СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВОГО ПОТОКА ОТ ТВЕРДЫХ ВЗВЕСЕЙ
SCRUBBING OF GAS FLOW FROM SUSPENDED SOLIDS

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в котельных и технологических установках для очистки газовых потоков от твердых взвесей, а также в других областях для решения задач очистки двухфазных газовых потоков от твердых взвесей.
Известен способ очистки газового потока от твердых взвесей, включающий применение центробежной силы для отделения твердых частиц, для чего газовый поток тангенциально вводят в вертикальный цилиндрический корпус золоотделителя, с организацией спирально-нисходящего потока, при этом отсепарированный материал отводят через нижнюю зону золоотделителя, а очищенный газ отводят через газоотводную трубу, регулируя площадь сечения канала, сообщающего зону очистки и газоотводную трубу золоуловителя (см. RU №2317150, B04C 5/107, 2006).
Недостаток этого технического решения - очистка газовоздушного потока осуществляется только за счет аэродинамического эффекта, что в устройствах значительной производительности (и, соответственно, размеров) не обеспечивает эффективной очистки от тонких легко витающих фракций.
Известен также способ очистки газового потока от твердых взвесей, включающий применение распыленной воды орошения и приложение центробежной силы для отделения твердых частиц с отводом отсепарированного материала, для чего газовый поток тангенциально вводят в вертикальный цилиндрический корпус золоотделителя (см. книгу Кропп Л.И. и Акбрут А.И. Золоуловители с трубами Вентури на тепловых электростанциях. М., Энергия, 1977, с.22-23, рис.2-1).
Однако это техническое решение отличается следующими недостатками, ограничивающими рост к.п.д. золоулавливания:
1. Здесь последовательно в самостоятельных устройствах реализовано орошение потока в линейном потоке (труба Вентури), центробежное отделение зольного потока от золы (корпус каплеуловителя).
2. Аэродинамическая энергия потока на золоудаление тратится в таком устройстве нерационально, т.к. до 50% напора расходуется в трубе Вентури на эффективное орошение, а до 50% напора расходуется на центробежное отделение в корпусе каплеуловителя. При таких напорах (50 мм р.ст.) невозможно создать интенсивное центробежное поле в объеме корпуса.
При этом «аэродинамический фактор» так слаб, что для всех золоулавливателей при снижении нагрузки котла к.п.д. золоулавливания падает, несмотря на то, что относительная концентрация воды в озоленном центробежном потоке линейно возрастает. В результате реализации такой схемы золоулавливания аэродинамическое качество трехфазного вихря в каплеуловителе крайне низко: он существенно осеассиметричен во всем объеме каплеуловителя и имеет низкую интенсивность центробежного поля в объеме каплеуловителя.
Все это не позволяет поднять эффективность золоулавливания выше 96-97% (максимум до 98% новых конструктивных схем скрубберов).
Решаемая техническая задача - повышение эффективности очистки газовоздушного потока от золы при снижении расхода воды на орошение.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении стабильно высокого качества очистки дымовых газов на всех возможных режимах работы котельной установки. Обеспечение кпд очистки на уровне 99,0-99,5% на номинальной нагрузке в эксплуатации с незначительным снижением при изменении нагрузки. Низкий расход воды на орошение (впрыск) порядка 1,6-2,0 раза ниже по сравнению с известными устройствами сходного назначения и равной производительности.
Для решения поставленной задачи способ очистки газового потока от твердых взвесей, включающий применение распыленной воды орошения и приложение центробежной силы для от отделения твердых частиц с отводом отсепарированного материала, для чего очищаемый газовый поток тангенциально вводят в вертикальный цилиндрический корпус золоотделителя, отличается тем, что движение очищаемого потока организуют спирально-нисходящим так, чтобы осесимметричность поля скоростей движения потока обеспечивалась в любом горизонтальном сечении по всей высоте зоны очищения, для чего объем очищаемых газов вводят в полость золоотделителя по меньшей мере двумя тангенциальными потоками одинаковых объемов, симметрично относительно продольной оси золоотделителя, при этом сухому очищаемому газовому потоку перед его вводом в полость золоуловителя придают форму прямоугольника, предпочтительно, вытянутого по вертикали, причем распыл воды орошения осуществляют в характерных сечениях каждого отдельного тангенциального потока, вне полости золоуловителя, для чего формируют горизонтально ориентированные факелы распыленной воды, перекрывающие сечение этих потоков, распределенные по высоте характерного сечения с наложением их краевых зон друг на друга. Кроме того, плоскость симметрии факелов совпадает с плоскостью соответствующих характерных сечений. Кроме того, регулируют площадь сечения канала, сообщающего зону очистки и газоотводную трубу золоуловителя.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки «…движение очищаемого потока организуют спирально-нисходящим…» минимизируют затраты энергии на перемещение твердых частиц, поскольку вектор силы тяжести в этом случае совпадает с общим направлением перемещения очищаемого газового потока;
обеспечивают возможность формирования водяной пленки на внутренней поверхности вертикального корпуса, «работающей» как локализатор (улавливатель) частиц твердых фракций, отбрасываемых к ней за счет центробежных сил, что особенно важно для тонких фракций.
Признаки, указывающие, что спирально-нисходящее движение очищаемого потока организуют так, «чтобы осесимметричность поля скоростей движения потока обеспечивалась в любом горизонтальном сечении по всей высоте зоны очищения», обеспечивают одинаково оптимальные условия для проявления и аэродинамического, и «водяного» факторов очистки в любой точке организованного потока по всей высоте зоны очищения.
Признаки, указывающие, что «объем очищаемых газов вводят в полость золоотделителя по меньшей мере двумя тангенциальными потоками одинаковых объемов, симметрично относительно продольной оси золоотделителя», обеспечивают равномерную подачу очищаемого увлажненного потока в золоуловитель и способствуют быстрому выравниванию аэродинамических характеристик в любой точке спирально-нисходящего потока очищаемого увлажненного газа по периметру вертикального корпуса золоуловителя.
Признаки, указывающие, что «сухому очищаемому газовому потоку, перед его вводом в полость золоуловителя, придают форму прямоугольника, предпочтительно, вытянутого по вертикали», обеспечивают придание каждому отдельно вводимому потоку оптимальной формы поперечного сечения как с позиций последующего формирования спирально-нисходящего (осесимметричного) потока очищаемого увлажненного газа по периметру вертикального корпуса золоуловителя (при этом чем ближе ширина потока к толщине спирального слоя, прилегающего к поверхности золоуловителя, тем быстрее будет достигнута осесимметричность аэродинамических характеристик в горизонтальных сечениях по высоте корпуса золоуловителя), так и с позиций организации качественного орошения пылегазового потока (его превращения в трехфазный поток).
Признаки, указывающие, что «распыл воды орошения осуществляют в характерных сечениях каждого отдельного тангенциального потока, вне полости золоуловителя», обеспечивают ввод воды (третьей фазы) в пылегазовый (двухфазный) поток после придания ему оптимального с позиций аэродинамики сечения (в сечении сопряжения каналов подвода двухфазных потоков и полости золоуловителя), что исключает проблемы, проявляющиеся при попытках регулирования трехфазных потоков. Кроме того, часть воды орошения попадает в полость золоуловителя и дополнительно орошает объем спирального потока очищаемого воздуха, сформированного в полости золоуловителя.
Признаки, указывающие, что «распыл воды орошения осуществляют вне полости золоуловителя», исключают потери энергии потоков из-за завихрений при обтекании средств ввода орошаемой воды.
Признаки, указывающие, что для орошения «формируют горизонтально ориентированные факелы распыленной воды, перекрывающие сечение этого потока, распределенные по высоте характерного сечения с наложением их краевых зон друг на друга», обеспечивают возможность формирования орошаемой зоны из тонкодисперсных капель воды, что повышает плотность «водяной завесы» и повышает эффективность пылеподавления при сниженном расходе воды на орошение.
Признаки второго пункта формулы обеспечивают эффективное увлажнение очищаемого пылегазового потока в его характерном сечении и возможность ввода воды орошения в полость золоуловителя для дополнительного орошения объема спирального потока очищаемого воздуха, сформированного в полости золоуловителя.
Признаки третьего пункта формулы обеспечивают возможность поддержания качества очистки на стабильно высоком уровне вне зависимости от расходов очищаемого воздуха.
На чертежах схематически показана установка, обеспечивающая реализацию заявленного способа, в т.ч. на фиг.1 дан ее продольный разрез, а на фиг.2 - поперечный разрез; на фиг.3 показан фрагмент форсунки.
На чертежах показаны вертикальный корпус, верхняя часть 1 которого выполнена цилиндрической, а нижняя часть 2 выполнена конфузорной и сообщена с полостью пульпосборника 3, непосредственно состыкованного с ее нижней кромкой. При этом верхний торец верхней части 1 вертикального корпуса перекрыт заглушкой 4, которой придана форма усеченного конуса, обращенного вниз узкой частью. Через заглушку 4 пропущена газоотводная труба 5, стенкой которой и внутренней поверхностью верхней части 1 вертикального корпуса образован кольцевой канал 6. Вертикальный корпус и газоотводная труба 5 соосны. Патрубок ввода дымовых газов 7 ориентирован тангенциально относительно кольцевого канала 6 и разделен вертикальными перегородками 8 на каналы 9. Регулирующее приспособление содержит шток 10, размещенный на продольной оси 11 вертикального корпуса, при этом верхний конец штока 10 зафиксирован в полости газоотводной трубы 5, а его нижний конец зафиксирован в конфузорной части 2 вертикального корпуса, при этом на шток 10 с возможностью возвратно-поступательного перемещения по нему надет сердечник 12, выполненный в виде полого корпуса, верхней части 13 которого придан вид конуса с вогнутыми стенками и/или стенками с малым (около 25°) углом к горизонтальной плоскости, а нижней части 14 придан вид конуса со стенками с большим (около 50°) углом к горизонтальной плоскости, причем верхняя и нижняя части сердечника имеют основания одинакового диаметра и скреплены кромками. По меньшей мере часть штока 10, обеспечивающая возвратно-поступательное перемещение по нему сердечника 12, снабжена резьбой и гайками 15, размещенными, соответственно, над и под сердечником 12, кроме того, концы штока также снабжены резьбой с фиксирующими гайками 16 и пропущены через втулки 17, скрепленные с радиально ориентированными пластинами 18, свободные концы которых скреплены с внутренней поверхностью соответственно газоотводной трубы 5 и конфузорной части 2 вертикального корпуса. При этом радиально ориентированные пластины, расположенные в пространстве газоотводной трубы 5, выполнены с возможностью их использования в качестве лопастного успокоителя газового потока, а радиально ориентированные пластины 18 расположенные в пространстве конфузорной части 2 вертикального корпуса, выполнены с возможностью их использования в качестве лопастного завихрителя газового потока. На поверхности заглушки 4 закреплены концентричные кольцевые выступы 19. Нижняя кромка 20 газоотводной трубы 5 выполнена с возможностью сброса стекающего по ней пограничного слоя к стенке вертикального корпуса, для чего ей придан соответствующий профиль (например, наварен кольцевой лоток, выполненный в виде желоба со стороны кольцевого канала 6, образованный разрезом по диаметральной плоскости кольцевой заготовки из трубы малого сечения).
Верхний участок верхней части 1 наружной поверхности вертикального корпуса снабжен первым коллектором 21 (предпочтительно кольцевым), известным образом сообщенным с горизонтальным рядом отверстий, выполненных по периметру корпуса. Ниже коллектора 21 на внешней поверхности вертикального корпуса размещен второй коллектор 22 обеспечивающим питание водой форсунок 23.
Форсунки размещены в выпускных отверстиях 24 (их ориентировочная длина (высота) - порядка 200 см) каналов 9 (которые равноудалены друг от друга по периметру вертикального корпуса) и выполнены с возможностью формирования водяной завесы, пересекающей поперечное сечение, соответствующего канала 9. Форсунки выполнены как вертикальные трубы, на образующей которых размещен ряд сопел 25, оси которых горизонтальны и ориентированы в одну сторону, при этом каждая форсунка снабжена средством контроля расхода и давления воды на впрыск (на чертежах не показано). Каждая форсунка 23 сообщена со вторым коллектором 22 с пересечением верхней стенки 26 патрубка тангенциального ввода дымовых газов 7. Пульпосборник 3 снабжен пульпопроводом 27. Кроме того, показаны факелы распыленной воды 28 и их плоскости симметрии 29.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Газовый поток тангенциально вводят в вертикальный цилиндрический корпус золоотделителя, так чтобы осесимметричность поля скоростей его движения относительно продольной оси 11 корпуса золоуловителя обеспечивалась в любом его горизонтальном сечении по всей высоте зоны очищения, для чего объем очищаемых газов вводят в полость золоотделителя по меньшей мере двумя тангенциальными потоками одинаковых объемов, симметрично относительно продольной оси золоотделителя, при этом очищаемому газовому потоку перед его вводом в полость золоуловителя придают форму прямоугольника, предпочтительно, вытянутого по вертикали. Распыл воды орошения осуществляют в характерных сечениях каждого отдельного тангенциального потока (на сопряжениях каналов 9 с верхней частью 1 корпуса золоуловителя, вне полости золоуловителя), для чего соплами 25, подключенными к источнику воды, известным образом формируют горизонтально ориентированные факелы распыленной воды 28, перекрывающие сечение этого потока (соответствующего канала 9), распределенные по высоте характерного сечения с наложением их краевых зон друг на друга. Кроме того, плоскость симметрии 29 факелов 28 совпадает с плоскостью соответствующих характерных сечений.
Поскольку поток дымовых газов поступает в кольцевой канал 6 тангенциально, он приобретает вращательно-поступательное движение. Вследствие этого благодаря центробежным силам происходит перемещение зольных частиц в слой, движущийся вдоль внутренней поверхности верхней части 1 вертикального корпуса. Этому перемещению способствует и увлажнение частиц, вследствие повышения их массы. Взаимодействие слоя спирально-нисходящего потока, «обогащенного» частицами золы, приводит к их оседанию и прилипанию на слой водной пленки, формируемой на этой поверхности при работе первого коллектора 21.
При этом на входе в кольцевой канал 6 газопылевые потоки подвергаются интенсивной первичной очистке, проходя через водяные завесы, формируемые форсунками 23, расположенными в выпускных отверстиях 24 каналов 9.
Слой исходящих газов, очищенный от частиц золы и движущийся ближе к продольной оси 11, наталкивается на поверхность верхней части 13 сердечника 12, плавно отклоняется в сторону приемного отверстия газоотводной трубы 5. Успокоение газового потока обеспечивается пластинами 18 лопастного успокоителя газового потока, что снижает аэродинамическое сопротивление газоотводной трубы 5 и всего золоуловителя в целом.
При этом спирально движущийся слой исходящих газов, содержащий частицы золы, движется дальше вниз, «поджимаясь» к стенке вертикального корпуса, отдавая пленке воды оставшиеся более мелкие фракции, и с ускорением проходит зазор между поверхностью нижней части 14 сердечника 12 и нижней (конфузорной) частью 2 вертикального корпуса, быстро теряет скорость и, пройдя в пульпосборник 3, теряет скорость окончательно (площадь поперечного сечения золосборника больше сечения нижней части 2 вертикального корпуса), что обеспечивает локализацию в нем даже тонких зольных частиц. Дополнительно этому способствует подкручивание потока пластинами 18 лопастного завихрителя газового потока.
При изменении режима работы котельной установки (например, изменении расхода топлива и или расхода воздуха) изменяют режим движения газового потока в приемной зоне газоотводной трубы 5, для чего соответственно перемещают по штоку 10 гайки 15, размещенные соответственно над и под сердечником 12, добиваясь соответствующего перемещения сердечника по отношению к торцу газоотводной трубы 5, тем самым регулируя проходной зазор между торцом и поверхностью верхней части 13 сердечника 12.
Вторичные (паразитные) течения, имеющие место в пограничных слоях элементов корпуса золоуловителя, дающие переток самых тонких фракций двухфазного потока в очищенный газ, подавляются «работой» концентричных кольцевых выступов 19 и нижней кромкой 20 газоотводной трубы 5, сбрасывающих стекающие пограничные слои к стенке вертикального корпуса.
Возможность поддержания качества пылеподавления форсунками 23 на стабильно высоком уровне обеспечивают, контролируя расход и давление воды на впрыск с помощью средства их контроля (на чертежах не показано).