Устройство для обезвреживания газообразных отходов
DEVICE FOR NEUTRALIZATION OF GASEOUS WASTES

Изобретение относится к области термической переработки газообразных отходов для обезвреживания вредных и/или имеющих неприятный запах газов. Оно может применяться в любой сфере деятельности, в процессе которой выделяются газообразные отходы.
Из уровня техники известен котел-утилизатор для обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов, описанный в патенте на изобретение RU 2365818 С2, опубл. 27.08.2009, который был выбран в качестве прототипа. Котел-утилизатор содержит патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов. Котел-утилизатор снабжен системой обогащения дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов. Реактор дополнительно содержит циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерами сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой степени очистки дымовых газов от примесей, а также увеличение надежности работы котла-утилизатора и эффективности утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов.
Недостатком известного котла-утилизатора является громоздкость конструкции и сложность ее изготовления, определяющие стационарный характер исполнения устройства,  а также его ограниченная область применения, т.к. он рассчитан только для утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов, использующихся например, в металлургической промышленности.
Технический результат заявленного изобретения заключается в упрощении конструкции устройства обезвреживания газообразных отходов, обеспечивающей ее  простотой и надежностью в эксплуатации, и в расширении функциональных возможностей устройства, позволяющие обезвреживать газообразные отходы от различных источников.
Устройство обезвреживания газообразных отходов содержит сборник газообразных отходов, соединенный через трубопровод с вентилятором, и вихревую противоточную горелку, которая содержит завихритель, при этом вентилятор обеспечивает регулируемую подачу смеси воздуха и газообразных отходов из сборника газообразных отходов в завихритель, а к вихревой противоточной горелке подсоединено топливное устройство, обеспечивающее подачу в нее горючего топлива, смешивающегося внутри с поступающими из вентилятора газами перед их сжиганием.
Предложенная конструкция устройства обезвреживания газообразных отходов имеет простую конструкцию, что обеспечивает высокую надежность в эксплуатации из-за отсутствия дополнительных элементов для ее функционирования и позволяет применять устройство в различных сферах деятельности, будь то приготовление пищи или обработка газообразных продуктов в растениеводстве и животноводстве. Конструкция устройства легко поддается сборке/разборке и при необходимости ее можно легко перемещать на любое подходящее место, не привязываясь к конкретному месту.
Вихревая противоточная горелка содержит завихритель, через который поступают газы от вентилятора, образующий вихревой противоточный поток поступающих газов, смешивающийся с топливом внутри горелки.
За счет применения вихревого противоточного эффекта в  вихревой противоточной горелке достигается хорошее перемешивание газообразных отходов (вредных газов) с окислителем (кислородом), поступающих в горелку от вентилятора, а в последующем их перемешивание с топливом из топливного устройства в камере горелке, образуя надежную и устойчивую зону горения, обеспечивающую на основе высокотемпературной переработки значительное обезвреживание газообразных отходов, приводя их к соответствующим экологическим нормам и устраняя неприятный запах.
Благодаря регулируемой подаче газов и топлива в вихревую противоточную горелку контролируется время пребывания и температура продуктов сгорания, определяющих производительность обработки газообразных отходов.
В качестве топлива, используемого в топливном устройстве, может применяться газообразное (например, метан или пропан) или жидкое (например, дизельное или керосин) высококалорийное топливо.
В одном из вариантов устройство обезвреживания газообразных отходов может содержать смеситель, в который поступают продукты сгорания из вихревой противоточной горелки для уменьшения их температуры до требуемого уровня путем разбавления с атмосферным воздухом от дополнительного вентилятора, подсоединенного к смесителю, для последующей подачи полученной тепловой энергии на определенные нужды, например, подогрев воды. В качестве такого смесителя может использоваться смеситель эжекционного типа.
Далее будет подробно описано заявленное изобретение с различными вариантами его исполнения.
Газообразные отходы, образующиеся при термической обработке продукции, включают не только угарный газ, вредные вещества, но и канцерогены, которые попадают в организм человека и меняют в нем структуру ДНК, увеличивая риск развития онкологических заболеваний. Выделяющийся дым/газ имеет специфический запах и цвет, не всегда приятен окружающим. Для уменьшения рисков заражения онкологическими заболеваниями и негативного воздействия таких газов на окружающих применяется технология их обезвреживания. На основе высокотемпературной переработки / сжигания всех компонентов дыма и газообразных отходов происходит значительное обезвреживание процесса приготовления пищи, переработки отходов растениеводства и животноводства. При этом продукты переработки становятся соответствующими экологическим нормам - предельно допустимым концентрациям вредных веществ в атмосфере, исчезает характерный запах дыма и пр.
Для этих целей предлагается устройство для обезвреживания газообразных отходов, содержащее сборник газообразных отходов, из которого поступившие газы вентилятором через трубопровод нагоняются в вихревую противоточную горелку, в которой они смешиваются с топливом из топливного устройства, подсоединенного к горелке, для последующего сжигания.
Заявленное устройство для обезвреживания газообразных отходов может быть использовано для обезвреживания дыма и запаха от установок, используемых в различных областях деятельности человека, например, при приготовлении пищи (мангал для гриля/ шашлыка), сушки и переработки отходов растениеводства/ животноводства или других органических отходов в случаях, когда температура смеси выделяющихся газов с подсасываемым воздухом не превышает 200-300 °С - для обеспечения возможности использования дымососного оборудования - сборника газообразных отходов и вентилятора,  без ущерба к их функционированию. Также заявленное изобретение может быть использовано при утилизации углеводородных остатков продуктов термического разложения мягких тканей животных, птиц и рыб.
Сборник газообразных отходов обеспечивает «улавливание» поступающих для обработки газообразных отходов. Он изготавливается из различных материалов, имеющих стойкость к повышенным температурам.  Внешний вид и форма его может быть также различными - прямоугольным, сферическим, конусообразным и т. д.
В одном из вариантов изобретения сборник газообразных отходов представляет собой пирамидальный короб из металлических листов, основанием располагающийся над источником газообразных отходов (например, над мангалом или над вентиляционным отверстием устройства сушки). В короб собираются не только выделяющиеся газы (дым и прочие газы), но и по периметру основания и/или через локальные места засасывается также «чистый» воздух из помещения или окружающей среды. Здесь и далее под термином «чистый» воздух» подразумевается воздушная смесь (воздух), содержащая кислород. В качестве локальных мест для подсоса чистого  воздуха короб может быть оборудован заслонкой с регулируемым отверстием, засасывающий воздух, не содержащий газообразные отходы, например, сверху короба.
К сборнику газообразных отходов подсоединен трубопровод, который соединяет его с вентилятором. Вентилятор обеспечивает регулируемый процесс засасывания газов (газообразные отходы + воздух) через сборник газообразных отходов с последующим направлением их в вихревую противоточную горелку.
В вихревой противоточной горелке поступившие из вентилятора газы смешиваются с топливом, поступающим от топливного устройства, также подсоединенного к горелке. Образованная смесь подвергается воспламенению внутри вихревой противоточной горелки, в результате которого происходит термическая деструкция вредных газов, содержащихся в газообразных отходах.
Смешивание топлива с газами необходимо для более полного сжигания (термической деструкции) вредных газов. При этом наиболее эффективно этот процесс происходит в случае, если дым и воздух, содержащиеся в выходящихся от вентилятора газов, будут перемешаны между собой до смешения их с топливом.
Для выполнения  указанных условий предлагается вихревая противоточная горелка, содержащая завихритель, обеспечивающий образование вихревого противоточного потока поступающих газов в виде вращательно-поступательного движения воздушного потока внутри горелки, в результате которого происходит смешение вредных газов с кислородом. В качестве завихрителя могут быть использованы завихритель улиточного типа или завихритель лопаточного типа.
В зависимости от оборотов работы вентилятора, регулируется скорость вращательно-поступательного движения вихревого потока внутри горелки.
Ниже показан принцип работы вихревой противоточной горелки при установке завихрителя улиточного типа.
Поступающие из вентилятора газы, представляющие собой смесь газообразных отходов и воздуха, направляются на вход канала в завихритель, который закручивает эту смесь, в результате чего совершают вращательно-поступательное движение в канале между корпусом и жаровой трубой горелки, обеспечивая перемешивание смеси и  конвективное охлаждение обеих поверхностей до допустимого уровня температур (порядка 40-80 °С) в процессе работы горелки, достигнув выхода канала, газы поступают в жаровую трубу и двигаются в противоположном направлении, вращаясь вдоль периферии жаровой трубы и обеспечивая ее тепловую защиту от горячих продуктов сгорания внутри жаровой трубы. Достигнув закрытой стороны жаровой трубы, смесь газов смешивается с впрыскивающим форсункой топливом и попадает в зону стабилизации горения, где начинается процесс горения внутри центрального вихря, состоящего из продуктов сгорания топлива и подсасываемого воздуха и дыма из периферийного вихря. За счет сформированных вихревых структур внутри жаровой трубы обеспечивается устойчивая зона стабилизации, горения и перемешивания, характерна высокой эффективностью сжигания и обезвреживания дыма. В центральном вихре / зоне горения происходит нагрев и термический распад газообразных отходов в безопасные для здоровья элементы. В зависимости от скорости вращательного и поступательного движения периферийного и центрального вихрей меняется время пребывания газообразных отходов в зоне горения и их температура, тем самым изменяется качество процесса термической деструкции для многих типов газообразных отходов. Процесс окисления высококалорийного топлива завершается образованием продуктов сгорания, содержащих двуокись углерода СО2 и водяные пары Н2О, а также низкие и контролируемые концентрации вредных выбросов СО и NOx. Продукты сгорания с высокой температурой выбрасываются из горелки через сопло.
Для запуска процесса обезвреживания и воспламенения смеси газов и топлива вихревая противоточная камера сгорания содержит искровой воспламенитель.
Топливное устройство, подсоединяемое к вихревой противоточной горелке,  может использовать газообразное или жидкое топливо. Топливным устройством могут быть различные устройства, известные в уровне технике, обеспечивающие подачу горючего топлива. Например, таким устройством может быть газовый баллон, содержащий метан/пропан, и имеющий топливную аппаратуру.
Топливное устройство имеет форсунку, расположенную в вихревой противоточной горелки, через которую подается, например, газообразное топливо в зону стабилизации пламени за счет избыточного давления в газовом баллоне или за счет топливного насоса высокого давления в случае использования жидкого топлива. Топливное устройство оснащено дозатором расхода и регулятором давления топлива, которые совместно с регулятором расхода воздуха вентилятора (обычно это частота вращения вентилятора - дымососа) обеспечивают требуемое соотношение воздух-топливо из условий необходимой температуры сжигания для термической деструкции газообразных отходов.
Для устойчивого горения (окисления) высококалорийного топлива, например, метана или пропана, газообразные отходы не должны превышать 20-30% по массе от массового расхода воздуха.
Подача топлива осуществляется в зависимости от соотношения расходов воздуха и топлива (так называемый коэффициент избытка воздуха относительно стехиометрического соотношения). Уникальность предлагаемой вихревой противоточной горелки заключается в очень широком диапазоне работы по коэффициенту избытка воздуха от 1 до 10, что позволяет устойчиво менять температуру процесса обезвреживания приблизительно от 700 до 1800 °С.
Для достижения необходимого коэффициента избытка воздуха устройство для обезвреживания газообразных отходов может содержать регулирующее дополнительную подачу воздуха устройство. Например, таким устройством может быть воздуховод с регулируемой заслонкой. Он располагается в местах, обеспечивающих доступ к воздуху, не содержащему газообразные отходы, присоединяясь к трубопроводу напрямую или через сборник газообразных отходов. Всасывание в него воздуха осуществляется вентилятором.
Также возможен вариант, в котором к вихревой противоточной горелке присоединен дополнительный вентилятор для подачи «чистого» воздуха, который подмешивается в завихритель горелки к смеси дыма и воздуха в случае предельно недопустимой концентрации дыма для образования требуемой горючей смеси топлива и воздуха (окислителя) и осуществления устойчивого горения. Подача такого воздуха также регулируется оборотами дополнительного вентилятора.
При малом поступлении объема газов из вентилятора(-ов) (при его низких оборотов работы) потребуется меньшее количества топлива для его переработки, при этом температура обработки будет уменьшена, а длительность нахождения продуктов сгорания в горелке увеличена. Дополнительно можно использовать   завихритель с большей закруткой смеси воздух-дым для увеличения времени пребывания.  Таким образом регулируется производительность и приспосабливаемость устройства обезвреживания для разных типов газообразных отходов.
Предлагаемая конструкция вихревой противоточной горелки обеспечивает широкий диапазон возможных температур сжигания - от 700 до 1800 °С за счет регулируемой подачи смеси воздуха и дыма и топлива через вентилятор и топливное устройство.
Благодаря изменению температуры регулируется производительность  обработки газообразных отходов, что позволяет сэкономить расходы при наличии небольшого потока газообразных отходов.