ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА
LABORATORY APPARATUS

Изобретение относится к установкам для проведения учебных занятий по дисциплинам: «Техносферная безопасность», «Технологические процессы и загрязняющие выбросы», «Промышленная экология», «Охрана окружающей среды в теплотехнологиях», и предназначено для осуществления наглядной оценки влияния очистки продуктов сгорания твердого топлива от взвешенных частиц и от двуокиси серы на состав уходящих газов.
Исследование уровня техники показало отсутствие какого-либо лабораторного комплекса данного назначения, однако позволило выявить такие технические решения как золоуловители для проведения очистки от взвешенных частиц и адсорберы для извлечения двуокиси серы с использованием неподвижного слоя активированного угля, имеющие преимущественно промышленное назначение.
Известен золоуловитель, действующий с использованием центробежных сил, содержащий корпус с входным патрубком очищаемого газа, имеющий в нижней части золосборник, бункер, боковой горизонтальный выходной патрубок очищенного газа, спиральный жалюзийный сепаратор (патент РФ №30621 U1, дата приоритета 23.12.2002, дата публикации 10.07.2003, авторы: Худяков М.Г. и др., RU).
Известен золоуловитель осадительного типа, содержащий вихревой золоконцентратор с лопаточным завихрителем (патент РФ №2373460 С1, дата приоритета 19.05.2008, дата публикации 20.11.2009, авторы: Осинцев В.В. и др., RU).
Известен золоуловитель, используемый при сжигании угля с мокрой очисткой дымовых газов от золы, содержащий улиточный влагоотделитель и скруббер-каплеудалитель (патент РФ №2306485 С1, дата приоритета 05.06.2006, дата публикации 20.09.2007, авторы: Осинцев В.В. и др., RU).
Известен экономайзер-золоуловитель, который относится к вспомогательному оборудованию котлоагрегатов и содержит связанный с системой холодного водоснабжения вертикальный цилиндрический корпус, разделенный перегородкой на две части, входной и выходной патрубки, емкость с выходным патрубком горячей воды к потребителю и шламосборник. (патент РФ №2325595 С1, дата приоритета 21.09.2006, дата публикации 27.05.2008, авторы: Хуцианидзе А.В., Шамсудинов Т.Ф., RU)
Известен золоуловитель Кочетова, действующий также с использованием подводимой из магистрали жидкости, содержащий корпус, к которому подсоединен центробежный завихритель, входной и выходной патрубки, бункер, оросительные и распылительные сопла (патент РФ №2489650 С1, дата приоритета 17.04.2012, дата публикации 10.08.2013, авторы: Кочетов О.С.и др., RU).
Известен комбинированный золоуловитель, который имеет трехступенчатую конструкцию, циклон для первичного улавливания частиц золы за счет центробежных сил при вращательном движении потока, аппарат с циркулирующим кипящим слоем, с подвижной насадкой и встроенным циклоном возврата, и керамический фильтр (патент РФ №2453770 С1, дата приоритета 28.03.2011, дата публикации 20.06.2012, автор Степанов Л.В., RU, прототип).
Общими недостатками известных аналогов золоуловителей и прототипа является сложность конструкции и трудоемкость изготовления золоуловителя, что неприемлемо для использования в учебной лаборатории.
Известен адсорбер, содержащий корпус с патрубками входа и выхода очищаемого газа, емкость с сорбентом, нажимное приспособление, выполненное в виде опорного кольца и решетки с сеткой, воздухораспылитель, выполненный в виде цилиндра с форсунками и смонтированный на решетке (патент РФ №2305003 С2, дата приоритета 25.08.2005, дата публикации 27.08.2007, авторы: Гетин М.Б. и др., RU).
Известен адсорбер, предназначенный для обезвреживания токсичных газов, корпус которого выполнен в виде камеры электрорегенерации гранулированного активированного угля, снабженной двумя электродами, с возможностью работы в двух режимах: адсорбции и регенерации, при этом корпус адсорбера заполнен активированным углем и имеет входной и выходной патрубки, электроды, выполненные из углеродного материала в виде жестких пластин, расположены внутри объема активированного угля подобно пластинам в конденсаторе, в зазорах между торцом каждой пластины и расположенной около этого торца частью противоположного по знаку электрода размещены диэлектрические прокладки, а патрубки подведены таким образом, чтобы вектор газового потока лежал в плоскости, параллельной плоскостям пластин (патент РФ №2402372 С1, дата приоритета 10.02.2009, дата публикации 27.10.2010, авторы Штейнберг А.С.и др., RU).
Известен адсорбер для очистки дымовых газов от оксидов азота и серы, который может быть принят за прототип, содержащий корпус с размещенным в нем неподвижным слоем сорбента, патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода очищенных газов, в корпус введен патрубок отвода сорбента с поглощенными оксидами азота и серы, а в качестве сорбента использован сухой шлам химводоочистки, размещенный на стальной сетке (патент РФ 120371 U1, дата приоритета 10.04.2012, дата публикации 20.09.2012, автор Николаева Л.A., RU).
Недостатком известных аналогов, в том числе, наиболее близкого, который может быть принят за прототип, является высокая сложность конструктивного исполнения, что делает невозможным их применение в лабораторных условиях.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание простой в изготовлении, дешевой, надежной в работе и эффективной лабораторной установки для наглядного изучения влияния очистки продуктов сгорания твердого топлива с целью снижения концентрации взвешенных частиц и двуокиси серы в уходящих газах.
Для решения технической проблемы предложена лабораторная установка, включающая камеру сгорания с загрузочным окном сверху, золоуловитель, снабженный фильтром, и адсорбер, последовательно сообщающиеся между собой с помощью патрубков, снабженных пробоотборниками, камера сгорания содержит устанавливаемый через загрузочное окно тигель с предварительно разожженным твердым топливом, патрубок для подачи воздуха в камеру сгорания, снабженный заслонкой, и патрубок для выхода газов из камеры сгорания, сообщающийся с фильтром золоуловителя, размещенным в его корпусе, выполненном из стекла, фильтр выполнен в виде стеклянного полого шара с отверстиями для выхода газов, сверху корпус золоуловителя снабжен крышкой в виде металлической пластинки, в которой через выполненное в ней отверстие смонтирован патрубок для выходящих газов, соединенный с адсорбером, предназначенным для поглощения двуокиси серы, в основании адсорбера установлены один над другим два усеченных конуса, между коническими стенками и верхними частями которых образовано пространство, предназначенное для заполнения сверху насадкой из активированного угля через загрузочное отверстие, выполненное в верхнем конусе, причем к большему основанию нижнего конуса снаружи присоединено кольцо с бортиком по внешнему периметру кольца для фиксации верхнего конуса относительно нижнего конуса, а в конических стенках и верхних частях конусов выполнены отверстия для прохождения потока газа, корпус адсорбера выполнен из стекла и снабжен патрубком для удаления очищенных продуктов сгорания в вытяжку с установленным на нем пробоотборником, а на внешней поверхности камеры сгорания, золоуловителя и адсорбера установлена съемная тепловая изоляция.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема лабораторной установки, имеющей в составе оборудования камеру сгорания, золоуловитель и адсорбер, последовательно соединенные с возможностью поэтапного исследования состава выходящих газов после прохождения каждого типа оборудования и визуального наблюдения за происходящими процессами очистки в золоуловителе и адсорбере.
2
Камера сгорания 1 изготовлена из тонких металлических листов и содержит патрубок с заслонкой 2 для входа воздуха в камеру сгорания. В верхней части камеры сгорания выполнено загрузочное окно 3, которое служит для установки в камеру сгорания тигля 4 с предварительно разожженным твердым топливом. Для анализа состава выходящих из камеры сгорания газов служит пробоотборник 5, смонтированный на патрубке, соединяющем камеру сгорания 1 и золоуловитель 6 с расположенным в нем фильтром 7, непосредственно сообщающимся с данным патрубком, по которому поток выходящих газов из камеры сгорания 1 поступает в фильтр 7 золоуловителя 6. Фильтр 7 имеет форму полого шара, на поверхности которого выполнены отверстия для выхода газа. При этом цилиндрический корпус золоуловителя 6 и фильтр 7 выполнены из стекла для возможности визуального наблюдения за выделением взвешенных частиц. Крышка 8 золоуловителя 6 является съемной и выполнена из металлической пластины. В съемной крышке 8 золоуловителя смонтирован патрубок для отвода газов из золоуловителя с установленным на нем пробоотборником 9, соединяющий золоуловитель с адсорбером 10, предназначенным для извлечения двуокиси серы SO из продуктов сгорания топлива с использованием в качестве сорбента неподвижного слоя активированного угля. В корпусе адсорбера 10 на его основании один над другим установлены два усеченных конуса - нижний 11 и верхний 12, изготовленные из алюминия, и выполненные таким образом, чтобы между ними находилось пространство для насадки 13 из активированного угля. При этом к нижнему основанию конуса 11 снаружи присоединено, например, сваркой кольцо с бортиком по внешнему периметру кольца. Верхний конус 12 свободно установлен над нижним конусом 11 и зафиксирован по отношению к нему бортиком конуса 11. В стенках и верхних частях конусов 11, 12 выполнены отверстия для прохода газа. В центре верхней части конуса 12 выполнено отверстие достаточно большого диаметра для загрузки сорбента 13. Корпус адсорбера 10 выполнен из прозрачного материала, например, стекла, а в крышке адсорбера установлен патрубок с пробоотборником 14 для удаления очищенных продуктов сгорания в вытяжку. Кроме того, на внешней поверхности камеры сгорания 1, золоуловителя 6 и адсорбера 10 установлена съемная тепловая изоляция (условно не показано).
Лабораторную установку подготавливают к работе и используют следующим образом. В корпус адсорбера 10 устанавливают нижний конус 11 с присоединенным к нему снаружи кольцом с бортиком, на который помещают верхний конус 12. Через отверстие в центре верхней части конуса 12 в пространство между конусами 11 и 12 производят засыпку адсорбента 13 - активированного угля, который предварительно слегка увлажняют водой для облегчения процесса связывания двуокиси серы угольным поглотителем. Затем открывают заслонку 2 и через загрузочное окно 3 в камеру сгорания 1 помещают тигель 4 с предварительно разожженным твердым топливом. Выходящие из камеры сгорания газы по патрубку, снабженному пробоотборником 5, поступают в фильтр 7 золоуловителя 6. В фильтре 7 скорость газов уменьшается вследствие достаточно большого объема фильтра 7, при этом взвешенные частицы частично оседают на внутренней поверхности фильтра 7 и частично выпадают на дно золоуловителя 6. Этому процессу выделения взвешенных частиц способствует и трение потока о стенки фильтра 7. Очищенный от взвешенных частиц поток продуктов сгорания направляется по патрубку с пробоотборником 9 в адсорбер 10, где движется в зазорах между частицами активированного угля в пространстве между двумя конусами 11 и 12. Двуокись серы поглощается активированным углем. Далее отфильтрованные в золоуловителе и в адсорбере продукты сгорания удаляются через патрубок с пробоотборником 14 в вытяжку. Состав газовой смеси определяется с помощью хроматографа, в который вводятся пробы газа из пробоотборников 5, 9 и 14.
Лабораторная установка закрывается съемной тепловой изоляцией, которая позволяет периодически наблюдать процесс работы золоуловителя 6 и адсорбера 10.
Лабораторная установка характеризуется следующими преимуществами:
- во-первых, простотой конструктивного исполнения, обслуживания и ремонта, так как все элементы оборудования лабораторной установки легко отсоединяются для ремонта, замены сорбента, промывки и так далее;
- во-вторых, быстрым выходом на режим;
- в-третьих, эффективностью в работе, что обусловлено конструктивными особенностями выполнения, например, адсорбера, в частности, использование в нем конусов позволяет увеличить пространство для расположения слоя адсорбента и, следовательно, увеличить поверхность контакта адсорбента и потока газа;
- в-четвертых, возможностью использования различных видов твердого топлива; а также тем, что не требуется применение вентилятора, так как поток воздуха движется за счет свободной конвекции.
Таким образом, предлагаемая лабораторная установка проста в изготовлении, дешевая, надежная и эффективная в работе и позволяет наглядно демонстрировать методы очистки уходящих газов от взвешенных частиц и двуокиси серы при изучении дисциплин: «Техносферная безопасность», «Технологические процессы и загрязняющие выбросы», «Промышленная экология», «Охрана окружающей среды в теплотехнологиях».
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств для наглядного изучения влияния очистки продуктов сгорания твердого топлива с целью снижения концентрации взвешенных частиц и двуокиси серы в уходящих газах.