УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОПАДАНИЯ ГАЗА В СКРУББЕР, А ТАКЖЕ ОЧИСТИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
DEVICE FOR PREVENTION OF GAS ENTRY INTO SCRUBBER, AS WELL AS PURIFICATION INSTALLATION CONTAINING SUCH A DEVICE

Данное изобретение относится к устройству для предотвращения попадания газов в скруббер. Объектом изобретения является также установка для влажной очистки выхлопных газов двигателей морских судов, содержащая вышеупомянутое защитное устройство.
2
Морские суда, будь то пассажирские суда или суда других типов, используют дизельное топливо для своих дизельных двигателей. Дизельное топливо содержит до 5 вес. % серы, наиболее часто от 0,5 до 3,5 вес. %. В процессе сгорания в двигателях эта сера преобразуется в диоксид серы (SO). В результате, выхлопные газы этих двигателей обладают высокой кислотностью. Судоходные правила, как правило, ограничивают выбросы в атмосферу диоксида серы из выхлопных газов силовых установок морских судов. Таким образом, суда должны иметь средства для сокращения этих выбросов диоксида серы. Для этого могут быть рассмотрены несколько решений.
Во-первых, можно снизить содержание серы в используемом дизельном топливе или даже использовать сжиженный газ, что сразу же приводит к сокращению выбросов серы. Однако дизельное топливо с очень низким содержанием серы является дорогим, так что такой подход не очень экономичен.
2
2
Другой подход заключается в применении мокрого скруббера, в котором используется соответствующая смачивающая жидкость, обычно на основе морской воды, естественная щелочность которой используется для нейтрализации диоксида серы. Далее везде в настоящем описании эту смачивающую жидкость мы будем называть "водой", помня о том, что термин "вода" служит для обозначения жидкого раствора, используемого для очистки газов в скруббере; в качестве такого раствора обычно используется морская вода с добавлением нейтрализующего реагента, такого как гидроксид натрия (NaOH), магнезия (MgO, Mg(OH)) или известь (Ca(OH)), и такой раствор может также содержать соли, получаемые в результате очистки газов, и другие твердые вещества.
На практике, использование скрубберов на кораблях сталкивается с особыми ограничениями. Пространство на борту судов является ограниченным, что требует большой компактности очистного оборудования. Кроме того, должно предусматриваться несколько режимов работы скрубберов, в частности, режим работы с разомкнутым контуром, при котором большое количество морской воды поступает в скруббер, из которого она выбрасывается без рециркуляции, и режим работы с замкнутым контуром, при котором большая часть воды, выходящей из скруббера, используется повторно и, как правило, обрабатывается путем добавки щелочных реагентов, а сбрасывается только минимальное количество воды. Кроме того, перепад давления на скруббере должен быть очень низким, так как за пределами допустимого охлаждения двигателя его энергетический КПД, например, в киловаттах на килограмм дизельного топлива, значительно снижается при увеличении потерь напора, что является экономически нежелательным. И, наконец, операции ремонта и технического обслуживания на морском судне выполнять сложнее, чем на транспортном средстве наземного базирования.
3
Кроме того, к специфическим ограничениям, накладываемым на скрубберы морских судов, будь то рабочий режим, остановка или переходный режим, относятся также так называемые проблемы "входа воды", т.е. проблемы, связанные с проникновением или поступлением воды из скруббера к оборудованию, расположенному перед ним, в частности, в канал, по которому проходят газы, подлежащие очистке в скруббере. Действительно, попадания воды следует избегать, поскольку проникновение воды в канал, по которому газы поступают в скруббер, приведет к коррозии котлов и теплообменников, расположенных перед скрубберами, или даже к проблемам, связанным с безопасностью самого двигателя, особенно в случае так называемых "прямоточных" скрубберов, в которых вход газов, подлежащих очистке, расположен за скруббером. На практике расход воды при работе скрубберов составляет от 500 до 4000 м/час, в зависимости от конструкции, требуемой производительности и мощности двигателя; в то же время, вход в газовый канал даже небольшой части воды, в количестве всего нескольких литров в час, является недопустимым. Поэтому используются защитные устройства, имеющие форму конусов или двойных конусов, в частности, форму китайской шляпы, т.е. конусов, вершина которых направлена вверх. Однако известные защитные устройства являются недостаточно эффективными вследствие крайне малого допустимого входа воды, особенно во время переходных режимов работы скрубберов.
Для лучшего понимания данной проблемы входа воды обратимся к фиг. 1. На фиг. 1 показана очень упрощенная схема морского скруббера 1, в котором выхлопные газы F от одного или нескольких дизельных двигателей судна поступают в нижнюю часть скруббера по вертикальному каналу 2, проходящему через дно скруббера, по существу, через его центр. В верхней части внутренней камеры скруббера распределительное устройство 3 производит распределение воды, например, путем распыления; эта вода показана на фиг. 1 в виде дождя P, однако данное изображение является лишь символическим, поскольку вода падает сверху в виде капель и не обязательно вертикально. При контакте с водой газы F, циркулирующие снизу вверх внутри скруббера 1, очищаются за счет переноса содержащегося в них диоксида серы в воду, падающую сверху из распределительного устройства 3, и за счет силы тяжести проходят сверху вниз в скруббере 1; падающая сверху вода выводится из скруббера 1 через выход 4 в нижней части скруббера 1, если это применимо, и после частичной очистки (не показано) снова поступает в распределительное устройство 3. Для предотвращения попадания части воды, распределяемой распределительным устройством 3, в канал 2, в скруббере 1 установлено защитное устройство 5, расположенное между выходным отверстием канала 2 и распределительным устройством 3, вертикально над выходным отверстием канала 2; защитное устройство 5 позволяет газам F выходить из канала 2, в то же время предотвращая попадание воды в данный канал 2. На фиг. 1 защитное устройство 5 изображено в форме китайской шляпы, однако, возможны и другие решения. Различные варианты реализации раскрываются в патентных документах WO 2014/128261, WO 2017/198653 и EP 3,260,187.
В известных вариантах реализации защитного устройства 5 его эффективность может быть значительно снижена вследствие двух неприятных явлений, особенно на переходных режимах работы скруббера 1.
Эти явления связаны с образованием жидкой пленки E1 на верхней поверхности защитного устройства 5, вследствие того, что капли воды P достигают верхней поверхности защитного устройства 5. Эта пленка E1 является сравнительно тонкой; её толщина составляет обычно от 1 до 5 мм и зависит от конкретной геометрии и угла наклона верхней поверхности защитного устройства 5, а также от расхода воды, подаваемого распределительным устройством 3. Во всех случаях эта жидкая пленка E1 распределяется по всей верхней поверхности защитного устройства 5 и, стекая, достигает периферии верхней поверхности. Первое явление, которое при этом может произойти, заключается в том, что небольшая часть жидкой пленки E1 за счет капиллярной вязкости остается на нижней кромке защитного устройства 5 и по нижней поверхности защитного устройства перемещается к центральной оси скруббера 1 до тех пор, пока не отделится от этой нижней поверхности и не упадет вертикально вниз в виде капель E2 под действием силы тяжести внутрь канала 2. Второе явление, которое может иметь место, заключается в том, что обладающая малым количеством движения жидкая пленка E1 отделяется от защитного устройства 5 на периферии верхней поверхности последнего, образуя одну или несколько водяных завес E3, которые, вследствие движения газов, обозначенного стрелками T, могут легко увлекать с собой часть жидкости внутрь канала 2. Вышеупомянутое движение T газов может возникать вследствие рециркуляционного движения газов F внутри скруббера 1 или конвективного движения газов, возникающего в переходные режимы работы скруббера.
Поэтому следует понимать, что известные варианты выполнения защитного устройства 5 не обеспечивают полного предотвращения попадания воды в канал 2, и такой вход воды является недопустимым, если он превышает несколько литров в час или превышает пренебрежимо малую часть вводимой распределительным устройством 3 воды, как правило менее 1/50000-й части общего количества воды, вводимого распределительным устройством 3.
Задача изобретения заключается в создании более эффективного защитного устройства.
Для этого изобретением предлагается устройство для защиты отверстия входа газов в скруббер согласно п. 1 прилагаемой формулы.
Объектом изобретения является также установка по п. 10 формулы для влажной очистки выхлопных газов двигателей морских судов, содержащая вышеупомянутое защитное устройство.
Благодаря данному изобретению, вода, поступающая от распределительного устройства, попадает на верхнюю поверхность заостренного тела защитного устройства согласно изобретению, таким образом, что капли P воды, показанные на фиг. 1, скапливаются на дне каждого канала защитного устройства, стекая по боковым наклонным поверхностям каждого канала к нижней кромке канала. Таким образом, вода собирается на дне каждого из каналов и формирует поток, стекающий по нему толстыми струями, как по дну водного русла, от центральной части заостренного тела к его периферии, где указанные толстые струи покидают с большим количеством движения верхнюю поверхность заостренного тела на соответствующих концах этих каналов. Разумеется, конкретные геометрические параметры каналов, в частности, их глубина и угол раскрытия, выбираются специалистами в данной области в соответствии с преследуемыми задачами, таким образом, чтобы вода, попадающая на верхнюю поверхность заостренного тела, расход которой на морских судах может достигать нескольких сотен кубических метров в час, скапливалась и стекала по каналам в виде вышеупомянутых толстых струй. Таким образом, хотя капли P воды от распределительного устройства попадают на всю поверхность заостренного тела, вода полностью собирается на дне каналов и сходит с заостренного тела в виде вышеупомянутых толстых струй исключительно на концах нижних кромок каналов, площадь которых составляет лишь небольшую часть площади периферии заостренного тела. Поскольку вышеупомянутые струи воды являются толстыми и обладают большим количеством движения, они отделяются от заостренного тела защитного устройства согласно настоящему изобретению в виде струй, протекающих с большой скоростью и отходящих далеко от заостренного тела, оставаясь в форме толстых струй, аналогичных струе воды из садового шланга. Кроме того, поскольку эти струи воды моментально отделяются от заостренного тела защитного устройства, любое влияние капиллярной вязкости, приводящее к образованию капель, аналогичных каплям E2, показанным на фиг. 1, в значительной степени ограничивается. Кроме того, вышеупомянутые толстые струи воды, отделяющиеся от защитного устройства с большим количеством движения, по сравнению с тонкими водяными завесами E3, показанными на фиг. 1, меньше взаимодействуют с газами, перемещающимися по стрелкам Т, также показанным на фиг. 1. Таким образом, два описанных выше явления, снижающие эффективность известных защитных устройств, аналогичных защитному устройству 5, показанному на фиг. 1, устраняются настоящим изобретением. Рабочие характеристики и эффективность защитного устройства согласно настоящему изобретению являются исключительно высокими, что подтверждалось лабораторными исследованиями и испытаниями полномасштабных моделей.
Дополнительные преимущества и отличительные признаки защитного устройства и очистительной установки согласно настоящему изобретению указаны в других пунктах формулы.
Изобретение станет более понятным после ознакомления с его подробным описанием, приведенным ниже исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематично показана описанная выше установка для обработки газов, известная из уровня техники;
на фиг. 2 показано защитное устройство согласно изобретению, вид в перспективе;
на фиг. 3 и 4 показан вид сбоку по стрелке III на фиг. 2 и вид сверху по стрелке VI на фиг. 3, соответственно; и
на фиг. 5 и 6 представлены изображения, аналогичные приведенному на фиг. 3, демонстрирующие два возможных варианта осуществления защитного устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 - 4 показано защитное устройство 10, служащее для защиты отверстия впуска газов в скруббер. Данное защитное устройство 10 предназначено для использования взамен защитного устройства 5 в очистительной установке, показанной на фиг. 1. Таким образом, в установке для влажной очистки выхлопных газов двигателя морского судна защитное устройство 10 используется совместно со скруббером 1 и распределительным устройством 3, подробно описанными выше, таким образом, что при работе данной очистительной установки защитное устройство 10 и распределительное устройство 3 установлены внутри скруббера, причем распределительное устройство 3 расположено над защитным устройством 10.
В контексте настоящего изобретения, учитывая, что скруббер 1 предназначен для использования на морском судне, следует иметь в виду, что внутренний диаметр такого скруббера обычно составляет не менее двух метров.
Как ясно видно из фиг. 2 - 4, защитное устройство 10 включает в себя заостренное тело 11, которое, когда защитное устройство 10 установлено внутри скруббера 1, образует верхнюю часть данного защитного устройства. Внутри очистительной установки данное заостренное тело 11 расположено вертикально над выходным отверстием вертикального канала 2 для впуска газов F в скруббер 1, и служит для защиты указанного канала от попадания в него воды, позволяя при этом проходить газам, выходящим из канала 2; при этом капли P воды, поступающие от распределительного устройства 3, под действием силы тяжести падают на верхнюю поверхность 12 заостренного тела 11, а нижняя поверхность заостренного тела 11 расположена на расстоянии по вертикали от выходного отверстия канала 2, и, таким образом, выходящие из канала газы F могут проходить между выходным отверстием и нижней поверхностью заостренного тела 11, чтобы соединиться с остальной массой газов, находящихся внутри скруббера 1.
На практике, согласно настоящему изобретению, вертикальная проекция верхней поверхности 12 заостренного тела 11 составляет значительную часть (около 40% или более) внутреннего поперечного сечения скруббера 1.
В рассматриваемом варианте осуществления, представленном на прилагаемых чертежах, заостренное тело 11 имеет центральную ось Z-Z, которая пересекает верхнюю поверхность 12 заостренного тела 11 в его центральной части 11A. Когда защитное устройство 10 установлено в скруббере 1, ось Z-Z проходит вертикально и, предпочтительно, совпадает с центральной осью канала 2.
На практике, защитное устройство 10 включает в себя крепежные средства 13, позволяющие неподвижно закрепить защитное устройство 10 внутри скруббера 1. В рассматриваемом варианте осуществления, показанном на прилагаемых чертежах, эти крепежные средства 13 включают в себя фланец, неподвижно прикрепленный к каналу 2 в верхней его части, и стойки, соединяющие указанный фланец с заостренным телом 11. Разумеется, могут быть использованы и другие варианты выполнения крепежных средств 13, и последнее не является ограничивающим относительно данного изобретения.
Как наглядно показано на фиг. 2 - 4, на верхней поверхности 12 заостренного тела 11 выполнены каналы 14, ограниченные данным заостренным телом 11. Каждый канал 14 проходит, по существу, прямолинейно по своей длине от центральной части 11A заостренного тела 11 до периферии 11B заостренного тела, причем каналы 14 распределены по окружности вокруг центральной части 11 A. В рассматриваемом варианте осуществления, показанном на прилагаемых чертежах, каждый канал 14 проходит по своей длине радиально относительно оси Z-Z, от своего конца, расположенного рядом с осью Z-Z, до противоположного конца, расположенного на периферии 11B заостренного тела 11. Форма и размеры центральной части 11A заостренного тела 11, от которой отходят каналы 11, не ограничиваются вариантом осуществления, показанным на прилагаемых чертежах. В отличие от центральной части 11A, периферия 11B заостренного тела 11 во всех случаях полностью занята каналами 11, и, таким образом, данная периферия 11B разделена на участки, расположенные друг за другом вокруг заостренного тела 11, причем каждый из указанных участков занят одним каналом 14, как четко показано на фиг. 4.
В рассматриваемом варианте осуществления, показанном на прилагаемых чертежах, каналы 14 являются одинаковыми, и, как показано на фиг. 4, имеется восемь таких каналов. Альтернативно, в не показанных возможных вариантах осуществления может быть предусмотрено большее или меньшее количество каналов 14, предпочтительно, от шести до восемнадцати каналов, более предпочтительно, от шести до двенадцати каналов.
Как наглядно показано на фиг. 2 и 3, каждый канал 14 в поперечном сечении имеет форму треугольника, и когда защитное устройство 10 установлено в скруббере 1, одна из трех вершин указанного треугольника располагается в вертикальном направлении ниже двух других вершин. Иными словами, каждый канал 14 в вертикальном поперечном сечении имеет форму треугольника, одна из вершин которого направлена вниз. Треугольная форма поперечного сечения каждого канала 14 сохраняется по всей длине канала, причем в рассматриваемом варианте реализации, предпочтительно, размер указанного треугольного поперечного сечения увеличивается в направлении от центральной части 11A к периферии 11B заостренного тела 11.
Во всех случаях первая вершина треугольного поперечного сечения каждого канала 14 образует нижнюю кромку 15, проходящую по всей длине данного канала. Аналогичным образом, две других вершины треугольной формы поперечного сечения каждого канала 14 образуют верхние кромки 17, проходящие по всей длине данного канала. Во всех каналах 14 каждая из верхних кромок 17 соединяется с нижней кромкой 15 боковой наклонной поверхностью канала.
По всей длине каждого канала 14 нижняя кромка 15 в вертикальном направлении расположена ниже каждой из верхних кромок 17. Таким образом, указанная разница в расположении кромок канала в вертикальном направлении приводит к тому, что каждый канал 14 имеет определенную глубину в любой точке по длине канала, которая может быть измерена в вертикальном направлении от нижней кромки 15 до верхних кромок 17. В рассматриваемом варианте осуществления, предпочтительно, глубина каждого из каналов 14 увеличивается в направлении от центральной части 11A к периферии 11B заостренного тела 11. На фиг. 3 глубина канала 14 в области периферии 11B заостренного тела 11 обозначена ссылочной позицией Δ; предпочтительная величина глубины Δ составляет по меньшей мере 70 мм. На практике, в связи со специфическими особенностями исполнения каналов 14, понятно, что глубина Δ каналов может зависеть от их количества.
Как показано на фиг. 3, угол при вершине треугольного поперечного сечения, расположенной на нижней кромке каждого канала 14, обозначен ссылочной позицией α; данный угол α является углом раскрыва канала. Предпочтительно, величина указанного угла α составляет от 30° до 120°, более предпочтительно, от 60° до 90°. На практике, в связи со специфическими особенностями исполнения каналов 14, понятно, что величина угла α каналов может зависеть от их количества.
Кроме того, когда защитное устройство 10 установлено в скруббере 1, соответствующие нижние кромки 15 каналов 14 опираются на сходящуюся вверх коническую поверхность, угол при вершине которой составляет от 90° до 170°, предпочтительно, от 100° до 140°. На практике вышеупомянутая коническая поверхность, на которую опираются нижние кромки 15, может быть не реальной, выполненной из какого-либо материала, а чисто визуальной геометрической поверхностью. В рассматриваемом варианте осуществления, показанном на прилагаемых чертежах, центр вышеупомянутой конической поверхности расположен, по существу, на оси Z-Z. Таким образом, во всех случаях каждая из нижних кромок 15, проходит прямолинейно и с наклоном относительно горизонтали от центральной части 11A к периферии 11B заостренного тела 11, сходясь (не обязательно совпадая) в центральной части 11A, и пересекая периферию 11B заостренного тела 11 соответствующими концами 16 указанных нижних кромок, расположенными напротив центральной части 11A.
Согласно рассматриваемому предпочтительному варианту осуществления, соответствующие концы 16 нижних кромок 15 расположены по окружности C16, как наглядно показано на фиг. 4. На практике, в контексте настоящего изобретения, диаметр указанной окружности C16, как правило, составляет более одного метра.
В очистительной установке данная окружность C16 расположена, по существу, концентрично каналу 2, и её диаметр строго больше внутреннего диаметра указанного канала 2, так что заостренное тело 11 в вертикальной проекции закрывает выходное отверстие канала 2, не вызывая значительной потери напора газов F, выходящих из указанного канала. Более конкретно, диаметр окружности C16, предпочтительно, составляет от 1,1 до 2,0 величины внутреннего диаметра канала 2, более предпочтительно, от 1,25 до 1,65 величины внутреннего диаметра канала 2. В таком случае, в связи со специфическими особенностями исполнения каналов 14, как ясно показано на фиг. 4, вертикальная проекция периферии 11B заостренного тела 11 не обязательно представляет собой окружность.
Когда защитное устройство 10 установлено в скруббере 1, капли воды P, поступающие от распределительного устройства 3, попадают на верхнюю поверхность 12 заостренного тела 11, вода стекает от верхних кромок 17 по боковым наклонным поверхностям каждого из каналов 14, собираясь на дне каждого канала вдоль его нижней кромки 15. Таким образом, вся вода, попадающая на верхнюю поверхность 12 заостренного тела 11 защитного устройства 10, скапливается в каналах 14. Поскольку нижние кромки 14 расположены с наклоном, скапливающаяся вода стекает по дну каждого канала 14 от центральной части 11A к периферии 11B заостренного тела 11. Поскольку вода скапливается на дне каналов 14, она стекает по нижним кромкам 15 в виде толстой струи, которая достигает конца 16 нижней кромки 15 с большой скоростью, и, следовательно, с большим количеством движения. Каждая из толстых струй воды, достигающая конца 16 соответствующей нижней кромки 15, отделяется от заостренного тела 11, оставаясь толстой струей, моментально и чисто отделяясь от заостренного тела 11 и отходя далеко от него. За пределами соответствующих концов 16 нижних кромок 15 каналов 14 периферия 11B заостренного тела 11 не смачивается, поскольку вода, попавшая на верхнюю поверхность 12, не отделяется от заостренного тела 11, а концентрируется на дне каналов 14. Иными словами, вода, попавшая на верхнюю поверхность 12 заостренного тела 11, сходит с неё только на концах 16 нижних кромок 15 каналов 14, и сходит с большим количеством движения.
На практике, поскольку в поперечном сечении установленное на скруббере 1 защитное устройство 10 занимает значительную часть площади внутри скруббера, аналогичная часть P воды попадает на верхнюю поверхность 12 заостренного тела 11, как было описано выше. В контексте реализации настоящего изобретения это означает, что на верхнюю поверхность 12 заостренного тела 11, таким образом, попадает несколько сотен кубических метров воды в час.
На фиг. 5 показан возможный вариант осуществления защитного устройства 10, представленного на фиг. 2 - 4. Согласно этому возможному варианту, защитное устройство 10 содержит расположенную в основании заостренного тела 11 втулку 18, которая, когда защитное устройство 10 установлено в скруббере 1, располагается под заостренным телом 11 и прикрепляется к нему; данная втулка отходит, по существу, вертикально, от нижней поверхности заостренного тела 11 на высоту h, составляющую от 15 до 75 мм, и располагается полностью в пределах вертикальной проекции заостренного тела 11. Таким образом, втулка 18 взаимодействует с любыми потоками воды, сходящими с заостренного тела 11, и предотвращает любую возможную миграцию воды по нижней поверхности заостренного тела 11. В рассматриваемом варианте реализации, показанном на фиг. 5, втулка 18 имеет цилиндрическую форму, и её внешний диаметр, предпочтительно, составляет от 0,86 до 0,985 диаметра окружности C16.
На фиг. 6 показан еще один возможный вариант осуществления защитного устройства 10, изображенного на фиг. 2 – 4; в данном варианте осуществления также может быть использована описанная выше втулка 18, показанная на фиг. 5. Показанное на фиг. 6 защитное устройство 10 содержит дефлектор 19, имеющий форму конуса или пирамиды с четырьмя, шестью или восемью сторонами с усеченной вершиной, в которой образовано сквозное отверстие, эквивалентный диаметр которого составляет по меньшей мере 100 мм. Величина вышеуказанного эквивалентного диаметра обычно определяется как отношение четырехкратной величины площади сквозного отверстия к его периметру. В рассматриваемом варианте осуществления центр дефлектора 19 конической или пирамидальной формы расположен, по существу, на оси Z-Z. Когда защитное устройство 10 установлено в скруббере 1, дефлектор 19 располагается вертикально под заостренным телом 11 на расстоянии от него, таким образом, что усеченная вершина дефлектора 19 конусной или пирамидальной формы обращена вниз, а соответствующие концы 16 нижних кромок каналов 14 расположены от дефлектора 19 на расстоянии d, составляющем по меньшей мере 85 мм. Дефлектор 19 позволяет уменьшить в защитном устройстве 10 потери напора газов F, выходящих из канала 2.
Кроме того, могут быть использованы различные модификации и варианты осуществления описанного выше защитного устройства 10. Например, форма поперечного сечения каналов 14 может быть не строго треугольной, а по существу треугольной, при условии, что такая форма образует для каждого канала нижнюю кромку, на которой собирается вода, стекающая по боковым наклонным поверхностям данного канала, и по которой эта вода стекает вниз, пока не достигнет периферии 11B заостренного тела 11 защитного устройства 10, затем отделяясь от него. Нижние и верхние кромки могут быть более или менее закругленными.