Циклонный теплообменник

ЦИКЛОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
Изобретение касается циклонного теплообменника для предварительного нагрева порошкового сырья, который состоит из системы циклонов, друг относительно друга сдвинутых по высоте, включенных последовательно, и трубопроводами горячего газа соединенных таким образом, что подвод первого циклона подключен к источнику горячего газа и выход каждого циклона подсоединен к подводу следующего циклона и выход сырья из каждого циклона введен в начало трубопровода горячего газа, идущего от предыдущего циклона.
До сих пор известные теплообменники для предварительного нагрева порошкового сырья перед его дальнейшей обработкой, например, для предварительного нагрева сырьевой муки при сухом методе производства цементного клинкера, созданы последовательно соединенными тешюобменными ступенями, которые соединены последовательно одна с другой, что, особенно у установок с большим перепадом температуры, и, следовательно, с большим числом теплообменных ступеней, и также у более мощного оборудования, вызывает большие требования к созданию и монтажу с этим связанного оборудования, что, кроме прочего, невыгодно сказывается возрастанием расходов на единицу конечного продукта (Вальтер Х.Дуда «Предварительный нагреватель исходной смеси, Цемент-Дата-Бук, 1976, Бауверлаг ГмбХ - Висбаден энд Берлин).
Проблему нежелательной чрезмерной строительной высоты можно решить таким образом, что последовательно соединенные теплообменные циклоны располагаются рядом друг с другом и отдельные, связывающие их трубопроводы должны падать существенным образом ниже уровня отдельных циклонов. Это, однако, представляет существенное увеличение собственного технологического оборудования, что, в свою очередь, ухудшает плавность движения материала и подогревательных газов в течении технологического процесса, что опять сказывается на возрастании инвестиционных затрат и эксплуатационных расходов (DE 42 22 593 А1).
Недостатки на сегодняшний день реализованных конструктивных решений существенным образом устраняет предмет изобретения, которым является циклонный теплообменник для предварительного нагрева порошкового сырья, состоящий из системы циклонов, включенных последовательно, и трубопроводами горячего газа соединенных таким образом, что подвод первого циклона подключен к источнику горячего газа и выход каждого циклона подсоединен к подводу следующего циклона и выход сепарированного порошкового сырья из каждого циклона введен в трубопровод горячего газа, идущего от выхода предыдущего циклона.
Суть изобретения в том, что система циклонов разделена на две части высокотемпературную часть, которая ближе к источнику горячего газа, и низкотемпературную часть, каждая из которых состоит как минимум их двух циклонов, взаимно соединенных связывающим трубопроводом, в конце которого, более близком к низкотемпературной части, создана петля возврата таким образом, что ее самая низкая часть находится ниже уровня нижнего циклона низкотемпературной части, и что высокотемпературная часть и низкотемпературная часть расположены друг относительно друга таким образом, что подключение подвода теплого газа самого высокого циклона высокотемпературной части лежит выше, чем подключение подвода теплого газа нижнего циклона низкотемпературной части, причем выход порошкового сырья следующего циклона низкотемпературной части введен в поднимающуюся часть петли возврата, причем высокотемпературная часть далее оснащена транспортным трубопроводом, вступающим в трубопровод, соединяющий вход горячих газов в самый верхний циклон высокотемпературной части с выходом этих газов из предыдущего циклона, и в этот транспортный трубопровод входит выходной трубопровод нижнего циклона низкотемпературной части. При этом входная часть транспортного трубопровода выгодно расположена
ниже уровня выхода порошкового сырья из нижнего циклона низкотемпературной части.
Дальнейшая суть изобретения заключается в том, что высокотемпературная часть и/или низкотемпературная часть состоит как минимум из двух циклонов.
И наконец суть изобретения заключается в том, что в выходной трубопровод, находящийся между входной камерой вращающейся печи и первым циклоном высокотемпературной части, введен подвод горючего и подвод воздуха для горения, или что в выходной трубопровод, находящийся между входной камерой вращающейся печи и первым циклоном высокотемпературной части, введен подвод горячих газов и предварительно кальцинированного сырья.
Расположением согласно изобретению достигается значительное уменьшение строительной высоты циклонного теплообменника при одновременном оптимальном использовании тепла, содержащегося в газах, подаваемых в транспортный трубопровод порошкового сырья. Благодаря существенно меньшей строительной высоте предлагаемый теплообменник находит выгодное применение в сейсмически активных областях, где, например, нельзя строить обыкновенные высокие конструкции.
Следующее преимущество решения согласно изобретению заключается в том, что оно может быть использовано для кальцинационных теплообменников, когда, например, в выходной трубопровод газа между вращающейся печью и нижним циклоном теплообменника можно подавать топливо и воздух для горения, или газы с предварительно кальцинированным сырьем из подсоединенного кальцинатора.
Примеры исполнений конструкции согласно изобретению схематически приведены на приложенных чертежах, где на Фиг.1 показан конструкционный вариант циклонного теплообменника, на Фиг.2 - более простой вариант
низкотемпературной части теплообменника согласно Фиг.1, на Фиг.З - вариант исполнения начала высокотемпературной части теплообменника согласно Фиг.1, и на Фиг.4 - вариант исполнения передачи порошкового сырья между двумя частями циклонного теплообменника.
Циклонный теплообменник в примерном исполнении согласно Фиг.1 разделен на две части: высокотемпературную часть 1 и низкотемпературную часть 2.
Высокотемпературная часть 1 состоит из трех циклонов, первым циклоном 11 с подводом 110 горячих газов, выходом 111 горячих газов и выходом 112 сырья, вторым циклоном 12 с подводом 120 горячих газов, выходом 121 горячих газов и выходом 122 сырья, и третьим циклоном 13 с подводом 130 горячих газов, выходом 131 горячих газов и выходом 132 сырья. Циклоны 11, 12 и 13 связаны между собой последовательно в направлении потока горячих газов таким образом, что выход 111 первого циклона 11 трубопроводом 42 связан с входом 120 второго циклона 12, вывод 121 которого трубопроводом 43 связан с входом 130 третьего циклона 13. Вход 110 первого циклона 11 своим выходным трубопроводом 41 связан с входной камерой 30 вращающейся печи 3. Выход 132 третьего циклона 13 через выходной трубопровод 133 входит в нижнюю часть трубопровода 42 и аналогично выход 122 второго циклона 12 входит в нижнюю часть выходного трубопровода 41. Выход 112 сырья из первого циклона 11 ведется через выходной трубопровод 113 во входную камеру 30 вращающейся печи 3 для дальнейшей температурной обработки.
Подобно тому низкотемпературная часть 2 состоит из нижнего циклона 21 с подводом 210 горячих газов, выходом 211 горячих газов и выходом 212 сырья, из среднего циклона 22 с подводом 220 горячих газов, выходом 221 горячих газов и выходом 222 сырья, и из верхнего циклона 23 с подводом 230 горячих газов, выходом 231 горячих газов и выходом 232 сырья. Подобно тому, как в высокотемпературной части 1 тоже здесь циклоны 21, 22 и 23 взаимно связаны
последовательно в направлении потока R горячих газов таким образом, что выход 211 нижнего циклона 21 связан трубопроводом 44 с входом 220 среднего циклона
22,выход 221 которого соединен трубопроводом 45 с входом 230 верхнего циклона
23.Выходом 231 последнего заканчивается область циклонного теплообменика согласно изобретению и через трубопровод 46 он связан с дальнейшей технологической частью. Выход 232 верхнего циклона 23 вступает через выходной трубопровод 233 в нижнюю часть трубопровода 44.
Высокотемпературная часть 1 и низкотемпературная часть 2 связаны друг с другом через связывающий трубопровод 4 горячего газа, который соединяет выход 131 самого высокого третьего циклона 13 высокотемпературной части 1 с входом 210 нижнего циклона 21 низкотемпературной части 2, а именно таким образом, что перед входом 210 нижнего циклона 21 на связывающем трубопроводе 4 создана петля возврата 40, которая лежит ниже уровня нижнего циклона 21. Выход 222 сырья из среднего циклона 22 потом через выходной трубопровод 223 вступает в поднимающееся плечо нижней части возвратной петли 40, которое находится со стороны нижнего циклона 21.
Подвод 5 порошкового сырья, которое должно быть нагрето перед подачей во входную камеру 30 вращающейся печи 3, вступает в нижнюю часть трубопровода 45 между выходом 221 среднего циклона 22 низкотемпературной части 2 и входом 230 в верхний циклон 23 и после прохождения низкотемпературной части 2 сырье подается транспортным трубопроводом 50, который вступает в нижнюю часть трубопровода 43 между вторым циклоном 12 и самым верхним - третьим циклоном 13, в высокотемпературную часть, а именно в третий - самый верхний циклон 13. Транспорт осуществляется потоком теплого газа, который в нижней части 500 транспортного трубопровода 50 подводится в направлении стрелки Т. В
поток теплого газа через выходной трубопровод 213 вступает выход 212 нижнего циклона 21 низкотемпературной части.
Как показано на Фиг.1, высокотемпературная часть 1 сдвинута по высоте относительно низкотемпературной части 2 таким образом, что вход 130 самого верхнего, то есть третьего, циклона 13 согласно изобретению лежит выше, чем соединение 210 нижнего циклона 21.
На Фиг. 2 изображен вариант исполнения циклонного теплообменника согласно изобретению. В данном случае низкотемпературная часть 2 в отличие от конструкции согласно Фиг.1 состоит только из двух циклонов: среднего 22 и нижнего 21. Подвод 5 сырья в данном случае расположен в нижней части трубопровода 44, в то время как трубопровод 45 предназначен для отвода горячих газов из циклонного теплообменника. Подвод 210 горячих газов нижнего циклона 21, как и в предыдущем случае, одинаково соединен соединительным трубопроводом 4 с высокотемпературной частью, которая здесь не указана, подобно тому выход 212 сырья из нижнего циклона 21 через выходной трубопровод 213 ведется в транспортный трубопровод 50. Условие более низкого расположения нижнего циклона 21 относительно расположения третьего циклона 13 согласно изобретению сохраняется.
Как показано на Фиг. 3, конструкция циклонного теплообменника согласно изобретению может быть выгодно дополнена таким образом, что в выходной трубопровод 41, соединяющий входную камеру 30 вращающейся печи 3 с подводом 110 горячих газов в первый циклон 11, вступает дополнительный подвод 6 горючего и подвод 60 воздуха для горения, или вход 51 газов и предварительно кальцинированного сырья, или то и другое.
высокотемпературной частью 1 теплообменника. В данном случае транспортный трубопровод 50 расположен по существу на уровне его входа в соединительный трубопровод 43 высокотемпературной части 1 теплообменника так же, как в примере конструкции согласно Фиг.1. Конструкция циклонного теплообменника дополнена транспортным оборудованием 7 какой-нибудь из обычно применяемых конструкций, к началу которого приведен выходной трубопровод 213 выхода 212 нижнего циклона 21. Выход транспортного оборудования 7 оснащен конвейером 70, например, ковшовым конвейером, который потом соединен с транспортным трубопроводом 50. Другие элементы, изображенные на Фиг.4, соответствуют одинаковым элементам на Фиг.1 и не описываются более подробно. Конвейер 70 можно заменить другим, одинаковым по своей функции оборудованием.
Циклонный теплообменник согласно изобретению работает следующим образом.
Порошковое сырье, предварительно нагретое в теплообменнике, в данном случае сырьевая мука для сухого метода производства цементного клинкера, подается через выходной трубопровод 113 во входную камеру 30 вращающейся печи 3. Из входной камеры 30 наоборот отводным трубопроводом 41 отводится горячий газ, возникший при предыдущем тепловом процессе, и с собой несет значительное количество тепловой энергии. Этот горячий газ проходит постепенно в направлении стрелок R через отводной трубопровод 41 и трубопроводы 42 и 43, первым циклоном 11, вторым циклоном 12 и третьим циклоном 13 высокотемпературной части 1 теплообменника и далее через соединительный трубопровод 4 поступает в нижний циклон 21 низкотемпературной части 2 теплообменника, и далее поступает в направлении стрелок R при помощи трубопроводов 44 и 45 через ее остающиеся циклоны, средним циклоном 22 и верхним циклоном 23, из которого отводится выходным трубопроводом 46.
Порошковое сырье приводится в направлении стрелок V подводом 5 в нижнюю часть трубопровода 45, где смешивается с поступающим горячим газом, который поступает из выхода 221 среднего циклона 22 и далее идет ко входу 230 следующего, в данном случае верхнего циклона 23. Во время течения смеси порошок-газ часть тепловой энергии передается от газа порошковому сырью, порошковое сырье в верхнем циклоне 23 сепарируется от газа, газ поступает в направлении стрелки R в выходной трубопровод 46, в то время как нагретое порошковое сырье отводится через выходной трубопровод 233 в направлении стрелки S из выхода 232 верхнего циклона 23. Выходной трубопровод 233 вступает в нижнюю часть трубопровода 44, в предыдущей ступени сепарированное и нагретое порошковое сырье опять смешивается с горячим газом, поступающим из нижнего циклона 21, температура которого выше, чем в трубопроводе 45. Во время течения смеси порошок-газ порошковое сырье нагревается до температуры, которая выше, чем предыдущая, в то время как температура газа снижается. Указанный процесс повторяется в каждом из циклонов низкотемпературной и высокотемпературной частей теплообменника, причем при прохождении каждым циклоном повышается температура порошкового сырья, которая продолжает свое движение к входной камере 30 вращающейся печи 3 в направлении стрелок S. Наоборот горячий газ движется в направлении стрелок R к выходному трубопроводу 46 и его температура постепенно снижается.
Передача материлов между низкотемпературной частью 2 и высокотемпературной частью 1 осуществляется таким образом, что горячий газ поступает от выхода 131 третьего циклона 13 к входу 210 нижнего циклона 21 отдельно через соединительный трубопровод 4 и порошковое сырье подается в поток горячего газа через выходной трубопровод 223 в поднимающуюся часть возвратной петли 40, где происходит его смешивание с газом и потом к
дальнейшему нагреву. Частично предварительно нагретое порошковое сырье, покидающее низкотемпературную часть 2 теплообменника, приводится через выходной трубопровод 213 в транспортный трубопровод 50 и через него в соответствующую ступень высокотемпературной части 1 теплообменника после смешивания с внешним потоком газа, который подводится к началу 500 транспортного трубопровода 50 в направлении стрелки Т и температура которого соответствует рабочей температуре между обеими ступенями.
При осуществлении конструкции согласно Фиг.З повышается мощность или КПД системы введением добавочного горючего и воздуха для горения через подводы 6 и 60. Тем имеется возможность менять температурные условия горячих газов и порошкового сырья, проходящих через циклонный теплообменник и отрегулировать их температуру на оптимальное рабочее значение. Подобным образом можно подачей газов и предварительно кальцинированного порошкового сырья через вход 51 в нижнюю часть выходного трубопровода 41 изменить окончательный состав и свойства порошкового сырья, которое после прохождения первым циклоном 11 вступает во входную камеру 30.
При варианте конструкции, как показано на Фиг.4, порошковое сырье подается через выходной трубопровод 213 в транспортное оборудование 7, из которого переходит на уровень транспортного трубопровода 50.
Ясно, что конструкция теплообменника не ограничивается приведенными примерами. Число циклонов в высокотемпературной части 1 и низкотемпературной части 2 не обязательно должно совпадать. Предпосылкой его функции однако является то, что в каждой из указанных частей имеются как минимум два циклона. Также значение взаимного сдвига подключения выхода 131 самого верхнего и, учитывая направление R потока горячего газа, последнего циклона высокотемпературной части 1 и подключения самого низкого, учитывая
направление R потока горячего газа, первого циклона низкотемпературной части 2, может быть разным, при сохранении более низкого уровня подключения низкотемпературной части 2, и выбирается в зависимости от конкретных температурных условий и условий конструкции.
Из сути изобретения также ясно, что начальная часть 500 транспортного трубопровода 50 не обязательно должна быть расположена ниже уровня самой низкой части возвратной петли 40 связывающего трубопровода 4, как это показано в примерах исполнения на Фиг.1, 2 и 4. Эта часть транспортного трубопровода может быть подходящим образом расположена выше, если, однако, ее расположение удовлетворяет условию, что она лежит ниже уровня выхода 212 нижнего циклона 21 низкотемпературной части 2.
Конструкцию циклонного теплообменника согласно изобретению можно использовать особенно для предварительного нагрева сырьевой муки при сухом методе производства цементного клинкера.
1. Циклонный теплообменник для предварительного нагрева порошкового сырья, состоящий из системы циклонов, которые подключены последовательно и соединены трубопроводом горячего газа таким образом, что вход первого циклона соединен с источником горячего газа и выход каждого циклона соединен с входом следующего циклона, причем выход сепарированного порошкового сырья из каждого циклона введен в трубопровод, связанный с выходом горячего газа из предыдущего циклона, отличающийся тем, что система циклонов разделена на две части, высокотемпературную часть (1), которая ближе к источнику горячего газа, и низкотемпературную часть (2), каждая из них состоит как минимум из двух циклонов, части взаимно соединены связывающим трубопроводом (4), в конце которого, более близком к низкотемпературной части (2), создана возвратная петля (40) таким образом, что ее самая низкая часть находится ниже уровня нижнего циклона (21) низкотемпературной части (2), и что высокотемпературная часть (1) и низкотемпературная часть (2) расположены друг относительно друга таким образом, что подключение подвода (130) теплого газа самого верхнего циклона (13) высокотемпературной части (1) лежит выше, чем подключение подвода (210) теплого газа нижнего циклона (21) низкотемпературной части (2), причем выход (222) порошкового сырья следующего циклона (22) низкотемпературной части (2) введен в поднимающуюся часть петли возврата (40), причем высокотемпературная часть (1) далее оснащена транспортным трубопроводом (5), в который входит выходной трубопровод (213) нижнего циклона (21) низкотемпературной части (2), и  который, в свою очередь, входит в трубопровод (43), связывающий подвод (130) горячих газов самого верхнего циклона (13) высокотемпературной части (1) и их выход (121) из предыдущего циклона (12).
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
2.Циклонный теплообменник поп.1, отличающийся тем, что входная часть (500) транспортного трубопровода (50) расположена ниже уровня выхода (212) порошкового сырья из нижнего циклона (21) низкотемпературной части (2).
3.Циклонный теплообменник по пп.1 или 2, отличающийся тем, что высокотемпературная часть (1) и/или низкотемпературная часть (2) состоит как минимум из двух циклонов.
4.Циклонный теплообменник по любому из пунктов 1-3, отличающ и и с я тем, что в выходной трубопровод (41), размещенный между входной камерой (30) вращающейся печи (3) и первым циклоном (11) высокотемпературной части (1), вступает подвод (6) горючего и подвод (60) воздуха для горения.
5.Циклонный теплообменник по любому из пунктов 1-4, отличающийся тем, что в выходной трубопровод (41), размещенный между входной камерой (30) вращающейся печи (3) и первым циклоном (11) высокотемпературной части (1), вступает подвод (51) горячих газов и предварительно кальцинированного сырья.
лл-J
«Д LI J
fa
-ь
4J
Зо
-,1 л-14- м
141,
ГоО
-/:
т
ЦИКЛОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
ч,
Фиг.З