СПОСОБ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ELECTROTHERMAL PROCESSING OF PARTICULATES IN FLUIDIZED BED AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Заявляемое техническое решение относится к электротехнологии, в частности к технологии и оборудованию для переработки дисперсных материалов.
Известен способ переработки дисперсного материала, при котором смешивают исходные компоненты (кварцевый песок и мелочь нефтяного кокса), подают в электротермическую печь кипящего слоя, пропускают электрический ток через смешенные компоненты и подвергают их (высокоэнергетической) термообработке в твердой фазе при температуре 1800-2000°С, обеспечивая тепломассообмен и химические реакции в кипящем слое, получают дисперсный кремний содержащий материал (1).
Недостатком этого способа является то, что в нем не обеспечивается эффективное псевдоожижение дисперсного материала и равномерность его термообработки под действием протекающего через него электрического тока. По мере разогрева дисперсного материала, например до рабочей температуры 1800-2000°С, расход газа в электротермическом кипящем слое кратно возрастает. Это связано как с увеличением объема газа, так и образованием газообразных веществ (CO, SiO) при указанном нагреве. Кипящий слой обладает неустойчивостью, связанной с образованием газовых пузырей и их подъемом к открытой поверхности, сопровождаемым увеличением объема пузырей и их раскрытием на поверхности. При раскрытии пузырей происходит выброс вверх частиц дисперсного материала, которые могут быть вынесены из печи исходящим потоком газа. При разогреве кипящего слоя неустойчивость его псевдоожижения повышается.
Дисперсные частицы, вытесненные из объема поднимающихся пузырей, образуют в кипящем слое уплотнения и сгустки, которые создают более высокое гидравлическое сопротивление восходящему потоку газа и усиливают неравномерность псевдоожижения. Неравномерность дополнительно усиливается при протекании тока, плотность которого возрастает в уплотнениях, что приводит к неравномерности выделения мощности по объему печи. В результате сочетания указанных факторов возникают условия для слияния пузырей и образования струй газа, гидравлическое сопротивление которым ниже, чем в соседних более плотных зонах слоя, что приводит к нарушению процесса псевдоожижения. Указанные недостатки снижают выход годного, повышают расход электроэнергии и материалов, ухудшают качество получаемого продукта из-за отклонения температуры отдельных зон от оптимальной температуры термообработки и ухудшают протекание химических реакций между загруженными в печь компонентами.
Известен способ обжига мелкозернистого материала, который загружают в печь псевдоожиженного слоя, подают воздух через газораспределительную решетку и внутрь печи направляют факелы топливных горелок тангенциально цилиндрической стенке печи под различными углами факелов распыливания топлива (2).
Подача топливной смеси в печь тангенциально цилиндрической стенке печи вызывает турбулентность газового потока в зоне установки горелок, что несколько улучшает равномерность процессов, происходящих в рабочем объеме печи по сравнению с предыдущим решением. Но, применительно к электротермической переработке дисперсного материала, данное решение малоэффективно. Во-первых, использование топливных горелок приводит к тому, что атмосфера в печи становится окислительной, что приведет к быстрому разрушению электродов, используемых для электротермической переработке дисперсного материала. Во-вторых, дополнительная (к газораспределительной решетке) система подачи газа через боковую цилиндрическую стенку усложняет конструкцию и не обеспечивает турбулизацию потока газа в уровнях печи, расположенных ниже горелок. В третьих, в промежутках между горелками интенсификации перемешивания потока газа не происходит. Поэтому, недостатки предыдущего способа в данном решении частично уменьшены, но не устранены. Появились новые проблемы, мешающие введению электрической мощности в псевдоожиженный слой.
Известен способ переработки в сосуде с электротермическим кипящем слоем дисперсного материала, состоящего из двух компонентов - легколетучего и тяжелолетучего, при котором в сосуд с двумя коаксиально установленными полыми электродами подают упомянутые компоненты. Тяжелолетучий компонент подают через полость внутреннего электрода в пространство под газораспределительной решеткой, где он смешивается с легколетучим компонентом, оттуда через распределительную решетку смесь компонентов подается в рабочее пространство сосуда, а продукты реакции отводят из верхней части сосуда (3).
В этом решении через отверстие в центральном электроде один из компонентов дисперсного материала подают в подрешеточное пространство. В подрешеточное пространство, являющееся в данном случае частью системы распределения потока летучих реагентов, подается и легколетучий компонент. Там этот компонент смешивают с другим компонентом. В рабочую часть реактора подается общий поток смеси компонентов. Поскольку готовую смесь подают в рабочее пространство через решетку, то в данном решении сохраняются все перечисленные выше недостатки первого способа.
Известен способ электрошлакового переплава, при котором через электроды, а также находящиеся между ними материалы пропускают электрический ток низкой частоты. Мощность, которая выделяется вблизи разных электродов, перераспределяют, изменения глубину модуляции и/или частоту тока, протекающего между различными электродами (4).
В этом способе обеспечивается перемешивание жидкой ванны металла благодаря электромагнитному взаимодействию составляющих тока низкой частоты (менее 50 Гц), имеющих различное направление в рабочем пространстве. Требуемые интенсивность и характер электромагнитного перемешивания достигают, регулируя частоту тока и/или глубину его модуляции. Не смотря на отличие реализуемых в данном способе операций и процессов по сравнению с предлагаемым решением, можно увидеть некоторую аналогию электрогидродинамических процессов в ванне жидкого электропроводного расплава и электродинамическим воздействием на псевдоожиженный слой протекающего через него электрического тока. В аналоге, положительный эффект выражается в перераспределении мощности на электродах, погруженных в расплав, путем регулирования частоты тока и/или формы его кривой, что приводит к изменению характеристик пространственного распределения плотности тока. Применительно к электротермическому псевдоожиженному слою данный способ не создает искомого полезного эффекта, выражающегося в повышении равномерности слоя.
Известен способ, при котором обеспечивается вращение электрической дуги, горящей в зазоре между двумя нагреваемыми и оплавляемыми торцами труб, в магнитном поле, создаваемом током, протекающим по катушкам, которые охватывают торцы труб, чем достигается оплавление выступающих участков на торцах труб и повышение равномерности их нагрева (5). Электрическая дуга перемещается по окружности в результате электродинамического взаимодействия пересекающихся векторов плотности тока дуги с векторами магнитного поля, создаваемого катушками. В электротермическом псевдоожиженном слое электрическая дуга отсутствует и данный способ не создает положительного эффекта.
Наиболее близким к заявленному является способ получения мелкодисперсного карбида кремния, включающий ввод в герметичный сосуд смеси исходных дисперсных углеродсодержащего и кремнийсодержащего компонентов, подачу в сосуд инертного газа, обеспечивающего псевдоожижение дисперсных материалов и пропускание через них электрического тока. В соответствии с данным способом требуется обеспечить заданное уравнением соотношение размеров частиц каждого из компонентов, учитывающего их плотность и число Архимеда (6).
Данное решение по сравнению со способом (3) процесс переработки дисперсного материала усовершенствовано в том отношении, что компоненты дисперсного материала заранее подобраны по размеру зерна и смешаны, что позволяет повысить равномерность распределения соотношения компонентов в рабочем объеме сосуда. Для обеспечения эффективного протекания взаимодействия компонентов этого не достаточно. Требуется также обеспечить равномерность распределения по объему смеси, не допуская образования зон с пониженной и повышенной концентрацией дисперсных частиц. Эта задача в данном способе не решена, также как и в способе (1).
Известно устройство, содержащее цилиндрический сосуд с системой распределения подаваемого в сосуд газа, выполненного в виде газораспределительной решеткой и расположенного под ней источника звуковых колебаний, узел загрузки сыпучего материала и патрубок для удаления готового продукта (7).
Расположенный под газораспределительной решеткой источник звуковых колебаний недостаточно эффективен для внесения возмущений в объем псевдоожиженного слоя поскольку сечение каналов составляет небольшую часть от площади газораспределительной решетки. Звуковые колебания, прошедшие через газораспределительную решетку (выполняющую в данном случае роль фильтра), частично отражаются от псевдоожиженного слоя, а остальная часть звуковых колебаний затухает в прилегающих к газораспределительной решетке участках псевдоожиженного слоя. На основной объем псевдоожиженного слоя источник звуковых колебаний воздействия не оказывает.
Известно устройство, представляющее собой сосуд, внутри корпуса которого, содержащего патрубки для ввода летучих компонентов, размещена газораспределительная решетка и два коаксиально установленных полых электрода (3). Внутренний электрод установлен на газораспределительной решетке, а его полость сообщается с подрешеточным пространством. В этом устройстве система распределения летучих компонентов разделена на ветви. Недостатком этого устройства является то, что система подачи летучих компонентов, выполненная в виде газораспределительной решетки, является общей для смеси компонентов, из-за чего сохраняется неравномерность распределения дисперсных частиц по объему псевдоожиженного слоя, такие же, как в решениях, описанных выше.
Установка для получения карбида кремния (6), включающая цилиндрический сосуд с герметичным кожухом, газораспределительную конусную решетку с вертикальными отверстиями между конусной частью решетки и ее горизонтальной плоскостью, граничащей с газораспределительной камерой, а также с разгрузочным отверстием и размещенным в нем запорным толкателем, выполненным с возможностью перекрытия разгрузочного отверстия. Один электрод, расположенный по оси сосуда, пропущен через его крышку, а другой электрод выполнен в виде цилиндрической футеровки сосуда.
Это устройство, помимо указанных ранее для способа (6) минусов имеет другой существенный недостаток. Длина вертикальных отверстий между конусной частью решетки и ее горизонтальной плоскостью, граничащей с газораспределительной камерой, различна. Ближе к оси сосуда длина отверстий уменьшается, из-за чего поток газа в центральной зоне более интенсивен, чем на периферии. Эта неравномерность потока газа еще больше усиливается повышенной концентрацией мощности, выделяющейся возле электрода, что повышает расход газа вблизи оси сосуда. В результате возрастает неустойчивость режима псевдоожижения. Кроме того, это решение (как и другие устройства с газораспределительной решеткой) не обеспечивают эксплуатационную надежность, поскольку при подаче газа снизу вверх через газораспределительную решетку не допускается отключение подачи газа во избежание попадания дисперсного материала в отверстия решетки и в подрешеточное пространство.
Известно устройство сжигания горючих отходов в сосуде с псевдоожиженном слоем, в котором система распределения газа расположена в нижней части и выполнена в виде зазоров между пластинами, наклоненными от периферии к центр. Расположение пластин обеспечивает подачу воздуха под давлением по направлению от периферии к центру и вниз сосуда (8).
Недостаток этого устройства, как и предыдущего, заключается в том, что поток газа направлен от периферии к центу, что, как указано выше, снижает устойчивость режима псевдоожижения и приводит к неравномерности плотности кипящего слоя.
Известна система распределения газа, подаваемого в сосуд кипящего слоя, выполненная в виде пирамидальной решетчатой структуры, сужающейся от периферии к центру, образованной ступенчатыми пластинчатыми рядами, отделенными друг от друга распорными средствами с образованием газопроводящих каналов, связанных с подрешеточным пространством, также разделенным кольцевыми перегородками на отдельные каналы, обеспечивающие ярусное секционирование ввода газовой смеси по высоте входной конической части сосуда. Предусмотрено также решение, при котором каналы, подающие газ, образованы зазорами между конусами, вставленными друг в друга. Угол при вершине конусов равен углу естественного откоса (внутреннего трения) обрабатываемого материала (9).
В данном решении не устранен недостаток предыдущего, связанный с направлением потока газа от периферии к центу. Частично этот недостаток может быть скомпенсирован тем, что, в щели, расположенные ближе к периферии может быть направлен более интенсивный поток, чем в щели, которые ближе к оси сосуда.
Недостатком устройства является также то, что при угле конуса, равном углу естественного откоса (внутреннего трения) обрабатываемого материала, на конусе будет оставаться обрабатываемый материал при его выгрузке.
Кроме того, для высокотемпературных процессов проблематична практическая применимость данного устройства из-за сложности изготовления системы распределения газа. Входящие в состав системы распределения газа огнеупорные фигурные изделия конической формы изготовить достаточно сложно. Кроме того, ажурная конструкция огнеупорных изделий не соответствует требованиям эксплуатационной надежности.
Наиболее близким к заявленному устройству является газораспределительная решетка для аппаратов с псевдоожиженным слоем, в которой набор примыкающих друг к другу пластины, имеющих форму секторов, установленных под углом 15-23° к горизонтали. В пластинах выполнены пазы под углом 25-30°, которые с поверхностью нижележащих пластин образуют каналы для выхода газа, причем каналы сужаются по ходу газа [10].
В данном решении уменьшен, но не устранен недостаток предыдущего, связанный с направлением потока газа от периферии к центу, благодаря тому, что пазы в пластинах, образующие каналы для выхода газа выполнены под углом 25-30°. Это решение способствует также некоторому улучшению перемешивания путем закручивания кипящего слоя относительно вертикальной оси. Тем не менее, остаются недостатки, связанные с преобладающим направлением потока газа от периферии сосуда к его оси. Стационарный режим подачи газа способствует формированию устойчивых течений в сосуде, что повышает неустойчивость псевдоожижения дисперсных частиц.
В известных способах и устройствах, вследствие возникающей при их осуществлении неравномерности распределения дисперсного материала в горизонтальных сечениях рабочего объема сосуда, возникают локальные перегревы и перерасход электроэнергии. Отклонения от оптимального режима псевдоожижения снижает выход годного и общую эффективность технологического процесса. Для поддержания режима псевдоожижения требуется значительный запас по производительности газоподающей системы, что увеличивает стоимость установки. Регулирование расхода газа, как единственный канал управления режимом псевдоожижения, недостаточно эффективен, так как расход газа влияет на энергетический баланс и температуру процесса и, в связи с этим, может изменяться в узких пределах, определяемых необходимостью поддержания требуемой температуры слоя.
Задачей предлагаемого технического решеня является повышение технологической и энергетической эффективности переработки дисперсных материалов в электротермическом псевдоожиженном (кипящем) слое, а именно повышение выхода годного и снижение расхода электроэнергии. Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемых способа и устройства, состоит также в повышении равномерности распределения дисперсного материала и соотношения его компонентов, а также выделяемой электрической мощности в горизонтальных сечениях электротермического псевдоожиженного слоя путем интенсификации его перемешивания путем усиления турбулентности в псевдоожиженном слое.
Задача решается путем создания способа (варианты) электротермической переработки дисперсного материала в псевдоожиженном слое и устройства (варианты) для его осуществления.
Единый общий изобретательский замысел предлагаемого решения заключается в силовом воздействии на псевдоожиженный слой направленном под углом к вектору движения газа, а также в изменении в процессе переработки дисперсного материала величины и/или направления указанного силового воздействия, которое усиливает турбулентность потока газа и интенсифицирует перемешивание псевдоожиженного слоя. Техническую задачу можно сформулировать как изменение функционального состава процесса кипения дисперсного материала. При кипении жидкости в ней происходит образование пузырьков газа, увеличение их размера по мере подъема к поверхности и интенсивное перемешивание жидкости. Задачи предлагаемого решения другие. Как и в известных решениях, необходимо, в первую очередь, обеспечить подвижность дисперсных частиц, то есть достигнуть их псевдоожижения в восходящем потоке газа. В отличие от известных решений ставится задача подавления процесса образования и увеличения размера газовых пузырей при интенсификации процесса перемешивания путем усиления турбулентности потока газа, несущего дисперсные частицы.
Модуль турбулизации потока газа, усиливающий псевдоожижение дисперсных частиц, имеет различные варианты технической реализации: в виде специальной конструкции системы газораспределения и подачи газа и/или системы, создающей определенное пространственное распределение плотности электрического тока. По своей природе силы, которыми воздействуют на псевдоожиженный слой, имеют либо газодинамический характер, либо электромагнитный (электродинамический) характер и выполняют одну и ту же функцию - турбулизацию движения частиц и газа в псевдоожиженном слое. При этом снижается эффект кипения слоя, то есть эффект укрупнения газовых пузырей и их раскрытие на поверхности слоя, сопровождающееся выбросом и уносом частиц потоком газа. Снижается также эффект формирования уплотнений в слое. В результате, в слое происходит выравнивание концентрации частиц.
В соответствии с характером сил, которые используют для усиления турбулентности в псевдоожиженном слое определено два варианта предлагаемого способа переработки дисперсного материала. В одном варианте усиление турбулентности псевдоожиженного слоя достигается благодаря столкновению течений газа, подаваемого в псевдоожиженный слой. Во втором варианте способа для силового воздействия на псевдоожиженный слой используются электромагнитные силы.
Для обеспечения эффективного перемешивания псевдоожиженного слоя в первом варианте устройства с течением газа, подаваемого системой распределения газа, сталкивается течение газа, подаваемого через канал в электроде, погруженном сверху в псевдоожиженный слой. По второму варианту конструкция устройства обеспечивает столкновение течений благодаря пересечению осей каналов, по которым газ подается в псевдоожиженный слой. В третьем варианте устройства для силового воздействия на поток под углом к вектору его движения предусмотрено перераспределение плотности тока в пространстве между электродами. Изменение плотности тока в секциях расщепленного электрода путем регулирования тока секций приводит к изменению поля электромагнитных сил, действующих в псевдоожиженном слое, и также интенсифицирует его перемешивание. В соответствии с четвертым вариантов устройства силовое электромагнитное воздействие на поток под углом к направлению его движения производится благодаря взаимодействию собственного магнитного поля рабочего тока, протекающего между элевродами по псевдоожиженном слое и внешнего магнитного поля, которое создается соленоидом, охватывающим сосуд в зоне расположения электродов.
Силовое возмущающее воздействие на течение среды отклоняют поток газа и взвешенных частиц от того направления, которое они имели бы без возмущающего силового воздействия. Отклонение потока газа и столкновение течений приводит к усилению турбулентности, в результате чего разрушаются формирующиеся в псевдоожиженном слое струи газа и уплотненные скопления дисперсных частиц - достигается требуемый технический результат: повышается равномерность распределения частиц в псевдоожиженном слое. Уменьшается также пограничный слой на поверхности футеровки сосуда. Кроме того, образующиеся в псевдоожиженном слое пузыри газа и уплотненные скопления дисперсных частиц дробятся. Уменьшается унос частиц, связанный с раскрытием крупных пузырей газа на поверхности псевдоожиженного слоя. Исключаются прорывы струй газа и образование крупных блоков уплотненных частиц. Повышается устойчивость и эффективность работы псевдоожиженного слоя: уменьшается количество непрореагировавшего компонента, повышается выход годного и снижается расход электроэнергии.
Использование для управления режимом псевдоожижения дополнительных каналов: горизонтальных составляющих векторного поля скоростей потока газа, а также электромагнитного взаимодействия, определяемого пространственным распределением плотности тока, позволяет оптимизировать параметры, определяющие энергетическую и технологическую эффективность процесса. К этим параметрам относятся суммарный расход газа, рабочий ток и рабочее напряжение.
Существенные признаки, характеризующие изобретение.
Первый вариант способа электротермической переработки дисперсного материала в псевдоожиженном слое заключается в том, что через слой дисперсного материала подают газ, в восходящем потоке которого обеспечивают псевдоожижение слоя и пропускают через него электрический ток тем. В процессе переработки дополнительно осуществляют перемешивание дисперсного материала в псевдоожиженном слое путем разделения подаваемого потока газа, по крайней мере, на две струи, которые направляют под углом друг к другу.
Разновидность первого варианта способа заключается в том, что в зоне, расположенной ниже среднего уровня псевдоожиженного слоя, по меньшей мере, одну из струй направляют вертикально вниз.
Другая разновидность первого варианта способа заключается в том, что процесс переработки ведут с изменением расхода направляемой вертикально вниз струи.
Еще одна разновидность первого варианта способа заключается в том, что струи направляют по пересекающимся траекториям, ориентированным вдоль касательных к поверхности, охватывающей псевдоожиженный слой, либо под острым углом к названным касательным.
Разновидность первого варианта способа заключается также в том, что струи подаваемого газа направляют по пересекающимся траекториям, ориентированным вдоль касательных к поверхности, охватывающей псевдоожиженный слой, либо под острым углом к названным касательным, причем одни струи направляют по часовой стрелке относительно направления восходящего потока, а другие - против часовой стрелки.
Разновидность первого варианта способа заключается также в том, что струи подаваемого газа направляют по пересекающимся траекториям, ориентированным вдоль касательных к поверхности, охватывающей псевдоожиженный слой, либо под острым углом к названным касательным, одни струи направляют по часовой стрелке относительно направления восходящего потока, а другие - против часовой стрелки, причем соотношение расхода струй, подаваемых по часовой стрелке и против, в процессе переработки изменяют.
Второй вариант способа электротермической переработки дисперсного материала в псевдоожиженном слое заключается в том, что через слой дисперсного материала подают газ, в восходящем потоке которого обеспечивают псевдоожижение слоя, и пропускают электрический ток. В процессе переработки дополнительно осуществляют перемешивание дисперсного материала в псевдоожиженном слое путем изменения пространственного распределения плотности электрического тока.
Разновидность второго варианта способа заключается в том, что в процессе переработки плотность электрического тока перераспределяют между различными участками псевдоожиженного слоя с частотой от 0,01 до 1000 Гц.
Другая разновидность второго варианта способа заключается также в том, что в процессе переработки электрический ток, пропускаемый через псевдоожиженный слой, выпрямляют и модулируют с частотой от 0,01 до 1000 Гц.
Другая разновидность второго варианта способа заключается также в том, что электрический ток, пропускаемый через псевдоожиженный слой, выпрямляют и модулируют с частотой от 0,01 до 1000 Гц, причем глубину модуляции в процессе переработки изменяют.
Другая разновидность второго варианта способа заключается также в том, что процесс переработки ведут, осуществляя с частотой от 0,01 до 1000 Гц реверс электрического тока, пропускаемого через псевдоожиженный слой.
Другая разновидность второго варианта способа заключается также в том, что процесс переработки ведут, изменяя в интервале от 0,01 до 1000 Гц частоту реверса тока.
Другая разновидность второго варианта способа заключается также в том, что процесс переработки ведут, изменяя скважность импульсов положительной и отрицательной полярности тока.
Разновидность второго варианта способа заключается также в том, что в процессе переработки дополнительно пропускают выпрямленный ток по контуру, охватывающему псевдоожиженный слой.
Разновидность второго варианта способа заключается также в том, что в процессе переработки выпрямленный ток, пропускаемый по охватывающему псевдоожиженный слой контуру, модулируют с частотой от 0,01 до 1000 Гц.
Разновидность второго варианта способа заключается также в том, что выпрямленный ток, пропускаемый по охватывающему псевдоожиженный слой контуру, модулируют с частотой от 0,01 до 1000 Гц, причем глубину или частоту модуляции в процессе переработки изменяют.
Разновидность второго варианта способа заключается также в том, что дополнительно по охватывающему псевдоожиженный слой контуру, пропускают ток, который реверсируют с частотой от 0,01 до 1000 Гц.
Разновидность второго варианта способа заключается также в том, что в процессе переработки частоту реверса тока, пропускаемого по охватывающему псевдоожиженный слой контуру, изменяют в интервале от 0,01 до 1000 Гц.
Разновидность второго варианта способа заключается также в том, что в процессе переработки производят с частотой от 0,01 до 1000 Гц реверс полярности тока, пропускаемого по охватывающему псевдоожиженный слой контуру, изменяя скважность импульсов положительной и отрицательной полярности.
Первый вариант устройства для осуществления первого варианта способа содержит футерованный сосуд с системой распределения и подачи потока газа в сосуд для псевдоожижения дисперсного материала в восходящем потоке газа, электроды, по крайней мере, один из которых установлен в сосуде вертикально и погружен в псевдоожиженный слой. Система распределения и подачи потока газа выполнена в виде ветвей, а упомянутый, по крайней мере, один электрод выполнен с осевым каналом, к которому подведена, по крайней мере, одна из ветвей системы распределения потока газа.
При исполнении первого варианта устройства в ветвь, подведенную электроду с осевым каналом, введен узел модуляции соотношения расхода газового потока, подаваемого в сосуд через разные ветви.
Второй вариант устройства для осуществления первого варианта способа содержит футерованный сосуд, систему распределения и подачи потока газа для псевдоожижения дисперсного материала в восходящем потоке газа. Футеровка сосуда в нижней части выполнена в виде чаши, в которой имеются соединенные с системой распределения и подачи потока газа каналы, оси которых в вертикальной проекции пересекаются.
При исполнении второго варианта устройства чаша сосуда выполнена из горизонтальных пластин, установленных с зазорами, образующими каналы для подачи газа.
При другом исполнении второго варианта устройства чаша сосуда выполнена из пластин расположенных пирамидально с наклоном пластин к оси сосуда под углом от пяти градусов до угла на пятнадцать градусов превышающего угол естественного откоса дисперсного материала.
При другом исполнении второго варианта устройства каналы расположены параллельно или под острым углом относительно граней или касательных к внутренней поверхности чаши.
При другом исполнении второго варианта устройства каналы выполнены на разных уровнях с чередованием направления по часовой и против часовой стрелки относительно оси сосуда.
При другом исполнении второго варианта устройства каналы расположены вдоль касательных к внутренней поверхности чаши, выполнены на разных уровнях с чередованием направления по часовой и против часовой стрелки относительно оси сосуда. Каналы каждого из направлений объединены, в свою группу, с отдельной от другой группы подачей газа, а в систему распределения потока газа введен узел модуляции соотношения расхода газового потока через группы каналов.
Третий вариант устройства для осуществления второго варианта способа содержит футерованный сосуд, систему распределения и подачи потока газа, электроды, подключенные к выводам источника питания. Один из электродов выполнен из изолированных друг от друга секций, источник питания выполнен с выводом, расщепленным на секции по числу секций электрода и системой регулирования тока в секциях, а каждая из секций электрода раздельно подключена к соответствующей секции вывода источника питания.
Четвертый вариант устройства для осуществления второго варианта способа содержит футерованный сосуд, систему распределения и подачи потока газа, электроды, подключенные к источнику питания постоянного тока. Устройство снабжено дополнительным источником питания и подключенным к дополнительному источнику питания соленоидом, охватывающим зону расположения электродов.
При другом исполнении четвертого варианта устройства дополнительный источник питания выполнен с возможностью модуляции выпрямленного тока с частотой от 0,01 до 1000 Гц и/или реверса тока с частотой от 0,01 до 1000 Гц.
На фиг. 1 схематически представлено устройство для электротермической переработки дисперсного материала в псевдоожиженном слое.
На фиг. 2 представлено горизонтальное сечение футерованного сосуда с тангенциальной подачей струй газа в псевдоожиженный слой по часовой стрелке.
На фиг. 3 представлено горизонтальное сечение футерованного сосуда с тангенциальной подачей струй газа в псевдоожиженный слой против часовой стрелки.
На фиг. 4 представлен вертикальный разрез сосуда для электротермической переработки дисперсного материала в псевдоожиженном слое, охваченном соленоидом.
На фиг. 5 представлен горизонтальный разрез, в котором сеть каналов системы газораспределения, выполнена в пластинах, наклоненных к оси сосуда.
На фиг. 6 представлен вертикальный разрез, в котором сеть каналов системы газораспределения, выполнена в пластинах, наклоненных к оси сосуда. .
Согласно первому варианту способа через слой дисперсного материала 1 (фиг. 1) подают газ 2. В восходящем потоке газа 3, 4 обеспечивают псевдоожижение слоя 1, и пропускают через псевдоожиженный слой 1 электрический ток 5, 6. Отличие от известных способов состоит в том, что в процессе переработки дополнительно осуществляют перемешивание дисперсного материала в псевдоожиженном слое 1 путем разделения подаваемого потока газа 2, по крайней мере, на две струи, которые направляют под углом друг к другу.
Например, разделяют сначала поток 2 на две части 7 и 8, каждая из которых далее делится соответственно на две струи 3 и на две струи 4, а также на четыре струи 9. Струи 3 и 4, в данном случае, направляют под углом 180° к струям 9, что обеспечивает их столкновение в псевдоожиженном слое. В результате столкновения траектории струй изменяются на вертикально направленные, что обеспечивает псевдоожижение дисперсных частиц, и течение приобретает турбулентный характер. Турбулизация потока газа, несущего дисперсные частицы, обеспечивает перемешивание псевдоожиженного слоя и препятствует формированию в нем крупных пузырей газа.
Данный вариант может быть реализован путем подачи под углом друх к другу струй различных газов и их смешение внутри сосуда. В случае подачи газов, между которыми возможна экзотермическая реакция, данное решение позволяет исключить так называемый проскок, что повышает безопасность процесса. Повышение эффективности обеспечивается хорошим перемешиванием сталкивающихся струй газов.
При осуществлении предлагаемого первого варианта способа в результате столкновения струй, направленных под различными углами друг к другу, образуются завихрения и поток газа направляется вверх. Образуется восходящий поток газа, который вызывает псевдоожижение дисперсного материала. Усиление турбулентности потока из-за столкновения струй обеспечивает более равномерное распределение дисперсных частиц в объеме псевдоожиженного слоя 1.
Согласно разновидности данного способа, по меньшей мере, одну из струй 10 на (фиг. 1) направляют вертикально вниз, предпочтительно, в зоне, расположенной ниже среднего уровня 11 псевдоожиженного слоя 1. Эта струя 10 направлена под прямым углом к направлениям подачи струй газа 3, 4, 9. Струя 10 растекается вдоль нижней границы псевдоожиженного слоя и сталкивается со струями 3, 4 и 9. Этот эффект усиливается, если расстояние от зоны, в которую вводят струю 10, до верхнего уровня псевдоожиженного слоя превышает расстояние до его нижнего уровня. В этом случае также усиливается турбулентность потока и обеспечивается гомогенизация псевдоожиженного слоя.
В развитие этого способа для дополнительного улучшения перемешивания процесс переработки ведут с изменением величины расхода направляемой вертикально вниз струи 10. Например, снижают расход газа одной из струй в два раза. Измеряют интервал времени, в течение которого формируется новая структура течения в псевдоожиженном слое. Далее устанавливают период изменения расхода газа в данной струе равным половине измеренного интервала времени, а глубину изменений величины расхода равной, например, половине исходного расхода газа нисходящей струи 10. Суммарный расход газа при этом можно сохранить постоянным, изменяя расход других струй газа 3, 4, 9 в противофазе с изменением расхода газа в струе 10. Изменение соотношения расходов сталкивающихся струй 3, 4, 9 со струей 10 предупреждает формирование устойчивых течений или вихрей, которые могли бы привести к устойчивому распределению плотности, то есть к неоднородности псевдоожиженного слоя. Изменение эффекта от взаимодействия встречно направленных потоков газа осуществляют также перемещая вертикально электрод. При подъеме электрода выше среднего уровня 11, сильнее сказывается торможение струи 10 восходящим потоком газа и изменяется соотношение расхода сталкивающихся струй газа из-за изменения расхода части струи 10, достигающей нижней границы псевдоожиженного слоя.
При другой разновидности первого из предложенных способов струи подаваемого газа направляют по пересекающимся траекториям, ориентированным вдоль касательных к поверхности, охватывающей псевдоожиженный слой, либо под острым углом к упомянутым касательным. Например, струю 12 на фиг. 2 подают по траектории, ось которой 13, параллельна касательной к поверхности 14, охватывающей псевдоожиженный слой 1. Струю 15 подают по траектории, ось которой 16 является касательной к поверхности 14, охватывающей псевдоожиженный слой 1. В решении, приведенном на фиг. 2, внешняя по отношению к псевдоожиженному слою 1 граница 17 струи 12 совпадает с касательной, проведенной в горизонтальной плоскости к окружности 18, образованной сечением этой плоскостью поверхности псевдоожиженного слоя. Оси траекторий 13 и 16 струй 12 и 15 пересекаются (в точке 19), в связи с чем происходит отклонение струй от их первоначальных траекторий и их столкновение. Аналогично происходит формирование и столкновение других струй-, показанных на фиг. 2.
Одно из исполнений данного способа поясняется фиг. 3, согласно которому струю 20 подают по траектории, ось которой 21, расположена под острым углом 22 к касательной 23 к окружности 24, являющейся горизонтальным сечением поверхности, которая охватывает псевдоожиженный слой 1. Упомянутая касательная проведена в точке пересечения оси 23 траектории с названной выше окружностью. Другими словами, струи подают тангенциально по отношению к псевдоожиженному слою. Внешняя граница 25 струи 20, в данном случае, направлена под отличающимся от 180° углом к поверхности псевдоожиженного слоя, что обеспечивает более глубокое проникновение струи от поверхности к оси псевдоожиженного слоя. Оси 21 и 26 струй 20 и 27 пересекаются в точке 28, в связи с чем происходит отклонение струй 20 и 27 от их первоначальных траекторий и столкновение струй газа. Значение угла 22 выбирается из условия обеспечения равномерности расхода газа по сечению псевдоожиженного слоя, траекторий 25 и 26
В результате создается вращательное движение псевдоожиженного слоя вокруг вертикальной оси, что усиливает турбулентность в псевдоожиженном слое и обеспечивает дополнительный эффект его перемешивания.
В развитие данного способа одни струи направляют по часовой стрелке относительно направления восходящего потока (как показано на фиг. 2), а другие струи - против часовой стрелки (как показано на фиг. 3). Частным случаем предложенного способа является направление подаваемого газа по траекториям, которые расположены под острым углом относительно касательных к поверхности псевдоожиженного слоя, как было описано выше. При этом участки псевдоожиженного слоя, располагающиеся ближе к его оси, сильнее вовлекаются в круговое движение, что в определенной степени компенсирует центробежные силы, возникающие при круговом движении частиц во внешней области псевдоожиженного слоя.
Для усиления турбулентности во всем объеме псевдоожиженного слоя на разных по высоте уровнях не только изменяют направление по часовой стрелке и против, но и изменяют угол ввода струй газа. Например, в сечении А-А (фиг. 2) струи подают по часовой стрелке по касательной к поверхности 14, а в сечении Б-Б (фиг. 3) струи подают против часовой стрелке под углом 22 относительно касательной 23 к поверхности слоя. Поскольку, сечения А-А и Б-Б поверхности 14 и 24 имеют разные радиусы 29 и 30 (на фиг. 1 указаны сечения А-А и Б-Б, приведенные на фиг. 2 и фиг. 3), в перемешивание вовлекаются различные участки поперечного сечения псевдоожиженного слоя.
Для предупреждения образования регулярных вихрей в процессе переработки изменяют соотношение расхода струй, подаваемых по часовой стрелке 12, 15 (фиг. 2) и против часовой стрелки 20, 27 (фиг. 3). Глубину изменения соотношения расхода струй, подаваемых с разным направлением закрутки варьируют в широком диапазоне, который не достигает 100%. Например, устанавливают расход струй газа, направленных по часовой стрелке, равным 95% общего расхода газа, а 5% - через струи, направленные против часовой стрелки. Затем изменяют соотношение расхода газа на противоположное: расход струй газа, направленных против часовой стрелки, устанавливают равным 95% общего расхода газа, а 5% - через струи, направленные по часовой стрелке. Далее вариацию расхода газа в струях повторяют. Расход газа в каких-либо струях не уменьшают до нуля, во избежание обратной продувки дисперсных частиц.
Во втором варианте способа электротермической переработки дисперсного материала в псевдоожиженном слое 1 (фиг. 1) через слой дисперсного материала подают газ 2, в восходящем потоке 3, 4, 9 которого обеспечивают псевдоожижение слоя, и пропускают электрический ток, например 5, 6. В отличие от известных способов в процессе переработки дополнительно осуществляют перемешивание дисперсного материала в псевдоожиженном слое 1 путем изменения пространственного распределения плотности электрического тока. Изменение пространственного распределения плотности тока может быть выполнено в самом псевдоожиженном слое, либо обеспечено путем формирования дополнительного тока вне псевдоожиженного слоя. Например, увеличивают ток 5 (и, соответственно, плотность тока) и уменьшают ток 6. Соответственно, усиливаются электродинамические силы 31 и ослабевают силы 32, по аналогии с пинч-эффектом. Изменение соотношения электромагнитных сил 31 и 32, воздействующих на псевдоожиженный слой 1 под углом к восходящему потоку газа 3, 4, вызывает изменение направления движения псевдоожиженного слоя, что обеспечивает его дополнительное перемешивание и выравнивание концентрации дисперсных частиц.
Второй вариант предлагаемого способа действует следующим образом. При пропускании потока газа через дисперсный материал ввиду случайного характера процесса взаимодействия восходящего потока газа с частицами образуются локальные скопления дисперсных частиц, а соседних областях, соответственно, объемная концентрация частиц уменьшается. Восходящий поток газа усиливается в области с меньшей концентрацией частиц, поскольку гидравлическое сопротивление этих зон меньше, чем у локальных скоплений частиц. Возникшая случайно неоднородность стремится усилиться, поскольку частицы из зон с более интенсивным потоком газа выносятся на поверхность слоя, а в зоне уплотнения формируется нисходящее движение. Разрушение подобных структурных неоднородностей осуществляется путем изменения пространственного распределения плотности электрического тока. Например, как показано на фиг. 1, увеличивают плотность тока 5 в одной зоне и уменьшают плотность тока 6 в другой зоне. Электродинамические силы 31 в зоне с током 5 становятся больше сил 32, действующих в зоне с током 6, в результате чего изменение баланса сил оказывает динамическое воздействие на зоны, что способствует разрушению структурных неоднородностей в слое.
Интенсивность потока газа резко возрастает в зонах псевдоожиженного слоя, в которых протекают химические реакции, в которых образуются газообразные продукты. На температуру зон и на скорость химических реакций определяющее влияние оказывает плотность электрического тока. Поэтому, перераспределение плотности электрического тока, его модуляция, реверс полярности тока приводят к соответствующим изменением расхода газа. Колебания потока газа в разных зонах препятствуют образованию крупных газовых пузырей и уплотнений в псевдоожиженном слое, что улучшает равномерность псевжоожижения дисперсного материала. Преимущество данного решения перед известным аналогом (7), в котором под газораспределительной решеткой установлен источник звуковых колебаний, а также перед другими решениями, в которых акустические колебания потока газа формируется вне рабочего пространства сосуда, заключается в более высоких динамических характеристиках механизма формирования воздействий непосредственно внутри псевдоожиженного слоя. Частотный диапазон в предлагаемом решении шире, поскольку акустические воздействия формируются непосредственно в рабочем пространстве сосуда 1 и между источником акустических колебаний и рабочим пространством сосуда 1 нет акустического фильтра в виде системы газораспределения. Кроме того, снижается уровень механических колебаний конструктивных элементов, что повышает надежность их работы.
Разновидностью второго варианта является способ, при котором плотность электрического тока 5 и 6 на фиг. 1 перераспределяют между различными участками псевдоожиженного слоя с частотой от 0,01 до 1000 Гц. Большее значение плотности тока, в данном случае, имеется на участке, обозначенном более длинными стрелками 5, а меньшее значение короткими стрелками 6. Указанный диапазон частот здесь и ниже определяются характером инерционных процессов, происходящих в электротермическом кипящем слое. Нижняя граница частотного диапазона связана с подвижностью дисперсных частиц и определяется интервалом времени, за который частицы смещаются на расстояние, соизмеримое с размерами псевдоожиженного слоя, под воздействием указанного выше дисбаланса электродинамических сил. Верхняя граница частотного диапазона частоты связана с подвижностью ионов газа, образующихся в электротермическом кипящем слое, и определяется интервалом времени, за который ионы смещаются на расстояние, соизмеримое с размерами псевдоожиженного слоя, под воздействием указанного выше дисбаланса электродинамических сил. Здесь учитывается ток, протекающий через дисперсные частицы, а также ток, протекающий через частично ионизированный газ, образующийся в электротермическом кипящем слое.
Разновидностями второго варианта являются также способы, при которых ток, пропускаемый через псевдоожиженный слой, выпрямляют и/или модулируют с частотой от 0,01 до 1000 Гц, причем глубину модуляции в процессе переработки поддерживают постоянной либо изменяют. Модуляция осуществляется наложением переменной составляющей на выпрямленный ток, причем амплитуда переменной составляющей, в данном случае, не превышает половины вьшрямленного тока (иначе ток стал бы реверсивным). Модуляция тока и изменение ее глубины повышают эффективность перемешивания псевдоожиженного слоя благодаря внесению нерегулярности в силовое электродинамическое воздействие на слой и усиливает турбулентность в слое.
Разновидностями второго варианта являются также способы, при которых осуществляют реверс тока, пропускаемого через псевдоожиженный слой, с частотой от 0,01 до 1000 Гц. Дополнительные воздействия на слой в процессе переработки оказывают благодаря изменению частоты реверса тока или его скважности (то есть соотношения длительности) импульсов положительной и отрицательной полярности. Здесь используется способ внесения нерегулярности в силовое электродинамическое воздействие на слой с учетом различия в характере выделения мощности в области катодных и анодных пятен, образующихся при возникновении электрических разрядов между дисперсными частицами в электротермическом кипящем слое. Анодное и катодное пятна имеют разную подвижность и характеризуются различной плотностью тока, в связи с чем, реверс тока вызывает объемное перераспределение мощности и изменение характера силового смещения ионизированных течений газа и усиление турбулентности в слое. Частотный диапазон также определяется инерционными характеристиками дисперсных частиц и плазмы в электротермическом кипящем слое.
Например, начинают процесс при частоте реверса, равной 0,01 Гц, учитывая, что вначале, при низкой температуре в псевдоожиженном слое преобладает проводимость благодаря динамически выстраивающимся цепочкам электропроводных дисперсных частиц, непосредственно контактирующих между собой. Низкое значение частоты реверса тока позволяет, благодаря колебаниям величины и пространственного распределения электрической мощности при реверсе тока, оказывать колебательное гидравлическое воздействие на слой, которое улучшает режим псевдоожижения. После разогрева псевдоожиженного слоя и увеличения объема образующихся в результате химических реакций газов расстояние между дисперсными частицами возрастает и проводимость приобретает искровой характер. Поскольку подвижность ионизированных частиц, определяющих проводимость в разрядных промежутках, значительно превышает подвижность дисперсных частиц, то эффективное воздействие на псевдоожиженный слой обеспечивают при более высокой частоте реверса тока, например 200 Гц.
Дополнительно, в нагретом до рабочей температуре слое изменяют скважность импульсов положительной и отрицательной полярности тока, чем вносят нерегеулярность. В электродинамическое воздействие на псевдоожиженный слой.
Кроме того, второй вариант способа выполняют, изменяя пространственное распределение плотности электрического тока, тем, что дополнительно пропускают выпрямленный или реверсивный ток 33 на фиг. 4 по контуру, охватывающему псевдоожиженный слой 1, представленному на фиг. 4 в виде соленоида 34. Пропускаемый через соленоид 34 ток 33 создает магнитное поле, силовые линии 35 которого компланарны линиям плотности тока 5, 6 и расположены по отношению к линиям плотности тока под углами 36. Взаимодействие магнитного поля, создаваемого током 33 соленоида 34, с током 5, 6, протекающим с слое 1, создает объемные силы, вызывающие круговое движение 37 псевдоожиженного слоя 1. Изменяется векторное поле скоростей частиц и газа в слое. Круговое движение интенсифицирует перемешивание материала в слое и повышает равномерность плотности распределения в нем дисперсных частиц и усреднение химического и дисперсионного состава в слое (выравнивание соотношения различных компонентов). Эффективность выравнивания состава слоя повышается путем модуляции тока в соленоиде с частотой от 0,01 до 1000 Гц. Для получения дополнительного эффекта перемешивания частоту тока 33 в соленоиде 34 изменяют в указанном диапазоне и/или изменяют глубину модуляции тока. Дополнительный эффект перемешивания получают также путем изменения полярности тока 33 в соленоиде 34, что приводит к изменению на противоположное направления кругового движения 37 слоя 1. Выбор частотного диапазона тока соленоида, как и ранее (тока в слое), определяет эффективность перемешивания слоя, которое дополнительно повышается путем изменения частоты и/или скважности импульсов положительной и отрицательной полярности тока 33 в соленоиде 34. Изменение скважности импульсов приводит к изменению интенсивности и усредненного направления кругового движения 37 псевдоожиженного слоя 1, что позволяет достигнуть требуемую степень усреднения состава слоя 1. Описанное выше воздействие на вектора скорости газа и частиц имеет пульсирующий характер, что способствует нестационарности потоков в псевдоожиженном слое и его гомогенизации.
Для реализации указанного выше управления параметрами электрического режима используется управляемый выпрямитель или инвертор, выполненные по известным схемам, например, тиристорного мостового выпрямителя и инвертора со звеном постоянного тока соответственно.
Устройство (вариант 1) для осуществления первого варианта способа содержит герметичный сосуд 38 на фиг. 1, выполненный, например из стали, с футеровкой 39 из огнеупорного материала. Содержит также систему распределения 40, 41, 42 потока газа 2 и его подачи 52, 53, 54 в сосуд 38 для псевдоожижения дисперсного материала 1 в восходящем потоке газа 3, 4. Имеются также электроды, по крайней мере, один из которых 43 установлен в сосуде 38 вертикально и погружен в псевдоожиженный слой 1. В отличие от известных решений, система распределения и подачи потока газа выполнена в виде ветвей, а упомянутый электрод 43 выполнен с осевым каналом 44, к которому подведена одна из ветвей 45 системы распределения потока газа 2. В случае, если в сосуде установлено несколько вертикальных погруженных в псевдоожиженный слой электродов с осевыми каналами, то к каждому из них подведена ветвь системы распределения и подачи потока газа.
На фиг. 1 приведен пример реализации заявленного устройства. Сосуд 45, выполненный в виде стального герметичного кожуха с крышкой, футеровка 39, электроды 43, 52, каналы 54 системы распределения и подачи потока газа симметричны относительно вертикальной оси. Форма сосуда и футеровки в горизонтальном сечении может быть круглой или многогранной. По количеству электродов, пропущенных через крышку сосуда и погруженных в псевдоожиженный слой, устройство может быть одноэлектродным, двухэлектродным или многоэлектродным. При использовании более одного электрода, пропущенного через крышку, они могут быть под общим потенциалом либо под разными потенциалами. В последнем случае ток замыкается также и между электродами, пропущенными через крышку сосуда. Осевое отверстие в электроде выполнено диаметром от 0.05 до 0,3 диаметра электрода. Минимальный диаметр осевого отверстия в электроде соответствует наименьшему расходу газа, подаваемого через отверстие в электроде, которое влияет на характер течения остального, подаваемого в сосуд газа. Максимальный диаметр осевого отверстия в электроде ограничено по условию механической прочности электрода. Герметичный сосуд 38 с футеровкой 39, помимо указанных выше элементов, имеет: узел загрузки 46 исходного дисперсного материала 47, узел 48 удаления из сосуда газов, узел 49, 50 выгрузки дисперсного материала 1.
Устройство работает следующим образом. В футерованный сосуд 38, 39 через загрузочный узел 46 подают исходный дисперсный материал, имеющий электропроводность, достаточную для обеспечения заданного электрического режима. Например, подают смесь порошков углеродистого восстановителя и кварцевого песка. Сверху через уплотненный проем в крышке сосуда опускают полый электрод, например графитированный электрод с помощью системы перемещения и перепуска электрода как у руднотермических электропечей. Электрод выполняют с осевым отверстием, например диаметром, равным 0,1 от диаметра электрода. Снизу через дисперсный материал подают газ, распределяя его восходящий поток 3, 4, 9 в горизонтальном сечении сосуда с помощью системы 8, распределения и подачи потока газа. Расход газа устанавливают выше критического значения, таким, чтобы возникло псевдоожижение дисперсного материала 1. Полый электрод располагают так, чтобы его рабочий конец находился ниже середины 11 псевдоожиженного слоя 1 и, с помощью системы газораспределения 8 включают подачу газа через канал 44 в полый электрод 43. Поскольку гидродинамическое сопротивление слоя, расположенного выше рабочего конца электрода, превышает сопротивления нижележащего слоя, нисходящий поток газа 10 под действием динамического напора струи газа, выходящей из канала 44 в электроде 43, растекается по дну сосуда и пересекает восходящий поток 3, 4, 9. В результате взаимодействия пересекающихся потоков повышается турбулентность, улучшающая перемешивание в псевдоожиженном слое. Далее пропускают через псевдоожиженный материал электрический ток и производят термообработку. Переработанный дисперсный материал 1 удаляют из сосуда 38 через узел выгрузки дисперсного материала, приподнимая пробку 49 с помощью толкателя 50.
Для дополнительного повышения турбулентности в первом варианте устройства ветвь 45, подведенная к электроду 43 с осевым каналом 44 системы распределения и подачи потокагаза, снабжена узлом 51 модуляции соотношения расхода газового потока, подаваемого в сосуд через разные ветви 7, 8 и 45. Модуляция соотношения расходов потоков 3, 4, 9, пересекающихся с потоком 10 позволяет устранить устойчивость формирования газовых пузырей и уплотненных блоков в псевдоожиженном слое, что повышает его однородность.
Второй вариант устройства для осуществления первого варианта способа, содержит сосуд 38 на фиг. 1 с футеровкой 39, системой 40 распределения и подачи потока газа 2 для псевдоожижения дисперсного материала 1 в восходящем потоке газа 3, 4, 9. В отличие от известных решений футеровка 39 сосуда 38 в нижней части выполнена в виде чаши 52, 53, в которой имеются каналы 54. Каналы обеспечивают подачу газа в псевдоожиженный слой. Исполнение в виде чаши нижней части футеровки, то есть открытой сверху емкости, создает условия как для требуемого распределенного размещения каналов в нижней части футеровки, так и для организации восходящего потока газа, обеспечивающего псевдоожижение дисперсных частиц. Распределение газа потока осуществляется соединенными с каналами частями 40, 41, 42 системы распределения и подачи потока газа 2. Чаша конической формы состоит из пластин 52 на фиг. 2, выполненных в виде секторов. Каналы 54 (на фиг. 1) образованы зазорами между смежными пластинами. На фиг. 2 оси 13 и 16 каналов (совпадающие с осями траекторий струй 12, 15) пересекаются в точке 19. Нижняя часть футеровки 39 на фиг. 1, имеющая форму чаши, может быть выполнена, например, в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, в обращенном вниз меньшем основании которых выполнен узел выгрузки 49. На фиг. 2 показано горизонтальное сечение исполнения нижней части футеровки 39 в виде усеченного конуса. Каналы образованы зазорами между пластинами, расположенными слоями в виде колец или многоугольников. Слои пластин образуют конусообразную или пирамидальную структуру, в которой расстояние до оси сосуда уменьшается от верхних слоев к нижнему, примыкающему к узлу 49 выгрузки дисперсного материала, расположенному на оси сосуда.
Устройство работает следующим образом. Загрузку, псевдоожижение и термообработку дисперсного материала, а также его выгрузку выполняют аналогично выше описанному. Благодаря тому, что оси 13 и 16 каналов на фиг. 2 пересекаются, струи 12 и 15, подаваемые внутрь футеровки сосуда, сталкиваются, в результате чего возрастает турбулентность в псевдоожиженном слое и повышается его однородность. Этому способствует также общее вращательное движение газового потока, в результате чего движение в псевдоожиженном слое приобретает турбулентный характер.
При исполнении второго варианта устройства чаша сосуда выполнена из горизонтальных пластин 52, 53, установленных с зазорами 54 (на фиг. 1 показаны симметрично расположенные пластины и зазоры), образующими каналы, служащие для подачи в слой струй газа 3, 4, 9. Каналами могут быть зазоры между соседними пластинами в тех же слоях, что и пластины (аналогично фиг. 2). Каналы могут быть также выполнены между слоями пластин, как на фиг. 1. На фиг. 2 показано другое возможное исполнение одного из слоев пластин 52, расположенных с образованием горизонтального кольца. В обоих исполнениях внутренние радиусы колец, расположенных, как на фиг. 1, одно над другим по высоте чаши, уменьшаются от внутреннего радиуса 55 футеровки 39 до наименьшего радиуса 57 нижнего кольца. Радиусы колец по мере убывания - 29, 30, 56, 57. Внутренние поверхности колец выполнены коническими, чтобы при разгрузке весь дисперсный материал был извлечен из сосуда. Использование зазоров между пластинами для образования газораспределительных каналов упрощает изготовление устройства. Возможно также исполнение, при котором каналы выполнены внутри пластин или на их поверхностях, примыкающих к соседним пластинам.
При другом исполнении второго варианта устройства, как показано на фиг. 5 и фиг. 6, чаша футеровки сосуда выполнена из пластин 58 расположенных пирамидальными слоями 59, 60, 61 с наклоном пластин 58 к горизонту под углом 62, который составляет от пяти градусов до угла на пятнадцать градусов превышающего угол естественного откоса дисперсного материала. Под дисперсным материалом здесь следует понимать как исходный материал, так и образующийся в результате переработки дисперсный продукт. Заданный наклон пластин (при необходимости и зазор между ними) обеспечивается установкой их на опорные элементы 63, в которых выполнены проемы 64 для выравнивания давления газа 2 в пространстве 65 под пластинами 58. Минимальный угол наклона пластин обеспечивает их распор, а максимальный (на пятнадцать градусов превышающий угол естественного откоса дисперсного материала) - полную очистку рабочего пространства от дисперсного материала при его выгрузке, что позволяет повысить выход годного при термической переработке дисперсного материала. Чаша пирамидальной формы состоит из пластин 58 на фиг. 5 и фиг 6, выполненных в виде трапеций. В пластинах 58 выполнены пазы 66, которые, вместе с поверхностью смежных пластин, образуют каналы 66.
Более эффективное перемешивание в псевдоожиженном слое достигается при дальнейшем развитии предложенного устройства. Фиг. 5 и фиг. 6 поясняют это устройство, выполненное с граненой чашей, в которой пластины уложены в виде усеченной пирамиды, расположенной большим основанием вверх. В пластинах 58, расположенных под углом 62 к горизонту, выполнены каналы в виде пазов 66 с внешними (относительно рабочего объема с псевдоожиженным слоем) гранями 67 и осью 68, расположенными параллельно внутренней поверхности 69 близлежащих пластин чаши. В пластинах оси каналв образуют острый угол относительно внутренних (обращенных к оси сосуда) граней самих пластин. В исполнении, показанном на фиг. 5 и фиг. 6, пластины 59, 60, 61, образующие чашу, расположены уступами, что упрощает конструкцию устройства.
При исполнении чаши в виде усеченного конуса, расположенного большим основанием вверх, оси каналов, формирующих струи, расположены параллельно касательным к окружностям, образованным горизонтальными сечениями внутренней поверхности чаши либо под острым углом к указанным касательным. Слои чаши, в этом случае, выполнены в виде конических воронок, вставленных друг в друга.
При дальнейшем развитии предложенного устройства каналы, а именно их оси выполнены на разных уровнях чаши с чередованием направления относительно оси сосуда по часовой стрелке и против часовой стрелки. Например, каналы, выполненные на уровне сечения А-А на фиг. 2, направлены по часовой стрелке относительно оси сосуда. Каналы, выполненные на уровне сечения Б-Б на фиг. 3, направлены в другую сторону, в данном случае, против часовой стрелки. Такая конструкция устройства обеспечивает разнонаправленную закрутку слоя на различных уровнях, дополнительно усиливает турбулентность течения и создает высокоэффективное перемешивание псевдоожиженного слоя.
Дополнительное развитие конструкции второго варианта устройства состоит в том, что каналы, как и в предыдущем случае, расположены тангенциально, по отношению к внутренней поверхности футеровки сосуда, причем на разных уровнях чередуются их направления по часовой и против часовой стрелки относительно оси сосуда. В дополнение, каналы каждого из направлений объединены, в свою группу. Каналы, расположенные в сечение А-А на фиг. 1, объединены в отдельную группу с общим подрешеточным коллектором 41 с подачей в него потока газа 7. Каналы, расположенные в сечение Б-Б на фиг. 1, объединены в другую группу другим подрешеточным коллектором 42 с подачей в него поток газа 8. Подрешеточные коллекторы 41 и 42 разделены перегородкой 70. В систему распределения потока газа 40 введен узел модуляции 71 соотношения расхода газовых потоков 7 и 8 через группы 41 и 42 каналов, которая позволяет внести дополнительную нестационарность течения в псевдоожиженном слое 1, предупреждая тем самым формирование устойчивых зон с большими отклонениями плотности слоя от среднего значения.
В этом устройстве дополнительно используется механизм динамической турбулизации, учитывающий инерционные характеристики потока газа с псевдоожиженными частицами. Модуляция соотношения составляющих газового потока через группы каналов приводит к тому, что составляющая газового потока, которая увеличилась расширяет свое сечение за счет уменьшения сечения составляющей газового потока, которая уменьшилась. Другими словами, происходит ускорение и торможение отдельных участков газового потока, что приводит к усилению турбулентности.
Третий вариант устройства для осуществления второго варианта способа содержит сосуд 38 на фиг. 1 с футеровкой 39 для дисперсного материала 1. Имеется система распределения и подачи 40, 41, 42, 52 потока газа 2 для псевдоожижения дисперсного материала. Имеются также электроды 43, 52, 53, подключенные к выводам источника питания 72. Один из электродов (например, на фиг. 1 - периферийный) выполнен из изолированных друг от друга секций 52 и 53 (на фиг. 1 - четыре изолированные секции периферийного электрода). Соответствующие элементы слоев, например 52 и 53 на фиг. 1 выполнены из электропроводного материала. Секции электрода электроизолированы друг от друга с помощью других элементов, выполненных из электроизоляционного материала. Электропроводные элементы снабжены электрическими выводами, подключенными к одноименным выводам источника питания 72. Источник питания выполнен с выводом, расщепленным на секции (на фиг. 1 - четыре) по числу секций электрода. Имеется система 73 регулирования тока 74, 75 в каждой из секций. Каждая из секций электрода 52, 53 раздельно подключена к соответствующей секции источника питания 72. Полярность выводов секций источника питания обозначена знаками «+», а общий вывод источника питания - знаками «-». Раздельное регулирование тока 74, 75 системой 73 в каждой из секций источника питания 72 реализуется путем сравнения сигналов обратной связи 76, которые формируются датчиками тока 77, включенными в цепь каждой из секций, с заданием 78, которое вводится в систему управления 73.
В третьем варианте устройства, в отличие от предыдущих, выравнивание концентрации дисперсных частиц в псевдоожиженном слое достигается тем, что при раздельном регулировании тока в разных секциях электрода достигается пространственное перераспределение плотности электрического тока 5, 6 на фиг. 1. Соответственно обеспечивается пространственное перераспределение электродинамических сил 31, 32, что приводит к дополнительному перемешиванию псевдоожиженного слоя. При возникновении неоднородностей в псевдоожиженном слое колебания тока 74 и 75 контролируют с помощью устройств 77. Для уменьшения неоднородностей производят динамическое перераспределение величины тока разных секций источника питания с частотой от 0,01 до 1000 Гц, или модулируют ток источника, причем регулируют глубину и/или частоту модуляции в указанном диапазоне частот. Разновидностью данного технического решения является изменение полярности тока с частотой от 0,01 до 1000 Гц. Для модуляции выпрямленного тока используется управляемый выпрямитель, а для реверса полярности тока - инвертор, выполненные по известным схемам. Указанные параметры электрического режима регулируют, обеспечивая снижение колебаний электрического режима от заданного значения 78.
Четвертый вариант устройства для осуществления второго варианта способа помимо футерованного сосуда 38 на фиг. 4 для псевдоожижения дисперсного материала 1, системы распределения и подачи потока газа 2, электродов 43, 79, подключенных к выводам источника питания 72 снабжен дополнительным источником питания 80 и соленоидом 34, охватывающим зону расположения рабочих участков электродов 43, 79. Соленоид 34 расположен снаружи футеровки. Соленоид 34 подключен к дополнительному источнику питания 80, выполненному по одной из известных схем выпрямителей.
Устройство, выполненное согласно четвертому варианту, работает следующим образом. В псевдоожиженном слое 1 на фиг. 4 между электродами 43 и 79 течет ток 5, 6, который подводится от источника питания 72. Ток 33 соленоида 34 создает магнитное поле, силовые линии 35 которого компланарны линиям плотности тока 5, 6 и направлены к ним под углами 36. В результате взаимодействия магнитного поля соленоида с током, протекающим между электродами, формируется пространственное поле электродинамических сил, имеющих тангенциальную направленность, условно показанную позицией 37. Под действием электродинамических сил возникает круговое движение псевдоожиженного слоя, обеспечивающее его перемешивание.
В развитие четвертого варианта устройства дополнительный источник питания 80 на фиг. 4 выполнен с возможностью модуляции выпрямленного тока 33 с частотой от 0,01 до 1000 Гц или реверса тока 33 с частотой от 0,01 до 1000 Гц. Как и в предыдущем устройстве, в данном случае под действием электродинамических сил создается круговое движение псевдоожиженного слоя. Эти силы варьируются путем модуляции тока в соленоиде, выполненного с помощью управляемого выпрямителя, имеющего, например, трехфазную мостовую тиристорную схему. При реверсе тока в соленоиде силы, вызывающие круговое движение слоя, меняют направление на противоположное. Эти воздействия препятствуют формированию устойчивых течений, что позволяет дополнительно гомогенизировать псевдоожиженный слой и снизить потери дисперсных частиц, вызванные их уносом из пузырей, раскрывающихся на поверхности слоя. Для обеспечения реверса тока источник питания 80 выполняется, например, по схеме мостового реверсивного выпрямителя либо используется инвертор.
Отмеченные выше преимущества предлагаемых вариантов технического решения позволяют повысить технологическую и энергетическую эффективность переработки дисперсных материалов в электротермическом псевдоожиженном слое, а именно повысить выход годного и снизить расход электроэнергии. Достижение указанных преимуществ обеспечено решением технической задачи в предлагаемых способе и устройстве, а именно повышением равномерности распределения дисперсного материала и соотношения его компонентов в горизонтальных сечениях электротермического псевдоожиженного слоя путем интенсификации его перемешивания благодаря вносимой турбулентности. В результате газодинамических и/или электродинамических воздействий на поток газа и дисперсных частиц образуются фрактальные волны, интенсифицирующие выравнивание концентрации дисперсных частиц и перемешивание реагентов в псевдоожиженном слое.
Из сравнительного анализа с уровнем техники, может быть сделан вывод о соответствии заявленного технического решения условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень». Как следует из описания, способ электротермической переработки дисперсного материала в псевдоожиженном слое и устройство для его осуществления могут быть реализованы известными действиями и средствами из доступных материалов и отвечают критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент WO 2015199636 A1, PCT/UA2015/000016, 30.12.2015. Способ получения поликристаллического кремния. Шварцман Л.Я.
2. РФ 2488761, F27B 5/02, 27.07.2013. Печь для обжига мелкозернистого материала в псевдоожиженном слое. Черниченко В.В.
3. А.с. СССР №437897, кл F26B 17/10, 1972. Реактор с электротермическим кипящим слоем.
4. РФ №2448173 Кл C22B 9/18 Способ электрошлакового переплава и устройство для его осуществления. Нехамин С.М. и др.
5. А.с. СССР №1050829 МПК B23K 9/08 Способ сварки дугой, вращающейся в магнитном поле. Лаврентьев В.П. и др. Бюл. №40, 1983.
6. [Электронный ресурс] 2015/ЕА/0077 (BY) 2015.05.07 Способ и установка для получения карбида кремния. Бородуля В.А. и др. / Государственное научное учреждение «Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Белоруси» (BY) // ЕАПО 1998-2017.
http://www.eapo.org/ru/pablications/buletin/ea201611/html/1500555.html
7. BY 8662 U 2012.10.30, МПК B82B 3/00, C01B 31/02. 29.03.2012. Реактор для получения углеродных нанотрубок в кипящем слое. Бородуля В.А. и др.
8. US 5060584 А. 29.10.1991, Fluidized bed combustion / Norman K. Sowards.
9. BY 8684 U 2013.04.30, МПК B01J 8/24, B01J 8/26, B01J 8/44. 30.10.2012. Газораспределительная решетка для реактора кипящего слоя. Бородуля В.А. и др.
10. А.с. СССР №1404104, МПК B01J 8/24, 12.06.1986. Газораспределительная решетка. Полиградов Б.Г. и др. Бюл. №23, 1998.