RU2748056C1

RU2748056C1 - Greenhouse with full utilization of waste gases

Info

Publication number: RU2748056C1
Application number: RU2020130908A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов; Сергей Геннадьевич Емельянов
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2021-05-19

Abstract

FIELD: power engineering and agriculture.

SUBSTANCE: proposed invention relates to heat and power engineering and agriculture, in particular to a greenhouse with full utilization of waste gases, containing a treatment zone connected to a transit gas duct and consisting of a fan, an oxidation chamber connected in series through an exhaust gas duct, an oxidation chamber connected to an ozonator and a water seal, an air-gas manifold connected through its right and left branches with a condensate collector, connected to the oxidation chamber through a water seal and an anion exchange filter. The plate heat exchanger is directly connected to the branch duct, air fan and air manifold and is equipped with an oxidation chamber at the bottom. The right and left air branches of the air manifold, equipped with outlets, are located in the greenhouse body above the plants, the oxidation chamber of the plate heat exchanger is connected through the right and left gas-air branches with distribution gas-air pipelines laid in the greenhouse ground at an average depth h with a slope i directed to it to the sides, equal to the angle of repose of the water, and equipped with vertical distribution nozzles along their entire length, consisting of a vertical branch pipe with a cap, between which an outlet slot is arranged.

EFFECT: increases productivity.

1 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и сельскому хозяйству и может быть использовано для повышения урожайности в овощеводстве закрытого грунта совместно с очисткой и утилизацией газообразных продуктов сгорания теплоэнергетических установок и двигателей внутреннего сгорания.The proposed invention relates to heat and power engineering and agriculture and can be used to increase yields in greenhouse vegetable growing together with the purification and utilization of gaseous combustion products of thermal power plants and internal combustion engines.

Известно устройство для очистки и комплексной утилизации дымовых газов, включающее зону обработки, соединенную с транзитным газоходом через отводной газоход, в которую входят вертикальный трубчатый теплообменник–абсорбер, состоящий из соединенных последовательно по газу в трубном пространстве сверху – вниз, воздухоподогревателя и конденсатора, который соединен по конденсату с анионитовым фильтром, а по газу с эжектором, газоходом рабочей смеси и теплицей, в крыше которой размещен дефлектор, причем межтрубное пространство воздухоподогревателя соединено с дутьевым воздуховодом, а межтрубное пространство конденсатора соединено с газоходом наружного воздуха и вентилятором [Патент РФ №2377058, МПК В01D 53/60, А01G 9/18, бюл.№36, 2009].A device for cleaning and complex utilization of flue gases is known, including a treatment zone connected to a transit gas duct through a bypass gas duct, which includes a vertical tubular heat exchanger-absorber, consisting of gas-connected in series in the pipe space from top to bottom, an air heater and a condenser, which is connected for condensate with anion exchange filter, and for gas with an ejector, a gas duct of the working mixture and a greenhouse, in the roof of which a deflector is located, and the annular space of the air heater is connected to the blast duct, and the annular space of the condenser is connected to the outside air duct and the fan [RF Patent No. IPC B01D 53/60, A01G 9/18, bul. No. 36, 2009].

Основными недостатками известного устройства являются использование в зоне обработки трубчатых теплообменников, обусловливающее высокое аэродинамическое сопротивление установки и ее высокую стоимость, отсутствие камеры окисления, снижающее скорость окисления монооксидов азота до диоксидов, что, в конечном счете, уменьшает экономическую и экологическую эффективность известного устройства.The main disadvantages of the known device are the use of tubular heat exchangers in the treatment zone, which causes a high aerodynamic resistance of the installation and its high cost, the absence of an oxidation chamber, which reduces the rate of oxidation of nitrogen monoxides to dioxides, which ultimately reduces the economic and environmental efficiency of the known device.

Более близким к предлагаемому изобретению является теплица с очисткой и комплексной утилизацией сбросных газов, включающей зону обработки, соединенную с транзитным газоходом и состоящую, из соединенных последовательно через отводной газоход, вентилятора, эжектора, камеры окисления, снабженную распределителем озоновоздушной смеси, соединенным с озонатором, и гидрозатвором, газовоздушного коллектора, соединенного через свои правую и левую ветви с корпусом теплицы, установленным на правый и левый ряды вертикальных пластинчатых теплообменников, примыкающих своими торцами к опорным стойкам, в крыше которого устроен дефлектор, при этом каждый вертикальный пластинчатый теплообменник состоит из вертикального прямоугольного корпуса с внутренней вертикальной перегородкой, которые изготовлены из прозрачного материала с высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью, причем вертикальная перегородка установлена с образованием нижней переточной щели, в верхней части внутренней стенки корпуса устроена горизонтальная распределительная щель, в верхней части наружной стенки корпуса вертикального пластинчатого теплообменника устроен газовоздушный штуцер, соединенный с правой или левой ветвью газовоздушного коллектора, в днище корпуса устроен штуцер слива конденсата, соединенный с правой или левой ветвью конденсатного коллектора, соединенного с камерой окисления через гидрозатвор и с анионитовым фильтром [Патент РФ №2641747, МПК В01D 53/60, А01G 9/18, бюл.№3, 2016].Closer to the proposed invention is a greenhouse with cleaning and complex utilization of waste gases, including a treatment zone connected to a transit gas duct and consisting of a fan, an ejector, an oxidation chamber connected in series through a discharge gas duct, equipped with an ozone-air mixture distributor connected to an ozonizer, and a hydraulic seal, a gas-air manifold connected through its right and left branches to the greenhouse body, installed on the right and left rows of vertical plate heat exchangers, adjoining their ends to the support posts, in the roof of which a deflector is arranged, while each vertical plate heat exchanger consists of a vertical rectangular body with an internal vertical baffle, which are made of a transparent material with high thermal conductivity and corrosion resistance, and the vertical baffle is installed with the formation of a lower overflow slot, in the upper part of the inner wall of the mustache housing There is a triple horizontal distribution slot, in the upper part of the outer wall of the vertical plate heat exchanger body there is a gas-air connection connected to the right or left branch of the gas-air manifold, in the bottom of the body there is a condensate drain connection connected to the right or left branch of the condensate collector connected to the oxidation chamber through a hydraulic seal and with an anion exchange filter [RF Patent No. 2641747, IPC B01D 53/60, A01G 9/18, bul. No. 3, 2016].

Основными недостатками известного устройства является использование в ограждения теплицы теплообменников, что усложняет ее конструкцию и отсутствие подкормки почвенного слоя, ведущее к снижению урожайности, что уменьшает экологическую и экономическую эффективность известного устройства.The main disadvantages of the known device is the use of heat exchangers in the greenhouse enclosure, which complicates its design and the lack of top dressing of the soil layer, leading to a decrease in yield, which reduces the environmental and economic efficiency of the known device.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение экологической и экономической эффективности теплицы с полной утилизацией сбросных газов.The technical objective of the proposed invention is to improve the environmental and economic efficiency of the greenhouse with the complete utilization of waste gases.

Технический результат достигается в теплице с полной утилизацией сбросных газов, содержащей зону обработки, соединенную с транзитным газоходом и состоящую, из отводного газохода, пластинчатого теплообменника, соединенного с ним и воздушным вентилятором и снабженного снизу камерой окисления, соединенной с озонатором и поддоном с гидрозатвором, воздушного коллектора, соединенного с пластинчатым теплообменником и через свои правую и левую воздушные ветви, снабженных выпускными отверстиями, с корпусом теплицы, в крыше которой устроен дефлектор, камера окисления пластинчатого теплообменника соединена через правую и левую газовые ветви с распределительными газовыми трубопроводами, уложенными в грунте теплицы на средней глубине h с уклоном i, направленным к ее боковым сторонам, равным углу естественного откоса воды и снабженными по всей своей длине вертикальными распределительными насадками, состоящими из вертикального патрубка с колпачком, между которыми устроена выпускная щель, причем правая и левая газовые ветви соединены с правой и левой ветвью конденсатного коллектора, соединенного с камерой окисления через гидрозатвор и с анионитовым фильтром.The technical result is achieved in a greenhouse with complete utilization of waste gases, containing a treatment zone connected to a transit gas duct and consisting of a branch gas duct, a plate heat exchanger connected to it and an air fan and equipped with an oxidation chamber from the bottom connected to an ozonizer and a tray with a water seal, an air a collector connected to a plate heat exchanger and through its right and left air branches, equipped with outlets, to the greenhouse body, in the roof of which a deflector is arranged, the oxidation chamber of the plate heat exchanger is connected through the right and left gas branches with distribution gas pipelines laid in the greenhouse ground on average depth h with a slope i directed to its lateral sides equal to the angle of repose of the water and equipped along its entire length with vertical distribution nozzles, consisting of a vertical nozzle with a cap, between which an outlet slot is arranged, and the right The second and left gas branches are connected to the right and left branches of the condensate header connected to the oxidation chamber through a water seal and to an anion exchange filter.

В основу работы предлагаемого устройства положены: особенности состава дымовых и выхлопных газов теплоэнергетических агрегатов и двигателей внутреннего сгорания, основными компонентами которых, на основании опытных данных и расчета состава продуктов сгорания, являются азот (76-82)% об., диоксид углерода(7-14)% об., водяные пары (5-17)% об., концентрация которых зависит от вида топлива и способа его сжигания [Роддатис К.Ф., Соколовский Я.Б. Справочник по котельным установкам малой производительности. – М.: Энергия, 1975, с.15]; высокая скорость кислотообразования в условиях конденсации водяных паров нитрозных газов [Олевский В. М. Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности – М.: Химия, 1985, с.42], возможность использования азотнокислого натрия в качестве удобрения [Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. – Л.: Химия, 1983, с. 226] и способность растений в процессе фотосинтеза усваивать диоксид углерода с выделением кислорода [Комов В. П., Шведова В. Н. Биохимия. – М.: Дрофа, 2004, с.210], а также повышение урожайности сельскохозяйственных культур при повышении концентрации углекислого газа в почве. Кроме того, нагрев воздуха в теплообменнике 3 и вытяжная труба с дефлектором 12 создают в полости теплицы 11 для воздушного потока самотягу [Ю. П. Гусев Основы проектирования котельных установок – М.: Стройиздат, 1977, с.143]. The operation of the proposed device is based on: the peculiarities of the composition of the flue and exhaust gases of heat power units and internal combustion engines, the main components of which, based on experimental data and the calculation of the composition of combustion products, are nitrogen (76-82)% vol., Carbon dioxide (7- 14)% vol., Water vapor (5-17)% vol., The concentration of which depends on the type of fuel and the method of its combustion [Roddatis KF, Sokolovsky Ya.B. Handbook for boiler plants of low efficiency. - M .: Energy, 1975, p. 15]; high rate of acid formation in conditions of condensation of water vapor of nitrous gases [Olevsky VM Production of nitric acid in units of large unit capacity - M .: Chemistry, 1985, p. 42], the possibility of using sodium nitrate as a fertilizer [Pozin M.E. Mineral fertilizer technology. - L .: Chemistry, 1983, p. 226] and the ability of plants in the process of photosynthesis to assimilate carbon dioxide with the release of oxygen [Komov VP, Shvedova VN Biochemistry. - M .: Bustard, 2004, p. 210], as well as increasing the yield of agricultural crops with an increase in the concentration of carbon dioxide in the soil. In addition, heating the air in the heat exchanger 3 and the chimney with the deflector 12 create in the cavity of the greenhouse 11 for the air flow gravity [Yu. P. Gusev Fundamentals of boiler plant design - M .: Stroyizdat, 1977, p. 143].

Теплица с полной утилизацией сбросных газов (ТПУСГ) изображена на фиг. 1–5 (фиг. 1–общий вид ТПУСГ, фиг. 2–4–план и разрезы теплицы, фиг. 5–узел стыковки газораспределительного насадка с распределительным газовым трубопроводом).A greenhouse with full utilization of waste gases (TPUSG) is shown in Fig. 1–5 (Fig. 1 — general view of TPUSG, Fig. 2–4 — plan and sections of the greenhouse, Fig. 5 — unit for joining the gas distribution nozzle with the distribution gas pipeline).

Теплица с полной утилизацией сбросных газов (ТПУСГ) содержит зону обработки, соединенную с транзитным газоходом 1 и состоящую, из отводного газохода 2, пластинчатого теплообменника 3, соединенного с ним и воздушным вентилятором 4 и снабженного снизу камерой окисления 5, соединенной с озонатором (на фиг. 1–5 не показан) и поддоном 6 с гидрозатвором 7, воздушного коллектора 8, соединенного с пластинчатым теплообменником 3 и через свои правую и левую воздушные ветви 9 и 10, снабженных выпускными отверстиями (на фиг. 1–5 не показаны), с корпусом теплицы 11, в крыше которой устроен дефлектор 12, камера окисления 5 теплообменника 3 соединена через правую и левую газовые ветви 13 и 14 с распределительными газовыми трубопроводами 15 и 16, уложенными в грунте 17 теплицы 11 на средней глубине h с уклоном i, направленным к ее боковым сторонам, равным углу естественного откоса воды и снабженными по всей своей длине вертикальными распределительными насадками 18, состоящими из вертикального патрубка 19 с колпачком 20, между которыми устроена выпускная щель 21, причем правая и левая газовые ветви 13 и 14 соединены с правой и левой ветвью конденсатного коллектора 22, соединенного с камерой окисления 5 через гидрозатвор 7 и с анионитовым фильтром 23.A greenhouse with full utilization of waste gases (TPUSG) contains a processing zone connected to a transit gas duct 1 and consisting of a branch gas duct 2, a plate heat exchanger 3 connected to it and an air fan 4 and equipped with an oxidation chamber 5 connected to an ozonizer from below (in Fig. . 1-5 not shown) and a pan 6 with a hydraulic seal 7, an air collector 8 connected to a plate heat exchanger 3 and through its right and left air branches 9 and 10, equipped with outlet openings (not shown in Figs. 1-5), with the greenhouse body 11, in the roof of which a deflector 12 is arranged, the oxidation chamber 5 of the heat exchanger 3 is connected through the right and left gas branches 13 and 14 with the distribution gas pipelines 15 and 16, laid in the ground 17 of the greenhouse 11 at an average depth h with a slope i directed to its lateral sides, equal to the angle of natural slope of the water and equipped along its entire length with vertical distribution nozzles 18, consisting of a vertical branch pipe 19 with a cap 20, between which an outlet slot 21 is arranged, and the right and left gas branches 13 and 14 are connected to the right and left branches of the condensate collector 22, connected to the oxidation chamber 5 through the hydraulic seal 7 and to the anion exchange filter 23.

Перед началом работы ТПУСГ осуществляют укладку ветвей 13 и 14 газового коллектора вместе с конденсатным коллектором 22. Далее осуществляют монтаж правого и левого распределительных газовых трубопроводов 15 и 16, снабженных распределительными насадками 18, которые укладываются в грунт теплицы на определенную среднюю глубину h с учетом уклона i (среднюю глубину заложения h определяют, исходя из глубины корневой системы растений, выращиваемых в теплице 11), после чего трубопроводы 15 и 16 крепят к ветвям 13 и 14 газового коллектора. Затем устанавливают корпус теплицы 11 (узлы крепления на фиг. 1–5 не показаны), после чего производится монтаж остального оборудования. Before starting the operation of the TPUSG, the branches 13 and 14 of the gas manifold are laid together with the condensate manifold 22. Next, the right and left distribution gas pipelines 15 and 16, equipped with distribution nozzles 18, are installed, which are laid into the greenhouse soil at a certain average depth h, taking into account the slope i (the average depth h is determined based on the depth of the root system of plants grown in the greenhouse 11), after which the pipelines 15 and 16 are attached to the branches 13 and 14 of the gas manifold. Then the greenhouse body 11 is installed (the attachment points are not shown in Figs. 1-5), after which the rest of the equipment is installed.

Работа ТПУСГ происходит следующим образом. Сбросные газы теплогенерирующей установки или двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (на фиг. 1–5 не показаны), количество которых обусловлено производительностью ТПУСГ, из транзитного газохода 1 под напором, создаваемом дымососом или ДВС, через отводной газоход 2 направляются в зону обработки в пластинчатый теплообменник 3, в который также подается наружный воздух высоконапорным вентилятором 4, где происходит охлаждение газов до температуры (50–60)°С и нагрев наружного воздуха до температуры (35–40)°С. После охлаждения в теплообменнике 3 газ поступает в камеру окисления 5, где смешивается с озоновоздушной смесью, поступающей из озонатора (на фиг. 1–5 не показан) и происходит процесс окисления большей части монооксидов азота до диоксидов, процесс конденсации водяных паров и абсорбция образовавшимся конденсатом диоксидов азота, после чего газовоздушная смесь через правую и левую ветви 13 и 14 газового коллектора, поступает в правые и левые газораспределительные трубы 15 и 16. При этом при прохождении трубопроводов 13, 14 и 15, 16 газовоздушная смесь окончательно охлаждается в результате теплообмена с грунтом до (45–50)°С с образованием конденсата, стекающего вниз в ветви конденсатного коллектора 22 с одновременным окислением оставшихся монооксидов азота до высших с высокой скоростью, абсорбция их конденсатом и интенсивное кислотообразование в процессе конденсации водяных паров. Одновременно окончательно очищенные и охлажденные газы, через выпускные шели 21 насадков 18 поступают в грунт 17 теплицы 11 (количество насадков 18 и их пропускная способность должны обеспечивать требуемый расход сбросных газов), проходят через его поры и поступают в атмосферу теплицы, обогащая ее углекислым газом, куда одновременно через правую и левую воздушные ветви 9 и 10 поступает нагретый воздух. В теплице в результате процесса фотосинтеза диоксид углерода усваивается растениями с выделением кислорода, одновременно интенсифицируя их рост, после чего газовоздушная смесь, обогащенная кислородом, за счет разрежения, создаваемого дефлектором 12, выбрасывается в атмосферу. При этом часть молекул сбросных газов при фильтрации через грунт 17 адсорбируются на его частицах, обогащая их углекислым газом, одновременно подогревая его, что также повышает урожайность растений. Конденсат, насыщенный кислотными компонентами, из трубопроводов 13, 14 и 15, 16 и камеры окисления 6 через конденсатный коллектор 22 поступает в анионитовый фильтр 23, где очищается от кислотных компонентов и направляется в конденсатный бак (на фиг. 1–5 не показан), откуда используется для подпитки котельного агрегата или ДВС. После регенерации анионита анионитового фильтра 23 раствором NaОН получают водный раствор NaNO₃, который в качестве удобрения можно использовать для повышения урожайности в теплице 11 или поставлять другим потребителям. The work of the TPUSG is as follows. Waste gases of a heat-generating plant or an internal combustion engine (ICE) (not shown in Figs. 1-5), the amount of which is due to the performance of the TPUSG, from the transit gas duct 1 under the pressure created by the smoke exhauster or the internal combustion engine, through the exhaust gas duct 2, are sent to the processing zone in the plate heat exchanger 3, which is also supplied with outside air by a high-pressure fan 4, where the gases are cooled to a temperature of (50–60) ° С and the outside air is heated to a temperature of (35–40) ° С. After cooling in heat exchanger 3, the gas enters the oxidation chamber 5, where it mixes with the ozone-air mixture coming from the ozonizer (not shown in Figs. 1-5) and the process of oxidation of most of the nitrogen monoxides to dioxides occurs, the process of condensation of water vapor and absorption by the formed condensate nitrogen dioxides, after which the gas-air mixture through the right and left branches 13 and 14 of the gas manifold enters the right and left gas distribution pipes 15 and 16. At the same time, when pipelines 13, 14 and 15, 16 pass through, the gas-air mixture is finally cooled as a result of heat exchange with the ground up to (45–50) ° С with the formation of condensate flowing down into the branches of the condensate collector 22 with the simultaneous oxidation of the remaining nitrogen monoxides to higher ones at a high rate, their absorption by condensate and intense acid formation in the process of condensation of water vapor. At the same time, the finally purified and cooled gases, through the outlet shelves 21 of the nozzles 18, enter the soil 17 of the greenhouse 11 (the number of nozzles 18 and their throughput must ensure the required flow of waste gases), pass through its pores and enter the atmosphere of the greenhouse, enriching it with carbon dioxide, where heated air enters simultaneously through the right and left air branches 9 and 10. In the greenhouse, as a result of the process of photosynthesis, carbon dioxide is absorbed by plants with the release of oxygen, simultaneously intensifying their growth, after which the gas-air mixture enriched with oxygen, due to the rarefaction created by the deflector 12, is released into the atmosphere. In this case, part of the molecules of waste gases during filtration through the soil 17 are adsorbed on its particles, enriching them with carbon dioxide, while simultaneously heating it, which also increases the productivity of plants. The condensate saturated with acid components from pipelines 13, 14 and 15, 16 and the oxidation chamber 6 through the condensate header 22 enters the anion exchange filter 23, where it is cleaned of acid components and sent to the condensate tank (not shown in Figs. 1-5), from where it is used to feed the boiler unit or internal combustion engine. After the regeneration of the anion exchange resin of the anion exchange filter 23 with a NaOH solution, an aqueous solution of NaNO _{3 is} obtained, which can be used as a fertilizer to increase the yield in the greenhouse 11 or be supplied to other consumers.

При этом замена рядов вертикальных пластинчатых теплообменников, расположенный по боковым сторонам теплицы, охлаждаемых наружным воздухом снаружи и внутренним воздухом, на один пластинчатый теплообменник 3, совмещенный с камерой окисления 5, позволяет значительно упростить конструкцию теплицы 11, а подача сбросных газов непосредственно в грунт 17 повышает температуру почвы в теплице 11 и повысить в ней концентрацию углекислого газа, что повышает урожайность. At the same time, replacing the rows of vertical plate heat exchangers located on the lateral sides of the greenhouse, cooled by outside air outside and inside air, with one plate heat exchanger 3, combined with the oxidation chamber 5, makes it possible to significantly simplify the design of the greenhouse 11, and the supply of waste gases directly to the ground 17 increases the temperature of the soil in the greenhouse 11 and increase the concentration of carbon dioxide in it, which increases the yield.

Таким образом, предлагаемая теплица с полной утилизацией сбросных газов обеспечивает упрощение конструкции устройства, увеличение степени очистки сбросных газов, утилизацию их тепла для обогрева теплицы и доставку диоксида углерода в почву и воздушную среду, который усваивается растениями с выделением кислорода, что повышает экологическую и экономическую эффективность установки.Thus, the proposed greenhouse with full utilization of waste gases provides a simplified design of the device, an increase in the degree of purification of waste gases, utilization of their heat for heating the greenhouse and the delivery of carbon dioxide to the soil and air, which is absorbed by plants with the release of oxygen, which increases environmental and economic efficiency. installation.

Claims

A greenhouse with full utilization of waste gases, containing a treatment zone connected to a transit gas duct and consisting of a fan connected in series through the exhaust gas duct, an oxidation chamber connected to an ozonizer and a water seal, a gas-air collector connected through its right and left branches to a condensate collector connected to an oxidation chamber through a water seal and with an anion exchange filter, characterized in that the plate heat exchanger is connected directly to the exhaust gas duct, an air fan and an air collector and is equipped with an oxidation chamber from below, the right and left air branches of the air collector, equipped with outlet openings, are located in the greenhouse housing above the plants , the oxidation chamber of the plate heat exchanger is connected through the right and left gas-air branches with distribution gas-air pipelines laid in the soil of the greenhouse at an average depth h with a slope i directed to its sides equal to the angle e natural slope of water, and equipped with vertical distribution nozzles along its entire length, consisting of a vertical branch pipe with a cap, between which an outlet slot is arranged.