УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ГАЗОВОГО ПОТОКА Российский патент 1999 года по МПК B04C3/06 

Изобретение относится к оборудованию печных переделов в металлургической, химической, строительной отраслях промышленности и может быть использовано для обеспыливания газов, а также для проведения классификации по крупности полидисперсных материалов.

Известен патент СССР N 343418 от 07.03.1969 г., по которому циклонный аппарат, содержит корпус с тангенциальным вводом аэросмеси и конусной вставкой, образующей со стенками корпуса кольцевой зазор для выгрузки материала. К корпусу снизу подсоединена улиточная камера со скошенным днищем и конусообразная вставка примыкает к днищу своим основанием. Вставка может быть выполнена со спиральными канавками на боковой поверхности.

К недостатку такого аппарата по улавливанию твердых частиц, взвешенных в газовом потоке, можно отнести: сложность конструкции, недоступность к внутренним элементам аппарата при его ремонте; невысокая пропускная способность; большие потери напора газового потока при прохождении аппарата; умеренное значение коэффициента полезного действия.

Известен патент ГДР N 208304 от 02.05.1984 г., в котором описано устройство для подогрева или охлаждения мелкозернистого материала при одновременном выделении материала из газового потока, имеющее входной канал, тангенциально соединенный с конической или цилиндрической частью теплообменника. Нижняя часть теплообменника вдается в отделитель, верхняя часть которого имеет цилиндрическую, а нижняя часть - коническую форму. На цилиндрической части тангенциально размещен выходной канал.

Недостатками устройства являются невысокая производительность из-за большого роста сопротивления при прохождении через него запыленного газового потока; достаточно жесткая конструкция, требующая обязательную установку компенсаторов тепловых удлинений; относительно невысокий КПД; неприспособленность обеспечить классификацию по крупности уловленных частиц.

По патенту Великобритании N 2079190 от 07.07.1980 г. известен аппарат для отделения твердых частиц из газовой среды, содержащий циклон, нижняя часть которого имеет форму сужающегося книзу конического бункера, образующего нижнюю улавливающую камеру и имеющего выход, соединенный с разгрузочной трубой через клапан. Промежуточная часть циклона имеет форму цилиндра и соединена с впускной трубой тангенциально. Верхняя часть имеет форму усеченного конуса. Труба для вывода газа проходит коаксиально через верхнюю стенку. У верхнего конца верхней части имеются две диаметрально противоположные улавливающие камеры, расположенные тангенциально. Твердые частицы, двигаясь с газами по спиралям, выводятся по каналам, имеющим клапаны. Большая же часть частиц опускается по спиралям, прижимаясь к цилиндрической и конической стенкам центробежными силами, в нижнюю область аппарата и выгружается через трубу с клапаном.

Данный патент принят за прототип.

К недостаткам конструкции и эксплуатационного плана следует отнести:
- конструкция такова, что из-за противоточного движения газа и твердых частиц допускает образование вредных завихрений, способствующих росту сопротивления аппарата и снижению степени улавливания частиц;
- громоздкость сооружения при использовании на агрегатах большой единичной мощности ввиду ограниченной 5 м/с скорости газа на сечение аппарата, что влечет рост капзатрат при сооружении;
- невозможность эксплуатации на горячих газах без применения системы компенсаторов тепловых удлинений.

Технической задачей изобретения является уменьшение количественно и качественно отмеченных в аналогах и прототипе недостатков, присущих такому роду устройствам, и иметь: простую конструкцию, доступную во всех своих частях при проведении ремонтов и нормально вписывающуюся в тесные цеха старых заводов, обладая малой габаритностью и гибкостью положения в пространстве, что намного сократит капзатраты при сооружении, самокомпенсирующую тепловые и механические напряжения систему; высокую пропускную способность устройства, т. к. скорость запыленного газового потока в нем многократно превышает таковую в известных пылеулавливающих средствах; высокий КПД в пределах 80-92%; значительно пониженные потери напора газового потока при прохождении устройства в сравнении с известными устройствами, где частицы и газ делают обязательно несколько витков по спирали, что впрямую влияет на рост сопротивления устройства; устройство с возможностью производить классификацию по крупности частиц, содержащихся в газовом потоке.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для отделения твердых частиц из газового потока, включающем патрубки для ввода запыленного газового потока, вывода осветленного газа и отделенных твердых частиц, элемент для создания воздействия поля центробежных сил на твердые частицы в газовом потоке, который выполнен в виде изогнутой части газохода, при этом патрубки для вывода отделенных твердых частиц расположены по длине изогнутой части газохода на наружной поверхности с наибольшим радиусом изгиба. Изогнутая часть газохода образует один виток, находится в одной плоскости и имеет, по крайней мере, один патрубок для вывода твердых частиц. Во внутренней области с меньшим радиусом изгиба изогнутой части газохода выполнены выступы, при этом первый выступ по ходу газового потока расположен так, что линия, его продолжающая, параллельна касательной в точке начала изогнутой части к ее наружной образующей, а последний выступ - так, что продолжающая его линия совпадает с осевой линией патрубка для вывода отделенных твердых частиц, причем угол подъема выступа составляет - 5-30^o, а соотношение входных сечений патрубков для вывода осветленного газа и отделенных твердых частиц составляет 2,0-5,0: 1,0 соответственно. Радиус кривизны изогнутой части газохода по его средней линии равен 1,0-4,0 его условного диаметра. Патрубок для вывода отделенных твердых частиц перед входным сечением и после него выполнен соответственно с уступом и ступенькой, высота которых составляет 0,025 - 0,15 условного диаметра изогнутой части газохода. Промежуточный патрубок для вывода отделенных твердых частиц расположен на расстоянии от конца первого выступа, составляющем не менее двух условных диаметров изогнутой части газохода по его средней линии.

Сущность изобретения состоит в следующем:
Если не преследуется цель рассортировки улавливаемого материала по крупности, то достаточно иметь в конце изогнутой части газохода один патрубок для отвода отделенных твердых частиц. Если же необходимо одновременно с отводом твердых частиц от газового потока производить их классификацию по крупности, то можно предусмотреть установку еще одного-двух промежуточных патрубков для отвода уловленного материала.

Через первый по ходу газового потока будут выведены частицы средних размеров (исходя из характерного для данной массы взвешенных в газах частиц гранулометрического состава), через следующий - частицы покрупнее, а через следующий - еще более крупные.

Частицы, уносимые осветленным газовым потоком из устройства, являются самыми мелкими и могут быть уловлены в предназначенных для такой операции аппаратах - электрофильтрах, скрубберах.

Исследованиями доказано, что для достижения высокой степени очистки газов от взвешенных в нем частиц материала изогнутой части заявляемого устройства достаточно придать одновитковую форму при условии нахождения витка в одной плоскости.

Экспериментами на крупнолабораторной модели показано, что одновитковый вариант конструкции устройства является самым оптимальным, при котором гарантированно завершается процесс сравнительно глубокого разделения твердой и газообразной фаз на скоростях газового потока в пределах 6-20 м/с.

На этом пути при высокоскоростном прохождении его газами все твердые частицы успевают приобрести центробежные направления и быть прижатыми к наружной стенке устройства. Теперь только остается в полосе движения твердых частиц установить патрубок для их отвода по трубе с запорным элементом на выгрузку в дальнейший технологический цикл или в качестве товарного продукта.

Изогнутая часть газохода во внутренней области с меньшим радиусом кривизны снабжена по крайней мере двумя выступами для того, чтобы первым по ходу газа ускорить размежевание частиц и газа и задать частицам резкий выход на наружную стенку в самом начале изгиба газохода, используя при этом максимально полезно всю длину его изогнутой части, что в конце концов и определяет быстрый и высокий эффект очистки газов. Каждый последующий выступ, устанавливаемый перед патрубками для вывода частиц, способствует отбрасыванию оставшихся в газах частиц к наружной стенке перед самым выходным сечением патрубка для вывода твердых частиц, улучшая надежность работы устройства. А линия, продолжающая выступ, должна совпасть с осью патрубка потому, чтобы обеспечить максимально беспрепятственный выход частиц через патрубок в разгрузочную трубу, избегая рикошетирования частиц в объеме патрубка и предотвращая обратное внедрение частиц в газовый поток, что влечет ухудшение показателя по КПД.

Угол подъема выступа должен находиться в пределах 5-30^o, т.к. при угле менее 5^o заметно снижается результат использования для прижатия частиц к стенке как можно большей длины изогнутого участка газохода, что негативно отразится на КПД.

При угле более 30^o наблюдается рикошетирование частиц от стенки, изогнутой части газохода и возвращение некоторого количества их обратно в газовый поток. К тому же из-за появления завихрений и увеличения скорости газа в месте пережима возрастает сопротивление устройства.

Принятое соотношение входных сечений патрубков для вывода осветленного газа и вывода отделенных твердых частиц 2,0-5,0:1,0 объясняется тем, что при входном сечении патрубка для вывода отделенных твердых частиц больше половины сечения патрубка для вывода осветленного газа несколько уменьшается длина пути частиц по полосе прижатия их к стенке изогнутой части газохода и ухудшается работа запорного элемента на разгрузочной трубе из-за возрастания давления газового потока на этот элемент, а все вместе - снижает КПД устройства.

Если же сечение патрубка для вывода отделенных твердых частиц меньше одной пятой сечения патрубка вывода осветленных газов, то появляется опасность проскока некоторого количества частиц по инерции мимо сечения для отвода частиц, что снизит КПД устройства. В то же время из-за действия эффекта эжекции возможен обратный захват частиц газовым потоком.

Ограничивая радиус кривизны по средней линии изогнутой части газохода размерами 1,0-4,0 его условного диаметра (условного диаметра потому, что газоход в поперечном сечении может быть не обязательно круг, т.е. может быть прямоугольного сечения, трапецеидального вида, формы эллипса, но непременно в полосе прижатия частиц стенка устройства должна быть гладкой и быть в виде зауженного канала), исходим из того, что если он будет меньше одного условного диаметра газохода в его изогнутой части, то возрастает сопротивление устройства из-за резкого усиления влияния на частицы поля центробежных сил и повышения значения коэффициента местного сопротивления, что потребует излишних энергозатрат.

При радиусе кривизны более четырех условных диаметров газохода из-за снижения воздействия на частицы поля центробежных сил замедляется их размежевание с газом, что уменьшит степень улавливания частиц устройством. К тому же увеличиваются габариты устройства, а значит возрастут капитальные затраты на его сооружение.

Патрубок для вывода отделенных твердых частиц по передней кромке входного сечения имеет уступ, а по задней кромке - ступеньку с высотой 0,025-0,15 условного диаметра изогнутой части газохода с тем, чтобы в таком сочетании избежать проскока твердых частиц с газами, т.к. уступ содействует изменению направления частиц, движущихся по полосе прижатия их к стенке устройства, в сторону разгрузочной трубы, а ступенька служит своего рода барьером, который частица, движущаяся по инерции по радиусу кривизны, преодолеть не должна. Такая конструктивная связка позволяет держать высокий КПД устройства.

Уступ меньше 0,025 условного диаметра газохода не даст ожидаемого результата по изменению направления частиц в сторону разгрузочной трубы, а более 0,15 - улучшения эффекта отвода отделенных частиц на выгрузку.

Ступенька высотой менее 0,025 условного диаметра газохода не устранит проскок частиц и попадание их снова в газовый поток. Ступенька высотой более 0,15 условного диаметра газохода может выявить образование вредящих процессу улавливания частиц завихрений и стать причиной повышения сопротивления устройства.

Промежуточный патрубок для вывода отделенных твердых частиц расположен от конца первого выступа на расстоянии не менее двух условных диаметром изогнутой части газохода по его средней линии потому, что отброшенные выступом к стенке изогнутой части газохода твердые частицы успели сформировать в полосе своего движения плотный слой и возможно большее их количество попало в патрубок для выгрузки, как показала практика, в первый патрубок по ходу газового потока поступает в основном масса частиц средних размеров. В следующий патрубок попадают частицы больше среднего размера. В последний патрубок идут главным образом самые крупные частицы.

Техническую сущность изобретения поясняет чертеж, на котором изображено устройство в виде изогнутой части газохода, обеспечивающей высокую степень отделения твердых частиц из газового потока, а при наличии нескольких отводов улавливаемых частиц - возможность производить их классификацию по крупности.

Заявляемое устройство включает патрубок 1 для ввода запыленного газового потока; изогнутый газоход 2 для создания воздействия на твердые частицы поля центробежных сил; выступ 3 для интенсификации начального выхода частиц на крутоизогнутую поверхность; выступ 4 для отбрасывания к стенке некоторого количества задержавшихся в газах частиц, способствуя их улавливанию; патрубок(ки) 5 для вывода отделенных твердых частиц, снабженный(ные) по кромкам входного сечения уступом 6 и ступенькой 7 для более четкой фиксации отделенной части частиц; патрубок 8 для вывода осветленных газов; разгрузочную трубу 9 с запорным элементом 10 для транспортировки уловленного материала или на дальнейшую обработку, или в емкость в качестве товарного продукта.

Работает заявляемое устройство следующим образом:
Во входной патрубок 1 устройства направляется газовый поток со взвешенными в нем твердыми частицами, например газы из печей кальцинации в глиноземном производстве. И если поставлена задача, используя заявляемое устройство, произвести грубую очистку газа от заключенных в нем глиноземсодержащих частиц перед окончательной тонкой очисткой в электрофильтре, то устройство будет упрощенной конструкции, включающей один виток изогнутой части газохода 2, один последний по ходу газов патрубок 5 для вывода отделенных частиц в конце витка и два трамплинообразных выступа 3 и 4 в начале и в конце витка. В поперечном сечении виток желательно представить трапецеидального вида только исходя из того, что стенки устройства должны быть гладкими, а стенка в полосе движения частиц должна быть фиксировано ограничена, чтобы не допускать размывания частиц по большой поверхности, что будет служить причиной ухудшения отделения частиц устройством. Средняя скорость прохождения газовым потоком витка составляет 14 м/с. Средняя величина сопротивления витка при входной концентрации твердых частиц в среднем 1,5 кг/нм³ составит порядка 170-190 мм вод. ст. (если применить в качестве пылеуловителя циклоны, то в условиях работы заявляемого устройства их сопротивление будет ≈600 мм вод. ст.), степень очистки газов от глиноземной пыли оценивается 85-90%.

Если же ставится задача одновременно с очисткой газов от пыли произвести некоторую классификацию ее по крупности (а с ней связаны и различия по химическому составу и физическим свойствам уловленного материала), то по длине витка можно предусмотреть установку промежуточных 1-2 патрубков для отвода отделенных частиц. Разгрузочные трубы с запорными элементами (мигалка, шлюзовый затвор или затвор К.С. и т.п.) от каждого такого патрубка направляют уловленный материал в отдельные емкости, из которых он затаренный в водонепроницаемые мешки или в цементовозные вагоны, отправляется потребителям.

Используя устройство в печном переделе кальцинации при производительности печи порядка 38 г/ч по глинозему, в электрофильтр поступает газов (продукты сжигания топлива и пары воды от дегидратации и сушки гидроксида алюминия) около 110000 м³/ч и с условным диаметром изогнутой части газохода, равным 1,6 м, скорость газового потока составит приблизительно 14,5 м/с, а радиус кривизны по средней линии будет 4,0-4,5 м. КПД устройства будет находиться в пределах 85-87,5%. Устройство в поперечном сечении изогнутой части представлено трапецеидальной формы с размерами верхнего и нижнего оснований и высотой соответственно 0,8•1,6•1,6 м.

Годовой экономический эффект от внедрения заявляемого устройства будет оцениваться уменьшением расхода топлива на единицу готового продукта, которое в сравнении с базовым вариантом составит 4,0%, и может быть рассчитан по формуле
Э = (q_баз•0,04•G_глЦ - 0,15•К = (86•0,04)•380•8760•0,91•310000 - 0,15•150 = 300 млн.руб.

где q_баз - средний базовый удельный расход топлива, нм³/т гл.;
G_гл - средний годовой выпуск глинозема одной печью К.С., т;
Ц - средняя цена 1000 нм³ природного газа, руб.;
K - средняя величина капитальных затрат на сооружение устройства, руб.;
0,15 - коэффициент эффективного использования капитальных вложений.

Устройство предназначено для обеспыливания газов и может быть использовано для проведения классификации по крупности полидисперсных материалов. Устройство содержит элемент для создания воздействия поля центробежных сил на твердые частицы, выполненный в виде изогнутой части газохода, образующей один виток и находящейся в одной плоскости. Патрубки для вывода отделенных твердых частиц расположены по длине изогнутой части газохода на наружной поверхности с наибольшим радиусом изгиба. Во внутренней области с меньшим радиусом изгиба изогнутой части газохода выполнены выступы. Такая конструкция является доступной при проведении ремонтов, имеет самокомпенсирующую тепловые и механические напряжения систему, высокую пропускную способность, высокий КПД. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для отделения твердых частиц из газового потока, содержащее патрубки для ввода газового потока, для вывода осветленного газа и твердых частиц, элемент для создания воздействия поля центробежных сил на твердые частицы, отличающееся тем, что элемент для создания воздействия поля центробежных сил на твердые частицы в газовом потоке выполнен в виде изогнутой части газохода, при этом патрубки для вывода отделенных твердых частиц расположены по длине изогнутой части газохода на наружной поверхности с наибольшим радиусом изгиба. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что изогнутая часть газохода образует один виток, находится в одной плоскости и имеет по крайней мере один патрубок для вывода отделенных твердых частиц. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что во внутренней области с меньшим радиусом изгиба изогнутой части газохода выполнены выступы, при этом первый выступ по ходу газового потока расположен так, что линия, его продолжающая, параллельна касательной в точке начала изогнутой части к ее наружной образующей, а последний выступ так, что продолжающая его линия совпадает с осевой линией патрубка для вывода отделенных твердых частиц, причем угол подъема выступа составляет 5 - 30^o, а соотношение выходных сечений патрубков для вывода осветленного газа и отделенных твердых частиц составляет 2,0 - 5,0 : 1 соответственно. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что радиус кривизны изогнутой части газохода по его средней линии равен 1,0 - 4,0 его условного диаметра. 5. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что патрубок для вывода отделенных твердых частиц перед входным сечением и после него выполнен соответственно с уступом и ступенькой, высота которых составляет 0,025 - 0,15 условного диаметра изогнутой части газохода. 6. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что промежуточный патрубок для вывода отделенных твердых частиц расположен на расстоянии от конца первого выступа, составляющем не менее двух условных диаметров изогнутой части газохода по его средней линии.