Устройство для очистки и комплексной утилизации сбросных газов

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и сельскому хозяйству и может быть использовано в процессах очистки и утилизации газообразных продуктов сгорания теплоэнергетических установок и двигателей внутреннего сгорания для снижения загрязнений, выбросов парниковых газов в атмосферу и повышения урожайности в овощеводстве закрытого грунта.

Известна газовоздушная установка для создания микроклимата в теплицах, включающая огневую камеру с горелками для сжигания газа и распределительным коллектором, теплообменник, вентилятор, форсунки для распыления воды, трубопроводы с регулировочными заслонками, дымосос, в которой за счет тепла дымовых газов, подогревается воздух и осуществляется его смешение с дымовыми газами для обогащения его углекислым газом перед подачей в теплицу [А. с. СССР №18451, МКл.⁴ А01G, бюл. №14, 1966].

Основными недостаткам известного устройства являются невозможность очистки в нем дымовых газов от оксидов азота и оксидов серы перед подачей их в теплицу, присутствие которых в обогреваемом воздухе отрицательно влияет на развитие растений в теплице, что снижает экономические и экологические показатели установки.

Более близким к предлагаемому изобретению является устройство для очистки и комплексной утилизации дымовых газов, включающее зону обработки, соединенную с транзитным газоходом через отводной газоход, в которую входят вертикальный трубчатый теплообменник-абсорбер, состоящий из соединенных последовательно по газу в трубном пространстве сверху вниз воздухоподогревателя и конденсатора, который соединен по конденсату с анионитовым фильтром, а по газу - с эжектором, газоходом рабочей смеси и теплицей, в крыше которой размещен дефлектор, причем межтрубное пространство воздухоподогревателя соединено с дутьевым воздуховодом, а межтрубное пространство конденсатора соединено с газоходом наружного воздуха и вентилятором [Патент РФ №2377058, МПК В01D 53/60, А01G 9/18, бюл. №36, 2009].

Основным недостатком известного устройства является недостаточная очистка продуктов сгорания от вредных компонентов (оксидов серы и оксидов азота) при высокой концентрации вредных компонентов и значительном расходе сбросных газов, обусловленная, во-первых, невозможностью дальнейшего снижения температуры сбросных газов без значительного увеличения площади теплообменных поверхностей и увеличения энергетических затрат на подачу охлаждающего воздуха и транспортировку сбросных газов и, во-вторых, подачей озоновоздушной смеси в горячие сбросные газы перед воздухоподогревателем, что снижает скорость реакции окисления монооксида азота до диоксида и, таким образом, снижает экономическую и экологическую эффективность установки.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение экологической и экономической эффективности устройства для очистки и комплексной утилизации сбросных газов.

Технический результат достигается в устройстве для очистки и комплексной утилизации сбросных газов, включающем зону обработки, соединенную с транзитным газоходом через отводной газоход, в которую входят вертикальный трубчатый теплообменник-абсорбер, состоящий из соединенных последовательно по газу в трубном пространстве сверху вниз трубчатого воздухоподогревателя, полой окислительной камеры, с размещенным в ней распределителем озоновоздушной смеси, представляющим собой горизонтальную перфорированную трубу, трубчатого конденсатора 1-й ступени и примыкающего к ним сбоку вертикального пластинчатого конденсатора 2-й ступени, снабженного снизу щелевыми газовым заборником и воздушным заборником, соединенными с газовой полостью конденсатора 1-й ступени и наружным воздухом, соответственно, сверху - газовым выхлопом с патрубком и верхней крышкой, соединенной с вытяжной трубой и дефлектором, внутри которого размещены вертикальные перегородки, образующие воздушные и газовые каналы, причем торцы воздушных каналов на входе и выходе газа закрыты воздушными заглушками, а торцы газовых каналов на входе и выходе воздуха закрыты газовыми заглушками, конденсаторы 1-й и 2-й ступеней через пирамидальное днище соединены по конденсату с анионитовым фильтром, конденсатор 2-й ступени соединен по газу через выхлопной патрубок с эжектором, газоходом рабочей смеси и теплицей, в крыше которой размещен дефлектор, межтрубное пространство воздухоподогревателя соединено с дутьевым воздуховодом, а межтрубное пространство конденсатора 1-й ступени соединено с воздуховодом наружного воздуха и вентилятором.

В основу работы предлагаемого устройства положены особенности состава дымовых и выхлопных газов теплоэнергетических агрегатов и двигателей внутреннего сгорания, основными компонентами которых, на основании опытных данных и расчета состава продуктов сгорания, являются азот (76-82)% об., диоксид углерода(7-14)% об., водяные пары (5-17)% об., концентрация которых зависит от вида топлива и способа его сжигания [Роддатис К.Ф., Соколовский Я.Б. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергия, 1975, с. 15]; высокая скорость кислотообразования в условиях конденсации водяных паров нитрозных газов [Олевский В. М. Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности. - М.: Химия, 1985, с. 42], возможность использования азотнокислого натрия в качестве удобрения [Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. - Л.: Химия, 1983, с. 226] и способность растений в процессе фотосинтеза усваивать диоксид углерода с выделением кислорода [Комов В. П., Шведова В. Н. Биохимия. - М.: Дрофа, 2004, с. 210]. Кроме того, нагрев воздуха в конденсаторе 2-й ступени 8, высота вытяжной трубы 13 с дефлектором 14 создают в вертикальных воздушных каналах 16 для воздушного потока самотягу [Ю. П. Гусев Основы проектирования котельных установок. - М.: Стройиздат, 1977, с. 143].

Устройство для очистки и комплексной утилизации сбросных газов (УОКУСГ) изображено на фиг. 1-4 (фиг. 1 - общий вид УОКУСГ, фиг. 2, 3 - разрезы воздухоподогревателя-абсорбера, фиг. 4 - узел газового выхлопа 11).

Устройство для очистки и комплексной утилизации сбросных газов (УОКУСГ) содержит зону обработки, соединенную с транзитным газоходом 1, через отводной газоход 2 с вертикальным теплообменником-абсорбером 3, состоящим из соединенных последовательно по газу в трубном пространстве сверху - вниз трубчатого воздухоподогревателя 4, полой окислительной камеры 5 с размещенным в ней распределителем озоновоздушной смеси 6, представляющим собой горизонтальную перфорированную трубу, трубчатого конденсатора 1-й ступени 7 и примыкающего к ним сбоку вертикального пластинчатого конденсатора 2-й ступени 8, снабженного снизу щелевыми газовым заборником 9 и воздушным заборником 10, соединенными с газовой полостью конденсатора 1-й ступени 7 и наружным воздухом, соответственно, сверху - газовым выхлопом с патрубком 11 и верхней крышкой 12, соединенной с вытяжной трубой 13 и дефлектором 14, внутри которого размещены вертикальные перегородки 15, образующие воздушные 16 и газовые каналы 17, причем торцы воздушных каналов 16 на входе и выходе газа (в газовом заборнике 9 и газовом выхлопе 11) закрыты воздушными заглушками 18, а торцы газовых каналов 17 на входе и выходе воздуха (в воздушном заборнике 9 и на выходе у верхней крышки 12) закрыты газовыми заглушками 19, конденсаторы 1-й и 2-й ступеней 7 и 8 через пирамидальное днище 20 соединены по конденсату с анионитовым фильтром 21, конденсатор 2-й ступени 8 соединен по газу через выхлопной патрубок 11 с эжектором 22, газоходом рабочей смеси 23 и парником 24, в крыше которого размещен дефлектор 25, межтрубное пространство воздухоподогревателя 4 соединено с дутьевым воздуховодом 26, а межтрубное пространство конденсатора 1-й ступени 7 соединено с воздуховодом наружного воздуха 27 и вентилятором 28.

Очистка и комплексная утилизация сбросных газов осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом.

Сбросные газы теплогенерирующей установки или двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (на фиг. 1-4 не показаны), количество которых обусловлено производительностью устройства, из транзитного газохода 1 под напором, создаваемым дымососом или ДВС, через отводной газоход 2 направляются в зону обработки УОКУСГ в трубчатый теплообменник-абсорбер 3, двигаясь сверху вниз, поочередно поступают в трубное пространство вертикального воздухоподогревателя 4, охлаждаемого дутьевым воздухом до температуры 80-85°C, далее в окислительную камеру 5, где происходит смешение газов с озоновоздушной смесью из распределителя 6 и начало процесса окисления монооксидов азота до диоксидов, после которой газы поступают в трубное пространство конденсатора 1-й ступени 7, где охлаждаются наружным воздухом до температуры 50-60°C с образованием конденсата, стекающего вниз по стенкам труб, окисление с высокой скоростью ввиду присутствия озона оксидов азота до высших, абсорбция их конденсатом и интенсивное кислотообразование в процессе конденсации водяных паров. Из конденсатора 7 частично очищенные от оксидов азота и охлажденные сбросные газы через щелевой газовый заборник 9 поступают в газовые каналы 17 вертикального пластинчатого конденсатора 2-й ступени 8, где также охлаждаются наружным воздухом, поступающим в воздушные каналы 16 через воздушный заборник 10, до температуры 30-40°C с образованием конденсата, стекающего вниз по стенкам вертикальных перегородок 15, окисление с высокой скоростью оставшихся оксидов азота до высших, абсорбция их конденсатом и интенсивное кислотообразование в процессе конденсации водяных паров, после чего окончательно очищенные и охлажденные газы из патрубка 11 направляются в эжектор 22, а нагретый воздух за счет естественной тяги, создаваемой разностью его плотностей, высотой вытяжной трубы 13 и дефлектором 14, сбрасывается в атмосферу. В эжекторе 22 очищенные и охлажденные сбросные газы смешиваются в заданном соотношении с нагретым наружным воздухом из конденсатора 1-й ступени 5, подаваемым вентилятором 28 по воздуховоду 27, полученная газовоздушная смесь по газоходу 27 поступает в теплицу 24, где в результате процесса фотосинтеза диоксид углерода усваивается растениями с выделением кислорода, одновременно интенсифицируя их рост, после чего газовоздушная смесь, обогащенная кислородом, за счет разрежения, создаваемого дефлектором 25, выбрасывается в атмосферу. Конденсат, насыщенный кислотными компонентами, из конденсаторов 1-й, 2-й ступеней 7 и 8 поступает в анионитовый фильтр 21, где очищается от кислотных компонентов и направляется в конденсатный бак (на фиг. 1-4 не показан), после чего используется для подпитки котельного агрегата. При этом после регенерации анионита анионитового фильтра 21 раствором едкого натрия получают водный раствор NaNO₃, который в качестве удобрения используется для повышения урожайности в теплице 24.

При этом вставка в конструкцию теплообменника-абсорбера 3 окислительной камеры 5 позволяет увеличить скорость окисления оксидов азота, а дополнение конденсатором 2-й ступени 8, выполненной в виде вертикального пластинчатого теплообменника, транспортирующего охлаждающий воздух за счет естественной тяги, создаваемой разностью его плотностей, высотой вытяжной трубы 13 и дефлектором 14, позволяет значительно снизить температуру сбросных газов и, следовательно, значительно увеличить эффективность их очистки без существенного повышения аэродинамического сопротивления теплообменника-абсорбера 3 по газу и дополнительного расхода электроэнергии для транспортировки охлаждающего воздуха в конденсаторе 8.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает увеличение степени очистки сбросных газов, утилизацию их тепла для нагрева дутьевого воздуха, обогрева теплицы и диоксида углерода, который усваивается растениями с выделением кислорода, что повышает экологическую и экономическую эффективность очистки и утилизации сбросных газов, повышение урожайности овощных культур, а также снижает выбросы парниковых газов в атмосферу.