ЭЖЕКТОРНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК B01F5/00 

Изобретение относится к струйным, в частности к эжекторным, устройствам для непрерывного смешивания высокощелочной золы ТЭС и пересыщенной растворимыми солями осветленной воды золоотвала электростанции и может быть использовано в химической, строительной, горнодобывающей и других отраслях промышленности при смешении с водой и выдачи на последующую ступень транспортирования химически активных и склонных к агдезии полидисперсных сыпучих материалов.

Известен смеситель фосфатного сырья с оборотной пульпой [1], содержащий вертикальный корпус с тангенциальным патрубком ввода жидкости, конический отражатель, сливной наклонный патрубок с трубой дополнительного ввода жидкости и коаксиально установленные на крышке корпуса центробежный пленкообразователь с конической выпускной воронкой и трубу подачи сыпучего, при этом смеситель снабжен турбулизатором, выполненным в виде кольцевой пластины из эластичного материала, вертикальными лопастями, установленными ниже пленкообразователя, выпускная воронка которого выполнена двухступенчатой с углом конусности нижней ступени в 1,40-1,65 раза меньше, чем верхней, и цилиндрической обечайкой из эластичного материала, установленной на нижней кромке трубы для подачи сыпучего.

Применительно к высокощелочной золе электростанций данное техническое решение не обеспечивает достаточной степени надежности работы смесителя, так как наличие в настоящем устройстве намагничиваемых поверхностей и отсутствие компенсаций вакуумных зон в районах выхода струй из патрубков в пленкообразователи всегда найдется участок на границе "сухое-мокрое", где отношение между количеством золы и воды оптимально для условий ее цементации и образования плотных отложений с последующим зарастанием и прекращением поступления пульпы в транспортную магистраль.

Известен смеситель сыпучих и жидких сред [2], содержащий конический корпус с тангенциальными патрубками ввода жидкости, пленкообразующее устройство, внутри которого эквидистантно размещена труба для сыпучего материала, а в нижней части конического корпуса установлен сливной патрубок, снабженный дополнительной трубой для ввода жидкости.

Все недостатки вышеупомянутого устройства присущи и настоящему техническому решению. Дополнительным отрицательным показателем данного смесителя является высокая вероятность пыления устройства через сливной патрубок, поскольку смоченные в плотной фазе агрегации высокощелочной золы в верхней части смесителя склонны к комкообразованию с сухой золой внутри комков и, попадая в нижнюю часть, разрушаются струей дополнительного патрубка и, ввиду быстротечности процесса истечения и ограниченности объемов смешения частиц золы с водой, часть сухого материала в виде аэрозолей выбрасывается вместе с пульпой.

Известен эжектор [3], содержащий корпус с последовательно расположенными входной камерой, камерой смешения и диффузором, и размещенный во входной камере активный многосопловой блок, сопла которого наклонены в окружном направлении, а их оси расположены по образующим однополостного гиперболоида вращения и с зазором относительно камеры смешения и диффузора.

Недостатком данного устройства при работе в режиме смесителя является низкая надежность вследствии быстрого абразивного износа соплового блока и стенок камеры смешения и диффузора частицами материала.

Наиболее близким к заявленному изобретению является золосмывной аппарат-смеситель [4] (стр. 145, рис. 12, 14), содержащий приемный конус с щелевым коллектором и патрубком подвода в широкой части конуса, а также побудительное активное сопло с корпусом смесителя в узкой части конуса.

Однако данный смеситель обладает присущими такому конструктивному выполнению недостатками. В пленокобразующем устройстве, выполненном в виде щелевого коллектора с шириной щели 1,5-2,0 мм, скорости воды достигают максимального значения и, поскольку осветленная орошающая вода золоотвала пересыщена солевыми растворами, этот участок (щель) наиболее подвержен зарастанию отложениями. Нарушение равномерности ширины щели приводит к перераспределению толщины водяной пленки внутри приемного корпуса вплоть до появления несмачиваемых участков.

При использовании в смесителе золы, содержащей более 15% оксида кальция, создаются условия наиболее интенсивного образования плотных самоцементирующихся отложений на границе сухой и мокрой поверхности стенок [4] вплоть до полной забивки приемного корпуса. С другой стороны, наличие на стенках коллекторов и трубопроводов солевых отложений в виде корок, которые периодически, по разным причинам, отваливаются и увлекаются потоком смывной воды, не исключен факт полной или частичной забивки как орошающей щелей, так и активного побудительного сопла. Опять же компенсация вакуумных зон на участке выхода воды из побудительного сопла производится за счет запыленного воздуха, поступающего из золоприемного конуса, что приводит к обрастанию смешанными отложениями сопла снаружи и снижает время надежной эксплуатации устройства.

Вследствие специфических свойств золы и способов подачи ее в золосмывной аппарат редко удается обеспечить равномерное поступление материала. Как правило, пульсирующий вход золы в приемный конус создает условия комкообразования в смесителе с последующим разрушением комков и интенсивным пылением.

Техническим эффектом предлагаемого изобретения является повышение надежности работы смесителя и увеличение качества пылеподавления в устройстве.

Указанный эффект достигается тем, что многосопловой блок смесителя установлен в корпусе устройства с зазором и выполнен в виде двух соосных цилиндров с кольцевыми крышками на торцах, на одной из которых по наружной окружности выставлены сопла, а противоположный конец внутреннего цилиндра снабжен подвижной заслонкой с отверстием, при этом радиальный патрубок для подачи сыпучего снабжен насадкой из эластичного материала в виде торообразного сектора и по малому кругу тора насадки установлены струбцинные пластины, а геометрический центр живого сечения выпускного торца насадки совпадает с центром сечения корпуса смесителя. Следовательно, технический результат изобретения выражается в снижении степени вероятности зарастания отложениями тракта "сухой сыпучий материал в плотной фазе - граница начала смесеобразования золовой пульпы" и в уменьшении пыления устройства.

Минимальная рабочая длина смесителя L и внутренний диаметр корпуса D_к связаны соотношением:
L_min/D_к = 5,0 - 15,0.

В соответствии этому отношению численные значения углов наклона осей сопел к плоскости торца соплового блока ϕ и радиальные углы отклонения проекцией осей сопел на плоскость торца соплового блока β находятся в диапазонах:
ϕ = 76^o-84^o,
β = 30^o-10^o.
Углы наклона побудительного смывного сопла α и шарнирного клапана γ не зависимы от указанного отношения и составляют:
α = 4^o-5^o,
γ = 40^o-50^o.
В зависимости от конкретных условий (производительность по золе, хим. состав золы, гран. состав и т.п.) возможна установка в зазоре между корпусом и сопловым блоком двух и более щелевых сопел, выставленных параллельно оси корпуса.

В сопловом блоке возможна установка перфорированной кольцевой перегородки с зазором с внутренним цилиндром и с креплением по наружном периметру к внутренней стенке внешнего цилиндра, при этом диаметры отверстий перфорации меньше диаметров сопел.

Вариантом оформления концевой части эжекторного смесителя может служить шарнирный клапан из эластичного материала, установленный под углом 40 - 50^o к оси корпуса, а в нижней части корпуса расположено выпускное окно и направляющий желоб.

На фиг. 1 схематически представлен эжекторный смеситель, продольный разрез, а на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1.

Эжекторный смеситель содержит цилиндрический корпус 1, радиальный патрубок 2, сопловой блок 3 с тангенциальным патрубком 4. Сопловой блок 3 установлен в корпусе 1 с зазором 5 и состоит из внутреннего 6 и внешнего 7 цилиндров, закрепленных между собой торцевой 8 и сопловой 9 кольцевыми крышками. Сквозной проход в цилиндре 6 закрыт заслонкой 10 с отверстием 11, установленной на торцевой крышке 8 с помощью шарнира 12. В нижней части торцевой крышки 8 находится пробка 13. Внутри соплового блока 3 на поверхности цилиндра 7 установлена кольцевая перфорированная перегородка 14, имеющая зазор с цилиндром 6, площадь которого равна или больше площади сечения патрубка 4, а диаметром отверстий перфораций меньше диаметров сопел 15 и 16. На кольцевой сопловой крышке 9 выставлены по окружности с максимально доступным приближением к стенкам внешнего цилиндра 7 сопла 15, оси которых совпадают с образующими однополостного гиперболоида вращения. Нижняя часть сопловой крышки 9 снабжена дополнительным смывным соплом 16 установленным под углом α = 4-5^o к оси корпуса смесителя 1, причем угол α выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить смыв провалов золы на дно корпуса.

Геометрические параметры, такие как радиальный угол закручивания β, угол наклона сопла к торцу соплового блока ϕ, минимальная длина корпуса устройства L_min, определяют конструктивные размеры смесителя и расчитываются по формулам:
β = arcsin d_г/D_г, (1)

L_min = 2 • b • [(D_г/(D_г - d_г)) • (D_к/D_г - 1) - 1,5], (3)
где d_г - диаметр горловины гиперболоида вращения, образованного водяными струями,
D_г - диаметр осевой окружности, по которой расположены сопла на кольцевой крышке 9,
b - расстояние от кольцевой крышки 9 до минимального сечения "А-А" диаметром d_г,
D_к - внутренний диаметр корпуса смесителя 1.

Радиальный патрубок 2 для подачи сыпучего в корпус 1 снабжен торообразным насадком 17, выполненным из эластичного материала (например, автомобильная камера), передняя кромка которого по малому кругу тора защемлена струбцинными пластинками 18. В результате такого обжатия одной кромки насадка сечение его деформируется, делается более плоским и принимает в миделевом сечении 19 каплевидную форму, что позволяет ввести между соплами в полость гиперболоида насадок без контакта со струями на нужную глубину, при которой геометрический центр миделевого сечения насадка совпадает с точкой пересечения осей симметрии корпуса смесителя.

Хвостовая часть корпуса эжекторного смесителя выполнена с косым срезом под углом γ = 40-50^o, который закрыт шарнирным клапаном 20, выполненным из эластичного материала (например, из транспортерной ленты толщиной 15-20 мм). Клапан 20 установлен на шарнире 21 и поджат к скошенному торцу корпуса 1 противовесом 22. В нижней части корпуса 1 расположены выпускное окно 23 и направляющий желоб 24. При необходимости в зазор 5 устанавливают два и более плоских сопла 25.

Эжекторный смеситель работает следующим образом.

Осветленная вода золоотвала от смывных насосов под давлением поступает по тангенциальному патрубку 4 в камеру соплового блока 3, в которой поток воды закручивается и через отверстия в перфорированной перегородке 14 и через зазор с цилиндром 6 подается на сопла 15 и 16. Из сопел 15 струи воды, не пересекаясь между собой, закрученным сходящимся пучком поступают в корпус смесителя 1. Пройдя минимальное сечение схождения (сечение "А-А") струи, сохраняя компактность, начинают расходиться до встречи с внутренними стенками корпуса 1, после чего часть жидкости отражается и движется по образующим подобного однополостного гиперболоида вращения, часть жидкости в виде пленки растекается по спиралям внутри корпуса, а оставшаяся часть жидкости дробится и, в виде брызг и капель, занимает оставшееся пространство. Дополнительно подают воду на смывное сопло 16, а при необходимости и на плоские сопла 25. Закрученный и транзитный потоки жидкости гасятся клапаном 20 и через окно 23 по желобу 24 поступают на следующую ступень транспортирования (например в золошлаковый канал гидрозолоудаления или в приемную емкость багерного насоса). Способ подвода воды в сопловой блок 3 обусловлен спецификой эксплуатации оборотных систем гидрозолоудаления (ГЗУ), так как отложения в трубопроводах осветленной воды по ряду причин отрываются от стенок и в виде корок забивают сопла оборудования ГЗУ, тем самым снижают надежность работы системы в целом. Закрутка воды в сопловом блоке 3 вызывает центробежное отжатие твердых взвесей к внутренним стенкам цилиндра 7, а захваченные потоком включения отложений, прошедшие через отверстия перфораций в перегородке 14, выбрасываются через сопла 15 и 16. Пробку 13 периодически открывают и выполняют продувку от шлама приемной камеры блока 3.

Подачу сыпучего материала (золы) в смеситель выполняют по радиальному патрубку 2 и эластичному насадку 17. Насадок 17 с пластинами 18 имеет каплевидную форму в миделевом сечении и вставлен между парой верхних сопел таким образом, что струи воды обходят его с обеих сторон, а центр сечения выпускного торца насадка 17 совпадает с осью закрученного пучка струи жидкости. Исполнение насадка 17 в виде защемленного тора позволяет приблизить выпуск золы в зону с более глубоким вакуумом, а при залповых поступлениях золового материала сдемпфировать лавину сыпучего и, в некоторой степени, стабилизировать работу смесителя. Эластичный насадок 17, находясь между двумя струями жидкости, подвергается аэродинамическому воздействию от потока воздуха, захваченного этими струями, и за счет "флажного эффекта" совершает автоколебания, тем самым интенсифицируется процесс истечения сыпучего, снижая вероятность создания условий для обрастания золовыми цементирующимися отложениями насадка 17 как снаружи, так и изнутри.

При выходе струй воды из сопел, вокруг них возникают зоны пониженного давления, которые компенсируются чистым воздухом, поступающим через зазор 5 и отверстие 11 по цилиндру 6. Степень открытия заслонки 10 на шарнире 11 позволяет регулировать поступление воздуха в смеситель, а также использовать окно в цилиндре 6 как эксплуатационный и профилактический люк. При отсутствии источников чистого воздуха на компенсацию вакуумных зон в районе выхода струй из сопел этими источниками являются запыленные потоки из присосов, которые приводят к образованию отложений, вплоть до полного зарастания сопел.

Пучок водяных струй, образуя своими траекториями форму однополостного гиперболоида вращения, в самом узком сечении "А-А" создает максимальный вакуум, а поступающий из насадка 17 материал дезинтегрируется потоком воздуха из цилиндра 6 и, захваченный в горловину гиперболоида, коагулируется и через щели между струями оседает на дно смесителя, после чего подхватывается потоком воды от сопла 16. Это же сопло 16 смывает и транспортирует возможные провалы золы из насадка 17. После прохождения сечения "А-А" неуловленная доля золы в виде пыли поступает в пространство, ограниченное двумя однополостными полугиперболоидами вращения, сопряженными между собой большими основаниями, которое по сути своей представляет так называемый "водяной мешок" и все твердые включения золового материала переходят в пульпу. При необходимости через плоские сопла 25 подают воду на орошение внутренних стенок корпуса 1 как локально, так и по всему периметру.

Эффективность работы эжекторного смесителя в решающей степени зависит от правильно выбранных значений углов β и ϕ для конкретных условий эксплуатации устройства. Как показали расчеты и экспериментальные стендовые испытания угол закручивания пучка струи β (1), при котором обеспечивается достаточная эжекция для отсоса мелкодисперсного материала из основного потока золы, находится в диапазоне 30 - 40^o, что соответствует интервалу диаметров пучка в сечении "А-А" d_г = 0,155 - 0,054 м при D_г = 0,310 м и D_к = 0,406 м. Углы наклона струй ϕ (2) определяют минимальный линейный размер смесителя L_min и, как показали опытные исследования при длине корпуса менее 2-х метров, время пребывания взвешенной золы в "водяном мешке" недостаточно для полного пылеподавления, а при длине корпуса более 6-ти метров большая часть жидкости растекается по стенкам и 2-й полугиперболоид, как таковой исчезает, что опять же способствует снижению пылеподавления. Для диапазона L_min = 2-6 м углы наклона сопел к торцу соплового блока соответствуют ϕ = 76 - 84^o. Таким образом, рабочие диапазоны смесителя определяются условиями β = 30 - 10^o; ϕ = 76 - 84^o; L_min/D_к = 5,0 - 15,0.

В настоящее время на Красноярской ТЭЦ-2 разработаны рабочие чертежи эжекторного смесителя и изготовляется промышленный образец для котлоагрегата БКЗ-420-140 ст. N 3.

Список использованных источников
1. Смеситель фосфатного сырья с оборотной пульпой. А.И. Зайцев и др., Авторское свидетельство СССР N 1785112, кл. B 01 F 5/00, заявка N 4641132/26 от 25.01.89 г.

2. Смеситель сыпучих и жидких сред. В.А. Раков и др., Авторское свидетельство СССР N 1718418, кл. B 01 F 5/00, 5/24, заявка N 4154262/26 от 02.12.86 г.

3. Эжектор. Н. С. Кособуцкий и др. , Авторское свидетельство СССР N 1232856, кл. F 04 F 5/14, заявка N 3724485 от 01.03.84 г.

4. Чеканов Г.С., Зорин В.А. Образование и устранение отложений в системах гидрозолоудаления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 176 с.: ил.

Изобретение относится к смесителям и может использоваться в качестве дезинтегратора и гомогенизатора в системах гидрозолоудаления тепловых электростанций, а также для смешения с водой химически активных и склонных к адгезии полидисперсных сыпучих материалов. Смеситель содержит корпус с радиальным патрубком и торообразным насадком на нем из эластичного материала для подачи сыпучего, многосопловой блок с наклонными соплами, установленный в корпусе смесителя. Торообразный насадок снабжен струбцинными пластинами и имеет в сечении каплеобразную форму. Технический результат состоит в повышении эффективности гомогенизации. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Эжекторный смеситель, содержащий корпус с радиальным патрубком для подачи материала и установленный соосно в корпусе многосопловой блок, сопла которого расположены по окружности под острым углом к оси корпуса, а оси сопел выставлены по образующим однополостного гиперболоида вращения, и тангенциально прикрепленный к сопловому блоку патрубок для подачи жидкости, отличающийся тем, что многосопловой блок установлен в корпусе смесителя с зазором и выполнен в виде двух соосных цилиндров с кольцевыми крышками на торцах, на одной из которых по наружной окружности выставлены сопла, а противоположный торец внутреннего сквозного цилиндра снабжен заслонкой на шарнире с центральным отверстием в ней, при этом радиальный патрубок для подачи сыпучего снабжен насадком из эластичного материала в виде торообразного сектора и по малому кругу тора насадка установлены струбционные пластины, а геометрический центр живого сечения выпускного торца насадка совпадает с центром сечения корпуса смесителя. 2. Смеситель по п. 1, отличающийся тем, что углы наклона осей сопел к плоскости торца соплового блока составляют 76 - 84^o, а радиальные углы отклонения проекций осей сопел на плоскость торца соплового блока соответственно 30 - 10^o, при этом отношение минимальной рабочей длины корпуса по оси смесителя к его внутреннему диаметру находится в пределах 5,0 - 15,0. 3. Смеситель по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что сопловой блок снабжен перфорированной кольцевой перегородкой с зазором с внутренним цилиндром и закрепленной по наружному периметру к внутренней стенке внешнего цилиндра, а диаметры отверстий перфорации меньше диаметров сопел. 4. Смеситель по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что сопловой блок в нижней части снабжен дополнительным смывным соплом, выставленным под углом 4 - 5^o к нижней кромке корпуса смесителя, а в зазорах между сопловым блоком и корпусом смесителя закреплены плоские сопла. 5. Смеситель по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что выходной торец корпуса смесителя выполнен под углом к оси 40 - 50^o и снабжен шарнирным клапаном из эластичного материала, а в нижней части корпуса под клапаном расположено выпускное окно и направляющий желоб.