CN108884999B - 用于减少家用供暖设备的有害排放物的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于减少从家用供暖设备(例如颗粒炉、燃油炉和燃木炉、或燃气锅炉)排放至大气的有害排放物，并且用于减少来自家庭和商业用途的燃木烤箱的排放物以及来自工业设备和大型船舶的排放物的装置和相关方法。

Description

用于减少家用供暖设备的有害排放物的装置

技术领域

本发明涉及一种不但用于减少从家用供暖设备(例如颗粒炉、燃油炉和燃木炉、或燃气锅炉)排放至大气的有害排放物，而且用于减少来自家庭和商业用途的燃木烤箱的排放物以及来自工业设备和大型船舶的排放物的装置和相关方法，因此本发明在这些设备的领域中得到应用。

背景技术

目前全世界正经历一段极大的环境危机，这主要是由于现代生活强加给我们的需求，消费和随之而来的工业生产的增加，对供暖手段的轻率使用以及车辆交通的增加。同时，在公众舆论和近年来新近形成的环境保护协会的压力下，国际组织向地方政府提出了旨在限制由污染造成的损害，特别是今后减少污染原因的各种倡议。不幸的是，这些倡议通常会产生温和的补救措施，例如交替使用机动车辆，其仅仅具有权宜和表面效果，而城市继续受到严重的空气污染问题的困扰，对人类健康带来的不仅仅是危害性后果。

家用供暖手段以及用于第三产业和贸易产业的供暖设备代表污染的重要来源，就有害排放物而言，与运输产业或工业生产相当。即使到目前为止，至少在运输产业，已经实施了国家和欧洲共同体法规，通过欧洲车辆分类建立对大气排放的限制，但是对于家用排放，没有采取显著的环境措施。这可能是由于缺乏关于此类排放的信息，以及由于难以登记在某一领土上的炉灶和锅炉的数量；还不知道污染物(例如来自家用燃油锅炉或木柴炉的污染物)排放对环境的实际影响，因此到目前为止尚未采取具体有效的措施。除此之外，既有经济原因也有心理原因，引导了对一种供暖系统而非另一种的选择：事实证明，从壁炉或从颗粒炉(pellet stove)或木柴炉中排放至大气的微粒排放量远远高于燃气或天然气锅炉的排放量，甚至高于燃油供暖设备的排放量，但近年来木材或颗粒(pellet)供暖设备已经找到了热情的支持者，这种供暖设备经历了一定的扩张。此外，木材或颗粒供暖被认为是一种便宜类型的供暖方式，选择这种供暖设备而非另一种只是出于经济原因的驱动，因此这些供暖系统通常没有过滤器或专用的燃烧室，过滤器或专用燃烧室可以用于产生较少量的微粒，但它们由于更昂贵而被弃用。结果是，壁炉或颗粒炉排放至大气中的微粒排放量远远高于通常所认为的微粒排放量；据估计，例如，单个颗粒炉排放至大气中的微粒数量相当于350个天然气锅炉产生的微粒数量。

微粒物或PM在设备排放物的所有污染物中被认为是对空气质量产生较大的负面影响一种污染物，特别是在城市中汽车尾气也产生了微粒物。该术语“微粒物”通常表示悬浮在空气中并由金属、二氧化硅、碳微粒等组成的物质、液体和固体，其直径在几纳米至500微米或更大之间变化。对人类健康特别危险的是称为PM10的微粒组分，其由直径小于10微米的微粒组成，因为尺寸如此小，所以一旦被人吸入，会根据其大小到达深呼吸道，甚至到达肺泡壁，这对呼吸系统和心血管系统具有或多或少有害影响，甚至决定肿瘤及其他严重疾病的发生。

除了微粒排放之外，生物质的燃烧，特别是木材的燃烧，会产生大量的有机化合物和氮氧化物，从而产生对健康刺激有害的排放物，还促成大气中CO₂含量的增加，目前已无法通过森林来平衡了。这种气体排放物是对全球变暖和地球周围臭氧层枯竭负有责任的温室气体，因此它从所有影响来看都是危险的环境污染物。

甚至大型船舶的废气也被认为是商业港口和旅游港口的空气污染的主要来源；由于它们含有近10％的硫，这些废气也会导致酸雨，从而毁坏农作物和建筑物。

CH676436公开了一种处理家用设备和工业设备排出的气体的方法。

由于上述原因，人们强烈感受到来自家用或商用设备的污染排放问题，特别是微粒材料和CO₂排放问题。然而，迄今为止仍未解决该技术问题：提供有效减少这种排放的装置，而没有继发缺点或对设备产生限制。

发明内容

本发明的范围是提供一种用于减少来自家用供暖设备和商用燃木烤箱出口的有害排放物的装置，其特别是用于减少排放物中的微粒和二氧化碳，具有高效减排因此有助于减少这种设备造成的空气污染。

本发明的另一个范围是提供一种上述类型的装置，该装置可以容易地安装在任何种类设备的烟道中，而不会削弱它们的效率或在设备本身的操作中引起其它缺点。

本发明的又一个范围是提供一种上述类型的装置，该装置能够在内部积聚有害排放物并且可以容易地再生，从而随着时间的推移保持高效的减排。

本发明的又一个范围是提供一种用于减少来自家用供暖设备和商用燃木烤箱的有害排放物有效的方法，该方法包括在排放到大气之前处理来自设备的气体。

本发明的又一个范围是提供一种有效地减少来自工业设备和大型船舶的有害排放物的装置和方法，包括在它们的废气进入大气之前处理废气。

这些范围通过根据本发明的装置和方法实现，其基本特征分别在本文所附的独立权利要求中限定。

其他重要特征包括在从属权利要求中。

附图说明

参考附图，本发明的装置的特征和优点将从以下对其实施例的示例性、非限制性描述中变得明显，其中：

-图1示出了第一实施例中的本发明的装置的局部分解的前视图；

-图2是图1的装置的内部结构(a部分)和元件外部容器(b部分)的前视图；

-图3是第二实施例中的本发明的装置的前视图；

-图4示出了图1或图3的装置中的内部结构的元件的纵截面图，该元件在下文中表示为“微穿孔元件”。

具体实施方式

参考附图，本发明的用于处理来自家用供暖设备和商用烤箱的废气排放物的装置包括管状容器1，其具有基本上圆柱形的形状并且设有至少两个孔，一个孔位于装置的中心部分且用于待处理的废气的入口，该废气穿过专用入口管道E，并且另一孔位于装置的上部且用于处理过的废气的出口，该废气穿过专用出口管道U。

具体参考图1和2，容器1的模块结构在其优选实施例中示出(特别参见图2，b部分)，其由三个分开的部分11、12和13形成；通常，容器1由至少两个分开的部分组成，通过在下文中将更好地描述的支撑法兰而彼此连接，以便于装置的维护和内部结构可能需要的修理操作。

图2a示出了本发明的装置的第一实施例，该装置特别适用于处理来自炉灶和锅炉的排放物，其中，待处理的废气从管道E被引导至第一穿孔元件3的阵列中，第一穿孔元件3具有例如基本上平行六面体的形状，并且在垂直于容器1的纵向轴线的平面上以放射状图案定位，并且设置在容器1的下部，例如参照图2b在容器的部分11处。第一微穿孔元件3定位在内圆柱表面4上，第一微穿孔元件通过内圆柱表面与装置内部流体连通，待处理的排放物到达装置内部。通过元件3及其微穿孔表面，废气然后排出在外部容器的部分11和内圆柱表面4之间形成的间隙中。在容器的该部分11中，所包含的吸收溶液的量使得第一穿孔元件3的阵列保持完全浸没在该溶液中，气体则通过在溶液内产生气泡而逸出；因此，在本说明书中，元件3的阵列有时被称为“起泡器”。有利地，吸收溶液的水平超过例如高为5-10cm的元件3的阵列的高度，从而确保它们完全浸没在溶液中。

在本发明中，“吸收溶液”表示任何液体物质或溶液，它适用于减少废气中存在的有害物质，特别是微粒物和二氧化碳；优选地，“吸收溶液”表示浓缩乙二醇水溶液，更优选50％的乙二醇水溶液。这些乙二醇水溶液也已经广泛用于汽车工业，特别是在内燃机、燃料和洗涤汽车玻璃的液体罐中用作防冻液体添加剂。事实上，乙二醇会引发水的冰点降低和沸点升高，即分别使该溶液在-38℃凝固且在+108℃沸腾，因此溶液在很大的温度范围内(还包括最极端天气条件下的温度)保持液态，从中可以获得作为防冻添加剂或内燃机中散热器的冷却液的用途。此外，根据本发明的乙二醇水溶液可以包含用于减少废气中有害物质的其他试剂，例如一种或多种氧化剂。

本发明的气体起泡器的结构参考其特定实施例更详细地示出在图4中，图4示出了单个元件3的结构。待处理的气体排放物从管道E进入元件3，气体排放物从元件3通过其表面上的孔排出。根据本发明的装置的优选实施例，元件3具有定位在其仅一个表面上的孔，该表面面向表面4和容器的部分11之间的间隙；事实上，以这种方式，气体从气体起泡器中排出，使气泡与吸收溶液接触的停留时间最大化。这尤其可以从图4中看出，其中数字31表示元件3的穿孔表面。仍然参考图4，示出了特定实施例，其中元件具有这样的内部结构，即进入管道E、直接或借助于收集容器而通过入口孔33的气体通过弯曲管道32被引导至穿孔表面31。

根据本发明的优选实施例，气体起泡器的元件3中的孔还具有这样的尺寸，使得从它们朝向溶液排出的气流被细分，产生微气泡，并且通常这些孔的直径在0.7毫米和5.0毫米之间，优选等于约3.5毫米。由于气泡和溶液本身之间的较宽接触表面，本发明的装置的这种优选特征允许在所有其他条件相同时最大化在吸收溶液中处理气体的效率；此外，允许在容器内部气泡更容易地上升，从而有利于气泡逸出。

因此，吸收溶液内的处理过的气体的微气泡在容器1内部朝着第二穿孔元件5的阵列向上移动，第二穿孔元件5例如为基本上平行六面体的形状，并且在垂直于容器1的纵向轴线的平面上以放射状图案定位，并且在吸收溶液上方设置在容器1的上部，例如参考图2的部分13。由于容器1的部分的支撑法兰上的孔，气体可以在容器内部向上移动；参考图2a，孔在法兰6上是可见的，该法兰6结合容器1的部分11和12，并且在法兰7上也是可见的，该法兰7结合相同容器的部分12和13。来自法兰7上的孔的气体可以通过元件5内的微穿孔表面进入，与元件5倚靠的圆柱形表面8的内部流体连通，并且通过它们朝向出口管道U引导。

第二微穿孔元件5的阵列实际上直接或通过收集元件与处理过的废气的出口管道U连通，该收集元件使第二元件5与出口管道U连通。如同对于上述气体起泡器和第一元件3，对于第二穿孔元件5的阵列，在优选实施例中，孔具有上文针对第一元件3所记载的尺寸和/或孔仅位于第二元件5的、面向表面8和容器的部分13之间的间隙的表面上。

根据本发明的特定实施例，在容器1的位于第一微穿孔元件3的阵列和第二微穿孔元件5的阵列中间的一部分中，本装置还可以包括用于从离开装置的废气流的动力产生电能的模块，例如通过连接至逆变器的水电涡轮机。

有利地，上述用于产生能量的模块是可移除的模块，其可以根据使用本装置的需要而相对容易地安装或卸载。

具体参考本文所附的图3，其中描述了本发明的装置的第二实施例，特别适用于处理来自商用烤箱和壁炉的排放物，其中待处理的排放物从装置底部上的入口管道E被迫通过如上所述的吸收溶液，该吸收溶液包含在表面4的管状部分中，第一微穿孔元件3以放射状图案定位在该管状部分上，第一微穿孔元件3具有如上针对图2a的装置所述的构造和位置。在第一微穿孔元件3的出口处，处理过的气体在容器1内部向上移动，通过法兰7中的孔，到达管状表面8上以放射状图案定位的第二微穿孔元件5，通过第二微穿孔元件5的微穿孔表面进入管状表面8内部，在那儿气体从出口管道U逸出。图3所示的本发明的装置的内部结构也设置在容器1内，容器1优选地为模块结构，如图2b所示和如上所述。

从管道U排出的气体可以被直接引导至外面以排放到空气中，或者优选地，它被引导到容器1外部的专用罐中，该罐包含合适的过滤器，用于捕获从气体起泡器的捕获中逃逸的可能未燃尽的微粒，例如活性碳过滤器。有利地，该罐可以打开以在达到饱和时更换过滤器。

本装置还可以包括用于再生吸收溶液的系统，该吸收溶液积聚了来自废气排放物处理的微粒物。该系统包括例如在图1、图2和图3中可见的罐9，用于使吸收溶液从容器1的底部再生，该罐9包括适于从积聚的微粒中净化溶液的专用过滤器以及用于冷却溶液的手段。有利地，该过滤器也可以在达到饱和时从外部容易地更换。如此再生和冷却的溶液可以通过再循环泵和专用管道而被带回容器1内。在该系统中，可以提供一个或多个阀，旨在协助和控制待再生溶液接近过滤器以及再生溶液进入容器1。根据本发明的装置的优选实施例，带有过滤器的这个罐由透明材料制成，从而允许直接和立即可视地控制过滤器的耗尽。

根据本发明装置的优选实施例，该装置还可以包括附加的罐，在该罐内部设有用于收集冷凝物的专用过滤器，以便收集由向上朝着出口移动的气泡拖带的吸收溶液。当存在该附加罐时，它优选地设置在容器1的中间部分处且在吸收溶液的最高水平之上，并且它提供有用于将液体冷凝物转移回容器1内的管10，使得冷凝物可以再次用于排放物的处理。

在容器1上，在更容易从外部到达的位置处，可以提供带有密封塞的开口，用于在证明必要时重新填充吸收溶液。

在气体起泡器和用于曾经处理过的气体的出口的第二穿孔元件5的阵列之间的中间区域，本发明的装置1还包括用于分隔空间的一个或多个壁，特别是用于分隔容器的部分11和12，使得气体排放物可以仅通过法兰中的孔在容器1内部上升，并且使得防止吸收溶液向上流动。

由于本发明装置的特殊内部结构，特别是由于上述分隔壁，气泡通过穿过容器下部中的吸收溶液而受到处理，然后向上通过由分隔壁形成的小室，直到容器上部中的出口；这种情况特别容易使气泡向上移动，被携带且引导至出口，而且没有吸收溶液溢到外面的风险，这是由于分隔壁的存在也给予其稳定性。

本发明的装置可以制造成具有与附图所示的形状和尺寸不同的形状和尺寸，这取决于装置待安装在其上的烟道。本发明的装置还可以安装在工业设备中，并且可以用于造船工业以安装在大型船舶的排气系统上，并且在这些情况下它也是用于减少有害排放物的有效系统，对环境和人类健康具有重大益处。

根据本装置的优选实施例，它还包括传感器手段，其适于检测气体起泡器内的吸收溶液的水平和/或饱和度，并适于将这些数据传信至连接到故障传信系统的电子控制单元，该故障传信系统从装置外部是可见的。由于这些传感器手段，当溶液和/或外部过滤器需要维护服务时，可以实时通知用户。在本装置中可以包括其他的传感器手段，用于检测出口气体的收集罐中的过滤器的饱和度和/或用于再生吸收溶液的过滤器的饱和度。同样在这种情况下，检测到的数据可以通过专用电子系统被传信到容器外部的显示器上。

本发明的装置还可以包括用于通过所安装的探针测量容器内温度的传感器手段，该探针能够检测容器内的温度。

在实验中，观察到本发明的装置在减少有害物质，特别是微粒物方面具有高效率，而不需要例如升高温度，而是在正常压力和温度条件下工作。因此，本发明的装置对与其连接的锅炉或炉灶的操作没有任何影响，或者对它们的消耗没有负面影响。除了减少微粒物外，本发明的吸收溶液还能够捕获由炉灶、锅炉和商业烤箱排放的高达50％的CO₂。如下面更详细描述的，实验上观察到在安装本发明装置之前和之后，对于相同车辆，在其上进行排气不透明度测量，排放物中的微粒显著减少。

本装置还可以用于减少来自使用任何燃料(包括木材、颗粒、燃气、燃油)的炉灶和锅炉的排放物中的有害物质。

本发明装置和本发明方法的第一个主要优点由以下事实代表：所用的吸收溶液可以是水溶液，并且通常可能使用的溶质，特别是乙二醇，是无污染的产品，对环境完全无害。因此，本发明装置不仅可以有效地减少大气中污染物的排放，而且不会给环境引入其他污染物。

本发明装置和方法的另一个优点由以下事实代表：吸收溶液可以在安装有装置的设备内以简单且环保的方式连续再生，也可以收集外部过滤器中积聚的微粒残留物，该外部过滤器一旦耗尽就可以轻松更换。

至此已经参考优选实施例描述了本发明。应该理解的是，可以存在源自相同的发明核心的其他实施例，该发明核心如给出的权利要求的保护范围所限定的。

Claims (12)

1.一种用于减少来自家用供暖设备和/或来自用于家庭和商业用途的燃木烤箱的废气中的有害排放物的装置，包括：基本上圆柱形的密闭容器(1)，所述容器(1)设有用于待处理废气的入口的至少一个管道(E)和用于处理过的废气的出口的管道(U)，在所述容器(1)内部定位有至少两个基本上圆柱形的部分，所述部分与所述容器(1)同轴，具有第一表面(4)和第二表面(8)，并且通过至少一个带孔的法兰(7)结合在一起，第一穿孔元件(3)的阵列和第二穿孔元件(5)的阵列分别以放射状图案定位在所述第一表面(4)和所述第二表面(8)上，所述第一穿孔元件(3)和所述第二穿孔元件(5)将具有所述第一表面(4)和所述第二表面(8)的内部部分与所述表面和所述容器(1)的内表面之间形成的间隙连通，使得待处理的废气通过在所述容器的下部中的所述第一穿孔元件(3)进入所述容器(1)内，通过所述至少一个法兰(7)的孔在所述间隙中向上移动，并且通过在所述容器的上部中的所述第二穿孔元件(5)离开，所述装置还包括吸收溶液，所述吸收溶液的量使得所述第一穿孔元件(3)完全浸没在溶液中，并且包括一个或多个分隔壁，所述分隔壁在所述容器的位于所述第一穿孔元件(3)的阵列和所述第二穿孔元件(5)的阵列之间的中间部分中，以防止所述阵列之间的直接流体连通。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述吸收溶液是浓缩乙二醇水性溶液。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，其中所述容器(1)中的所述吸收溶液的量使得所述第一穿孔元件(3)的阵列完全浸没在溶液中，所述吸收溶液的水平超过高为5-10厘米的所述第一穿孔元件(3)的高度。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，还包括传感器手段，用于检测和传信所述吸收溶液的水平和/或其饱和度。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一穿孔元件(3)和/或所述第二穿孔元件(5)具有仅位于面向在所述容器(1)中的所述间隙的表面上的孔。

6.根据权利要求1或5所述的装置，其中所述第一穿孔元件(3)和/或所述第二穿孔元件(5)设有直径范围在0.7和5.0mm之间的孔。

7.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，还包括模块，所述模块包括用于从所述容器(1)的、在所述第一穿孔元件(3)的阵列和所述第二穿孔元件(5)的阵列之间的一部分排出的气流动力中产生电能的手段。

8.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，还包括在所述容器(1)外部且在处理过的气体的所述出口下游的罐，所述罐设有能够捕获在处理后可能残留的任何未燃尽微粒的过滤器。

9.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，还包括在所述容器(1)外部且在处理过的气体的所述出口下游的罐，所述罐设有用于收集冷凝物的过滤器，所述过滤器能够收集可能由处理过的气体拖带的所述吸收溶液，并且所述罐设有能够将冷凝液体带回所述容器(1)内的管。

10.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，还包括用于冷却和再生所述吸收溶液的系统，其方式为：使溶液穿过冷却手段并且穿过能够截留积聚在溶液中的微粒的过滤器，然后将冷却和过滤后的溶液重新引入所述容器(1)内。

11.一种用于减少来自家用供暖设备和/或来自用于家庭和商业用途的燃木烤箱的废气中的有害排放物的方法，包括在来自所述设备和/或烤箱的废气排放至大气之前，通过利用权利要求1-10中任一项限定的装置中的吸收溶液来使气体起泡，从而处理废气。

12.根据权利要求11所述的方法，其中待利用溶液起泡的气体处于被细分的形式。

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