КОМПАКТНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР СТОЧНЫХ ВОД И ГАЗОПРОМЫВНОЙ БЛОК ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
COMPACT CONCENTRATOR OF EFFLUENTS AND GAS-FLUSHING UNIT FOR REMOVAL OF CONTAMINANTS

Родственные заявки
Эта заявка является частично продолжением заявки на патент США №12/705,462, поданной 12 февраля 2010 г., являющейся частично продолжением заявки патент США №12/530,484, поданной 9 сентября 2009 г., которая является национальной фазой США международной заявки PCT/US08/56702, поданной 12 марта 2008 г., в которой заявляется приоритет предварительной заявки на патент США №60/906,743, поданной 13 марта 2007 г. Эта заявка также претендует на приоритет предварительной заявки на патент США №61/152,248, поданной 12 февраля 2009 г., и предварительной заявки на патент США №61,229,650, поданной 29 июля 2009 г. Каждая из заявок №12/530,484; 60/906,743; 61/152,248; и 61/229,650 полностью раскрывается и включается в этот документ в виде ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Эта заявка относится, в общем, к концентраторам жидкости, в частности к компактным передвижным недорогим концентраторам сточных вод, которые легко можно подключать к источникам отбросного тепла и использовать их для концентрирования жидкости.
Уровень техники
Концентрирование летучих веществ может оказаться эффективной формой обработки или предварительной обработки самых разных сточных вод, и оно может проводиться в составе коммерческих систем обработки разного типа. При высоком уровне концентрирования многие сточные воды можно превратить в отходы, имеющие консистенцию шлама, с высоким содержанием растворенных и суспендированных веществ. Подобные концентрированные отходы легко поддаются отверждению обычными способами, используемыми на свалках, или, если это целесообразно, их направляют на дальнейшую обработку перед окончательным удалением. Концентрирование сточных вод может значительно снизить стоимость фрахта и потребность в хранилищах и может способствовать дальнейшей регенерации материалов из сточных вод.
Промышленные сточные воды очень сильно отличаются друг от друга по своим параметрам, поскольку они образуются при проведении множества промышленных процессов. Сточные воды образуются не только в нормальном режиме эксплуатации промышленных предприятий, но и в результате наступления неконтролируемых событий, возникающих при поломках, авариях и стихийных бедствиях. С образовавшимися сточными водами поступают следующим образом: сразу направляют на очистные сооружения; подвергают предварительной обработке, а затем направляют на очистные сооружения; подвергают обработке на месте их образования или вне места их образования с целью утилизации ценных компонентов или подвергают обработке на месте их образования или вне места их образования с целью простой подготовки к окончательному удалению. Если источником сточных вод служит неконтролируемое событие, в какой-либо из сценариев удаления сточных вод должен быть включен эффективный способ локализации и регенерации пролива.
Важным параметром, характеризующим эффективность способа концентрирования сточных вод, является отношение объема остатка после концентрирования к объему сточной воды, поступившей на концентрирование. Желательно добиваться низких отношений объема остатка к объему поступающих сточных вод (высоких уровней концентрирования). Если сточные воды содержат растворенные и/или суспендированные нелетучие вещества, то уменьшение объема, которого удается добиться при использовании конкретного способа концентрирования, основанного на испарении летучих веществ, в значительной степени определяется выбранным способом передачи тепла обрабатываемой жидкости.
Обычные способы, используемые для концентрирования путем испарения воды и других летучих веществ, можно разделить на системы прямого теплопереноса и системы непрямого теплопереноса в зависимости от используемого способа переноса тепла к жидкости, подвергаемой концентрированию (технологической жидкости). К устройствам непрямого теплопереноса относятся сосуды с рубашкой, наполненные технологической жидкостью, или пластинчатые, погружные трубчатые или змеевиковые теплообменники, которые погружают в технологическую жидкость. Для подачи тепла, необходимого для испарения, через рубашки или теплообменники пропускают греющую среду, такую как водяной пар или горячее масло. Устройства прямого теплопереноса, в которых греющую среду приводят в прямое соприкосновение с технологической жидкостью, используют, например, в системах с погружной камерой сгорания.
Эффективность систем непрямого теплопереноса, в которых используются теплообменники, такие как рубашки, пластинчатые, погружные трубы или змеевики, обычно ограничивается образованием твердого осадка на поверхностях теплообменников, соприкасающихся с технологической жидкостью. Конструкция таких систем усложняется также из-за необходимости иметь отдельное устройство для переноса тепла к теплоносителю, такое как паровой котел, или устройство, используемое для нагревания иного теплоносителя, такое как маслонагреватель. Эта конструкция ограничивается использованием двух систем непрямого теплопереноса для проведения концентрирования. Те жидкости, которые образуют осадки на теплообменниках в процессе нагревания, называют накипеобразующими жидкостями. Если жидкости содержат определенные соединения, такие как карбонаты, у которых при повышении температуры растворимость уменьшается, то осадок, обычно называемый накипью, будет образовываться даже при сравнительно низкой концентрации из-за высокой температуры на поверхности теплообменника. Кроме того, если в сточной воде присутствуют соединения, обладающие высокой растворимостью при высоких температурах, такие как хлористый натрий, они также будут выпадать в осадок после достижения высокой концентрации. Осадки, которые приходится часто удалять с поверхности теплообменника, чтобы обеспечивать эффективность нагревания, могут представлять собой смесь суспендированных твердых веществ, принесенных сточными водами и твердых веществ, выпавших в осадок из технологической жидкости. Отрицательное воздействие осаждения твердых веществ на поверхность теплообменника заключается в сокращении времени, в течение которого может производиться непрямая теплопередача перед тем, как приходится прекращать работу для очередной чистки. Это отрицательное воздействие вводит ограничение по количеству сточных вод, которые удается эффективно нагревать, особенно если в состав сточных вод входят накипеобразующие жидкости. Поэтому способы, работающие по принципу непрямой теплопередачи, в общем, непригодны для концентрирования большинства сточных вод и обеспечения низкого отношения объема остатка к объему поступающих сточных вод.
В патенте США №5342482, который включен в данное описание путем ссылки на него, приведено описание концентратора особого типа с прямой теплопередачей, в котором реализован способ барботажного теплообмена, согласно которому газообразные продукты сгорания генерируются и подаются по впускной трубе в диспергирующее устройство, погруженное в технологическую жидкость. Диспергирующее устройство содержит несколько расположенных на расстоянии друг от друга газовыпускных трубок, расходящихся в радиальном направлении от впускной трубы, причем каждая газовыпускная трубка имеет небольшие отверстия, расположенные на расстоянии друг от друга в разных местах по поверхности газовыпускной трубки, чтобы можно было выпускать газообразные продукты сгорания в виде мелких пузырьков настолько равномерно, насколько это целесообразно, по всему поперечному сечению жидкости, подвергаемой нагреванию в работающем сосуде. Согласно современным представлениям об известных устройствах подобного типа этот концентратор обеспечивает требуемый тесный контакт между жидкостью и горячим газом на большой поверхности раздела фаз. Особенность этого способа заключается в том, что и теплообмен, и массообмен происходят в динамических условиях на постоянно обновляемой межфазной поверхности, образующейся в результате барботажа газовой фазы через технологическую жидкость, а не на твердой поверхности теплообменника, на которой могут осаждаться твердые частицы. Таким образом, реализованный в этом концентраторе барботажный процесс обеспечивает значительные преимущества по сравнению с обычными процессами непрямой теплопередачи. Однако небольшие отверстия в газовыпускных трубках, которые используются для распределения горячих газов по объему технологической жидкости в концентраторе согласно патенту США №5342482, засоряются твердыми веществами, осаждающимися из накипеобразующих жидкостей. Вследствие этого впускная труба, по которой горячие газы подаются в технологическую жидкость, покрывается коркой твердого осадка.
Из-за необходимости пропускать большой объем газа через непрерывно поступающий поток жидкой фазы сосуд с концентратором, предложенным в патенте США 5342482, обычно должен иметь большое поперечное сечение. Внутреннюю поверхность такого сосуда и любой арматуры, установленной внутри него, называют «смоченной поверхностью» этого способа. Эта смоченная поверхность должна выдерживать воздействие меняющихся концентраций горячей технологической среды во время эксплуатации системы. В системах, предназначенных для обработки самых разных сточных вод, конструкционные материалы смоченной поверхности нуждаются в особых проектных решениях в отношении коррозионной стойкости и температуроустойчивости, которые должны учитывать стоимость оборудования и расходы на его техническое обслуживание и замену по истечению определенного времени. Вообще говоря, увеличение срока службы и снижение расходов на техническое обслуживание/замену смоченной поверхности обеспечивают, выбирая либо высококачественные металлические сплавы, либо определенные конструкционные пластики, подобные тем, что используют для производства стеклопластиковых сосудов. Однако обычные способы концентрирования, использующие системы непрямого или прямого нагревания, нуждаются еще и в приспособлениях для подачи горячих теплоносителей, таких как водяной пар, масло или газ, способных нагревать жидкость в сосуде. Хотя многие высококачественные сплавы отвечают требованиям в отношении коррозионной стойкости и температуроустойчивости, но сосуды и арматура, изготовленные из них, являются слишком дорогостоящими. С другой стороны, хотя конструкционные пластики и можно использовать для изготовления всего сосуда в целом или в качестве покрытия на смоченной поверхности, низкая температуроустойчивость не позволяет применять многие конструкционные пластики. Например, высокая температура впускной трубы, предназначенной для подачи горячего газа внутрь сосуда согласно патенту США №5342482, не позволяет использовать для ее изготовления конструкционные пластики. Таким образом, производство сосудов и другого оборудование, используемого для реализации этих способов, и их техническое обслуживание являются очень дорогостоящими.
Кроме того, во всех этих системах необходим источник тепла, чтобы можно было проводить концентрирование или испарение. Было разработано множество систем, использующих тепло, выделяемое различными источниками, например, тепло, выделяемое двигателем, камерой сгорания или газовым компрессором, в качестве источника тепла для обработки сточных вод. Описание одной из таких систем приведено в патенте США №7.214.290. В этой системе тепло выделяется при сжигании газа, выделяющегося из органических отходов, и используется в погружном газовом испарителе для обработки сточных вод на свалке. В патенте США №7.416.172 приведено описание погружного газового испарителя, в котором можно обеспечить подачу отбросного тепла на вход газового испарителя, чтобы использовать его для концентрирования или выпаривания жидкостей. Хотя отбросное тепло и считают дешевым источником энергии, для эффективного его использования при обработке сточных вод, отбросное тепло во многих случаях приходится транспортировать на значительное расстояние от источника отбросного тепла до того места, где проводят испарение или концентрирование. Например, во многих случаях на свалке будут работать электрогенераторы, которые используют один или несколько двигателей внутреннего сгорания, использующих в качестве топлива газ, выделяющийся из органических отходов. Выхлопные газы этих двигателей, которые обычно выбрасывают через глушитель и выхлопную трубу в атмосферу на крыше здания, в котором находятся электрогенераторы, являются источником отбросного тепла. Но чтобы собрать и использовать это отбросное тепло, нужно подсоединить к выхлопной трубе значительное количество дорогостоящих труб и трубопроводов и подавать по ним отбросное тепло на то место, где находится обрабатывающая система, которую обычно размещают на нулевой отметке вдали от здания, в котором находятся генераторы. Следует отметить, что трубы, трубопроводы и регулирующие устройства (например, дроссельные или отсечные клапаны) изготовляют из дорогостоящих материалов, способных выдерживать высокие температуры, которые имеют выхлопные газы в выхлопной трубе (например, 510°С), и их приходиться изолировать, чтобы выхлопные газы не остывали во время транспортировки. Материалы, используемые для их изоляции, склонны к разрушению под действием множества факторов, таких как хрупкость, склонность к эрозии по истечению определенного времени и чувствительность к циклических колебаниям температуры, что еще более усложняет конструкцию. Изоляция увеличивает также массу труб, трубопроводов и регулирующих устройств, что приводит к удорожанию опорных конструкций.
Раскрытие изобретения
Предлагаемое здесь компактное устройство для концентрирования жидкостей легко можно подсоединить к источнику отбросного тепла, такому как факел для сжигания газа, выделяющегося из органических отходов, или выхлопная труба двигателя внутреннего сгорания, и использовать это отбросное тепло для проведения способа концентрирования с прямой теплопередачей без использования крупных дорогостоящих сосудов и множества дорогостоящих температуроустойчивых материалов. Компактный концентратор жидкости содержит газовпускной патрубок, газовыпускной патрубок и смесительный или проточный канал, соединяющий газовпускной патрубок с газовыпускным патрубком, причем проточный канал имеет суженный участок, в котором скорость протекания газа через проточный канал возрастает. Через патрубок для подачи жидкости, расположенный между газовпускным патрубком и суженным участком проточного канала, впрыскивают в поток газа жидкость в точке перед суженным участком таким образом, чтобы газожидкостная смесь полностью перемешивалась в проточном канале, приводя к испарению или концентрированию порции жидкости. В туманоуловителе или газоочистителе, расположенном позади суженного участка и подсоединенном к газовыпускному патрубку, отделяются унесенные потоком газа капельки жидкости, а собранная жидкость возвращается в патрубок для подачи ее по рециркуляционному контуру. Свежая жидкость, поступающая на концентрирование, также вводится в рециркуляционный контур со скоростью, достаточной для того, чтобы компенсировать суммарное уменьшение количество жидкости за счет ее испарения в проточном канале и за счет отвода сконцентрированной жидкости.
Предлагаемый компактный концентратор жидкости обладает рядом признаков, которые обеспечивают рентабельное концентрирование сточных вод, сильно отличающихся друг от друга по своим параметрам. Концентратор обладает коррозионной стойкостью в отношении сточных вод, сильно отличающихся друг от друга по своим параметрам, отличается умеренной стоимостью изготовления и приемлемыми эксплуатационными расходами, способен работать в непрерывном режиме при высокой степени концентрирования и эффективно использует тепловую энергию непосредственно из множества источников. Кроме того, концентратор является достаточно компактным, чтобы его можно было перемещать при транспортировке в те места, где сточные воды образовались в результате наступления неконтролируемых событий, и устанавливать непосредственно возле источников отбросного тепла. Таким образом, предлагаемый концентратор представляет собой рентабельное, надежное устройство, обладающее большим сроком службы, которое в непрерывном режиме концентрирует сточные воды, сильно отличающиеся друг от друга по своим параметрам, и тем самым позволяет обходиться без обычных теплообменников с твердой поверхностью теплообмена, используемых в обычных системах с непрямой теплопередачей, которые подвергаются засорению и обрастают коркой накипи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена общая схема компактного концентратора жидкости.
На фиг.2 показан вариант осуществления концентратора жидкости, схема которого приведена на фиг.1, установленного на отстойнике для жидкости или салазках, чтобы облегчить его транспортировку на грузовике.
На фиг.3 приведено изображение в перспективе компактного концентратора жидкости, который реализует способ концентрирования, схема которого приведена на фиг.1, подключенного к источнику отбросного тепла, представляющего собой факел для сжигания газа, выделяющегося из органических отходов.
На фиг.4 приведено изображение и перспективе блока теплопереноса компактного концентратора жидкости, изображенного на фиг.3.
На фиг.5 приведено изображение в перспективе блока испарения/концентрирования компактного концентратора жидкости, изображенного на фиг.3.
На фиг.6 приведено изображение в перспективе легко открываемых смотровых люков на блоке компактного концентратора жидкости, изображенного на фиг.3.
На фиг.7 приведено изображение в перспективе открытого состояния одного из легко открываемых смотровых люков, изображенных на фиг.6.
На фиг.8 приведено изображение в перспективе легко открываемого запорного механизма, используемого на смотровых люках, изображенных на фиг.6 и 7.
На фиг.9 приведено схематическое изображение системы управления, которую можно использовать для регулировки различных блоков в компактном концентраторе жидкости, изображенном на фиг.3.
На фиг.10 приведено изображение компактного концентратора жидкости, изображенного на фиг.3, который подсоединен к выхлопной трубе двигателя сгорания в качестве источника отбросного тепла.
На фиг.11 приведено схематическое изображение другого варианта осуществления компактного концентратора жидкости.
На фиг.12 приведен вид сверху компактного концентратора жидкости, изображенного на фиг.11.
На фиг.13 приведено схематическое изображение третьего варианта осуществления компактного концентратора жидкости, который представляет собой распределенный концентратор жидкости.
На фиг.14 приведено увеличенное поперечное сечение блока концентрирования жидкости распределенного концентратора жидкости, изображенного на фиг.13.
На фиг.15 приведен вид сверху блока концентрирования жидкости, изображенного на фиг.14.
На фиг.16 приведен вид сбоку находящегося в закрытом состоянии блока охладителя и участка с профилем Вентури распределенного концентратора жидкости, изображенного на фиг.13.
На фиг.17 приведено изображение в перспективе альтернативного варианта осуществления компактного концентратора жидкости, обеспечивающего способ концентрирования, изображенного на фиг.1, и имеющего конфигурацию для удаления аммиака из фильтратов свалок.
Осуществление изобретения
На фиг.1 приведена общая схема концентратора жидкости 10, который содержит газовпускной патрубок 20, газовыпускное отверстие 22 и проточный канал 24, связывающий газовпускной патрубок 20 с газовыпускным отверстием 22. Проточный канал 24 имеет суженный участок 26, на котором возрастает скорость протекания газа по проточному каналу 24 и в этом месте или возле него в проточном канале 24 возникает турбулентный поток. Суженный участок 26 в этом варианте осуществления может представлять собой устройство Вентури. Через патрубок для подачи жидкости 30 жидкость, подвергаемая концентрированию (путем испарения), впрыскивается в камеру концентрирования жидкости в проточном канале 24 в точке перед суженным участком 26, и впрыснутая жидкость смешивается с газовым потоком в проточном канале 24. Патрубок для подачи жидкости 30 может содержать одно или несколько сменных форсунок 31, предназначенных для впрыскивания жидкости в проточный канал 24. Впускной патрубок 30 независимо от того, содержит он сопло 31 или нет, может подавать жидкость в проточный канал 24 под любым углом, в том числе перпендикулярно и параллельно потоку газа. Возле патрубка для подачи жидкости 30 может также находиться перегородка 33 в таком положении, чтобы жидкость, поступающая из патрубка 30, отражалась от нее в проточный канал в виде мелких капель.
При протекании газожидкостного потока через суженный участок 26 согласно эффекту Вентури скорость возрастает и возникает турбулентный поток, который полностью перемешивает газ и жидкость в проточном канале 24 возле патрубка 30 и позади него. Ускорение при протекании через суженный участок 26 создает поперечные силы, действующие между потоком газа и каплями жидкости, а также между каплями жидкости и стенками суженного участка 26, что приводит к образованию очень мелких капель жидкости, вовлеченных в газ, увеличивая, таким образом, площадь граничной поверхности между каплями жидкости и газом, и способствуя быстрому переносу массы и теплоты между газом и каплями жидкости. Жидкость выходит с суженного участка 26 в виде очень мелких капель жидкости независимо от геометрической формы жидкости, поступающей в суженный участок 26 (например, жидкость может поступать в суженный участок 26 в виде пленки). В результате турбулентного перемешивания и действия поперечных сил часть жидкости быстро испаряется и становится компонентом газового потока. При протекании газожидкостной смеси через суженный участок 26 можно менять направление и/или скорость потока газожидкостной смеси с помощью регулируемых ограничителей потока, таких как пластина Вентури 32, которая в общем используется для создания большого перепада давления в проточном канале 24 перед и после пластины Вентури 32. Положение пластины Вентури 32 можно регулировать для изменения размера и/или формы суженного участка 26, и она может изготовляться из коррозионностойкого материала, в том числе из высококачественных сплавов, таких как «хастеллой», «инконель» или «монель».
Из суженного участка 26 газожидкостная смесь поступает в туманоуловитель 34 (называемый также газоочистителем или каплеуловителем), подсоединенный к газовыпускному отверстию 22. Туманоуловитель 34 удаляет из газового потока унесенные им капельки жидкости. Туманоуловитель 34 содержит газопропускной канал. Отделившаяся жидкость скапливается в сборнике жидкости или отстойнике для жидкости 36 в этом газопропускном канале, причем отстойник для жидкости 36 может быть снабжен сосудом для хранения собранной жидкости. К отстойнику для жидкости 36 и/или этому сосуду может быть подсоединен насос 40, предназначенный для подачи жидкости по рециркуляционному контуру 42 обратно в патрубок для подачи жидкости 30 и/или проточный канал 24. Таким образом, объем жидкости можно уменьшить путем испарения до требуемой степени концентрирования. Свежую или новую жидкость, направленную на концентрирование, подают в рециркуляционный контур 42 через патрубок для подачи жидкости 44. Вместо этого эту новую жидкость можно впрыскивать прямо проточный канал 24 перед пластиной Вентури 32. Скорость подачи свежей жидкости в рециркуляционный контур 42 может равняться сумме скорости испарения жидкости при прохождении газожидкостной смеси по проточному каналу 24 и скорости отбора жидкости через патрубок для отбора концентрированной жидкости 46, расположенный на сосуде или возле сосуда для хранения отделившейся жидкости 40. Отношение объема циркулирующей жидкости к объему свежей жидкости вообще может иметь значение в диапазоне от 1:1 до 100:1, но обычно находится в диапазоне от 5:1 до 25:1. Например, если в рециркуляционном контуре 42 жидкость циркулирует со скоростью около 10 галлон/мин, то свежую или новую жидкость можно подавать со скоростью около 1 галлон/мин (т.е. в отношении 10:1). Отбирать часть жидкости через патрубок для отбора концентрированной жидкости 46 можно будет после того, как жидкость в рециркуляционном контуре 42 достигнет требуемого уровня концентрирования. Рециркуляционный контур 42 действует как буфер или амортизатор в способе испарения, обеспечивая наличие достаточного количества влаги в проточном канале 24 для предотвращения полного испарения жидкости и/или предотвращения образования сухих частиц.
После прохождения через туманоуловитель 34 газовый поток поступает в вытяжной вентилятор 50, который отсасывает газ через проточный канал 24 и газопропускной канал туманоуловителя, создавая разрежение. Конечно, концентратор 10 мог бы работать и при повышенном давлении, создаваемом газодувкой (не показанной на рисунке), размещаемой перед патрубком для подачи жидкости 30. Наконец, газ выбрасывается в атмосферу через газовыпускное отверстие 22 или направляется на дальнейшую обработку.
Концентратор 10 может содержать систему предварительной обработки 52, предназначенную для обработки концентрируемой жидкости, которая может представлять собой сточные воды. Например, в качестве системы предварительной обработки 52 может использоваться воздушный дезодоратор, предназначенный для удаления веществ, способных создавать отвратительный запах или контролируемых в качестве загрязнителей воздуха. В этом случае воздушный дезодоратор может представлять собой воздушный дезодоратор обычного типа или же может представлять собой еще один концентратор предлагаемого здесь типа, который можно подсоединить последовательно в качестве воздушного дезодоратора. В системе предварительной обработки 52 концентрируемая жидкость может в случае необходимости подвергаться нагреванию любым подходящим способом. Кроме того, газ и/или сточные воды, циркулирующие через концентратор 10, могут подвергаться предварительному нагреванию в нагревателе 54. Предварительное нагревание может использоваться с целью повысить скорость испарения, а следовательно, и скорость концентрирования жидкости. Предварительное нагревание газа и/или сточных вод можно производить путем сжигания возобновляемых видов топлива, таких как древесная стружка, биогаз, метан или их смеси, ископаемых видов топлива или путем использования отбросного тепла. Кроме того, предварительное нагревание газа и/или сточных вод можно производить путем использования отбросного тепла, генерируемого в вытяжной трубе или в факеле для сжигания газа, выделяющегося из органических отходов. Для предварительного нагревания газа и/или сточных вод можно также использовать отбросное тепло из двигателя, такого как двигатель внутреннего сгорания. Также, природный газ может быть использован в виде источника отбросного тепла, природный газ может подаваться непосредственно с устья газовой скважины в неочищенном состоянии или сразу после завершения оборудования газовой скважины до стабилизации газового потока или после стабилизации газового потока в более установившемся режиме скважины природного газа. Дополнительно, природный газ может быть очищен перед сжиганием в факельной установке. Кроме того, газовый поток, выходящий из газовыпускного отверстия 22 концентратора 10 можно подавать в факельную установку или какое-либо иное устройство для последующей обработки 56, предназначенное для обработки газа перед его выбросом в атмосферу.
Предлагаемый здесь концентратор жидкости 10 можно использовать для концентрирования множества сточных вод, таких как промышленные сточные воды, сточных вод, образовавшихся при стихийных бедствиях (наводнениях, ураганах), истощенный каустик или фильтраты, такие как фильтраты свалок, обратная вода с завершенных скважин природного газа, пластовая вода, получаемая при эксплуатации скважин природного газа, и т.п. Концентратор жидкости 10 удобен в эксплуатации, энергоэкономичен, надежен и рентабелен. Полезность этого концентратора жидкости еще более возрастает благодаря возможности устанавливать концентратор жидкости 10 на прицеп или передвижные салазки, чтобы можно было успешно обрабатывать сточные воды, образовавшиеся при авариях и стихийных бедствиях, или использовать для регулярной обработки сточных вод, образовавшихся на пространственно разрозненных или удаленных объектах. Предлагаемый здесь концентратор жидкости 10 обладает всеми требуемыми параметрами и обеспечивает значительные преимущества перед обычными концентраторами жидкости, особенно когда требуется обрабатывать самые разнообразные сточные воды.
Кроме того, концентратор 10 можно изготовлять преимущественно из обладающих высокой коррозионной стойкостью материалов низкой стоимости, таких как стеклопластик и/или другие конструкционные пластики. Эта возможность отчасти обусловлена тем, что предлагаемый концентратор предназначен для работы при минимальном дифференциальном давлении. Например, дифференциальное давление вообще должно иметь значение в диапазоне от 10 до 30 дюймов водяного столбца. А поскольку в зоне контактирования газа с жидкостью при приведении способа концентрирования возникает сильная турбулентность внутри ограниченного (компактного) прохода на участке с профилем Вентури или непосредственно позади него, то вся конструкция в целом являются очень компактной по сравнению с обычными концентраторами, в которых контактирование газа с жидкостью протекает в крупном технологическом сосуде. В результате количество высококачественных металлических сплавов, потребное для изготовления концентратора 10, довольно мало. А поскольку размер деталей, изготовленных из высококачественных сплавов, мал и эти детали легко можно заменить за короткий промежуток времени с минимальными трудозатратами, то расходы на изготовление можно урезать еще в большей степени путем конструирования некоторых из этих изнашиваемых деталей или всех этих изнашиваемых деталей из менее качественных сплавов и путем периодической их замены. В случае необходимости на эти менее качественные сплавы (например, углеродистую сталь) можно наносить коррозионностойкий и/или эрозионностойкий футеровочный материал, такой как конструкционные пластики, в том числе и эластомерные полимеры, чтобы увеличить срок службы подобных деталей. Аналогичным образом, насос 40 можно покрыть коррозионностойким и/или эрозионностойким футеровочным материалом, чтобы увеличить срок службы насоса 40 и тем самым обеспечить дальнейшее снижение расходов на техническое обслуживание и замену деталей.
Понятно, что концентратор жидкости 10 обеспечивает прямой контакт подвергаемой концентрированию жидкости с горячим газом, создавая теплообмен и массоперенос между горячим газом и жидкостью, например, подвергаемыми концентрированию сточными водами, в сильно турбулентном режиме. Кроме того, концентратор 10 создает очень компактную зону газожидкостного контакта, делая ее минимальной по размерам по сравнению с известными концентраторами. Теплообмен, производимый путем прямого контакта, способствует повышению эффективности использования энергии и делает ненужными теплообменники с твердой поверхностью теплообмена, которые используются в обычных концентраторах с непрямой теплопередачей. Кроме того, компактная зона газожидкостного контакта делает ненужными громоздкие технологические сосуды, используемые в обычных концентраторах непрямой или прямой теплопередачи. Эти особенности позволяют изготовлять концентратор 10 небольшой массы по сравнению с обычными концентраторами с использованием сравнительно дешевой технологии изготовления. Оба эти фактора повышают его портативность и рентабельность. Таким образом, концентратор жидкости 10 является более компактным и легким, чем обычные концентраторы, что делает его идеально пригодным в качестве передвижной установки. Кроме того, концентратор жидкости 10 менее склонен к засорению и закупориванию благодаря теплообмену путем прямого контакта и отсутствию твердых поверхностей теплообмена. Благодаря теплообмену путем прямого контакта концентратор жидкости 10 можно также использовать для обработки жидкостей, содержащих значительное количество суспендированных веществ. В результате, удается добиться высокой степени концентрирования, не проводя частой чистки концентратора 10.
В частности, в концентраторах жидкости, в которых используется непрямая теплопередача, теплообменники склонны к засорению и подвергаются ускоренной коррозии при нормальных рабочих температурах циркулирующего в них теплоносителя (пара или другой горячей текучей среды). Каждый из этих факторов накладывает значительные ограничения на срок службы и/или стоимость возведения обычных концентраторов с непрямой теплопередачей, а также на то, как долго они могут работать, прежде чем потребуется остановить их и провести чистку или ремонт теплообменников. В результате отказа от громоздких технологических сосудов масса концентратора жидкости, а также начальная стоимость и стоимость замены деталей из высококачественных сплавов значительно уменьшается. Кроме того, благодаря перепаду температур между газом и жидкостью, сравнительно малому объему жидкости, находящейся в системе, и низкой относительной влажности газа перед его смешением с жидкостью концентратор 10 работает при температуре, близкой к температуре адиабатического насыщения конкретной газожидкостной смеси, которая обычно имеет значение в диапазоне от 150°F до 215°F (т.е. концентратор является «низкоинерционным» концентратором).
Кроме того, концентратор 10 предназначен для работы под разрежением, что в значительной степени способствует использованию самых разных видов топлива или источников отбросного тепла в качестве источника энергии для испарения. Фактически, благодаря проточной конструкции этих систем для нагревания и подачи газа в концентратор 10 можно использовать горелки с наддувом и без наддува. Простота конструкции и надежность концентратора 10 обеспечиваются минимальным количеством подвижных деталей и минимальной потребностью в запасных деталях. В общем, для концентратора нужны лишь два насоса и один вытяжной вентилятор, если он предназначен для работы на отбросном тепле, таком как выхлопные газы двигателей (например, двигателя генератора или автомашины), дымовые газы из промышленных труб, газокомпрессорных систем и факельных установок, используемых, например, для сжигания газа, выделяющегося из органических отходов. Эти особенности обеспечивают значительные преимущества в том, что благоприятно сказываются на эксплуатационной гибкости и расходах на покупку, эксплуатацию и техническое обслуживание концентратора 10.
Концентратор 10 может работать в состоянии пуска или установившегося состояния. В состоянии пуска отстойник туманоуловителя 34 и рециркуляционный контур 42 могут быть заполнены свежими сточными водами. Во время начальной обработки свежая сточная вода, поступающая в патрубок для подачи жидкости 30, по крайней мере, частично испаряется в суженном участке 24 и оседает в отстойнике туманоуловителя 34 в более концентрированном виде, чем свежая сточная вода. Через определенное время сточная вода достигает в отстойнике туманоуловителя 34 и рециркуляционном контуре 42 требуемого уровня концентрирования. С этого момента концентратор 10 может работать в непрерывном режиме, в котором количество твердых частиц, выведенных в патрубок для отбора концентрированной жидкости 46, равно количеству твердых частиц, поступивших в свежей сточной воде через патрубок для подачи жидкости 30. Таким же образом, количество воды, испарившейся в концентраторе 10, заменяется равным количество воды в свежей сточной воде. Таким образом, концентратор 10 работает при температуре, близкой к температуре адиабатического насыщения смеси нагретого газа и жидкости. В результате достигается высокая эффективность работы концентратора 10.
На фиг.2 приведен вид сбоку концентратора жидкости 10, установленного на передвижной станине 60, такой как отстойник для жидкости, прицеп или салазки. Передвижная станина имеет такие размеры и форму, чтобы ее легко было грузить на транспортное средство или прицеплять к транспортному средству 62, такому как тягач с прицепом. Аналогичным образом, концентратор, установленный на такой станине, легко можно загрузить на поезд, судно или самолет (не показанные на рисунке), чтобы быстро доставлять в удаленные места. Концентратор жидкости 10 может работать в качестве полностью автономной установки, имеющей свою собственную горелку и систему подачи топлива, или же концентратор жидкости 10 может использовать имеющуюся на месте его использования горелку и/или источник топлива или отбросного тепла. Топливом для концентратора 10 могут служить возобновляемые виды топлива, такие как отходы (например, бумага или древесная стружка) и газ, выделяющийся из органических отходов. Кроме того, концентратор 10 может работать на любой смеси традиционного ископаемого топлива, такого как уголь или нефть, возобновляемого топлива и/или отбросного тепла.
Установленный на прицепе типовой концентратор 10 способен обработать не менее ста тысяч галлонов сточных вод в сутки, в то время как более крупные стационарные блоки, которые устанавливают на свалках, установках для очистки сточных вод или газовых или нефтяных месторождениях, способны обработать сотни тысяч галлонов сточных вод в сутки.
На фиг.3 показан конкретный вариант осуществления компактного концентратора жидкости 110, который работает, используя те принципы, которые описаны выше со ссылкой на фиг.1, который подсоединен к источнику отбросного тепла в виде факельной установки для сжигания газа, выделяющегося из органических отходов. Вообще говоря, компактный концентратор жидкости 110, показанный на фиг.3, предназначен для концентрирования сточных вод, таких как фильтрат свалок, с использованием бросового или отбросного тепла, выделяющегося в факельной установке при сжигании газа, выделяющегося из органических отходов, таким образом, как указано в стандартах Агентства по охране окружающей среды США (ЕРА) и/или более локальных регулятивных органов. Как известно, большинство свалок имеет факельную установку, используемую для сжигания газа, выделяющегося из органических отходов, чтобы удалять из него метан и другие газы, прежде чем они попадут в атмосферу. Обычно газ на выходе из факельной установки имеет температуру в диапазоне от 1200°F до 1500°F, но может нагреваться и до 1800°F. Компактный концентратор жидкости 100, изображенный на фиг.3, одинаково эффективный при концентрировании обратной воды или пластовой воды со скважин природного газа и может использовать отходящий газ с факельной установки природного газа, или пропановой факельной установки, расположенной в устье скважины или рядом с ним. В некоторых применениях подача природного газа в факельную установку природного газа может осуществляться непосредственно со скважины природного газа.
Как показано на фиг.3, компактный концентратор жидкости 110 обычно подсоединен к факельной установке 115 и содержит теплопередающий блок 117 (показанный в увеличенном виде на фиг.4), блок для предварительной обработки воздуха 119, концентрирующий блок 120 (показанный в увеличенном виде на фиг.5), газопромывной блок 122 и вытяжной блок 124. Важной особенностью является то, что факельная установка 115 содержит факел 130, в котором каким-либо известным способом сжигается газ, выделяющийся из органических отходов, и факельно-колпачковый блок 132. Факельно-колпачковый блок 132 содержит откидной колпак 134 (например, факельный колпак или выхлопной колпак), который закрывает сверху факел 130 или вытяжную трубу другого типа (например, выхлопную трубу дымовых газов), когда факельный колпак 134 находиться в закрытом положении, или отводит часть факельного газа, когда факельный газ частично прикрыт, и который позволяет дымовому газу, образовавшемуся в факеле 130, выходить в атмосферу через открытый конец, который образует первичное газовыпускное отверстие 143, когда факельный колпак 134 находиться в открытом или частично открытом положении. Факельно-колпачковый блок 132 содержит также привод колпака 135, такой как двигатель (например, электродвигатель, гидравлический двигатель или пневматический двигатель, показанный на фиг.4), который перемещает факельный колпак 134 между полностью открытым положением и полностью закрытым положением. Как показано на фиг.4, привод факельного колпака 135 может, например, поворачивать факельный колпак 134 вокруг шарнирной оси 136, открывая и закрывая факельный колпак 134. Привод факельного колпака 135 может использовать цепную передачу или приводной механизм какого-либо иного типа, подсоединенный к факельному колпаку 134, чтобы поворачивать факельный колпак 134 вокруг шарнирной оси 136. Факельно-колпачковый блок 132 может также содержать противовес 137, расположенный на противоположной стороне от шарнирной оси 136 факельного колпака 134, чтобы можно было уравновешивать часть веса факельного колпака 134 во время его перемещения факельного колпака 134 вокруг шарнирной оси 136. Противовес 137 позволяет уменьшить размеры привода 135 или понизить его мощность настолько, чтобы он еще мог поворачивать факельный колпак 134 между открытым положением, в котором верхняя часть факела 130 (или первичное газовыпускное отверстие 143) открыта в атмосферу, и закрытым положением, в котором факельный колпак 134 в значительной степени герметизирует верхний конец факела 130 (или первичные газовыпускное отверстие 143). Сам факельный колпак 134 может быть изготовлен из материала с высокой температуростойкостью, такого как нержавеющая сталь или углеродистая сталь, и может быть футерован огнеупорным материалом, например, окисью алюминия и/или окисью циркония, с нижней стороны, которая непосредственно контактирует с горячими факельными газами, когда факельный колпак 134 находится в закрытом положении.
В случае необходимости факел 130 может быть снабжен переходным устройством 138, содержащим первичное газовыпускное отверстие 143 и вторичный газовыпускной патрубок 141 перед первичным газовыпускным отверстием 143. Когда факельный колпак 130 находится в закрытом положении, дымовые газы отводятся через вторичный газовыпускной патрубок 141. Переходное устройство 138 может иметь штуцер 139, который соединяет факел 130 (или вытяжную трубу) с теплопередающим блоком 117 с помощью 90-градусного колена или изгиба. Можно использовать и другие соединительные приспособления. Например, факел 130 и теплопередающий блок 117 можно соединять, в сущности, под любым углом в диапазоне от 0 до 180 градусов. В данном случае факельно-колпачковый блок 132 установлен сверху на переходное устройство 138 возле первичного газовыпускного отверстия 143.
Как показано на фиг.3 и 4, теплопередающий блок 117 содержит теплопередающую трубу 140, которая соединяет впускной патрубок блока предварительной обработки воздуха 119 с факелом 130, а точнее, с переходным устройством 138 факела 130. Теплопередающая труба 140 между факелом 130 и блоком для предварительной обработки воздуха 119 лежит на определенной высоте над землей, опираясь на стойку в виде вертикальной балки или столба. Теплопередающая труба 140 подсоединена к штуцеру 139 или к вторичному газовыпускному патрубку 141 переходного устройства 138, образуя проток между переходным устройством 138 и устройством для проведения вторичного процесса, такого как концентрирование жидкости. Без опорной стойки 142 обычно не обойтись, поскольку теплопередающую трубу 140 изготовляют из металла, такого как углеродистая или нержавеющая сталь, и она может быть футерована такими материалами, как окись алюминия и/или окись циркония, чтобы она могла выдерживать температуру газа, поступающего из факела 130 в блок для предварительной обработки воздуха 119. Таким образом, Теплопередающая труба 140 обычно является тяжеловесной частью оборудования. Однако факел 130, с одной стороны, и блок для предварительной обработки воздуха 119 и концентрирующий блок 120, с другой стороны, расположены непосредственно друг возле друга, поэтому Теплопередающая труба 140 должна быть сравнительно короткой, что способствует снижению стоимости материалов, используемых в концентраторе 110, а также стоимости несущих конструкций, удерживающих тяжеловесные части концентратора 110 над землей. Как показано на фиг.3, Теплопередающая труба 140 и блок для предварительной обработки воздуха 119 образуют U-образную конструкцию, обращенную ножками вниз.
Блок для предварительной обработки воздуха 119 содержит вертикальную трубу 150 и впускной клапан атмосферного воздуха (не показанный явно на фиг.3 и 4), расположенный сверху на трубе 150. Впускной клапан атмосферного воздуха (называемый также воздушным клапаном) образует проток между теплопередающей трубой 140 (или блоком предварительной обработки воздуха 119) и атмосферой. Впускной клапан атмосферного воздуха позволяет атмосферному воздуху поступать сквозь проволочный экран 152, используемый для зашиты от птиц, и смешиваться внутри блока для предварительной обработки воздуха 119 с горячим газом, поступающим из факела 130. В случае необходимости блок для предварительной обработки воздуха 119 может иметь постоянно открытое окошко возле воздушного клапана, которое всегда может впустить некоторое количество воздуха в блок для предварительной обработки воздуха 119, причем это окошко позволяет уменьшить размер требуемого воздушного клапана и повысить безопасность эксплуатации концентратора. Нагнетатель давления (не показан) может быть подсоединен при необходимости к стороне впуска клапана атмосферного воздуха для усиления прохождения атмосферного воздуха через клапан атмосферного воздуха. При использовании нагнетателя давления экран для защиты от птиц 152 и постоянно открытое окошко (если используется) могут быть подсоединены к стороне впуска нагнетателя давления. Хотя управление работой впускного клапана атмосферного воздуха или воздушного клапана будет рассмотрено ниже более подробно, следует отметить, что этот клапан позволяет охлаждать газ, поступающий из факела 130, до более приемлемой температуры перед тем, как он поступит в концентрирующий блок 120. Блок для предварительной обработки воздуха 119 может отчасти опираться на поперечины 154, прикрепленные к опорной стойке 142. Поперечины 154 стабилизируют блок для предварительной обработки воздуха 119, который обычно изготовляют также из тяжелой углеродистой или нержавеющей стали или из другого металла и который может быть футерован, чтобы повысить эффективность использования энергии и температуростойкость на этом участке концентратора 110. В случае необходимости вертикальную трубу 150 можно удлинять, чтобы можно было ее использовать для факелов разной высоты, и тем самым сделать концентратор жидкости 110 пригодным для множества разных факелов или для факелов разной высоты. Этот принцип поясняется более подробно со ссылкой на фиг.3. Как показано на фиг.3, вертикальная труба 150 содержит первую секцию 150А (изображенную пунктирными линиями), которая входит внутрь второй секции 150В и тем самым позволяет регулировать длину (высоту) вертикальной трубы 150.
Вообще говоря, блок предварительной обработки воздуха 119 служит для того, чтобы смешивать атмосферный воздух, поступающий через впускной клапан атмосферного воздуха под проволочным экраном 152, с горячим газом, поступающим из факела 130 по теплопередающей трубе 140, чтобы получать газ, имеющий требуемую температуру на входе в концентрирующий блок 120.
Концентрирующий блок 120 содержит направляющий участок 156 с уменьшающимся поперечным сечением, верхний конец которого сопряжен с нижним концом вертикальной трубы 150, а нижний конец - с охладителем 159 концентрирующего блока 120. Концентрирующий блок 120 содержит также первый впускной патрубок жидкости 160, через который новая или необработанная жидкость, направляемая на концентрирование, такая как фильтрат свалок, впрыскивается внутрь охладителя 159. Патрубок 160 может содержать, хотя это и не показано на фиг.3, крупнокапельный распылитель с соплом большого сечения для впрыска необработанной жидкости в охладитель 159. Жидкость, впрыскиваемая в охладитель 159 в этой точке системы, еще не подвергалась концентрированию, а следовательно, содержит большое количество воды, а распылитель имеет большое сечение, поэтому сопло распылителя не загрязняется и не забивается мелкими частицами, содержащимися в жидкости. Понятно, что охладитель 159 предназначен для быстрого понижения температуры газового потока (например, от 900°F до 200°F) в результате сильного испарения жидкости, впрыснутой через впускной патрубок 160. В случае необходимости можно установить, хотя это и не показано на фиг.3, датчик температуры на выходе или возле выхода из трубы 150 или же в охладителе 159 и использовать его для регулирования положения запорного органа впускного клапана атмосферного воздуха и тем самым для регулирования температуры газа во впускном патрубке концентрирующего блока 120.
Как показано на фиг.3 и 5, охладитель 159 соединен с инжекционной камерой жидкости, подсоединенной к суженному участку или участку с профилем Вентури 162, который имеет суженное поперечное сечение по сравнению с охладителем 159 и который содержит пластину Вентури 163 (изображенную пунктирными линиями). Пластина Вентури 163 создает суженный проход на участке с профилем Вентури 162, который приводит к созданию большого падение давления между входом и выходом участка с профилем Вентури 162. Это большое падение давления создает турбулентный поток газа в охладителе 159 и в верхней части или на входе участка с профилем Вентури 162 и заставляет газ вытекать с участка с профилем Вентури 162 с большой скоростью, и все это приводит к полному перемешиванию газа и жидкости на участке с профилем Вентури 162. Положение пластины Вентури 163 можно регулировать ручкой ручного управления 165 (показанной на фиг.5), соединенной с шарнирной осью пластины 163, или с помощью электродвигателя или пневмоцилиндра (не показанного на фиг.5).
1
2
Рециркуляционная труба 166 охватывает с противоположных сторон вход на участок с профилем Вентури 162 и служит для впрыска частично сконцентрованной (т.е. циркулированной) жидкости на участок с профилем Вентури 162, чтобы и дальше концентрировать ее и/или предотвращать образование сухих частиц внутри концентрирующего блока 120, через множество впускных отверстий жидкости, расположенных с одной или с нескольких сторон проточного канала. Хотя на фиг.3 и 5 явно и не указано, от каждого из противоположных ответвлений трубы 166, частично охватывающих участок с профилем Вентури 162, могут отходить несколько трубок, например, три трубки диаметра / дюйма, и проникать сквозь стенки внутрь участка с профилем Вентури 162. Поскольку жидкость, поступающая в концентратор 110 в этой точке, является циркулирующей жидкостью, а следовательно, является либо частично сконцентрированной, либо достигшей определенной равновесной концентрации и более склонной забивать распылительные сопла, чем менее концентрированная жидкость, впрыскиваемая через патрубок 160, то эту жидкость следует вводить прямо из трубок, без распылителей, чтобы избежать засорения. Однако в случае необходимости перед каждым отверстием полудюймовых трубок можно установить перегородку в виде плоской пластины, чтобы заставить жидкость, поступающую в систему в этой точке, разбиваться при ударе о перегородку на мелкие капельки и рассеиваться в концентрирующем блоке 120. Имея такую конфигурацию, эта рециркуляционная система лучше распределяет или разбрызгивает рециркуляционную жидкость по газовому потоку внутри концентрирующего блока 120.
Смесь горячего газа и жидкости протекает в турбулентном режиме через участок с профилем Вентури 162. Как было указано выше, участок с профилем Вентури 162, который имеет подвижную пластину Вентури 163, расположенную поперек концентрирующего блока 120, вызывает турбулизацию потока и полное перемешивание жидкости и газа, способствующее быстрому испарению жидкости в газе. Поскольку перемешивающее действие, оказываемое участком с профилем Вентури 162, обеспечивает высокую степень испарения, газ в значительной степени охлаждается в концентрирующем блоке 120 и выходит с участка с профилем Вентури 162 в затопленное колено 164 с высокой скоростью. Фактически, температура газожидкостной смеси в этой точке может составлять около 160°F.
Как обычно для затопленных колен, устройство водослива (не показано) в нижней части затопленного колена 164 поддерживает постоянный уровень частично или полностью концентрированной рециркуляционной жидкости, поступающей в него. Капли рециркуляционной жидкости, вовлеченные в газовую фазу при выходе газожидкостной смеси с участка с профилем Вентури 162, с высокой скоростью выводятся на поверхность рециркуляционной жидкости, удерживаемой в нижней части затопленного колена 164 центробежной силой, возникающей когда газожидкостная смесь вынуждена повернуть на 90 градусов, чтобы попасть в газопромывной блок 122. Значительное количество капель жидкости, вовлеченных в газовую фазу, которая сталкивается с поверхностью рециркуляционной жидкости, удерживаемой в нижней части затопленного колена 164, соединяется с рециркуляционной жидкостью, что приводит к увеличению объема рециркуляционной жидкости в нижней части затопленного колена 164 и обеспечению равенства количества рециркуляционной жидкости, вытекающей из устройства водослива и втекающей под действием силы тяжести в отстойник 172 в нижней части газопромывного блока 122. Таким образом, в результате взаимодействия газожидкостного потока с жидкостью в затопленном колене 164, из газожидкостного потока удаляются капли жидкости и предотвращается столкновение суспендированных частиц, содержащихся в газожидкостном потоке, с днищем затопленного колена 164 на высокой скорости, и тем самым предотвращается эрозия металлической стенки затопленного колена 164.
Из затопленного колена 164 газожидкостной поток, который содержит испарившуюся жидкость, некоторое количество капель жидкости и другие частицы, поступает в газопромывной блок 122, который представляет собой в данном случае поперечноточный газопромывной аппарат. Газопромывной блок 122 содержит разные экраны или фильтры, которые способствуют удалению унесенной жидкости из газожидкостного потока и удаляют другие частицы, которые могли присутствовать в газожидкостном потоке. В одном конкретном варианте осуществления поперечноточный газопромывной аппарат 122 может содержать на входе переднюю крупноячеистую отражательную перегородку 169, которая предназначена для удаления капель жидкости размером от 50 мкм до 100 мкм. Позади нее два сменных гофрированных фильтра 170 расположены поперек потока, протекающего через газопромывной блок 122, причем фильтры 170 могут постепенно менять размер или конфигурацию, чтобы можно было удалять капли все меньшего размера, такого как 20-30 мкм и менее 10 мкм. Конечно, можно использовать большее или меньшее количество фильтров или гофрированных фильтров.
Как и в обычных поперечноточных газопромывных аппаратах, жидкость, уловленная фильтрами 169 и 170 и камерой переполнения в нижней части затопленного колена 164, самотеком стекает в резервуар или отстойник для жидкости 172, расположенный в нижней части газопромывного блока 122. Отстойник для жидкости 172, который может вмещать, например, 200 галлонов жидкости, тем самым собирает сконцентрированную жидкость, содержащую растворенные и суспендированные твердые вещества, удаленные из газожидкостного потока, и служит в качестве источника рециркуляционной концентрированной жидкости, подаваемой обратно в концентрирующий блок 120 для дальнейшей обработки и/или для предотвращения образования сухих частиц в концентрирующем блоке 120 таким образом, как было описано выше со ссылкой на фиг.1. В одном варианте осуществления отстойник для жидкости 172 может иметь наклонное V-образное днище 171, имеющее V-образный желоб, проходящий от задней стороны газопромывного блока 122 (самой дальней от затопленного колена 164) до передней стороны газопромывного блока 122 (самой ближней к затопленному колену 164), причем V-образный желоб 175 наклонен так, что днище V-образного желоба 175 ниже на конце газопромывного блока 122, самом ближнем к затопленному колену 164, чем на конце газопромывного блока 122, удаленном от затопленного колена 164. Иначе говоря, V-образное днище 171 может быть наклонено в сторону самой нижней точки этого V-образного днища 171, находящейся возле выгребного люка 173 и/или насоса 182. Кроме того, концентрированная жидкость из отстойника для жидкости 172 может подаваться насосом промывного контура (не показанного на рисунках) в распылитель (не показанный) внутри газопромывного блока 122, причем этот распылитель предназначен для распыления жидкости на V-образное днище. Кроме того, концентрированная жидкость из отстойника для жидкости 172 может подаваться насосом промывного контура 177 (фиг.9) в распылитель 179 внутри поперечноточного газопромывного блока 122, причем этот распылитель 179 предназначен для распыления жидкости на V-образное днище 171. Но распылитель 179 может распылять на V-образное днище 171 и неконцентрированную жидкость или чистую воду. Распылитель 179 может периодически или постоянно распылять жидкость на поверхность V-образного днища 171, чтобы смывать твердые вещества и предотвращать отложение осадка на V-образном днище 171 или на выгребном люке 173 и/или насосе 182. Благодаря наличию этого V-образного наклонного днища 171 и промывного контура 177, жидкость, скопившаяся в отстойнике для жидкости 172, постоянно перемешивается и обновляется и тем самым сохраняет сравнительно неизменной свою консистенцию и оставляет твердые вещества в суспендированном состоянии. В случае необходимости распылительная система 177 может представлять собой отдельный контур, использующий отдельный насос, подсоединяемый например, к стороне впуска отстойника 172, или может использовать насос 182, связанный с рециркуляционным контуром концентрированной жидкости, описанным ниже, чтобы распылять концентрированную жидкость из отстойника для жидкости 172 на V-образное днище 171.
Как показано на фиг.3, обратная линия 180, а также насос 182 служат для возврата жидкости, удаленной из газожидкостного потока, из отстойника 172 для жидкости обратно в концентратор 120 и тем самым замыкают рециркуляционный контур жидкости. Аналогичным образом, на подводящей линии 186 может быть установлен насос 184, чтобы подавать новую или необработанную жидкость, такую как фильтрат свалок, через патрубок 160 в концентрирующий блок 120. Внутри газопромывного блока 122 можно также установить один или несколько распылителей 185 возле гофрированных фильтров 170, чтобы они могли периодически распылять чистую воду или порцию подаваемой сточной воды на гофрированные фильтры 170, чтобы промывать их.
Концентрированную жидкость можно также удалять из отстойника для жидкости газопромывного блока 122 через выгребной люк 173 и затем подвергать дальнейшей обработке или удалять подходящим образом во вторичный рециркуляционный контур 181. В частности, концентрированная жидкость, удаленная через выгребной люк 173, содержит определенное количество суспендированных твердых веществ, которые можно отделить от этой порции концентрированной жидкости и удалить из системы с помощью вторичного рециркуляционного контура 181. Например, концентрированную жидкость, удаленную через выгребной люк 173, можно подавать через вторичный контур концентрированных сточных вод 181 в одно или несколько устройств 183 для разделения твердых веществ/жидкости, такие как отстойный резервуар, вибрационное сито, карусельный вакуумный фильтр, горизонтальный ленточный вакуумный фильтр, ленточный пресс, фильтр-пресс и/или гидроциклон. После разделения суспендированных твердых веществ и жидкости концентрированных сточных вод устройством разделения твердых веществ и жидкости 183, жидкую порцию концентрированных сточных вод без твердых частиц можно вернуть в отстойник для жидкости 172 для дальнейшей обработки в первичном или вторичном рециркуляционном контуре, подсоединенном к концентратору.
Газ, из которого при протекании через газопромывной блок 122 были удалены жидкость и суспендированные твердые вещества, поступает по трубе или коробу с задней стороны газопромывного блока 122 (за гофрированными фильтрами 170) в вытяжной вентилятор 190 вытяжной блока 124 и выбрасывается в атмосферу в виде охлажденного газа, смешанного с испарившейся водой. Конечно, к вытяжному вентилятору подсоединен двигатель 192, который заставляет вентилятор 190 создавать разрежение в газопромывном блоке 122, чтобы засасывать газ из факела 130 через теплопередающую трубу 140, блок предварительной обработки воздуха 119 и концентрирующий блок 120. Как было указано выше со ссылкой на фиг.1, вытяжной вентилятор 190 необходим лишь для того, чтобы создавать небольшое разрежение в газопромывном блоке 122 и тем самым обеспечивать надлежащую работу концентратора 110.
Хотя скорость вытяжного вентилятора 190 и можно менять с помощью такого устройства, как частотно-регулируемый электропривод, чтобы создавать разные уровни разрежения в газопромывном блоке 122 и работать в определенном диапазоне значений расхода газа и даже забирать весь газ из факела 130, если его не хватает, необязательно регулировать работу вытяжного вентилятора 190, чтобы создать надлежащее разрежение в самом газопромывном блоке 122. Чтобы обеспечить его надлежащую работу газ, протекающий через газопромывной блок 122, должен иметь достаточно большую (минимально необходимую) скорость на входе газопромывного блока 122. Обычно это требование выполняют, поддерживая заранее заданное минимальное падение давления в газопромывном блоке 122. Но если факел 130 не обеспечивает минимально необходимое количество газа, то увеличение скорости вращения вытяжного вентилятора 190 не сможет обеспечить необходимое падение давления в газопромывном блоке 122.
Чтобы найти выход из такого положения, поперечноточный газопромывной блок 122 был снабжен контуром для рециркуляции газа, который можно использовать, чтобы обеспечить подачу достаточного количества газа на вход газопромывного блока 122 и создать требуемое падение давления в газопромывном блоке 122. В частности, контур для рециркуляции газа содержит обратную линию или канал газа 196, который соединяет сторону высокого давления вытяжного блока 124 (например, на участке за вытяжным вентилятором 190) с впускным патрубком газопромывного блока 122 (например, с газовпускным патрубком газопромывного, блока 122), и заслонку или регулирующий механизм 198, расположенный в обратном канале 196, который предназначен для открывания и закрывания обратного канала 196, чтобы тем самым устанавливать сообщение стороны высокого давления вытяжного блока 124 с впускным патрубком газопромывного блока 122. Во время эксплуатации, когда подача газа в газопромывной блок 122 недостаточно велика, чтобы обеспечивать минимально необходимое падение давления в газопромывном блоке 122, заслонка 198 (которая может представлять собой, например, газовый клапан или жалюзийную заслонку) открыта, чтобы можно было направлять газ со стороны высокого давления вытяжного блока 124 (т.е. газ, который прошел через вытяжной вентилятор 190) обратно на вход газопромывного блока 122. Эта операция обеспечивает поступление достаточного количества газа на вход газопромывного блока 122, чтобы вытяжной вентилятор 190 мог обеспечить минимально необходимое падение давления в газопромывном блоке 122.
На фиг.6 показана особенно полезная отличительная особенность компактного концентратора жидкости 110, изображенного на фиг.3, заключающаяся в наличии группы легко открывающихся смотровых люков 200, которые можно использовать, чтобы проникать внутрь концентратора 110 с целью его чистки и осмотра. Хотя на фиг.6 показаны легко открывающиеся люки 200 с одной стороны газопромывного блока 122, аналогичную группу люков можно расположить и на другой стороне газопромывного блока 122, и аналогичный люк имеется на лицевой стороне затопленного колена 164, как показано на фиг.5. Как показано на фиг.6, каждый из легко открывающихся смотровых люков 200 на газопромывном блоке 122 содержит крышку люка 202, которая может представлять собой плоскую металлическую пластину, подвешенную на газопромывном блоке 122 на двух петлях 204, причем крышка люка 202 может закрываться и открываться, поворачиваясь на петлях 204. По краям крышки люка 202 расположено множество быстро открывающихся запоров 206, предназначенных для фиксации крышки люка 202 в закрытом положении и запирания крышки люка 202 во время работы газопромывного блока 122. В варианте осуществления, показанном на фиг.6, на каждой крышке люка имеется по восемь быстро открывающихся запоров 206, расположенных вокруг каждой из крышек люков 202, хотя можно использовать любое требуемое количество подобных быстро открывающихся запоров 206.
На фиг.7 показан один из люков 200 в открытом положении. Как показано на этой рисунке, рама люка 208 приподнята над стенкой газопромывного блока 122 и установлена на подпорках 209, расположенных между рамой люка 208 и наружной стенкой газопромывного блока 122. Вокруг отверстия в раме люка 208 установлена прокладка 210, которая может быть изготовлена из резины или другого сжимаемого материала. Аналогичная дополнительная или основная прокладка может быть установлена по периметру с внутренней стороны крышки люка 202, для улучшения качества герметизации, когда люк 200 находится в закрытом состоянии.
Каждый быстро открывающийся запор 206, который показан в увеличенном виде на фиг.8, имеет ручку 212 и защелку 214 (в данном случае в виде U-образной металлической скобы), установленную на шарнирной оси 216, пропущенной сквозь рукоятку 212. Рукоятка 212 установлена на другой шарнирной оси 218, установленной на наружной стенке крышки люка 202 с помощью крепежной скобы 219. При перемещении ручки 212 вверх и повороте вокруг другой шарнирной оси 218 (из положения, показанного на фиг.8) защелка 214 смещается вдоль наружной стенки газопромывного блока 122 (когда крышка люка 202 находится в закрытом положении), и защелка 214 может отцепиться от крючка 220, расположенного на подпорке 209, и отойти в сторону от крышки люка 202. При повороте ручки 210 в обратном направлении защелка 214 цепляется за крючок 220 и притягивает другую шарнирную ось 218, а следовательно, и крышку люка 202 к раме люка 208. При замыкании всех быстро открывающихся запоров 206 крышка люка 202 придавливается к раме люка 208, а прокладка 210 обеспечивает их герметичное соединение. Таким образом, замыкание всех восьми быстро открывающихся запоров 206 на определенном люке 200, как показано на фиг.6, обеспечивает надежное и плотное закрывание люка 200.
Использование легко открывающихся люков 200 заменяет крышки с отверстиями и множеством болтов, отходящих от наружной стенки концентратора, которые проходят сквозь эти отверстия на крышке и затягиваются гайками для прижатия крышки к стенке концентратора. Хотя подобный гаечно-болтовой механизм крепления, который широко используется в концентраторах жидкости, чтобы обеспечивать доступ внутрь концентратора, и является очень надежным, приходится тратить много времени и сил на снятие и установку съемной крышки. Легко открывающиеся люки 200 с быстро открывающимися запорами 206, показанными на фиг.6, можно использовать в данном случае и потому, что поскольку давление внутри газопромывного блока 122 меньше внешнего давления, внутри газопромывного блока 122 создается разрежение, при котором не нужно подтягивать болты и гайки съемной панели. Понятно, что конфигурация с люками 200 позволяет легко открывать и закрывать люки 200 с минимальными усилиями и без использования инструментов и тем самым обеспечивает быстрый и легкий доступ к оснастке внутри газопромывного блока 122, такой как отражательная перегородка 169 или сменные фильтры 170, или же к другим частям концентратора 110, которые находятся за смотровым люком 200.
Как показано на фиг.5, на передней стенке затопленного колена 164 концентрирующего блока 120 также имеется легко открывающийся смотровой люк 200, который обеспечивает легкий доступ внутрь затопленного колена 164. Однако подобные легко открывающиеся люки могут находиться в случае необходимости на любой части концентратора жидкости 110, поскольку большинство элементов концентратора 10 работает под разрежением.
Сочетание признаков, показанных на фиг.3-8, присуще компактному концентратору жидкости 110, который использует отбросное тепло газа, получаемого в результате сжигания в факеле газа из органических отходов, отбросное тепло, которое иначе было бы выброшено прямо в атмосферу. Важно отметить, что концентратор 110 использует лишь минимальное количество дорогостоящего материала с высокой температуростойкостью для изготовления из него труб и конструкционного оборудования, необходимого при работе с высокотемпературными газами, выходящими из факела 130. В частности, длина теплопередающей трубы 140, которая изготовлена из самых дорогостоящих материалов, минимизирована, что снижает стоимость и массу концентратора жидкости 110. Кроме того, из-за небольших размеров теплопередающей трубы 140 необходимо лишь минимальное количество подмостков в виде опорной стойки 142, что еще более снижает расходы на сооружение концентратора 110. К тому же блок предварительной обработки воздуха 119 расположен непосредственно на концентрирующем блоке 120 и газ в этих блоках поступает сверху вниз, что позволяет устанавливать эти блоки концентратора 110 прямо на грунт или на салазки. Далее, эта конфигурация позволяет размещать концентратор 110 очень близко к факелу 130, что делает его более компактным. Аналогичным образом эта конфигурация позволяет размещать высокотемпературные блоки концентратора 110 (например, верхнюю часть факела 130, теплопередающую трубу 140 и блок предварительной обработки воздуха 119) над землей, и не приходится опасаться случайного касания, что приводит к обеспечению более высокого уровня безопасности. Фактически, благодаря быстрому охлаждению, которое происходит на участке с профилем Вентури 162 концентрирующего блока 120, и сам участок с профилем Вентури 162, и затопленное колено 164, и газопромывной блок 122 обычно охлаждаются в достаточной степени, чтобы можно было их касается, не боясь обжечься (даже если на выходе из факела 130 газ имел температуру 1800°F). Быстрое охлаждение газожидкостной смеси позволяет использовать материалы более низкой стоимости, которые легче изготавливать и которые обладают коррозионной стойкостью. Кроме того, компоненты после затопленного колена 164, такие как газопромывной блок 122, вытяжной вентилятор 190 и вытяжной блок 124, могут изготавливаться из таких материалов как стекловолокно.
Концентратор жидкости 110 является также очень быстродействующим концентратором. Поскольку концентратор 110 является концентратором прямого контактирования, ему не грозит отложение осадка, забивание или засорение в той степени, что присуще большинству других концентраторов. Далее, возможность регулировать работу факела путем открывания и закрывания факельного колпака 134 позволяет непрерывно использовать факел 130 для сжигания газа из органических отходов независимо от того, работает концентратор 110 или не работает, не прекращая его работу во время пуска и остановки концентратора 110. В частности, факельный колпак 134 можно быстро открыть в любой момент времени, чтобы факел 130 мог просто сжигать газ из органических отходов, как он обычно делает при отключении концентратора 110. С другой стороны, факельный колпак можно быстро закрыть в момент пуска концентратора 110 и тем самым направить все горячие газы, образующиеся в факеле 130, в концентратор 110, что позволяет концентратору 110 начать работать без остановки факела 130. В любом случае концентратор 110 можно запускать и останавливать, меняя лишь положение факельного колпака 134, но не прекращая работу факела 130.
В случае необходимости во время работы концентратора 110 факельный колпак 134 можно открывать частично, чтобы регулировать количество газа, подаваемое из факела 130 в концентратор 110. Это регулирование подачи газа в сочетании с регулированием впускного клапана атмосферного воздуха можно использовать для регулирования температуры газа на входе участка с профилем Вентури 162.
Кроме того, благодаря компактной конфигурации блока предварительной обработки воздуха 119, концентрирующего блока 120 и газопромывного блока 122, отдельные части концентрирующего блока 120, газопромывного блока 122, вытяжного вентилятора 190 и, по меньшей мере, нижнюю часть вытяжного блока 124 можно стационарно устанавливать (прикреплять и использовать в качестве опоры) на салазки или плиту 230, как показано на фиг.2. Верхнюю часть концентрирующего блока 120, блок предварительной обработки воздуха 119 и теплопередающую трубу 140, а также верхнюю часть вытяжной трубы можно снять и уложить на салазки или на плиту 230 при транспортировке или их можно транспортировать в отдельном грузовике. Благодаря тому как нижние части концентратора 110 могут устанавливаться на салазки или плиту, концентратор 110 легко снимать и устанавливать. В частности, во время установки концентратора 110 салазки 230, на которых установлены газопромывной блок 122, затопленное колено 164 и вытяжной вентилятор 190, можно разгрузить в том месте, в котором концентратор должен использоваться, просто сгружая их с салазок 230 на землю или на другой складской участок, на котором концентратор 110 будет собран. После этого участок с профилем Вентури 162, охладитель 159 и блок предварительной обработки воздуха 119 можно поместить сверху и прикрепить к затопленному колену 164. Затем трубу 150 можно выдвинуть в высоту настолько, чтобы соответствовала высоте факела 130, к которому следует подсоединить концентратор 110. В некоторых случаях может потребоваться сначала установить факельно-колпачковый блок 132 на уже имеющийся факел 130. После этого можно поднять теплопередающую трубу 140 на надлежащую высоту и закрепить между факелом 130 и блоком для предварительной обработки воздуха 119, установив на место опорную стойку 142. Для концентраторов с испарительной способностью от 10000 до 30000 галлонов в день, возможно, чтобы весь факельный узел 115 устанавливался на те же салазки или плиту 230, на которые устанавливается концентратор 120.
Поскольку большинство насосов, труб, датчиков и электронного оборудования расположено или подсоединено к концентрирующему блоку 120, газопромывному блоку 122 или вытяжному насосу 190, установка концентратора 110 на конкретное место не потребует большого количества труб и электромонтажных работ на месте установки. В результате концентратор 110 можно сравнительно легко устанавливать и монтировать (или демонтировать и разбирать) на конкретном месте. Кроме того, поскольку большинство компонентов концентратора 110 стационарно установлено на салазки 230, концентратор 110 легко можно транспортировать на грузовике или других транспортных средствах и легко можно сгружать и устанавливать на конкретном месте, таком как участок возле факела на свалке.
На фиг.9 показана схема управления 300, которую можно использовать для концентратора 110, изображенного на фиг.3. Как показано на фиг.9, система управления 300 содержит контроллер 302, который может представлять собой контроллер типа цифрового процессора сигналов, программируемый логический контроллер, который может, например, осуществлять управление на основе многоступенчатой логики, или какой-либо контроллер другого типа. Контроллер 302 подключен, конечно, к разным компонентам в концентраторе 110. В частности, контроллер 302 подключен к приводному двигателю 135 факельного колпака 134, который производит открытие и закрытие факельного колпака 134. Приводной двигатель 135 может использоваться для регулирования положения факельного колпака 134, перемещая его между полностью открытым и полностью закрытым положениями. Но в случае необходимости контроллер 302 может регулировать приводной двигатель 135 так, чтобы он перемещал факельный колпак 134 в какое-либо из множества промежуточных положений в диапазоне от полностью открытого положения до полностью закрытого положения. В случае необходимости двигатель 135 может непрерывно перемещать факельный колпак 134, устанавливая в любой нужной точке между полностью открытым и полностью закрытым положениями.
Кроме того, контроллер 302 подключен к впускному клапану атмосферного воздуха 306, расположенному на фиг.3 в блоке предварительной обработки воздуха 119 перед участком с профилем Вентури 162, и может использоваться для управления насосами 182 и 184, которые регулируют величину и соотношение впрыска новой жидкости, поступившей на концентрирование, и рециркулированной жидкости, подвергавшейся обработке в концентраторе 110. Контроллер 302 может быть подключен к датчику уровня 317 в отстойнике для жидкости (например, к поплавковому датчику, бесконтактному датчику, такому как радарный или акустический датчик, или датчик дифференциального давления). Контроллер 302 может использовать сигнал, поступивший от датчика уровня 317 в отстойнике для жидкости, чтобы управлять насосами 182 и 184 и поддерживать уровень концентрированной жидкости в отстойнике для жидкости 172, соответствующий заранее заданному или требуемому значению. Контроллер 302 можно также подключать к вытяжному вентилятору 190, чтобы управлять работой вытяжного вентилятора 190, который может представлять собой односкоростной вентилятор, переменноскоростной вентилятор или вентилятор с непрерывно регулируемой скоростью. В одном варианте осуществления приводом для вытяжного вентилятора 190 служит частотно-регулируемый двигатель, частоту которого меняют для регулировки скорости вращения вентилятора. Кроме того, контроллер 302 подключен к температурному датчику 308, расположенному, например, на входе концентрирующего блока 120 или на входе участка с профилем Вентури 162, и получает сигнал температуры, генерируемый температурным датчиком 308. Температурный датчик 308 может также находиться позади участка с профилем Вентури 162 или же температурный датчик 308 может содержать датчик давления, генерирующий сигнал давления.
Во время работы и, например, при пуске концентратора 110, когда факел 130 продолжает работать и таким образом сжигает газ из органических отходов, контроллер 302 должен сначала включить вытяжной вентилятор 190, чтобы создать разрежение в газопромывном блоке 122 и концентрирующем блоке 120. После этого или одновременно с этим контроллер 302 подает сигнал в двигатель 135, чтобы закрыть факельный колпак 134 частично или полностью и направить отбросное тепло из факела 130 в теплопередающую трубу 140, а следовательно, в блок предварительной обработки воздуха 119. Получая сигнал температуры из температурного датчика 308, контроллер 302 может регулировать впускной клапан атмосферного воздуха 306 (обычно закрывая его частично или полностью) и/или привод факельного колпака, чтобы настроить температуру газа на входе концентрирующего блока 120. Вообще говоря, впускной клапан атмосферного воздуха 306 может приводиться в полностью открытое положение сдвигающим элементом, таким как пружина (т.е. может быть нормально открытым клапаном), и контроллер 302 может начать закрывать клапан 306, чтобы регулировать количество атмосферного воздуха, поступающего в блок предварительной обработки воздуха 119 (благодаря созданию разрежения в блоке предварительной обработки воздуха 119), и таким образом доводить смесь атмосферного воздуха и горячих газов из факела 130 до требуемой температуры. В случае необходимости контроллер 302 может также регулировать положение факельного колпака 134 (устанавливая его в какое-либо положение между полностью открытым и полностью закрытым положениями) и может менять скорость вытяжного вентилятора 190, чтобы регулировать количество газа, поступающего в блок предварительной обработки воздуха 119 из факела 130. Понятно, что количество газа, протекающего через концентратор 110, можно менять, например, в зависимости от температуры и влажности атмосферного воздуха, температуры факельного газа или количества газа, выходящего из факела 130. Следовательно, контроллер 302 может регулировать температуру и количество газа, протекающего через концентрирующий блок 120, путем изменения одного или нескольких параметров, в том числе степени закрытия впускного клапана атмосферного воздуха 306, положения факельного колпака 134 и скорости вытяжного вентилятора 190, например, по результатам измерения температурного датчика 308 на входе концентрирующего блока 120. Эта система обратной связи необходима, поскольку во многих случаях воздух, выходящий из факела 130, имеет температуру в диапазоне от 1200°F до 1800°F, которая слишком велика или превышает то значение, которое она должна иметь для обеспечения эффективной работы концентратора 110.
В любом случае, как показано на фиг.9, контроллер 302 может быть также подключен к двигателю 310, который может менять положение пластины Вентури 163 в суженном участке концентрирующего блока 120, чтобы регулировать уровень турбулентности, создаваемой концентрирующим блоком 120. А еще контроллер 302 может контролировать работу насосов 182 и 184, чтобы менять скорость (и отношение скоростей), с которой насосы 182 и 184 подают циркулирующую жидкость и новую сточную воду на входы охладителя 159 и участка с профилем Вентури 162. В одном варианте осуществления контроллер 302 может регулировать отношение циркулирующей жидкости к новой жидкости на уровне 10:1, так что если насос 184 подает новую жидкость во впускной патрубок 160 со скоростью 8 галлонов в минуту, то рециркуляционный насос 182 подает концентрированную жидкость со скоростью 80 галлонов в минуту. Вместо этого или дополнительно контроллер 302 может регулировать расход новой жидкости, направляемой на обработку в концентратор (насосом 184), поддерживая на одном и том же или заранее заданном уровне количество концентрированной жидкости в отстойнике для жидкости 172, например, с помощью датчика уровня 317. Конечно, количество жидкости в отстойнике для жидкости 172 будет зависеть от скорости концентрирования в концентраторе, скорости, с которой концентрированная жидкость откачивается насосом или же подается в отстойник для жидкости 172 через вторичный рециркуляционный контур, а также от скорости, с которой насос 182 подает жидкость из отстойника для жидкости 172 в концентратор по первичному рециркуляционному контуру.
В случае необходимости впускной клапан атмосферного воздуха 306 или факельный колпак 134, порознь или совместно, могут находиться в обеспечивающем безопасность открытом положении, таком, когда факельный колпак 134 и впускной клапан атмосферного воздуха 306 открываются в случае неисправности системы (например, отсутствия управляющего сигнала) или отключения концентратора 110. В одном случае двигатель 135 факельного колпака может быть подпружинен или отжат отжимающим элементом, таким как пружина, чтобы удерживать факельный колпак 134 в открытом положении или обеспечивать открывание факельного колпака 134 после обесточивания двигателя 135. Или же отжимающий элемент может представлять собой противовес 137 факельного колпака 134, который может быть расположен в таком положении, что факельный колпак 134 сам переходит в открытое положение под действием противовеса 137, когда двигатель 135 обесточивается или пропадает управляющий сигнал. В результате этого факельный колпак 134 быстро открывается, когда прекращается подача энергии либо когда контроллер 302 открывает факельный колпак 134, позволяя горячему газу выходить из факела 130 через верхнее отверстие. Конечно, можно использовать и другие способы перевода факельного колпака 134 в открытое положение при отсутствии управляющего сигнала, в том числе с помощью торсионной пружины на шарнирной оси 136 факельного колпака 134, гидравлической или пневматической системы, которая поднимает давление в цилиндре, чтобы закрыть факельный колпак 134, а при понижении давления в цилиндре открывает факельный колпак 134 при отсутствии сигнала управления.
Согласно изложенному выше, факельный колпак 134 и впускной клапан атмосферного воздуха 306 действуют синхронно, защищая конструкционные материалы, используемые в концентраторе 110 и, как только система будет отключена, немедленно автоматически открываются факельный колпак 134 и впускной клапан атмосферного воздуха 306, которые тем самым не позволяют горячему газу, образующемуся в факеле 130, проникать в концентратор 110 и в то же время позволяют атмосферному воздуху охлаждать концентратор 110.
Кроме того, впускной клапан атмосферного воздуха 306 может быть аналогичным образом подпружинен или отжат другим образом, чтобы он открывался при отключении концентратора 110 или при отсутствии управляющего сигнала, подаваемого в клапан 306. Благодаря этому блок предварительной обработки воздуха 119 и концентрирующий блок 120 быстро охлаждаются через открытый факельный колпак 134. Кроме того, благодаря быстрому открыванию клапана атмосферного воздуха 306 и факельного колпака 134 контроллер 302 может быстро прекращать работу концентратора 110, не отключая или не оказывая влияния на работу факела 130.
Далее, как показано на фиг.9, контроллер 302 может быть подключен к двигателю 310 пластины Вентури или какому-либо другому приводу, который поворачивает или устанавливает пластину Вентури 163 под определенным углом на участке с профилем Вентури 162. С помощью двигателя 310 контроллер 302 может менять угол наклона пластины Вентури 163, чтобы регулировать расход газа через концентрирующий блок 120 и тем самым менять характер турбулентного потока газа, протекающего через концентрирующий блок 120, добиваясь лучшего перемешивания в нем жидкости с газом и более полного испарения жидкости. В этом случае контроллер 302 может менять скорость насосов 182 и 184 и вместе с тем менять наклон пластины Вентури 163, чтобы добиться оптимального концентрирования сточной воды. Понятно, что таким образом контроллер 302 может координировать положение пластины Вентури 163 с положением факельного колпака 134, положением впускного клапана атмосферного воздуха 306 и скоростью вытяжного вентилятора 190, чтобы максимально увеличить степень концентрирования (турбулентного перемешивания) сточной воды, избегая полного испарения воды и тем самым не допуская образования твердых частиц. Контроллер 302 может использовать входные сигналы давления от датчиков давления, чтобы выбирать положение пластины Вентури 163. Конечно, пластину Вентури 163 можно регулировать или вручную, или автоматически.
Контроллер 302 можно также подключать к двигателю 312, который регулирует работу заслонки 198 в контуре рециркуляции газа газопромывного блока 122. Контроллер 302 может заставить двигатель 312 или привод другого типа переместить заслонку 198 из закрытого положения в открытое или частично открытое положение, например, по сигналам от датчиков давления 313, 315, расположенных на входе и выходе газа из газопромывного блока 122. Контроллер 302 может установить заслонку 198 в такое положение, при котором газ поступает со стороны высокого давления вытяжного блока 124 (за вытяжным вентилятором 190) на вход газопромывного блока, чтобы поддерживать заранее установленное минимальное падение давления между двумя датчиками давления 313, 315. Поддержание минимального падения давления обеспечивает надлежащую работу газопромывного блока 122. Конечно, заслонку 198 можно регулировать вручную или же использовать электрорегулирование.
Таким образом, из сказанного выше следует, что контроллер 302 может создавать один или несколько замкнутых/разомкнутых контуров регулирования, используемых для запуска или остановки концентратора 110 без нарушения работы факела 130. Например, контроллер 302 может создать контур управления факельным колпаком, который открывает или закрывает факельный колпак 134, контур управления воздушным клапаном, который открывает или начинает открывать впускной клапан атмосферного воздуха 306 и контур управления вытяжного вентилятора, который запускает или останавливает вытяжной вентилятор 190 в зависимости от того, запускается или останавливается концентратор 110. Кроме того, во время работы контроллер 302 может создавать один или несколько контуров управления в реальном масштабе времени, которые могут регулировать различные элементы концентратора 110 порознь или в совокупности друг с другом, чтобы совершенствовать или оптимизировать способ концентрирования. Создавая эти контуры управления в реальном масштабе времени, контроллер 302 может контролировать скорость вытяжного вентилятора 190, положение или угол наклона пластины Вентури 163, положение факельного колпака 134 и/или положение запорного органа впускного клапана атмосферного воздуха 306, чтобы регулировать расход жидкости, протекающей через концентратор 110, и/или температуру воздуха на входе в концентрирующий блок 120 на основе сигналов от датчиков температуры и давления. Кроме того, контроллер 302 может обеспечивать эксплуатационные качества способа концентрирования в стационарных условиях путем регулирования насосов 184 и 182, которые подают новую и циркулирующую жидкость- в концентрирующий блок 120. А еще контроллер 302 может создавать контур управления давлением, чтобы регулировать положение заслонки 198 и обеспечить надлежащую работу газопромывного блока 122. Конечно, хотя контроллер 302 показан на фиг.9 в виде одиночного устройства управления, которое создает разные контуры управления, контроллер 302 может представлять собой множество разных устройств управления, например, множество разных программируемых логических контроллеров.
Понятно, что предлагаемый здесь концентратор 110 непосредственно использует горячие газовые выбросы в технологических способах после того, как эти газовые выбросы прошли тщательную обработку, чтобы отвечать требованиям стандартов на газовые выбросы, и таким образом, безусловно отвечают эксплуатационным требованиям способа, который генерирует отбросное тепло, и способа, который использует отбросное тепло простым, надежным и эффективным способом.
Помимо того, что он является важным компонентом концентратора 110 во время его эксплуатации, описанный здесь факельный колпак 134 с автоматическим или ручным приводом может использоваться в автономной режиме работы, чтобы обеспечить защиту от атмосферных воздействий самого факела или узла факел-концентратор, когда факел не работает. Закрытая факельным колпаком 134, внутренняя оснастка металлического корпуса факела 130 вместе с его футеровкой, горелками и другими важными компонентами факельной установки 115 и теплопередающего блока 117 защищается от коррозии и общего износа, связанного с воздействием на эти компоненты. В этом случае контроллер 302 может управлять двигателем 135 факельного колпака 134, устанавливая его в полностью открытое или частично открытое состояние во время работы факела 130 на холостом ходу. Кроме того, помимо использования факельного колпака 134, который автоматически закрывается, когда факел 130 отключают, и автоматически открывается, когда факел 130 зажигают, внутри факела 130 может быть установлена небольшая горелка, такая как обычный запальник, которая может гореть, когда факел 130 отключен и факельный колпак 134 закрыт. Эта небольшая горелка дополнительно способствует защите от износа факельных компонентов под действием влаги, поскольку она будет держать внутреннее оснащение факела 130 в сухом состоянии. Примером автономного факела, который может использовать описанный здесь факельный колпак 134 при работе в автономном режиме, служит автономный факел, установленный на свалке, чтобы регулировать содержание газа в воздухе, когда энергоустановка, работающая на газе из органических отходов, отключена.
Хотя концентратор жидкости 110 и был описан выше подключенным к факелу для сжигания газа из органических отходов, чтобы использовать отбросное тепло из этого факела, концентратор жидкости 110 легко можно подключать к другим источникам отбросного тепла. Например, на фиг.10 показан концентратор жидкости 110 такой конструкции, чтобы его можно было подключать к вытяжной трубе электростанции 400 с двигателями внутреннего сгорания и использовать отбросное тепло двигателей для концентрирования сточных вод. Хотя в одном варианте осуществления двигатель на электростанции 400 может работать на газе из органических отходов, чтобы вырабатывать электроэнергию, концентратор 110 можно подключить и к выхлопной трубе двигателей другого типа, в том числе к двигателям такого типа, которые работают на газолине или дизельном топливе.
На фиг.10 выхлопные газы, образующиеся в двигателе (не показанном на рисунке) на электростанции 400, поступают в глушитель 402 снаружи электростанции 400, а оттуда - в выхлопную трубу 404, снабженную сверху выхлопным колпаком 406. Колпак 406 снабжен противовесом, чтобы он мог закрывать выхлопную трубу 404, когда в трубе 404 нет выхлопных газов, но легко открывался под действием выхлопных газов, выходящих и трубы 404. В этом случае в выхлопной трубе 404 имеется Y-образный соединитель, предназначенный для подсоединения трубы 408 к теплопередающей трубе 408, по которой выхлопной газ (источник отбросного тепла) поступает из двигателя в расширительный участок 410. Расширительный участок 410 сопряжен с охладителем 159 концентратора 110 и направляет выхлопной газ из двигателя прямо в концентрирующий блок 120 концентратора 110. При использовании выхлопных газов двигателя в качестве источника отбросного тепла обычно не требуется устанавливать впускной клапан атмосферного воздуха перед концентрирующим блоком 120, поскольку выхлопной газ на выходе из двигателя обычно имеет температуру менее 900°F, так что не приходится его сильно охлаждать перед входом в охладитель 159. Остальные части концентратора 110 являются такими же, как было описано выше со ссылкой на фиг.3-8. В результате можно видеть, что концентратор жидкости 110 можно легко приспосабливать для использования самых разных источников отбросного тепла, не внося значительных изменений в конструкцию.
Обычно при управлении концентратором жидкости 110, изображенном на фиг.10, контроллер включает вытяжной вентилятор 190 в то время, когда двигатель на электростанции 400 работает. Контроллер увеличивает скорость вытяжного вентилятора 190 от минимального значения до тех пор, пока большая часть или все выхлопные газы целиком не пойдут из трубы 404 в теплопередающую трубу 408 вместо того, чтобы выходить из выхлопной трубы 404 в атмосферу. Определить, когда будет достигнут такой режим работы, несложно, он соответствует тому моменту, когда при увеличении скорости вытяжного вентилятора 190 колпак 406 впервые сядет на вершину вытяжной трубы 404. Важно не допускать дальнейшего увеличения скорости вытяжного вентилятора 190 при которой создается режим большего, чем нужно, разрежения в концентраторе 110, и тем самым добиваться, чтобы работа концентратора 110 не приводила к изменению противодавления и, в частности, к созданию нежелательных уровней подсоса, испытываемых двигателем на электростанции 400. Изменение противодавления или создание подсоса в выхлопной трубе 404 может неблагоприятно сказаться на сгорании топлива в двигателе, что нежелательно. В одном варианте осуществления контроллер (не показанный на фиг.10), такой как программируемый логический контроллер, может использовать датчик давления, установленный в трубе 404 возле колпака 406, чтобы постоянно следить за давлением в этом месте. Затем контроллер может подавать сигнал в частотно-регулируемый электропривод на вытяжном вентиляторе 190, чтобы регулировать скорость вытяжного вентилятора 190, поддерживать давление на заданном уровне и тем самым добиваться, чтобы нежелательное противодавление или подсос не оказывали воздействия на двигатель.
На фиг.11 и 12 приведено поперечное сечение на виде сбоку и поперечное сечение на виде сверху еще одного варианта осуществления концентратора жидкости 500. Концентратор 500 установлен в вертикальном положении. Однако концентратор 500, изображенный на фиг.11, может быть расположен в горизонтальном положении либо в вертикальном положении в зависимости от конкретных ограничений, накладываемых при использовании для конкретного назначения. Например, установленная на грузовике модификация концентратора может находиться в горизонтальном положении с тем, чтобы концентратор мог проходить под мостами и путепроводами во время транспортировки из одного места в другое. Концентратор жидкости 500 имеет газовпускной патрубок 520 и газовыпускное отверстие 522. Газовпускной патрубок 520 и газовыпускное отверстие 522 соединены проточным каналом 524. Проточный канал 524 имеет суженный участок 526, который ускоряет протекание газа по проточному каналу 524. Перед суженным участком 526 в поток газа впрыскивается жидкость через патрубок 530. В отличие от варианта осуществления, показанного на фиг.1, в варианте осуществления, показанном на фиг.11, суженный участок 526 направляет газожидкостную смесь в циклонную камеру 551. Циклонная камера 551 усиливает перемешивание газа и жидкости, действуя в то же время в качестве туманоуловителя, показанного на фиг.1. газожидкостная смесь поступает в циклонную камеру 551 по касательной (см. фиг.12), а затем движется через циклонную камеру 551 подобно воздуху в циклоне в направлении участка для удаления жидкости 554. Циклонное завихрение усиливается расположенным в циклонной камере 551 полым цилиндром 556, через который газ поступает в газовыпускное отверстие 522. Полый цилиндр 556 представляет собой физический барьер, обеспечивающий циклонное завихрение по всей циклонной камере 551, в том числе и на участке для вывода жидкости 554.
Когда газожидкостная смесь проходит через суженный участок 526 проточного канала 524 и циркулирует в циклонной камере 551, то часть жидкости испаряется и абсорбируется газом. Затем центробежная сила ускоряет движение унесенных газом капель жидкости в направлении боковой стенки 552 циклонной камеры 551, где унесенные капельки жидкости сливаются, образуя пленку на боковой поверхности 552. Одновременно центростремительные силы, созданные вытяжным вентилятором 550, собирают освобожденный от капелек газ на входе 560 цилиндра 556 и направляют его в газовыпускное отверстие 522. Таким образом, циклонная камера 551 действует и как смесительная камера, и как туманоулавливающая камера. Когда пленка жидкости стекает в камере в направлении участка для вывода жидкости 554 под совместным действием силы тяжести и вихревого движения в циклонной камере 551 в направлении участка для вывода жидкости 554, то постоянно циркулирующий в циклонной камере 551 газ испаряет еще и часть жидкой пленки. Когда жидкая пленка стечет на участок для вывода жидкости 554 из циклонной камеры 551, жидкость поступает в рециркуляционный контур 542. Подобным образом жидкость циркулирует через концентратор 500, пока не будет достигнута требуемая степень концентрирования. Часть концентрированного шлама можно отобрать через выгребной люк 546, когда шлам достигнет требуемого уровня концентрирования (этот способ называют продувкой). Свежую жидкость вводят в контур 542 через впускной патрубок 544 свежей жидкости со скоростью, равной сумме скорости испарения и скорости отбора шлама через выгребной люк 546.
Когда газ циркулирует в циклонной камере 551, он очищается от капелек жидкости и перемещается в направлении участок для вывода жидкости 554 циклонной камеры 551 под действием вытяжного вентилятора 550 и в направлении входного отверстия 560 полой трубы 556. Затем очищенный газ поступает в полую трубу 556 и, наконец, выбрасывается через газовыпускное отверстие 522 в атмосферу или направляется на дальнейшую обработку (например, на окисление в факеле).
На фиг.13 приведена схема распределенного концентратора жидкости 600, имеющего такую конфигурацию, которая позволяет использовать концентратор 600 с множеством источников отбросного тепла разного типа, даже источников отбросного тепла, расположенных в таких местах, доступ к которым затруднен, например, по бокам зданий, среди разных видов другого оборудования, вдали от дорог или других путей доступа. Хотя описанный здесь концентратор жидкости 600 используется для обработки и концентрирования фильтрата, такого как фильтрат, собранный на свалке, концентратор жидкости 600 можно использовать для концентрирования и жидкостей другого типа, в том числе и множества разных сточных вод.
Вообще говоря, концентратор жидкости 600 содержит газовпускной патрубок 620, газовыпускной патрубок или газовыхлопное отверстие 622, проточный канал 624, проходящий от газовпускного патрубка 620 до газовыхлопного отверстия 622, и систему рециркуляции жидкости 625. Концентрирующий блок содержит проточный канал 624, который включает участок охлаждения 659, включающий газовпускной патрубок 620 и впускной патрубок жидкости 630, участок с профилем Вентури 626, расположенный за участком охлаждения 659, и нагнетательный или вытяжной вентилятор 650, подсоединенный за участком с профилем Вентури 626. Вентилятор 650 и затопленное колено 654 подсоединяют газовыпускной патрубок концентрирующего блока (например, выпускной патрубок участка с профилем Вентури 626) к трубопроводу 652. В этом случае затопленное колено 654 обеспечивает поворот проточного канала 624 на 90 градусов. При необходимости затопленное колено 654 может обеспечивать поворот на угол, который меньше или больше 90 градусов. Трубопровод 652 подсоединен к туманоуловителю, показанному в данном случае в виде поперечноточного газопромывного аппарата 634, который, в свою очередь, подсоединен к дымовой трубе 622А, имеющей газовыхлопное отверстие 622.
Рециркуляционная система 625 содержит отстойник для жидкости 636, подсоединенный к выпускному патрубку жидкости поперечноточного газопромывного аппарата 634, и рециркуляционный насос 640 включенный между отстойником для жидкости 636 и трубопроводом 642, который подает циркулирующую жидкость во впускной патрубок жидкости 630. Питатель 644 подает также фильтрат или другую подвергаемую обработке жидкость (например, концентрированную жидкость) во впускной патрубок жидкости 630, чтобы она попадала в охладитель 659. Рециркуляционная система 625 содержит также отвод жидкости 646, подсоединенный к трубопроводу 642, который подает некоторое количество циркулирующей жидкости (или концентрированной жидкости) в резервуар 649 для хранения, отстаивания и рециркуляции. Более тяжелые или более концентрированные порции жидкости в отстойном резервуаре 649 опускаются на дно резервуара 649 в виде шлама, который удаляется и транспортируется с целью удаления в концентрированном виде. Менее концентрированные порции жидкости из резервуара 649 подаются обратно в отстойник для жидкости 636 для повторной обработки и дальнейшего концентрирования, а также для того, чтобы обеспечивать в любой момент времени надлежащую подачу во впускном патрубке жидкости 630 и тем самым не допустить образования сухих частиц. Сухие частицы могут образоваться при пониженном отношении объема обрабатываемой жидкости к объему горячего газа.
Во время работы охладитель 659 смешивает жидкость, поступившую из впускного патрубка жидкости 630 с содержащим отбросное тепло газом, собранным, например, из глушителя двигателя и выхлопной трубы 629, связанной с двигателем внутреннего сгорания (не показанным на фигуре). Жидкость из впускного клапана жидкости 630 может представлять собой, например, фильтрат, подвергаемый обработке или концентрированию. Как показано на фиг.13, охладитель 659 подсоединен в вертикальном положении над участком с профилем Вентури 626, который содержит суженный участок, ускоряющий протекание газа и жидкости по проточному каналу 624 непосредственно за участком с профилем Вентури 626 и перед вентилятором 650. Конечно, вентилятор 650 служит для создания разрежения непосредственно за участком с профилем Вентури 626, засасывания газа из выхлопной трубы 629 через участок с профилем Вентури 626 и затопленное колено 654, чтобы обеспечивать перемешивание газа и жидкости.
Как было указано выше, охладитель 659 получает горячий выхлопной газ из выхлопной трубы 629 двигателя и может быть подсоединен непосредственно к любому требуемому участку выхлопной трубы 629. В этом показном варианте осуществления выхлопная труба 629 двигателя установлена снаружи здания 631, в котором находятся один или несколько электрогенераторов, который производят электроэнергию, используя газ из органических отходов в качестве топлива. В этом случае охладитель 659 может быть подсоединен прямо к конденсатоотводчику (например, конденсационному горшку), связанному с выхлопной трубой 629 (т.е. к нижней части выхлопной трубы 629). Здесь охладитель 659 может быть установлен непосредственно под или возле трубы 629, так что потребуется всего лишь несколько дюймов или самое большее несколько футов дорогостоящей трубы из материала с высокой температуростойкостью, чтобы соединить их вместе. Но в случае необходимости охладитель 659 можно подсоединить к другому участку выхлопной трубы 629, например, к вершине или к средней части трубы 629 через соответствующее колено или отвод.
Как было указано выше, через впускной патрубок 630 жидкость, подвергаемая испарению, (например, фильтрат свалки) впрыскивается в проточный канал 624 через охладитель 659. В случае необходимости впускной патрубок жидкости 630 может содержать сменное сопло для распыления жидкости в охладителе 659. Впускной патрубок жидкости 630 независимо от того, снабжен он соплом или нет, может вводить жидкость в любом направлении, и перпендикулярно потоку газа, и параллельно потоку газа, движущемуся по проточному каналу 624. Кроме того, когда газ (и отбросное тепло, содержащееся в нем) и жидкость проходят по участку с профилем Вентури 626, по принципу Вентури скорость течения возрастает и образуется турбулентный поток, который полностью перемешивает газ и жидкость в проточном канале 624 непосредственно за участком с профилем Вентури 626. В результате перемешивания в турбулентном режиме часть жидкости быстро испаряется и входит в состав газового потока. На испарение тратится большое количество тепловой энергии из отбросного тепла на увеличение скрытой теплоты, которая удаляется из системы концентрирования 600 в виде водяного пара в составе выхлопного газа.
С участка с профилем Вентури 626 газожидкостная смесь поступает в затопленное колено 654, где проточный канал 624 поворачивается под углом 90 градусов, меняя вертикальное направление течения на горизонтальное направление течения. газожидкостная смесь обтекает вентилятор 650 и поступает в область высокого давления на стороне нагнетания вентилятора 650, причем область высокого давления находится на участке трубопровода 652. Использование затопленного колена 654 в этой точке системы необходимо, по меньшей мере, по двум причинам. Во-первых, жидкость в нижней части затопленного колена 654 уменьшает эрозию в точке поворота проточного канала 624, которая обычно происходит под действием суспендированных в газожидкостной смеси частиц, которые с большой скоростью входили бы в 90-градусный изгиб и ударялись бы под крутым углом прямо о нижнюю поверхность обычного колена, если бы не использовалось затопленное колено 654. Жидкость в нижней части затопленного колена 654 поглощает энергию этих частиц и таким образом защищает нижнюю поверхность затопленного колена 654 от эрозии. Кроме того, капельки жидкости, все еще содержащиеся в газожидкостной смеси, в затопленном колене гораздо легче сливаются и удаляются из потока, если они ударяются о жидкость. То есть жидкость на дне затопленного колена 654 используется для улавливания капелек жидкости, ударяющихся в нее, поскольку капельки жидкости, содержащиеся в потоке, задерживаются гораздо легче, если эти распыленные капельки жидкости входят в соприкосновение с жидкостью. Таким образом, затопленное колено 654, которое может иметь отвод для жидкости (не показанный на рисунке), например, в рециркуляционный контур 625, служит для удаления некоторой части капелек обрабатываемой жидкости и конденсата из газожидкостной смеси, выходящей с участка с профилем Вентури 626.
Следует отметить, что газожидкостная смесь, протекающая по участку с профилем Вентури 626, быстро приближается к точке адиабатического насыщения, которая находится при температуре, которая гораздо ниже температуры газа на выходе из выхлопной трубы 629. Например, хотя на выходе из выхлопной трубы 629 газ может иметь температуру в диапазоне от 900°F до 1800°F, газожидкостная смесь на всех участках системы концентрирования 600 за участком с профилем Вентури 626 будет обычно иметь температуру в диапазоне от 150°F до 190°F, хотя температура смеси может быть и выше, и ниже этого температурного диапазона в зависимости от рабочих параметров системы. В результате участки системы концентрирования 600 за участком с профилем Вентури 626 не нужно изготовлять из температуростойких материалов и не нужно их изолировать вообще или можно изолировать лишь в той степени, которая необходима при транспортировке газов с повышенной температурой, если изоляция осуществляется с целью более полной утилизации отбросного тепла, содержащегося в горячем газе. А еще участки системы концентрирования 600 за участком с профилем Вентури 626, расположенные в таких местах, например, уложенные по поверхности земли, где люди могут контактировать с ними, не представляют значительной опасности или нуждаются лишь минимальной наружной защите. В частности, участки системы концентрирования за участком с профилем Вентури 626 могут изготовляться из стеклопластика и могут нуждаться лишь в минимальной изоляции или не нуждаться в ней совсем. Следует отметить, что газожидкостной поток может подаваться по участкам системы концентрирования за участком с профилем Вентури 626 на сравнительно большое расстояние, все еще оставаясь вблизи точки адиабатического насыщения, и тем самым позволяя легко транспортировать его по трубопроводу 652 из здания 631 в более доступное место, в котором другое оборудование, связанное с концентратором 600, может размещаться обычным образом. В частности, участок трубопровода 652 может простираться на 20 футов, 40 футов или даже на еще большее расстояние, хотя поток все еще остается в состоянии, близком к адиабатическому насыщению. Конечно, эти расстояния могут быть больше или меньше в зависимости, например, от окружающей температуры, используемого типа трубопровода или наличия изоляции. Кроме того, поскольку участок трубопровода 652 расположен на стороне высокого давления вентилятора 650, легко можно удалить конденсат из этого потока. В варианте осуществления, показанном на фиг.13, участок трубопровода 652 показан огибающим воздухоохладитель или пропущенным под воздухоохладителем, связанным с двигателями внутри здания 631. Но воздухоохладитель на фиг.13 представляет собой всего лишь один вариант тех преград, которые могут встречаться возле здания 631 и которые не позволяют разместить все компоненты концентратора 600 возле самого источника отбросного тепла (в данном случае возле выхлопной трубы 629). Другими преградами могут оказаться другое оборудование, растительность, такая как деревья, другие строения, недоступная территория без дорог и удобных подходов.
В любом случае участок трубопровода 652 направляет газожидкостной поток в состоянии, близком к точке адиабатического насыщения, в туманоуловитель 634, который может представлять собой, например, поперечноточный газопромывной аппарат. Туманоуловитель 634 служит для удаления унесенных капелек жидкости из газожидкостного потока. Отделившаяся жидкость собирается в отстойнике для жидкости 636, откуда она поступает в насос 640. Насос 640 подает жидкость по обратной линии 642 рециркуляционного контура 625 во впускной патрубок жидкости 630. Таким образом, унесенная жидкость может и дальше концентрироваться путем испарения до требуемого уровня концентрирования и/или подаваться для того, чтобы предотвратить образование сухих частиц. Свежая жидкость поступает на концентрирование через впускной патрубок свежей жидкости 644. Скорость подачи свежей жидкости в рециркуляционный контур 625 должна равняться сумме скорости испарения жидкости при прохождении газожидкостной смеси через проточный канал 624 и скорости отбора жидкости или шлама из отстойного резервуара 649 (при условии, что уровень жидкости в отстойном резервуаре 649 не меняется). В частности, часть жидкости можно отводить через выгребной люк 646, когда жидкость в рециркуляционном контуре 625 достигнет требуемой степени концентрирования. Часть жидкости, отведенную через выгребной люк 646, можно направить отстойный резервуар 649 на хранение, где концентрированной жидкости дают отстояться и разделяют на составляющие ее компоненты (например, на жидкую часть и полутвердую часть). Полутвердую часть можно выгрести из резервуара 649 и удалить или подвергнуть дальнейшей обработке.
Как было указано выше, вентилятор 650 засасывает газ через один участок проточного канала 624, находящийся под разрежением, и нагнетает газ через еще один участок проточного канала 624, находящийся под повышенным давлением. Охладитель 659, участок с профилем Вентури 626 и вентилятор 650 могут быть прикреплены к зданию 631 с помощью соединительного устройства любого типа и могут находиться в непосредственной близости к источнику отбросного тепла. Однако туманоуловитель 634 и газовыпускной патрубок 622, а также отстойный резервуар 649 могут находиться на некотором удалении от охладителя 659, участка с профилем Вентури 626 и вентилятора 650, например, в легко доступном месте. В одном варианте осуществления, туманоуловитель 634 и газовыпускной патрубок 622, а также отстойный резервуар 649 могут быть установлены на передвижной платформе, такой как отстойник для жидкости или рама прицепа.
На фиг.14-16 показан еще один вариант осуществления концентратора жидкости 700, который можно устанавливать на отстойнике для жидкости или раме прицепа. В одном варианте осуществления некоторые компоненты концентратора 700 могут оставаться на раме и в таком положении использоваться для концентрирования жидкости, тогда как другие компоненты можно снимать и устанавливать возле источника отбросного тепла таким образом, как показано в варианте осуществления, изображенном на фиг.13. Концентратор жидкости 700 имеет газовпускной патрубок 720 и газовыпускное отверстие 722. Газовпускной патрубок 720 сообщается с газовыпускным отверстием 722 через проточный канал 724. Проточный канал 724 имеет суженный участок или участок с профилем Вентури 726, который увеличивает скорость протекания газа по проточному каналу 724. Газ засасывается в охладитель 759 вытяжным вентилятором (не показанным на рисунках). В газовый поток в охладителе 759 впрыскивается жидкость через впускной патрубок жидкости 730. Газ поступает с участка с профилем Вентури 726 в туманоуловитель (или поперечноточный газопромывной аппарат) 734 через колено 733. Из туманоуловителя 734 газ поступает в газовыпускное отверстие 722 по трубе 723. Конечно, как было указано выше, некоторые из этих компонентов можно снять с рамы и установить непосредственно возле источника отбросного тепла, тогда как другие компоненты (такие как туманоуловитель 734, труба 723 и газовыпускное отверстие 722) могут оставаться на раме.
Когда газожидкостная смесь проходит по участку 726 с профилем Вентури проточного канала 724, часть жидкости испаряется и абсорбируется газом, расходуя большую часть тепловой энергии из отбросного тепла на увеличение скрытой теплоты, которая удаляется из системы концентрирования 700 в виде водяного пара в составе выхлопного газа.
В варианте осуществления, показанном на фиг.14-16, части концентратора жидкости 700 можно демонтировать и установить на отстойник для жидкости или прицеп грузовика для транспортировки. Например, охладитель 759 и участок с профилем Вентури 726 можно снять с колена 733, как показано на фиг.14 пунктирной линией. Аналогичным образом можно снять трубу 723 с вентилятора 750, как показано на фиг.14 пунктирной линией. Колено 733, туманоуловитель 734 и вытяжной вентилятор 750 можно закреплять на отстойнике для жидкости или прицепе грузовика 799 как единое целое. Трубу 723 можно закрепить на отстойнике для жидкости или прицепе грузовика 799 отдельно. Участок охлаждения 759 и участок с профилем Вентури 726 также можно закрепить на поддоне или прицепе грузовика 799 или транспортировать их отдельно. Блочная конструкция концентратора жидкости 700 упрощает его транспортировку.
3
3
В описанные здесь применения устройств и способов можно вносить различные изменения для улучшения удаления загрязняющих веществ из концентрированных сточных вод и из выхлопного газа, используемого для концентрирования этих сточных вод. Такие изменения могут быть особенно полезными, где загрязняющие вещества, предназначенные для удаления, находятся вместе с веществами, выбросы которых обычно регулируются правительственными органами. Примерами таких загрязняющих веществ могут быть оксиды серы (SOx), обычно присутствующие в выхлопном газе при сгорании газа из органических отходов, а также аммиак (NH). Ниже приводится описание изменений, которые могут быть осуществлены для применений устройств и способов, описанных выше для обеспечения удаления SOx и NH, но это описание не должно ограничиваться удалением только этих загрязняющих веществ.
Удаление SOx
2
2
2
2
2
2
2
2
Сероводород (HS) является известным ядовитым газом, который может выделяться при бактериальном разложении (химическое восстановление) составов, содержащих серу, сульфиты и сульфаты, и присутствующих в отходах на свалке. После образования, HS соединяется с другими газами, образующимися вследствие бактериального действия всех видов, происходящих на свалке, в результате образуется газ из органических отходов. В общем, чем больше количество отходов, содержащих серу, сульфиты и сульфаты, тем больше ожидаемое количество сероводорода. Например, отходы могут содержать сульфаты, источником которых является сульфат кальция (например, материал гипсовых стеновых плит), вклад которого составляет 10000 частей HS на миллион частей (вес.) газа из органических отходов. Сероводород является компонентом газа из органических отходов, сжигаемого в факельной установке на свалке, как описано в этом документе, например. Сгорание HS в газовом факеле, поршневом двигателе или турбине предпочтительно, та как HS преобразуется в оксиды серы (SOx), что позволяет избежать дорогостоящей предварительной обработки газа из органических отходов для удаления HS. Однако оксиды серы в некоторых странах могут рассматриваться как загрязнитель воздуха. Другим преимуществом сгорания HS в факеле является то, что HS повышает количество теплоты в выхлопе факела, что может быть использовано для концентрирования фильтрата свалки, уменьшая общее количество требуемого топлива.
2
3
Мокрые газопромыватели обычно используются для удаления SOx из выхлопных газов, образующихся при сгорании топлив, которые содержат серные составы, включая HS. Примеры таких газоочистителей включают распылительные и набивные колонны, контактирующие (мокрый контакт) посредством щелочных материалов (например, растворы или катализированные суспензии гидроксида натрия или извести (СаСО)) непосредственно выхлопным газом, предназначенным для «очистки» (т.е. удаления) из него SOx. Принцип, лежащий в основе мокрой очистки, может использоваться в контексте концентратора сточных вод, описанного в этом документе.
4
2
Щелочной материал известной концентрации может быть добавлен в сточные воды в количестве, достаточном для реакции с SОx, присутствующим в выхлопном газе, и преобразования его в гидроксид натрия и сульфат натрия (в котором щелочью является NaOH) и сульфат кальция (CaSO), в котором щелочью является известь. После образования, соли сульфита/сульфата натрия и сульфата кальция будут удалены из способа как часть жидкого концентрата. Окончательно соли сульфита/сульфата натрия и сульфата кальция могут быть удалены на предприятиях по обработке химических отходов, или далее преобразованы в поток с высоким содержанием твердых веществ (енапример, до 100%), который может быть помещен в специальные камеры на свалке для предотвращения обратного превращения сульфита/сульфаты в газ из органических отходов, такой как HS. Так как остаточный объем, образованный из фильтрата свалки, обычно представляет собой сильно разбавленный водный поток отходов, обычно только 3% от первоначального объема сточных вод даже с добавленными солями сульфита/сульфата, затраты на транспортировку и уничтожение на предприятиях по обработке химических отходов за пределами рабочей площадки, или затраты на строительство и эксплуатацию специальных камер на свалке для содержания в них 100% твердых веществ, должны быть рентабельными, особенно при сравнении с затратами на очистку дымового газа от выбросов или на удаление сероводорода перед сгоранием без использования отбросного тепла процесса сгорания в качестве основного источника энергии для очистки сточных вод (например, фильтратов).
Это использование с двойной целью для системы очистки сточных вод предоставляет огромные выгоды владельцам свалок, которые обнаруживают, что выбросы с факельных установок или энергетических станций с использованием газа из органических отходов в качестве топлива превышают установленные пределы для выбросов SOx. Преобразование концентратора для работы в комбинированном режиме концентрирования/газовой промывки включает только добавление дозирующей системы (например, насос, подключенный к контроллеру концентратора) и резервуара подачи выбранного щелочного реагента, используемого для газовой промывки. Также рабочие изменения для контроля добавления этапа удаления SOx к способу концентрирования не повысит значительно сложность простых аналитических проверок, которые могут быть использованы для контроля как уровней сероводорода в газе из органических отходов, так и количества сульфата в концентрате, произведенном при осуществлении способа.
2
Как видно на фиг.3 и 10, концентрирующий блок 120 может содержать впускное отверстие 187 для каустического (или щелочного) материала, соединенное с подачей каустического (или щелочного) материала 193 (например, гидроксида натрия или извести) с использованием линии подачи 189. Насос 191 может создавать давление в линии подачи 189 каустического или щелочного материала с резервуара подачи каустического или щелочного материала 193 таким образом, чтобы каустический или щелочной материал впрыскивался в концентрирующий блок 120 (например, через участок с профилем Вентури 162) для смешивания с выхлопным газом факельной установки 130 или генератора. В других осуществлениях, каустический или щелочной материал может смешиваться с фильтратом в подводящей линии фильтрата 186 до подачи в концентрирующий блок 120. Независимо от способа, после подачи каустического или щелочного материала в концентрирующий блок 120, этот материал быстро смешивается с выхлопным газом в концентрирующем блоке 120 вместе с фильтратом, как описано выше. После смешивания, каустический или щелочной материал вступает в реакцию с оксидами серы, преобразуя оксиды серы в сульфат натрия и сульфит натрия или сульфат кальция, как описано выше. После преобразования, сульфат натрия, сульфит натрия и/или сульфат кальция немедленно переходят в жидкую фазу, где они или остаются в растворенном состоянии или выпадают в осадок из газожидкостной смеси в концентрирующем блоке 120. Таким образом, сера, которая первоначально находилась в виде HS в газе из органических отходов, переходит в жидкую фазу и окончательно попадает вместе с концентрированным фильтратом в отстойник 172 блока туманоуловителя 122 и может быть извлечена вместе с концентрированным фильтратом для дальнейшего уничтожения. Как показано на фиг.9, контроллер 302 может быть оперативно подключен к насосу 191 для управления дозированием подачи каустического или щелочного материала в концентрирующий блок 120. Контроллер 302 может определять правильную дозу подачи каустика на основании, по крайней мере, массового потока выхлопного газа через концентрирующий блок 120 и процентном содержании оксидов серы в выхлопном газе. Таким образом, данный концентратор действительно может быть адаптирован к различным компонентам в выхлопном газе и/или различным скоростям массового потока выхлопного газа. В результате, данный концентратор имеет возможность одновременного концентрирования фильтрата свалки и удаления загрязняющих веществ, таких как оксиды серы, с выхлопного газа факельной установки свалки, поршневого двигателя или турбины.
Удаление аммиака
Аммиак является загрязнителем воздуха и причиной гранулированного образования в выхлопных газах при выбросе в атмосферу. Так как аммиак растворяется в воде, он обычно находится в сточных водах (например, фильтрате) свалок. В отличие от газа из органических отходов.
Известные принципы удаления аммиака могут быть использованы в контексте концентратора и очистителя среды, описанных в этом документе. Например, сточные воды, содержащие аммиак, могут быть очищены веществом (например, каустик или щелочь, такие как гидроксид натрия или известь), которое может повысить значение рН фильтрата. Фильтрат с повышенным значением рН может подаваться в аэратор, где аммиак, содержащийся в сточных водах, будет мигрировать в выпускаемый воздух аэратора. Выпускаемый воздух аэратора может соединяться с воздухом для горения и избыточным воздухом, используемым для работы факельной установки, поршневого двигателя или турбины, обеспечивающих теплоту для способа концентрирования.
4
2
4
В факельной установке, поршневом двигателе или турбине, аммиак, поступающий с воздухом для горения, может значительно уменьшить количество других загрязнителей, оксидов азота (NOx), которые могут присутствовать в продуктах сгорания. Такое уменьшение может быть выполнено при осуществлении способа, известного как селективное некаталитическое понижение выбросов NOx. При поступлении аммиака с источника отбросного тепла в концентратор с горячим газом, реагент, способный преобразовать аммиак в стабильную соль (как при удалении SOx посредством щелочных очищающих веществ), может быть введен в способ. Например, серная кислота может подаваться в сточные воды (например, фильтрат) после выпуска с аэратора. Эта кислота может быть использована для отделения аммиака как сульфата аммония (NH)SO при его нахождении в концентрированной жидкости.
Как показано на фиг.17, альтернативное осуществление концентратора, используемого для удаления аммиака из фильтрата свалки, может содержать подводящую линию каустика или щелочи 195, соединенную с подводящей линией фильтрата 186. Комбинированный поток каустик/фильтрат может подаваться через встроенный аэратор 201 до подачи в концентрирующий блок 120. Аэратор 201 может производить отбор газообразный аммиак, который высвобождается в поглощающий газ посредством предварительно добавленного акустика или щелочи. Отобранный газообразный аммиак может быть доставлен обратно в факельную установку 130 для газа из органических отходов или в поршневой двигатель или в турбину через линию подачи аммиака 194. Как описано выше, аммиак в факельной установке 130, поршневом двигателе или турбине может значительно уменьшить количество NОх. Независимо, аммиак может быть отделен как стабильная соль при добавлении реагента с источника реагента 197 через подводящий патрубок реагента 199 в концентрирующем блоке 120. Таким образом, данный концентратор может удалять аммиак из потока фильтрата, преобразуя аммиак в побочный продукт, который легко удаляется.
Один аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает комбинирование нагретого газа и потока сточных вод под давлением для образования смеси, понижение статического давления смеси для испарения части жидкости из смеси для получения частично выпаренной смеси, содержащей переносимые концентрированную жидкость и жидкий концентрат, контакт частично выпаренной смеси с щелочным материалом для снижения содержания оксидов серы в частично выпаренной смеси, и удаление части переносимой концентрированной жидкости и уменьшенного количества оксидов серы с частично выпаренной смеси для получения газа без содержания жидкости.
Другой аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает рециркуляцию и комбинирование жидкого потока сточных вод с жидким концентратом.
Еще один аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает удаление части переносимой концентрированной жидкости и уменьшенного количества оксидов серы с частично выпаренной смеси и прохождение частично выпаренной смеси через поперечнопоточный газопромыватель для удаления части переносимой концентрированной жидкости и уменьшенного количества оксидов серы с частично выпаренной смеси.
В еще одном аспекте способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, частично выпаренная смесь имеет температуру от приблизительно 150°F до приблизительно 190°F (от приблизительно 66°С до приблизительно 88°С).
Еще один аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает образование выхлопного газа при сгорании топлива.
Еще один аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает выбор топлива из группы, состоящей из газа из органических отходов, природного газа, пропана и их комбинации.
Еще один аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает сгорание газа из органических отходов.
Еще один аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает сгорание природного газа.
В еще одном аспекте способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, нагретый газ имеет температуру от приблизительно 900°F до приблизительно 1200°F (от приблизительно 482°С до приблизительно 649°С).
В еще одном аспекте способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, сточные воды содержат от приблизительно 1 масс.% до приблизительно 5 масс.% твердых веществ от общей массы фильтрата.
В еще одном аспекте способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, вероятно жидкий концентрат содержит, по крайней мере, приблизительно 10 масс.% твердых веществ от общей массы концентрата, более вероятно жидкий концентрат содержит, по крайней мере, приблизительно 20 масс.% твердых веществ от общей массы концентрата, даже более вероятно жидкий концентрат содержит, по крайней мере, приблизительно 30 масс.% твердых веществ от общей массы концентрата, и даже еще более вероятно жидкий концентрат содержит, по крайней мере, приблизительно 50 масс.% твердых веществ от общей массы концентрата.
В еще одном аспекте способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, частично выпаренная смесь содержит от приблизительно 5 масс.% до приблизительно 20 масс.% жидкости от общей массы частично выпаренной смеси, и более вероятно частично выпаренная смесь содержит от приблизительно 10 масс.% до приблизительно 15 масс.% жидкости от общей массы частично выпаренной смеси.
Еще один аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает сгорание природного газа, поступающего непосредственно из устья скважины природного газа.
Еще один аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает выбор сточных вод из группы, состоящей из фильтрата, обратной воды, пластовой воды и их комбинации.
Еще один аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает выбор щелочного материала из группы, состоящей из гидроксида натрия, карбоната кальция и их смеси.
Еще один аспект способа удаления серы из газа из органических отходов, описанного в этом документе, включает комбинирование нагретого газа и жидкого потока сточных вод, содержащих щелочной материал под давлением для образования их смеси и для снижения содержания оксидов серы, снижение статического давления смеси для испарения части жидкости из смеси для получения частично выпаренной смеси, содержащей переносимые концентрированную жидкость и жидкий концентрат, и удаление части переносимой концентрированной жидкости и уменьшенного количества оксидов серы с частично выпаренной смеси для получения газа без содержания жидкости.
Аспект способа удаления аммиака из фильтрата свалки, описанного в этом документе, включает комбинирование агента для повышения значения рН с жидким потоком сточных вод для образования потока сточных вод с повышенным значением рН, контакт воздушного потока с жидким потоком сточных вод с повышенным значением рН при условиях, достаточных для удаления аммиака из сточных вод для получения выпускного потока воздуха, обогащенного аммиаком, сточных вод с повышенным значением рН и небольшим количеством аммиака, комбинирование нагретого газа с потоком сточных вод с повышенным значением рН и небольшим количеством аммиака, под давлением для образования смеси, снижение статического давления смеси для испарения части жидкости из смеси для получения частично выпаренной смеси, содержащей переносимые концентрированную жидкость и жидкий концентрат, и удаление части переносимой концентрированной жидкости и уменьшенного количества оксидов серы с частично выпаренной смеси для получения газа без содержания жидкости.
Еще один аспект способа удаления аммиака из фильтрата свалки, описанного в этом документе, включает комбинирование выпускного потока воздуха, обогащенного аммиаком с потоком воздуха для сгорания, и сгорание топлива в присутствии комбинированного потока воздуха для получения выхлопного газа, содержащего нагретый газ.
Еще один аспект способа удаления аммиака из фильтрата свалки, описанного в этом документе, включает выбор каустика как материала для повышения значения рН.
Еще один аспект способа удаления аммиака из фильтрата свалки, описанного в этом документе, включает выбор гидроксида натрия и извести в качестве каустического материала.
Еще один аспект способа концентрирования сточных вод в соответствии с раскрытием этого изобретения, включает комбинирование нагретого газа и жидких сточных вод в пределах герметичного участка канала для образования смеси, которая протекает через герметичный канал под воздействием разряжения, создаваемого вытяжным вентилятором, расположенным после герметичного канала, подачу текущей смеси через участок канала с ограниченной площадью поперечного сечения по сравнению с площадью поперечного сечения, где создается смесь, повышая этим скорость потока и создавая турбулентность, приводящую к появлению поперечных сил между непрерывной газовой фазой и поверхностями ограниченного отверстия канала в контакте с дискретной жидкой фазой, которая разбивает капли и другие геометрические формы протекающей жидкости на очень мелкие капли, создавая этим протяженную граничную поверхность между протекающим газом и жидкими сточными водами, что обеспечивает быстрое приближение к температуре адиабатического насыщения жидкостно-газовой смеси вследствие быстрого переноса теплоты и массы с газа в жидкость и с жидкости в газ, соответственно, для получения частично выпаренной смеси, содержащей переносимые концентрированную жидкость и жидкий концентрат, и удаление части переносимой концентрированной жидкости из выпаренной смеси для получения газа без содержания воды.
Хотя определенные представленные варианты осуществления и детали были показаны для иллюстрации изобретения, сведущим в соответствующей области техники будет понятно, что различные изменения в способах и устройствах, раскрытых в этом документе, могут быть сделаны без отступления от объема изобретения.