Комплексный шахтный воздухоподогреватель
COMPLEX MINE AIR HEATER

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, к хвостовому оборудованию котельных установок и может быть использовано в процессах очистки дымовых газов от вредных примесей и утилизации их тепла.
Известен полифункциональный воздухоподогреватель, включающий корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет из плоских сплошных и перфорированных пластин, размещенных поочередно, образующих между собой газовые и воздушные каналы, через отверстия в перфорированных пластинах пропущены попарно проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2 и спаянные на концах между собой, образуя многорядные зигзагообразные сетки (термоэмиссионных элементов), расположенные в газовом и воздушном каналах, соединенные своими концами с коллекторами электрических зарядов и клеммами [Патент РФ №2422728, МПК F 23 Д 15/04, 2011].
Основными недостатками известного полифункционального воздухоподогревателя являются сложность конструкции, быстрый коррозионный износ теплообменных поверхностей при охлаждении газов, содержащих агрессивные компоненты, при температурах ниже точки росы, невозможность использования полученного термоэлектричества непосредственно в воздухоподогревателе и очистки дымовых газов от вредных компонентов, что снижает его надежность и эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является комплексный воздухоподогреватель, содержащий прямоугольный корпус, снабженный  верхними и торцевыми крышками с  патрубками для входа и выхода воздуха и дымовых газов, пирамидальным днищем с конденсатным штуцером, к нижним торцевым кромкам которого горизонтально прикреплены швеллеры с перфорированными основаниями, на которые установлены перфорированные кассеты, перфорация боковых сторон которых выполнена таким образом, что ее отверстия размещены в шахматном порядке и  снабжены наклонными козырьками, прикрепленными к отверстия так, чтобы направление угла наклона козырька было противоположно вектору скорости движения газа, кассеты установлены так, чтобы перфорированные стенки каждой пары кассет были обращены друг к другу, образуя газовые каналы, причем кассеты заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм [Патент РФ №2595289, МПК F 23 L 15/04, 2016].
Основными недостатками известного комплексного воздухоподогревателя является необходимость постороннего источника электроэнергии для получения озона и высокая коррозионная активность дымовых газов при температуре ниже точки росы, что повышает стоимость процесса очистки, скорость коррозии хвостового оборудования и, таким образом, уменьшает его эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение эффективности комплексного шахтного воздухоподогревателя.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый комплексный шахтный воздухоподогреватель включает прямоугольный корпус, в котором сверху–вниз расположены: воздухоподогреватель–термоэлектрогенератор, снабженный  верхней крышкой с патрубком входа дымовых газов и боковыми крышками, снабженными патрубками входа и выхода воздуха, съемными боковыми крышками, в котором установлены продольные вертикальные гофрированные перегородки с вертикальными ребрами, обращенными попарно друг к другу, в пазы гофр которых вставлены термоэлектрические секции, образуя газовые и воздушные каналы, соответственно; расположенный в корпусе снизу воздухоподогревателя–термоэлектрогенератора и соединенный с ним через газовые каналы, адсорбер, снабженный сбоку съемной крышкой, каплеотбойником, патрубком выхода дымовых газов и пирамидальным днищем с конденсатным патрубком, причем внутри корпуса адсорбера на опорных уголках, выполняющих функцию анодных шин, диэлектрически изолированных от корпуса и соединенных между собой анодными планками, в шахматном порядке уложены горизонтальные перфорированные корзины, заполненные гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, над каждой корзиной размещены, перфорированные снизу, промывочные патрубки, соединенные с промывочным коллектором, при этом,  термоэлектрические секции воздухоподогревателя–термоэлектрогенератора составлены из термоэлектрических элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, сплющенные и спаянные на концах между собой, соединенные в ряды, устроенные таким образом, что передние и задние спаи нескольких параллельных рядов каждого термоэлектрического элемента соединены между собой параллельно секционными коллекторами, представляющими собой пластины, выполненные из металла с высокой электропроводностью, покрытыми снаружи слоем материала–диэлектрика, в отверстия которых вставлены передние и задние спаи термоэлектрических элементов, образуя вышеупомянутые термоэлектрические секции, задние и передние секционные коллекторы которых соединены перемычками с однополюсными коллекторами электрических зарядов, образуя термоэлектрический блок, при этом, секционные коллекторы каждой пары термоэлектрических секций, обращенные в сторону газового канала располагаются в пазах гофр вертикальных ребер в вертикальных перегородках, параллельно их боковой поверхности и плотно прижаты к ним, противоположные части вышеупомянутых секционных коллекторов термоэлектрических секций расположены в воздушных каналах полости воздухоподогревателя–термоэлектрогенератора, а все термоэлектрические блоки, в свою очередь, через преобразователь соединены с опорными уголками и корпусом.
Предлагаемый комплексный шахтный воздухоподогреватель (КШВП) изображен на фиг. 1–11 (фиг. 1–3 – общий вид КШВП и его разрезы, фиг. 4,5– узлы адсорбера, фиг. 6–11 – узлы воздухоподогревателя–электрогенератора).
КШВП состоит из прямоугольного корпуса 1, в котором сверху–вниз расположены: воздухоподогреватель–термоэлектрогенератор (ВП–ЭГ) 2, снабженный  верхней крышкой 3 с патрубком входа дымовых газов 4 и боковыми крышками 5 и 6 с патрубками входа и выхода воздуха 7 и 8, съемными боковыми крышками 9 и10, в котором установлены продольные вертикальные гофрированные перегородки 11 с вертикальными ребрами 12, обращенными попарно друг к другу, в пазы которых вставлены термоэлектрические секции (ТЭС) 13, образуя газовые и воздушные каналы 14 и 15, соответственно; расположенный в корпусе 1 снизу ВП–ЭГ 2 и соединенный с ним через газовые каналы 14, адсорбер 16, снабженный сбоку съемной крышкой 17, каплеотбойником 18, патрубком выхода дымовых газов 19 и пирамидальным днищем 20 с конденсатным патрубком 21.Внутри корпуса 1 адсорбера 16 на опорных уголках 22, выполняющих функцию анодных шин, диэлектрически изолированных от корпуса 1 (на фиг. 1–11 узлы изоляции не показаны) и соединенных между собой анодными планками 23, в шахматном порядке уложены горизонтальные перфорированные корзины 24, заполненные гранулами пемзы 25, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм. Над каждой корзиной 24 размещены, перфорированные снизу, промывочные патрубки 26, соединенные с промывочным коллектором 27. ТЭС 13 ВП–ЭГ 2 составлены из термоэлектрических элементов (ТЭЭ) 28, представляющих собой парные проволочные отрезки 29 и 30, выполненные из разных металлов М1 и М2, сплющенные и спаянные на концах между собой, соединенные в ряды 31, устроенные таким образом, что передние и задние спаи нескольких параллельных рядов 31 каждого ТЭЭ 28 соединены между собой параллельно секционными коллекторами 32, представляющими собой пластины, выполненные из металла с высокой электропроводностью, покрытыми снаружи слоем материала–диэлектрика (на фиг.1-11 не показан), в отверстия 33 которых вставлены передние и задние спаи ТЭЭ 28, образуя вышеупомянутые ТЭС 13. Задние и передние секционные коллекторы всех ТЭС 13 соединены перемычками 34 и 35 с однополюсными коллекторами электрических зарядов 36 и 37 (размещение коллекторов 36, 37 на фиг. 1–11 показано условно), образуя термоэлектрический блок (ТЭБ) 38, при этом, секционные коллекторы 32 каждой пары термоэлектрических секций 13, обращенные в сторону газового канала 14 располагаются в пазах гофр вертикальных ребер 12 в вертикальных перегородках 11, параллельно их боковой поверхности и плотно и прижаты к ним, противоположные части вышеупомянутых секционных коллекторов 32 ТЭС 13 расположены в воздушных каналах 15 полости ВП–ЭГ 2, а все ТЭБ 38, в свою очередь, через преобразователь (на фиг. 1–11 не показан) соединены с опорными уголками 21 (анодными шинами) и корпусом 1.
2
2
3
x
x
В основе работы предлагаемого КШВП положено следующее. Так как термоэмиссионные элементы 28 изготовлены из парных проволочных отрезков 29 и 30, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, то при нагреве (охлаждении) спаев термоэмиссионных элементов 28 с одной стороны и охлаждении (нагреве) противоположных им спаев, на них устанавливаются разные температуры и в зоне контакта (спае) металлов М1 и М2 происходит термическая эмиссия электронов, в результате чего в рядах 31 ТЭС 13 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506], которое используется для катодной защиты корпуса КШВП от электрохимической коррозии и повышения отрицательного потенциала адсорбционной насадки–гранул пемзы 25, которая используется в качестве адсорбента для вредных компонентов выхлопных газов. Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO, AlO, MnO) c модулем основности М>1 [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А. С. и др. –М.: Стройизд.,1989, с. 423; Домокеев А. К. Строительные материалы. – М.: Высш. школа, 1989, с. 163]. Высокое значение модуля основности придает гранулам шлаковой пемзы основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в отработавших газах (NO, SO, СО), а высокая пористость их структуры обеспечивает высокую удельную поверхность. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов дымовых газов, широко доступны и дешевы.
Предлагаемый КШВП работает следующим образом. Через патрубок 4 и верхнюю крышку 3 в воздушные каналы 14 ВП–ЭГ 2 вентилятором (на фиг. 1–11 не показан) подается холодный наружный  воздух, который при прохождении через воздушные каналы 15, в результате теплообмена через гофрированные перегородки 11 с горячими дымовыми газами, проходящими  через газовые каналы 14 , нагревается до требуемой температуры и через нижнюю крышку 6 и патрубок 8 выводится из КШВП. Одновременно при соприкосновении секционных коллекторов 32 и спаев ТЭЭ 28, расположенных а воздушных каналах 15. с холодной средой и гофр 12 с помещенными в них противоположными коллекторами 32 со спаями с горячей средой (гофрированная перегородка 11 и коллекторы 32 выполнены из материала с высокой теплопроводностью), секционные коллекторы 32 со спаями проволочных отрезков 29 и 30 ТЭЭ 28 с одной стороны охлаждаются, а с противоположной стороны перегородки 11 нагреваются, в результате чего на них устанавливаются разные температуры. Одновременно с процессом теплопередачи, в результате разности температур охлажденных и нагретых спаев проволочных отрезков 29 и 30, выполненных из металлов М1 и М2 ТЭЭ 28, в рядах 31, ТЭС 13 и ТЭБ 38 появляется термоэлектричество, которое через перемычки 34 и 35 ТЭС 13 и однополюсные коллекторы электрических зарядов 36 и 37 каждого ТЭБ 38 поступает в преобразователь (на фиг. 1–11 не показан), откуда подается на анодные шины 22 (отрицательный заряд) и корпус 1(положительный заряд), а в случае его избытка выработанного термоэлектричества, также другому потребителю. При этом, схема получение термоэлектричества и подачи его отрицательного заряда на анод – гранулированный шлак 25, а положительного заряда на катод–корпус 1, служит катодной защитой корпуса 1 и другого оборудования, связанного с ним.
2
2
4
2
3
2
2
x
x
х
2
3
2
3
2
3
2
4
2
3
Из ВП–ЭГ 2 охлажденные дымовые газы, двигаясь сверху–вниз, поступают в полость адсорбера 16, в котором, проникают в массу гранулированного шлака 25 в корзинах 24, где одновременно происходят процессы конденсации из–за предварительного охлаждения дымовых газов в ВП–ЭГ 2, взаимодействие оксидов азота и серы с каплями конденсата с образованием азотной и серной кислот (НNO и НSO) [Ежов В. С. Разработка комплексного способа очистки вредных газообразных выбросов, автореф. докт. дисс., М., 2009], образуя кислый конденсат, стекающий через перфорированные днища корзин 24 в пирамидальное днище 20. В тоже время дымовые газы, контактируя с гранулами пемзы 25, адсорбируются на поверхности их пор, причем NO, SO, СО адсорбируются значительно быстрее, чем NO, SO, СО ввиду более высоких кислых свойств. При этом, в результате возрастания отрицательного заряда гранул шлака (шлак 25 служит анодом для катодной защиты корпуса 1) за счет подачи отрицательного потенциала на опорные уголки (анодные шины) 22, от которых происходит его подзарядка, скорость окисления вышеперечисленных компонентов значительно возрастает и, соответственно, возрастает степень очистки дымовых газов. Поток дымовых газов, проходя все корзины 24 и многократно попадая на поверхность гранул 25 и вовнутрь их очищается от вредных примесей (NO, SO, СО), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 25. Адсорбированные из дымовых газов оксиды азота, оксиды серы, оксиды углерода в порах гранул 25 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента–гранул шлаковой пемзы 25 [Неницеску К. Общая химия – М.: Мир, 1968, с. 298], поэтому окисляются кислородом (кислород присутствует в дымовых газах в результате избытка воздуха, подаваемого на сжигание топлива) со скоростью большей, чем в газовой фазе с образованием легкорастворимых в воде NO и SО. Адсорбированные NO, SO, СО, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды образующейся в порах гранул 25 в результате капиллярной конденсации паров воды, находящихся в дымовых газах, с образованием соответствующих кислот HNO, HSO и HСO. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 25 оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные дымовые газы через каплеотбойник 18, где задерживается уносимый конденсат и выходной патрубок 19, поступают в газоход и далее через дымовую трубу (на фиг. 1–11 не показаны), откуда выбрасываются в атмосферу, а кислый конденсат с уловленными механическими примесями собирается в пирамидальном днище 20, откуда через конденсатный штуцер 21 подается на утилизацию или сбрасывается в дренаж.
При падении активности гранул пемзы 25 их подвергают регенерации. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул шлаковой пемзы 25 от мелкодисперсных частиц и абсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем их промывки водой из промывочного коллектора 27, промывочных патрубков 26 и удалении грязной воды из поддона 20 через штуцер 21. При этом конструкция КШВП позволяет проводить процесс регенерации без остановки процесса очистки.
Размеры КШВП, число перфорировнных корзин 24, их размеры, суммарный объем гранул шлаковой пемзы 27 в адсорбере 16, размеры газовых и воздушных каналов 14 и15 в ВП–ЭГ 2, расход промывочной воды определяются в зависимости от мощности котельной установки, расхода и типа топлива и требуемой степени очистки.
Таким образом, предлагаемый комплексный шахтный воздухоподогреватель позволяет без применения дорогих и опасных химических реагентов очистить дымовые газы от вредных примесей при использовании в качестве адсорбента гранул шлаковой пемзы, изготовленной из основных металлургических шлаков, увеличить степень очистки за счет подачи отрицательного потенциала в адсорбент и снизить скорость коррозии оборудования за счет термоэлектричества, вырабатываемого при утилизации их тепла с одновременным повышением температуры дутьевого воздуха.