Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ

Изобретение относится к очистке газов и может использоваться в трубах, отводящих дымовые и другие газы, содержащие вредные примеси в любой отрасли промышленности.

Известен фильтрующий модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов, включающий цилиндрический корпус и расположенный в нем слой сорбента и слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, при этом слой катализатора выполнен в виде полого цилиндра, а слой сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, размещен внутри цилиндрического каталитического слоя, и оба слоя установлены коаксиально с корпусом (патент РФ №2172641, МКИ7 B01D 53/02, опубл. 27.08.2001).

Недостатком известного устройства является то, что применяемые в нем адсорбенты на основе активированного угля имеют ограниченную емкость по сорбируемым веществам, а их регенерация требует демонтажа модуля с адсорбентом. Кроме того, необходимая степень очистки воздуха с их помощью достигается только при невысоких скоростях его прохода через фильтр (обычно не более 5 м/с), что сказывается на интенсивности очистки при больших расходах газов. С увеличением расхода газов эффективность очистки падает из-за возрастающего газодинамического сопротивления фильтрующего элемента.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является установка для очистки вредных выбросов в атмосферу, установленная на трубе и содержащая наружную и внутреннюю стенки, рассекатель газов и ороситель для очистки газов распыленной водой. Рассекатель установлен с возможностью регулирования высоты его подъема над трубой и обеспечения очистки газов распыленной водой между наружной стенкой установки и кромкой рассекателя (патент РФ №2330711 от 10.08.2008 г.). Данное устройство принято за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - камера очистки; рассекатель газов, установленный с возможностью регулирования высоты его подъема над трубой и закрепленный на опорном кольце; опорное кольцо опирается на трубу и приварено к внутренней стенке камеры очистки; ороситель для очистки газов распыленной жидкостью выполнен в виде форсунок; система подачи воды; патрубок для слива воды.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является низкая эффективность очистки газов от теплового загрязнения атмосферы и вредных выбросов из-за недостаточного охлаждения выбрасываемых газов, неполного удаления вредных выбросов при больших расходах, требующих большей степени окисления, таких, как NO_x, CO и др. Кроме того, газ, двигаясь по коротким траекториям, огибающим рассекатель, не получает достаточного охлаждения водой.

Задачей изобретения является повышение эффективности очистки газов от теплового загрязнения атмосферы и вредных выбросов.

Поставленная задача была решена за счет того, известная установка для очистки вредных выбросов в атмосферу, размещенная на трубе и содержащая камеру очистки, рассекатель газов, установленный с возможностью регулирования высоты его подъема над трубой и закрепленный на опорном кольце, опирающемся на трубу и приваренным к внутренней стенке камеры очистки, ороситель для очистки газов распыленной жидкостью, выполненный в виде форсунок, систему подачи воды и патрубок для слива воды, дополнительно снабжена направляющими устройствами закрутки газа, эжектором, системой подачи озона, при этом направляющие устройства закрутки газа прикреплены к опорному кольцу рассекателя и установлены под углом к вертикальной оси установки, вход эжектора соединен с системами подачи озона и воды, а выход с оросителем для очистки газов распыленной жидкостью, причем форсунки оросителя выполнены с возможностью распыления жидкости до диаметра капель, определяемых по формуле

где d - диаметр капли;

t_исп - время испарения капли;

D - внутренний диаметр трубы;

h - расстояние от опорного кольца до рассекателя струи газов;

V - объемный секундный расход газообразных продуктов сгорания;

α - угол установки направляющих устройств закрутки газа;

c - эмпирический коэффициент, вычисляемый по формуле:

где γ_г, γ_ж - удельный вес соответственно газообразных продуктов сгорания и жидкой капли;

К_д - коэффициент взаимной диффузии пара жидкости в газообразные продукты сгорания;

u - скорость капли жидкости относительно продуктов сгорания;

ν_г - коэффициент кинематической вязкости газообразных продуктов сгорания;

В - диффузионный напор между каплей жидкости и газообразными продуктами сгорания.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - наличие направляющих устройств закрутки газа, эжектора, системы подачи озона; направляющие устройства закрутки газа прикреплены к опорному кольцу рассекателя и установлены под углом к вертикальной оси установки; вход эжектора соединен с системами подачи озона и воды, а выход с оросителем; форсунки оросителя выполнены с возможностью распыления жидкости до диаметра капель, определяемых по вышеприведенной формуле.

Благодаря направляющим устройствам закрутки газа газ с вредными выбросами закручивается в верхней части трубы, обеспечивая возрастание теплоотдачи поднимающихся газов.

Эжектор, соединенный с системами подачи озона и воды позволяет получить жидкость в виде озоно-водяной смеси для обеспечения большей степени окисления вредных выбросов.

Выполнение форсунок с возможностью распыления жидкости до диаметра капель, определяемых по вышеприведенной формуле, обеспечивает их полное испарение в зоне очистки, что способствует максимальному охлаждению газа. Из формулы видно, что диаметр капель зависит от времени испарения капли, расхода продуктов сгорания, угла установки направляющих устройств закрутки газа, диаметра трубы. Формула получена из уравнения теплового баланса, в которое входит эмперический коэффициент, полученный экспериментально.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4.

На фиг.1 показан общий вид установки в вертикальном разрезе.

На фиг.2 - вид сверху.

На фиг.3 - рассекатель выбрасываемых трубой газов.

На фиг.4 - ороситель.

Установка для очистки вредных выбросов в атмосферу (фиг.1) установлена на трубе 1 и содержит камеру очистки, ограниченную внутренней 2 и наружной 3 стенками. Камера очистки представляет собой круглую сварную конструкцию в виде конусной емкости. Установка содержит ороситель 4 для очистки газов распыленной жидкостью, выполненный в виде форсунок 5. Форсунки 5 выполнены с возможностью распыления жидкости до диаметра капель, определяемых по формуле. Диаметр распыляемых капель при этом зависит от времени испарения капли [Волков Е.Б., Головков Л.Г., Сырицын Т.А. Жидкостные ракетные двигатели. - М.: Воениздат, 1970. - с.64-67]. К внутренней 2 стенке камеры приварено опорное кольцо 6, в смонтированном положении опирающееся на торец газовыводящей трубы 1. В камеру вварен патрубок 7 для слива воды после очистки. На патрубок 7 надевается шланг, отводящий воду (на фиг.1 не показан). Для подачи озоно-водяной смеси на ороситель 4 в камере очистки вмонтирован шланг 8, закрепленный кронштейном 9 и соединенный с выходом эжектора 10. Вход эжектора 10 соединен с системами подачи озона 11 и воды 12. Озоно-водяная смесь подается через трубки 13, закрепленные в шайбе 14. Трубки 13 подвода жидкости выполнены в виде лопастей.

На опорном кольце 6 закреплен рассекатель 15 газов, опирающийся на крестовину 16 (фиг.2). Крестовина 16 выполнена из полосовой нержавеющей стали (40-50)×4 мм и приварена к опорному кольцу 6, внутренней стенке 2 и. наружной стенке 3 камеры очистки. К крестовине 16 и внутренней стенке 2 камеры приварены держатели 17 рассекателя. На крестовине 16 приварена площадка 18 со стержнем 19, на который своей стойкой 20 надевается рассекатель 15. Внутренняя поверхность канала, через которую газы выводятся из трубы, состоит из опорного кольца 6 и направляющих устройств закрутки газа 21, установленных под углом α к вертикальной оси установки. Крестовина 16 играет роль элемента, создающего жесткость конструкции камеры очистки за счет приварки концов ее к наружной стенке у 3 камеры, так же, как и держатель 17 рассекателя с оросителем 4.

Рассекатель 15 (фиг.3) выбрасываемых трубой газов состоит из двух конусообразных тарелок 22 и 23. Верхняя тарелка 22 в диаметре больше нижней 23 на 500 мм, что не позволяет воде от оросителя 4 попадать в канал трубы 1. На верхней 22 тарелке имеется площадка 24 с приваренным винтовым стержнем 25 крестовины 16. На винтовой стержень 25 накручивается винтовым отверстием 26 ороситель 4 (фиг.4). К нижней 23 тарелке приварена стойка 27, которая надевается на стержень 19 крестовины 16. Перед монтажом установки обе тарелки свариваются в единое целое. К нижней тарелке 23 привариваются ползуны 28, регулирующие высоту подъема рассекателя 15.

Устройство работает следующим образом.

В камеру очистки, ограниченную внутренней 2 и наружной 3 стенками, направляются рассекателем 15 выхлопных газов выходящие из трубы 1 закрученные направляющими устройствами 21 газы. Закрученные газы движутся по винтовым траекториям, охлаждаясь озоно-водяной смесью, получаемой подачей в эжектор 10 озона из системы подачи озона 11 и воды из системы подачи воды 12. Озоно-водяная смесь подается шлангом 8, закрепленным кронштейном 9, в ороситель 4 через трубки 13, закрепленные в шайбе 14, в форсунки 5 и распыляется в камере очистки, при этом конденсат сливается через патрубок 7. В зависимости от расхода выхлопных газов рассекатель 15 может перемещаться по высоте стойки 27, входящей в; отверстие 26 и установленной на площадке 18 на стержне 19 крестовины 16 относительно опорного кольца 6 винтовым стержнем 25. Рассекатель имеет возможность перемещения на опорной стойке 20 ползунами 28 и фиксируется держателями 16 на площадках 18.

Приведем пример расчета диаметра капель для выхлопной трубы многоцелевого стенда испытания газотурбинных двигателей высокой мощности при следующих исходных данных: D=2,8 м; h=1,1 м; V=365 м³/с; α=10°.

Время испарения капли составляет

Для определения диаметра капли по известной методике [см. Волков Е.Б., Головков Л.Б., Сырицын Т.А. Жидкостные ракетные двигатели. М.: Воениздат, 1970. - 592 с., с.64…67] вычисляем параметры, входящие в эмпирические коэффициенты

где ν_г - коэффициент кинематической вязкости газообразных продуктов сгорания;

Pr_д - диффузионное число Прандтля при испарении капли в продуктах сгорания;

c_pг - средняя изобарная теплоемкость газа у поверхности капли;

T_г, T_кип - соответственно температуры продуктов сгорания и кипения капли;

Q - удельная теплота парообразования.

Принимая γ_г=1,2 кГ/м³; γ_ж=1000 кГ/м³; u=64 м/с; ν_г=174·10⁶ м²/с; Pr_д=0,76; с_рг=2,0 кДж/(кг·К); T_г=560°C; T_кип=100°C; Q=2260 кДж/кг, получаем

В результате необходимый диаметр капли

d=(t_исп·c)^2/3=(0,03·0,96·10^-4)^2/3=1,9·10^-4 м=0,19 мм.

В соответствии с методикой [см. Пажи Д.С., Галустов B.C. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984. - 256 с., с.162] для пневматических форсунок при гидравлическом распыливании диаметр капли связан с диаметром канала форсунки (d_k) соотношением

и составляет при вышеприведенных исходных данных

Преимущество предлагаемой установки состоит в том, что увеличивается интенсивность охлаждения газа за счет возрастания времени его нахождения в камере очистки и распыления охлаждающей жидкости до размеров капель, обеспечивающих их полное испарение в камере очистки. Подача в камеру очистки озоно-водяной смеси увеличивает доокисление примесей NO_x, CO и др. Это способствует повышению эффективности очистки.