Устройство для очистки и утилизации дымовых газов крышной котельной

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для очистки дымовых газов крышных котельных от вредных примесей и утилизации их тепла и конденсата водяных паров.

Известно энергосберегающее устройство для очистки дымовых газов группы теплогенераторов систем квартирного отопления, содержащее короб, уложенный на верхнее перекрытие здания, выполненный из коррозионностойкого материала, днище которого снабжено отверстиями, соединенными с каналами индивидуальных дымоходов и канализационных стояков и, соединенный на противоположных кромках с атмосферой через дымовые трубы с дефлекторами, причем каждая дымовая труба с тыльной стороны снабжена дверцей, внутри ее размещены ряды вертикальных перфорированных, открытых сверху кассет (перфорированных емкостей), образующих между собой вертикальные газовые каналы, вертикальные перфорированные кассеты выполнены из коррозионностойкого материала, их полости заполнены адсорбентом – гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, днище короба 1 выполнено с уклоном I в сторону канализационных стояков, а верхние кромки каналов индивидуальных дымоходов расположены выше уровня поверхности днища короба на величину δ [Патент РФ №2500867, МПК Е04 Н12/28, F23 J15/02, B 01 D 53/46, 2013].

К основным недостаткам известного устройства относятся недостаточная степень очистки дымовых газов от вредных примесей, обусловленная тем, что кассеты, заполненные адсорбентом, установлены в самой трубе, а такая конструкция не позволяет достичь требуемой степени очистки без снижения тяги в дымоходе и невозможность регенерации адсорбента без отключения всех теплогенераторов, что снижает надежность и эффективность устройства.

Более близким к предлагаемому изобретению является устройство для очистки и утилизации дымовых газов группы теплогенераторов систем квартирного отопления, содержащее короб, выполненный из коррозионностойкого материала, соединенный на противоположных кромках с атмосферой через дымовые трубы, снабженными дефлекторами, уложенный на верхнее перекрытие здания, днище которого снабжено отверстиями, соединенными с каналами индивидуальных дымоходов и канализационных стояков и выполнено с уклоном I в сторону канализационных стояков, а верхние кромки труб индивидуальных дымоходов расположены выше уровня поверхности днища короба на величину δ, перфорированные емкости, заполненные гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, причем вышеупомянутые гранулы пемзы помещены внутри короба в перфорированных корзинах, установленных на высоте Н₁ от его днища на опорных планках и вертикальных перфорированных перегородках, а над перфорированными корзинами на высоте Н₂ под крышей короба расположены промывочные, перфорированные снизу, патрубки, соединенные снаружи короба через запорную арматуру с коллектором водопроводной воды [Патент РФ №2581072, МПК Е04 Н12/28, F23 J15/02, 2016].

Основными недостатками известного устройства являются невозможность использования конденсата водяных паров дымовых газов для подпитки теплогенераторов и быстрое заиливание адсорбента – гранулированного доменного шлака, обусловленное тем, что его промывка осуществляется водопроводной водой, содержащей значительное количество различных примесей, что снижает надежность и эффективность устройства.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является повышение надежности и эффективности устройства для очистки и утилизации дымовых газов крышной котельной.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для очистки и утилизации дымовых газов крышной котельной включает короб, выполненный из коррозионностойкого материала, соединенный на противоположных кромках с атмосферой через дымовые трубы, снабженными дефлекторами, уложенный на верхнее перекрытие помещения крышной котельной, днище которого снабжено отверстием, соединенным снизу с дымовой трубой теплогенератора, верхняя кромка которой выше днища короба на величину δ и отверстиями, в которые помещены стаканы, внутри короба на высоте Н₁ от его днища уложены на опорные планки и вертикальную перфорированную перегородку перфорированные корзины, заполненные гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, над корзинами на высоте Н₂ под крышкой короба расположены промывочные, перфорированные снизу, патрубки, соединенные снаружи короба через запорную арматуру с коллектором промывочной воды (очищенного конденсата), днище короба выполнено с уклоном I в сторону отверстий, а днища стаканов соединены с коллектором кислого конденсата, помещенным внутри помещения крышной котельной, который, в свою очередь, соединен с дренажным коллектором и адсорбером, заполненным адсорбентом – гранулами пемзы металлургических шлаков, снабженным гидрозатвором, трубопроводом промывочной воды, дренажным трубопроводом, соединенным с дренажным коллектором, причем гидрозатвор соединен с накопительным баком, который через конденсатный насос соединен с трубопроводом питательной воды теплогенератора, трубопроводом промывочной воды и коллектором промывочной воды.

Предлагаемое устройство для очистки и утилизации дымовых газов крышной котельной (УОУДГКК) представлено на фиг. 1–4 (фиг. 1, 2 – общий вид и разрез устройства, фиг. 3, 4 – узлы укладки корзин 11, стыковки днища короба 1 и дымовых трубы 2 и 6).

Предлагаемое УОУДГКК содержит короб 1, выполненный из коррозионностойкого материала, соединенный на противоположных кромках с атмосферой через дымовые трубы 2, снабженные дефлекторами 3, уложенный на верхнее перекрытие 4 крышной котельной, днище которого снабжено отверстием 5, соединенным снизу с дымовой трубой 6 теплогенератора (на фиг. 1–3 не показан), верхняя кромка которой выше днища короба 1 на величину δ и отверстиями 7, в которые помещены стаканы 8, внутри короба на высоте Н₁ от его днища уложены на опорные планки 9 и вертикальную перфорированную перегородку 10 перфорированные корзины 11, заполненные гранулами пемзы 12, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, над корзинами 11 на высоте Н₂ под крышкой короба 1 расположены промывочные, перфорированные снизу, патрубки 13, соединенные снаружи короба 1 через запорную арматуру 14 с коллектором промывочной воды (очищенного конденсата) 15, днище короба 1 выполнено с уклоном I в сторону отверстий 7, а днища стаканов 8 соединены с коллектором кислого конденсата 16, помещенным внутри помещения крышной котельной, который, в свою очередь, соединен с дренажным коллектором 17 и адсорбером 18, заполненным адсорбентом – гранулами пемзы 12, снабженным гидрозатвором 19,трубопроводом промывочной воды 20, дренажным трубопроводом 21, соединенным с дренажным коллектором 17, причем гидрозатвор соединен с накопительным баком 22, который через конденсатный насос 23, соединен с трубопроводом питательной воды теплогенератора (на фиг. 1–4 не показан), трубопроводом промывочной воды 20 и коллектором промывочной воды 15.

УОУДГКК работает следующим образом. Дымовые газы теплогенератора (на фиг. 1–3 не показан) котельной по дымовой трубе 6 поступают в короб 1, который снизу через свое днище соприкасается с верхним перекрытием 4 помещения котельной, а сверху через крышу короба 1 омывается наружным воздухом. В коробе 1 дымовые газы равномерно распределяются в его полости, скорость их резко уменьшается и они поднимаются к перфорированным корзинам 11, двигаясь, в основном, вертикально. Далее дымовые газы проникают через отверстия в днищах перфорированных корзин 11, заполненных гранулами 12 шлаковой пемзы диаметром от 5 до 10 мм, изготовленной из основных металлургических шлаков (диаметр гранул 12 назначен из условий максимального заполнения корзин 11 и стандартной номенклатуры размеров гранул шлаковой пемзы). При этом в процессе работы количество дымовых газов, проходящих через отверстия в перфорированных перегородках 10 незначительно, так как перфорация перегородок 10 выполняется такой, чтобы их сопротивление было значительно большим, чем у слоя гранул пемзы 12 в корзинах 11. 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 12 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 12 шлаковой пемзы в качестве эффективного адсорбента для вредных примесей дымовых газов при различных температурах. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы 12 шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов дымовых газов, широко доступны и относительно дешевы. Поток дымовых газов, проходя через слой гранул пемзы 12, попадая на их поверхность и вовнутрь их, очищается от вредных примесей (NO_x, SO_x, СО, СО₂), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 12. Адсорбированные из дымовых газов оксиды азота и серы в порах гранул 12 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента–гранул 12 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 легко растворимых в воде NO₂ и SО₃. Полученные оксиды азота и серы, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды образующейся в порах гранул 12 в результате капиллярной конденсации паров воды и конденсата, стекающего с крыши короба 1 (этот конденсат образуется в результате конденсации паров воды, находящихся в дымовых газах на внутренней поверхности крыши короба 1 с образованием соответствующих кислот HNO₃ и H₂SO₄. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 12 оседают, находящиеся в дымовых газах мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные дымовые газы из верхней зоны короба 1 поступают в дымовые трубы 2, снабженные дефлекторами 3, откуда выбрасываются в атмосферу. Дополнительное сопротивление, обусловленное наличием слоя гранул шлаковой пемзы и короба 1 дымовой трубой 6 и дымовыми трубами 2, компенсируется за счет конденсации значительной части водяных паров в коробе 1 на внутренней поверхности его крыши и в порах гранул 12, что значительно уменьшает объем дымовых газов, их незначительной скорости движения в коробе 1, а также дополнительной тяги, которую создает дефлектор [В. Н. Богословский и др. Отопление и вентиляция, Ч. II.–М.; Стройиздат, 1978, с. 309], что, в конечном счете, увеличивает суммарную тягу во всех газоходах (дымовой трубе 6, коробе 1 и дымовых трубах 2). В результате теплообмена, одновременно с охлаждением и очисткой дымовых газов в коробе 1 и конденсацией водяных паров в них, за счет отводимого от них тепла, происходит подогрев верхнего перекрытия 2 котельной, а образовавшийся кислый конденсат, стекает вниз через слой гранул 12 и далее по наклонному днищу с уклоном I в стаканы 6, (величина угла уклона I должна быть больше или равна углу естественного откоса воды). При этом, двигаясь по днищу короба 1, кислый конденсат не затекает в канал дымовой трубы 6, так ее кромка выше поверхности днища короба 1 на величину δ, значение которой выбирается из условия гарантированного предотвращения попадания конденсата в дымовую трубу 6. Кислый конденсат, полученный в результате конденсации водяных паров, обогащенный вредными компонентами дымовых газов, из стаканов 8 под напором Н₃ через коллектор кислого конденсата 16 направляется в адсорбер 18, заполненный гранулированным металлургическим шлаком 12, где за счет его основных свойств очищается от кислых компонентов и поступает через гидрозатвор 19 в накопительный бак 22. Из бака 22 очищенный конденсат насосом 23 может подаваться или на подпитку в теплогенератор (на фиг. 1–3 не показан) или на промывку гранул шлака 12.

Дымовые трубы УОУДГКК размещают по кромкам обоих скатов крыши для того, чтобы дефлекторы 3 противоположных труб 2 при изменении направления ветра могли компенсировать друг друга. Размеры дымовых труб 2, площадь короба 1 и перфорированных корзин 11, объем гранул 12 и живое сечение перфорации в каждой из них, число перфорированных корзин 11, их размеры, высоты Н₁ и Н₂ определяются в зависимости от суммарной мощности обслуживаемой группы теплогенераторов, расхода и вида топлива, а также требуемой степени очистки дымовых газов, а высота Н₃ должна быть больше сопротивления слоя шлака 12 в адсорбере 18. При этом аэродинамическое сопротивление перфорированных перегородок 10 должны быть больше сопротивления слоя гранулированного шлака 12, что регулируется величиной площади живого сечения перфорации перегородок 10, которое в тоже время должно обеспечивать пропуск дымовых газов в дымовые трубы 2 при увеличении сопротивления слоя гранул пемзы 12, например, при уплотнении слоя гранул пемзы 12 в корзинах 11, которое может произойти из–за их старения и механического разрушения.

При падении активности адсорбента–гранул 12 коробе 1 и адсорбере 18 их подвергают регенерации, которую осуществляют по мере необходимости. Процесс регенерации в коробе 1 заключается в очистке поверхности и пор гранул 12 от мелкодисперсных частиц и адсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем промывки гранул 12 промывочной водой (очищенным кондесатом) из перфорированных снизу, патрубков 13, соединенных с коллектором промывочной воды 15, при открытии запорной арматуры 14. Промывку гранул шлака 12 в адсорбере 18 осуществляют через коллектор промывочной воды 15 и трубопровод промывочной воды 20, соответственно, обратная промывочная вода, насыщенная кислотными компонентами и СО₂, выводится из короба 1 и адсорбера 18 через коллектор кислой воды 16 и дренажный трубопровод 21, соответственно, в дренажный коллектор 17, откуда сбрасывается в канализацию. Сброс обратной промывочной воды, насыщенной кислотными компонентами и СО₂ в сточные воды снижает их рН и появление твердых отложений в угловых и горизонтальных участках труб канализационной сети, а происходящее при этом обогащение сточных вод СО₂ способствует процессам фотосинтеза [Комов В.П. и др. Биохимия. – М.: Дрофа, 2004, с. 210] на полях орошения городских очистных сооружений.

При механическом износе гранул 12 их заменяют на свежие. Периодичность и продолжительность промывки, время замены адсорбента определяются опытным путем.

При этом использование очищенного от кислотных компонентов конденсата водяных паров дымовых газов в качестве подпиточной воды снижает нагрузку на блок химводоочистки (на фиг. 1–4 не показан) и позволяет работать парогенератору в режиме автономного водоснабжения без использования посторонних источников воды, а использование очищенного конденсата в качестве промывочной воды вместо водопроводной воды повышает качество промывки и увеличивает время эксплуатации адсорбента – гранулированного доменного шлака 12.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает очистку дымовых газов теплогенератора крышной котельной от вредных компонентов без применения дорогих и опасных химических реагентов, используя в качестве адсорбента гранулы шлаковой пемзы, изготовленной из основных металлургических шлаков c модулем основности М>1, позволяет одновременно утилизировать их тепло и конденсат водяных паров, что снижает нагрузку на блок химводоочистки, обеспечивает автономное водоснабжение котельной для подпитки парогенератора и регенерации адсорбента, а также проводить процессы регенерации адсорбента без остановки теплогенератора с высокой надежностью и эффективностью.