Пристрій для каталітичного очищення вентиляційних викидів від шкідливих домішок

Изобретение относится к конструкции устройств (термокаталитических реакторов) непрерывного действия для очистки вентиляционных выбросов химических, полиграфических, пищевых и иных предприятий от вредных примесей горючих органических веществ п утем их каталитического дожигания ("выжигания"). Термокаталитические реакторы на основе изобретения предназначены преимущественно для случаев, когда в вентиляционных выбросах (далее сокращенно - "вентвыбросах") содержатся коррозионноактивные вещества. Практика конструирования, изготовления и эксплуатации реакторов такого типа показала, что наряду с безусловным требованием высокой эффективности очистки вентвыбросов, оцениваемым по снижению концентрации примесей ниже ПДК (официально установленные предельно допустимые концентрации), расходы должны удовлетворять группе дополнительных трудносовместимых требований, а именно: они должны быть энергетически экономичными в эксплуатации (это требование становится все более актуальным на фоне роста мировых цен на энергоносители и энергию); они должны быть просты по конструкции и технологичны в изготовлении и эксплуатации (это требование становится все более актуальным в связи с ростом количества источников загрязнений атмосферы, ужесточением экологических нормативов и ростом цен на металл и другие материалы); они должны быть надежными в широком диапазоне видов примесей, особенно в случаях когда эти примеси обладают коррозионной активностью, и ремонтопригодными. Высокую эффективность очистки обычно стремятся достичь путем интенсификации взаимодействия частиц катализатора с очищаемым воздухом, составляющим основу вентвыбросов, и примесями в них, а энергетическую экономичность - путем внутренней рекуперации тепла, выделяющегося при дожигании примесей, а если их концентрация недостаточна для автотермического каталитического окисления, то и рекуперации тепла сжигания дополнительного топлива. Примером сочетания этих подходов может служить реактор для каталитической очистки вентвыбросов в псевдоожиженном слое катализатора по патенту США № 4251484. Этот реактор имеет проточный вертикальный корпус с газораспределительной решеткой, днище с патрубками для подачи подогретых очищаемых вентвыбросов под упомянутую решетку, окно над упомянутой решеткой для введения гранул катализатора в корпус, блок циклонов и фильтров - пылес-борников в верхней части корпуса для обеспыливания очищенных от токсичных примесей вентвыбросов и трубчатый рекуперативный теплообменник - подогреватель очищаемых газов, расположенный над газораспределительной решеткой и подключенный по входу к источнику вентвыбросов, а по вы ходу - к упомянутому патр убку в днище корпуса, и при необходимости - дополнительный источник тепла. Как видно из приведенного описания известного аппарата, интенсификация каталитической очистки псевдоожижением слоя катализатора в потоке очищаемого газа достигается ценой интенсивного механического износа катализатора и рекуперативного теплообменника-подогревателя, что снижает эксплуатационную надежность устройства для очистки и вынуждает увеличивать массу его отдельных частей и металлоемкость устройства в целом. Поэтому более предпочтительны устройства для очистки вентвыбросов от токсичных примесей дожиганием этих примесей в фиксированном слое катализатора. Из числа таких газоочистных аппаратов наиболее близко к заявляемому по конструкции и достигаемому эффекту устройство для каталитической очистки вентвыбросов ("термокаталитический реактор") по авт.св. СССР № 1223987. Устройство-прототип имеет: составной корпус с полой (цилиндрической или призматической) нижней частью и полой же насадкой, которые соединены между собой центральным каналом; патрубки для подачи вентвыбросов на очистку и вывода очищенных газов, присоединенные к корпусу; рекуперативный кожухотр убчатый теплообменник с поперечными перегородками, вход которого подключен к тракту подачи на очистку и нагрева холодных вентвыбросов, а выход - к тракту охлаждения и вывода очищенных газов из корпуса (указанный теплообменник встроен в нижнюю часть корпуса); регулируемую по расходу топлива струйн ую газовую горелку, установленную в центральном канале; кассету с гранулированным катализатором, закрепленную в насадке корпуса, охватывающую центральный канал и разделяющую полость насадки таким образом, что ее верхняя по отношению к кассете с катализатором часть сообщается с нагревательным трактом, а нижняя часть - с трактом охлаждения. Поскольку в описанном устройстве движутся лишь потоки газов и тепловой энергии, поскольку оно может быть менее металлоемким в большинстве своих частей и более надежным, чем ранее описанное устройство, пока в очищаемых вентвыбросах практически отсутствуют коррозионно-активные примеси. Если же эти примеси являются обычным компонентом вентвыбросов, то не исключены локальные разрушения некоторых труб кожухотр убчатого теплообменника. Следствием такого разрушения независимо от его локализации будет смешивание потоков очищаемого и очищенного газа и частичный выброс вредных (обычно токсичных) примесей в окружающую среду, который будет тем значительнее, чем больше площадь образовавшегося дефекта. Однако снижение надежности описанного устройства и, особенно, рост металлоемкости могут быть обусловлены не только отмеченной причиной. Действительно, для каталитического дожигания токсичных примесей могут быть использованы катализаторы, работающие при разных температурах в интервале от 200 (473 К) до 700°С (993 К), преимущественно 300-600°С (573-873 К). Очевидно, что чем выше температура дожигания, тем интенсивнее тепловые потоки через стенки труб в кожухо трубча том теплообменнике. Поскольку коэффициенты теплоотдачи от газа к металлу и от металла к газу весьма малы, постольку приходится увеличивать поверхность теплообмена, т.е. габариты и массу теплообменника. Соответственно, при наличии в очищаемых вентвыбросах коррозионно-активных примесей возрастает и вероятность появления сквозных дефектов в стенках труб. . В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для каталитической очистки вентвыбросов от вредных примесей, в котором в результате изменения выполнения корпуса, рекуперативного теплообменника и горелки, а также относительного расположения горелки и глухой перегородки обеспечивается уменьшение аэродинамического сопротивления и удельной металлоемкости и за счет этого снижение капитальных и энергозатрат. Поставленная задача решена тем, что в устройстве для каталитической очистки вентиляционных выбросов от вредных примесей, имеющем корпус с патрубками для подачи вентвыбросов на очистку и вывода очищенных газов, рекуперативный теплообменник, включенных в тракты подачи вентвыбросов на нагрев и очистку и охлаждения после очистки и вывода очищенных газов, регулируемую по расходу топлива газовую горелку и кассету с гранулированным катализатором, последовательно установленные на выходе из тракта нагрева вентвыбросов, согласно изобретению, корпус выполнен в виде осесимметричного тела, состоящего из зеркально симметричных крышки и днища, периферийной, выступающей за их контуры полой вставки между ними, в которой с зазором сверху и снизу размещена кассета с катализатором, и глухой перегородки, расположенной на уровне плоскости зеркальной симметрии крышки и днища, рекуперативный теплообменник выполнен в виде трубчатых термосифонов, закрелленных в указанной глухой перегородке, а горелка выполнена осесим-метричной и расположена между последним, считая от оси симметрии корпуса, рядом трубчаты х термосифонов и боковой стенкой кассеты с катализатором. Указанные форма и взаимораспределение частей устройства для каталитической очистки вентвыбросов не следуют явным образом из уровня техники. При этом именно заявляемая совокупность признаков обеспечивает повышение надежности, снижение удельной материалоемкости и улучшение ремонтопр годности. Действительно, для проскока части неочищенных вентвыбросов в атмосферу необходимо одновременное разрушение какого-либо термосифона выше и ниже уровня глухой перегородки, тогда как в прототипе для аварии было достаточно нарушений герметичности какой-либо трубы в любом месте. Далее, термосифоны являются значительно более мощными средствами направленной теплопередачи, чем кожухотр убчатые теплообменники, и поэтому даже при использовании высокотемпературных катализаторов и, соответственно, существенном перепаде температур между верхней и нижней полостями корпуса, удельная масса теплопередающих элементов и аппарата в целом будет меньше, чем у прототипа и аналога. Первое дополнительное отличие заключается в том, что корпус выполнен в виде осесимметричного тела вращения с коническими крышками и днищем и цилиндрической вставкой между ними, При такой форме выполнения корпуса распределение газовых потоков в его полостях "автоматически" оказывается наиболее равномерным. Второе дополнительное отличие состоит в том, что корпус выполнен в виде осесимметричного правильного многогранника с крышкой и днищем в форме усеченных пирамид и призматической вставкой между ними с числом граней в каждой из упомянуты х частей не менее трех. При такой форме выполнения корпуса и, соответственно, горелки устройство для каталитической очистки вентвыбросов оказывается наиболее технологичным в изготовлении. Третье дополнительное отличие заключается в том, что газовая горелка расположена над глухой перегородкой, а четвертое - в том, что она расположена под глухой перегородкой. В первом случае облегчается разогрев катализатора при запуске устройства, а во втором уменьшается опасность отравления катализатора случайными ядами, которые могут присутствовать в используемом дополнительном топливе, и создается возможность -использования дополнительного топлива разных видов, включая, в частности, жидкое или смесь жидкого и газового. На фиг,1 изображено предлагаемое устройство, общий вид, продольный разрез; на фиг.2 - разрез по А-А с фиг.1 (для варианта "тело вращения"); на фиг.3 - разрез по А-А с фиг.1 (для варианта "правильный многогранник"); на фиг.4 - схема закрепления тепловой трубы в глухой перегородке корпуса; на фиг.5 - схема расположения горелки под глухой перегородкой. Предлагаемое устройство для каталитической очистки вентвыбросов от вредных примесей независимо от конкретной формы выполнения имеет (фиг.1): составной осесимметричный корпус, содержащий коническую или пирамидальную крышку 1 с центральным входным патрубком 2 для подачи вентвыбросов на нагрев и очистку, коническое или пирамидальное зеркально симметричное крышке I днище 3, переходящее в центральный газовыпускной канал 4 с преимущественно боковым газовыпускным патрубком 5, и цилиндрическую или призматическую полую вставк у 6, расположенную между крышкой 1 и днищем 3 и выступающую за их контуры; цилиндрическую или призматическую кассету 7 для гранулированного катализатора, имеющую плотные внешнюю и внутреннюю боковые стенки и сетчатые верхнюю и нижнюю части и жестко связанную с боковой стенкой вставки 6; глухую перегородку 8, расположенную внутри корпуса на уровне плоскости симметрии крышки 1 и днища 3 и герметично состыкованную по периметру с вн утренней боковой стенкой кассеты 7; рекуперативный теплообменник, выполненный в виде осесимметрично закрепленных в глухой перегородке 8 трубчатых термосифонов 9 последовательно уменьшающихся по длине в направлении от оси симметрии корпуса к его периферии; преимущественно модульную струйную газовую горелку 10, расположенную над глухой перегородкой 8 (фиг.1) или под нею (фиг.5) между последним, считая от оси симметрии корпуса, рядом трубчатых термосифонов и внутренней боковой стенкой кассеты 7 с катализатором. Стенка газовыпускного канала 4 служит опорным элементом для установки устройства на фундаментной плите 11, которая может быть установлена (и заанкерена) на грунт, как показано на фиг.1, или на промежуточную, не показанную на чертеже, опорную металлоконструкцию. Горелка 10 подключена кольцевым коллектором с патрубком 12 к источнику горючего (как правило, природного) газа. Для случая расположения горелки 10 под глухой перегородкой 8, как это показано на фиг.5, система подачи топлива может быть дополнена, например, коллектором для подачи жидкого горючего и форсунками, что не показано специально на чертежах в силу широкой известности частных те хнических решений такого типа. Важно лишь, что во всех случаях конструкция конкретной горелки должна оставаться осесимметричной и давать равномерный факел, соответствующий по длине внутреннему периметру кассеты 7 с катализатором. Как было косвенно указано выше, корпус может быть выполнен либо в виде осесимметричного тела вращения (фиг.2), либо в виде осесимметричного правильного многогранника (фиг.3) с соответствующими им по форме секционированной или цельной кассетой 7 для катализатора и секционированной составленной из модулей горелкой 10. При выполнении корпуса в виде составного (усеченная пирамида - призма - усеченная пирамида) правильного многогранника допустимо использовать не менее трех граней в каждой из частей, но преимущественно следует использовать шестигранные крышку 1, днище 3 и вставк у 7. Трубчатые термосифоны (фиг.4) целесообразно иметь оребренными и закреплять в глухой перегородке 8 во втулках 13 с помощью подходящих термоизолирующих и уплотняющи х материалов, в частности, с помощью обмотки из асбестового шнура 14. Плотная насадка на шнуре 14 вполне достаточна для удержания термосифонов 9 во втулках 13 и для предотвращения перетекания неочищенных вентвыбросов в выходной канал 4. Вентвыбросы очищают от примесей с помощью описанного устройства следующим образом. При запуске устройства через патрубок 2 подают от не показанной на чертежах воздуходувки чистый воздух, а на горелку 10 - топливо с расходом, достаточным для прогрева катализатора до температуры инициирования каталитической реакции окисления вредных примесей (эта температура может быть разной для разных типов и комбинаций примесей и разных по составу катализаторов, однако в любом случае она легко определяется по справочным данным или в ходе лабораторного эксперимента). В случае, когда горелка 10 расположена, как показано на фиг,1, над глухой перегородкой 8 перед кассетой 7 с катализатором, теплоносителем для его нагрева служит смесь продуктов сгорания с воздухом, температура которого перед подачей на горелку 10 постепенно возрастает до заданного уровня, вследствие "перекачки" тепла термосифонами 9 из тракта охлаждения и выпуска газов в тракт подачи вентвыбросов на нагрев и очистку. В случае же, когда горелка 10, как показано на фиг.5, расположена над глухой перегородкой 8 после кассеты 9 с катализатором, теплоносителем для нагрева катализатора до рабочей температуры служит только воздух, постоянно нагреваемый верхними частями термосифонов 9 до требуемой температуры за счет тепла продуктов сгорания, омывающих (в смеси с воздухом) нижние части термосифонов 9. После достижения рабочей температуры в слое катализатора воздуходувку переключают на подачу загрязненных вентвыбросов, которые, нагреваясь в контакте с верхними частями термосифонов 9 и факелом горелки, используются в качестве окислителя для поддержания факела на горелке 10. Смесь продуктов сгорания топливного газа и обедненных кислородом вентвыбросов поступает на кассету 7 с катализатором, где происходит выжигание вредных примесей. При этом расход топливного газа уменьшают с учетом концентрации указанных примесей. В стационарном режиме суммарное тепло окислительных реакций в пламени горелки 10 и в слое катализатора утилизируется в рекуперативном теплообменнике, а очищенные вентвыбросы удаляются в атмосферу через канал 4 и патрубок 5. При локальном разрушении какого-либо из трубчаты х термосифонов (а также разрушение возможно, как правило, в их верхней части над перегородкой 8, поскольку именно в этой зоне - перед очисткой присутствуют коррозионно-активные примеси) к потоку выходящи х из устройства газов могут примешиваться пары теплоносителя (обычно воды), что не отразится на качестве очистки. Даже при использовании для заполнения термосифонов 9, которые работают в разных температурных условиях (более напряженных в пери серийной части рекуперативного теплообменника), разных теплоносителей, в том числе высококипящих органических веществ, их пары при разрушении верхних частей термосифонов будут дожигаться на катализаторе. Тем самым достигается повышение надежности и ремонтопригодности устройства при стабильном качестве обезвреживания вентвыбросов.