Устройство для закалки и очистки высокотемпературных газов от твёрдых частиц
DEVICE FOR QUENCHING AND CLEANING HIGH-TEMPERATURE GASES FROM SOLID PARTICLES

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в установках с хлорсодержащими высокотемпературными запыленными газами в коммунальном хозяйстве, энергетике, химической, металлургической и нефтехимической промышленностях.
Во многих производственных процессах существует проблема быстрого охлаждения высокотемпературных запыленных газов. Например, при термической утилизации хлорсодержащих медицинских отходов дымовые газы, образующиеся в результате сжигания отходов, необходимо быстро охладить и обеспылить для предотвращения возможности повторного синтеза на частицах пыли полихлорированных дибензо-пара-диоксинов (ПХДД) и дибензофуранов (ПХДФ) (при совместном упоминании ПХДД/Ф), являющихся высокотоксичными стойкими органическими загрязнителями.
В нефтехимической промышленности пиролизные установки должны быть снабжены средствами закалки газов пиролиза для предотвращения вторичных реакций. Чтобы потери олефинов не превысили допустимого уровня, время закалочного охлаждения газов (с 950°С до 650°С) не должно превышать 0,03-0,05 секунды.
Известен аппарат для закалки газов пиролиза [1], содержащий внешнюю и внутреннюю трубы, патрубки подвода и отвода газов пиролиза, патрубки подвода и отвода охлаждающей среды, и струйный эжектор, включающий сопло, приемную камеру и камеру смешения. Сопло соединено с патрубком подвода газов пиролиза. Внутренняя труба одним из концов соединена с камерой смешения, а другим концом через тройник соединена с приемной камерой и патрубком отвода газов пиролиза.
Поступающие из патрубка подвода горячие газы пиролиза формируются соплом эжектора в струю, которая подсасывает находящиеся в приемной камере охлажденные газы, имеющие температуру 650°С. Перемещаясь по внутренней трубе, смесь газов охлаждается, отдавая свое тепло среде, протекающей в зазоре между внешней и внутренней трубами. Часть охлажденной смеси поступает в приемную камеру, а часть выводится из аппарата.
Недостатком устройства является то, что взаимодействие между охлаждаемым и охлаждающим газами происходит в режиме спутных потоков, характеризующихся низкой эффективностью тепломассообмена, и устройство не предусматривает выделения из газа твердых частиц.
Известно устройство [2], выполненное в виде двухтрубной конструкции, состоящей из наружной и внутренней труб, образующих между собой кольцевой канал и зону смешивания, находящуюся перед внутренней трубой. Высокотемпературные газы поступают в устройство и в зоне смешивания смешиваются с охлаждающими газами, поступающими в эту зону в виде вихревого потока, следующего по спиральной траектории сверху вниз через кольцевой канал между наружной и внутренней трубами. Затем смешанные газы выводятся снизу - вверх через внутреннюю трубу для обработки на последующих стадиях процесса.
Недостатком устройства является то, что из-за вращательного движения потока охлаждающего газа, он в зоне смешивания взаимодействует только с периферийными слоями охлаждаемого газа, а основное взаимодействие между охлаждаемым и охлаждающим газами происходит уже во внутренней трубе в режиме спутных потоков, характеризующихся низкой эффективностью тепломассообмена.
Другим недостатком устройства является то, что охлаждающий и охлаждаемый потоки газов движутся в противотоке и, вследствие теплообмена через стенку внутренней трубы, охлаждающий газ нагревается еще до прямого контакта с охлаждаемым газом, что снижает эффективность устройства.
Еще одним недостатком является то, что устройство не предусматривает выделения из газа твердых частиц. Поэтому частицы пыли и конденсируемые компоненты, находящиеся в охлаждаемом газе, оседают на внутренней поверхности охлаждаемой снаружи внутренней трубы, постепенно изменяя гидродинамические условия движения газов.
Известно большое количество инерционных пылеотделителей для сухой очистки газов от пыли, но они не обеспечивают охлаждения газов.
Известен циклон для очистки и охлаждения высокотемпературных и запыленных газов [3], содержащий корпус с тангенциальным входным патрубком, осевую выхлопную трубу, стенки которой выполнены из тепловых труб с испарительными и конденсационными зонами. Недостатками устройства является необходимость использования внешнего хладоагента и сравнительно низкая эффективность теплопередачи через стенку, не позволяющие осуществлять требуемое высокоскоростное охлаждение газа.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по конструктивному устройству является прямоточный циклон с нижним выводом газа, содержащий цилиндрический корпус с тангенциальным входным патрубком, конусное днище, заканчивающееся сборником пыли и выходной патрубок, входной срез которого размещен по оси циклона [4]. Недостатком устройства, применительно к задаче заявленного изобретения, является принципиальное отсутствие возможности охлаждения газа.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение является обеспечение высокоскоростного (свыше 1000°С/с) охлаждения газов с их одновременной очисткой от твердых частиц.
Технический результат достигается в устройстве, содержащем вертикальный корпус с крышкой, патрубками ввода и вывода газов и устройством вывода твердых частиц. Верхняя цилиндрическая часть корпуса снабжена двумя патрубками ввода - охлаждаемого и охлаждающего газов, введенными в одной плоскости, тангенциально с противоположных направлений. Диаметры патрубков одинаковы и равны 0,43 диаметра корпуса. Высота цилиндрической части корпуса равна 1,5-2,0 его диаметра. Нижняя часть корпуса имеет форму конуса и снабжена камерой сбора твердых частиц с шлюзовым устройством их выгрузки. Внутри цилиндрической части корпуса коаксиально расположен конфузор патрубка вывода охлажденной смеси газов, входной срез которого размещен на расстоянии 0,3-0,7 диаметра цилиндрической части корпуса по вертикали от оси входных патрубков и имеет диаметр 0,7-0,9 диаметра цилиндрической части. Патрубок охлаждающего газа снабжен регулирующим устройством с вентилятором.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом на фиг. 1.
Устройство содержит корпус с крышкой 1, патрубок ввода охлаждающего газа 2, патрубок ввода охлаждаемого газа 3, патрубок вывода охлажденной газовой смеси 4, камеру сбора твердых частиц 5 с шлюзовым устройством, регулятор расхода охлаждающего газа 6.
Устройство работает следующим образом.
Подачу в устройство охлаждаемого газа, например, дымовых газов от сжигания продуктов пиролиза, производят через входной патрубок 3 за счет перепада давления, создаваемого вентилятором, расположенным на линии входного патрубка охлаждающего газа 2 и дымососом, расположенным на линии выходного патрубка 4, через который выводится охлажденная смесь газов. Подачу охлаждающего газа, например атмосферного воздуха, осуществляют через патрубок 2 за счет давления, создаваемого вентилятором и разрежения, создаваемого дымососом. Количество поступающего воздуха регулируют устройством 6. Выгрузку из камеры сбора твердых частиц 5, расположенной в нижней части корпуса 1, производят периодически, по мере накопления через шлюзовое устройство.
Снабжение корпуса двумя, введенными тангенциально и противоположно направленными патрубками обеспечивает сложное взаимодействие «горячего» и «холодного» потоков газов - одновременно происходит частичное соударение встречно-смещенных струй и переход образующейся смеси газов во вращательное вихревое движение. При таких условиях происходит интенсивное смешивание газов с одновременной турбулизацией, что кардинально интенсифицирует процессы тепломассопереноса, и обеспечивает высокую (около 1500°С/с) скорость охлаждения газа [5]. При выбранных соотношениях размеров процесс охлаждения практически завершается на выходе из конфузора выходного патрубка охлажденных газов.
Размещение входного среза конфузора патрубка охлажденной смеси газов внутри цилиндрической части корпуса устройства на расстоянии 0,3-0,7 диаметра цилиндрической части корпуса от оси входных патрубков газов обеспечивает траекторию движения смеси газов в виде вихревого потока, сохраняющего скорость закручивания, способствующую наиболее полному удалению твердых частиц из потока. За счет центробежных сил происходит выбрасывание частиц пыли из потока на стенку корпуса, по которой слой пыли сползает в его нижнюю часть через кольцевой зазор между стенкой корпуса и стенкой конфузора (зазор составляет 0,05-0,15 от диаметра цилиндрической части корпуса), что снижает вероятность возврата твердых частиц в уходящий поток.
Размещение входного среза конфузора патрубка охлажденной смеси газов внутри цилиндрической части корпуса устройства на расстоянии 0,3-0,7 диаметра цилиндрической части корпуса от оси входных патрубков обеспечивает требуемую скорость охлаждения и, соответственно, время пребывания газа в устройстве.
Обеспечение патрубка ввода охлаждающего газа регулирующим устройством позволяет изменять количество поступающего газа и, тем самым, регулировать конечную температуру охлажденной смеси газов.
Снабжение нижней части корпуса камерой сбора твердых частиц с шлюзовым устройством обеспечивает герметичность системы при выгрузке.
Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает обеспыливание и высокоскоростное охлаждение потока газа.
Источники информации
1. Способ получения низших олефинов, реактор для пиролиза и аппарат для закалки газов пиролиза// Патент RU 2124039 /Бушуев В.А.
2. Method and apparatus for cooling exhaust gas from bypass of kiln// EP 0927707 /Kaneko. 25.06.1998,. 07.07.1999.
3. Циклон для очистки и охлаждения высокотемпературных и запыленных газов // Патент SU 1144732/ Старков Л.А., Домрачев B.C. / Опубл. 07.07.1985.
4. Циклоны прямоточные с нижним выводом газа, ttps://mahp.net.ru/gas-cleaning/dry-gas-cleaning/ciklony-mokrye/144-2009-01-11-20-39-10.
5. Зройчиков H.A., Фадеев С.А., Бирюков Я.А., Пай А.В., Тарасов Г.А. Компьютерное моделирование тепломассобмена в контактном вихревом газоохладителе и верификация результатов расчета на физической модели // Наука сегодня: реальность и перспективы: Международная научно-практическая конференция, г. Вологда, 2019. - с. 21-23.