способ мокрой очистки газа и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ мокрой очистки газа, включающий тепломассообмен газа с жидкостью, сепарацию и вывод отработанной жидкости и шлама, отличающийся тем, что процесс тепломассообмена газа с жидкостью, преимущественно с водой, ведут в центробежно-барботажном слое за счет прохождения потока очищаемого газа через вращающееся кольцо жидкости и поворота газа и жидкости на выходе в противоположные стороны, а сепарацию фаз осуществляют за счет воздействия центробежного поля на частицы дисперсной среды и тангенциального вдува газа через щелевые каналы, при этом ось вращающегося кольца жидкости располагают перпендикулярно горизонтальной плоскости, а жидкость вводят за счет разности давлений на линии раздела фаз.

2. Способ мокрой очистки газа по п.1, отличающийся тем, что в потоке очищаемого газа располагают, как минимум, два вращающихся кольца жидкости, а отработанную жидкость и шлам выводят периодически через гидравлический затвор в направлении, противоположном направлению движения потока вдуваемого газа.

3. Устройство для мокрой очистки газа, включающее корпус с входными и выходными патрубками для газа, направляющие лопатки и камеры с жидкостью, отличающееся тем, что его входной и выходной патрубки для газа отделены друг от друга горизонтальной мембраной, на которой закреплены коаксиальные цилиндрические обечайки с кольцевыми шайбами, направляющие лопатки и камеры с жидкостью, при этом направляющие лопатки установлены между двумя кольцевыми шайбами и с верхнего торца герметично соединены с камерой ввода жидкости, а с нижнего торца - с камерой вывода отработанной жидкости.

4. Устройство для мокрой очистки по п.3, отличающееся тем, что в кольцевых шайбах, образующих камеры ввода жидкости, выполнены отверстия для прохождения жидкости, а в камере сбора отработанной жидкости и шлама установлен гидразатвор с механизмом регулирования уровня.

5. Устройство для мокрой очистки газа по п.3 или 4, отличающееся тем, что механизм регулирования уровня жидкости в гидрозатворе выполнен в виде поплавка, жестко связанного с регулирующей иглой перепускного клапана.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к области защиты окружающей среды, а именно к способу мокрой очистки газа и устройству для мокрой очистки газа.

Данная группа изобретений может быть использована в различных областях народного хозяйства, например в теплоэнергетике, металлургии или химической промышленности, где очистка газа необходима как непосредственно в технологическом цикле производства, так и при выбросе отработанного газа в атмосферу. Несмотря на большое количество разработанных способов и устройств по очистке газа, необходимость в новых разработках и их актуальность не вызывает сомнений. Это продиктовано прежде всего тем, что требования к чистоте воздушного бассейна с каждым годом ужесточаются, и затраты, включая штрафные санкции, становятся сопоставимыми с затратами на воспроизводство самих носителей энергии.

Известен способ очистки газа от пыли, включающий подачу пылегазовой смеси через слой вибрирующей жидкости, в котором пузырьки газа дробят с помощью вибрационных решеток до размера частиц не более 2 мм, при этом вибрацию слоя жидкости осуществляют с виброускорением 90-140 м/с² и частотой колебаний в диапазоне 250-400 г/с [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа очистки газа от пыли относится то, что он очень сложен в реализации и требует больших энергетических затрат в процессе эксплуатации. К тому же он не приемлем для очистки больших потоков газа, т.к. не гарантирует высокую степень очистки газа без применения специального оборудования и приборов контроля за системой вибрации решеток. К тому же надежность и долговечность устройств для очистки газа данным способом также не велика, из-за больших ускорений и повышенной частоты вибрации решеток. Следует также отметить, что процесс вывода шлака и отработанной жидкости, при данном способе очистки газа, трудоемок и малоэффективен.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ для очистки газообразных выбросов и устройство для его очистки [2]. Данный способ предусматривает смешение очищаемого газа с адсорбентом в вихревом потоке и его сепарацию с последующей регенерацией адсорбента. При этом поток очищаемого газа перед смешением делят на отдельные струи по высоте и в каждую струю впрыскивают адсорбент, который после сепарации собирают и регенерируют с помощью специального устройства, а затем вновь возвращают на очистку газа.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа очистки газообразных выбросов, принятого за прототип, относится то, что в данном способе используется специальный жидкий адсорбент с замкнутой системой его регенерации, что существенно усложняет данный способ очистки газа, увеличивает затраты и снижает его эффективность. Другой причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата, является отсутствие в данном способе приемов и устройств, позволяющих существенно повысить эффективность очистки газа и сделать этот процесс более дешевым и надежным в эксплуатации.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству в заявляемой группе изобретений является устройство - пылесос, включающий корпус, воздуховсасывающее устройство, жидкостный фильтр с газожидкостным смесителем, каплеуловитель и выходной патрубок [3]. В данном устройстве вихревая барботажная камера сверху защищена каплеуловителем, выполненным в виде плоского диска, а снизу сплошным диском с центральным каналом для всасывания жидкости, при этом сливные каналы в этом устройстве выполнены в виде полых трубок, опущенных под уровень сливной жидкости, и расположены по периферии корпуса.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве используется замкнутый объем жидкости без какой-либо регенерации. В описании к патенту утверждается, что при взаимодействии газа с жидкостью последняя не только очищает газ от пыли, но и может осуществлять дезодорацию, ароматизацию и дезинфекцию очищаемого воздуха при условии введения соответствующих добавок. Такое утверждение ошибочно, т.к. любой дезинфицирующий водный раствор или любая другая жидкость после дезинфицирования сама является источником инфекции и даже после химической обработки подлежит обязательному уничтожению, но никак не вторичному использованию. К этому следует добавить, что при очистке воздуха и тем более газов с помощью воды образуются вязкие эмульсии-шламы, включающие коллоидные растворы пыли, масла и кислот с весьма низкой текучестью, которые не только не желают течь по каким-либо трубкам, а вообще склонны залипать на поверхности и забивать любые застойные зоны. Использование данного устройства в качестве кондиционера также исключено, т.к. с увеличением потока газа, при открытии дополнительных окон, произойдет срыв газожидкостного кольца, и газ будет не очищаться, а лишь загрязняться за счет испарения этой жидкости под воздействием набегающего потока газа.

Задачей заявляемой группы изобретений является устранение вышеперечисленных недостатков путем реализации нового способа мокрой очистки газа и нового устройства для мокрой очистки газа.

Технический результат заключается в получении более эффективного способа мокрой очистки газа, упрощении устройства для мокрой очистки газа и увеличении надежности в работе, а также снижении всех затрат при реализации, включая эксплуатационные затраты.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается известным способом мокрой очистки газа, предусматривающим тепломассообмен очищаемого газа с жидкостью, сепарацию и вывод отработанной жидкости. Особенность предлагаемого способа заключается в том, что процесс тепломассообмена газа с жидкостью, преимущественно с водой, ведут в центробежно-барботажном слое за счет прохождения потока очищаемого газа через вращающееся кольцо жидкости и изменения направления газа и жидкости на выходе из него в противоположные стороны, а сепарацию фаз и отделение шлама осуществляют за счет воздействия на частицы дисперсной среды центробежного поля и тангенциального вдува газа через щелевые каналы, при этом ось вращающегося кольца жидкости располагают перпендикулярно горизонтальной плоскости, а жидкость вводят за счет разности давления на линии раздела фаз.

Указанный технический результат достигается также тем, что в потоке очищаемого газа располагают, как минимум, два вращающихся кольца жидкости, а отработанную жидкость и шлам выводят периодически через гидравлический затвор в направлении, противоположном направлению движения потока вдуваемого газа.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа мокрой очистки газа не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся способа мокрой очистки газа за счет использования нескольких горизонтальных вращающихся колец жидкости, лежащих в одной горизонтальной плоскости, а также за счет вывода отработанной жидкости и шлама через гидрозатвор с регулируемым уровнем жидкости.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что известное устройство для мокрой очистки газа включает корпус с входными и выходными патрубками для газа и жидкости, направляющие лопатки и камеры с жидкостью. Особенностью данного устройства является то, что его входной и выходной патрубки для газа отделены друг от друга горизонтальной мембраной, на которой закреплены коаксиальные цилиндрические обечайки с кольцевыми шайбами, направляющие лопатки и камеры с жидкостью, при этом направляющие лопатки установлены между двух кольцевых шайб и с верхнего торца герметично соединены с камерой ввода жидкости, а с нижнего торца - с камерой вывода отработанной жидкости и шлама.

Указанный технический результат достигается также тем, что в кольцевых шайбах, образующих камеры ввода жидкости, выполнены отверстия для прохождения жидкости, а в камерах сбора отработанной жидкости и шлама установлен гидрозатвор с механизмом регулирования уровня.

Указанный технический результат достигается также тем, что механизм регулирования уровня жидкости в гидрозатворе выполнен в виде поплавка, жестко связанного с регулирующей иглой перепускного клапана.

При исследовании отличительных признаков описываемого устройства для мокрой очистки газа не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся разделения входного и выходного патрубков для очищаемого газа с помощью горизонтальной мембраны, на которой установлены коаксиальные полые обечайки с направляющими лопатками для газа и камерами для жидкости и шлама. А также не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся вывода отработанной жидкости шлама через гидравлические затворы в направлении, противоположном направлению движения входящего газа, как и того, что гидравлические затворы в выводных камерах оборудованы механизмами регулирования уровня жидкости.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой группы изобретений, как для объекта-способа, так и для объекта-устройства, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналогов для способа и устройства заявляемой группы, характеризующихся признаками, тождественными (идентичными) всем существенными признакам как способа, так и устройства заявляемой группы изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов-прототипов как для способа, так и для устройства наиболее близких по совокупности признаков аналогов позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, каждый объект группы изобретений соответствует условию “новизна”.

Для проверки каждого объекта заявляемой группы условию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный анализ известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявляемой группы. Результаты анализа показали, что каждый объект заявляемой группы изобретений не вытекает явным образом для специалиста из известного уровня техники, поскольку не вытекает из него логически и мог быть получен только при глубоком и всестороннем изучении вопроса. Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует требованию “изобретательский уровень” по действующему законодательству.

На фиг.1 изображен общий вид (в разрезе) устройства для мокрой очистки газа.

На фиг.2 изображено сечение устройства для мокрой очистки газа (сечение А-А на фиг.1).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявленной группы изобретений с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.

Заявленный способ мокрой очистки газа предусматривает тепломассообмен газа с жидкостью. В качестве жидкости используют, преимущественно, обычную техническую или другую аналогичную ей воду, которую вводят в процесс очистки самотеком или под небольшим избыточным давлением. При этом в процессе ввода вода доводится до требуемых параметров (температуры, частоты и растворения в ней газа) обычным способом, например, с помощью отстоя, или забирается из любого технологического цикла, предусматривающего стабильность вышеприведенных параметров, например из системы питания котла. Целесообразно в процессе тепломассообмена воду поддерживать в состоянии, близком к исходному, т.е. не перегревать и не засаливать. Процесс смешения газа и жидкости осуществляют непосредственно на выходе газа из направляющих лопаток. При этом газ сам регулирует ее поступление в вихревой барботажный слой, т.к. при малой подаче жидкости вихревой слой не будет достигать края кольцевых шайб, и тем самым уменьшается слив жидкости, в то время как при большой подаче жидкости, напротив, увеличивается интенсивный слив жидкости, и, как следствие, прекращается ее всасывание. Газ, вовлекая жидкость во вращательное движение, разбивает ее на мелкие капли, которые в зависимости от своего размера движутся по соответствующей траектории внутри кольца. В то же время жидкость сама разбивает газ на мелкие пузырьки, которые распределяются в вихревом кольце в соответствии со своим объемом и движутся по кольцу вместе с каплями жидкости и одновременно всплывают, т.е. покидают вихревой слой, т.к. на них действует “Сила Архимеда”.

В процессе дробления жидкости микропузырьки газа очищаются как от инородных твердых и жидких тел, так и от легкорастворимых компонентов газа, например, от углекислоты, хлористого и фтористого водорода и других легко растворимых в воде газов. После прохождения вращающегося барботажного слоя пузырьки газа поворачиваются на 90 и направляются в отбойную камеру, из которой они через выводной патрубок выводятся наружу. При этом скопившиеся на поверхности вращающихся колец жидкости инородные частицы, теряя свою тангенциальную скорость, будут опускаться в противоположном направлении и собираться в камерах сбора отработанной жидкости. Следует отметить, что целесообразно в потоке очищаемого газа устанавливать одновременно несколько вращающихся колец с жидкостью на одной горизонтальной плоскости, т.к. это, в конечном счете, способствует увеличению степени очистки газа и снижает коэффициент сопротивления при его движении, следовательно, при всех равных условиях способствует повышению производительности процесса очистки газа в целом. Целесообразно периодически накапливать инородные тела и отработанную жидкость и затем уже выводить через специальный гидразатвор - тем самым исключается проскок неочищенного газа в зону смешения, следовательно, возрастает степень его очистки.

Следует также отметить, что тангенциальная скорость и направление движения газа и жидкости в каждом вихревом барботажном слое, при их проекции на горизонтальную плоскость, могут совпадать или быть противоположными по направлению, и в каждом конкретном случае подлежат строгому расчету и экспериментальной проверке. При оптимальном значении соотношения объема газа с объемом жидкости, правильном выборе количества вращающихся колец и направлений их тангенциальных скоростей степень очистки газа данным способом высока, а энергетические затраты минимальны. В предлагаемом способе мокрой очистки газа степень орошения газа лежит в диапазоне 0,1-0,3 л/м³, а гидравлическое сопротивление выбирается в диапазоне 100-200 мм вод. ст. в зависимости от объема очищаемого газа и его загрязненности. Другим немаловажным фактором, влияющим на очистку газа является организация слива отработанной жидкости и выброс шлама. Удаляемый шлам представляет из себя скоагулированные частицы пыли, масла и кислот, легко прилипающих даже к гладкой поверхности. Поэтому целесообразно использовать специальную гидродинамику слива отработанной жидкости и вибрацию поверхности, на которую скоагулированные частицы оседают. В предлагаемом способе эти требования выполняются автоматически.

Для осуществления заявляемого способа мокрой очистки газа предлагается устройство для мокрой очистки газа. Данное устройство включает корпус 1 (фиг.1) с входным 2 и выходным 3 патрубками для очищаемого газа, а также канал 4 ввода жидкости и канал 5 для вывода жидкости и шлама. Внутри корпуса 1 установлена горизонтальная мембрана 6, на которой закреплены коаксиальные полые обечайки 7, 8, 9 с кольцевыми шайбами 10, 11, 12. Между кольцевыми шайбами 11, 12 установлены направляющие лопатки 13, при этом к ним с верхнего торца примыкают камеры 14 для ввода жидкости, а с нижнего торца - для вывода жидкости, а камеры 15 для вывода шлама и отработанной жидкости. В кольцевых шайбах 10, 11 предусмотрены отверстия 16 для жидкости, а камеры 15 выполнены в виде усеченных конусов и снаружи окружены камерами 17 для сбора отработанной жидкости. Камеры 15, 17 отделены друг от друга с помощью поплавков 18, которые подвижно закреплены на оси 19 и механически соединены с запорными клапанами 20. Запорные клапаны 20 установлены в торцах камер 17, и их закрытие осуществляется с помощью пружин 21.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Подвергаемый очистке газ через патрубок 2 (фиг.1) вводится в корпус 1 и попадает на направляющие лопатки 13 (фиг.2). Одновременно с подачей газа по каналу 4 (фиг.1) в корпус 12 вводится жидкость. Газ, пройдя направляющие лопатки 13, приобретает вращательное движение и увлекает во вращение за собой жидкость, которая под действием центробежного поля дробится на капли и отжимается на перемирию обечаек 8. При этом жидкость под воздействием центробежного поля не только дробится сама, но и дробит одновременно поток газа на мелкие пузырьки. Происходит интенсивное перемешивание пузырьков газа с капельками жидкости, в результате чего образуется устойчивое вихревое барботажное кольцо, заполненное мелкодисперсными пузырьками газа и капельками жидкости.

При этом, чем больше тангенциальная составляющая движения пузырьков газа, тем больше скорость витания капель жидкости внутри кольца и тем сильнее воздействие центробежного поля на вращающиеся инородные частицы. При дроблении до микронных размеров пузырьки газа не только освобождаются от всех инородных твердых и жидких частиц, но и сами частично растворяются в жидкости, химически взаимодействуя с ней. После прохождения вращающегося барботажного слоя пузырьки газа поворачиваются на 90 и направляются во внутренние полые обечайки 9, в которых они окончательно освобождаются от жидкости и, теряя тангенциальную составляющую своей скорости, вновь объединяются в единый поток газа и через патрубок 3 выводятся из устройства. При этом часть капель жидкости, адсорбированная в виде пленки внутри поверхности обечайки 9, сразу опускается по ее поверхности в вихревые барботажные кольца, а другая часть пленки жидкости движется вместе с потоком пузырьков газа вверх и, также теряя свою тангенциальную скорость, попадает на кольцевые шайбы 10, откуда она затем через отверстия 16 и камеры 14 самотеком возвращается в вихревые барботажные кольца. В это время освобожденные инородные частички (шлам) скапливаются на поверхности кольцевой шайбы 12, где, теряя скорость витания, с частью жидкости попадают в камеры 15 и далее в камеры 17. После достижения определенного уровня жидкости и шлама в камерах 15, 17 поплавки 18 всплывают и открывают перепускные клапаны 20. Часть шлама и жидкости покидает камеры 17 и направляется через канал 5 в отстойник (на чертежах условно не показан). После слива части жидкости со шламом из камер 17 поплавки 18 под действием пружин 21 вновь возвращаются в исходное положение и закрывают перепускные клапаны 20. Таким образом, поплавки 18 позволяют периодически накапливать шлам в камерах 15, 17 и автоматически сбрасывать его при достижении соответствующего уровня жидкости. Частота вибраций и выброса шлама зависит от степени загрязнения очищаемого газа и удельного орошения. С увеличением количества орошаемой жидкости частота срабатывания клапанов 20 возрастает и шлам не успевает накапливаться. В то же время, как при малых расходах орошаемой жидкости, автоматически увеличивается амплитуда вибрации клапана 20 и соответственно гарантируется вывод шлама из камер 15, 17. Следует отметить, что при малой степени орошения газа и его большой загрязненности частоту колебаний можно регулировать с помощью электромагнита.

Технический эффект от использования предложенной группы изобретений состоит в следующем.

Предложенный способ мокрой очистки газа существенно повышает эффективность очистки газа и не требует больших затрат при реализации. Его можно применить как для малых потоков газа, так и для больших (более ста тысяч метров кубических газа в час). При этом количество орошаемой жидкости остается на минимальном уровне для таких процессов очистки (не превышает одной десятой литра воды на метр кубический газа). Очищать данным способом можно любые потоки газа, в том числе и высокоэнтальпийные с большим процентным содержанием углекислоты и других вредных для человека веществ.

Предложенное устройство для мокрой очистки газа несложно в изготовлении и надежно в эксплуатации. Для его реализации не требуются ни дорогостоящие материалы, ни наукоемкие технологии. Эти устройства могут изготовляться на любом машиностроительном предприятии по традиционной технологии. При этом сборка и установка устройств может производиться как на предприятии изготовителе, так и непосредственно на объектах использователя без каких-либо затруднений. К тому же эти устройства могут быть легко секционированы и унифицированы для широкого круга установок, включая котельные агрегаты для производства электроэнергии, тепла и горячей воды.

Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемой группы изобретений выполнена следующая совокупность условий:

- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно в области энергетики, в частности для производства оборудования для очистки газа, и допускают эксплуатацию этого оборудования в самых жестких условиях, включая использование в химической промышленности как при производстве, так и при уничтожении токсичных и вредных для человека веществ;

- для заявляемой группы изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах изложенной формулы изобретений, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Преимущество заявляемой группы изобретений состоит в том, что использование упрощенного способа мокрой очистки газа, как и изготовление его устройства по упрощенной технологии, существенно снижает все виды затрат, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокую степень очистки и высокую эффективность в сочетании с высокой надежностью.

Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условию “промышленная применимость” по действующему законодательству.

Источники информации

1. Описание изобретения к патенту СССР №1648538, МПК B 01 D 47/00 от 15.05.1991 г.

2. Описание изобретения к патенту СССР SU №1820857 A3, МПК B 01 D 53/18 от 12.10.1992 г.

3. Описание изобретения к патенту СССР SU №1805908 A3, МПК А 47 L 9/18 от 30.03.1993 г.