Регулируемый мельничный сепаратор
Изобретение относится к регулируемым сепараторам, позволяющим регулировать размеры частиц измельчаемого материала на мельнице для твердого топлива и может быть использована для отделения более крупных частиц от более мелких частиц, захваченных восходящими воздушными потоками. Сепараторная система содержит кожух, имеющий по существу круглое поперечное сечение, внутреннюю камеру, ограниченную расположенным внутри кожуха усеченным конусом, наружную камеру между кожухом и конусом, сортировочное кольцо в верхней части конуса с множеством окон с лопастями и выход топливопровода над сортировочным кольцом. Лопасти шарнирно установлены рядом с каждым окном с возможностью частичного или полного закрывания окна. Регулируемый сепаратор позволяет оптимизировать процесс измельчения. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее описание относится, в целом, к регулируемому сепаратору, который может регулировать размеры частиц, разделенных на мельнице для твердого топлива.
На электростанциях в котлах применяются печи, работающие на твердом топливе, для разных целей, таких как получение пара для выработки электроэнергии.
Твердое топливо, обычно уголь, распыляют в порошок, который вдувают в печь, предназначенную для топки. Для распыления угля в порошок используют мельницы (или распылители). Мельницы обычно обеспечивают распределение частиц по размерам. Однако при сжигании частицы, размеры которых превышают заданную величину, сгорают не полностью и поэтому происходит бесполезный расход топлива.
Однако в случае, если все частицы распыляются до очень мелких размеров, происходит бесполезный расход энергии, требующейся для распыления частиц. Кроме того, выработка частиц на мельнице значительно снижается в случае, если требуется, чтобы частицы были очень мелкими. При этом могут потребоваться дополнительные мельницы, что может оказаться очень дорогостоящим.
Поэтому существует компромиссное решение, при котором требуется равновесие между количеством не сгоревшего топлива и производительностью для эффективной эксплуатации котла.
Размеры частиц выбирают исходя из того, как много времени требуется для сжигания частицы и какая часть не сгоревшего топлива является приемлемой.
Частицы продувают через печь, и на основании их скорости ограничивается время, в течение которого они могут сгорать в печи. Скорость сгорания связана с массой топлива, предназначенного для сгорания, площадью поверхности частиц, энергией пламени в печи, содержанием влаги и видом применяемого топлива. Если все эти факторы установлены и сепаратор спроектирован для отделения частиц с размерами, соответствующими этим факторам, система работает хорошо. Однако в случае, если один или больше из этих факторов изменяется, создавая необходимость в использовании частиц иных размеров, обычные сепараторы с трудом модифицируются для отделения частиц иных размеров.
В настоящее время существует потребность в регулируемом сепараторе, который может регулировать распределение размеров частиц, которое допускается на выходе из мельницы и для подачи в котел.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описана сепараторная система 100, предназначенная для отделения более крупных частиц от более мелких частиц, захваченных восходящими воздушными потоками, имеющая:
кожух 110, имеющий по существу круглое поперечное сечение;
усеченный конус 120 внутри кожуха 110, имеющий большее сечение в его верхней части и небольшой конический выход 230 в его нижней части, причем конус 120 ограничивает внутреннюю камеру 125;
наружную камеру 190 между кожухом и конусом 120, приспособленную для приема более крупных и более мелких частиц, захваченных восходящим воздушным потоком;
сортировочное кольцо 130 в верхней части конуса 120, имеющее раму 133 со множеством окон 131 с лопастями 140, шарнирно установленными рядом с каждым окном; где лопасти 140 могут регулироваться для того, чтобы частично или полностью закрывать окна 131, таким образом влияя на размеры частиц, которым позволяется проходить через них во внутреннюю камеру 125;
выход 240 топливопровода над сортировочным кольцом 130, приспособленный для того, чтобы выпускать воздушный поток из сепараторной системы 100.
Изобретение может также включать в себя:
систему 260 регулирования, имеющую:
по меньшей мере один датчик 263 давления, расположенный перед сортировочным кольцом 130 для того, чтобы измерять давление воздуха, поступающего в сортировочное кольцо 130;
по меньшей мере один датчик 261 давления, расположенный после сортировочного кольца 130 для того, чтобы измерять давление воздуха, покидающего сортировочное кольцо 130;
устройство 269 определения крупности, предназначенное для определения размеров частиц, выходящих из выхода 240 топливопровода; и
блок 265 управления, приспособленный для получения сигналов от датчиков и для расчета установки лопастей 140.
Описание можно будет легче понять с помощью обращения к следующему подробному описанию различных отличительных особенностей данного раскрытия и примеров, включенных в него.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Обратимся теперь к фигурам, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями:
на фиг.1 показан вид в вертикальной проекции одного варианта исполнения сепаратора согласно настоящему изобретению, когда он помещается на мельнице;
на фиг.2 показан в частичном разрезе перспективный вид сепаратора согласно настоящему изобретению, когда он помещается на мельнице;
на фиг.3 показан перспективный вид сортировочного кольца согласно фиг.2; и
на фиг.4 показан перспективный вид изнутри сортировочного кольца согласно фиг.2, демонстрирующий две сортировочные лопасти согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Усилие, которое прилагает к частице текучий воздух, пропорционально коэффициенту лобового сопротивления в направлении потока. Сила тяжести также прилагает усилие к частицам по направлению вниз. Так как частицы захватываются потоком воздуха и движутся со скоростью в определенном направлении, они обладают количеством движения.
Например, в случае, если поток изменяет направление, существует усилие, пропорциональное коэффициенту лобового сопротивления, направляющее частицу в новом направлении. Если две частицы, имеющие сходные коэффициенты лобового сопротивления, но значительно различающиеся массы, захвачены одним воздушным потоком и поток изменяет сопротивление, существует сходное усилие, приложенное к обеим частицам. При условии, что масса первой частицы была достаточно мала для наличия небольшого количества движения, она может быть легко отклоненной усилием, и ее скорость может быть перенаправлена в направлении потока. Однако при условии, что вторая частица имеет большую массу и большее количество движения, усилие лишь частично отклоняет скорость второй частицы.
Если поток изменяет свою направленность для обхода твердого барьера, существует возможность того, что вторая частица не изменит свое направление в достаточной степени для того, чтобы обойти барьер, и ударяется о барьер. В этом случае она прилагает большую часть своей энергии к барьеру и замедляется или отскакивает. В любом случае она может оказаться вне воздушного потока и поэтому под воздействием силы тяжести попадет вниз в распылитель.
Если более тяжелая вторая частица была отклонена в достаточной степени для того, чтобы миновать барьер, но направляется во внешнюю часть воздушного потока, она затем выпадет из воздушного потока. Обычно в периферии воздушного потока воздух движется медленнее. Поскольку влекущая сила, которая захватывает частицы, является усилием, зависящим от скорости, возможно, что усилие будет недостаточным для удерживания частицы, и опять вторая частица падает вниз из потока.
Первоначально предполагалось, что влекущая сила обеих частиц была сходной. Хотя более тяжелые частицы обычно больше, влекущая сила не увеличивается в той же степени, что и масса. Поэтому это предположение является действительным.
Когда радиус кривизны воздушного потока с захваченными частицами становится меньше, средний размер частиц, остающихся захваченными, также меньше.
Классификация мельничного продукта осуществляется, когда воздушно-угольный поток подвергается радиальному ускорению, когда он проходит через лопасти сепаратора. Более крупные частицы, обладающие большим количеством движения, не могут пройти по искривленному пути потока и возвращаются на стол для дальнейшего измельчения, в то время как мелкие частицы покидают сепаратор, будучи захваченными первичным воздухом.
Если сепаратор настроен на то, чтобы отторгать все частицы за исключением имеющих очень небольшие размеры, более крупные частицы вдуваются в сепаратор, отторгаются и падают обратно в распылитель. Это может случаться многократно, увеличивая энергию, требующуюся для получения требующегося количества топлива для печи.
Однако в случае, если частицы, поступающие в печь, слишком велики, они не сгорают полностью, в результате чего в золу попадает не сгоревший углерод, что делает ее не пригодной для производства бетона.
Более мелкие частицы способствуют улучшению эффективности сгорания и уменьшению количества не сгоревшего углерода. Это косвенным образом ведет к уменьшению выбросов NOx.
Поэтому требуется компромисс между этими ограничениями для определения размеров применяемых частиц.
Поэтому способность настраивать лопасти сепаратора во время работы мельницы позволяет оптимизировать его работу.
Настоящее изобретение относится к определенным новым и полезным улучшениям в сепараторе и, в частности, к сепаратору циклонного типа, приспособленному для использования в прямой связи с мельницей или распылителем для отделения более мелкого, распыленного в достаточной степени материала от более крупного материала, который возвращается в мельницу для дальнейшего измельчения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Как показано на фиг.1 и 2, уголь подают в мельницу (не показана), в которой уголь измельчают, через питающую трубу 210. Сепаратор выполнен с возможностью принимать смесь крупных и мелких частиц, содержащихся в восходящем воздушном потоке от расположенной ниже мельницы (не показана). Частицы и воздушный поток, обозначенные стрелками «А», вдуваются вверх в наружную камеру 190, образованную между наружным кожухом 110 и внутренним конусом 120.
Воздушный поток и захваченные частицы поступают в сортировочное кольцо 130 путем продувки мимо лопастей 130, мимо отводящего устройства потока 250 и во внутреннюю камеру 125, находящуюся внутри конуса 120.
Благодаря поворотам воздушного потока более тяжелые частицы выпадают из потока и скользят вниз внутри конуса 120 к выходному отверстию конуса 127 и обратно на дробильный стол мельницы для повторного измельчения.
Более легкие частицы следуют с восходящим потоком к верхней части кожуха 110 и из топливного канала 240.
На фиг.3 показан перспективный вид сортировочного кольца согласно фиг.2.
Сепараторное кольцо 130 образует извилистый путь для воздушного потока и частиц, который ведет к выпадению частиц из воздушного потока. Как показано выше, чем меньше радиус кривизны воздушного потока, тем меньше количество частиц, которые остаются захваченными воздушным потоком. Поэтому путем регулирования формы воздушного потока изменяется распределение частиц, проходящих через сепаратор 100.
Рама 133 имеет множество окон 131, каждое из которых имеет лопасть 140. Устройство 170 настройки кольца приводит в действие управляющее кольцо 160 для приведения в движение множества звеньев 150, каждое из которых соединяется с одной стороной лопасти 140. Управляющее кольцо 160 находится внутри кожуха 110. Это обеспечивает его защиту и уменьшает вероятность повреждения или закупоривания материалом.
На фиг.4 показан перспективный вид с внутренней стороны сепараторного кольца согласно фиг.2, демонстрирующий две лопасти сепаратора согласно настоящему изобретению.
Как показано на фиг.3 и 4, другая сторона каждой лопасти 140 имеет шарнир 141, прикрепленный к раме 133. Звенья 150 имеют крепление лопасти, шарнирно присоединенное к лопасти 140, при другой стороне, шарнирно соединенной с управляющим кольцом 160.
Ручка 173 устройства 170 настройки кольца может быть использована для перемещения вручную штыря 171 к новому отверстию 177 на фиксированной пластине 175. Это перемещает вручную управляющее кольцо 160 относительно рамы 133 для того, чтобы вызвать в звеньях 150 или дальнейшее открывание, или закрывание лопастей 140. Путем изменения положения лопастей 140 относительно окон 131 в раме 133 производится создание различных схем воздушных потоков и, следовательно, различное гранулометрическое распределение частиц, выходящих из сепаратора в печь.
На фиг.4 показана также криволинейная аэродинамическая форма лопастей 140. В применяемых до сих пор конструкциях используются плоские угловые пластины, которые служат лопастями. Воздушный поток, который проходит в окна 131, должен ударяться о применяемую до сих пор лопасть и проходит вокруг лопасти. Это должно создавать значительную турбулентность внутри конуса (120 на фиг.1 и 2) и внутри внутренней камеры (125 на фиг.1). Поскольку турбулентность вызывает усиленный захват частиц, это продлевает время, в течение которого более крупные частицы отделяются от воздушного потока.
Криволинейные лопасти 140, которые также могут иметь аэродинамическое поперечное сечение, позволяют воздушному потоку проходить мимо лопастей с меньшей турбулентностью. Это допускает более быструю сепарацию и уменьшает рециркуляцию.
Вариант осуществления настоящего изобретения, описанный выше, может быть настроен на получение более мелких частиц, чем требуется. Более мелкие частицы улучшают показатели сгорания и уменьшают количество топлива, которое бесполезно расходуется в виде углерода в золе. Более низкая концентрация углерода в золе позволяет продавать золу для изготовления бетона и сводит к минимуму количество, которое должно быть использовано другими путями, обычно для отсыпки грунта. Аналогичным образом низкая концентрация углерода в зольной пыли позволяет продавать гипс, образующийся в системах десульфурации топочного газа, позволяя получать доход вместо несения расходов по его удалению.
Настройка лопастей позволяет также оптимизировать систему для уменьшения выбросов NOx и уменьшить перепад давления в распылителе. И то, и другое позволяет снизить издержки.
Альтернативные варианты реализации
В альтернативном варианте реализации системы применяется регулировочная схема 260. Она имеет датчик 261 воздушного давления, расположенный на выходе из сепаратора рядом с выходом 240 топливопровода. На выходе 240 топливопровода имеется также устройство 269 определения крупности.
Другой датчик 263 давления измеряет давление воздуха перед тем, как воздушный поток поступает в сепаратор. При этом варианте реализации он находится в наружной камере 190.
Информация, полученная от датчиков 261, 263 давления и устройства 269 определения крупности, подается в блок 265 управления. В нем производятся расчеты и приводится в действие двигатель 267 для регулирования положения лопастей 140. Поскольку это может быть выполнено многократно, система настройки может испробовать многие различные параметры при отслеживании этой информации и определении оптимальной крупности частиц и перепада давления. Блок 265 управления может включать в себя обычный интерфейс пользователя, чтобы позволить пользователю выбрать различные сочетания установки лопасти, перепада давления и крупности частиц.
В другом альтернативном варианте осуществления к регулировочной системе 260 добавляют датчики NOx, которые помещают в топочных газах, выходящих из печи, которые принимают воздушный поток с частицами из выходов 240 топливопровода. Теперь блок управления может также следить за выбросами NOx из печи. Учитывая временной лаг для частиц, необходимый для покидания топливопроводов 240, сгорания в печи и образования NOx в топочном газе, регулировочная система 260 может проследить, каким образом положение лопастей 140 может влиять на образования выбросов NOx. Также эта система может многократно выбирать различные положения лопастей 140 и отслеживать результаты. При определенной настройке выбросы NOx могут быть сведены к минимуму. В действительности, выбранной настройкой может быть не минимальное содержание NOx, а компромисс между выбросами NOx и перепадом давления.
Еще в одном варианте осуществления могут быть измерены другие физические параметры, такие как температура, влажность и т.д., которые подаются в блок управления для принятия обоснованных решений о наилучшей установке лопастей 140.
Преимущественно, настоящее изобретение позволяет решить проблемы, отмеченные в существующих технических решениях.
Если не оговорено иное, все диапазоны, описанные здесь, являются включающими в себя и соединяющимися в конечных точках и во всех промежуточных точках. Термины «первый», «второй» и тому подобные не означают какой-либо порядок, количество или важность, но скорее используются для того, чтобы отличать один элемент от другого. Термины, означающие единственное число, не означают ограничения количества, но скорее означают присутствие по меньшей мере одного из упомянутых элементов. Любые числовые показатели, определенные термином «около», являются включающими в себя точное числовое значение, если только не оговорено другое.
Данное письменное описание использует примеры для раскрытия изобретения, включая наилучший вариант, а также позволяет любому специалисту в данной области техники осуществить и использовать изобретение. Патентуемый объем изобретения определяется пунктами формулы изобретения и может включать другие примеры, которые приходят на ум специалистам в данной области техники. Такие другие примеры должны входить в объем формулы изобретения, если они имеют конструкционные элементы, которые не отличаются от буквальной формулировки формулы изобретения или если они включают в себя эквивалентные конструкционные элементы с незначительными отличиями от буквальной формулировки формулы изобретения.
1. Сепараторная система, предназначенная для отделения более крупных частиц от более мелких частиц, захваченных восходящими воздушными потоками, содержащая:
кожух, имеющий по существу круглое поперечное сечение;
усеченный конус внутри кожуха, имеющий большее сечение в своей верхней части и небольшой конический выход в своей нижней части, причем конус ограничивает внутреннюю камеру;
наружную камеру между кожухом и конусом, приспособленную для приема более крупных и более мелких частиц, захваченных восходящим воздушным потоком;
сортировочное кольцо в верхней части конуса, имеющее раму с множеством окон с лопастями, шарнирно установленными рядом с каждым окном, где лопасти могут регулироваться для того, чтобы частично или полностью закрывать окна, таким образом влияя на размеры частиц, которым позволяется проходить через них во внутреннюю камеру; и
выход топливопровода над сортировочным кольцом, приспособленный для того, чтобы выпускать воздушный поток из сепараторной системы.
2. Сепараторная система по п.1, в которой лопасти имеют криволинейную форму.
3. Сепараторная система по п.1, в которой лопасти имеют аэродинамическое поперечное сечение.
4. Сепараторная система по п.1, в которой лопасти имеют опору по краю для шарнирного крепления лопасти к раме.
5. Сепараторная система по п.1, которая имеет управляющее кольцо, расположенное внутри кожуха, которое имеет множество звеньев, прикрепленных между управляющим кольцом и лопастями так, что при вращении кольца относительно рамы звенья дополнительно открывают или закрывают все лопасти.
6. Сепараторная система по п.1, в которой каждая из лопастей шарнирно соединяется с рамой с боковой стороны.
7. Сепараторная система по п.1, которая содержит также кольцевое регулировочное устройство, размещенное внутри кожуха, допуская регулировку вручную управляющего кольца, которая приводит к регулировке положения лопасти.
8. Сепараторная система по п.5, которая содержит также:
кольцевое регулировочное устройство, имеющее ручку, которая перемещает исполнительный рычаг, который перемещает управляющее кольцо для регулировки вручную положения лопастей.
9. Сепараторная система по п.1, которая содержит также:
управляющее кольцо, концентрично расположенное в сортировочном кольце, приспособленное для вращения в плоскости сортировочного кольца относительно сортировочного кольца;
множество звеньев, каждое из которых соединяется с лопастью управляющего кольца, регулируя, таким образом, положение лопастей.
10. Сепараторная система по п.1, которая также содержит:
систему регулирования, имеющую:
по меньшей мере один датчик давления, расположенный перед сортировочным кольцом для того, чтобы измерять давление воздуха, поступающего в сортировочное кольцо;
по меньшей мере один датчик давления, расположенный после сортировочного кольца для того, чтобы измерять давление воздуха, покидающего сортировочное кольцо;
устройство определения крупности, предназначенное для определения размеров частиц, выходящих из выхода топливопровода; и
блок управления, приспособленный для получения сигналов от датчиков и для расчета установки лопастей.
11. Сепараторная система по п.10, в которой блок управления приспособлен для варьирования установки лопастей, измерений соответствующих физических параметров и оптимизации по меньшей мере одного из физических параметров.
12. Сепараторная система по п.10, в которой блок управления приспособлен для взаимодействия с оператором для получения ограничений от оператора.
13. Сепараторная система по п.12, в которой блок управления обладает способностью многократно испытывать различные установки лопастей для обеспечения установки, наилучшим образом соответствующей ограничениям.
14. Сепараторная система по п.12, в которой ограничения направлены как на сведение к минимуму противодавления сепаратора, так и выбросов NOx из печи.
