УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПРОТИВОТОЧНАЯ СТРУЙНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ СЫРЬЯ Российский патент 2001 года по МПК B02C19/06 

Изобретение относится к высокотемпературной обработке нефтепродуктов и сыпучих материалов, а именно к установкам измельчения и синтезирования различных твердых, жидких и газообразных продуктов, и может быть использовано для напыления одного вещества на другое в порошковой металлургии при термообработке деталей машин и механизмов, в химических реакторах для крекинга мазута и при переработке газонефтепродуктов, а также для высотемпературного синтеза различных веществ из газовых конденсатов и других материалов.

Известна помольно-обжиговая газоструйная установка для измельчения продуктов, требующих термической обработки, содержащая соосно установленные противолежащие камеры сгорания с соплами, реакционную камеру, емкость для сбора продуктов и устройства ввода исходного сырья (а.с. СССР N 1196030, МПК: B 02 C 19/06, публ. 07.12.85 г., бюл. N 45).

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является невозможность обеспечения широкого спектра температур обработки материалов, что связано с низкими турбулентностью и скоростями газовых струй, обусловленными наличием сырья во всей исходящей из камер массы газа в зоне перед столкновением встречных струй, что приводит к достаточно низким температурам.

Известно устройство для газоструйной обработки сыпучих материалов, содержащее противоточно направленные и соосно расположенные источники энергоносителя, включающие камеры с патрубками ввода исходного сырья и энергоносителя, снабженные центральным соплом и симметрично расположенными относительно него наклонными соплами, реакционную камеру и устройство для сбора конечных продуктов (заявка PCT (WO) N 90/04457, МПК: B 02 C 19/06, публ. 3.05.90 г., бюл. 10).

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является отсутствие зоны плазмы из-за схождения всех струй в одной точке и принципиальной невозможностью обеспечения в ней высоких температур, обусловленной низкими скоростями столкновения встречных струй, обеспечивающих лишь некоторый разгон всей массы сырья.

Известно противоточное струйное устройство для газоструйного измельчения материалов, содержащее реакционную камеру с встроенными в нее соосными и встречно-направленными источниками энергоносителя, включающими камеры с центральными устройствами ввода исходного сырья в виде труб и снабженные соплами Лаваля, симметрично расположенными относительно устройств ввода исходного сырья, устройство отвода продуктов обработки (а.с. СССР N 1724367, МПК: B 02 C 19/06, публ. 07.04.92 г., бюл. N 13).

Причиной, препятствующей достижению требуемого результата, является невозможность высокотемпературной обработки в зоне соударения встречных струй из-за отсутствия центрального сопла, предварительного подогрева и турбулизации сырья. Кроме того, обычное сопло Лаваля при малейшем изменении параметров одной из камер приводит к колебанию или смещению зоны соударения встречных струй газа, что снижает надежность установки и производительность из-за изменения параметров закалки конечного продукта.

Из известных устройств наиболее близким к заявляемому является устройство для высокотемпературной переработки газового конденсата, содержащее реакционную камеру с встроенными в нее и встречно направленными источниками энергоносителя для образования зоны плазмы, снабженной перфорированным устройством подачи закалочной среды, расположенным в дросселирующей части зоны плазмы, и связанными каждый с устройством ввода исходного сырья, по меньшей мере одно устройство выгрузки конечных продуктов, камеру предварительного нагрева сырья, сообщенную с устройством ввода исходного сырья с патрубком подачи сырья (патент РФ N 2026334, МПК: C 10 G 15/12, публ. 10.01.95 г., бюл. N 1).

Причиной, препятствующей достижению технического результата, обеспечиваемого заявляемым устройством, является его высокая стоимость, обусловленная потреблением электроэнергии плазмотронами, сложностью, а также громоздкостью конструкции, обусловленными необходимостью 2-этапного закаливания, а также ограниченный диапазон использования сырья, связанный с получением достаточно низких температур (4000K) в зоне плазмы. Кроме того, низкая турбулизация парогаза (газовзвеси), приводящая к снижению скорости химических реакций, а также небольшие размеры зоны плазмы снижают производительность установки при получении продукта.

В основу изобретения положена задача разработать универсальное устройство высокотемпературной обработки продуктов в плазменной струе, работающее одновременно в широком диапазоне различных видов сыпучего сырья, а также нефтепродуктов, при этом устройство должно обладать невысокой стоимостью, быть малогабаритным, надежным и производительным.

При осуществлении поставленной задачи достигается значительное удешевление установки, связанное с экономией электроэнергии и упрощением конструкции, позволяющей одновременно создать необходимый размер зоны плазмы с ее расширенными зонами дросселирования с использованием устройства одноэтапного закаливания, что приводит и к удешевлению, и к увеличению производительности установки, и, кроме того, замена плазмотронов на предложенную конструкцию камер сгорания позволяет длительно поддерживать в зоне плазмы температуры от 2500 до 15000K, за счет того, что плазма образуется в пространстве и не соприкасается с элементами конструкции установки, что невозможно длительно осуществлять в прототипе, плазмотроны которого ограничены низкими ресурсами материалов электродов.

Поставленная задача осуществляется тем, что универсальная противоточно-струйная установка для высокотемпературной обработки сырья содержит реакционную камеру с встроенными в нее и встречно направленными источниками энергоносителя для образования зоны плазмы, снабженной перфорированным устройством подачи закалочной среды, расположенным в дросселирующей части зоны плазмы и связанными каждый с устройством ввода исходного сырья, по меньшей мере одно устройство выгрузки конечных продуктов, камеру предварительного нагрева сырья, сообщенную с устройством ввода исходного сырья с патрубком подачи сырья.

Новым в устройстве является то, что источники энергоносителя установлены соосно и выполнены каждый в виде камеры сгорания, снабженной на выходе центральным соплом внешнего расширения с центральным телом, расположенным в плоскости симметрии камеры сгорания и ограниченным обечайками, образующими со стенками камеры сгорания симметрично расположенные относительно центрального сопла плоские сопла Лаваля, выполненные каждый с косым срезом для образования расходящихся относительно плоскости симметрии камеры сгорания потоков энергоносителя, причем устройство ввода исходного сырья вмонтировано в центральное тело и выполнено в виде связанного с патрубком подачи сырья по меньшей мере одного коллектора с по меньшей мере одной форсункой, расположенной в камере предварительного нагрева в плоскости симметрии камеры сгорания.

Кроме того, в установку может быть введена система охлаждения, содержащая полости подвода и отвода охлаждающей среды к стенкам камер сгорания, обечаек и центрального тела, соединенных с соответствующими патрубками, устройство подачи закалочной среды может быть выполнено в виде коллекторов с форсунками, сообщенных с патрубками подачи закалочной среды и симметрично расположенных относительно плоскости симметрии зоны плазмы, а камеры сгорания могут быть расположены друг от друга на расстоянии l ≥ 3h, где h - размер косого среза выходного сечения сопла Лаваля. Расстояние l замеряется между окончаниями центральных тел.

Установка представлена на чертежах, где изображены на:
фиг. 1 - вид установки спереди в разрезе;
фиг. 2 - сечение A-A установки на фиг. 1;
фиг. 3 - вид камеры сгорания по сечению B-B на фиг. 1 левого источника энергоносителя;
фиг. 4 - вид камеры сгорания в плоскости ее симметрии по сечению C-C на фиг. 2.

Установка содержит два источника энергоносителя высокоскоростных и высокотемпературных струй газов, выполненных в виде соосно установленных и встречно направленных камер сгорания 1, встроенных посредством рамы 2 в реакционную камеру 3 с образованием зоны плазмы 4 и зон дросселирования 5.

На выходе камеры сгорания 1 выполнено сопло 6 внешнего расширения (фиг. 3), например плоское, с центральным телом 7, расположенным в плоскости симметрии 8 камеры сгорания 1 и обечайками 9, расположенными симметрично относительно центрального тела 7 и образующими своей внешней стороной 10 сопла Лаваля 11, например плоские, выполненные с косым срезом 12 каждое. Направление косых срезов сопел Лаваля 11 относительно плоскости симметрии 8 выбрано таким образом, чтобы они образовывали расходящиеся по обе стороны от нее газовые потоки 13.

Исходя из оптимальных габаритов установки расстояние между камерами сгорания l выбирается равным или большим, чем утроенный размер h косого среза 12 выходного сечения плоского сопла Лаваля 11.

В центральное тело 7 встроено устройство ввода исходного сырья, выполненное в виде патрубка подачи сырья 14, связанного по меньшей мере c одним или несколькими коллекторами 15 с форсунками 16, расположенными в камере 17 предварительного нагрева сырья, ограниченной входом газов в нее и критическим сечением 18 сопла внешнего расширения 6. В стенках камеры сгорания 1, а также в центральном теле 7 и в обечайках 9 выполнены составляющие систему охлаждения установки полости с подводом и отводом охлаждающей среды, например воды, соответственно 19, 20, 21, соединенные соответствующими патрубками подвода 22 и патрубками отвода 23 охлаждающей среды.

Каждая камера сгорания оснащена патрубками подвода окислителя (например, воздуха, кислорода и т.д.) 24 и горючего (например, водорода, керосина, природного газа и т.д.) 25, а также форсуночными головками 26 для распыления.

Реакционная камера 3 выполнена в виде герметичной емкости 27 с двойными стенками, снабженной устройствами выгрузки твердых 28 и газообразных 29 конечных продуктов и системой охлаждения с подводом воды в патрубок 30 и ее отводом из патрубка 31.

В реакционной камере 3 установлено устройство подачи закалочной среды, симметрично охватывающее зоны дросселирования плазмы 5 и выполненное в виде, например, коллекторов 32 с перфорацией в виде форсунок 33 и сообщенных с патрубком 34 подачи закалочной среды в виде, например, метана, углеводорода или воды.

Угол среза 12 плоских сопел Лаваля 11 выбирается исходя из требуемых размеров зоны плазмы 4, симметрично расположенной относительно плоскости симметрии 35 и оптимального расширения газов в косом срезе.

Устройство работает следующим образом.

Включаются камеры сгорания 1 посредством подачи в каждую из них по патрубку 24 окислителя и патрубку 25 горючего, смесь которых поджигается на выходе из форсуночных головок 26, образуя горячие газы. Одновременно исходное сырье (например мазут, либо газовый конденсат, либо взвесь окислов и т. д. ) через патрубок 14, коллектор 15 и форсунки 16 подается в камеру 17 предварительного нагрева, где сырье под воздействием поступающих со стороны камеры сгорания 1 горячих газов нагревается, смешивается с газовым потоком, а затем смешанный газосырьевой парогаз, проходя внутреннее пространство между центральным телом 7, обечайками 9 до критического сечения 18 сопла 6, ускоряется и направляется в виде газового потока 36 навстречу аналогичному потоку от противорасположенной камеры сгорания 1.

Одновременно горячие газы камеры сгорания 1 поступают во внешние плоские сопла Лаваля 11, имеющие косой срез 12, который поворачивает газовый поток 13 наружу от плоскости симметрии 8 камеры сгорания 1, стабилизируя размеры и местоположение зоны плазмы 4 (зоны торможения) относительно ее плоскости симметрии 35. При этом, меняя угол наклона косого среза 12 плоского сопла Лаваля 11 относительно плоскости симметрии 8 камеры сгорания 1, возможно изменение вертикального размера зоны плазмы 4.

Кроме того, в случае непредвиденного изменения условий работы камер сгорания 1 (изменения входных параметров, износа поверхностей и т.д.) выполнение вышеуказанного расположения косых срезов 12 позволяет автоматически стабилизировать местоположение плоскости столкновения 35 (торможения) встречных потоков 13, т.е. зоны образования плазмы, возвращая ее симметрично плоскости 35 в первоначальное место пространства.

Для предотвращения прогара камеры сгорания 1, сопел Лаваля 11 и центрального тела 7 сопла 6 с обечайками 9 в их полости охлаждения по патрубкам 22 подают охлаждающую среду, которая в нагретом состоянии удаляется по патрубкам 23.

Боковые горячие газовые потоки 13 со сверхзвуковой скоростью, поступающие из плоских сопел Лаваля 11 противоточно установленных камер сгорания 1, встречаются в плоскости симметрии зоны плазмы 35, соударяются и, резко затормаживаясь, разогреваются до высоких температур, образуя зону плазмы 4. При этом температуру плазмы можно регулировать от 2500 до 15000K за счет изменения расхода горючего и окислителя подаваемого в камеру сгорания 1.

Центральные противолежащие (встречные) горячие потоки парогаза или газовзвеси 36 также сталкиваются между собой и, создавая область высокой турбулентности и температуры (меньшую, чем по краям плазмы), проходят зону потоков 13 плазмы 4 по обе стороны от плоскости симметрии 8 камер сгорания 1, дополнительно разогреваясь до высоких температур и создавая дополнительную турбулентность, при которых сырье преобразуется в новые вещества, при этом плазменные струи с новыми веществами за счет резкого расширения динамически сжатого объема газа охлаждаются в юне дросселирования 5.

Для увеличения эффекта охлаждения через форсунки 33 коллекторов 32 в зону дросселирования 5 подают закалочную среду.

Полученные новые вещества поступают в емкость 27, откуда твердые вещества через по меньшей мере одно устройство 28 поступают в систему транспортировки, а газообразные вещества удаляются через по меньшей мере одно устройство 29.

Камеры сгорания 1 монтируются на раме 2, жестко закрепленной на корпусе реакционной камеры 3, для парирования реактивной тяги от выбросов газов из противолежащих сопел камер сгорания 1.

Возможность достижения поставленного технического результата реализуется за счет того, что вместо плазмотронов используются в предлагаемой конструкции камеры сгорания, установленные встречно и позволяющие создавать более высокотемпературные зоны плазмы, стабильно расположенные в пространстве между камерами сгорания, с возможностью регуляции диапазона температур путем изменения входных параметров, присущих самой конструкции камер сгорания и тем самым позволяющих расширить ассортимент обрабатываемого сырья. Одновременно предлагаемая конструкция значительно дешевле устройства-прототипа из-за выполнения подачи сырья с предварительным его нагревом в самой камере и последующей обработкой при более значительных температурах, что значительно сокращает габариты установки, чему также способствует наличие одностадийного закаливания.

Возможность стационарного, стабильного расположения зоны плазмы относительно плоскости симметрии системы, независимо от изменения режимов работы камер сгорания осуществлено как самим расположением сопел, так и наличием косых срезов на плоских соплах Лаваля, что в конечном итоге приводит к значительной надежности и производительности установки при ее длительной безостановочной работе.

Область техники: устройствa для высокотемпературной обработки нефтепродуктов и сыпучих материалов, используемые для измельчения и синтезирования различных твердых и газообразных продуктов. Сущность изобретения: установка содержит две соосно расположенные и встречно направленные камеры сгорания, закрепленные на раме реакционной камеры, в которой образуется зона плазмы с дросселирующими частями, в которых расположены форсунки коллекторов устройства подачи закалочной среды. На выходе камер выполнено центральное плоское сопло с центральным телом, в которое встроено устройство ввода исходного сырья в виде связанного с патрубком подачи сырья по меньшей мере одного коллектора с форсунками, расположенными в камере предварительного нагрева сырья. Плоское сопло ограничено обечайками, образующими внешними стенками симметрично расположенные относительно плоскости симметрии камеры сгорания плоские сопла Лаваля, выполненные с косым срезом для образования расходящихся относительно плоскости симметрии потоков энергоносителя. Изобретение позволяет снизить стоимость установки, повысить надежность и производительность, а также расширить диапазон обрабатываемого сырья путем значительного расширения температурного диапазона и непрерывной длительности работы установки. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Универсальная противоточная струйная установка для высокотемпературной обработки сырья, содержащая реакционную камеру с встроенными в нее и встречно направленными источниками энергоносителя для образования зоны плазмы, снабженной перфорированным устройством подачи закалочной среды, расположенным в дроселирующей части зоны плазмы, и связанными каждый с устройством ввода исходного сырья, по меньшей мере, одно устройство выгрузки конечных продуктов, камеру предварительного нагрева сырья, сообщенную с устройством ввода исходного сырья с патрубком подачи сырья, отличающаяся тем, что источники энергоносителя установлены соосно и выполнены каждый в виде камеры сгорания, снабженной на выходе центральным соплом внешнего расширения с центральным телом, расположенным в плоскости симметрии камеры сгорания, и ограниченным обечайками, образующими со стенками камеры сгорания симметрично-расположенные относительно центрального сопла плоские сопла Лаваля, выполненные каждый с косым срезом для образования расходящихся относительно плоскости симметрии камеры сгорания потоков энергоносителя, причем устройство ввода исходного сырья вмонтировано в центральное тело и выполнено в виде связанного с патрубком подачи сырья, по меньшей мере, одного коллектора с, по меньшей мере, одной форсункой, расположенной в камере предварительного нагрева в плоскости симметрии камеры сгорания. 2. Универсальная противоточная струйная установка по п.1, отличающаяся тем, что в нее введена система охлаждения, содержащая полости подвода и отвода охлаждающей среды к стенкам камер сгорания, обечаек и центрального тела, соединенных с соответствующими патрубками. 3. Универсальная противоточная струйная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что устройство подачи закалочной среды выполнено в виде коллекторов с форсунками, сообщенных с патрубками подачи закалочной среды и симметрично расположенных относительно плоскости симметрии зоны плазмы. 4. Универсальная противоточная струйная установка по п.1, или 2 или 3, отличающаяся тем, что камеры сгорания расположены друг от друга на расстоянии 1 ≥ 3h, где h - размер косого среза выходного сечения сопла Лаваля.