КОМПЛЕКСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ВОЗДУХА И ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
SYSTEM FOR HEATING AIR AND CLEANING VAPOURISED GASES

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к утилизации тепла дымовых газов совместно с их очисткой при нагреве воздуха, подаваемого на горение.
Известно устройство, содержащее газовый короб с размещенной в нем тепловой камерой, в начале которой от коллектора холодного воздуха через днище пропущены патрубки холодного воздуха, заканчивающиеся щелевыми соплами холодного воздуха, размещенными параллельно друг к другу и направленными в сторону движения дымовых газов, устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха, промежуточные ловушки-конфузоры, аналогичные по конструкции щелевым соплам, а в конце газового короба помещен ряд ловушек горячего воздуха, размещенных аналогично промежуточным ловушкам-конфузорам и соединенных через патрубки горячего воздуха с коллектором горячего воздуха [1].
К недостаткам известного устройства относятся наличие в дымовых газах после их охлаждения до температуры ниже точки росы капель агрессивного конденсата, содержащего кислотные компоненты, и газообразных окислов азота и окислов серы, влекущее за собой интенсивный коррозионный износ следующих по ходу газа газоходов и оборудования, загрязнение окружающей атмосферы, что снижает его эффективность и экологическую безопасность.
2
Более близким к предлагаемому изобретению является полифункциональный струйный воздухоподогреватель, содержащий газовый короб с размещенной в нем тепловой камерой, в начале которой от коллектора холодного воздуха, через днище пропущены патрубки холодного воздуха, заканчивающиеся щелевыми соплами холодного воздуха, размещенными параллельно друг к другу и направленными в сторону движения дымовых газов, устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха, промежуточные ловушки-конфузоры, а в конце тепловой камеры помещен ряд ловушек горячего воздуха, соединенных через патрубки горячего воздуха с коллектором горячего воздуха, камерой очистки с коническим днищем, соединенным через гидрозатвор с дренажным трубопроводом, в которой помещены параллельно ходу газов перфорированные кассеты, покрытые слоем гидроокиси кальция (Ca(ОН)) с газовыми каналами между собой, прикрепленные к крышке кассет и вертикальные отбойные пластины, прикрепленные под некоторым углом относительно нормали движения дымовых газов к крышке отбойных пластин [2].
2
4
К основным недостаткам известного полифункционального струйного воздухоподогревателя относится малая эффективность очистки дымовых газов от окислов азота, обусловленная низкой скоростью окисления окиси азота (NO) в двуокись (NO) молекулярным кислородом воздуха, невозможностью улавливания СО и несгоревших остатков топлива (CH) гашеной известью, относительно небольшой площадью массопередачи, создаваемой суммарной поверхностью перфорированных пластин, соответственно коротким активным циклом работы слоя гидроокиси кальция из-за его малого количества в слое покрытия пластин, что снижает эффективность и экологическую безопасность устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение содержания в охлажденных дымовых газах вредных газообразных примесей и несгоревших остатков топлива и, соответственно, повышение эффективности и экологической безопасности устройства.
2
2
Технический результат достигается тем, что предлагаемое комплексное устройство для нагрева воздуха и очистки дымовых газов (КУНВОДГ) содержит газовый короб с коллекторами холодного воздуха и горячего воздуха, в котором размещены по ходу движения дымовых газов патрубки холодного воздуха с щелевыми соплами холодного воздуха, устроенные соосно напротив каждого сопла холодного воздуха, промежуточные ловушки-конфузоры, ловушки горячего воздуха, камера очистки с коническим днищем, соединенным через гидрозатвор с дренажным трубопроводом, в которой размещена параллельно ходу газов гидроокись кальция (Ca(ОН)) с газовыми каналами между собой и вертикальные отбойные пластины. Коллектор горячего воздуха соединен с камерой регенерации, в которой помещен вертикальный плоский контейнер с насыщенным активированным углем; камера смешения снабжена перфорированным распределительным патрубком, соединенным с озонатором; в камере очистки помещены параллельно ходу газов два ряда вертикальных плоских контейнеров так, что между ними образуются газовые каналы, причем все контейнеры выполнены с перфорированными стенками, прямоугольные отверстия которых отбортованы со стороны, противоположной направлению движения дымовых газов, буртиками под углом 45°, при этом первый ряд контейнеров заполнен крошкой из гидроокиси кальция (Ca(ОН)) и прикреплен к своей крышке, а второй ряд - крошкой из активированного угля и также прикреплен к своей крышке.
X
X
В основу работы предлагаемого КУНВОДГ положены свойства затопленной турбулентной струи воздуха, в частности плоской струи, которая, распространяясь в направлении истечения, перемешивается с окружающей газовой средой, причем перемешивание сопровождается вовлечением в воздушную струю масс газовой среды, сообщением периферийной части газовой среды движения, совпадающего с направлением струи. При этом наряду с перемешиванием граничных слоев воздушной струи и газовой среды происходит интенсивный теплообмен между ними, значительно превышающий скорость теплопередачи через стенку, так как в этом случае отсутствует термическое сопротивление стенки с загрязнениями и конвективный теплообмен осуществляется непосредственно между частицами воздуха и газа, а также начинает играть существенную роль лучистый теплообмен, что приводит к быстрому выравниванию температуры воздушной струи и газовой среды [3, с.326-339], [4, с.50-60]. Кроме того, частичное смешение воздуха с дымовыми газами и последующее использование полученной смеси для горения позволяет уменьшить содержание в дымовых газах NO и SO [5, с.457]. Для уменьшения перемешивания воздушной струи с дымовыми газами с одновременным обеспечением высокой температуры ее нагрева используется повторное сжатие одной и той же воздушной струи, что позволяет снизить градиент скорости на оси струи и, соответственно, примеси дымовых газов в ней [6, с.378]. Уменьшение концентрации в охлажденных дымовых газах при их охлаждении до температуры ниже точки росы капель агрессивного конденсата, газообразных окислов азота, окислов серы и окислов углерода обеспечивается путем взаимодействия этих примесей с озонированным воздухом, гидроокисью кальция, активированного угля, улавливания капель агрессивного конденсата и отвода его из рабочей зоны [7, с.10, 14], [7, с.275, 415, 483], [8, с.348], [9, с.227], [10, с.289].
На фиг.1-6 изображено комплексное устойство для нагрева воздуха и очистки дымовых газов (КУНВОДГ).
2
КУНВОДГ содержит газовый короб 1, в котором размещены по ходу движения дымовых газов тепловая камера 2, в начале которой от коллектора холодного воздуха 3 через днище пропущены патрубки холодного воздуха 4, заканчивающиеся щелевыми соплами холодного воздуха 5, размещенными параллельно друг к другу и направленными в сторону движения дымовых газов, устроенные соосно напротив каждого сопла 5, промежуточные ловушки-конфузоры 6, аналогичные по конструкции щелевым соплам 5, и соосный им ряд ловушек горячего воздуха 7, соединенных через патрубки горячего воздуха 8 с коллектором горячего воздуха 9 и камерой регенерации 10; камера смешения 11 с перфорированным распределительным патрубком 12, соединенным с озонатором 13; камера очистки 14 с коническим днищем 15, соединенным через гидрозатвор 16 с дренажным трубопроводом, в которой помещены параллельно ходу газов два ряда вертикальных плоских контейнеров 17 так, что между ними образуются газовые каналы 18, причем контейнеры 17 выполнены с перфорированными стенками, прямоугольные отверстия 19 которых отбортованы со стороны, противоположной направлению движения дымовых газов, буртиками 20 под углом 45°, при этом первый ряд контейнеров 17 заполнен крошкой из гидроокиси кальция (Ca(ОН)) 21 и прикреплен к своей крышке 22, а второй ряд - крошкой из свежего активированного угля 23 и также прикреплен к своей крышке 24 (в регенерационной камере 10 также помещен один ряд контейнеров 17, заполненных крошкой насыщенного активированного угля 23), а на выходе из камеры очистки 14 установлены вертикальные отбойные пластины 25, прикрепленные под некоторым углом относительно нормали движения дымовых газов к крышке отбойных пластин 26.
4
2
2
X
X
2
3
3
2
4
2
2
x
2
2
2
3
3
2
x
x
4
2
x
4
2
Предлагаемое КУНВОДГ работает следующим образом. Дымовые газы при разрежении, соответствующем режиму работы котельного агрегата или промышленной печи, поступают из газового короба 1 в тепловую камеру 2, куда также вентилятором высокого давления по коллектору холодного воздуха 3 через входные патрубки 4 из щелевых сопел 5, количество которых выбирается исходя из условия создания устойчивых плоских струй со скоростью воздуха, достаточной для последующих сжатий и образования повторных струй, воздух подают в виде параллельных плоских струй, нагреваемых со всех сторон движущимися дымовыми газами, увлекаемыми этими струями, которые далее попадают в промежуточные ловушки-конфузоры 6, аналогичные по конструкции щелевым соплам 5. При этом в пограничных слоях происходит частичное перемешивание и вовлечение в воздушные струи некоторой части дымовых газов, интенсивный конвективный и лучистый теплообмен между дымовыми газами и воздухом и, соответственно, быстрый нагрев воздушных струй и охлаждение дымовых газов. Нагретые до промежуточной температуры и частично смешанные с дымовыми газами воздушные струи в промежуточных ловушках-конфузорах 6 сжимаются, истекают из них в виде повторных плоских струй, которые в очередной раз нагреваются, охлаждая при этом сопровождающие их потоки дымовых газов, попадают в следующий ряд промежуточных ловушек-конфузоров 6, где вышеописанный процесс повторяется и т.д. Нагретые до требуемой температуры воздушные струи с некоторой примесью дымовых газов, количество которых задают из заданной рециркуляции, попадают в прямоугольные входные отверстия ловушек горячих струй 7, расположенных аналогично ловушкам-конфузорам 6, откуда через патрубки 8, коллектор горячего воздуха 9 воздух поступает в камеру регенерации 10, где за счет своего тепла, полученного от дымовых газов, десорбирует из крошки насыщенного активированного угля 23 в контейнерах 17 газообразные остатки несгоревшего топлива (СН), угарный газ (СО) и двуокись углерода (CO), после чего его подают для проведения процесса горения в топку котельного агрегата или промышленную печь. Охлажденные до температуры ниже точки росы дымовые газы, содержащие капли агрессивного конденсата и подмешанный воздух, поступают в камеру смешения 11, где дымовые газы смешиваются с озонированным воздухом, поступающим из перфорированного распределительного патрубка 12 и приготовленным в озонаторе 13. Далее газовоздушная смесь поступает в камеру очистки 14 со скоростью, большей, чем скорость дымовых газов на входе в тепловую камеру 2, что обусловлено передачей им части энергии воздушных струй. При этом в камере очистки 14 ввиду наличия в дымовых газах кислорода воздуха, озона, который на порядки увеличивает скорость реакций окисления NO в NO, капель конденсата, а также относительно низкой температуры (80-90)°С в газовой фазе с большой скоростью протекают реакции окисления вредных примесей (NO и SO) до легкорастворимых в воде двуокиси азота и серного ангидрида (NO и SO), абсорбции их конденсатом с образованием азотной и серной кислот (НNO и HSO), после чего обогащенный кислотными компонентами конденсат совместно с дымовыми газами проходит газовые каналы 18 между перфорированными контейнерами 17 1-й ступени, заполненными крошкой гидроокиси кальция (Ca(ОН)) 21. При этом буртики 20 способствуют направлению дымовых газов вглубь контейнеров 17 через отверстия 19 к поверхности крошки Са(ОН) 21, на которой происходят химические реакции находящихся в дымовых газах окислов азота (NO), капель кислого конденсата, двуокиси углерода (СО) с образованием нитрита кальция (Ca(NO)), углекислого кальция (СаСО), нитрата кальция (Ca(NO)) [6, с.415, 483], [8, с.406], [9, с.227], после чего очищенные от большей части вредных примесей (NO, SO) дымовые газы проходят газовые каналы 18 между перфорированными контейнерами 17 2-й ступени очистки, заполненные крошкой активированного угля 23, где дымовые газы попадают вовнутрь аналогично вышеописанному, очищаются от остатков несгоревшего топлива (CH), угарного газа (СО) и частично от двуокиси углерода (CO), которые адсорбируются активированным углем, после чего очищенные от большей части вредных примесей (NO, СН, СО, СO, пары воды) дымовые газы ударяются об отбойные пластины 25, освобождаясь от уносимых капель конденсата, и выводятся в атмосферу, а кислый конденсат стекает в поддон 15, откуда через гидрозатвор 16 и дренажный трубопровод отводится к потребителю.
2
2
Отработавшую насадку, состоящую из крошки 21 и 23 в перфорированных контейнерах 17, меняют на свежую и регенерированную по мере ее насыщения, что определяется опытным путем. Процесс замены отработавшей крошки 21 1-й ступени очистки заключается в том, что контейнеры 17 с ней извлекают из короба 1, опорожняют их и снова заполняют свежей крошкой гашеной извести (Ca(ОН)), после чего повторно используют для очистки дымовых газов. Процесс регенерации отработавшей крошки 23 2-й ступени очистки заключается в том, что контейнеры 17 с ней извлекают из камеры очистки 14 и устанавливают в камере регенерации 10, где происходит вышеописанный процесс отгонки поглощенных газов, после чего контейнеры 1 с регенерированной крошкой 23, состоящей из активированного угля, очищенного от СО и CO, снова устанавливают в камеру очистки 14, возвращая тем самым в цикл использованный активированный уголь в качестве адсорбента. Отработавшая крошка 21 представляет собой смесь углекислого кальция, нитрита и нитрата кальция, являющихся азотсодержащими веществами, и может быть использована в качестве азотного удобрения в сельском хозяйстве [10, с.227], а кислый конденсат из поддона 13, обогащенный кислотными компонентами и двуокисью углерода, для последующей обработки и добавки в подпиточную воду.
Таким образом, предлагаемое КУНВОДГ позволяет нагревать воздух, обогащая его несгоревшими компонентами топлива и угарным газом при охлаждении дымовых газов до температуры ниже точки росы, уменьшить содержание агрессивных и вредных веществ в охлажденных дымовых газах, утилизировать уловленные вредные компоненты, что повышает эффективность работы теплогенерирующей установки и экологическую безопасность ее работы.