаясь с его стенками, нагреваются до температуры ниже начала катализа. Далее газовый поток поступает в термокаталитический реактор, в котором происходит его нагрев до температуры катализа, и при попадании на каталитические блоки протекает процесс каталитического окисления, после которого очищенный газ возвращается в теплообменник-рекуператор 3 и при продвижении в сторону выходного патрубка 7 частично отдает тепло вновь поступающему неочищенному газу, который движется в противотоке. Очищенный и охлажденный газ выходит в атмосферу.
Электронагреватели после выхода на рабочий режим поддерживают необходимую для процесса температуру процесса автоматически.
Потери энергии в термокаталитическом реакторе минимизируются за счет снижения температуры проходящих газов, так как рабочая температура процесса поддерживается только на каталитических блоках.
При снижении эффективности очистки, параметры которой определяют регулярными замерами, каталитические блоки заменяют или реактивируют.
При несоблюдении температурного режима работы термокаталитического реактора производят замену неисправных ТЭНов.
3
Заявляемая установка рассчитана на номинальную производительность от 1000 до 40000 м/час. Температура очищаемого газового выброса составляет от +5 до +300°C при температуре окружающей среды от -45 до +40°C.
Эффективность проводимой очистки газовых выбросов промышленных предприятий составляет 90-99,9%.
Выполнение установки, в которой каждый конструктивный элемент представляет собой отдельный модуль, позволяет облегчить эксплуатацию оборудования, повысить эффективность очистки газового выброса. Кроме того, оборудование легко монтируется и демонтируется, при этом возможны различные варианты компоновки установки.
Заявляемое изобретение реализовано на базе ЗАО «ЭКАТ», г.Пермь.