СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ ОТ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ИХ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В ЗАМКНУТОМ ЦИКЛЕ, УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ФИЛЬТРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ В УСТАНОВКЕ
METHOD FOR CLEANING OF SPENT INDUSTRIAL GASES FROM HARD PARTICLES TO PREPARE THEM FOR USE IN CLOSED CYCLE, PLANT FOR ITS REALISATION AND FILTERING DEVICE USED IN DEVICE

Изобретения относятся к средствам защиты воздушного бассейна от твердых частиц, образующихся при сжигании углеводородного топлива в различных энергетических установках, котлах ТЭЦ, ТЭЦ и т.п., и могут использоваться для извлечения пыли и вредных примесей из газовых выбросов заводов, ТЭЦ, котельных центрального отопления и т.д. с целью повторного использования их для сжигания в замкнутом цикле производства.
Известны способ очистки газа и установка для его осуществления, описанные в п. РФ №2070972 по кл. F01N 3/10, з. 20.09.94, оп. 27.12.96.
Известный способ заключается в том, что вначале выравнивают поток отработавших газов, затем пропускают этот поток через фильтрующий элемент, измеряют перепад давления на фильтрующем элементе и сравнивают его с заданными максимально и минимально допустимыми значениями и, если этот перепад давления превышает его заданное максимальное значение, производят нагрев фильтрующего элемента отработавшими газами до температуры не менее 650°С за счет подачи в поток до пропускания его через фильтрующий элемент и сжигания в кислороде отработавших газов до тех пор, пока перепад давления на фильтрующем элементе не станет меньше его заданного минимально допустимого значения.
Известная установка содержит корпус, форсунку для ввода дополнительного топлива, стабилизатор пламени, свечу, дозатор топлива, электромагнитный клапан (ЭМК), исполнительные органы ЭМК и дозатора, электронный блок зажигания, устройство выравнивания потока отработавших газов, установленное между камерой сгорания дополнительного топлива и фильтрующим элементом, чувствительные элементы датчика температуры и термометра, приемники полного давления и датчика перепада давления, задатчик максимально допустимого значения перепада давления на фильтрующем элементе блока сравнения, минимально допустимого перепада давления на фильтрующем элементе второго блока сравнения, блоки управления и температуры.
Недостатком известных средств является невысокое качество очистки при весьма сложной схеме установки.
Известно устройство для мокрой очистки газовых выбросов, описанное в п. РФ №2093757 по кл. F23J 15/02, Е04Н 12/28. з. 23.08.91, оп. 20.10.97.
Известное устройство выполнено в виде дымовой трубы, содержащее форсунки для распыления воды внутри трубы, расположенные в верхней части трубы с возможностью распыления воды вертикально вниз, под которыми установлен электрический нагреватель с регулируемой температурой нагрева, и резервуар для сбора образовавшейся жидкости в нижней части трубы, которая выполнена высотной. Под электрическим электронагревателем установлен вентилятор для подачи с регулируемой скоростью потока воздуха в направлении, перпендикулярном дымовой трубе.
Недостатком является не очень высокое качество очистки.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым являются способ и установка с фильтрующим устройством, описанные в п. РФ №2200053 по кл. В01D 53/00, з. 27.11.01, оп. 10.03.03 и выбранные в качестве прототипов.
Известный способ заключается в следующем.
После сжигания в печи дымовой газ при температуре до 1500°С поступает в теплообменник, где охлаждается до температуры 150°С, затем газ поступает в камеру циклонного типа, где происходит отделение от него грубой твердой фракции, которая периодически выгружается из нее и снова подается в печь для дожигания. Далее газ втягивается в дымосос и нагнетается в приспособление, где смешивается с порошкообразным адсорбентом (известью); получившаяся смесь поступает через распылитель в центральную часть скруббера, куда через форсунки распыляется вода с температурой, близкой к точке росы дымового газа (порядка 60°С), регулируемой за счет смешивания горячей и холодной воды. В скруббере в присутствии воды происходят активизация реакции взаимодействия смеси вредных примесей в газе с адсорбентом с последующим выпадением в осадок продуктов реакций и их слив в сборник жидкого шлама; стенки скруббера подогревают горячей проточной водой для предотвращения налипания образованного шлама на внутренние его стенки. Очищенный газ поступает в дымовую камеру, где ускоряется и меняет направление движения на противоположное за счет действия дымососа; для предотвращения обледенения в дымосос подают подогретый атмосферный воздух. Далее дымовой газ продавливается через матерчатый фильтр, где очищается от мелкой пыли, которая уходит в сборник жидкого шлама, после чего газ удаляется в выхлопную трубу.
Известная установка содержит теплообменник, камеру очистки от твердой фракции, соединенную через дымосос со скруббером, в верхней части которого расположены форсунки для орошения газа, а также фильтрующее устройство и дымосос, связанный с выхлопной трубой, распылитель дымового газа в виде изогнутой вверх трубы, введенной из дымососа в скруббер с днищем в виде сливного патрубка, дымовую камеру, в днище которой вставлена сливная воронка, сборник жидкого шлама, выполненный с наклонным днищем и охватывающий введенные в него сливной патрубок скруббера и хвостовую часть воронки, причем теплообменник выполнен в виде газовых труб, омываемых водой. На участке распылителя до входа в скруббер установлено приспособление для подачи в его полость адсорбента преимущественно в виде порошка, а изогнутый участок распылителя выполнен с перфорацией. Скруббер имеет рубашку для подогрева его внутренней стенки и смеситель горячей и холодной воды, снабженный регуляторами создания требуемой температуры и расхода воды, подаваемой на его форсунки, при этом в верхней части скруббера установлен отводной газовод в виде изогнутого вниз сужающегося патрубка, входящего в полость дымовой камеры, а выхлопная труба, установленная на дымовой камере, через сопла и кольцевую форму соединена с вентилятором нагнетания атмосферного воздуха, образуя дымосос, фильтрующее устройство выполнено в виде гибкого фильтра, имеющего форму конуса, который расположен в дымовой камере и закреплен широкой своей частью на сливной воронке, а узкой - на наружной поверхности патрубка газовода; введенные на требуемую глубину в сборник жидкого шлама сливной патрубок скруббера и хвостовая часть воронки образуют жидкостный затвор при наличии в нем разгрузочной заслонки.
Недостатками известных средств очистки являются сложность конструкции и неудовлетворительное качество очистки газов, не позволяющее повторно использовать эти газы в качестве топлива.
Задачей заявляемых средств является упрощение средств очистки и повышение качества очистки для подготовки очищенных газов к использованию их в замкнутом цикле.
Поставленная задача решается тем, что:
- в способе очистки отработавших промышленных газов от твердых частиц для подготовки их к использованию в замкнутом цикле, включающем сжигание отработавшего газа в печи, грубую фильтрацию путем отделения от него грубой твердой фракции в циклоне и последующего осаждения с помощью орошения газа водой в скруббере продуктов реакций газа с водой, тонкую фильтрацию посредством отделения мелкой пыли с помощью фильтров, согласно изобретению перед тонкой фильтрацией стабилизируют температуру потока газа, тонкую фильтрацию осуществляют последовательно в три этапа с последующим увлажнением фильтруемого потока после каждой фильтрации и испарением излишков воды;
- в установке для очистки отработавших промышленных газов от твердых частиц для подготовки их к использованию в замкнутом цикле, содержащей последовательно установленные и технологически связанные между собой печь для сжигания, камеру циклонного типа, скруббер, систему орошения с форсунками для орошения газа водой, фильтрующее устройство, сборник жидкого шлама, при этом камера циклонного типа связана со сборником грубой твердой фракции, а фильтрующее устройство - со сборником жидкого шлама, имеется также вентилятор нагнетания атмосферного воздуха, согласно изобретению введено дополнительно устройство управления, связанное с форсунками для орошения и с фильтрующим устройством, перед которым установлен стабилизатор температуры потока, при этом фильтрующее устройство выполнено трехступенчатым из трех последовательно установленных фильтрующих блоков: блока наклонных фильтров с регулируемым углом наклона, блока плоских фильтров и блока цилиндрических фильтров, причем на выходе каждого из блоков фильтров установлены форсунки для орошения газа водой, и выходы каждого из блоков фильтров связаны с испарителем воды;
- в фильтрующем устройстве для очистки отработавших промышленных газов от твердых частиц для подготовки их к использованию в замкнутом цикле, содержащем фильтровальную тканевую сетку, согласно изобретению выполненном трехступенчатым из трех последовательно установленных фильтрующих блоков: блока наклонных фильтров с регулируемым углом наклона, блока плоских фильтров и блока цилиндрических фильтров, на входе каждого из блоков установлено устройство орошения газа, при этом каждый из фильтров состоит из нескольких расположенных последовательно, считая от наружного слоя, следующих чередующихся, наложенных друг на друга, функциональных слоев: первого турбулентного, второго турбулентного, первого разгонного, первого мембранного, третьего турбулентного слоя, второго разгонного слоя, второго мембранного, четвертого турбулентного и пятого турбулентного слоев, при этом первый и пятый турбулентные слои выполнены из стекловаты, второй - четвертый турбулентные слои выполнены из стекловаты, пропитанной водой, мембранные слои - из стекловаты, пропитанной компаундом, разгонные слои - из стеклоткани, а в качестве компаунда использованы кремнийорганические комплексообразующие мономеры, причем плотность компаунда изменяется по высоте слоя.
Выполнение очистки со стабилизацией температуры газового потока с последующей поэтапной тонкой фильтрацией в совокупности с последующим увлажнением и очисткой с помощью фильтров из трех расположенных друг за другом фильтровальных блоков обеспечивает при весьма простой технологии высокое качество очистки, позволяющее подготовить газы для их дальнейшего повторного использования.
Введение в установку устройства управления, связанного с форсунками для орошения и фильтрующим устройством, наличие стабилизатора температуры потока и выполнение фильтра трехступенчатым из трех последовательно установленных фильтров тонкой очистки в совокупности обеспечивают при весьма простой конструкции высокое качество очистки, позволяющее подготовить газы для их дальнейшего повторного использования.
Выполнение в фильтрующем устройстве каждого элемента фильтра из чередующихся, наложенных друг на друга функциональных слоев - турбулентных, разгонных и мембранных - изготовленных из разных материалов, обеспечивает следующий эффект. Крайние в элементе фильтра турбулентные слои, выполненные из электризующейся стекловаты, за счет достаточно рыхлой и ворсистой структуры материала обеспечивают перемешивание воздуха, электризацию в них молекул воздуха и воды и оседание на них проникающей с воздухом влаги в виде микрослоев, что обеспечивает взаимодействие электростатического потока воздуха с микрослоем воды, которая делится на электростатические кластеры, обладающие уникальными свойствами, вплоть до появления свойств твердого тела при смене динамического давления потока воздуха. Примыкающие к ним изнутри следующие турбулентные слои из стекловаты, пропитанной водой, обеспечивают частичное окисление в них воды и восстановление углекислого газа и других неорганических оксидов. Мембранные слои за счет выполнения их из стеклоткани, пропитанной компаундом, создают ламинарные потоки, где происходит «мембранное» деление образовавшихся в результате электризации дипольных молекул с преимуществом прохождения кислорода и образование микроканалов, имеющих конусную форму за счет круглой формы элементов фильтра - расширения от внутренней поверхности к внешней и за счет изменения плотности компаунда по высоте слоя. В разгонных слоях, выполненных также из электризующегося материала, происходят более сильная электризация молекул, создавшихся при движении потока воздуха в ламинарных слоях мембранных слоев, ускорение движения отдельных заряженных молекул и дипольных моментов. В итоге в фильтре происходят мембранное деление поступающих потоков газа с преимуществом прохождения кислорода и формирование на стенках каналов микрослоев воды, формирующих комплексные соединения с углеродом, которые при участии молекул азота моделируют фотосинтез и поступление кислорода в атмосферу в более сложных условиях эксплуатации. Алгоритм чередования слоев в элементах фильтра позволяет создать фильтры, обеспечивающие за счет выделения кислорода регенерацию оксидов. В итоге в фильтрах, имеющих структуру с микроканалами, на стенках этих каналов формируются статически заряженные кластеры воды, которые образуют комплексные соединения с неорганическими оксидами. Для снижения концентрации неорганических оксидов в используемом потоке воздуха вода подается в поток воздуха в количестве, необходимом для окисления до кислорода и для способа мокрой очистки газовых выбросов.
Технический результат - очистка воздуха, обогащение его кислородом и восстановление окислов.
В сравнении с прототипом заявляемые средства обладают новизной, отличаясь от него такими существенными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата как:
- в способе - стабилизация температуры газового потока перед тонкой фильтрацией, трехступенчатая фильтрация с помощью фильтров при увлажнении газа после каждого этапа фильтрации;
- в установке - введение устройства управления, связанного с форсунками для орошения и с фильтрующим устройством, установка стабилизатора температуры потока перед фильтрующим устройством, выполнение фильтрующего устройства трехступенчатым, установка устройства орошения после каждого из блоков фильтров;
- в фильтрующем устройстве - выполнение его из трех последовательно расположенных фильтровальных блоков - блока наклонных фильтров, блока плоских фильтров и блока цилиндрических фильтров, каждый элемент в которых состоит из наложенных друг на друга мембран, выполненных из стеклоткани или стекловаты с пропиткой или без нее, и с компаундом из кремнийорганических комплексообразующих мономеров.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанной для каждого из заявляемых объектов совокупностью существенных признаков, обеспечивающей в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемые технические решения соответствуют критерию «изобретательский уровень».
Заявляемые технические решения могут найти широкое применение в охране окружающей среды, а потому соответствуют критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены:
- на фиг.1 - функциональная схема установки для очистки;
- на фиг.2 - конструкция фильтрующего устройства.
Способ очистки отработавших промышленных газов от твердых частиц для подготовки их к использованию в замкнутом цикле включает сжигание отработавшего газа в печи, отделение от него грубой твердой фракции в циклоне, осаждение с помощью орошения газа водой в скруббере продуктов реакций газа с водой, стабилизацию температуры газового потока, тонкую фильтрацию, последовательно в три этапа с последующим увлажнением фильтруемого потока после каждой фильтрации.
Установка для очистки отработавших промышленных газов от твердых частиц для подготовки их к использованию в замкнутом цикле (фиг.1) содержит последовательно установленные и технологически связанные между собой котел 1, экономайзер 2, камеру 3 циклонного типа, скруббер 4, стабилизатор 5 температуры потока газов, фильтрующее устройство 6 и дымовую трубу 7. При этом скруббер 4 и фильтрующее устройство 5 соединены с системой 8 орошения, а выходы котла 1, камеры 3, скруббера 4 и фильтрующего устройства 6 через соответствующие сливы 9 соединены с системой 10 приема и транспортировки отходов. Дымовая труба 7 связана с котлом 1 и выходом скруббера 4. Установка снабжена газоанализатором 11 и испарителем воды 12, а также устройством 13 управления, которое выходами связано с форсунками системы 8 орошения и с фильтрующим устройством 6, а входом - с газоанализатором 11. Выход фильтрующего устройства 6 через регулирующий клапан 14 соединен через газоход 15 с котлом 1, на входе в который расположены вентиляторы 16 для подачи газа.
1
2
1
1
3
2
2
4
5
1
5
2-4
Фильтрующее устройство 6 для очистки отработавших промышленных газов от твердых частиц для подготовки их к использованию в замкнутом цикле (фиг.2) содержит три последовательно расположенных фильтровальных блока - блока 17 наклонных фильтров, блока 18 плоских фильтров и блока 19 цилиндрических фильтров, каждый из которых состоит из нескольких расположенных последовательно, считая от наружного слоя, следующих чередующихся функциональных слоев: первого турбулентного 20, второго турбулентного 20, первого разгонного 21, первого мембранного 22, третьего турбулентного слоя 20, второго разгонного слоя 21, второго мембранного 22, четвертого турбулентного 20 и пятого турбулентного слоев 20, при этом первый и пятый турбулентные слои 20 и 20 выполнены из стекловаты, второй - четвертый турбулентные слои 20 выполнены из стекловаты, пропитанной водой, мембранные слои 22 - из стекловаты, пропитанной компаундом, разгонные слои 21 - из стеклоткани, а в качестве компаунда 23 использованы кремнийорганические комплексообразующие мономеры, причем плотность компаунда изменяется по высоте слоя.
Назначение и выполнение узлов и элементов установки следующие.
Котел 1 служит для сжигания углеводородного топлива. Экономайзер 2 является отопителем.
Камера 3 циклонного типа предназначена для выжигания примесей.
Скруббер 4 служит для улавливания твердых и газообразных (сероводорода, аммиака и др.) примесей из газовой смеси.
Стабилизатор 5 потока служит для выравнивания температуры потока отработавших газов. Он установлен между камерой 3 сгорания и фильтрующим устройством 6, т.к. температурная неравномерность непосредственно перед фильтрующим устройством 6 достигает 600-800°С, что может привести к локальному перегреву фильтрующего устройства 6.
Фильтрующее устройство 6 предназначено для тонкой очистки газа и состоит из тех последовательно установленных и технологически связанных между собой следующих блоков: блока 17 наклонных фильтров, блока 18 плоских фильтров и блока 19 цилиндрических фильтров.
Система 8 орошения служит для последовательного орошения газа, поступающего на очистку, и содержит форсунки.
Устройство 13 управления предназначено для регулирования количества подаваемой в поток воздуха воды и угла атаки наклонного блока, а специальными жалюзи должно регулировать количество воздуха, подаваемого на плоские и круглые фильтры 18 и 19.
Заявляемый способ с помощью заявляемой установки и ее фильтрующего устройства осуществляется следующим образом.
Отработавшие газы из дымовой трубы поступают в котел 1, где происходит сгорание метана, выгорает кислород и получаются неорганические оксиды, особенно вредными из которых являются оксиды азота.
Экономайзер 2 служит отопителем. В циклонной камере 3 происходит осаждение осадков, которые выводятся в систему 10 приема и транспортирования отходов. После циклонной камеры 3 газ поступает в скруббер 4, где с помощью форсунок происходит орошение газов водой. Часть примесей осаждается и также через слив поступает в систему 10 приема отходов. Далее поток очищаемых газов подвергается стабилизации с помощью стабилизатора 5 и поступает на более тонкую очистку в фильтрующее устройство 6.
В наклонном фильтре 17 фильтрующего устройства 6, куда через форсунки 8 также подается вода, с регулируемым с помощью устройства 13 управления в зависимости от содержания кислорода углом наклона происходит уменьшение количества кислорода до безопасной его с точки зрения взрывоопасности. Угол наклона изменяется в зависимости от показаний газоанализатора 11. Температура газа здесь достигает 200°С, часть неорганических оксидов здесь разлагаются экзотермически: температура факела ставится на 300-400°С, они начинают экзотермически разлагаться и повышают температуру.
Через плоские фильтры 18 проходит часть потока, которая после выхода с фильтра также орошается водой и происходит осаждение примесей, поступающих через слив 9 в систему 10 приема отходов.
В блоке цилиндрических фильтров 19, через которые проходит примерно 10% газа, также происходят очистка газа и последующее орошение его водой; продукты осаждения через слив 9 поступают в систему 10 приема отходов.
Для снижения концентрации неорганических оксидов в используемом потоке воздуха вода подается в поток воздуха в количестве, необходимом для окисления до кислорода и для способа мокрой очистки газовых выбросов.
Атомы и молекулы, находящиеся в потоке промышленных газов, проходя по микроканалам фильтров, имеющим конусную форму, сближаются и реагируют между собой.
Более подробно работа непосредственно элемента фильтра описана ниже.
1
2
1
1
1
1
3
2
2
4
5
При попадании воздуха в элемент фильтра в турбулентном слое 20, принимающем поток воздуха, благодаря выполнению его из синтетического ворсистого материала, происходят перемешивание воздуха и электризация молекул воздуха и воды. Во втором турбулентном слое 20, выполненном из стекловаты, пропитанной водой, происходит оседание микроскопических частиц части влаги на этом слое, образующей микрослой, и электростатический после первого слоя 20 поток воздуха взаимодействует с этим микрослоем. В мембранном слое 22 создаются ламинарные потоки и происходит из-за разной проницаемости компонентов воздуха (кислород, азот, водород в составе воды, углекислый газ и возможные примеси) деление ламинарного потока на дипольные молекулы - кислород и другие составляющие компоненты воздуха. На стенках этого микрослоя оказываются вода и углекислый газ, образующие комплексные соединения на основе углерода, водорода и кислорода, а по краям укладывается слой воды в 2-3 молекулы. В этом слое между молекулами газов образуются связи. В следующем, разгонном слое 21, выполненном также из электризующегося материала, происходят усиленная электризация молекул, создавшихся при движении ламинарных потоков в предшествующем мембранном слое 22, ускорение заряженных отдельных молекул и их дальнейшее перемещение в третий турбулентный слой 20, где происходит дальнейшее перемешивание потока и продолжается окисление молекул воды с выделением кислорода. Далее поток воздуха проходит во второй мембранный слой 22, где происходит дальнейшее разделение потока воздуха на имеющий большую скорость кислород, а также химические реакции присутствующих газов и микрослоев воды, в результате чего формируются комплексные соединения с углекислым газом, которые при участии молекул азота моделируют процесс, аналогичный протекающему при фотосинтезе с образованием молекул кислорода и азотисто-водородных соединений. В следующем разгонном слое 21 снова происходит ускорение потока воздуха, переносящего уже, в основном, кислород в следующий турбулентный слой 20, где происходит дальнейшее перемешивание потока и заканчивается окисление недоокисленных молекул воды с выделением кислорода. Затем поток воздуха с большим количеством кислорода проходит в пятый турбулентный слой 20, где происходит нейтрализация диполей, и поступление его (потока воздуха с большим количеством кислорода) через газоход 15 с помощью клапана 14 и вентиляторов 16 в котел 1 для повторного сжигания. Таким образом в фильтрующем устройстве за счет его микроструктуры происходит ряд физико-химических превращений, которые изменяют (преобразовывают) его химический состав с кратным (в разы) уменьшением концентрации углекислого газа и значительным (более 50%) увеличением концентрации кислорода.
В сравнении с прототипом заявляемые средства очистки позволяют при более простом их выполнении обеспечить высокое качество очистки отработавших газов и подготовить их к использованию в замкнутом цикле для повторного сжигания.