ЗОНД И СИСТЕМА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГАЗОВ ИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
PROBE AND SYSTEM FOR REMOVAL OF GASES FROM PROCESS EQUIPMENT

Настоящее изобретение, в общем, относится к системе для регулирования и контроля химических процессов, которые включают в себя генерацию газа, например, в процессе горения в печах, используемых в производстве цемента.
Известны системы для извлечения (отбора) газов из топочной камеры, которые предусмотрены с зондами, монтируемыми в топочной печи, в которых извлеченные газы передаются к анализаторам.
Для извлечения газов в таких системах используют небольшой насос низкой мощности и низкого давления для всасывания (через зонд). Это подразумевает обработку горячих/влажных газов, дающих увеличение разъедающих кислот, которые оказывают агрессивное воздействие на соединения, трубы и различные компоненты, вовлеченные в прохождение потока газа, усугубляя ситуацию. Для предотвращения осаждения конденсата в системе (поскольку он втягивается в горячий/влажный газ) необходимо нагревать всасывающий патрубок, фильтр и трубу, но с ухудшением результатов (проблем уплотнения, образованием кислот и так далее).
Зонды дополнительно имеют серьезные проблемы засорения патрубка для всасывания газа, что делает работу ненадежной.
Кроме того, в традиционных зондах фильтрацию пыли осуществляют единственно с помощью фильтра, который перегружается и засоряется. Очистку зонда осуществляют посредством программируемого цикла промывки сжатым воздухом, но часто этого недостаточно для его полного восстановления и, кроме того, это вводит загрязнение в газ, подлежащий анализу.
Вследствие этих проблем значения анализа топочного газа являются приблизительными и нерегулярными, ведущими к неправильному представлению о правильном управлении линией, особенно в случае использования альтернативного топлива. В последнем случае даже самые лучшие зонды, нашедшие в настоящее время применение в промышленности, имеют свои ограничения. Только благодаря тщательному и непрерывному надзору и техническому обслуживанию человеком становится возможным получение результатов, которые даже в таком случае являются только едва достаточными.
В документах GB-A-1 445 061, US-A-4 336 722, DE 44 30 378 A1, CA-A1-1 196 846 и US-A-3 938 390 описаны системы, предназначенные для извлечения газообразных текучих сред из технологического оборудования с целью анализа.
В частности, в документах GB-A-1 445 061 описана система для извлечения газообразной текучей среды из технологического оборудования с целью анализа, содержащая:
зонд для извлечения указанной газообразной текучей среды, содержащий первый трубчатый элемент, который может быть позиционирован внутри технологического оборудования, причем указанный первый трубчатый элемент имеет на одном конце всасывающее газ отверстие и ограничивает внутреннюю полость, и второй трубчатый элемент, проходящий в полости первого трубчатого элемента, причем указанный второй трубчатый элемент поддается управлению для инжекции указанной газообразной текучей среды внутрь полости по направлению к указанному всасывающему отверстию первого трубчатого элемента и оттуда снова в технологическое оборудование;
всасывающее средство для всасывания газообразной текучей среды из технологического оборудования через полость указанного первого трубчатого элемента зонда;
извлекающее средство, соединенное с указанным всасывающим средством для извлечения фракции указанной газообразной текучей среды, причем указанное извлекающее средство дополнительно соединено с анализатором для анализа указанной газообразной текучей среды;
средство для повторной инжекции, предназначенное для повторной инжекции указанной газообразной текучей среды в технологическое оборудование через второй трубчатый элемент.
Система, описанная в документе GB-A-1 445 061, только ограниченно решает проблему предотвращения засорения зонда.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение получения системы для извлечения газообразной текучей среды для анализа из технологического оборудования, которая препятствует или, по меньшей мере, уменьшает наличие засорения зонда, то есть гарантирует непрерывность использования без непрерывных вмешательств с целью технического обслуживания (для улучшений системы извлечения газа и непрерывности и надежности анализа).
Эту задачу решают в соответствии с настоящим изобретением посредством системы для извлечения газообразной текучей среды для анализа из технологического оборудования, имеющего характеристики, ограниченные в пункте 1 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления зонда ограничены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение способа извлечения и повторной инжекции газообразной текучей среды из технологического оборудования и в технологическое оборудование, имеющего характеристики, ограниченные в пункте 12 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления системы, соответствующей настоящему изобретению, ограничены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Эта система, благодаря взаимодействию с зондом, соответствующим настоящему изобретению, уменьшает содержание пыли (уменьшая нагрузку на фильтр), создает возможность осушения газа (не засоряя и не генерируя кислот) и самоочищается без помощи сжатого воздуха посредством использования самого технологического газа (не нарушая в соответствии с этим непрерывности анализа).
Ее использование делает возможным извлечение газообразных продуктов сгорания из топочной камеры так, чтобы они могли быть подвергнуты анализу с помощью классических анализаторов. Это создает возможность получения надежных анализов газообразных продуктов сгорания топочных камер. Следовательно, имеется возможность оптимизации регулирования (контроля) оборудования (уменьшая потребление топлива и улучшая отношение качество/количество продуктов топочной камеры) и соотношения текущий контроль/уменьшение выбросов в атмосферу.
2
Надежность и непрерывность системы делает возможным использование ее выхода для автоматического управления топочной камерой (без промывки сжатым воздухом, которая дает увеличение пиков O). Производительность компрессора высока, по этой причине его реакция быстрее, чем в обычных системах, а возможные микропотери не оказывают влияния. Следовательно, получают более надежный анализ.
Она применима для любого типа печи (в любых условиях использования: температура, уровень содержания пыли, пар, кислота и так далее) с любым типом топлива (даже альтернативного топлива или отходов, используемых в качестве топлива) и любым типом технологического материала.
Зонд разработан для печей, используемых в производстве цемента, но он может быть использован в технологическом оборудовании на промышленных предприятиях другого типа, например сталелитейных заводах, термоэлектрических установках, химических/нефтехимических предприятиях, при измельчении и хранении технического алмаза, мусоросжигательных установках, складах взрывчатых веществ, то есть, скажем, во всех тех секторах, где требуется извлекать газ для последующего анализа (топочные камеры, складские помещения, дымоходы, трубопроводы и так далее).
Выдающимся свойством зонда и системы, соответствующих настоящему изобретению, является уменьшенная необходимость технического обслуживания и текущего ремонта. Это обеспечивается благодаря предотвращению всасывания пыли/конденсата и благодаря интенсивному и непрерывному распылению сжатого газа, гарантируемому компрессором.
Фильтр имеет большой ресурс, поскольку он самоочищается мощным противотоком газа в течение быстрого выпуска для очистки зонда.
Кроме того, уменьшения сухой пыли достигают путем использования сжатого газа из топочной камеры и без распыления воды. Кроме этого, имеет место сушка газа с последующим уменьшением содержания кислот. Система является самоочищающейся в непрерывном цикле и в этом случае с помощью эффекта сжатого газа и по этой причине не требует цикла промывки сжатым воздухом, который будет искажать (вносить ложную информацию) анализ газа (благодаря его загрязнению), но путем использования газа из топочной камеры. Это позволяет избежать большого числа панелей управления для обработки газа (с помощью фильтров, нейтрализующих кислоту средств, барботажных камер и так далее), панелей управления для электромагнитных клапанов и различных специальных панелей электрического управления (с помощью программируемого логического контроллера). Это ведет к уменьшению соответствующих проблем и затрат.
Зонд является простым для монтажа, не требуя больших трудозатрат для адаптации существующей системы к возможности его соединения. Кроме того, он не требует большого ухода при исследовании для оптимизации позиционирования в топочной камере (минимальной точки запыленности и так далее).
Для использования при высоких температурах зонд является водоохлаждаемым. Он имеет антиконденсатное пространство для отделения горячей зоны (газового контура) от холодной зоны (рубашки водяного охлаждения), обеспечивая возможность извлекаемому газу сохранять его температуру. Такая конструкция предотвращает образование конденсата на внутренней стенке всасывающей трубки, минимизируя в соответствии с этим засорение пылью. Две камеры для газа и охлаждения могут быть разделены, поскольку они соединены с фланцами. Это делает возможным удаление только газового контура из топочной камеры (для возможного контроля и очистки, даже при работающей топочной камере), оставляя только систему охлаждения, прикрепленной к топочной камере.
Далее со ссылкой на сопроводительные чертежи будет описан предпочтительный, но не ограничивающий пример осуществления, где
Фиг.1 - общая принципиальная схема системы, соответствующей настоящему изобретению, для извлечения газообразных продуктов горения из топочной камеры;
Фиг.2 - схематический вид сбоку зонда для извлечения газообразных продуктов горения из топочной камеры, соответствующего настоящему изобретению;
Фиг.3 - схематический вид сбоку зонда, иллюстрируемого на фиг.2, без охлаждающей рубашки; и
Фиг.4 - схематический вид сбоку охлаждающей рубашки зонда, иллюстрируемого на фиг.2.
Как следует из фиг.1, система для извлечения газа из технологического оборудования, например топочной камеры (не иллюстрируется), содержит зонд S, компрессор С, трубопровод 20 для подачи охлаждающей воды к зонду S, трубопровод 30 для выпуска этой воды из зонда S, трубопровод 40 для всасывания газа из зонда S и трубопровод 50 для повторной инжекции газа в зонд S/технологическое оборудование.
Система обеспечивается подачей электрического напряжения для компрессора С и электромагнитных клапанов EV1G, EV2G, текучей среды, например воды, для охлаждения зонда S и сжатой текучей среды, например воздуха, для приводов электромагнитных клапанов EV1G, EV2G. В альтернативном варианте низкотемпературный холодильник с замкнутым гидравлическим контуром может быть использован для системы охлаждения.
Как следует из фиг.3, зонд S в его основной конфигурации содержит инжекционное средство и трубчатый элемент - в виде двух концентрических трубок 1 и 2, выполненных, например, из стали AIS304, но возможно использование материалов, более пригодных для высоких температур и стойких против коррозии в кислоте. Внешняя трубка 2 предназначена для всасывания газа, внутренняя трубка 1 предназначена для передачи газа. Этот зонд S пригоден для использования в низкотемпературном технологическом оборудовании. Для его использования при высоких температурах его необходимо обеспечить водоохлаждающей рубашкой (как иллюстрируется на фиг.4).
Как показано на фиг.2, зонд S предусмотрен с камерой для циркуляции газа и водоохлаждающей рубашкой CRA. Эта версия (с водяным охлаждением) предназначена для использования при наличии высоких температур и содержит пять концентрических трубок 1, 2, 3, 4 и 5. Зонд S установлен и закреплен в стенке топочной камеры посредством опорного фланца FS. Головная часть со всасывающим отверстием TS зонда установлена с экранирующим элементом в виде защитного конуса СР, действующим в качестве первого барьера против проникновения загрязнений в зонд.
Три внешние трубки 3, 4, 5 (жестко прикрепляемые к топочной камере посредством фланца FS для обеспечения возможности установки и крепления) образуют охлаждающую камеру CRA, через которую проходит поток воды. Промежуток между внутренней трубкой 3 и промежуточной трубкой 4 рубашки CRA соединен с трубопроводом 20 подачи воды через посредство водяного фильтра FA для охлаждающей воды, а промежуток между промежуточной трубкой 4 и внешней трубкой 5 рубашки CRA соединен с трубопроводом 30 для выпуска воды посредством ручного клапана VМА для регулирования скорости потока охлаждающей воды (расхода охлаждающей воды). Указанные промежутки гидравлически соединены в районе TS головной части зонда. Вверх по технологической цепочке подающего трубопровода 20 и вниз по технологической цепочке выпускного трубопровода 30 расположены соответствующие перепускные клапаны VSA охлаждающей воды. Кроме того, в выпускном трубопроводе 30 расположены датчик Та для контроля температуры воды, датчик Ра для контроля давления воды и датчик Fa для контроля расхода воды.
Две внутренние трубки 1 и 2 фактически и должным образом образуют зонд для извлечения газа (установленный и соединенный с водоохлаждающей рубашкой посредством фланца FL для обеспечения возможности его простого и быстрого удаления даже при монтаже в процессе работы, см. фиг.2 и 3).
Соединение двух камер (газовой и охлаждающей, то есть второй трубки 2 и третьей трубки 3) дает увеличение внутреннего пространства ввода IN, заглушенного в нижней части зонда (внешняя сторона топочной камеры) и открытого в головной части TS (внутренняя сторона топочной камеры), то есть "облизывается" газом. Это предотвращает образование конденсации в трубке 2 всасывания газа (вторая трубка) и создает возможность для извлечения газа не слишком охлажденным. Газ всасывается во внутреннюю полость камеры СА, образованную первой и второй трубками 1, 2, соответственно, вновь инжектируется во внутреннюю область топочной камеры через концентрическую центральную трубку (первую трубку 1) посредством компрессора С. Сопло UG центральной трубки стороны топочной камеры дросселируется так, чтобы инжектируемый газ сжимался, В альтернативном варианте осуществления подобная центральная трубка 1 может быть реализована как капиллярная трубка для инжекции газа по направлению к головной части TS зонда. В этом случае газ получает определенное давление и кинетическую энергию, образует барьер против пыли и осуществляет очистку головной части TS зонда. Газ, по существу, всасывается через трубопровод 40 и возвращается в топочную камеру с адекватным давлением и скоростью через трубопровод 50 посредством компрессора С. В контур 40, 50 всасывания и передачи газа (топочная камера-компрессор С - топочная камера) установлена ветвь 41, которая передает небольшую долю текучей среды для анализа традиционным анализаторам AG посредством насоса РМ с извлечением выше по технологической цепочке компрессора С. Высокая скорость потока циркулирующей текучей среды гарантирует короткое время реакции, что является достоинством регулирования топочной камеры. Выше по технологической цепочке от анализаторов расположен регулятор RF для потока газа к анализаторам и датчик P2g для контроля давления газа к анализаторам. Кроме того, эти анализаторы защищены фильтром P3G, который действует как защита против образования кислоты/конденсата. Ниже по технологической цепочке от анализатора расположен выпуск газа, выходящего из анализаторов.
Прежде чем достичь компрессора С и насоса РМ газ соответственно фильтруется посредством фильтров F1G и F2G, расположенных выше по технологической цепочке во всасывающем трубопроводе 40. Фильтр F1G соединен с пылеприемником D для уменьшения возможной пыли, представленной в контуре,
Датчик P1g для контроля давления газа компрессора и клапан VSG избыточного давления газа компрессора С соединены с подачей компрессора С.
В этой системе также имеются две емкости S1G (негерметичная) и S2G (герметичная), расположенные на сторонах всасывания и подачи компрессора С, соответственно. Они выполняют функцию улавливания конденсата и стабилизации давления/понижения давления компрессора. В частности, емкость S2G образует часть холодильника/сушилки RE для уменьшения конденсата. Ниже по технологической цепочке емкость S2G соединена с клапаном VAC автоматического выпуска конденсата, предназначенного для выпуска конденсата SC. Емкости также оборудованы двумя синхронизированными электромагнитными клапанами EV1G и EV2G, циклически активирующими соответствующие сервоклапаны в течение времени, которое может быть установлено в зависимости от требований. Электромагнитный клапан EV1G является двухходовым клапаном, смонтированным между негерметичной емкостью S1G и всасыванием зонда S, и имеет функцию остановки всасывания из зонда S, так что осевое давление этой подачи усиливается для улучшения очистки головной части зонда. Ниже по технологической цепочке от электромагнитного клапана EV1G расположен датчик Fg для контроля расхода газа к компрессору С. Трехходовой электромагнитный клапан EV2G, смонтированный выше по технологической цепочке от предшествующего клапана, имеет функцию интенсивного выпуска полной струей количества текучей среды в герметичную емкость S2G по направлению к всасывающей трубке 2. Это большое количество текучей среды проходит с высокой скоростью в противоположном направлении нормальному потоку, сметая по направлению к внутренней области топочной камеры любые возможные осадки материала, осуществляя, таким образом, противоточную очистку (обратную промывку).
Для текущего контроля хорошего функционирования и получения индикации, если зонд засорен, на зонде S, установленном на всасывающей трубе 2, смонтирован вакуумметр Vg, а манометр Mg смонтирован на подающей трубке 1. В частности, вакуумметр Vg смонтирован на крестообразном соединителе CR, а манометр Mg смонтирован на Т-образном соединителе ТЕ. Соединители CR, ТЕ и гайки DT (с шайбами для обеспечения газонепроницаемого соединения) также служат для удерживания двух трубок вместе. Такая конструкция создает возможность скольжения центральной подающей газ трубки 1 относительно всасывающей трубки 2 для оптимальной регулировки устройства.
2
Предложенный тип зонда создает возможность исключения сухой пыли, возможность наличия непрерывной газовой очистки и очистки головной части, предотвращая уплотнение материала. Анализ всасываемого газа является непрерывным без перерывов (без отклонения даже на миг), поскольку нет необходимости в цикле очистки сжатым воздухом (который дает увеличение пиков О). Это достигается путем использования компрессора, который делает подобную рециркуляцию газа в топочной камере; он всасывает и создает обратное давление в топочной камере с дискретным давлением и кинетической энергией посредством дросселирования сопла, позиционируемого во внутренней оконечности подающей трубки. Поскольку указанная трубка является концентричной с всасывающей трубкой, она создает фильтрующий пыль барьер, а также сохраняет чистоту головной части. Это, подобным образом, обеспечивает возможность достаточной сушки всосанного газа. Холодный и осушенный газ, очищенный от пыли, не дает увеличения конденсации или кислот и не ведет к уплотнению. Пыль и конденсат отсекаются с самого начала и возвращаются в топочную камеру, избегая транспортировки их по устройству для анализа. То есть, преимуществом трубопровода, соединителей, компрессора, насоса, анализаторов и датчиков контроля и надежности будет результат большей их эффективности и долговечности. Кроме этого, можно использовать их более экономичный промышленный тип и им не обязательно быть более дорогим кислотостойким типом. Зонд и система, соответствующие настоящему изобретению, уменьшают пыль (меньшие нагрузки для фильтра), сушат газ (нет увеличения и нет генерации кислот) и зонд является самоочищающимся без помощи сжатого воздуха, но при использовании того же технологического газа (непрерывность анализа после этого не изменяется).
Другими словами, при использовании компрессора и принципа разветвления получают свободный от пыли и высушенный газ (благодаря барьерному эффекту) и самоочищающуюся головную часть без необходимости использования цикла промывки сжатым воздухом (благодаря непрерывному циклу без прерывания и изменения газа анализа).
Сильной стороной этого зонда является центральная трубка компрессора, которая обеспечивает возможность рециркуляции топочной камеры при определенном давлении и кинетической энергии. Вместо компрессора естественно использование другого устройства непрерывного циклирования.