Дымовой фильтр с теплообменником-сажеуловителем и самоочищающимся бэкфиллинговым блоком
SMOKE FILTER WITH HEAT EXCHANGER-SOOT COLLECTOR AND SELF-PURIFYING BACKFILLING BLOCK

Изобретение относится к области очистки прямых дымовых выбросов металлургических предприятий, пиролизных печей ТБО, котельных, работающих на угле, торфе и мазуте, и утилизации тепловой энергии дыма.
Известен насыпной многослойный фильтр, в частности для дымовых газов (RU 94043784 A1, 27.07.1996), имеющий основной корпус, в котором размещена несущая решетка, размещенная между расположенным вверху пространством для очищенного газа и пространством для неочищенного газа. Внутри корпуса находится подающее приспособление с засыпной шахтой, служащей для подачи фильтровального гранулята в насыпной подстилающий слой с целью постоянного обновления насыпного слоя, а также транспортера, который отводит использованный фильтровальный материал.
Фильтровальный гранулят, который с помощью подающего приспособления через перфорированное днище подводится к верхней стороне насыпного слоя, распределяется равномерно, причем перфорированное днище предотвращает расслаивание спектра зерен фильтровального гранулята. В результате образования насыпных конусов ниже проходной поверхности перфорированного днища происходит дополнительное увеличение реактивной поверхности под перфорированным днищем, насыпной материал остается рыхлым, а уплотнения и закупорки не происходит. В качестве альтернативы в другой форме исполнения изобретения предусмотрена также возможность размещения обоих перфорированных днищ друг над другом. При этом оба перфорированных днища размещены друг над другом на расстоянии, в результате чего между обоими перфорированными днищами возникает возможность использования охлаждающей системы. Эта охлаждающая система может быть либо замкнутой, либо быть подключенной к источнику охлаждающей среды. Например, имеется возможность использования в качестве охлаждающей системы воды, воды-воздуха или воздуха-воздуха.
Наряду с преимуществами фильтра имеются следующие недостатки: отсутствие системы утилизации тепловой энергии дыма, отсутствие фракционного фильтрования крупно- и мелкодисперсных частиц дымного аэрозоля, отсутствие системы регенерации насыпного материала, сложный способ рециркуляции фильтрующего материала, крупные габариты фильтра.
Известна система пылегазоочистки с узлом обработки дымовых газов печи и фильтром для очистки дымовых газов от пыли (RU 2442931 С1, 20.02.2012) Так как дымовые газы имеют температуру 1000-1100°С, а предельная температура, при которой работает дымосос 250°С, то необходимо перед дымососом устанавливать камеру смешения. Перед камерой смешения устанавливается зольник, который служит для задержки и удаления частиц золы, находящихся в дымовых газах. Камера смешения служит для смешивания дымовых газов с уличным воздухом, причем при смешении происходит снижение температуры дымовых газов до 160-190°С. Дымовые газы из печи нагнетаются дымососом по трубе во входной патрубок пылегазоочистки. При движении дымовых газов через камеру смешения они инжектируют уличный воздух. Расход дымовых газов и уличного воздуха в камере смешения регулируется шиберными заслонками. Очистка дымовых газов от вредных веществ происходит на поворотной решетке в «кипящем слое», причем в качестве адсорбента используется активированный уголь и известь «пушонка». Адсорбент загружается через загрузочный патрубок на поворотную решетку установки пылегазоочистки. В верхней части корпуса пылегазоочистки имеются четыре рукавных фильтра (два матерчатых фильтра и два металлокерамических), в которых производится очистка дымовых газов от пыли. Установка пылегазоочистки имеет обслуживающую площадку, на которой установлена воздуходувка, закрепленная на раме. На обслуживающей площадке закреплен и корпус установки пылегазоочистки. Обслуживающая площадка опирается на четыре опоры. Очищенные дымовые газы из установки пылегазоочистки по трубе воздуходувкой подаются в дымовую трубу. Один раз в двое суток оператор (водитель тягача) установки пылегазоочистки поворачивает поворотную решетку, отработанный адсорбент падает в нижний конус установки пылегазоочистки. Далее открывается крышка нижнего патрубка и отработанный адсорбент падает в емкость и увозится в отвал. Загрузка установки пылегазоочистки новым адсорбентом, находящимся в мешках, закрепленных на стеллажах и полу контейнера-прицепа также производится один раз в двое суток. Чтобы наблюдать за процессом очистки дымовых газов имеются два глазка. Для проведения регламентных работ на установке пылегазоочистки водитель тягача открывает крышку контейнера-прицепа, которая находится над установкой пылегазоочистки. В верхней части корпуса установки пылегазоочистки имеется механизм продувки рукавных фильтров, который смонтирован на крышке установки пылегазоочистки. Сжатый воздух для продувки рукавных фильтров (регенерации) подается от компрессора.
Данная установка имеет ряд недостатков, к которым можно отнести следующие: не гарантированная эффективность удаления сажи в зольнике и в «кипящем слое» снижает степень очистки дымовых газов, инжектирование уличного воздуха в поток дымового газа для его охлаждения увеличивает объем фильтровального потока и габариты фильтрующих элементов, использование компрессора для подачи приточного уличного воздуха увеличивает энергопотребление системы, высокие абразивные нагрузки на «кипящий слой» снижают эксплуатационную надежность системы пылегазоочистки.
Известна установка сухой очистки дымовых газов от кислых компонентов, (RU 2 687 410 C1, 13.05.2019) Установка содержит последовательно соединенные полый форсуночный скруббер с входом для атмосферного воздуха, реактор сухой сорбции и рукавный фильтр. Реактор сухой сорбции включает полый перфорированный ротор с насадкой из керамических шаров. Кроме того, бункер-накопитель рукавного фильтра соединен с выходным газоходом реактора сухой сорбции средством транспортировки сорбента - шнековым питателем для его рециркуляции. Рукавный фильтр снабжен устройством обратной очистки сжатым воздухом. Изобретение позволяет исключить необходимость создания виброкипящего слоя сорбента, что обеспечивает практическое отсутствие требований по гранулометрическому составу химического реагента, снизить абразивную нагрузку за счет низкой скорости дымовых газов с твердыми частицами в системе газоочистки, исключить энергетические затраты на создание виброкипящего слоя и рециркуляцию реагента, механическое измельчение крупных кусков реагента в рабочей зоне реактора сухой сорбции.
Наряду с достоинствами установка имеет недостатки, к которым можно отнести следующие: низкая скорость потока фильтруемого дымового газа, отсутствие системы утилизации тепловой энергии дыма, высокое аэродинамическое сопротивление фильтрующего слоя в роторе, необходимость частой загрузки свежего сорбента. Тем не менее, поскольку принцип и способ разделения высокотемпературной и низкотемпературной фильтрации дыма присутствуют в изобретении, данное техническое решение принято в качестве ближайшего прототипа.
Техническая задача изобретения, направленная на устранение недостатков аналогов и прототипа, заключается в реализации фракционной фильтрации крупнодисперсных и мелкодисперсных частиц дымового газа, снижении материалоемкости дымового фильтра за счет упрощения конструкции, приоритетном использовании стандартных общепромышленных устройств, снижении нагрузок на фильтрующий материал, увеличении пропускной способности дымового фильтра на основе прогрессивной раздельной регенерации высокотемпературной и низкотемпературной фильтровальных сред, доведении качества очистки дымовых газов в ожиженном фильтрующем слое до уровня рукавных фильтров и скрубберов при значительном уменьшении габаритов конструкции, снижении стоимости эксплуатации, экономии ресурсов от утилизации высвобождающейся тепловой энергии дыма.
Техническая задача решается дымовым фильтром для очистки прямых дымовых выбросов, состоящим из последовательно соединенных теплообменника-сажеуловителя (ТОСУ) и бэкфиллингового блока (БФБ) (от англ. backfilling - обратная засыпка). ТОСУ имеет корпус с рабочим фильтровальным пространством, создаваемым рядным массивом неподвижных теплосъемных пластин, которые являются выступами теплообменной стенки, охлаждаемой внешним теплоносителем, например, водой. В фильтровальном пространстве ТОСУ размещен массив скреперных насадок для удаления сажи. Возвратно-поступательное движение скреперных насадок осуществляется электроприводом и обеспечивает механическое удаление сажи из фильтровальной зоны ТОСУ. Удаление сажи производится циклически без перекрытия фильтровального потока. БФБ содержит барабан с перфорированной обечайкой, на внутренней поверхности которой концентрически расположены лопатки, изогнутые в сторону вращения барабана. Внутрь барабана насыпан сыпучий фильтрующий материал. Лопатки формируют равномерный по толщине и рыхлости фильтрующий слой в фильтровальной зоне обечайки. Конденсат из паров воды, дымовых кислот и смол ожижает фильтрующий слой, а непрерывный процесс гравитационной обсыпки и обратной засыпки - бэкфиллинг - обеспечивает его регенерацию. Самоочищение фильтрующего слоя БФБ является положительным побочным эффектом от бэкфиллинга гранул и тяги дымососа. Вредные и ядовитые вещества в виде дымовой жижки удаляются через патрубок в поддоне БФБ. Для внешнего ожижения фильтрующего слоя специальным раствором в целях хемосорбции используется система орошения, которая размещается под крышкой корпуса БФБ. Система внешнего орошения дополнительно увеличивает эффективность очистки дымовой смеси. Входной поток дымовых газов от теплообменника-сажеуловителя подается через раструб с пластичными кромками, обеспечивающими герметичность его соединения с вращающимся барабаном бэкфиллингового блока. Барабан приводится во вращение электроприводом. Дымосос на выходе бэкфиллингового блока обеспечивает тягу дымовых газов.
Технический результат изобретения заключается в высокоэффективной дифференцированной фильтрации прямых дымовых выбросов с разделением на крупнодисперсную фракцию осадка - сажу, золу и пепел, и мелкодисперсную фракцию осадка в виде жижки, снижении абразивных нагрузок на фильтрующие пластины ТОСУ и на гранулы подвижного фильтрующего слоя БФБ, и, как следствие, снижении затрат на рециркуляцию и регенерацию фильтрующего материала БФБ. При этом использование вибрирующей скреперной насадки для регенерации пластин ТОСУ с минимальными затратами удаляет сажу, а дополнительное орошение подвижного фильтрующего слоя позволяет расширить возможности использовании БФБ для химической очистки различных газов. Снижение температуры дымовой смеси с 400-1200°С на входе в ТОСУ до 50-110°С на выходе БФБ исключает тепловые нагрузки на дымосос, срок службы которого значительно увеличивается. Высвобождающаяся тепловая энергия дымовой смеси в ТОСУ передается теплоносителю для нужд отопления. Использование бэкфиллинга позволяет непрерывно регенерировать и максимально использовать весь объем загруженного в БФБ фильтрующего материала, тогда как в аналогичных устройствах коэффициент использования подвижного фильтрующего материала не велик. Упрощение конструкции, снижение материалоемкости, уменьшение габаритов, преимущественное применение стандартных общепромышленных устройств в дымовом фильтре позволяет снизить стоимость эксплуатации до минимума, и за счет этого сделать дымовой фильтр промышленно применимым во многих областях, таких как металлургия, теплоэнергетика и химия.
Поставленные задачи решаются следующим образом. Дымовой фильтр состоит из последовательно соединенных теплообменника-сажеуловителя и самоочищающегося бэкфиллингового блока как показано на чертеже 1.
Теплообменник-сажеуловитель 1 предназначен для фильтрации крупнодисперсных частиц дыма: сажи, золы и пепла. ТОСУ имеет корпус с центральной теплообменной стенкой 4. Разогретый до 400-1200°С дым 2 поступает в канальный отсек с рядным массивом теплосъемных пластин 3, являющихся выступом теплообменной стенки, и охлаждается теплоносителем 5 до температуры 120-150°С. Оседающий на пластинах зольно-сажевый порошок удаляется циклически вибрирующим скреперным устройством, не показанным на схеме, в бункер-сажесборник 6 без остановки фильтровального потока и далее выводится из корпуса ТОСУ. Сажевый порошок содержит до 90% углерода, остальное - зола и пепел. Емкость с теплоносителем 5 имеет входной 7 и выходной 8 патрубки, через которые циркулирует теплоноситель - жидкость. Циркуляция теплоносителя производится жидкостным насосом общепромышленного применения, не показанным на схеме. Тепло от теплообменника оптимально использовать для нужд отопления. Очищенный от сажи и золы охлажденный дымовой газ 15 поступает в бэкфиллинговый блок 9, который представляет собой устройство для фильтрования дыма с непрерывно регенерируемым фильтрующим слоем. БФБ состоит из полого корпуса 11, внутри которого реализовано непрерывное вращение барабана с перфорированной обечайкой 10. В барабан насыпан сыпучий фильтрующий материал с объемной плотностью 200-400 кг/м3 и размером гранул 5-15 мм. Отличие бэкфиллингового блока от известных устройств с подвижным фильтрующим слоем с ожижением, ворошением или вибрационным разрыхлением фильтрующего материала состоит в следующем. На внутренней поверхности обечайки 10 барабана концентрически расположены лопатки 12. Назначение лопаток - формирование равномерного по толщине фильтрующего слоя. После прохождения верхней точки 16 при вращении барабана происходит гравитационная обсыпка и обратная засыпка фильтрующего материала - бэкфиллинг 21, формирующий начало сегмента взрыхленного фильтрующего слоя 13. Процесс идет по аналогии с земельно-строительным бэкфиллингом, когда грунт вынимается из земли, и, будучи взрыхленным выемкой, помещается обратно в землю. Лопатки 12 выполнены с изгибом в сторону вращения барабана 22 и снабжены отверстиями. Время нахождения межлопаточного фрагмента гранул фильтрующего материала в границах фильтрующего слоя 13 при вращении барабана составляет 12-30 сек. За это время гранулы не успевают слипаться и насыщаться шламом. Конденсируя пары воды, кислот и смол из дыма гранулы фильтрующего материала непрерывно ожижаются, а его взрыхление увеличивает контакт дымового газа с увлажненной адсорбирующей поверхностью фильтрующего материала. Самоочищение БФБ происходит за счет активного перемешивания фильтрующего материала и разряжения в фильтровальной зоне 17, при этом дымовая жижка непрерывно отделяется от фильтровальной среды силами гравитации с последующим ее выводом из БФБ, тогда как известные способы регенерации фильтрующего слоя вынужденно используют ворошение или вибрацию, либо перенаправляют гранулы фильтрующего материала на внешнюю регенерацию дорогостоящими конвейерными или шнековым способами. Дымовая жижка собирается на дне 19 корпуса и удаляется через регулируемый сток 20. Состав жижки без использования внешнего орошения фильтрующего слоя представлен водными растворами кислот и дымовых смол. Содержание углерода в жижке колеблется в пределах 0.5%-1%. Графитизированный сухой остаток от жижки содержит до 98% технического углерода, остальное - зольные примеси. Внешнее орошение специальным раствором для хемосорбции может применяться дополнительно к самоожижению фильтрующего слоя. Магистраль с форсунками для дополнительного орошения фильтрующего слоя располагается под крышкой корпуса 11 БФБ и не показана на схеме. Состав жижки при внешнем орошении будет отличаться химическим осадком от реакций хемосорбции. Линейная скорость  вращения обечайки 2-5 м/мин. Вращение барабана 22 осуществляется промышленным электроприводом в непрерывном режиме. Расчетная толщина фильтрослоя задается высотой лопаток, изгибом, шагом их расположения на обечайке и геометрией отверстий. Оптимальная толщина фильтрослоя составляет 15-25% от радиуса барабана. Наклонное расположение активного сегмента фильтрующего слоя 13 обеспечивает низкое аэродинамическое сопротивление тяге дымососа 18, создающего разряжение в области 17. Производительность дымососа составляет 1.0-2.0 куб.м/мин для БФБ с габаритными размерами: высота-1000 мм, ширина -800 мм, длина-1000 мм. В качестве дымососа применяется вытяжной промышленный вентилятор, не показанный на схеме. В корпусе закреплен раструб 14 с пластичными сканирующими кромками. Сканирующие кромки обеспечивают герметичное скользящее сопряжение с перфорированной обечайкой в максимально возможном периметре активного сегмента 13 фильтрующего слоя. Герметичность необходима, чтобы исключить просачивание неочищенного дыма 15 внутрь корпуса, минуя фильтрующий слой. Длина сегмента фильтрующего слоя 13 по средней линии составляет 25-35% от длины окружности барабана. Количество фильтрующего материала составляет 10-25% внутреннего объема барабана. Норма стартовой насыпки фильтрующего материала составляет 60 объемных литров для БФБ с габаритными размерами: высота - 1000 мм, ширина - 800 мм, длина - 1000 мм. Низкие абразивные нагрузки на гранулы фильтрующего материала гарантируют большой срок его использования. Практика эксплуатации бэкфиллингового блока показала объемный расход 5% от нормы начальной насыпки за 1 месяц каждодневной 8-часовой работы, что говорит о высокой эксплуатационной надежности бэкфиллингового блока и его промышленной применимости. Досыпка осуществляется через технологическое отверстие в боковине барабана без остановки БФБ. Система досыпки фильтрующего материала не показана на схеме. Учитывая, что контрольным эксплуатационным расходом для БФБ можно считать расход гранул фильтрующего материала не более 15% от стартовой насыпки, досыпку фильтрующего материала можно производить 1 раз в квартал.
Предлагаемый дымовой фильтр с теплообменником-сажеуловителем и самоочищающимся бэкфиллинговым блоком может с высокой (до 99%) эффективностью фильтровать прямые дымовые выбросы промышленных предприятий, что позволяет создавать на его основе фильтровальные комплексы на любой вид дымовых выбросов, с температурой от 400°С до 1200°С и производительностью от 2.0 куб.м/мин до 500 куб.м./мин.