УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ И/ИЛИ ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАКЦИЙ МЕЖДУ ТВЕРДЫМ ВЕЩЕСТВОМ И ГАЗОМ, А ТАКЖЕ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТА
APPARATUS AND METHOD OF CONDUCTING CHEMICAL AND/OR PHYSICAL REACTIONS BETWEEN SOLID SUBSTANCE AND GAS, AS WELL AS APPARATUS FOR PRODUCING CEMENT

Изобретение относится к устройству, а также способу проведения химической и/или физической реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, а также к установке для производства цемента.
Из практики известны, в частности, системы для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, состоящие из прямоточных теплообменников и циклонных сепараторов. Чаще всего такие устройства имеют несколько расположенных одна над другой ступеней, при этом поток газа направляется снизу вверх через все ступени, в то время как твердое вещество подается на отдельные ступени в противоположном направлении.
Такие системы имеют тот недостаток, что для них необходима огромная монтажная высота, а степень сепарации в циклонном сепараторе не всегда является удовлетворительной. Так, часто в циклонах возникают неконтролируемые течения, которые обусловлены, например, наложением входного газового потока с образовавшимся в циклоне вихревым потоком или изменением направления газового потока в конусе циклона. Кроме того, может случиться повторное вовлечение уже отсепарированных на краю циклона частиц во входной поток газа циклона.
Другая проблема состоит в том, что при разных по высоте конструктивных формах центробежные силы изменяются при одинаковых входных скоростях и таким образом создаются другие условия сепарации.
Поэтому в US 4318697 предложен многоступенчатый подогреватель для цементного сырья, отдельные ступени которого состоят из подъемного трубопровода и соединенного с ним винтообразного и/или спирального трубопровода. Винтообразной и/или спиральный трубопровод имеет прямоугольное поперечное сечение и подсоединен к боковой поверхности сепарационной камеры в форме прямоугольного параллелепипеда. При этом место соединения проходит по всей боковой поверхности сепарационной камеры в форме прямоугольного параллелепипеда. Нижняя часть сепарационной камеры сужается в форме раструба и служит для удаления твердого вещества, между тем как газ отводится вверх. Однако степень сепарации этой сепарационной камеры недостаточна.
Из DE 10309575 А1 известен циклотрон для сепарации частиц из смеси газа и частиц, который имеет входящий под углом всасывающий канал. Частицы отводят вниз, а газ отводят по присоединенной к циклотрону погружной трубе.
В основу изобретения положена задача улучшить степень сепарации в сепарационной камере.
В соответствии с изобретением эта задача решается за счет признаков пунктов 1 и 13 формулы изобретения.
Устройство согласно изобретению для проведения химической и/или физической реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, по существу состоит по меньшей мере из одного винтообразного и/или спирального трубопровода, в котором посредством центробежных сил происходит разделение суспензии газ/твердое вещество на поток твердого вещества и поток газа, и по меньшей мере одного сообщающегося с концом спирального трубопровода сепарационного участка, к которому подведены трубопровод твердого вещества для удаления потока твердого вещества и газопровод для отвода потока газа. При этом сепарационный участок образован нижней частью газопровода, причем сепарационный участок в зоне присоединения винтообразного и/или спирального трубопровода и примыкающая сверху часть газопровода имеют одинаковый диаметр. Винтообразный и/или спиральный трубопровод подсоединен тангенциально для образования вихревого течения с углом относительно горизонтали, по меньшей мере, 30º на сепарационном участке.
Под винтообразным и/или спиральным трубопроводом в смысле изобретения понимается трубопровод, который, по меньшей мере, на отдельных участках выполнен винтообразным и/или спиральным. При этом поворот винтообразного и/или спирального трубопровода может также проходить, в частности, лишь на небольшой угловой диапазон, например 90º.
Существенное отличие относительно известных до настоящего времени решений состоит в том, что за винтообразным и/или спиральным трубопроводом не следует циклонный сепаратор, а лишь газопровод с подключенным трубопроводом твердого вещества. За счет такого подсоединения винтообразного и/или спирального трубопровода к газопроводу отделенное раньше из газового потока твердое вещество подается непосредственно на трубопровод твердого вещества и при этом газовый поток переходит в режим вихревого течения. Этим исключается, что материал повторно захватывается и выгружается газовым потоком.
Опыты, на которых базируется изобретение, показали, что за счет создания такого вихревого течения разделение потока твердого вещества и газового потока может осуществляться с высоким кпд. При этом из суспензии газ/твердое вещество может быть сепарировано, в частности, 70-100% материала.
Другие варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
В способе согласно изобретению суспензия газ/твердое вещество транспортируется по винтообразному и/или спиральному трубопроводу в газопровод таким образом, что в газопроводе создается вихревое течение и твердое вещество отводится непосредственно вниз.
Согласно изобретению винтообразный и/или спиральный трубопровод для создания вихревого течения подключают тангенциально к следующему за ним газопроводу. Под тангенциальными понимаются, разумеется, также такие соединения винтообразного и/или спирального трубопровода, которые ориентированы примерно тангенциально.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения газопровод выполнен круговым для поддержания вихревого течения. Кроме того, является преимуществом, что винтообразный и/или спиральный трубопровод может быть подключен к газопроводу под углом относительно горизонтали между 30º и 60º. Таким образом, твердое вещество может подаваться непосредственно вниз на трубопровод твердого вещества, а газовый поток отводиться вверх.
Чтобы подержать создание вихревого течения, ширина винтообразного и/или спирального трубопровода, если смотреть в горизонтальном направлении, в зоне соединения с сепарационной камерой меньше, чем ширина сепарационной камеры, и предпочтительно меньше 50% ширины сепарационной камеры.
В предпочтительном варианте осуществления нижняя часть газопровода выполнена воронкообразно сужающейся, причем трубопровод твердого вещества присоединен к воронкообразно сужающейся части газопровода.
Газопровод в дальнейшем пути транспортировки газа в направлении течения может иметь меньший или больший диаметр. Таким образом, можно воздействовать на технологические параметры, такие как падение давления или степень сепарации, и оптимизировать их.
На практике устройство целесообразно выполнить как многоступенчатую и/или многониточную систему с несколькими винтообразными и/или спиральными трубопроводами и соответствующими газопроводами. При этом может быть предусмотрен, в частности, трубопровод суспензии газ/твердое вещество, который содержит подъемный трубопровод и нисходящий винтообразной и/или спиральный трубопровод, которые соединены между собой посредством угловой головки.
В многоступенчатой системе предусмотрено несколько расположенных одна над другой ступеней, при этом каждая ступень включает следующие конструктивные элементы:
а) трубопровод суспензии газ/твердое вещество для перемещения суспензии газ/твердое вещество по винтообразному и/или спиральному трубопроводу,
б) сепарационный участок,
в) трубопровод твердого вещества для удаления отделенного твердого вещества,
г) газопровод для отвода отделенного газа, при этом газопровод одной ступени переходит в трубопровод суспензии газ/твердое вещество следующей, более высокой ступени, и трубопровод твердого вещества одной ступени входит в трубопровод суспензии газ/твердое вещество следующей, более низкой ступени.
Ниже поясняются более детально другие преимущества и варианты осуществления изобретения на основе описания и чертежей.
На чертежах показаны:
Фиг.1 - вид спереди устройства с винтообразным и/или спиральным трубопроводом и газопроводом,
Фиг.2 - повернутый на 90º вид устройства по фиг.1,
Фиг.3 - вид сверху устройства по фиг.1,
Фиг.4 - вид сбоку многоступенчатой системы,
Фиг.5 - вид сверху многоступенчатой системы по фиг.4,
Фиг.6 - пространственное изображение установки для производства цемента.
Изображенное на фиг.1-3 устройство для проведения химической и/или физической реакций между твердым веществом 4 и газом 5, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, по существу состоит, по меньшей мере, из одного винтообразного или спирального трубопровода 1, по меньшей мере, одного сообщающегося с концом спирального трубопровода 1 газопровода 2 для отвода потока газа, а также присоединенного к газопроводу трубопровода 3 твердого вещества для удаления твердого вещества.
Нижняя часть газопровода 2, в которую входит винтообразный и/или спиральный трубопровод 1, образует сепарационный участок 2а, причем этот сепарационный участок и примыкающая сверху часть газопровода 2 имеют одинаковый диаметр. Винтообразный и/или спиральный трубопровод 1 подсоединен тангенциально и под углом α относительно горизонтали, по меньшей мере, 30º к сепарационному участку 2а. Угол α находится предпочтительно в пределах 30º-60º.
Далее, газопровод 2 или, соответственно, сепарационный участок 2а газопровода 2 имеет в своей нижней зоне воронкообразно сужающуюся часть 2b, к которой подключен трубопровод 3 твердого вещества. Воронкообразно сужающаяся часть 2b примыкает непосредственно под местом входа винтообразного и/или спирального трубопровода 1. Но в рамках изобретения допустимо также, что между нижней частью места входа винтообразного и/или спирального трубопровода 1 и воронкообразно сужающейся частью 2b предусмотрен небольшой зазор, который, однако, меньше радиуса, предпочтительно меньше половины радиуса, который должен был бы иметь газопровод 2 в зоне входа.
Для проведения химической и/или физической реакций между твердым веществом и газом по винтообразному и/или спиральному трубопроводу 1 подают суспензию газ/твердое вещества в газопровод 2. При этом в винтообразном и/или спиральном трубопроводе 1 вследствие центробежных сил происходит предварительное разделение суспензии газ/твердое тело на поток твердого вещества 4 и поток газа 5.
За счет такого подсоединения винтообразного и/или спирального трубопровода к газопроводу отделившийся раньше от газового потока поток твердого вещества 4 подается непосредственно по воронкообразно сужающейся части 2b на трубопровод 3 твердого вещества. При этом газовый поток 5 переходит в режим вихревого течения и отводится вверх по газопроводу 2. Этим исключается, что материал повторно захватывается и выгружается газовым потоком.
Направленная под углом вниз подача материала в газопровод исключает также, что в зоне соединения винтообразного и/или спирального трубопровода 1 может образоваться наложение материалопотока с созданным в газопроводе вихревым течением. Опыты, на которых базируется изобретение, показали, что за счет создания этого вихревого течения разделение потока твердого вещества и газового потока может осуществляться с высоким кпд.
В другом варианте осуществления изобретения поперечное сечение газопровода 2 в зоне соединения составляет от 0,5 до 1,5 от поперечного сечения винтообразного и/или спирального трубопровода 1. Это соотношение сечений поддерживает создание вихревого течения.
Для определенных случаев использования устройства, например такого, как устройство для тепловой обработки мелкозернистого материала, может быть предусмотрен, как в приведенном примере осуществления, трубопровод суспензии газ/твердое вещество, который содержит подъемный трубопровод 6 и нисходящий винтообразный и/или спиральный трубопровод 1, и при этом далее предусмотрена угловая головка 7, которая соединяет подъемный трубопровод 6 с винтообразным и/или спиральным трубопроводом 1. Благодаря восходящей и нисходящей ветвям трубопровода суспензии газ/твердое вещество обеспечивается достаточное время контактирования между газом и твердым веществом. С другой стороны, благодаря этой конструкции может быть достигнута очень компактная конструктивная форма с относительно низкой монтажной высотой.
В рамках изобретения допустимо, что изменяется радиус, и/или подъем, и/или форма поперечного сечения, и/или величина поперечного сечения винтообразного и/или спирального трубопровода 1 в направлении течения суспензии газ/твердое вещество. Таким образом, во-первых, можно воздействовать на предварительное разделение суспензии газ/твердое вещество в зоне винтообразного и/или спирального трубопровода и, во-вторых, винтообразный и/или спиральный трубопровод 1 может быть приспособлен к конкретным внешним условиям. Это создает преимущество, в частности, в том случае, если несколько ступеней встроены одна в другую и расположены одна над другой.
При этом радиус, подъем, форма поперечного сечения и/или величина поперечного сечения могут изменяться в направлении течения скачкообразно и/или, по меньшей мере, на каком-то участке непрерывно. Так, например, уменьшение радиуса вызывает повышение центробежной силы, а повышение радиуса соответствует уменьшению центробежной силы. За счет изменения формы и величины поперечного сечения можно воздействовать на скорость течения.
Обычно вышеописанное устройство выполняется как многоступенчатая и/или многониточная система с несколькими винтообразными и/или спиральными трубопроводами и соответствующими газопроводами. Трехступенчатая система схематично изображена на фиг.4 и 5. При этом речь идет, в частности, о нижней ступени I, средней ступени II и верхней ступени III, при этом соответственно газопровод 2 другой, расположенной ниже ступени переходит в винтообразный и/или спиральный трубопровод 1 расположенной выше ступени. Газопровод 2” самой верхней ступени III подключен, например, для удаления пыли к фильтру или расположенному дальше высокоэффективному сепаратору. Когда речь идет о трубопроводах 3 твердого вещества, происходит обратный процесс. Так, трубопровод твердого вещества 3” самой верхней ступени III присоединен к ведущему к винтообразному и/или спиральному трубопроводу 1' средней ступени II газопроводу 2, а трубопровод твердого вещества средней ступени II сообщается с ведущим к винтообразному и/или спиральному трубопроводу 1 нижней ступени I газопроводом. Трубопровод 3 твердого вещества самой нижней ступени I сообщается со следующим дальше агрегатом, например кальцинатором или вращающейся трубной печью. Таким образом поданное в ведущий к винтообразному и/или спиральному трубопроводу 1” верхней ступени III газопровод твердое вещество подвергается тепловой обработке в горячем потоке газа.
Как видно, в частности, из фиг.4 и 5, отдельные ступени многоступенчатой системы на основе винтообразных и/или спиральных трубопроводов могут быть расположены встроенными одна в другую, так что в вертикальном направлении образуется очень компактная цельная система.
Наконец, на фиг.6 показано пространственное изображение установки для тепловой обработки мелкозернистого материала при производстве цемента с вращающейся трубной печью 10, кальцинатором 20 и подогревателем 30. При этом кальцинатор 20 и/или подогреватель 30 могут быть выполнены в соответствии с описанным в фиг.1-5 устройством.