Устройство для обезвреживания газообразных отходов
Изобретение относится к области термической переработки газообразных отходов для обезвреживания вредных и/или имеющих неприятный запах газов. Оно может применяться в любой сфере деятельности, в процессе которой выделяются газообразные отходы. Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства обезвреживания газообразных отходов, обеспечивающей ее простотой и надежностью в эксплуатации, и в расширении функциональных возможностей устройства, позволяющих обезвреживать газообразные отходы от различных источников. Устройство для обезвреживания газообразных отходов содержит сборник газообразных отходов, соединенный через трубопровод с вентилятором, и вихревую противоточную горелку, имеющая завихритель, при этом вентилятор обеспечивает регулируемую подачу смеси воздуха и газообразных отходов из сборника газообразных отходов в завихритель, а к вихревой противоточной горелке подсоединено топливное устройство, обеспечивающее подачу в нее горючего топлива, смешивающегося внутри с поступающими из вентилятора газами перед их сжиганием. 4 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области термической переработки газообразных отходов для обезвреживания вредных и/или имеющих неприятный запах газов. Оно может применяться в любой сфере деятельности, в процессе которой выделяются газообразные отходы.
Из уровня техники известен котел-утилизатор для обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов, описанный в патенте на изобретение RU 2365818 С2, опубл. 27.08.2009, который был выбран в качестве прототипа. Котел-утилизатор содержит патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов. Котел-утилизатор снабжен системой обогащения дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов. Реактор дополнительно содержит циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерами сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой степени очистки дымовых газов от примесей, а также увеличение надежности работы котла-утилизатора и эффективности утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов.
Недостатком известного котла-утилизатора является громоздкость конструкции и сложность ее изготовления, определяющие стационарный характер исполнения устройства, а также его ограниченная область применения, т.к. он рассчитан только для утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов, использующихся например, в металлургической промышленности.
Технический результат заявленного изобретения заключается в упрощении конструкции устройства обезвреживания газообразных отходов, обеспечивающей ее простотой и надежностью в эксплуатации, и в расширении функциональных возможностей устройства, позволяющие обезвреживать газообразные отходы от различных источников.
Устройство обезвреживания газообразных отходов содержит сборник газообразных отходов, соединенный через трубопровод с вентилятором, и вихревую противоточную горелку, которая содержит завихритель, при этом вентилятор обеспечивает регулируемую подачу смеси воздуха и газообразных отходов из сборника газообразных отходов в завихритель, а к вихревой противоточной горелке подсоединено топливное устройство, обеспечивающее подачу в нее горючего топлива, смешивающегося внутри с поступающими из вентилятора газами перед их сжиганием.
Предложенная конструкция устройства обезвреживания газообразных отходов имеет простую конструкцию, что обеспечивает высокую надежность в эксплуатации из-за отсутствия дополнительных элементов для ее функционирования и позволяет применять устройство в различных сферах деятельности, будь то приготовление пищи или обработка газообразных продуктов в растениеводстве и животноводстве. Конструкция устройства легко поддается сборке/разборке и при необходимости ее можно легко перемещать на любое подходящее место, не привязываясь к конкретному месту.
Вихревая противоточная горелка содержит завихритель, через который поступают газы от вентилятора, образующий вихревой противоточный поток поступающих газов, смешивающийся с топливом внутри горелки.
За счет применения вихревого противоточного эффекта в вихревой противоточной горелке достигается хорошее перемешивание газообразных отходов (вредных газов) с окислителем (кислородом), поступающих в горелку от вентилятора, а в последующем их перемешивание с топливом из топливного устройства в камере горелке, образуя надежную и устойчивую зону горения, обеспечивающую на основе высокотемпературной переработки значительное обезвреживание газообразных отходов, приводя их к соответствующим экологическим нормам и устраняя неприятный запах.
Благодаря регулируемой подаче газов и топлива в вихревую противоточную горелку контролируется время пребывания и температура продуктов сгорания, определяющих производительность обработки газообразных отходов.
В качестве топлива, используемого в топливном устройстве, может применяться газообразное (например, метан или пропан) или жидкое (например, дизельное или керосин) высококалорийное топливо.
В одном из вариантов устройство обезвреживания газообразных отходов может содержать смеситель, в который поступают продукты сгорания из вихревой противоточной горелки для уменьшения их температуры до требуемого уровня путем разбавления с атмосферным воздухом от дополнительного вентилятора, подсоединенного к смесителю, для последующей подачи полученной тепловой энергии на определенные нужды, например, подогрев воды. В качестве такого смесителя может использоваться смеситель эжекционного типа.
Далее будет подробно описано заявленное изобретение с различными вариантами его исполнения.
Газообразные отходы, образующиеся при термической обработке продукции, включают не только угарный газ, вредные вещества, но и канцерогены, которые попадают в организм человека и меняют в нем структуру ДНК, увеличивая риск развития онкологических заболеваний. Выделяющийся дым/газ имеет специфический запах и цвет, не всегда приятен окружающим. Для уменьшения рисков заражения онкологическими заболеваниями и негативного воздействия таких газов на окружающих применяется технология их обезвреживания. На основе высокотемпературной переработки / сжигания всех компонентов дыма и газообразных отходов происходит значительное обезвреживание процесса приготовления пищи, переработки отходов растениеводства и животноводства. При этом продукты переработки становятся соответствующими экологическим нормам - предельно допустимым концентрациям вредных веществ в атмосфере, исчезает характерный запах дыма и пр.
Для этих целей предлагается устройство для обезвреживания газообразных отходов, содержащее сборник газообразных отходов, из которого поступившие газы вентилятором через трубопровод нагоняются в вихревую противоточную горелку, в которой они смешиваются с топливом из топливного устройства, подсоединенного к горелке, для последующего сжигания.
Заявленное устройство для обезвреживания газообразных отходов может быть использовано для обезвреживания дыма и запаха от установок, используемых в различных областях деятельности человека, например, при приготовлении пищи (мангал для гриля/ шашлыка), сушки и переработки отходов растениеводства/ животноводства или других органических отходов в случаях, когда температура смеси выделяющихся газов с подсасываемым воздухом не превышает 200-300 °С - для обеспечения возможности использования дымососного оборудования - сборника газообразных отходов и вентилятора, без ущерба к их функционированию. Также заявленное изобретение может быть использовано при утилизации углеводородных остатков продуктов термического разложения мягких тканей животных, птиц и рыб.
Сборник газообразных отходов обеспечивает «улавливание» поступающих для обработки газообразных отходов. Он изготавливается из различных материалов, имеющих стойкость к повышенным температурам. Внешний вид и форма его может быть также различными - прямоугольным, сферическим, конусообразным и т. д.
В одном из вариантов изобретения сборник газообразных отходов представляет собой пирамидальный короб из металлических листов, основанием располагающийся над источником газообразных отходов (например, над мангалом или над вентиляционным отверстием устройства сушки). В короб собираются не только выделяющиеся газы (дым и прочие газы), но и по периметру основания и/или через локальные места засасывается также «чистый» воздух из помещения или окружающей среды. Здесь и далее под термином «чистый» воздух» подразумевается воздушная смесь (воздух), содержащая кислород. В качестве локальных мест для подсоса чистого воздуха короб может быть оборудован заслонкой с регулируемым отверстием, засасывающий воздух, не содержащий газообразные отходы, например, сверху короба.
К сборнику газообразных отходов подсоединен трубопровод, который соединяет его с вентилятором. Вентилятор обеспечивает регулируемый процесс засасывания газов (газообразные отходы + воздух) через сборник газообразных отходов с последующим направлением их в вихревую противоточную горелку.
В вихревой противоточной горелке поступившие из вентилятора газы смешиваются с топливом, поступающим от топливного устройства, также подсоединенного к горелке. Образованная смесь подвергается воспламенению внутри вихревой противоточной горелки, в результате которого происходит термическая деструкция вредных газов, содержащихся в газообразных отходах.
Смешивание топлива с газами необходимо для более полного сжигания (термической деструкции) вредных газов. При этом наиболее эффективно этот процесс происходит в случае, если дым и воздух, содержащиеся в выходящихся от вентилятора газов, будут перемешаны между собой до смешения их с топливом.
Для выполнения указанных условий предлагается вихревая противоточная горелка, содержащая завихритель, обеспечивающий образование вихревого противоточного потока поступающих газов в виде вращательно-поступательного движения воздушного потока внутри горелки, в результате которого происходит смешение вредных газов с кислородом. В качестве завихрителя могут быть использованы завихритель улиточного типа или завихритель лопаточного типа.
В зависимости от оборотов работы вентилятора, регулируется скорость вращательно-поступательного движения вихревого потока внутри горелки.
Ниже показан принцип работы вихревой противоточной горелки при установке завихрителя улиточного типа.
Поступающие из вентилятора газы, представляющие собой смесь газообразных отходов и воздуха, направляются на вход канала в завихритель, который закручивает эту смесь, в результате чего совершают вращательно-поступательное движение в канале между корпусом и жаровой трубой горелки, обеспечивая перемешивание смеси и конвективное охлаждение обеих поверхностей до допустимого уровня температур (порядка 40-80 °С) в процессе работы горелки, достигнув выхода канала, газы поступают в жаровую трубу и двигаются в противоположном направлении, вращаясь вдоль периферии жаровой трубы и обеспечивая ее тепловую защиту от горячих продуктов сгорания внутри жаровой трубы. Достигнув закрытой стороны жаровой трубы, смесь газов смешивается с впрыскивающим форсункой топливом и попадает в зону стабилизации горения, где начинается процесс горения внутри центрального вихря, состоящего из продуктов сгорания топлива и подсасываемого воздуха и дыма из периферийного вихря. За счет сформированных вихревых структур внутри жаровой трубы обеспечивается устойчивая зона стабилизации, горения и перемешивания, характерна высокой эффективностью сжигания и обезвреживания дыма. В центральном вихре / зоне горения происходит нагрев и термический распад газообразных отходов в безопасные для здоровья элементы. В зависимости от скорости вращательного и поступательного движения периферийного и центрального вихрей меняется время пребывания газообразных отходов в зоне горения и их температура, тем самым изменяется качество процесса термической деструкции для многих типов газообразных отходов. Процесс окисления высококалорийного топлива завершается образованием продуктов сгорания, содержащих двуокись углерода СО2 и водяные пары Н2О, а также низкие и контролируемые концентрации вредных выбросов СО и NOx. Продукты сгорания с высокой температурой выбрасываются из горелки через сопло.
Для запуска процесса обезвреживания и воспламенения смеси газов и топлива вихревая противоточная камера сгорания содержит искровой воспламенитель.
Топливное устройство, подсоединяемое к вихревой противоточной горелке, может использовать газообразное или жидкое топливо. Топливным устройством могут быть различные устройства, известные в уровне технике, обеспечивающие подачу горючего топлива. Например, таким устройством может быть газовый баллон, содержащий метан/пропан, и имеющий топливную аппаратуру.
Топливное устройство имеет форсунку, расположенную в вихревой противоточной горелки, через которую подается, например, газообразное топливо в зону стабилизации пламени за счет избыточного давления в газовом баллоне или за счет топливного насоса высокого давления в случае использования жидкого топлива. Топливное устройство оснащено дозатором расхода и регулятором давления топлива, которые совместно с регулятором расхода воздуха вентилятора (обычно это частота вращения вентилятора - дымососа) обеспечивают требуемое соотношение воздух-топливо из условий необходимой температуры сжигания для термической деструкции газообразных отходов.
Для устойчивого горения (окисления) высококалорийного топлива, например, метана или пропана, газообразные отходы не должны превышать 20-30% по массе от массового расхода воздуха.
Подача топлива осуществляется в зависимости от соотношения расходов воздуха и топлива (так называемый коэффициент избытка воздуха относительно стехиометрического соотношения). Уникальность предлагаемой вихревой противоточной горелки заключается в очень широком диапазоне работы по коэффициенту избытка воздуха от 1 до 10, что позволяет устойчиво менять температуру процесса обезвреживания приблизительно от 700 до 1800 °С.
Для достижения необходимого коэффициента избытка воздуха устройство для обезвреживания газообразных отходов может содержать регулирующее дополнительную подачу воздуха устройство. Например, таким устройством может быть воздуховод с регулируемой заслонкой. Он располагается в местах, обеспечивающих доступ к воздуху, не содержащему газообразные отходы, присоединяясь к трубопроводу напрямую или через сборник газообразных отходов. Всасывание в него воздуха осуществляется вентилятором.
Также возможен вариант, в котором к вихревой противоточной горелке присоединен дополнительный вентилятор для подачи «чистого» воздуха, который подмешивается в завихритель горелки к смеси дыма и воздуха в случае предельно недопустимой концентрации дыма для образования требуемой горючей смеси топлива и воздуха (окислителя) и осуществления устойчивого горения. Подача такого воздуха также регулируется оборотами дополнительного вентилятора.
При малом поступлении объема газов из вентилятора(-ов) (при его низких оборотов работы) потребуется меньшее количества топлива для его переработки, при этом температура обработки будет уменьшена, а длительность нахождения продуктов сгорания в горелке увеличена. Дополнительно можно использовать завихритель с большей закруткой смеси воздух-дым для увеличения времени пребывания. Таким образом регулируется производительность и приспосабливаемость устройства обезвреживания для разных типов газообразных отходов.
Предлагаемая конструкция вихревой противоточной горелки обеспечивает широкий диапазон возможных температур сжигания - от 700 до 1800 °С за счет регулируемой подачи смеси воздуха и дыма и топлива через вентилятор и топливное устройство.
Благодаря изменению температуры регулируется производительность обработки газообразных отходов, что позволяет сэкономить расходы при наличии небольшого потока газообразных отходов.
1. Устройство для обезвреживания газообразных отходов, содержащее сборник газообразных отходов, соединенный через трубопровод с вентилятором, и вихревую противоточную горелку, которая содержит завихритель, при этом вентилятор обеспечивает регулируемую подачу смеси воздуха и газообразных отходов из сборника газообразных отходов в завихритель, а к вихревой противоточной горелке подсоединено топливное устройство, обеспечивающее подачу в нее горючего топлива, смешивающегося внутри с поступающими из вентилятора газами перед их сжиганием.
2. Устройство по п. 1, в котором к вихревой противоточной горелке подсоединен смеситель эжекционного типа, в который поступают продукты сгорания.
3. Устройство по п. 1, содержащее регулирующее дополнительную подачу воздуха устройство или дополнительный вентилятор, обеспечивающий подачу воздуха в завихритель.
4. Устройство по п. 1, в котором завихрителем является завихритель улиточного типа.
5. Устройство по п. 1, в котором в качестве горючего топлива используется газообразное или жидкое высококалорийное топливо.
