Устройство для проведения химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом
Изобретение относится к устройству для проведения химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов. Устройство содержит, по меньшей мере, один винтовой и/или спиралевидный трубопровод, в котором за счет центробежных сил происходит разделение суспензии газа и твердого вещества на поток твердого вещества и газовый поток. Также устройство содержит, по меньшей мере, одну соединенную с концом винтового и/или спиралевидного трубопровода сепарирующую камеру, которая соединена с газопроводом для отвода газового потока или образована частью газопровода. Причем к сепарирующей камере присоединен трубопровод для отвода потока твердого вещества. При этом винтовой и/или спиралевидный трубопровод присоединен к сепарирующей камере тангенциально под углом α к горизонтали, по меньшей мере, 30°, и сечение сепарирующей камеры в зоне присоединения в 0,5-1,5 раза больше сечения винтового и/или спиралевидного трубопровода. Изобретение обеспечивает высокую степень сепарации при сравнительно небольшой потере давления. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к устройству для проведения химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, содержащему несколько расположенных друг над другом ступеней.
В цементной промышленности и горнодобывающей промышленности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов известны, в частности, системы, состоящие из прямоточных теплообменников и циклонных сепараторов. В большинстве случаев такие устройства содержат несколько расположенных друг над другом ступеней, причем газовый поток направляется снизу вверх через все ступени, тогда как твердое вещество подается к отдельным ступеням в противоположном направлении.
Такие системы имеют тот недостаток, что они требуют огромной конструктивной высоты, а степень сепарации в циклон-сепараторе не всегда удовлетворительная. Так, в циклонах часто возникают неконтролируемые течения, которые, например, на входе циклона обусловлены наложением входящего газового потока на образовавшийся в циклоне вихревой поток или за счет реверсирования направления газового потока в конусе циклона. Кроме того, может произойти повторное проникновение уже сепарированных на краю циклона частиц во входящий газовый поток циклона.
Другая проблема состоит в том, что при разных по величине конструктивных формах центробежные силы при одинаковых входных скоростях изменяются, в результате чего возникают иные условия сепарации.
Поэтому в US 4318697 был предложен многоступенчатый подогреватель для цементного сырья, каждая из отдельных ступеней которого состоит соответственно из стояка и примыкающего к нему винтового и/или спиралевидного трубопровода. Последний имеет прямоугольное сечение и присоединен к боковой поверхности кубообразной сепарирующей камеры. При этом место присоединения проходит по всей ее боковой поверхности. Нижняя часть сепарирующей камеры воронкообразно сужается и служит для отвода твердого вещества, тогда как газ отводится вверх.
В основе изобретения лежит задача усовершенствования устройства для проведения химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, в отношении степени сепарации в сепарирующей камере.
Согласно изобретению эта задача решается посредством признаков пункта 1 формулы.
Предложенное устройство для проведения химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, состоит, по существу, по меньшей мере, из одного винтового и/или спиралевидного трубопровода, в котором за счет центробежных сил суспензия газа и твердого вещества разделяется на поток твердого вещества и газовый поток, и, по меньшей мере, из одной, соединенной с концом винтового и/или спиралевидного трубопровода сепарирующей камеры, которая соединена с газопроводом для отвода газового потока или образована частью газопровода, причем к сепарирующей камере присоединен трубопровод для отвода потока твердого вещества. Винтовой или спиралевидный трубопровод впадает в сепарирующую камеру тангенциально под углом к горизонтали, по меньшей мере, 30°, а сечение сепарирующей камеры в зоне впадения в 0,5-1,5 раза больше сечения винтового и/или спиралевидного трубопровода.
Таким образом, винтовой и/или спиралевидный трубопровод имеет, по меньшей мере, в зоне впадения в сепарирующую камеру подъем относительно горизонтали, по меньшей мере, 30°.
Под винтовым и/или спиралевидным трубопроводом в смысле изобретения следует понимать трубопровод, который, по меньшей мере, на отдельных участках выполнен винтовым и/или спиралевидным. При этом кручение винтового и/или спиралевидного трубопровода может проходить, в частности, также лишь по небольшому угловому диапазону, например 90°.
В противоположность US 4318697 винтовой и/или спиралевидный трубопровод присоединен не ко всей боковой поверхности сепарирующей камеры, а тангенциально. Кроме того, в US 4318697 винтовой и/или спиралевидный трубопровод впадает в сепарирующую камеру через горизонтально ориентированный присоединительный патрубок.
Присоединение винтового и/или спиралевидного трубопровода под углом к горизонтали, по меньшей мере, 30° в сочетании с тангенциальным впадением обеспечивает дальнейшее ведение потока твердого вещества по дуге к стенке сепарирующей камеры вниз. Газовый поток, напротив, отводится вверх по типу вихревого течения.
Лежащие в основе изобретения испытания показали, что решающее значение имеет то, что сечение сепарирующей камеры в зоне впадения в 0,5-1,5 раза больше, чем сечение винтового и/или спиралевидного трубопровода. Поскольку сечение винтового и/или спиралевидного трубопровода изменяется по его длине, соотношение сечений зависит, в частности, от сечения винтового и/или спиралевидного трубопровода в зоне впадения в сепарирующую камеру.
У традиционных сепарирующих циклонов трубопровод для суспензии газа и твердого вещества присоединен, правда, в большинстве случаев также тангенциально, однако, он имеет по сравнению с сечением сепарирующей камеры существенно меньший диаметр и присоединен, к тому же, горизонтально.
Лежащие в основе изобретения испытания показали, что предложенное устройство обеспечивает поразительно высокую степень сепарации при сравнительно небольшой потере давления. Кроме того, не возникает также негативного влияния на входящий в сепарирующую камеру поток газа и твердого вещества и отводимые из нее потоки твердого вещества и газа.
Другие варианты осуществления изобретения являются объектом зависимых пунктов.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения сепарирующая камера выполнена круглой, в частности симметричной относительно оси вращения.
Далее трубопровод для твердого вещества присоединен в нижней части сепарирующей камеры, а газопровод - в ее верхней части. Нижняя часть сепарирующей камеры может, к тому же, воронкообразно сужаться, причем трубопровод для твердого вещества присоединяется к воронкообразно суженной части сепарирующей камеры.
Сечение сепарирующей камеры в зоне впадения предпочтительно в 0,5-1,5 раза больше сечения газопровода. Согласно одному варианту осуществления изобретения нижняя часть газопровода образует сепарирующую камеру. Возможно также, чтобы газопровод входил в сепарирующую камеру по типу погружной трубы.
Устройство может использоваться в производстве цемента, в частности, в качестве подогревателя или кальцинатора. В случае подогревателя предпочтительно, в частности, многоступенчатое и/или многоручьевое расположение с несколькими сепарирующими камерами и соответствующими винтовыми и/или спиралевидными трубопроводами.
Другие преимущества и варианты осуществления изобретения более подробно поясняются ниже с помощью описания и чертежей, на которых изображают:
- фиг.1: вид сбоку устройства согласно изобретению;
- фиг.2: вид сбоку по фиг.1 с разворотом на 90°;
- фиг.3: вид сверху ступени по фиг.1;
- фиг.4: разрез сепарирующей камеры по линии IV-IV по фиг.1;
- фиг.5: разрез винтового и/или спиралевидного трубопровода по линии V-V по фиг.3;
- фиг.6: вид сбоку устройства во втором варианте выполнения;
- фиг.7: вид сбоку устройства в третьем варианте выполнения;
- фиг.8: вид сбоку устройства с тремя расположенными друг над другом ступенями;
- фиг.9: вид сверху устройства по фиг.8;
- фиг.10: трехмерный вид установки для производства цементного клинкера.
На фиг.1-5 изображено устройство для проведения химических и/или физических реакций между твердым веществом 5 и газом 6. При этом речь может идти, например, о подогревателе или кальцинаторе для термообработки мелкозернистого материала при производстве цемента.
Устройство состоит по существу из трубопровода 1 для суспензии газа и твердого вещества, сепарирующей камеры 2 для отделения подаваемого твердого вещества от подаваемого газа, трубопровода 3 для отвода отделенного твердого вещества и газопровода 4 для отвода отделенного газа.
Для проведения химических и/или физических реакций между твердым веществом 5 и газом суспензия газа и твердого вещества подается по трубопроводу 1 к сепарирующей камере 2.
Трубопровод 1 содержит выполненный в виде стояка 1а поднимающийся и выполненный в виде винтового и/или спиралевидного трубопровода 1b участки. Кроме того, предусмотрена угловая головка 1с, соединяющая стояк 1а с винтовым и/или спиралевидным трубопроводом 1b. Если смотреть в вертикальном направлении, то, по меньшей мере, начало винтового и/или спиралевидного трубопровода 1b лежит выше, чем его впадающий в сепарирующую камеру 2 конец.
В винтовом и/или спиралевидном трубопроводе 1b за счет центробежных сил происходит разделение суспензии газа и твердого вещества на поток твердого вещества и поток газа.
В данном примере винтовой и/или спиралевидный трубопровод 1b впадает в сепарирующую камеру 2 тангенциально под углом α к горизонтали, по меньшей мере, 30°, предпочтительно в диапазоне от 30 до 60°. В зоне впадения сепарирующая камера 2 выполнена в виде цилиндрической части 2а, к которой снизу примыкает воронкообразно сужающаяся часть 2b.
Трубопровод 3 для твердого вещества присоединен к воронкообразно сужающейся части 2b сепарирующей камеры 2, тогда как цилиндрическая часть 2а переходит в газопровод 4.
В данном примере газопровод 4 и цилиндрическая часть 2а сепарирующей камеры 2 имеют одинаковый диаметр. Поэтому можно говорить о том, что сепарирующая камера 2 образована нижней частью газопровода 4.
На фиг.4, 5 сечение сепарирующей камеры 2 показано в плоскости разреза IV-IV по фиг.1, а сечение винтового и/или спиралевидного трубопровода 1b - в плоскости сечения V-V по фиг.3.
Сечение в свету сепарирующей камеры в зоне впадения винтового и/или спиралевидного трубопровода должно быть в 0,5-1,5 раза больше сечения в свету винтового и/или спиралевидного трубопровода.
Благодаря этому расчету и направленному вниз тангенциально примыкающему к сепарирующей камере 2 винтовому и/или спиралевидному трубопроводу 1b твердое вещество 5 направляется по дуге в воронкообразно сужающуюся часть 2b сепарирующей камеры, а затем попадает в трубопровод 3 (фиг.1, 3).
Газ 6 отводится с завихрением по внутренней стенке цилиндрической части 2а сепарирующей камеры вверх в газопровод 4 (фиг.1). Направленное под углом вниз течение в сепарирующую камеру 2 препятствует также возникновению в зоне впадения винтового и/или спиралевидного трубопровода 1b наложения входящего газового потока на образовавшееся в сепарирующей камере вихревое течение.
Как видно на фиг.3, винтовой и/или спиралевидный трубопровод 1b проходит по угловому диапазону около 180°. В рамках изобретения угловой диапазон может быть выбран также большим или меньшим. Кроме того, возможно также, чтобы радиус и/или подъем, и/или форма сечения, и/или величина сечения винтового и/или спиралевидного трубопровода 1b изменялась в направлении течения суспензии газа и твердого вещества.
На фиг.6 изображен пример, в котором газопровод 4.1 имеет меньший диаметр, чем сепарирующая камера 2, и заходит в нее по типу погружной трубы.
В примере на фиг.7 газопровод 4.2 имеет больший диаметр, чем сепарирующая камера 2. При проведении лежащих в основе изобретения испытаний оказалось предпочтительным, если сечение сепарирующей камеры 2 в зоне впадения в 0,5-1,5 раза больше сечения газопровода.
В направлении течения газа газопровод может иметь, по меньшей мере, первый и второй размеры и/или формы сечения.
Ось винтового и/или спиралевидного трубопровода 1b предпочтительно вертикальная. Возможно также, чтобы ось, вокруг которой закручивается винтовой и/или спиралевидный трубопровод 1b, была наклонена к вертикали.
Ниже с помощью фиг.8, 9 описано устройство с тремя ступенями I, II, III, которое представляет собой, например, трехступенчатый подогреватель для цементного сырья. При этом каждая отдельная ступень может быть выполнена в соответствии с фиг.1-7.
При такой многоступенчатой конструкции обрабатываемое твердое вещество подается на самую верхнюю ступень III по трубопроводу 3''' и отводится в виде обработанного твердого вещества 5 из самой нижней ступени I. Трубопровод для твердого вещества впадает соответственно в зоне стояков отдельных ступеней, тогда как газопровод одной ступени переходит в стояк следующей, вышележащей ступени.
В то время как твердое вещество направляется сверху вниз через три ступени, газ протекает через устройство в обратном направлении. Подаваемый к самой нижней ступени газ 6 представляет собой, например, горячий отходящий газ печи или кальцинатора. Отводимый на третьей ступени по газопроводу 4'' газ 6'' подается, например, для обеспыливания к фильтру или к подключенному высокоэффективному сепаратору. Обработанное твердое вещество 5 попадает, например, в кальцинатор или печь на дальнейшую обработку.
За счет выполнения трубопровода 1 со стояком 1а и опускающимся винтовым и/или спиралевидным трубопроводом 1b все три ступени могут располагаться очень компактно. Кроме того, предусмотрено, что винтовые и/или спиралевидные трубопроводы 1b, 1'b, 1''b, по меньшей мере, двух следующих друг за другом ступеней выполнены попеременно право- и левозакручивающимися (фиг.9).
В рамках изобретения возможно, чтобы радиус и/или подъем, и/или форма сечения, и/или величина сечения винтового и/или спиралевидного трубопровода 1b изменялась в направлении течения суспензии газа и твердого вещества. Таким образом, можно, с одной стороны, оказать влияние на предварительное сепарирование суспензии газа и твердого вещества в зоне винтового и/или спиралевидного трубопровода, а, с другой стороны, винтовой и/или спиралевидный трубопровод 1b может быть приспособлен к внешним условиям. Это предпочтительно, в частности, тогда, когда несколько ступеней расположены друг в друге и друг над другом.
При этом радиус и/или подъем, и/или форма сечения, и/или величина сечения могут изменяться в направлении течения резко и/или, по меньшей мере, на одном участке также непрерывно. Так, например, уменьшение радиуса вызывает увеличение центробежной силы, тогда как увеличение радиуса соответствует ее уменьшению. Изменяя форму и величину сечения, можно оказывать влияние на скорость течения.
На фиг.10 изображен трехмерный вид установки для термообработки мелкозернистого материала при производстве цемента, содержащей вращающуюся трубчатую печь 10, кальцинатор 20 и подогреватель 30. При этом кальцинатор 20 и/или подогреватель 30 могут быть выполнены в соответствии с описанным с помощью фиг.1-9 устройством.
1. Устройство для проведения химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, содержащее, по меньшей мере, один винтовой и/или спиралевидный трубопровод (1b), в котором за счет центробежных сил происходит разделение суспензии газа и твердого вещества на поток (5) твердого вещества и газовый поток (6), и, по меньшей мере, одну соединенную с концом винтового и/или спиралевидного трубопровода (1b) сепарирующую камеру (2), которая соединена с газопроводом (4; 4.1; 4.2) для отвода газового потока или образована частью газопровода, причем к сепарирующей камере присоединен трубопровод для отвода потока твердого вещества, отличающееся тем, что винтовой и/или спиралевидный трубопровод (1b) присоединен к сепарирующей камере (2) тангенциально под углом (α) к горизонтали, по меньшей мере, 30°, и сечение сепарирующей камеры в зоне присоединения в 0,5-1,5 раза больше сечения винтового и/или спиралевидного трубопровода.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сепарирующая камера (2) выполнена круглой.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сечение сепарирующей камеры (2) в зоне присоединения в 0,5-1,5 раза больше сечения газопровода (4; 4.1; 4.2).
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нижней части сепарирующей камеры (2) присоединен трубопровод (3) для твердого, вещества, а в верхней части сепарирующей камеры - газопровод (4).
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижняя часть сепарирующей камеры (2) выполнена воронкообразно суженной.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что трубопровод (3) для твердого вещества присоединен к воронкообразно суженной части (2b) сепарирующей камеры (2).
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газопровод (4.1) входит в сепарирующую камеру по типу погружной трубы.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газопровод (4) имеет, по меньшей мере, первый и второй размеры и/или формы сечения.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось, вокруг которой закручен винтовой и/или спиралевидный трубопровод (1b), наклонена к вертикали.
10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде многоступенчатого и/или многоручьевого устройства с несколькими сепарирующими камерами (2, 2', 2'') и соответствующими винтовыми и/или спиралевидными трубопроводами (1b, 1'b, 1''b).
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сепарирующая камера (2) выполнена симметричной относительно оси вращения.
12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сепарирующая камера (2) и газопровод (4.1; 4.2) имеют разный диаметр.
13. Способ проведения химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом, в частности подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, с помощью устройства по одному из пп.1-12, при котором суспензию газа и твердого вещества направляют по винтовому и/или спиралевидному трубопроводу (1b) в сепарирующую камеру (2) с созданием вихревого течения газовым потоком.
