ПНЕВМОТРУБНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА
PNEUMATIC TUBE PLANT FOR THE FINE-GRAINED MATERIAL THERMAL TREATMENT

Предлагаемое изобретение относится к установкам для термической обработки мелкозернистых материалов, широко применяемым в химической, строительной и других отраслях промышленности, в частности, для разложения солей, сжигания отходов и т.п. процессов.
Известно устройство по ав. св. СССР N 872927, кл. F27B, 15/00, 1981 г., содержащее вертикальный корпус, камеру обжига, зону восходящего пневмопотока, зону нисходящего закрученного пневмопотока во встроенном циклоне, штуцера ввода и вывода теплоносителей.
Недостатками устройства является применение испарительного охлаждения стенок циклона для отвода избыточного тепла вместо его утилизации, ведущее к большому расходу топлива и воды.
Известно также устройство по пат. США N 4052149, кл. 432-58, 1976 г., содержащее вертикальные наружный и внутренний корпуса со спиральным каналом между ними, топку в нижней части корпусов, циклон, вентилятор горячего дутья для рециркуляции пневмопотока из циклона в рабочую камеру в верхней части внутреннего корпуса, с последующим смешением его с продуктами горения топлива перед подачей смеси в нижний виток спирального канала.
Недостатками этого устройства являются отсутствие утилизации тепла отходящих газов, низкий коэффициент теплопередачи от восходящего пневмопотока в спиральном канале к нисходящему пневмопотоку в рабочей камере вследствие низкой концентрации частиц материала по обе стороны внутреннего корпуса, что ведет к большим габаритам устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой установке является печь для термической обработки сыпучего материала по ав. св. СССР N 976270, кл. F27B, 15/00, 1982 г., содержащая вертикальный цилиндроконический корпус, внутри которого размещен пучок параллельных трубок, закрепленных в нижней и верхней перегородках, топку, подсоединенную к корпусу выше уровня верхней перегородки, вентилятор с эжектором, подсоединенным к нижней части корпуса, циклон. В трубках движется восходящий пневмопоток, а в межтрубном пространстве нисходящий пневмопоток.
Недостатками прототипа являются низкий коэффициент теплопередачи через стенку трубки от нисходящего пневмопотока к восходящему пневмопотоку, движущихся прямолинейно, вследствие низкой концентрации частиц материала по обе стороны трубки, относительно высокая температура отходящих газов на входе в циклон, поскольку теплосодержание отходящих газов больше, чем теплосодержание нагретого восходящего пневмопотока в силу разницы их объемов, что ведет к повышенному расходу топлива.
Целью предполагаемого изобретения является интенсификация тепло- и массообмена и утилизация тепла отходящих газов для снижения расхода топлива.
Указанная цель достигается тем, что в заявляемой пневмотрубной установке для термической обработки мелкозернистого материала, содержащей топку с футерованным корпусом, рабочую камеру с горелкой, установленной тангенциально к ее торцевой стенке, перфорированную стенку напротив торцевой стенки, наружную вертикальную теплоизолированную пневмотрубу и внутреннюю вертикальную пневмотрубу по ее оси с ленточной спиралью на всю высоту, сообщающиеся с рабочей камерой, вставки по высоте наружной пневмотрубы, верхние отводы из колен и горизонтальных участков труб, соединенных коленами с торцами пневмотруб, и нижний отвод внутренней пневмотрубы, колено которого соединено с ее нижним торцом, тягодутьевые устройства, теплообменники со штуцерами входа и выхода воздуха, эжектор, бункер с питателем, циклон с выгружателем, пневмотрубы выполнены конической формы, торцевая стенка снабжена коническим выступом по оси камеры, вставки выполнены из боковых поверхностей обратных прямых усеченных конусов, примыкающих большими основаниями к внутренней поверхности наружной пневмотрубы и снабженных чередующимися рядами впадин и выступов в нижних частях конусов, образующих козырьки в промежутках между впадинами, и вертикальных цилиндров под конусами по оси пневмотруб, с чередующимися выступами и впадинами в верхних и нижних частях цилиндров, причем верхние выступы выполнены прилегающими к основаниям впадин нижних частей конусов, верхние впадины цилиндров расположены под козырьками конусов, образуя ряды отверстий, нижние впадины размещены над нижерасположенными конусами, образуя ряды отверстий, смещенных в плане относительно козырьков, а горизонтальный участок трубы нижнего отвода расположен по оси рабочей камеры топки, проходя через центральное отверстие в перфорированной стенке, с расположением выходного отверстия трубы перед вершиной конического выступа.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая пневмотрубная установка для термической обработки мелкозернистого материала отличается тем, что пневмотрубы выполнены конической формы, торцевая стенка снабжена коническим выступом по оси камеры, вставки выполнены из боковых поверхностей обратных прямых усеченных конусов, примыкающих большими основаниями к внутренней поверхности наружной пневмотрубы и снабженных чередующимися рядами впадин и выступов в нижних частях конусов, образующих козырьки в промежутках между впадинами, и вертикальных цилиндров под конусами по оси пневмотруб, с чередующимися выступами и впадинами в верхних и нижних частях цилиндров, причем верхние выступы выполнены прилегающими к основаниям впадин нижних частей конусов, верхние впадины цилиндров расположены под козырьками конусов, образуя ряды отверстий, нижние впадины цилиндров размещены над нижерасположенными конусами, образуя ряды отверстий, смещенных в плане относительно козырьков, а горизонтальный участок трубы нижнего отвода расположен по оси рабочей камеры топки, проходя через центральное отверстие в перфорированной стенке, с расположением выходного отверстия трубы перед вершиной конического выступа.
Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".
На фиг. 1 изображена установка для термической обработки мелкозернистого материала, продольный разрез; на фиг. 2 - увеличенная часть поперечного разреза на фиг. 1.
Установка содержит топку 1 с цилиндрическим корпусом 2, внутренней футеровкой 3 из огнеупорного материала, рабочей камерой 4 с торцевой стенкой 5, снабженной коническим выступом 6 по ее оси, горелкой 7, установленной тангенциально вплотную к торцевой стенке 5, и вертикальной стенкой 8 с рядом отверстий 9, расположенной напротив торцевой стенки 5, наружную вертикальную коническую пневмотрубу 10, соединенную с рабочей камерой 4, и расположенную по ее оси внутреннюю вертикальную коническую пневмотрубу 11, кольцевые камеры рециркуляции 12 внутри пневмотрубы 10, расположенные одна над другой, образованные рядом вставок 13, содержащих боковые поверхности обратных прямых усеченных конусов 14, примыкающих большими основаниями к внутренней поверхности пневмотрубы 10 и снабженных чередующимися рядами выступов и впадин в нижних частях конусов 14, образующих козырьки 15 в промежутках между впадинами, вертикальные цилиндры 16 под конусами 14 по оси пневмотрубы 10 с чередующимися выступами и впадинами в верхних и нижних частях цилиндров 16, причем верхние выступы выполнены прилегающими к основаниям впадин нижних частей конусов 14, верхние впадины цилиндров 16 расположены под козырьками конусов 14, образуя ряд отверстий 17, нижние впадины расположены над нижерасположенными конусами 14, образуя ряд отверстий 18, смещенных в плане относительно козырьков 15, ленточную спираль 19 внутри внутренней пневмотрубы 11, верхние отводы 20 и 21 из колен и горизонтальных участков труб, соединенных коленами с торцами пневмотрубами 10 и 11, и нижний отвод 22 внутренней пневмотрубы 11, колено которого соединено с ее нижним торцом, а труба расположена по оси камеры 4, проходя через центральное отверстие в перфорированной стенке 8, с расположением выходного отверстия 23 отвода 22 перед вершиной конического выступа 6, теплоизоляцию 24 наружной пневмотрубы 10, эжектор 25, соединенный с отводом 21, воздуходувку 26 вторичного воздуха, бункер 27 с питателем 28, теплообменник 29, содержащий корпус 30, охватывающий горизонтальный участок отвода 20, спираль 31 между ними и двумя вертикальными кольцевыми стенками 32 с уплотнениями 33, теплообменник 34 образованный корпусом 2 топки 1 и ее наружным кожухом 35, снабженный спиралью 36 между ними и уплотнением 37 кожуха 35, теплоизолированный воздухопровод 38, соединяющий теплообменники 29 и 34, воздуходувку 39 для подачи первичного воздуха в теплообменник 29, циклон 40 с выгружателем 41, вытяжной вентилятор 42.
Конструкция "труба в трубе" для теплообмена двух теплоносителей известна, но в предлагаемой установке, в условиях большого изменения их объемных расходов, пневмотрубы для снижения гидравлического сопротивления выполнены конической формы.
Каждая вставка 13 изготовлена из заготовок двух деталей: боковой поверхности полого обратного прямого усеченного конуса 14 и боковой поверхности полого цилиндра 16. В заготовке конуса 14 выполнено равное число выступов и впадин одинакового размера со стороны меньшего основания, с получением чередующихся козырьков 15 и впадин для прохода части восходящего пневмопотока между козырьками 15. В заготовке цилиндра 16 в верхней его части образованы чередующиеся выступы, при сборке перекрывающие основания впадин конуса 14, и впадины, образующие с козырьками 15 отверстия 17 для входа части пневмопотока в камеру рециркуляции 12. В составе вставки 13 цилиндр 16 расположен вертикально по оси пневмотрубы 10 под конусом 14. Все вставки 13 выполнены с диаметрами конусов 14 и цилиндров 16, уменьшающимися по высоте пневмотрубы 10 в направлении снизу вверх. Угол наклона образующей верхней наклонной поверхности конуса 14 к горизонтали должен быть больше угла естественного откоса обрабатываемого сыпучего материала. Каждая камера 12 ограничена четырьмя стенками: нижней поверхностью вышерасположенного конуса 14, верхней поверхностью нижерасположенного конуса 14, частью внутренней поверхности пневмотрубы 10, наружной поверхностью цилиндра 16. Число отверстий 17 в цилиндре 16 должно быть равно числу козырьков 15 в конусе 14. Также в заготовке цилиндра 16 в нижней его части образовано равное число чередующихся выступов и впадин, выполненных со смещением на шаг по отношению к выступам и впадинам в верхней части цилиндра 16. Торцы выступов нижней части цилиндра 16 примкнуты к нижерасположенному конусу 14, а впадины нижней части цилиндра 16 вместе с ним образуют ряды отверстий 18 для выхода части пневмопотока из камеры рециркуляции 12 в основной восходящий пневмопоток. Между вставками 13 и внутренней пневмотрубой 11 расположен проход для основного восходящего пневмопотока.
Отводы 20, 21 и 22 выполнены из расположенных горизонтально труб и подсоединенных к ним колен разных длин и диаметров, причем труба отвода 22 выполнена из огнеупорного материала.
Нижние и верхние половины пневмотруб 10 и 11, в зависимости от рабочей температуры пневмопотоков, могут быть выполнены из стали разной степени жаростойкости, а теплоизоляция 24 верхней половины наружной пневмотрубы 10 может быть выполнена с меньшей толщиной слоя, чем ее нижней половины, в соответствии с понижением температуры восходящего пневмопотока.
Горелка 7 снабжена горелочным камнем 43 и сообщена с рабочей камерой 4 через отверстие 44 в футеровке 3, расположенное тангенциально с примыканием к торцевой стенке 5 рабочей камерой 4.
Вертикальная поперечная стенка 8 с большой площадью сечения проходных отверстий 9 для прохода через нее суммарного пневмопотока в сторону пневмотрубы 10, одновременно предназначена для подпорки проходящего через центральное отверстие в ней горизонтального участка отвода 22.
Выход пневмопотока с продуктом из рабочей камеры 4 после вертикальной стенки 8 в наружную пневмотрубу 10 осуществлен через входное отверстие 45.
Горизонтальный участок отвода 20 снабжен штуцером 46, расположенным по ходу пневмопотока после теплообменника 29, для выхода отходящих газов и готового продукта в циклон 40. Теплообменник 29 предназначен для одновременного подогрева вторичного воздуха с сырьем в трубе отвода 21 и первичного воздуха, идущего на горение топлива, поступающего от воздуходувки 39 через штуцер 47. Отводы 21 и 20 расположены коаксиально внутри корпуса 30 теплообменника 29. Уплотнения 33 на отводе 20 в теплообменнике 29 предназначены для компенсаций температурных расширений труб, входящих в состав теплообменника 29. Теплообменники 29 и 34 снабжены штуцерами 47 для входа первичного воздуха и 48 для его выхода.
В предлагаемой установке организовано противоточное движение обоих пневмопотоков для достижения высокого к.п.д. и достигнут высокий коэффициент теплоотдачи от восходящего пневмопотока к наружной стенке внутренней пневмотрубы 11.
Пневмотрубная установка работает следующим образом.
Исходное мелкозернистое сырье из бункера 27 с помощью питателя 28 непрерывно поступает в эжектор 25, в который воздуходувкой 26 подают вторичный воздух для смешения с исходным сырьем с образованием пневмопотока. Давление вторичного воздуха, создаваемое воздуходувкой 26, должно быть достаточным для преодоления гидравлического сопротивления обеих пневмотруб 11 и 10. Полученный пневмопоток направляют для подогрева в теплообменник 29 по отводу 21, а далее во внутреннюю пневмотрубу 11.
Эжектор 25 создает разрежение на выходе из питателя 28 для исключения прорыва вторичного воздуха через него, ведущего к зависанию материала в бункере 27.
С помощью воздуходувки 39 первичный воздух с коэффициентом расхода, близким к единице, направляют в теплообменник 29 для его подогрева, а из него через штуцер 48 по теплоизолированному воздухопроводу 38 подают в теплообменник 34 для охлаждения корпуса 2 топки 1. Окончательно подогретый в теплообменнике 34 первичный воздух из штуцера 48 поступает в горелку 7, куда направляют жидкое или газообразное топливо. Для увеличения коэффициента теплоотдачи от воздуха к теплопередающим стенкам в теплообменниках 29 и 34 используют спирали 31 и 36 для увеличения скорости первичного воздуха путем его закрутки.
Поступающий во внутреннюю пневмотрубу 11 пневмопоток из вторичного воздуха и частиц сырья закручивается с помощью ленточной спирали 19, и в виде высокоскоростного закрученного пневмопотока движется вниз, нагреваясь через стенку внутренней пневмотрубы Ни охлаждая этим восходящий пневмопоток с продуктом в наружной пневмотрубе 10. Оба теплоносителя (пневмопотоки) движутся в режиме противотока.
Высокое теплосодержание восходящего пневмопотока в наружной пневмотрубе 10 позволяет нагреть через стенку внутренней пневмотрубы 11 нисходящий закрученный пневмопоток из вторичного воздуха и сырья перед поступлением в рабочую камеру 4.
В спиральном канале внутренней пневмотрубы 11 взвешенные частицы сырья отжимаются за счет центробежной силы к ее внутренней поверхности, что вызывает местное повышение плотности нисходящего пневмопотока в пристенной области, многократное изменение скорости частиц при соударениях с внутренней поверхностью теплопроводной стенки внутренней пневмотрубы 11, ведущие к значительному увеличению коэффициента теплоотдачи от пневмопотока к стенке внутренней пневмотрубы 11, по сравнению с прямой пневмотрубой. Дополнительно ленточная спираль 19 частично выполняет функцию оребрения пневмотрубы 11 в местах соприкосновения с ней, повышая коэффициент теплоотдачи от пневмопотока к ее внутренней поверхности. Кроме того, время пребывания обрабатываемых частиц в спиральном канале внутренней пневмотрубы 11, увеличивается за счет торможения частиц о внутреннюю поверхность стенки внутренней пневмотрубы 11 и удлинения пути частиц в спиральном канале, что способствует прогреву частиц.
Далее подогретые частицы сырья по отводу 22 поступают в рабочую камеру 4.
Скорость нисходящего пневмопотока в спиральном канале внутренней пневмотрубы 11 при увеличении его объемного расхода с повышением температуры и расходная скорость восходящего пневмопотока в пневмотрубе 10 при понижении его объемного расхода с понижением температуры поддерживают за счет изменения площадей рабочих проходных сечений по высоте пневмотрубы 11 с ленточной спиралью 19 и пространства между рядом кольцевых камер рециркуляции 12 и внутренней пневмотрубой 11 в конической пневмотрубе 10.
Подогретый в теплообменниках 29 и 34 первичный воздух и подогретый в теплообменнике 29 пневмопоток из смеси вторичного воздуха и сырья, дополнительно утилизируют тепло выходящего из пневмотрубы 10 по трубе отвода 20 пневмопотока из смеси газов и готового продукта, внося дополнительное тепло в рабочую камеру 4 по отводу 22, позволяя тем самым снизить расход топлива на проведение термической обработки материала. С помощью горелки 7 с горелочным камнем 43 при сжигании топлива получают высокотемпературный газообразный теплоноситель (продукты горения топлива) под давлением, который направляют тангенциально в рабочую камеру 4 с высокой скоростью вплотную к ее торцевой стенке 5, где они делают оборот вокруг конического выступа 6, нагревая его и прилегающую футеровку 3 с очень высоким коэффициентом теплоотдачи излучением и конвекцией. Подогретые частицы сырья из пневмопотока вторичного воздуха, вылетающие из выходного отверстия 23 горизонтального участка отвода 22, расположенного внутри рабочей камеры 4, направляются на поверхность конического выступа 6, ударяются о него и замедляют свою мгновенную скорость почти до нуля, затем отбрасываются по торцевой стенке 5 к периферии, образуя нестационарный сгусток, размываемый закрученным потоком продуктов горения топлива из горелки 7. В зоне между выступом 6, торцевой стенкой 5 и и прилегающей к ней частью футеровки 3 происходит тепловой удар, вызывающий резкую интенсификацию теплообмена между частицами и высокотемпературными продуктами горения топлива, что ведет к перегреву поверхности частиц сырья. Смесь продуктов горения топлива, продукционного газа, выделяющегося при разложении обрабатываемого материала и пневмопотока из отвода 22, изменяет направление движения в рабочей камере 4, перемещаясь между футеровкой 3 и отводом 22, с выравниванием температуры по всему объему каждой частицы и с понижением температуры газов, в сторону вертикальной стенки 8, поддерживающей уменьшающуюся закрутку пневмопотока.
В рабочей камере 4 происходит передача тепла излучением от всей поверхности футеровки 3 и от трехатомных газов продуктов горения топлива и продукционного газа, к взвешенным частицам материала, а также конвекцией. Относительная скорость движения частиц, определяющая коэффициент теплоотдачи конвекцией от газа к поверхности взвешенной частицы и время их пребывания в рабочей камере 4, изменяется многократно из-за соударений и торможения частиц о торцевую стенку 5 с коническим выступом 6, футеровку 3 рабочей камеры 4 при закрутке потока, и последующего изменения итогового направления движения частиц материала в рабочей камере 4 на 180°, что увеличивает объемный коэффициент теплопередачи между газом и взвешенными частицами и способствует достижению полноты проведения эндотермической реакции разложения обрабатываемого материала при получении готового продукта.
Далее смесь газов и взвешенных частиц проходит через отверстия 9 в стенке 8 и поступает во входное отверстие 45 наружной пневмотрубы 10, а затем движется в ней в виде восходящего пневмопотока. Передача тепла в пневмотрубах 10 и 11 осуществляется, в основном, с помощью конвекции.
Известно, что коэффициент теплопередачи между двумя теплоносителями через теплопередающую стенку меньше наименьшего из двух коэффициентов теплоотдачи от пневмопотоков к стенке по обе ее стороны, поэтому, при высоком коэффициенте теплоотдачи во внутренней пневмотрубе 11, в наружной пневмотрубе 10 необходимо создать условия для увеличения плотности среды в области наружной поверхности внутренней пневмотрубы 11, для чего применяются вставки 13 по высоте наружной пневмотрубы 10.
Восходящий пневмопоток в наружной пневмотрубе 10 непрерывно понижает свою температуру за счет теплообмена через стенку внутренней пневмотрубы 11, при этом скорость пневмопотока непрерывно изменяется, увеличиваясь при прохождении уровня отверстий 18 в нижних частях цилиндров 16 вставок 13 за счет сужений проходных сечений и поступлений пневмопотоков из камер рециркуляции 12 через отверстия 18, и уменьшаясь после их прохождения из-за увеличения площади проходного сечения в пространстве между рядом кольцевых камер рециркуляции 12 и внутренней пневмотрубой 11 выше уровня отверстий 18. Восходящий пневмопоток, движущийся вертикально с большой скоростью мимо ряда отверстий 18, сообщающихся с каждой камерой рециркуляции 12, создает в ней разрежение, за счет чего в нее через ряд отверстий 17 в верхней части каждого цилиндра 16, прикрытых сверху козырьками 15, препятствующими проскоку частиц вверх, устремляются некоторые частицы и часть газов из восходящего пневмопотока. Затем в каждой камере рециркуляции 12 частицы падают вниз и скатываются по верхней наклонной поверхности нижерасположенного конуса 14 вниз, поступая через отверстия 18 обратно в скоростной восходящий пневмопоток. Этот путь некоторые частицы материала могут совершать многократно. Возникающие таким образом тороидальные вихри с движением частиц вниз внутри и вверх снаружи цилиндров 16 увеличивают количество готового продукта в струях восходящего пневмопотока, но при сохранении его массы на выходе из наружной пневмотрубы 10. Таким образом, по высоте наружной пневмотрубы 10 многократно используется способ перехода динамического напора пневмопотока в статический, с повышением давления под козырьками, что позволяет интенсифицировать теплообмен между пневмопотоком и стенкой внутренней пневмотрубы 11. Образование ряда рециклов материала по высоте внутренней пневмотрубы 11 увеличивает коэффициент теплоотдачи от восходящего пневмопотока к наружной стенке внутренней пневмотрубы 11, а следовательно, увеличивает коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю через стенку внутренней пневмотрубы 11. Небольшая часть восходящего пневмопотока проходит между козырьками 15 во всех вставках 13 благодаря смещению в плане козырьков 15 и отверстий 18, понижая тем самым гидравлическое сопротивление системы.
Готовый продукт вместе с отходящими газами из наружной пневмотрубы 10 поступают в отвод 20 теплообменника 29, в котором они дополнительно охлаждаются с помощью пневмопотока вторичного воздуха с сырьем и первичного воздуха с температурой окружающей среды, а из него через штуцер 46 выводятся в циклон 40. Уловленный в циклоне 40 готовый продукт удаляют с помощью выгружателя 41, а отходящие газы из циклона 40 вытяжным вентилятором 42 направляют на очистку.
Для термообработки в предлагаемой установке пастообразных материалов необходимо применение питателя-гранулятора.
В предлагаемой установке осуществляют снижение расхода топлива путем утилизации одновременно тепла отходящих газов и готового продукта при достижении высокого термического к.п.д. с помощью противотока теплоносителей.