Комплексный коррозионноустойчивый воздухоподогреватель

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, к хвостовому оборудованию котельных установок и может быть использовано в процессах очистки дымовых газов от вредных примесей и утилизации их тепла.

Известен полифункциональный воздухоподогреватель, включающий корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет из плоских сплошных и перфорированных пластин, размещенных поочередно, образующих между собой газовые и воздушные каналы, через отверстия в перфорированных пластинах пропущены попарно проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2 и спаянные на концах между собой, образуя многорядные зигзагообразные сетки (термоэмиссионных элементов), расположенные в газовом и воздушном каналах, соединенные своими концами с коллекторами электрических зарядов и клеммами [Патент РФ №2422728, МПК F 23 Д 15/04, 2011].

Основными недостатками известного полифункционального воздухоподогревателя являются сложность конструкции, быстрый коррозионный износ теплообменных поверхностей при охлаждении газов, содержащих агрессивные компоненты, при температурах ниже точки росы, невозможность использования полученного термоэлектричества непосредственно в воздухоподогревателе и очистки дымовых газов от вредных компонентов, что снижает его надежность и эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является комплексный воздухоподогреватель, содержащий прямоугольный корпус, снабженный верхними и торцевыми крышками с патрубками для входа и выхода воздуха и дымовых газов, пирамидальным днищем с конденсатным штуцером, к нижним торцевым кромкам которого горизонтально прикреплены швеллеры с перфорированными основаниями, на которые установлены перфорированные кассеты, перфорация боковых сторон которых выполнена таким образом, что ее отверстия размещены в шахматном порядке и снабжены наклонными козырьками, прикрепленными к отверстия так, чтобы направление угла наклона козырька было противоположно вектору скорости движения газа, кассеты установлены так, чтобы перфорированные стенки каждой пары кассет были обращены друг к другу, образуя газовые каналы, причем кассеты заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм [Патент РФ №2595289, МПК F 23 L 15/04, 2016].

Основными недостатками известного комплексного воздухоподогревателя является необходимость постороннего источника электроэнергии для получения озона и высокая коррозионная активность дымовых газов, содержащих озон, что повышает стоимость процесса очистки, скорость коррозии хвостового оборудования и, таким образом, уменьшает его эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение эффективности комплексного коррозионноустойчивого воздухоподогревателя.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый комплексный коррозионноустойчивый воздухоподогреватель включает прямоугольный корпус, в котором расположены воздухоподогреватель–термоэлектрогенератор, снабженный верхней и нижней крышками с патрубками входа и выхода воздуха, торцевой крышкой с патрубком входа дымовых газов, в вышеупомянутом корпусе установлены продольные вертикальные гофрированные перегородки с горизонтальными гофрами и термоэлектрическими секциями, которые образуют газовые и воздушные каналы, соответственно, соединенный с воздухоподогревателем–термоэлектрогенератором через газовые каналы адсорбер, снабженный пирамидальным днищем с конденсатным патрубком, верхней крышкой с промывочным коллектором, торцевой крышкой с патрубком выхода газов, в котором установлены перфорированные вертикальные продольные кассеты, установленные на анодные шины, диэлектрически изолированные от корпуса и состоящие из опорных перфорированных снизу швеллеров, соединенных между собой анодными планками, между которыми располагаются газовые каналы, перфорация боковых стенок кассет выполнена таким образом, что отверстия размещены в шахматном порядке и снабжены наклонными козырьками, прикрепленными к отверстиям таким образом, чтобы направление угла наклона козырька было противоположно вектору скорости движения газа, причем кассеты заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, теплоэлектрические секции составлены из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, сплющенные и спаянные на концах между собой, соединенные в ряды, устроенные таким образом, что верхние и нижние спаи нескольких параллельных рядов каждого термоэмиссионного элемента соединены между собой параллельно секционными коллекторами, представляющими собой пластины, выполненными из металла с высокой электропроводностью, покрытыми снаружи слоем материала–диэлектрика, в отверстия которых вставлены верхние и нижние спаи термоэмиссионных элементов, образуя вышеупомянутые теплоэлектрические секции, нижние крайние секционные коллекторы каждой пары теплоэлектрических секций соединены между собой перемычкой, верхние крайние секционные коллекторы каждой теплоэлектрической секции соединены между собой электрическим конденсаторами, образуя термоэлектрический блок, при этом правая часть (по ходу газа) секционных коллекторов располагаются в пазах гофр гофрированных перегородок, параллельно их боковой поверхности, плотно прижимаясь к ним, а левая часть (по ходу газа) секционных коллекторов теплоэлектрических секций расположены в воздушных каналах полости воздухоподогревателя–термоэлектрогенератора, крайние секционные коллекторы крайних теплоэлектрических секций соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, через преобразователь соединены с анодной шиной и корпусом.

Предлагаемый комплексный коррозионноустойчивый воздухоподогреватель (ККВП) изображен на фиг. 1–14 (фиг. 1–3 – общий вид ККВП и его разрезы, фиг. 4–8– узлы адсорбера, фиг. 9–14 – узлы воздухоподогревателя–электрогенератора).

ККВП состоит из прямоугольного корпуса 1, в котором расположены: воздухоподогреватель–термоэлектрогенератор (ВП–ЭГ) 2, снабженный верхней и нижней крышками 3 и 4 с патрубками входа и выхода воздуха 5 и 6, торцевой крышкой 7 с патрубком входа дымовых газов 8, в котором установлены продольные вертикальные гофрированные перегородки 9 с горизонтальными гофрами 10 и термоэлектрическими секциями (ТЭС) 11, которые образуют газовые и воздушные каналы 12 и 13, соответственно; соединенный с ВП–ЭГ 2 через газовые каналы 12 адсорбер 14, снабженный пирамидальным днищем 15 с конденсатным патрубком 16, верхней крышкой 17 с промывочным коллектором 18, торцевой крышкой 19 с патрубком выхода газов 20, в котором установлены перфорированные вертикальные продольные кассеты 21, установленные на анодные шины 22, диэлектрически изолированные от корпуса 1 (на фиг. 1–14 узлы изоляции не показаны) и состоящие из опорных перфорированных снизу швеллеров 23, соединенных между собой анодными планками 24, между которыми располагаются газовые каналы 12, перфорация боковых стенок кассет 21 выполнена таким образом, что отверстия 25 размещены в шахматном порядке и снабжены наклонными козырьками 26, прикрепленными к отверстиям 25 таким образом, чтобы направление угла наклона козырька 26 было противоположно вектору скорости движения газа, причем кассеты 21 заполнены гранулами пемзы 27, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, ТЭС 11 ВП–ЭГ 2 составлены из термоэмиссионных элементов (ТЭЭ) 28, представляющих собой парные проволочные отрезки 29 и 30, выполненные из разных металлов М1 и М2, сплющенные и спаянные на концах между собой, соединенные в ряды 31, устроенные таким образом, что верхние и нижние спаи нескольких параллельных рядов 31 каждого ТЭЭ 28 соединены между собой параллельно секционными коллекторами 32, представляющими собой пластины, выполненными из металла с высокой электропроводностью, покрытыми снаружи слоем материала–диэлектрика 33, в отверстия 34 которых вставлены верхние и нижние спаи ТЭЭ 28, образуя вышеупомянутые ТЭС 11, нижние крайние секционные коллекторы 31 каждой пары ТЭС 11 соединены между собой перемычкой 35, верхние крайние секционные коллекторы 32 каждой ТЭС 11 соединены между собой конденсаторами 37, образуя термоэлектрический блок 36, при этом правая часть (по ходу газа) секционных коллекторов 32 располагаются в пазах гофр 10 параллельных ребер 2, параллельно их боковой поверхности, плотно прижимаясь к ним, а левая часть (по ходу газа) секционных коллекторов 32 ТЭС 11 расположены в воздушных каналах 13 полости ВП–ЭГ 2, крайние секционные коллекторы 32 крайних ТЭС 11 соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов 38 и 39 (размещение коллекторов 38, 39 на фиг. 1–14 показано условно), которые, в свою очередь, через преобразователь (на фиг. 1–15 не показан) соединены с анодной шиной 22 и корпусом 1.

В основе работы предлагаемого ККВП положено следующее. Так как термоэмиссионные элементы 28 изготовлены из парных проволочных отрезков 29 и 30, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, то при нагреве (охлаждении) спаев термоэмиссионных элементов 28 с одной стороны и охлаждении (нагреве) противоположных им спаев, на них устанавливаются разные температуры и в зоне контакта (спае) металлов М1 и М2 происходит термическая эмиссия электронов, в результате чего в рядах 31 ТЭС 11 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506], которое используется для катодной защиты корпуса ККВП от электрохимической коррозии и повышения отрицательного потенциала адсорбционной насадки–гранул пемзы 27, которая используется в качестве адсорбента для вредных компонентов выхлопных газов. Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), 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 шлаковой пемзы основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в отработавших газах (NO_x, SO_x , СО), а высокая пористость их структуры обеспечивает высокую удельную поверхность. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов дымовых газов, широко доступны и дешевы.

Предлагаемый ККВП работает следующим образом. Через патрубок 5 и верхнюю крышку 3 в воздушные каналы 13 ВП–ЭГ 2 вентилятором (на фиг. 1–14 не показан) подается холодный воздух, который при прохождении через воздушные каналы 13, в результате теплообмена через гофрированные перегородки 9 с горячими дымовыми газами, проходящими через газовые каналы 12 , нагревается до требуемой температуры и через нижнюю крышку 3 и патрубок 6 выводится из ККВП. Одновременно при соприкосновении секционных коллекторов 32 и спаев ТЭЭ 28, расположенных а воздушных каналах 13. с холодной средой и гофр 10 с помещенными в них противоположными коллекторами 32 со спаями с горячей средой (гофрированная перегородка 9 и коллекторы 32 выполнены из материала с высокой теплопроводностью), секционные коллекторы 32 со спаями проволочных отрезков 29 и 30 ТЭЭ 28 с одной стороны охлаждаются, а с противоположной стороны перегородки 9 нагреваются, на них устанавливаются разные температуры. Одновременно с процессом теплопередачи, в результате разности температур охлажденных и нагретых спаев проволочных отрезков 29 и 30, выполненных из металлов М1 и М2 ТЭЭ 28, в рядах 31, ТЭС 11 и ТЭБ 36 появляется термоэлектричество, которое через крайние секционные коллекторы 32 крайних ТЭС 11 и однополюсные коллекторы электрических зарядов 38 и 39, поступает в преобразователь (на фиг. 1–14 не показан), откуда подается потребителю на анодные шины 22 и корпус 1.

Из ВП–ЭГ 2 охлажденные дымовые газы поступают в газовые каналы 12 адсорбера 14, в которых, ударяясь о наклонные козырьки 26 через отверстия 25 проникают в массу гранулированного шлака 27, где одновременно происходят процессы конденсации из–за предварительного охлаждения дымовых газов в ВП–ЭГ 2, взаимодействие оксидов азота и серы с каплями конденсата с образованием азотной и серной кислот (НNO₂ и Н₂SO₄) [Ежов В. С. Разработка комплексного способа очистки вредных газообразных выбросов, автореф. докт. дисс., М., 2009], образуя кислый конденсат, стекающий через перфорированные днища кассет 21 и основания швеллеров 23, в пирамидальное днище 15. В тоже время дымовые газы контактируя с гранулами пемзы 27, адсорбируются на поверхности их пор, причем NO₂, SO₃, СО₂ адсорбируются значительно быстрее, чем NO, SO₂, СО ввиду более высоких кислых свойств. При этом, в результате возрастания отрицательного заряда гранул шлака 27 за счет подачи отрицательного потенциала на анодные шины 22, от которых происходит его подзарядка, скорость окисления вышеперечисленных компонентов значительно возрастает и, соответственно, возрастает степень очистки дымовых газов. Поток дымовых газов, проходя газовые каналы 12 и многократно попадая на поверхность гранул 27 и вовнутрь их очищается от вредных примесей (NO_x, SO_x, СО_х), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 27. Адсорбированные из дымовых газов оксиды азота, оксиды серы, оксиды углерода в порах гранул 27 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента–гранул шлаковой пемзы 27 [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. Адсорбированные NO₂, SO₃, СО₂, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды образующейся в порах гранул 27 в результате капиллярной конденсации паров воды, находящихся в дымовых газах, с образованием соответствующих кислот HNO₃, H₂SO₄ и H₂СO₃. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 27 оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные дымовые газы из газовых каналов 12 через торцевую крышку 19 и выходной патрубок 20 поступают в газоход и далее через дымовую трубу (на фиг. 1–14 не показаны), откуда выбрасываются в атмосферу, а кислый конденсат с уловленными механическими примесями собирается в пирамидальном днище 15, откуда через конденсатный штуцер 16 подается на утилизацию или сбрасывается в дренаж.

При падении активности гранул пемзы 27 их подвергают регенерации. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул шлаковой пемзы 27 от мелкодисперсных частиц и абсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем их промывки водой из промывочного коллектора 18, находящегося в верхней крышке и удалении грязной воды из поддона 15 через штуцер 16. При этом конструкция ККВП позволяет проводить процесс регенерации загрузки (гранул шлаковой пемзы 27) кассет 21 без остановки процесса очистки.

Размеры ККВП, суммарный объем гранул шлаковой пемзы 27, число кассет 21, их длина, высота и ширина, размеры газовых и воздушных каналов 11 и12 в ВП–ЭГ 2 и адсорбере 14, расход промывочной воды определяются в зависимости от мощности котельной установки, расхода и типа топлива и требуемой степени очистки.

Таким образом, предлагаемый комплексный коррозионностойкий воздухоподогреватель позволяет без применения дорогих и опасных химических реагентов очистить дымовые газы от вредных примесей повысить степень очистки дымовых газов от вредных компонентов при использовании в качестве адсорбента гранул шлаковой пемзы, изготовленной из основных металлургических шлаков и снизить скорость коррозии оборудования за счет термоэлектричества, вырабатываемого при утилизации их тепла с одновременным повышением температуры дутьевого воздуха.