Комплексный горизонтальный многоступенчатый адсорбер Российский патент 2023 года по МПК B01D53/04 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, к хвостовому оборудованию теплогенерирующих установок и может быть использовано в процессах очистки сбросных газов от вредных примесей и утилизации их тепла.

Известно комплексное устройство для очистки выхлопных газов судового двигателя, содержащее корпус, снабженный коническими крышками, съемной боковой крышкой, входным и выпускным газовыми и озоновым патрубками, штуцерами подачи промывочной воды и слива загрязненной воды, соответственно, внутри которого снизу - вверх расположены поддон, смесительная камера, камера очистки, состоящая из нескольких секций, каждая из которых содержит опорную решетку, на которой установлена фильтрующая вставка, состоящая из вертикальных зигзагообразных контейнеров с перфорированными стенками, образующих между собой зигзагообразные газовые каналы, при этом зигзагообразные контейнеры заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, внутри камеры очистки над каждой секцией установлены распределители промывочной воды, представляющие собой перфорированные снизу трубы, соединенные со штуцерами промывочной воды, а в смесительной камере устроен распределитель озона, представляющий собой перфорированную сверху трубу, соединенную через патрубок с озонатором [Патент РФ №2536749, МПК F01N 3/08, 2014].

Основными недостатками известного устройства являются сложная конструкция зигзагообразных контейнеров и замены адсорбента в них на свежий и невозможность его удовлетворительной работы во всем диапазоне нагрузок двигателя, что снижает эффективность очистки сбросных газов.

Более близким к предлагаемому изобретению является коррозионноустойчивая шахтная мультиблочная установка для очистки и утилизации дымовых газов, содержащая транзитный газоход с отсечным клапаном, соединенную с ним через окно в его днище камеру очистки, представляющую собой вертикальную шахту, разделенную вертикальными перегородками на параллельные газоходы с входными и выходными клапанами, в которых устроены блоки очистки и утилизации, каждый из которых состоит из воздухоподогревателя-абсорбера, в котором расположены сверху-вниз три ступени охлаждения дымовых газов, выполненные в виде стеклоблочных теплообменников, между первой и второй ступенями охлаждения устроена окислительная камера, с помещенной в ней трубой подачи озоновоздушной смеси, снабженной распределителем, между второй и третьей ступенями охлаждения расположена камера усреднения, теплообменники первой и второй ступени соединены с прямым и обратным воздуховодами дутьевого воздуха, а между собой по воздуху переточной камерой, теплообменник третьей ступени снабжен осевым вентилятором, вертикальная шахта снизу соединена с поддоном, состоящим из газового коллектора и конического днища, снабженного конденсатным патрубком и соединенного наклонным газоходом, угол наклона днища а которого больше или равен углу естественного откоса воды, с вертикальной шахтой, образующей камеру доочистки, соединенную сверху с магистральным газоходом, внутри которой расположены секции доочистки, причем каждый из стеклоблочных теплообменников состоит из стеклоблоков, выполненных из термостойкого малощелочного стекла армированного металлической сеткой, имеет воздушные каналы с шероховатой поверхностью и газовые каналы с гладкой поверхностью, размещенные перпендикулярно относительно друг друга, вышеупомянутые стеклоблоки уложены многорядной системой перевязки по длине и ширине теплообменника, с упругими прокладками между ними и наружной прокладкой, с образованием зазоров между ними по длине, образующих также газовые каналы, а каждая секция камеры доочистки (адсорбера) содержит несколько рядов трапецеидальных с перфорированными стенками контейнеров, поставленных на опорные уголки в шахматном порядке по ее высоте (ступеней очистки), образующих между собой зигзагообразные газовые каналы и закрыта с наружной боковой стороны съемной крышкой, при этом вышеупомянутые контейнеры заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, внутри камеры доочистки над каждой секцией установлены распределители промывочной воды, представляющие собой перфорированные снизу трубы, соединенные с коллектором промывочной воды [Патент РФ №2656498, МПК B01L 53/00, 2018].

Основными недостатками известной коррозионноустойчивой шахтной мультиблочной установки для очистки и утилизации дымовых газов, является сложная конструкция в форме шахты, высокое сопротивление секции охлаждения, состоящей из стеклоблочных теплообменников и необходимость постороннего источника электроэнергии, что усложняет ее эксплуатацию и повышает стоимость процесса очистки и, таким образом, уменьшает его эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение эффективности комплексного горизонтального многоступенчатого адсорбера.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый комплексный горизонтальный многоступенчатый адсорбер содержит, установленные на опорах, пластинчатый теплообменник и соединенный с ним по ходу газа, адсорбер, при этом теплообменник состоит из прямоугольного корпуса, снабженного входной торцевой, двумя верхними и нижним пирамидальными крышками и днищем с входным газовым патрубком, входным и выходным воздушными патрубками, штуцером слива конденсата, соответственно, и торцевым выходным газовым окном, в корпусе теплообменника размещены плоские вертикальные теплообменные перегородки, выполненные из армированного малощелочного термостойкого стекла, образующие газовые каналы, заглушенные сверху планками и воздушные каналы, заглушенные снизу другими планками и разделенные до середины разделительными планками, адсорбер состоит из прямоугольного горизонтального корпуса с пирамидальным днищем со сливным штуцером, закрытого сверху съемной прямоугольной крышкой, снабженной входным торцевым газовым окном, соединенным с выходным газовым окном теплообменника и торцевой пирамидальной крышкой с патрубком очищенного газа, внутри корпуса на опорных уголках уложена горизонтальная перфорированная корзина, заполненная гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, а над корзиной и под ней в шахматном порядке устроены вертикальные верхние и нижние перегородки, делящие пространство в корпусе, крышке и слой гранулированного доменного шлака в корзине на ступени очистки, над каждой из которых размещены, перфорированные снизу, промывочные патрубки, соединенные через запорно-регулирующие устройства с промывочным коллектором.

Предлагаемый комплексный горизонтальный многоступенчатый адсорбер (КГМСА) изображен на фиг. 1-8 (фиг. 1-4 - общий вид КГМСА и его разрезы, фиг. 5, 6 - узлы адсорбера, фиг. 7-8 - узлы теплообменника).

КГМСА содержит, установленные на опорах (на фиг. 1-8 не показаны), пластинчатый теплообменник (ПТО) 1 и соединенный с ним по ходу газа, адсорбер 2, при этом теплообменник 1 состоит из прямоугольного корпуса 3, снабженного входной торцевой 4, верхними 5, 6 и нижним 7 пирамидальными крышками и днищем с входным газовым патрубком 8, входным и выходным воздушными патрубками 9 и 10, штуцером слива конденсата 11, соответственно, и торцевым выходным газовым окном 12, в корпусе 3 размещены плоские вертикальные теплообменные перегородки 13, выполненные из армированного малощелочного термостойкого стекла (на фиг. 1-8 узлы крепления не показаны), образующие газовые каналы 14, заглушенные сверху планками 15 и воздушные каналы 16, заглушенные снизу планками 17 и разделенные до середины разделительными планками 18, адсорбер 2 состоит из прямоугольного горизонтального корпуса 19 с пирамидальным днищем 20 со сливным штуцером 21, закрытого сверху съемной прямоугольной крышкой 22, снабженной входным торцевым газовым окном 23, соединенным с выходным газовым окном 12 теплообменника 1 и торцевой пирамидальной крышкой 24 с патрубком очищенного газа 25 (узлы крепления на фиг. 1-8 не показаны),внутри корпуса 19 на опорных уголках 26 уложена горизонтальная перфорированная корзина 27, заполненная гранулами пемзы 28, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм. Над корзиной 27 и под ней в шахматном порядке устроены вертикальные верхние 29 и нижние 30 перегородки, делящие пространство в корпусе 19, крышке 22 и слой гранулированного доменного шлака 28 в корзине 27 на ступени очистки 31, над каждой из которых размещены, перфорированные снизу, промывочные патрубки 32, соединенные через запорно-регулирующие устройства 33 с промывочным коллектором 34.

В основу работы предлагаемого КГМСА положено следующее. Использование в качестве теплообменного устройства конструкцию пластинчатого теплообменника объясняется его низким аэродинамическим сопротивлением и достаточно высокой скоростью теплопередачи, а в качестве материала теплообменных перегородок армированного термостойкого малощелочного стекла объясняется его достаточно высокой прочностью и высокой коррозионной устойчивостью [Патент РФ №2656498, МПК B01L 53/00 F23L 15/04, 2018]. Использование адсорбционной насадки-гранул пемзы 28, которая используется в качестве адсорбента для вредных компонентов выхлопных газов объясняется тем, что 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, SiO₂, Al₂O₃, MnO) с 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 28 основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в отработавших газах (NO_x, SO_x, СО), а высокая пористость их структуры обеспечивает высокую удельную поверхность. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы 28 устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов дымовых газов, широко доступны и дешевы.

Предлагаемый КГМСА работает следующим образом. Через входной воздушный патрубок 9 и верхнюю крышку 5 в левую часть воздушных каналов 16 ПТО 1 вентилятором (на фиг. 1-8 не показан) подается холодный наружный воздух, который в начале проходит через воздушные каналы 16 вниз и затем, обогнув разделительные планки 18 через незаглушенное живое сечение воздушных каналов 16 поднимается вверх, в результате теплообмена через перегородки 13 с горячими сбросными газами, проходящими через газовые каналы 14, нагревается до требуемой температуры и через верхнюю крышку 6 и патрубок 10 выводится из ПТО 1. Одновременно сбросные газы, проходя через газовые каналы 14, в результате процесса теплопередачи, через перегородки 18 с воздушным потоком, охлаждаются до требуемой температуры и через 12 и 23 поступают в адсорбер 2, а образовавшийся конденсат сливается в днище 7. Из ПТО 1 охлажденные сбросные газы, двигаясь горизонтально, поступают в полость адсорбера 2, в котором, проникают в массу гранулированного шлака 28 первой ступени очистки 31, где одновременно происходят процессы конденсации из-за предварительного охлаждения дымовых газов в ПТО 1, взаимодействие оксидов азота и серы с каплями конденсата с образованием азотной и серной кислот (HNO₂ и H₂SO₄) [Ежов В.С. Разработка комплексного способа очистки вредных газообразных выбросов, автореф. докт. дисс., М., 2009], образуя кислый конденсат, стекающий через перфорированные днища корзин 27 в пирамидальное днище 20. В тоже время дымовые газы, контактируя с гранулами пемзы 28, адсорбируются на поверхности их пор, причем NO₂, SO₃, СО₂ адсорбируются значительно быстрее, чем NO, SO₂, СО ввиду более высоких кислых свойств. Поток сбросных газов, проходя все ступени 31 и многократно попадая на поверхность гранул 28 и вовнутрь их очищается от вредных примесей (NO_x, SO_x, СО_х), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 28. Адсорбированные из сбросных газов оксиды азота, оксиды серы, оксиды углерода в порах гранул 28 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента-гранул шлаковой пемзы 28 [Неницеску К. Общая химия - М.: Мир, 1968, с. 298], поэтому окисляются кислородом (кислород часто присутствует в сбросных газах) со скоростью большей, чем в газовой фазе с образованием легкорастворимых в воде NO₂ и SO₃. Адсорбированные NO₂, SO₃, СО₂, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды образующейся в порах гранул 28 в результате капиллярной конденсации паров воды, находящихся в дымовых газах, с образованием соответствующих кислот HNO₃, H₂SO₄ и Н₂СО₃. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 28 оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные сбросные газы через выходной патрубок 25, поступают в газоход и далее через дымовую трубу (на фиг. 1-8 не показаны), откуда выбрасываются в атмосферу, а кислый конденсат с уловленными механическими примесями собирается в пирамидальном днище 20, откуда через сливной штуцер 21 подается на утилизацию или сбрасывается в дренаж.

При падении активности гранул пемзы 28 их подвергают регенерации. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул шлаковой пемзы 28 от мелкодисперсных частиц и адсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем их промывки водой из промывочного коллектора 34, промывочных патрубков 32 и удалении грязной воды из поддона 20 через штуцер 21. При этом, конструкция КГМСА позволяет проводить процесс регенерации без остановки процесса очистки.

Отработанный гранулированный шлак 28 заменяют путем извлечения корзины 27 из корпуса 19 адсорбера 2 при снятой крышке 22 и замены отработанного шлака 28 на свежий. Следует заметить, что отработанный шлак ввиду его высоких механических свойств может использоваться как наполнитель для строительных конструкций, конденсат и загрязненная промывочная вода, как источник для получения химических веществ (например, азотной кислоты), а очищенная от них промывочная вода и конденсат как важный компонент для повышения плодородности почвы ввиду высокого содержания в них оксидов углерода..

Размеры КГМСА, перфорировнной корзины 27, суммарный объем гранул шлаковой пемзы 28 в адсорбере 2, число ступеней 31 размеры газовых и воздушных каналов 14 и 16 в ПТО 1, расход промывочной воды определяются в зависимости от расхода сбросных газов, типа и концентрации загрязнений и требуемой степени очистки.

Таким образом, предлагаемый комплексный горизонтальный многоступенчатый адсорбер позволяет без применения дорогих и опасных химических реагентов очистить сбросные газы от вредных примесей при использовании в качестве адсорбента гранул шлаковой пемзы, изготовленной из основных металлургических шлаков, снизить сопротивление теплообменника и скорость коррозии оборудования за счет использования конструкции пластинчатого теплообменника с перегородками, выполненными из армированного термостойкого малощелочного стекла, упростить эксплуатацию за счет использования конструкции адсорбера с горизонтальным расположением ступеней очистки, что, в конечном счете повышает его эффективность.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к хвостовому оборудованию теплогенерирующих установок, и может быть использовано в процессах очистки сбросных газов от вредных примесей и утилизации их тепла. Комплексный горизонтальный многоступенчатый адсорбер содержит теплообменник с газовыми и воздушными каналами, стенки которых выполнены из армированного термостойкого малощелочного стекла, соединенный с адсорбером, состоящим из ступеней очистки, представляющих собой корзины, заполненных гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, над каждой из которых размещены перфорированные снизу промывочные патрубки, соединенные через запорно-регулирующие устройства с промывочным коллектором. Теплообменник и соединенный с ним по ходу газа адсорбер установлены на опорах. Теплообменник выполнен пластинчатым и состоит из прямоугольного корпуса, снабженного входной торцевой, двумя верхними и нижним пирамидальными крышками и днищем с входным газовым патрубком, входным и выходным воздушными патрубками, штуцером слива конденсата, соответственно, и торцевым выходным газовым окном. В корпусе теплообменника размещены плоские вертикальные теплообменные перегородки, выполненные из армированного малощелочного термостойкого стекла, образующие газовые каналы, заглушенные сверху планками, и воздушные каналы, заглушенные снизу другими планками и разделенные до середины разделительными планками. Адсорбер состоит из прямоугольного горизонтального корпуса с пирамидальным днищем со сливным штуцером, закрытого сверху съемной прямоугольной крышкой, снабженной входным торцевым газовым окном, соединенным с выходным газовым окном теплообменника, и торцевой пирамидальной крышкой с патрубком очищенного газа. Внутри корпуса на опорных уголках уложена горизонтальная перфорированная корзина. Над корзиной и под ней в шахматном порядке установлены вертикальные верхние и нижние перегородки, делящие пространство в корпусе, крышке и слой гранулированного доменного шлака в корзине на ступени очистки. Технический результат: увеличение эффективности комплексного горизонтального многоступенчатого адсорбера. 8 ил.

Комплексный горизонтальный многоступенчатый адсорбер, содержащий теплообменник с газовыми и воздушными каналами, стенки которых выполнены из армированного термостойкого малощелочного стекла, соединенный с адсорбером, состоящим из ступеней очистки, представляющих собой корзины, заполненных гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, над каждой из которых размещены перфорированные снизу промывочные патрубки, соединенные через запорно-регулирующие устройства с промывочным коллектором, отличающийся тем, что теплообменник и соединенный с ним по ходу газа адсорбер установлены на опорах, при этом теплообменник выполнен пластинчатым и состоит из прямоугольного корпуса, снабженного входной торцевой, двумя верхними и нижним пирамидальными крышками и днищем с входным газовым патрубком, входным и выходным воздушными патрубками, штуцером слива конденсата, соответственно, и торцевым выходным газовым окном, в корпусе теплообменника размещены плоские вертикальные теплообменные перегородки, выполненные из армированного малощелочного термостойкого стекла, образующие газовые каналы, заглушенные сверху планками, и воздушные каналы, заглушенные снизу другими планками и разделенные до середины разделительными планками, адсорбер состоит из прямоугольного горизонтального корпуса с пирамидальным днищем со сливным штуцером, закрытого сверху съемной прямоугольной крышкой, снабженной входным торцевым газовым окном, соединенным с выходным газовым окном теплообменника, и торцевой пирамидальной крышкой с патрубком очищенного газа, внутри корпуса на опорных уголках уложена горизонтальная перфорированная корзина, при этом гранулы пемзы заполняют корзину, причем над корзиной и под ней в шахматном порядке установлены вертикальные верхние и нижние перегородки, делящие пространство в корпусе, крышке и слой гранулированного доменного шлака в корзине на ступени очистки.