УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЫБРОСОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК B01D47/04 

Изобретение относится к технике мокрой очистки дымовых газов от твердых, жидких и токсичных газообразных включений и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической технологии и других отраслях промышленности.

Наиболее близким к предложенному является устройство для улавливания токсичных веществ из газообразных выбросов, включающее параллельно установленные орошаемые насадки с размещенными в них аксиальными лопастями завихрителями, объединенные в одном корпусе и имеющие общий подвод и отвод дымовых газов, а также сборный бункер с гидрозатвором [1].

Подбором скорости газового потока и расхода орошающей жидкости, движущейся в противотоке, в объеме трубы между завихрителем и инициатором эмульгирования подвешивается эмульсионный слой, отфильтровывающий и абсорбирующий золу и сернистый газ. Процесс контактного взаимодействия в трубе-насадке делится на две части и одновременно происходит в режимах инверсии фаз и пленочного движения в широком диапазоне скорости и размеров насадки. Достигается это тем, что загрязненный газ пропускается через плохо обтекаемые тела - завихритель и инициатор эмульгирования, способствующие на данном участке стабилизации режима и инверсии фаз. Затем диссипация вращательной составляющей скорости, происходящая по мере продвижения очищенного (в эмульгированном слое) газа вверх по трубе, успокаивает жидкость, и она самопроизвольно в этой части насадки переходит на пленку, стекающую в эмульсионный слой, и далее через гидрозатвор, расположенный в нижней части корпуса, удаляется на золоотвал. Формирование эмульсионного слоя происходит следующим образом. При запуске газоочистителя в работу в режиме инверсии фаз (эмульгирования) расход загрязненного газа через трубу увеличивают до тех пор, пока не нарушится противопоток (т.е. до полного прекращения выхода жидкости под действием силы тяжести из труб-насадок). В этот нестационарный период возникновения инверсно-фазного слоя происходит накопление жидкости над завихрителем и смешивание ее с газовым потоком. По оси трубы образуется провал в виде параболоида вращения, слабо заполненный эмульсией, что связано с осевыми обратными потоками, подобные тем, которые существуют в циклонных камерах. Накопление жидкости продолжается 1-2 мин и зависит от соотношения газ-жидкость и среднерасходной скорости газового потока.

С ростом высоты эмульсионного слоя растет аэродинамическое сопротивление эмульгатора и при определенном его значении, также зависящем от соотношения расходов газ-жидкость, противоток восстанавливается. Дальнейший рост скорости газового потока вызывает увеличение высоты эмульсионного столба. Нарушенный противоток через несколько десятков секунд восстанавливается, но уже при более высоком слое эмульсии и соответственно аэродинамическом сопротивлении трубы насадки.

Недостатком конструкции является необходимость изготовления деталей со сложным профилем: трубы-насадки, собранные с помощью трубной доски в кассету, изготавливаются из базальтовой нитки (намоткой на болванку), пропитанной специальными смолами с обязательной закалкой изделия в печах для коррозионной стойкости, сложная криволинейная форма лопастей (аксиального лопаточного завихрителя) в месте их сопряжения с цилиндрическим корпусом трубы-насадки значительно усложняет изготовление устройства. Аналогичные критические замечания можно сделать и по инициатору эмульгирования. В этой связи кассеты могут производить только специализированные предприятия, оборудованные сложной техникой. Для того, чтобы увеличить диаметр орошающих отверстий (дозаторов жидкости) до 5-6 мм в условиях небольшой производительности трубы по газам (340 м³/ч) и обязательного требования относительно малых удельных расходов орошающей жидкости (100-250 г/Нм³) в прототипе на трубной доске установлены розетки, принимающие воду от одного дозатора, но раздающие ее на четыре трубы-насадки. Именно наличие розеток на трубной доске не дает возможности плотно упаковать трубы-насадки в кассеты (при внешнем диаметре трубы 130 мм шаг составляет 170 мм). Последнее обстоятельство существенно увеличивает размеры газоочистителя, что также является существенным недостатком.

Следующим серьезным недостатком является относительно низкая производительность трубы и связанное с этим небольшое отверстие дозатора жидкости (5-6 мм), требующие для нормальной эксплуатации газоочистителя предварительной очистки оборотной воды золоотвала в гранийных фильтрах. И наконец, прототип имеет среднеэксплуатационную эффективность золоочистки, не превышающую 99,8%. Она достаточно высока, но должна быть еще более высокой.

Задача изобретения - разработка конструкции эмульгирующей трубы-насадки. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения: 1) упрощение конструкции и снижение стоимости изготовления и монтажа устройства, а также уменьшение его габаритов, 2) повышение производительности трубы-насадки (единичного эмульгирующего элемента) при одновременном росте эффективности пылеулавливания, 3) повышение надежности системы орошения.

Это обеспечивается в насадке, выполненной в виде параллелепипеда, с закрепленным в ее нижней части аксиальным лопастным завихрителем, изготовленным из четырех лопастей, имеющих форму тупоугольных треугольников, тупые углы которых вписываются в двухгранные углы параллелепипеда, а середины оснований касаются в одной точке, лежащей на оси параллелепипеда, при этом непосредственно над лопастями в стенках параллелепипеда устанавливаются окна, а выше над ними - инициаторы эмульгирования в виде четырех пластин, формой прямоугольных треугольников, также вписанных в двугранные углы параллелепипеда и уменьшающих здесь его проходное сечение на 10-25%. Оптимальное место установки инициатора эмульгирования соответствует параметрам прототипа.

По изобретению насадку выполняют в виде параллелепипеда, изготовление которого значительно проще, чем цилиндрической насадки (изготавливаемой вальцовкой или намоткой на болванку) в известном устройстве. В соответствии с измененной формой насадки предложено новое выполнение аксиального лопастного завихрителя из 4-х лопастей имеющих форму тупоугольных треугольников. При этом стороны, прилегающие к тупому углу, закреплены на соответствующих гранях параллелепипеда, а основания треугольников (стороны, лежащие против тупого угла) соприкасаются в одной точке, лежащей на оси параллелепипеда. Такое выполнение эмульгирующей насадки с аксиальным лопастным завихрителем позволяет упростить конструкцию за счет исключения изготовления относительно сложной цилиндрической насадки, а также использования лопастей более простой формы, которые можно нарубить на гильотине, но не использовать сложное станочное оборудование для придания лопасти формы эллипса в месте ее сопряжения с цилиндром.

Испытания эмульгирующей насадки, изготовленной без инициатора эмульгирования, подключенной байпасом к эмульгатору котла БКЗ-50 Карагандинской ТЭЦ-1, показали снижение выбросов золы в атмосферу фракции <2 мкм в 10 раз по сравнению с действующими эмульгированными установками. Причем ее (насадки) производительность увеличена более чем в три раза за счет такого же увеличения площади проходного сечения параллелепипеда по сравнению с площадью прохода трубы-насадки в серийно выпускаемых кассетах.

Пробы пыли, отобранные после очистки, в предложенном изобретении, не содержат частиц размером больше 1 мкм. Существенно выросла эффективность улавливания частичек <1 мкм, достигающая в устройстве 99,12% против 94,70% в прототипе.

Степень золоулавливания в устройстве составляет 99,98%. Концентрация золы после очистки в устройстве в абсолютных величинах составляет 0,00847 г/Нм³.

После испытания предложенного изобретения на золоочистке нами были продолжены исследования, связанные с повышением интенсивности процессов тепло- и массообмена. Установкой над завихрителями инициаторов эмульгирования, выполненных в виде 4-х пластин (формой прямоугольных треугольников), вписанных в двугранные углы параллелепипеда и перекрывающих его проходное сечение не менее чем на 15-25%, удалось увеличить относительную влажность уходящих газов до 97-98% (относительная влажность является главной характеристикой, определяющей интенсивность массообмена). В испытанном на Карагандинской ТЭЦ-1 устройстве она была такой же, как и в трубах-насадках серийных эмульгаторов - 90-91%. Другими словами, реальное достижение очень высоких показателей золоочистки, соответствующих расчетным, усилено еще и возможностью установки в параллелепипедах инициаторов эмульгирования новой конструкции.

Таким образом, изменение формы эмульгирующей насадки и соответствующей формы завихрителя привело к скачкообразному росту (на порядок) эффективности золоочистки.

В поисках объяснения этому явлению необходимо сравнить параллелепипед без инициаторов эмульгирования с прототипом, имеющих одинаковую интенсивность тепло- и массообмена, и можно придти к выводу о том, что изменение формы насадки и завихрителя в изобретении существенным образом повлияло на инерционные силы частичек, ускорив из движение из газовой фазы к жидкости. Влияние других причин исключено, так как центробежные силы в предложенном изобретении, естественно, уменьшились из-за ухудшения крутки в некруглом корпусе насадки. Кроме того, размер пузыря в эмульсии в предложенном устройстве, как показывает скоростная киносъемка, почти идентичен с размером газовой частицы в трубе-насадке. Если бы они были размером разные, то тогда можно было бы наблюдать отличие в относительной влажности.

Ударный эффект - это тот главный фактор, который привел к скачкообразному росту очистки дымовых газов от золы. В трубах-насадках газ входит по касательной, обтекая цилиндрические стенки. В предложенном же устройстве газ, выходящий из амбразур, образованных лопатками, направлен перпендикулярно граням параллелепипеда. Вероятно, определенное положительное влияние оказывает и то, что параллелепипед по всему сечению равномерно заполнен эмульсией. Здесь из-за недостаточной крутки потока нет параболоида вращения и связанного с ним провала. Равномерному заполнению способствуют также мощные удары струй о грани, сбрасывающие эмульсию от стенок к оси параллелепипеда.

И наконец, для надежного орошения эмульгирующих насадок новой конструкции, собранных в промышленные кассеты, в стенках параллелепипедов непосредственно над завихрителями установлены проходные окна для возможности перетекания жидкости из одной насадки в другую. Этим обеспечивается орошение кассеты, собранной из нескольких десятков насадок, одним отверстием дозатора. Жидкость, поступающая из него (дозатора) в одну из насадок, в период формирования эмульсионного слоя (нестационарный период) перетекает через проходные окна с некоторым запаздыванием в соседние насадки, обеспечивая орошение всей кассеты. Возникающая при этом неизбежная неравномерность орошения насадок, как показывают эксперименты и накопленные опыт эксплуатации эмульгаторных установок, никак не влияет на эффект золоулавливания. Объясняется это тем, что в насадке за нестационарный период времени накапливается огромный объем жидкости, зависящий только от проходного сечения насадки и аэродинамического сопротивления эмульсионного слоя, без заметного влияния удельного расхода воды и на очистку. Именно накопленная в эмульсионном слое жидкость (объем которой достигает от 1,5 до 5 л для насадок с проходным сечением соответственно 0,01 и 0,04 м² при аэродинамическом сопротивлении 100 кгс/м²) и улавливает частички золы. Даже в том случае, когда в эмульгированный слой по каким-либо причинам перестает поступать вода, он продолжает улавливать пыль без потери эффективности, до тех пор, пока насадка полностью не заилится в результате сгущения водозольной суспензией. Поэтому при любых аварийных ситуациях, возникающих на станциях и связанных с орошающей водой, эффективность золоочистки эмульгаторных установок всегда остается постоянной, но с последствиями заиливания труб-насадок, требующих отмывки.

Возможность орошения одним дозатором многих насадок через проходные окна в стенках параллелепипеда существенно увеличивает диаметры отверстий дозирующих устройств, что позволяет не ставить гравийные фильтры для предварительной очистки оборотной воды золоотвала. Предел, ограничивающий количество орошаемых насадок одним дозатором, не установлен. Нами в лабораторных условиях опробована кассета из шестнадцати насадок, в центральную часть которой вода подавалась одним отверстием. При запуске установки в работу, как показали эксперименты, вода из центральной насадки почти мгновенно распространялась во все периферийные эмульгирующие элементы. Если для промышленных установок регламентировать количество орошаемых насадок величиной, равной не более десяти, то и в этом случае диаметр отверстия дозатора в предложенном изобретении составит 18 мм.

В предложенном устройстве сечение кассеты уменьшено в 2,5 раза по сравнению с сечением прототипа. И связано это с тем, что при отсутствии розеток насадки, изготовленные по изобретению, поддаются в плотной упаковке (они удалены друг от друга на толщину стенки параллелепипеда). Новое важное преимущество изобретения позволяет кассету, собранную из параллелепипедов и названную эмульгирующей приставкой, разместить в процессе реконструкции вместо трубы Вентури, а скруббер использовать в качестве каплеуловителя.

На фиг. 1 пространственно изображена насадка с условно прозрачными стенками, изготовленная в форме параллелепипеда 1. В ее нижней части установлен аксиальный лопастной завихритель, выполненный из четырех лопастей 2 в форме тупоугольных треугольников A₁DC₂, B₁AD₂, C₁BA₂ и D₁CB₂, вписанных соответственно в двугранные углы параллелепипеда adc, bad, abc и bcd. Середины оснований A₁C₂, B₁D₂, C₁A₂ и D₁B₂ вышеуказанных треугольников (лопастей 2) соприкасаются в одной точке O, лежащей на оси параллелепипеда. Над завихрителем (в непосредственной к нему близости - в том же сечении параллелепипеда, где заканчиваются верхние концы лопастей) установлены проходные окна 3 (окна могут быть любой формы - круглой, квадратной и др.), а выше над ними - инициаторы эмульгирования в виде четырех пластин, формой прямоугольных треугольников 4, также вписанных в двугранные углы параллелепипеда и уменьшающих здесь его (параллелепипеда) проходное сечение на 10-25%.

Установка проходных окон выше указанного места приводит к значительным неравномерности и запаздыванию орошения дальних от места ввода жидкости насадок вследствие того, что вода вначале долгое время накапливается в том параллелепипеде, куда подается изначально, и только после достижения высоты эмульсионного слоя от завихрителя до проходного окна она (орошающая жидкость) начинает перетекать в соседние насадки.

Оптимальное расположение в параллелепипеде инициаторов эмульгирования относительно завихрителя строго соответствуют прототипу.

Что касается отклонения площади проходного сечения параллелепипеда (в месте установки инициатора эмульгирования) от указанного выше оптимального интервала, то здесь следует сказать следующее: 1) уменьшение площади проходного сечения более чем на 25% дестабилизирует эмульсионный слой над завихрителем - он просто здесь не садится, но активизируется над инициатором эмульгирования, однако относительная влажность газов при этом значительно снижается, 2) при сужении проходного сечения параллелепипеда, менее чем на 10% относительная влажность обрабатываемых газов также уменьшается вследствие того, что в этом случае слабо инициируется эмульгирование инициатором эмульгирования.

На фиг. 2 показана кассета (без каплеуловителя), собранная из нескольких десятков насадок 1 формой параллелепипеда, объединенных корпусом 5 с подводящими и отводящими коммуникациями, главными из которых является: газоход загрязненных дымовых газов 6, сборный бункер 7, отводящий газоход очищенных дымовых газов 8, содержащих капельный унос и направляемых в брызгоуловитель, орошающий коллектор 9, дозаторы жидкости 10, входной патрубок 11 коллектора орошения и гидрозатвор 12. Обозначения 2-4 соответствуют названиям и назначению изложенным при описании фиг. 1, а позициями 13 и 14 условно показаны эмульгированная жидкость, располагающаяся соответственно над завихрителем 2 и инициатором эмульгирования 4. На фиг. 3 дано сечение А-А фиг. 1.

Устройство для улавливания токсичных веществ из газообразных выбросов работает следующим образом.

Загрязненный дымовой газ через входной газоход поступает в сборный бункер 7 и далее распределяется по насадкам 1, выполненным в виде параллелепипедов. Орошающая жидкость по патрубку 11 входит в коллектор орошения 9 и распределяется по дозаторам 10. На фиг. 3 как вариант, дозаторы выполнены в виде трубок и врезаны в корпус кассеты 5. Для более высокой надежности каждый ряд насадок орошается двумя дозаторами. Нет никакого запрета и для форсуночного орошения с крупным распылом. Форсунки могут быть установлены в тех же местах, что и дозаторы 10, но оптимальным является орошение всей кассеты одной форсункой, расположенной в верхней точке корпуса 5.

Орошающая вода из дозаторов 10, попадая в любую насадку, взаимодействует с движущимся ей навстречу закрученным потоком загрязненного газа, подвешивается над завихрителем 2 и перетекает через проходные окна 3 в соседние неорошаемые дозатором насадки. В них так же, как и в орошаемой дозатором насадке, происходит накопление жидкости над завихрителем при идеальном смешении с газом с постепенным заполнением эмульсией части объема насадки (нестационарный период времени длится 2-3 мин). При относительно небольшом аэродинамическом сопротивлении насадки (порядка 80 кгс/м²) эмульсия располагается между завихрителем и инициатором эмульгирования. С ростом аэродинамического сопротивления насадки при адекватном увеличении скорости газового потока верхняя граница эмульсионного слоя располагается значительно выше инициатора эмульгирования. Именно подвешенная в насадке эмульсия отфильтровывает пыль и частично абсорбирует окислы серы.

При скорости газа, превышающей 12 м/c, эмульсия в начале заполняет весь объем насадки, а затем выносится за ее пределы (наступает режим захлебывания).

Использование: изобретение относится к устройствам для улавливания токсичных веществ из газообразных выбросов в эмульгированном потоке жидкости, применяемым в энергетике, металлургии, химии и других отраслях промышленности. Изобретение позволяет: упростить конструкцию, снизить стоимость изготовления, уменьшить габариты, повысить производительность единичной трубы-насадки, увеличить эффективность пылеулавливания, повысить надежность системы орошения газоочистителя. Сущность: насадка выполнена в виде параллелепипеда, с закрепленным в ее нижней части аксиальным лопаточным завихрителем, изготовленным из четырех лопастей, имеющих форму тупоугольных треугольников, тупые углы которых вписываются в двугранные углы параллелепипеда. Середины оснований касаются в одной точке, лежащей на оси параллелепипеда. Непосредственно над лопатками в стенках параллелепипеда устанавливаются окна, выше над ними инициаторы эмульгирования в виде четырех пластин в форме прямоугольных треугольников, также вписанных в двугранные углы параллелепипеда и уменьшающих его проходное сечение на 10-25%. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для улавливания токсичных веществ из газообразных выбросов, включающее параллельно установленные орошаемые насадки с размещенными в них аксиальными лопастными завихрителями, объединенные в одном корпусе и имеющие общий подвод и отвод дымовых газов, а также сборный бункер с гидрозатвором, отличающееся тем, что насадки выполнены в виде параллелепипедов, а лопастной завихритель выполнен из четырех лопастей, имеющих форму тупоугольных треугольников, тупые углы которых вписаны в двугранные углы параллелепипеда, а середины противолежащих сторон касаются друг друга в одной точке, лежащей на оси параллелепипеда. 2. Устройство для улавливания токсичных веществ из газообразных выбросов, включающее параллельно установленные орошаемые насадки с размещенными в них завихрителями, объединенные в одном корпусе и имеющие общий подвод и отвод дымовых газов, а также сборный бункер с гидрозатвором, отличающееся тем, что в стенках насадки выполнены проходные окна. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что проходные окна выполнены непосредственно над завихрителем. 4. Устройство для улавливания токсичных веществ из газообразных выбросов, включающее параллельно установленные орошаемые насадки прямоугольной формы с закрепленными в них завихрителями и инициаторами эмульгирования, объединенные в одном корпусе и имеющие общий подвод и отвод дымовых газов, а также сборный бункер с гидрозатвором, отличающееся тем, что инициаторы эмульгирования изготовлены из четырех пластин в форме прямоугольных треугольников, вписанных в двугранные углы параллелепипеда с уменьшением его проходного сечения на 10 - 25%