Керамический аппарат дожигания

Область техники
Модель относится к области очистки отходящих газов. Полезная модель может быть применена для очистки дымовых газов от мусоросжигательных установок, для дожигания попутных газов при нефтепереработке, для очистки выбросов сталеплавильного производства при переработке лома, сжигания свалочного газа и для нейтрализации выхлопных газов.
Уровень техники
При промышленном производстве существует необходимость в нейтрализации отводных газов, которые должны быть безопасны для окружающей среды и соответствовать экологическим требованиям. Для этих целей применяются устройства нейтрализации.
Известен нейтрализатор отработавших газов (патент на изобретение RU 2163673, дата публикации 27.02.2001). Нейтрализатор отработавших газов состоит из корпуса, патрубка для подвода отработавших газов, патрубка для отвода очищенных газов, блоков с каналами с нанесённым на их поверхность катализатором, обойм, выполненных из жаростойкого перфорированного материала, и фиксаторов. При этом блоки с каналами с нанесённым на их поверхность катализатором установлены в обоймы, закреплённые фиксаторами. В фиксаторах выполнены отверстия для перетока газов в направлении, поперечном направлению прохода газов.
Недостатком известного технического решения является недостаточная степень очистки (нейтрализации) отводимых газов и существенно меньшая газовая проницаемость и как следствие, большее аэродинамическое сопротивление.
-2
2
Наиболее близким техническим решением (прототип) является очиститель отходящих газов (патент на изобретение RU 2421269, дата публикации 20.06.2010). Очиститель отходящих газов состоит из корпуса, патрубка подачи газов, патрубка отвода газов, твердотельного носителя катализатора, выполненного со сквозными проточными каналами. Между патрубком подачи газов и твердотельным носителем катализатора образована свободная зона. Твердотельный носитель катализатора выполнен с каталитическим покрытием в области сквозных проточных каналов и установлен в полости корпуса между патрубком подачи и патрубком отвода газов. В качестве твердотельного носителя катализатора используют керамический монолитный блок. Плотность сквозных проточных каналов по поверхности монолитного блока составляет 25 см. Площадь поперечного сечения каждого канала не превышает 4 мм. Катализатор наносят на поверхность сквозных проточных каналов. В связи с этим, катализатор распределён по поверхности сквозных проточных каналов неравномерно. При этом в процессе работы устройства происходит постепенный унос катализатора с поверхности проточных сквозных каналов, что значительно сокращает надёжность устройства и его долговечность. При работе устройства в потоке присутствуют зоны с температурой меньше оптимальной. Поток газов при движении по свободной зоне не ламинарен из-за наличия разности диаметров при переходе входного патрубка в корпус и небольшого расстояния от начала свободной зоны до твердотельного носителя катализатора (примерно 15 мм). Следовательно, происходит перемешивание потока. Однако, результат перемешивания газов непредсказуем. В итоге, в некоторые проточные сквозные каналы попадают газы, температуры которых недостаточно для эффективной очистки (нейтрализации). То есть, часть неочищенных газов проскакивает через твердотельный носитель катализатора. Это приводит к снижению степени очистки (нейтрализации) отводимых газов, так как часть вредных компонентов остаётся в потоке после очистки (нейтрализации) отводимых газов.
Недостатком известного технического решения является недостаточная степень очистки (нейтрализации) отводимых газов.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение степени очистки (нейтрализации) отводимых газов.
Указанный технический результат достигается за счёт того, что в керамическом аппарате дожигания, содержащем корпус и нейтрализатор, корпус выполнен полым и прямолинейным с постоянным поперечным сечением, корпус содержит входную часть и выходную часть, входная часть выполнена c длиной, обеспечивающей формирование ламинарного потока газов внутри неё, нейтрализатор содержит плоские листы, расположенные параллельно друг другу, причём каждый плоский лист образован несколькими прямыми стенками, расположенными в одной плоскости, и поперечные стенки, поперечные стенки расположены между двумя соседними плоскими листами с образованием нескольких каналов, нейтрализатор расположен в корпусе между входной частью и выходной частью с обеспечением возможности прохождения газов из входной части через все каналы, расположенные коллинеарно движущемуся потоку газов, в выходную часть, при этом по крайней мере поверхности прямых стенок и поперечных стенок покрыты дендритами оксидов металла, в частном случае соединение плоских листов и поперечных стенок выполнено в том числе посредством срастания дендритов оксидов металла, в другом частном случае плоские листы и поперечные стенки выполнены из титана, а на их поверхностях расположены дендриты рутила, в третьем частном случае плоские листы и поперечные стенки выполнены из никеля, а на их поверхностях расположены дендриты бунзенита.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами (фиг 1,2), где на фиг.1 изображён продольный разрез устройства, на фиг.2 изображена структура нейтрализатора со стороны входной части устройства.
Раскрытие полезной модели
На фигурах обозначены: входная часть 1, торец 2, канал 3, корпус 4, выходная часть 5, нейтрализатор 6, внутренняя поверхность 7, плоский лист 8, волнистый лист 9, поперечная стенка 10, прямая стенка 11.
Основными элементами устройства являются корпус 4 и нейтрализатор 6.
Корпус 4 в целом представляет собой пустотелый прямой элемент с неизменным внутренним сечением. Корпус 4 содержит входную часть 1 и выходную часть 5. При этом длины входной части достаточно для установления ламинарного потока при работе устройства. К примеру, корпус 4 может быть выполнен в виде полого прямого кругового цилиндра, толщина стенок которого значительно меньше остальных размеров. Внутренняя поверхность 7 представляет собой поверхность корпуса, обращённую вовнутрь. Корпус 4 изготовлен из жаропрочных материалов, к примеру, из керамики или жаропрочной стали.
Нейтрализатор 6 расположен между входной частью 1 и выходной частью 5. Нейтрализатор 6 снабжён двумя торцами 2: один торец 2 обращён в сторону входной части 1, а другой торец 2 обращён в сторону выходной части 5. Нейтрализатор 6 выполнен в виде цельного (неразборного) изделия сложной конфигурации, образованного прямыми стенками 11 и поперечными стенками 10. Нейтрализатор 6 может быть выполнен любой формы. В частном случае в виде параллелепипеда или кругового цилиндра.
Прямая стенка 11 представляет собой часть нейтрализатора 6 в виде прямой полосы, длина которой значительно больше остальных габаритных размеров. Прямые стенки 11 расположены параллельно друг другу или могут быть продолжением друг друга. В частности, прямые стенки 11 могут образовывать группу, при том, что все прямые стенки 11 одной группы расположены в одной плоскости. Прямые стенки 11 одной группы в совокупности образуют плоский лист 8. Таких групп (то есть плоских листов 8) может быть несколько, и прямые стенки 11 разных групп расположены в других плоскостях по отношению к прямым стенкам 11 другой группы.
Поперечная стенка 10 представляет собой часть нейтрализатора 6 и может быть выполнена в нескольких вариациях. Поперечная стенка 10 может представлять собой прямую полосу, длина которой значительно больше остальных габаритных размеров, расположенную под углом относительно прямой стенки 11 или перпендикулярно прямой стенке 11. Поперечная стенка 10 может быть плоской или изогнутой по ширине. При этом соседние поперечные стенки 11 могут отстоять друг от друга или соприкасаться друг с другом одним или двумя своими краями. Поперечные стенки 11, расположенные между двумя соседними плоскими листами 8, в совокупности образуют волнистый лист 9.
Конструктивные особенности прямых стенок 11 и поперечных стенок 10 обусловлены в первую очередь технологией изготовления нейтрализатора 6 в целом, описанной далее. Поверхность прямых стенок 11 и поперечных стенок 10 представляет собой дендритную структуру. Дендрит (дендритная структура) – это кристаллическое образование, относящееся к сложным кристаллическим образованиям типа скелетных кристаллов древоподобной формы (в соответствии со значением в источнике https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/160856/Дендрит, дата обращения 19.03.19). При этом сами прямые стенки 11 и поперечные стенки 10 выполнены из оксидов никеля (бунзенит) и никеля или оксидов титана (рутил) и титана. Бунзенит и рутил устойчивы к кипячению в кислой среде.
Таким образом, нейтрализатор 6 при взгляде на него со стороны торцов 2 имеет вид сотоподобного (ячеистого) объекта. В целом нейтрализатор 6, как структура, представляет собой множество сот, образованных соседними по отношению друг другу прямыми стенками 11 (соседних плоских листов 8) и соседними по отношению друг другу поперечными стенками 10 (одного волнистого листа 9) или прямой стенкой 11 и соседними по отношению друг другу поперечными стенками 10 (одного волнистого листа 9). При этом прямые стенки 11 и поперечные стенки 10 выполнены сплошными и газонепроницаемыми. В итоге, эти соты образуют прямые каналы 3, разделённые тонкими стенками. Каналы 3 расположены перпендикулярно торцам 2. В общем случае каналы 3 могут иметь в поперечном сечении форму многоугольника, форму многоугольника с изогнутыми сторонами, скруглённую форму. В частном случае каналы 3 могут иметь в поперечном сечении форму четырёхугольника или треугольника.
Нейтрализатор 6 неподвижно закреплён на внутренней поверхности 7 и полностью перекрывает поперечное сечение корпуса 4.
Осуществление полезной модели
В случае использования указанных выше элементов и средств, полезная модель реализуется следующим образом (представленное описание объекта иллюстрирует частный случай его исполнения, возможны и иные реализации с использованием признаков данного технического решения).
Корпус 4 предназначен для установки в него нейтрализатора 6. Изготавливают корпус 4 под конкретный нейтрализатор 6 любым известным способом. В качестве материала корпуса 4 используют жаропрочные металлы или керамику.
Нейтрализатор 6 изготавливают методом высокотемпературного окисления. В качестве заготовок используют никелевый или титановой листовой профиль, толщина которого значительно меньше остальных его габаритных размеров. Из листового профиля вырезают плоские листы 8 необходимого размера, а также заготовки под волнистые листы 9. Заготовку под волнистый лист 9 деформируют любым известным способом, получая необходимую конфигурацию волнистого листа 9. Волнистые листы 9 могут быть выполнены различного профиля. К примеру, могут быть выполнены зигзагоподобными или волноподобными. При этом плоские листы 8 и волнистые листы 9 изготавливают газонепроницаемыми. В частном случае возможно изготовление нейтрализатора 6 круглой формы. Для этого берут два рулона металлического профиля. Первый рулон гофрированный металлический листовой профиль, второй плоский листовой профиль. Укладывают друг на друга и сворачивают вместе
Далее волнистые листы 9 и плоские листы 8 накладывают друг на друга таким образом, чтобы все края листов, образующие торцы 2 нейтрализатора 6 лежали в одной плоскости. При этом, при укладке плоские листы 8 и волнистые листы 9 чередуют друг с другом: плоский лист 8, волнистый лист 9, плоский лист 8, волнистый лист 9 и так далее. Также, плоские листы 8 и волнистые листы 9 укладывают таким образом, чтобы образованные в результате их наложения каналы 3 были параллельны друг другу. Сложенные друг на друга плоские листы 8 и волнистые листы 9 соединяют друг с другом, например, с применением контактной сварки. Сформированная таким образом конструкция соответствует по форме нейтрализатору 6, который необходимо изготовить. Далее её подвергают высокотемпературному окислению. При этом происходит замещение частиц металла оксидами металла и дендритный рост (образование дендритной структуры) по всей поверхности плоских листов 8 и волнистых листов 9. Это означает, что по всей поверхности плоских листов 8 и волнистых листов 9 начинается рост кристаллических образований, причём эти кристаллические образования могут пересекаться друг с другом, иметь разные размеры, но преимущественно направлены в одну сторону. В случае выполнения плоских листов 8 и волнистых листов 9 из никеля происходит замещение частиц никеля оксидом никеля (бунзенитом). В случае выполнения плоских листов 8 и волнистых листов 9 из титана происходит замещение частиц титана оксидом титана (рутилом). При этом, в процессе высокотемпературного окисления неточности прилегания листов зарастают дендритной структурой, тем самым образуя газонепроницаемые относительно друг друга каналы 3. В результате протекания процесса окислительного восстановления получают развитую поверхность каналов 3, материал которой имеет каталитические свойства. По итогу реализации описанных выше операций получают готовый нейтрализатор 6 требуемой конфигурации.
Нейтрализатор 6 устанавливают в корпус 4 между входной частью 1 и выходной частью 5 таким образом, чтобы один из торцов 2 был обращён в сторону входной части 1, и неподвижно закрепляют на внутренней поверхности 7. При этом нейтрализатор 6 устанавливают так, чтобы он полностью перекрывал поперечное сечение корпуса 4.
При изготовлении нейтрализатора 6 способом окислительного конструирования достигается существенно большая плотность каналов 3 на единицу площади, за счёт возможности создания более тонкой стенки и как следствие, большая площадь контакта со стенками. Фактически, получают некаталитический нейтрализатор 6 с мельчайшими направленными каналами 3, и очень тонкими стенками. Это основные преимущества: тонкие стенки (значит низкое сопротивление), высокая плотность каналов 3 (значит развитая внутренняя поверхность), простота производства и стоимость. Используемые материалы имеют каталитический эффект, но он достаточно слабый. Если катализатор необходим, то его наносят отдельно. Указанные выше особенности обеспечивают минимальный риск прохождения вредных компонентов дымовых газов через блок без окисления и нейтрализации. При этом стоимость производства описанного нейтрализатора 6 ниже стоимости производства известных нейтрализаторов, за счёт применения доступного оборудования.
Устройство используют следующим образом. Керамический аппарат дожигания, далее называемый устройством, устанавливают в систему отвода дымовых газов от мусоросжигательных установок, дожигания попутных газов при нефтепереработке, очистки выбросов от сталеплавильного производства при переработке лома, сжигания свалочного газа и нейтрализации выхлопных газов. По системе отвода газов движутся отходящие газы. Под отходящими газами понимают газы, получаемые в результате работы установок, в системы отвода газа которых установлено устройство. К примеру, в случае установки устройства в систему отвода дымовых газов от мусоросжигательных установок, отходящим газом является дымовой газ. При этом входную часть 1 керамического аппарата дожигания присоединяют к патрубку системы отвода газов. Отходящие газы поступают во входную часть 1 устройства.
При подходе к нейтрализатору 6 поток отходящих газов формируется установившимся и ламинарным, так как входная часть 1 выполнена с неизменным внутренним сечением и должна иметь достаточную длину. В потоке отходящих газов присутствуют зоны с неоптимальной температурой. Под неоптимальной следует понимать такую температуру, значение которой не входит в диапазон температур, в котором реакция проходит наиболее эффективно. Зоны с неоптимальной температурой образуются по различным причинам. В этих зонах количество компонентов для реакции больше, так как из-за пониженной температуры реакция на подходе к нейтрализатору прошла в меньшей степени.
2
Далее газы поступают в каналы 3 нейтрализатора 6. Свободная площадь каналов 3 в поперечном сечении нейтрализатора 6 может занимать, например, девяносто восемь процентов и более от площади поперечного сечения нейтрализатора. Плотность каналов может достигать 142 канала на квадратный сантиметр, а площадь поперечного сечения десятые доли мм. Это возможно благодаря малой толщине плоских листов 8 и волнистых листов 9 (в частном случае 10-100 мкм), а также конфигурации нейтрализатора 6. Сами же каналы 3 расположены коллинеарно потоку. Эти факторы в совокупности приводят к тому, что образование турбулентности потока при прохождении нейтрализатора 6 пренебрежимо мало.
Поверхность каналов 3 выполнена крайне развитой, поэтому площадь контакта газа с каталитической поверхностью значительно выше, чем при выполнении поверхности каналов плоской. Также, поскольку рост дендритной структуры происходил по всему нейтрализатору 6, то каталитическая поверхность по каналу 3 распределена относительно равномерно и значительно равномернее, чем при использовании технологий, связанных с напылением катализатора. В каналах 3 в присутствии катализатора происходит ускорение экзотермической реакции. Как уже было сказано ранее, в зонах с неоптимальной температурой количество компонентов для реакции больше. Большее количество прореагировавших в каналах 3 компонентов приводит к большему выделению теплоты. Выделенное тепло идёт на нагрев газов и на дальнейшее ускорение реакции. В результате происходит выравнивание температурного поля и более полная нейтрализация вредных компонентов.
Эти факторы в совокупности не позволяют вредным компонентам "проскакивать" через каналы 3 нейтрализатора 6 без должной степени очистки (нейтрализации). Поэтому, в выходную часть 5 попадают газы (очищенные) с допустимым содержанием вредных компонентов.
В выходной части 5 может быть установлен газоанализатор, который подключают к системе автоматики. При наличии газоанализатора, очищенные газы проверяют на концентрацию кислорода. При выходе содержания кислорода в газовой смеси из допустимого диапазона значений, автоматика возвращает содержание кислорода в газовой смеси в норму.
Таким образом, выполнение керамического аппарата дожигания, описанным выше образом, позволяет повысить степень нейтрализации (очистки) отходящих газов за счёт значительного увеличения площади каталитической поверхности (дендритной структуры) каналов 3. Выполнение корпуса 4 с неизменным внутренним сечением и коллинеарное расположение каналов 3, в совокупности с большой свободной площадью каналов 3 и конфигурацией нейтрализатора 6, позволяет получить ламинарный поток внутри устройства. Поскольку в газах с неоптимальной температурой количество компонентов для реакции больше, то и выделение теплоты в процессе реакции нейтрализации больше. Эти факторы в совокупности приводят к выравниванию температурного поля и более полной нейтрализации вредных компонентов.