Универсальный регенеративный роторный воздухоподогреватель

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в процессах охлаждения дымовых газов совместно с очисткой их от вредных примесей в регенеративных роторных воздухоподогревателях котельных установок.

Известен регенеративный вращающийся (роторный) воздухоподогреватель, содержащий корпус, с размещенным внутри ротором и набивкой, выполненной из гофрированных листов, в зазорах между которой на горячей стороне помещен слой катализатора толщиной 80-100 мм, в котором происходит дожигание несгоревших остатков топлива, приносимых дымовыми газами из топки котла [А.с. СССР №1476253, МКл.⁴, F23L 15/02, 1987].

Основным недостатком известного воздухоподогревателя является невозможность очистки дымовых газов от вредных коррозионноактивных примесей (оксидов азота, оксидов серы, оксида углерода, воды (NO_x, SO_x, СО, H₂O), что вызывает ускоренный коррозионный износ (особенно на холодной стороне воздухоподогревателя) металлической набивки и, в конечном счете, снижает его экономическую и экологическую эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является комплексный регенеративный роторный воздухоподогреватель, включающий короб, снабженный патрубками входа и выхода дымовых газов и воздуха, в который помещен ротор с радиальными ячейками, каждая из которых состоит из расположенной по ходу движения дымовых газов, примыкающей к горячей стороне аккумуляционной секции, заполненной набивкой, выполненной из теплоемкого материала (металлических листов, огнеупорного кирпича, колец Рашига и т.д.) и примыкающей к холодной стороне секции очистки, состоящей из контейнера (корзины) с перфорированным дном, в котором помещены гранулы пемзы, изготовленной из основных металлургических шлаков с модулем основности М>1 диаметром от 20 до 40 мм, причем короб соединен с холодной стороны газового отсека с патрубком выхода дымовых газов через расширитель, снабженный коническим днищем и каплеотбойником [Патент РФ №2494313, МПК F23L 15/02, 2013].

Основными недостатками известного комплексного регенеративного роторного воздухоподогревателя является использование набивки, подверженной коррозии в аккумуляционной секции, отсутствие ступеней нагрева и очистки в аккумуляционной и очистной секциях, что снижает эффективность процесс очистки, значительная влажность нагретого воздуха и обусловленное этим содержание большого количества оксидов азота и серы, поступающих с дутьевым воздухом в топку котла, способствующее накоплению этих компонентов в дымовых газах, что также снижает эффективность очистки, в результате чего снижается экономическая и экологическая эффективность работы роторного воздухоподогревателя и котельной установки в целом.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение коррозионного износа набивки путем использования цилиндрических колец, выполненных из термостойкого малощелочного армированного проволочной арматурой стекла, совмещения процесса нагрева воздуха с очисткой дымовых газов от корозионноактивных примесей (оксидов азота, оксидов серы, оксида углерода, воды (NO_x, SO_x, СО, H₂O) и остатков несгоревшего топлива в самом аппарате, что увеличивает экономическую и экологическую эффективность работы роторного воздухоподогревателя и котельной установки в целом.

Технический результат достигается тем, что универсальный регенеративный роторный воздухоподогреватель содержит короб, в котором помещен ротор с радиальными перегородками, образующими ячейки, в каждой из которых поочередно уложены радиальные корзины с перфорированными днищами на буртики в несколько ярусов друг над другом с зазором, равным ΔН, при этом радиальные корзины аккумуляционной секции заполнены набивкой, состоящей из цилиндрических колец, выполненных из термостойкого малощелочного армированного проволочной арматурой стекла и уложенные рядами в шахматном порядке (вариант - цилиндрические кольца в корзинах аккумуляционной секции уложены навалом), другие радиальные корзины очистной секции, заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 диаметром от 20 до 40 мм, короб снабжен с верхней горячей стороны газового отсека патрубком входа дымовых газов, с холодной нижней стороны расширителем, снабженным пирамидальным днищем, каплеотбойником и патрубком выхода дымовых газов, воздушный отсека короба выполнен двухходовым по воздуху, для чего короб с верхней стороны снабжен переточной камерой с промывочным штуцером, а с нижней стороны снабжен патрубком входа воздуха, расширителем, снабженным пирамидальным днищем, каплеотбойником и патрубком выхода воздуха.

Предлагаемый универсальный регенеративный роторный воздухоподогреватель представлен на фиг. 1-8, где на фиг. 1, 2 показан общий вид и разрез, на фиг. 3-6 - разрезы ячейки с набивкой, на фиг. 7, 8 - общий вид и разрез стеклянного кольца.

Предлагаемый универсальный регенеративный роторный воздухоподогреватель включает короб 1, в котором помещен ротор 2 с радиальными перегородками 3, образующими радиальные ячейки 4, в каждой из которых поочередно уложены радиальные корзины 5 и 6 с перфорированными днищами на буртики 7 в несколько ярусов друг над другом с зазором 8, равным ΔН, при этом радиальные корзины аккумуляционной секции 5 заполнены набивкой, состоящей из цилиндрических колец 9, выполненных из термостойкого малощелочного армированного проволочной арматурой 10 стекла и уложеных рядами в шахматном порядке (вариант - цилиндрические кольца в корзине 5 уложены навалом), радиальные корзины очистной секции 6 заполнены гранулами пемзы 11, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 диаметром от 20 до 40 мм, короб 1 снабжен с верхней горячей стороны газового отсека патрубком входа дымовых газов 12, с холодной нижней стороны расширителем 13, снабженным пирамидальным днищем 14, каплеотбойником 15 и патрубком выхода дымовых газов 16, воздушный отсек короба 1 выполнен двухходовым по воздуху, для чего короб 1 с верхней стороны снабжен переточной камерой 17 с промывочным штуцером 18, а с нижней стороны снабжен патрубком входа воздуха 19, расширителем 20, снабженным пирамидальным днищем 21, каплеотбойником 22 и патрубком выхода воздуха 23.

Высота радиальных корзин 5, 6 предварительно задается, исходя из механической прочности стеклянных колец 9 и их размеров, адсорбционных свойств гранул пемзы 11 и конструктивных особенностей РВП. Зазор 7 между корзинами 5 и 6 выбирается равным или несколько превышающим величину температурного удлинения стеклянных цилиндрических колец по высоте ΔН.

Охлаждение и очистка дымовых газов в универсальном регенеративном роторном воздухоподогревателе осуществляется следующим образом. Горячие дымовые газы из патрубка 12 с горячей стороны в газовом отсеке распределяются по радиальным ячейкам 4, вращающимся с ротором 2, последовательно проходят через корзины 5 и 6 (ступени аккумуляционных и очистных секций), где охлаждаются до температуры, близкой к температуре конденсации водяных паров, одновременно нагревая цилиндрические кольца 9, выполненные из термостойкого малощелочного стекла, армированного проволочной арматурой 10. Теплоемкость стеклянных цилиндрических колец 9, основным компонентов материала которых является SiO₂ и армированных металлической сеткой 10, превышает теплоемкость огнеупорных кирпичей и металлической насадки, а наличие металлической сетки повышает механическую прочность их конструкции. Кроме того, механическая прочность насадки из стеклянных цилиндрических колец 10 при термическом удлинении обеспечивается наличием живого сечения в них и между ними и зазоров 7 по вертикали между корзинами 5 и 6. Адгезионная способность насадки из стеклянных цилиндрических колец 9 значительно ниже насадки, изготовленной из других материалов, а конструкция их каналов препятствует образованию в них отложений, что позволяет эффективно очищать поверхность стеклянных цилиндрических колец 9 при меньшем расходе промывочной воды. Другим немаловажным преимуществом этой насадки является низкая плотность по сравнению, например, с металлической насадкой, плотность которой в несколько раз выше, что позволяет значительно снизить расход электроэнергии на привод для роторного воздухоподогревателя. Дымовые газы очищаются в корзинах 6, заполненных гранулами пемзы 11 диаметром от 20 до 40 мм, изготовленной из основных металлургических шлаков (диаметр гранул 8 назначен из условий обеспечения минимального аэродинамического сопротивления секций очистки 6 и номенклатуры размеров гранул металлургической пемзы). Основная металлургическая пемза представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из окиси кальция, окиси кремния, окиси алюминия и частично из окиси магния (CaO, SiO₂, Al₂O₃, MnO) с модулем основности М>1 и высоким значением коэффициента теплоемкости [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 8 основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси в охлаждаемых дымовых газах (NO_x, SO_x, СО). Кроме того, исходя из своего состава, металлургические шлаки устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов дымовых газов, широко доступны и относительно дешевы. Дымовые газы, двигаясь сверху вниз через гранулы 11 в корзинах 6, также аккумулирующие тепло, охлаждаются до температуры конденсации находящихся в них водяных паров с образованием конденсата и проникают в их поры, в которых за счет предыдущего цикла остаются капли кислого конденсата. Адсорбированные оксиды азота и серы в порах гранул 11 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента - гранул шлаковой пемзы [Неницеску К. Общая химия - М.: Мир, 1968, с. 298], поэтому окисляются кислородом со скоростью большей, чем в газовой фазе с образованием легко растворимых в воде NO₂ и SO₃, которые, в свою очередь, взаимодействуют с каплями свежего и кислого конденсата с образованием соответствующих кислот HNO₃ и H₂SO₄, которые за счет сил тяжести и динамического воздействия потока газа выносятся из газового отсека в расширитель 13. В расширителе 9 скорость дымовых газов резко уменьшается, в результате чего капли кислого конденсата под действием силы тяжести опускаются в пирамидальное днище 10, куда также стекают капли конденсата, задержанные каплеотбойником 11, после чего охлажденные и очищенные от вредных веществ выбрасываются в атмосферу, а кислый конденсат направляется на очистку от кислотных компонентов для их дальнейшей утилизации. Ячейки 3 с горячей набивкой 5 в результате вращения ротора 2 поступают в воздушный отсек воздухоподогревателя, в который через патрубок 14 поступает дутьевой воздух. Нагреваемый воздух в воздушном секторе вначале движется снизу вверх, охлаждает гранулы 11, также окисляя оставшиеся адсорбированные оксиды азота и серы в их порах с образованием легко растворимых в воде NO₂ и SO₃, которые взаимодействуют с каплями свежего и кислого конденсата с образованием соответствующих кислот, капли которых остаются на поверхности гранул 11 и в их капиллярах, и затем из переточной камеры 17 движется сверху вниз, поступает в расширитель 20, где капли кислого конденсата под действием силы тяжести опускаются в пирамидальное днище 21, куда также стекают капли конденсата, задержанные каплеотбойником 22, после чего нагретый, очищенный от капель конденсата воздух через патрубок 23 подается в топку котла. Оставшиеся в корзинах 6 оксиды азота и серы, оксид углерода (который окисляется значительно труднее), остатки топлива (СН₄, капли мазута, угольная пыль) частично уносятся потоком дутьевого воздуха, поступая, в конечном счете, в топку котла на сжигание, уменьшая тем самым потери тепла за счет снижения химического и механического недожога.

При этом ступенчатая компоновка корзинами 5 и 6, заполненными стеклянными кольцами 9 и гранулами металлургической пемзы 11 секций аккумуляции и очистки, по сравнению с известной позволяет значительно увеличить скорости нагрева воздуха, охлаждения и очистки дымовых газов за счет увеличения движущей силы процессов тепло- и массопередачи [Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии - М.: Химия, 1972, с. 16, 17]; двухходовое движение воздуха в воздушном секторе увеличивает значение числа Рейнольдса, что также увеличивает скорости тепло- и массопередачи, а направление второго хода воздуха «вниз» позволяет эффективно очистить дутьевой воздух от уносимых капель воды и кислого конденсата и предотвратить их попадание в топку котла.

Кроме того, очистка гранул пемзы 11 и наружной поверхности стеклянных колец 9 от осажденных твердых примесей регулярно проводится во время режимных мероприятий очистки всей набивки при промывке ее водой из штуцера 18.

Время замены гранул металлургической пемзы 11 определяют по увеличению содержания вредных примесей в дымовых газах на выходе из воздухоподогревателя и увеличению его аэродинамического сопротивления (режимную продолжительность работы ступеней очистки (гранул металлургической пемзы 11 в корзинах 6) устанавливают на основании экспериментальных исследований для данного предприятия и вида металлургического шлака). Время работы аккумуляционных секций (армированных стеклянных колец 9 в корзинах 5, не подверженных коррозии) определяется также степенью их загрязнения и механической прочностью, которая, в первую очередь, зависит от аккуратности их загрузки и разгрузки.

Замена отработанных стеклянных колец 9 и гранул 11 металлургической пемзы в корзинах 5 и 6 проводится по мере необходимости или во время планового ремонта через специальные люки в бортовой стенке короба 1 (на фиг. 1-4 не показаны) путем извлечения корзин 5 и 6 и установки на их место аналогичных корзин, заполненных свежими кольцами 9 и гранулами 11.

Число корзин 6 (ступеней очистки) и их высота предварительно определяется, исходя из основных двух факторов:

1) Степени очистки дымовых газов от вредных примесей (NO_x, SO_x, СО);

2) Суммарного аэродинамического сопротивления ступеней аккумуляции и очистки.

Таким образом, предлагаемый универсальный регенеративный роторный воздухоподогреватель позволяет нагревать дутьевой воздух, одновременно проводить охлаждение и очистку дымовых газов от оксидов азота, оксидов серы, паров воды (NO_x, SO_x, H₂O) и частично утилизировать оксид углерода (СО), несгоревшие остатки топлива (СН₄ и др.) путем подачи их с дутьевым воздухом для сжигания непосредственно в топку котла, увеличить срок эксплуатации набивки, что позволяет увеличить экологическую и экономическую эффективность процесса нагрева воздуха, а также увеличить коэффициент полезного действия котельной установки.