УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ И/ИЛИ ФИЗИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ МЕЖДУ ТВЕРДЫМ ВЕЩЕСТВОМ И ГАЗОМ
APPARATUS FOR CONDUCTING CHEMICAL AND/OR PHYSICAL REACTIONS BETWEEN SOLID SUBSTANCE AND GAS

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