Результат интеллектуальной деятельности: САНИТАРНО-УТИЛИЗАЦИОННАЯ ПРИСТАВКА ДЛЯ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРА КРЫШНОЙ КОТЕЛЬНОЙ

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к теплоснабжению, и может быть использовано для очистки, утилизации тепла и конденсата дымовых газов теплогенераторов систем автономного теплоснабжения с одновременным получением электричества.

Известна санитарная приставка для теплогенераторов автономных систем теплоснабжения, которая состоит из корпуса, снабженного входным и выходным патрубками входа и выхода дымовых газов, внутри которого в шахматном порядке друг над другом размещены съемные горизонтальные перфорированные корзины, заполненные смесью крошки гашеной извести Са(ОН₂) и активированного угля, уложенные на опорные уголки и закрытые решеткой, покрытой слоем высоковязкого мазута, при этом под корзинами устроены горизонтальные ряды перфорированных труб, правые кромки которых соединены с отверстиями в правой вертикальной стенке корпуса, которая закрыта крышкой с воздушным патрубком, в котором помещен осевой вентилятор, а левые кромки заглушены левой вертикальной стенкой корпуса, причем патрубок выхода дымовых газов сообщается с атмосферой через дымовую трубу и дефлектор и снабжен снизу коническим поддоном, соединенным через гидрозатвор с дренажным трубопроводом [Патент РФ №2390692, МПК F23 J15/02, 2010].

Основными недостатками известной санитарной приставки для теплогенератора автономной системы теплоснабжения являются необходимость ее оснащения вентилятором для подачи охлаждающего воздуха, недостаточное охлаждение дымовых газов перед поступлением их в реакционную зону (перфорированные корзины), снижающее скорость реакций взаимодействия NO_х и SO_х с реагентами, повышенное аэродинамическое сопротивление, обусловленное размещением горизонтальных рядов труб, поперечных движению дымовых газов, и использование высоковязкого мазута, в котором содержатся сернистые соединения, что, в конечном счете, уменьшает ее экономическую и экологическую эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является санитарная приставка для крышной котельной, состоящая из корпуса с пирамидальным днищем, снабженного патрубком выхода дымовых газов, внутри которого в шахматном порядке друг над другом размещены съемные горизонтальные перфорированные корзины, заполненные смесью крошки гашеной извести Са(ОН₂) и активированного угля (адсорбентом), уложенные на опорные уголки и закрытые сверху и снизу ячейками масляного фильтра, сетки которых покрыты слоем висцинового масла, при этом под нижней корзиной в пирамидальном днище помещено окно, соединенное с пластинчатым воздухоподогревателем, устроенным таким образом, что его газовые каналы сообщаются с окном и через крышку воздухоподогревателя, патрубок входа дымовых газов - с выходным патрубком дымовых газов парогенератора, а воздушные каналы снизу и сверху сообщаются с нижней и верхней зонами помещения котельной соответственно, причем патрубок выхода дымовых газов сообщается с атмосферой через дымовую трубу и дефлектор, пирамидальное днище корпуса соединено через гидрозатвор с дренажным трубопроводом [Патент РФ №2464497, МПК F23 J15/02, 2012].

Основными недостатками известной санитарной приставки для теплогенератора крышной котельной являются использование в качестве адсорбента смеси крошки гашеной извести и активированного угля, которая после насыщения не подлежит регенерации в связи с разрушением крошки гашеной извести и требуется ее полная замена, а также невозможность получения электрической энергии при утилизации тепла дымовых газов, что снижает экономическую эффективность устройства.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение экономической эффективности санитарно-утилизационной приставки для теплогенератора крышной котельной.

Технический результат достигается тем, что предлагаемая санитарно-утилизационная приставка для крышной котельной состоит из корпуса с пирамидальным днищем, снабженного патрубком выхода дымовых газов, внутри которого в шахматном порядке друг над другом размещены съемные горизонтальные перфорированные корзины, заполненные адсорбентом - гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, над верхней корзиной расположен промывочный ороситель, соединенный снаружи корпуса через запорную арматуру с коллектором водопроводной воды, под нижней корзиной в пирамидальном днище помещено окно, соединенное с пластинчатым воздухоподогревателем, устроенным таким образом, что его газовые каналы сообщаются с этим окном, патрубок входа дымовых газов - с выходным патрубком дымовых газов парогенератора, а воздушные каналы снизу и сверху сообщаются с нижней и верхней зонами помещения котельной соответственно, причем патрубок выхода дымовых газов сообщается с атмосферой через дымовую трубу и дефлектор, пирамидальное днище соединено через гидрозатвор с дренажным трубопроводом, а перегородки пластинчатого воздухоподогревателя между газовыми и воздушными каналами представляют собой перфорированные пластины, перфорация которых выполнена в виде горизонтальных щелей, размещенных в шахматном порядке относительно друг друга, в каждой из которых помещены термоэлектрические звенья, состоящие из овальных вставок, выполненных из упругого диэлектрического коррозионно-стойкого материала, внутри которых помещены зигзагообразные ряды, состоящие из термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых представляет собой пару оголенных проволочных отрезков, выполненную из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, причем термоэлектрические звенья установлены в щелях таким образом, что продольные половины каждого термоэмиссионного преобразователя зигзагообразного ряда находятся в газовом и воздушном каналах, соответственно, зигзагообразные ряды термоэлектрических звеньев каждого горизонтального ряда щелей на пластинах соединены между собой последовательно соединительными проводами, образуя термоэлектрические секции, которые, в свою очередь, соединены соединительными проводами с коллекторами электрических зарядов и клеммами.

Предлагаемая санитарно-утилизационная приставка для теплогенератора крышной котельной (СУПТКК) изображена на фиг. 1-7.

Предлагаемая СУПТКК для теплогенератора крышной котельной состоит из корпуса 1, снабженного патрубком выхода дымовых газов 2 и пирамидальным днищем 3, внутри которого в шахматном порядке друг над другом размещены съемные горизонтальные перфорированные корзины 4, заполненные гранулами пемзы 5, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, над верхней корзиной расположен промывочный ороситель 6, соединенный снаружи корпуса 1 через запорную арматуру 7 с коллектором водопроводной воды (на фиг. 1-7 не показан), при этом под нижней корзиной 4 в пирамидальном днище 3 помещено окно 8, соединенное с пластинчатым воздухоподогревателем 9, устроенным таким образом, что его газовые каналы 10 сообщаются с окном 8, патрубок входа дымовых газов 11 - с выходным патрубком дымовых газов парогенератора (на фиг. 1-7 не показан), а воздушные каналы 12 снизу и сверху сообщаются с нижней и верхней зонами помещения котельной соответственно, причем патрубок выхода дымовых газов 2 сообщается с атмосферой через дымовую трубу 13 и дефлектор 14, пирамидальное днище 3 соединено через гидрозатвор 15 с дренажным трубопроводом (на фиг. 1-7 не показан), а перегородки пластинчатого воздухоподогревателя между газовыми и воздушными каналами 10 и 12 представляют собой перфорированные пластины 16, перфорация которых выполнена в виде горизонтальных щелей 17, размещенных в шахматном порядке относительно друг друга. В каждой горизонтальной щели 17 помещены термоэлектрические звенья (ТЭЗ) 18, состоящие из овальных вставок 19, выполненных из упругого диэлектрического коррозионно-стойкого материала (например, резины или пластмассы), внутри которых помещены зигзагообразные ряды 20, состоящие из термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 21, каждый из которых представляет собой пару оголенных проволочных отрезков, выполненную из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, причем ТЭЗ 18 установлены в щелях 17 таким образом, что продольные половины каждого ТЭП 21 зигзагообразного ряда 20 находятся в газовом и воздушном каналах 10 и 12, соответственно, зигзагообразные ряды 20 ТЭЗ 20 каждого горизонтального ряда щелей 17 на пластинах 16 соединены между собой последовательно соединительными проводами 22, образуя термоэлектрические секции (ТЭС) 23, каждая из которых также соединена соединительным проводом 22 с коллекторами электрических зарядов 24 и 25, соединенными, в свою очередь, с клеммами 26 и 27 соответственно.

Предлагаемая санитарно-утилизационная приставка для теплогенератора крышной котельной работает следующим образом. Дымовые газы, образующиеся в топке теплогенератора (на фиг. 1-7 не показан), поступают через патрубок входа дымовых газов 11 в газовые каналы 10 пластинчатого воздухоподогревателя 9, в воздушные каналы 12 которого из нижней зоны помещения поступает холодный воздух, который за счет самотяги, вызванной естественной конвекцией, обусловленной его нагревом при теплообмене через стенки с горячими дымовыми газами [Г. Н. Делягин и др. Теплогенерирующие установки - М.: Стройиздат, 1986, с. 439], проходит снизу вверх воздушные каналы 12 и, нагретый, поступает в верхнюю зону помещения. При этом дымовые газы, на выходе из газовых каналов 10 воздухоподогревателя 9 в окне 8, в результате теплообмена с воздухом, проходящим по воздушным каналам 12, охлаждаются до температуры ниже точки росы, в них начинается процесс конденсации водяных паров и окисление кислородом (кислород присутствует в дымовых газах в результате избытка воздуха, подаваемого на горение топлива и его присоса в теплогенераторе, в результате чего его концентрация может достигать 6-8% объемных [Г. Н. Делягин и др. Теплогенерирующие установки - М.: Стройиздат, 1986, с. 138]) оксидов азота (NO) и оксидов серы (SO₂) до NO₂ и SO₃, после чего охлажденные дымовые газы проходят снизу вверх перфорированные корзины 4, заполненные гранулами пемзы 5, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм (диаметр гранул 5 назначен из условий максимального заполнения корзин 4 и стандартной номенклатуры размеров гранул шлаковой пемзы). Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой, состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO₂, Al₂O₃, MnO) c 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 5 основные свойства, позволяя сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, присутствующие в дымовых газах (NO_x, SO_x, СО, СО₂), а высокая пористость их структуры создает высокую удельную поверхность, что, в конечном итоге, позволяет использовать гранулы 5 шлаковой пемзы в качестве эффективного адсорбента для вредных примесей дымовых газов при различных температурах. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы 5 шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов дымовых газов, широко доступны и относительно дешевы. Поток дымовых газов, проходя через слой гранул пемзы 5, попадая на поверхность гранул 5 и вовнутрь их, очищается от вредных примесей (NO_x, SO_x, СО, СО₂), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 5. Адсорбированные из дымовых газов оксиды азота и серы в порах гранул 5 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента - гранул 5 шлаковой пемзы [Неницеску К. Общая химия - М.: Мир, 1968, с. 298], поэтому окисляются кислородом (кислород присутствует в дымовых газах в результате избытка воздуха, подаваемого на сжигание топлива) со скоростью, большей, чем в газовой фазе, с образованием легкорастворимых в воде NO₂ и SО₃. Полученные оксиды азота и серы, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды, образующейся в порах гранул 5 в результате капиллярной конденсации паров воды, с образованием соответствующих кислот HNO₃ и H₂SO₄. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 5 оседают находящиеся в дымовых газах мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные дымовые газы из верхней зоны корпуса 1 через патрубок 2, дымовую трубу 13 и дефлектор 14, который усиливает величину тяги [В.Н. Богословский Отопление и вентиляция. ч.ІІ. М.: Стройиздат, 1976, с. 309], выбрасываются в атмосферу. Параллельно, нагретый воздух, поступая из воздушных каналов 12 воздухоподогревателя 9, в верхнюю зону помещения котельной, где помещена санитарная приставка (например, чердак), обогревает его, большая часть конденсата водяных паров под действием сил тяжести опускается вниз и собирается в пирамидальном днище 3, откуда через гидрозатвор 15 выводится в дренажный трубопровод (на фиг. 1-7 не показан), а уносимые капли конденсата адсорбируются на гранулах 5. Очищенный конденсат по мере надобности можно подавать в систему отопления, а излишек - в конденсатный бак (на фиг. 1-7 не показан), где он хранится. Одновременно в воздухоподогревателе 9 нагрев воздуха сопровождается генерацией термоэлектричества. В основу работы воздухоподогревателя 9 положено увеличение скорости теплообмена при применении поверхностей теплообмена с искусственно созданными источниками турбулентности, что обеспечивает интенсификацию процессов теплопередачи путем турбулизации потока среды, разрушения ламинарного подслоя, увеличения поверхности нагрева и, в свою очередь, приводит к снижению размера теплообменной установки и получению термоэлектричества при этом [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с. 502-506], а именно, в результате нагрева спаянных концов проволочных отрезков М1и М2 ТЭП 21 в зигзагообразных рядах 8 ТЭЗ 18, расположенных в газовых каналах 10, горячими дымовыми газами и охлаждения других спаянных концов ТЭП 21, расположенных в воздушных каналах 12, холодным воздухом в зигзагообразных рядах 20 ТЭЗ 18 каждой ТЭС 23 генерируется термоэлектричество, которое поступает в коллекторы 24 и 25, а оттуда через клеммы 26 и 27 подается потребителю. При этом проволочные отрезки М1 и М2 ТЭП 21 зигзагообразных рядов 20 изолированы от непосредственного контакта с дымовыми газами и воздухом слоем диэлектрического коррозионно-стойкого материала овальных вставок 19, что предохраняет пары металлов М1 и М2 ТЭП 21 от коррозии и появления между ними короткого замыкания.

Величина разности электрического потенциала на клеммах 26 и 27 зависит от характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлены парные отрезки ТЭП 21, числа их в ТЭЗ 18 и числа ТЭС 23. Полученный электрический ток можно использовать, например, для освещения.

При падении активности адсорбента - гранул шлаковой пемзы 5 их подвергают регенерации, которую осуществляют по мере необходимости. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул 5 от мелкодисперсных частиц и адсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем их промывки водопроводной водой из промывочного оросителя 6, соединенного с коллектором водопроводной воды (на фиг. 1-7 не показан), при открытии запорной арматуры 7. При механическом износе гранул 5 их заменяют на свежие. Периодичность и продолжительность промывки, время замены адсорбента определяются опытным путем.

Очистку поверхности ТЭЗ 18 ТЭС 23 воздухоподогревателя 9 от налипших частиц механических примесей проводят периодически путем их обдувания сжатым воздухом. Интервал между обдувками устанавливают на основании опытных данных.

Таким образом, предлагаемая санитарно-утилизационная приставка обеспечивает очистку дымовых газов группы теплогенераторов от вредных компонентов без применения дорогих и опасных химических реагентов, позволяет одновременно утилизировать их тепло и проводить процессы регенерации адсорбента без остановки теплогенераторов по мере необходимости с высокой надежностью и эффективностью. Одновременно, наряду с нагревом чердачного помещения, уменьшающего теплопотери здания в целом, санитарно-утилизационная приставка вырабатывает электроэнергию, что увеличивает экономическую эффективность ее работы, а использование в качестве адсорбента гранул пемзы 5, изготовленной из металлургических шлаков c модулем основности М>1, позволяют значительно снизить затраты на очистку дымовых газов от вредных примесей (NO_x, SO_x, CO, ПАУ) и повышает экологическую эффективность теплогенератора, что особенно важно для крышных котельных, расположенных, как правило, в жилых массивах.