способ очистки газового потока и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки газового потока путем многократного последовательного поэтапного насыщения запыленного и/или задымленного газового потока паром жидкости с последующим осаждением на каждом этапе конденсационно-укрупнившихся частиц на элементе охлаждения в виде конденсата и отвода этого конденсата, отличающийся тем, что пар на каждом этапе вдувают в виде расширяющихся струй и направляют их на элемент охлаждения под углом к оси газового потока, а образовавшийся конденсат отводят после каждого этапа отдельно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что струю пара направляют под углом 35 55^o к оси газового потока.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на каждом последующем этапе увеличивают концентрацию пара в газовом потоке по мере уменьшения размеров частиц.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что на каждом последующем этапе, давление пара увеличивают на 10 30% по сравнению с предыдущим этапом.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что на каждом этапе осуществляют уменьшение давления газового потока при вдувании пара, а затем увеличение давления газового потока.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что изменение давления газового потока при вдувании пара осуществляют адиабатически.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что при уменьшении давления газового потока увеличивают его скорость, а при увеличении давления уменьшают скорость газового потока.

8. Способ по пп.1 7, отличающийся тем, что поток парогазовой смеси подвергают закрутке вдоль поверхности концентричной оси потока.

9. Устройство для очистки газового потока, содержащее трубчатый корпус, имеющий входное отверстие для входа запыленного и/или задымленного газового потока, несколько последовательно расположенных конденсационных секций, каждая из которых снабжена конфузором, средством для вдувания пара, холодильником и кольцевым сборником для конденсата и выходное отверстие для выхода очищенного газового потока, отличающееся тем, что средство для вдувания пара в каждой секции выполнено в виде распылительной головки, образующей струи пара в форме конуса, направленные на поверхность холодильника, а холодильник выполнен в виде рубашки, соосной с корпусом.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в качестве распылительной головки использована кольцевая форсунка, которая расположена на выходе из конфузора соответствующей секции.

11. Устройство по пп.9 и 10, отличающееся тем, что по меньшей мере одна из его секций снабжена дополнительной распылительной головкой, аналогичной и установленной за основной распылительной головкой по ходу газового потока, для вдувания пара навстречу газовому потоку.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно снабжено индивидуальными емкостями для сбора конденсата, с которыми сообщены кольцевые сборники каждой секции.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что внутренняя стенка холодильника выполнена в виде винтовых гофр.

14. Устройство по пп.9-13, отличающееся тем, что каждая конденсационная секция выполнена в виде самостоятельного модуля, имеющего на торцах фланцы для скрепления секций между собой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к отделению дисперсных частиц от газового потока, в частности, к способам и устройствам для его осуществления.

Известны способы очистки газового потока, сущность которых заключается в том, что в пресыщенном водяными парами запыленном потоке газа происходит конденсационное укрупнение дисперсных частиц и осаждение образовавшихся вокруг них капель под действием различных сил [1] Однако этот процесс сложный, имеет ряд особенностей, неправильный или неточный учет которых при создании способов очистки делает их неэффективными.

Первая особенность заключается в том, что для начала конденсационного укрупнения дисперсных частиц определенного размера х необходимо чтобы в газовом потоке было достигнуто пересыщение пара, соответствующее закону Кельвина-Томсона. В этом случае будет возможна конденсация пара на частицах размера х и крупнее их. Более мелкие частицы при этом значении пересыщения останутся неукрупненными и не будут уловлены.

Вторая особенность заключается в том, что в очищенном газовом потоке с дисперсными частицами не может быть мгновенно достигнуто заданное пересыщение. При вдувании пара в поток пресыщение достигается после перемешивания пара с газом и установления термического равновесия в парогазовой смеси. Пересыщение в парогазовой смеси сопровождается конденсацией пара на крупных частицах пыли, для которых пересыщение уже достигло величины, достаточной для конденсации. Конденсация пара на этих частицах сопровождается выделением теплоты конденсации и нагревом парогазовой смеси. Конденсация, т.е. убывание парциального давления пара, и связанное с этим повышение средней температуры парогазовой смеси приводят к ограничению величины достигаемого пересыщения, а значит к невозможности улавливания мелких частиц пыли.

Третья особенность заключается в том, что если даже достигнуто пересыщение, достаточное для укрупнения мелких и сравнительно более крупных частиц, то скорость укрупнения для частиц различного размера будет разной. Более крупные частицы укрупняются быстрее. В процессе дальнейшей термостабилизации парогазовой смеси с укрупненными конденсатом пара частицами происходит обсыхание мелких частиц и дальнейшее укрупнение крупных. Это происходит потому, что имеющееся текущее значение пересыщения вследствие закона Кельвина-Томсона различно для капель различного размера.

Четвертая особенность заключается в том, что осаждение уже укрупненных конденсацией частиц принципиально отличается для частиц различного размера. Сравнительно крупные капли, образовавшиеся на дисперсных частицах, подвержены силам инерции и гравитации, поэтому сравнительно легко могут быть осаждены, а более мелкие частицы более взвешены в парогазовом потоке, скорость их витания мала, поэтому они могут быть осаждены быстро и простым путем.

В большинстве известных способов не учтена по меньшей мере часть вышеперечисленных особенностей, поэтому они не могут быть максимально эффективными.

Известен способ очистки газового потока путем многократного последовательного поэтапного насыщения запыленного и/или задымленного газового потока паром жидкости с последующим осаждением на каждом этапе конденсационно-укрупнившихся частиц в зоне охлаждения в виде конденсата и отвода этого конденсата и устройство для его осуществления, содержащее трубчатый корпус, имеющий входное отверстие для входа запыленного или задымленного газового потока, несколько последовательно расположенных конденсационных секций, каждая из которых снабжена инжектором для вдувания пара, холодильником, конфузором, в горловине которого помещен фильтр, и кольцевым сборником для конденсата, и выходное отверстие для выхода очищенного газового потока [2]

Однако простое вдувание пара в загрязненный газовый поток дает пересыщение только после перемешивания и термостабилизации пара с газом, а этот процесс сравнительно медленный. Охлаждение парогазовой среды на холодильнике связано с конвективным и кондуктивным теплообменом, что также дает медленное нарастание пересыщения. Поэтому в этом способе нарастание пересыщения происходит медленно, а значит, начинающаяся конденсация на сравнительно крупных дисперсных частицах препятствует повышению пересыщения и укрупнению мелких частиц.

Кроме того, при прохождении зоны охлаждения парогазовая смесь охлаждается, часть пара конденсируется на холодильнике, пересыщение ее снимается до величины насыщения жидкости над плоской поверхностью жидкости. Образовавшиеся на дисперсных частицах капли конденсата пара оказываются в условиях перегрева относительно газового потока и начинают высыхать. На фильтрах, куда парогазовая смесь поступает после холодильника, будут уловлены только те капли, которые не успели высохнуть. Недостатки этого способа не могут быть устранены повторением всех операций в последующих секциях, поскольку повышение допустимого пересыщения лимитировано температурой холодильника, а значит, газовый поток может быть очищен только от частиц определенного размера и крупнее.

Задача изобретения заключается в создании способа и устройства, обеспечивающих эффективную очистку запыленных и задымленных газовых потоков, а также селективное улавливание загрязнений. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности очистки газового потока.

Для этого при осуществлении способа очистки газового потока путем многократного последовательного поэтапного насыщения запыленного и/или задымленного газового потока паром жидкости с последующим осаждением на каждом этапе конденсационно-укрупнившихся частиц в зоне охлаждения в виде конденсата и отвода этого конденсата пар на каждом этапе согласно изобретению вдувают в виде расширяющихся струй и направляют их под углом к оси газового потока.

Такое осуществление способа обеспечивает более полную очистку газового потока и уменьшение размера частиц, отделяемых от газового потока, благодаря тому, что в результате вдувания струй пара происходит большее пересыщение парогазовой смеси и, следовательно, конденсационное укрупнение более мелких частиц, а в результате перемещения укрупненных газовых частиц расширяющимися струями пара в зону охлаждения и направления струй пара на элемент охлаждения происходит инерционное осаждение частиц на поверхности холодильника.

Целесообразно вдуваемый на каждом этапе пар направлять расширяющимися струями под углом 35-55^о к оси газового потока. При меньшем угле наклона (35-0^о) увеличивается скорость потока и уменьшается инерционное движение укрупнившихся частиц в зону охлаждения. При большем угле наклона (55-90^о) возрастает тепловое воздействие пара на холодильник, но увеличивается движение укрупнившихся частиц в зону охлаждения.

Направляемый струями пара в зону охлаждения газовый поток можно закручивать, выполнив стенки холодильника в форме винтовых гофр. Это улучшит инерционное осаждение частиц на стенки холодильника.

На каждом последующем этапе пересыщение парогазовой смеси вдуванием пара можно осуществлять в иной степени, чем на предыдущем. Это зависит от размеров частиц, преобладающих в газовом потоке на данном этапе. Целесообразно увеличить концентрацию пара в газовом потоке по мере уменьшения размеров оставшихся частиц. Это позволяет повысить качество очистки газового потока от дисперсных частиц.

Целесообразно на каждом последующем этапе давление пара увеличивать на 10-30% по сравнению с предыдущим этапом. Увеличение давления пара зависит от отношения размера уловленных частиц на предыдущем этапе к размерам частиц, подлежащих улавливанию на данном этапе. Этим обеспечивают отделение более крупных частиц в основном на предыдущих этапах и менее крупных на последующих этапах и тем самым осуществляют еще большее эффективную очистку газового потока с разделением частиц на фракции при общем уменьшении затрат энергии.

При осуществлении способа можно на каждом этапе уменьшать давление газового потока в зоне вдувания пара, а затем увеличивать его. Тем самым можно обеспечить большее пересыщение парогазовой смеси благодаря уменьшению температуры, сопутствующему уменьшению давления газового потока, несмотря на выделение тепла конденсации при укрупнении частиц, а следовательно, обеспечить еще большую эффективность очистки газа.

Возможно изменение давления газового потока при вдувании пара осуществлять адиабатически.

Возможно также при уменьшении давления газового потока увеличивать его скорость, а при увеличении давления газового потока уменьшать его скорость.

Этим упрощается осуществление способа.

Образующиеся при осуществлении способа конденсат можно отводить на каждом этапе раздельно. Тем самым можно обеспечить утилизацию разных по размерам, физическим и/или химическим свойствам уловленных частиц.

Задача изобретения решается и технический результат достигается также тем, что в устройстве для очистки газового потока, содержащем трубчатый корпус, имеющий входное отверстие для выхода запыленного и/или задымленного газового потока, несколько последовательно расположенных конденсационных секций, каждая из которых снабжена конфузором, средством для вдувания пара, холодильником и кольцевым сборником для конденсата, и выходное отверстие для выхода очищенного газового потока, согласно изобретению средство для вдувания пара каждой секции выполнено в виде распылительной головки, образующей струи пара в форме конуса, направленные на поверхность холодильника, а холодильник выполнен в виде рубашки, соосной корпусу.

Распылительная головка, через которую в газовый поток вдувается пар, установлена на выходе из конфузора, благодаря чему распылительная головка работает в виде эжектора, подсасывая газовый поток и увеличивая его скорость.

Распылительная головка может быть выполнена в виде многоструйной форсунки.

Такое выполнение устройства обеспечивает более полную очистку газового потока благодаря тому, что пар из распылительной головки подсасывает газовый поток и увеличивает его скорость, а в результате расширения струй пара увеличивается пересыщение парогазовой смеси, что улучшает условия конденсационного укрупнения частиц и способствует перемещению взвешенных в газе дисперсных частиц к поверхности холодильника со скоростью большей, чем скорость газового потока около поверхности холодильника, в результате чего происходит инерционное осаждение частиц на указанной поверхности.

Устройство может быть снабжено по меньшей мере одной секцией, имеющей дополнительную распылительную головку для вдувания пара навстречу газовому потоку. Дополнительная распылительная головка имеет ту же конструкцию, что и основная распылительная головка, и устанавливается за ней по ходу газового потока. Такое выполнение улучшает инерционное осаждение частиц на поверхности холодильника и способствует еще большему улучшению очистки газового потока.

Холодильник устройства может быть выполнен в виде цилиндрической водяной рубашки с гладкой внутренней поверхностью. Такое выполнение упрощает устройство для очистки газового потока и эксплуатацию всего устройства.

Внутренняя поверхность холодильника может быть выполнена в виде гофр, что увеличивает поверхность контакта с газом и улучшает массообмен. Гофры могут быть выполнены винтовыми, способствующими закрутке потока в канале, что улучшает инерционное осаждение частиц на поверхности холодильника.

Кольцевой сборник каждой секции может быть соединен со своим каналом для отвода конденсата, причем каналы по меньшей мере двух секций могут быть соединены с индивидуальными емкостями для сбора конденсата. Такое выполнение обеспечивает селективное улавливание загрязнений из очищенного газового потока.

Целесообразно каждую секцию выполнить в виде самостоятельного модуля с фланцами для соединения с другими модулями. Это упрощает изготовление устройства и его обслуживание во время эксплуатации.

Таким образом, способ очистки газового потока и устройство для его осуществления согласно изобретению обеспечивает эффективную очистку запыленных и задымленных газовых потоков, улавливание загрязняющих частиц, имеющих как большие, так и малые размеры, и селективный сбор уловленных частиц, имеющих разные размеры и/или свойства.

На фиг.1 схематично изображено устройство для очистки газового потока в продольном разрезе; на фиг.2 продольный разрез секции устройства, выполненной в виде самостоятельного модуля, в котором стенка холодильника выполнена в виде винтовых гофр; на фиг.3 вариант исполнения устройства для очистки газового потока.

Устройство для очистки газового потока (фиг.1 и 2) содержит трубчатый корпус 1, имеющий входное и выходное отверстия и выполненный в виде вертикального канала, предназначенного для движения потока 2 запыленного или задымленного газа. Трубчатый корпус 1 составлен из необходимого количества секций 3 (3а и б), выполненных в виде самостоятельных модулей, показанных на фиг. 2. Количество секций в устройстве для очистки газового потока определяется требуемой степенью очистки газового потока, свойства дисперсных частиц, содержащихся в потоке, и требуемой степенью дифференциации улавливаемых из потока 2 частиц.

Каждая секция 3 (фиг.2) выполнена из опорной части 4 (4а и б) и охлаждаемой части 5 (5а и б). В опорной части 4 (4а и б) секции 3 (3а и б) закреплен конфузор 6 (6а и б), который имеет форму кольцевого колпака с центральным отверстием 7 (7а и б) и выполняет известную функцию сопла Вентури. Помимо этой функции конфузор 6 (6а и б) служит в качестве внутренней стенки кольцевого сборника 8 (8а и б) для конденсата, стекающего с поверхности холодильника 9 (9а и б), расположенного в охлаждаемой части 5 (5а и б) секции 3 (3а и б). Для отвода конденсата, накапливающегося в кольцевом сборнике 8 (8а и б), секция 3 (3а и б) имеет трубку 10 (10а и б), соединенную с кольцевым сборником и отдельной емкостью 11 (11ва и б) (фиг.1), предназначенной для селективного сбора конденсата из данной секции.

Холодильник 9 выполнен в виде цилиндрической водяной рубашки (фиг.1). Как вариант исполнения внутренняя поверхность (стенка) 12 холодильника может быть выполнена в виде гофр, идущих по спирали снизу вверх под углом к горизонтальной поверхности (фиг.2).

Устройство содержит также средство для подачи пара, выполненное в виде распылительной головки 13 для вдувания пара в газовый поток 2 расширяющейся струей, направленной на поверхность холодильника 9. В качестве распылительной головки 13 (13а и б) может быть использована кольцевая форсунка с выпуском пара в форме конуса под углом к оси газового потока 2 или многоструйная форсунка, также обеспечивающая образование кольцевых струй. Одним из основных назначений таких форсунок является образование достаточно плотной паровой струи, доходящей до поверхности холодильника 9. Распылительная головка 13 расположена за выходом из конфузора 6. Для регулирования угла наклона вдуваемых струй пара распылительная головка 13 (13а и б) снабжена специальным механизмом 14 (14а и б), а для регулирования количества пара, подаваемого в распылительную головку 13 (13а и б), устройство снабжено клапаном 15 (15а и б). Механизм 14 и клапан 15 связаны с центральным блоком 16 управления, к которому подключены датчики 17 и 18 (17а и б и 18а и б) температуры, установленные перед конфузором 6 (6а и б) и за ним.

Как вариант исполнения устройства для очистки газового потока одна или несколько секций 3 может быть снабжена дополнительной распылительной головкой 19, как это показано на фиг.3, для вдувания пара навстречу газовому потоку 2 соответствующей секции. Дополнительная распылительная головка 19 имеет такую же конструкцию, что и основная распылительная головка 13, и крепится над усиливаемой секцией 3 с помощью опорной части 4, из которой удален конфузор 6 и датчики 17 и 18 температуры, а отверстие для трубки закрыто пробкой. Как видно на фиг.3, дополнительная распылительная головка 19 развернута выходными щелями вниз.

Каждая секция 3 выполнена в виде самостоятельного модуля (фиг.2), что обеспечивает возможность серийного их изготовления и легкую замену в случае ремонта. Между собой модули соединены с помощью фланцев 20 и болтов (не показаны).

Поскольку описанное устройство имеет самонесущую конструкцию, ее монтаж или демонтаж в дымоходе может осуществляться как опускание верхних модулей на нижние, так и наращиванием модулей снизу к поднятым вышерасположенным модулям. Подключение модулей к системам пароснабжения, сбора конденсата и управления процессом осуществляется любым известным способом.

Способ очистки газового потока с использованием описанного устройства осуществляют следующим образом.

Запыленный или задымленный газовый поток 2 подают во входное отверстие 21 трубчатого корпуса 1. Поток 2 проходит сквозь полость корпуса 1 снизу вверх и выходит через выходное отверстие 22, увеличивая скорость в конфузорах 6, 6а и 6б, а затем уменьшая ее. В распылительную головку 13 через клапан 15 подают пар, который вдувают в газовый поток 2 в виде расширяющихся струй и направляют их на поверхность холодильника 9 под углами от 0 до 180^о.

Наиболее оптимальным углом наклона стpуй пара к поверхности холодильника 9 является угол в пределах 35-55^о. Расширяющиеся струи пара имеют такую плотность и скорость, что достигают поверхность холодильника 9 и обеспечивают инерционное движение образовавшихся капель конденсата к нему.

Струи пара подсасывают очищаемый газ, одновременно обеспечивают инерционное движение образовавшихся капель конденсата к нему.

Струи пара подсасывают очищаемый газ, одновременно перемешиваясь с ним и образуя парогазовую смесь. В парогазовой смеси быстро создается пересыщение, в результате чего происходит конденсационное укрупнение аэрозольных частиц, причем первыми укрупняться начинают самые крупные частицы. Под действием паровых струй образующиеся укрупненные частицы отбрасываются на поверхность холодильника 9, где происходит инерционное осаждение капель конденсата. Конденсат вместе с уловленными аэрозольными частицами стекает по поверхности холодильника в кольцевой сборник 8 конденсата, а затем по трубке 10 его отводят в отдельную емкость 11. Спиральные гофры внутренней поверхности 12 холодильника способствуют закрутке потока газа, чем улучшают инерционное осаждение частиц на поверхности холодильника.

Очищенную в первой секции 3 от частиц крупной фракции парогазовую смесь подают по каналу, образованному стенками холодильника 9 и конфузором 6, в последующую секцию. При этом происходит ее охлаждение. Исследованиями установлено, что температура стенок холодильника 9 должна быть такой, чтобы создавать условия конденсации пара, обеспечивающие надежное прилипание капель конденсата к поверхности его стенок.

Подаваемую во вторую секцию 3а парогазовую смесь снова обрабатывают струями пара из распылительной головки 13а, но с большим пересыщением, чем в первой секции 3. При этом увеличивается концентрация пара в газовом потоке по мере уменьшения размеров оставшихся частиц. На каждом последующем этапе давление пара увеличивают на 10-30% по сравнению с предыдущим этапом. В результате происходит новое конденсационное укрупнение аэрозольных частиц, причем в первую очередь укрупнению подвергают самые крупные из оставшихся в потоке частиц, которые под действием паровых струй отбрасываются на поверхность холодильника 9а второй секции, где происходит инерционное осаждение капель второй фракции конденсата. Конденсат с уловленными аэрозольными частицами второй фракции через кольцевой сборник 8а и трубку 10а отводят в свою отдельную емкость 11а.

Прошедшие очистку во второй секции от частиц второй фракции парогазовую смесь по каналу, образованному стенками холодильника 9а, подают в последующие секции, где парогазовую смесь обрабатывают таким же образом, что и в первых двух секциях, до достижения заданной чистоты газового потока.

Весь процесс очистки контролируют температурными датчиками 17, 18, 17а, 18а, 17б и 18б, на основании показаний которых производят управление подачей пара в каждую распределительную головку 13.

В случаях особо большой запыленности и/или задымленности одна или несколько секций 3 может быть снабжена дополнительной распылительной головкой 19, как это показано на фиг.3. Наличие дополнительной распылительной головки 19 со встречным потоку газа 2 направлением паровых струй ускоряет перенасыщение парогазовой смеси и осаждение крупных частиц, если количество пара, подаваемого распылительной головкой 13, недостаточно, и во вторую секцию устройства проходит значительное количество частиц, подлежащих осаждению в первой секции.

С помощью конфузоров 6 при вдувании пара в каждой секции осуществляют уменьшение давления газового потока, а затем его увеличение. При этом изменение давления газового потока при вдувании пара осуществляют адиабатически. При уменьшении давления газового потока увеличивают скорость, а при увеличении уменьшают.

П р и м е р 1. В установке, пылеулавливающий канал которой состоял из десяти секций, производили очистку воздуха, имеющего температуру 40+5^оС, от аэрозолей сажи. Средняя запыленность 9,110^-3 кг/м³. Влагосодержание воздуха на входе в установку 0,02 кг/м³. Температура охлаждающей воды 16^оС. Максимальное влагосодержание, создаваемое в установке составляет 0,8 кг/м³. Скорость потока воздуха в установке 0,6 м/с. Наклон струй пара к оси парогазового потока составил 55^о в первой-четвертой секциях и 35^о в пятой-десятой секциях. Основная масса уловленных частиц имела размеры 500 . Воздух, выходящий из установки, имел влагосодержание 0,04 кг/м³. Запыленность воздуха на выходе из установки приборами не зарегистрирована.

П р и м е р 2. Установка из 7 секций работает в режиме селективного улавливания продуктов сгорания керосина с недостатком воздуха. В первых пяти секциях с наклоном струй к оси парогазового потока 55^о уловлены различные фракции угольных частиц в диапазоне размеров 50-3000 . В шестой и седьмой секциях с наклоном стpуй 35^оуловлены недогоревшие пары керосина ароматические углеводороды. Влагосодержание воздуха на входе в установку 0,018 кг/м³, на выходе 0,042 кг/м³. Температура охлаждающей воды 20^оС. Выхода пыли и органических веществ из установки не зарегистрировано.

П р и м е р 3. Установка из 4 секций с дополнительной распылительной головкой в первой секции работает в режиме очистки воздуха, запыленного частицами каменного угля. Влагосодержание газа на входе в установку 0,03 кг/м³, на выходе 0,05 кг/м³. Наклон струй пара к оси парогазового потока составил в основных распылительных головках 55^о, а в дополнительной 45^о. Уголь уловлен в первых трех секциях. Выхода угольной пыли из установки не обнаружено.

П р и м е р 4. Устройство в той же компоновке, что и в примере 1.Очистка воздуха с дымом горящей сигареты. При введении сигаретного дыма установка реагировала увеличением стока конденсата из двух первых секций на 5%

Наиболее эффективно предлагаемое изобретение может быть использовано в промышленных газоочистителях, а также для очистки воздуха в помещениях, установках кондиционирования воздуха, при сжигании отходов, производстве технической сажи, порошковых материалов, абразивов, красок и других материалов, транспортируемых в виде пыли или аэрозолей.