УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОЧИСТКИ И/ИЛИ ОХЛАЖДЕНИЯ ЩЕЛОКОВОЙ ФОРСУНКИ
DEVICE AND METHOD FOR CLEANING AND/OR COOLING OF LIQUOR GUN

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к устройству и способу очистки и/или охлаждения щелоковой форсунки. Указанная форсунка включает в себя, по крайней мере, щелоковую трубу для подачи щелока, такого как черный щелок, в топку химического котла-утилизатора.
При химической варке целлюлозы приблизительно 35-80% исходного древесного материала превращается в химическую пульпу, так называемый «выход». При химической варке выход обычно составляет 35-55%. Остаток древесины покидает установку по производству химической пульпы в виде отработанного щелока, который содержит в дополнение к веществам древесного происхождения также химические продукты, используемые при химической варке, которые затем восстанавливают для повторного использования в так называемом содорегенерационном агрегате на химическом целлюлозном заводе. Самым обычным процессом производства пульпы является так называемый крафт-процесс (сульфатная варка), при котором вырабатывается отработанный щелок, называемый черным щелоком. В содорегенерационном агрегате главным образом происходит увеличение сухой твердой фазы в отработанном щелоке до 65-85%, и даже выше, сжигание полученного таким образом концентрированного отработанного щелока в химическом котле-утилизаторе; восстановление высвобожденных химических продуктов и регенерированных в связи со сжиганием, а также получение указанных химических продуктов для дальнейшего производства пульпы. На старых химических заводах содержание сухой твердой фазы в отработанном щелоке могло оставаться ниже 65%, что затрудняет эффективное сжигание отработанного щелока и химическую регенерацию. Сумма массы фракций содержания сухой твердой фазы и воды в отработанном щелоке, входящем в стадию сжигания, очень близка к 100%.
На стадии сжигания отработанного щелока отработанный щелок впрыскивают в виде капелек в топку, где капельки щелока сушат, подвергают пиролизу, смешивают с носителями кислорода и сжигают. Носителями кислорода являются кислород, водяной пар и двуокись углерода. Часть капелек падает на дно топки на так называемую угольную подушку и сгорает там. Основная часть неорганического вещества выходит из топки через так называемые летки плава, размещенные в нижней части топки.
Подача отработанного щелока в топку и его впрыскивание осуществляют с помощью щелоковой форсунки. Щелоковая форсунка обычно представляет собой металлическую трубку, соединенную с системой трубопроводов, через которую концентрированный черный щелок подают из подогревательных секций топки к котлу-утилизатору. Конец щелоковой форсунки в топке снабжен соплом, через которое черный щелок распыляют в топку, и конструкция сопла изменяется в зависимости от размера котла-утилизатора и в зависимости от производителя. Первостепенной задачей при распылении является проведение распыления насколько это возможно симметрично и получение правильного размера капелек.
Щелоковые форсунки обычно являются форсунками, распыляющими под действием давления, в некоторых случаях распыляющими с помощью пара или сжатого воздуха. Щелоковая форсунка, распыляющая под действием давления, обычно имеет трубчатую часть, внутри которой отработанный щелок из системы распределения щелока поступает в топку, а конец трубчатой части снабжен соплом. Сопло может быть просто соплом, может быть соплом, снабженным отклоняющей пластиной (так называемое сопло с ложкой), или соплом центрифужного типа. Конструкция сопла сама по себе может быть очень простой: например, «отверстие» на концевой пластине указанной трубки или указанная трубка, в которой расход изменяется с помощью отклоняющей пластины, при этом отверстие или дроссель превращает статическое давление щелока в динамическое давление. На фиг.1 показан общий вид сопла, снабженного отклоняющей пластиной, в котором отклоняющая пластина, т.е. ложка, обрезает часть соплового отверстия, т.е. дросселирует поток щелока. Отработанный щелок 1 вступает в процесс сжигания в трубке 2 вне топки по направлению 5. Отклоняющая пластина 3 образует точку 4 дросселирования в трубке. Щелок выходит с отклоняющей пластины 3 в виде тонкой плоской структуры 6, которая в конце концов рассыпается в еще меньшие структуры, называемые капельками. Загрязненное вещество 11 падает и собирается на щелоковой форсунке.
В современных котлах-утилизаторах щелок подают в топку горизонтально или направляют немного вниз. В щелоковой форсунке, в которой применяют сопло центрифужного типа, по крайней мере, часть струи щелока направлена с большим наклоном вниз, чем в форсунках отработанного щелока других типов.
В топке котла-утилизатора неорганическое вещество находится в расплавленном виде. Это вызывает сильную коррозию неохлажденных стальных поверхностей, так же как и осаждение и загрязнение на стенках топки и также, например, в щелоковой форсунке. Коррозия происходит также из-за собирания и воспламенения несгоревшего отработанного щелока на поверхности щелоковой форсунки, что вызывает высокую температуру и создает условия для коррозии. И засорение щелоковых форсунок и коррозия ухудшают процесс распыления щелока, что имеет неблагоприятное воздействие с точки зрения работы топки. Эффект засорения предотвращают посредством регулярной очистки щелоковых форсунок, так называемой «чистки щеткой», которая может быть проведена человеком или очистка может быть проведена с помощью соответствующих механических устройств. Механическое устройство обычно представляет собой средство, движущееся соответственно через регулярные интервалы, при этом устройство содержит вал и скребковую головку, следующую за трубчатой частью, и сопловую часть форсунки до некоторой степени пружинящей. Одно из таких решений описано в патенте США 6478235.
Обычно одним из недостатков щелоковых форсунок является их низкая стойкость. Из-за коррозии срок службы и, таким образом, интервал замены составляет от нескольких дней до нескольких недель. Низкая стойкость щелоковых форсунок обусловлена работой в условиях повышенной коррозии и высокой температуры в топке и окружающем пространстве, эти условия оказывают неблагоприятное воздействие на стенки металлической трубки щелоковой форсунки. Работа котла-утилизатора описана, например, в публикации Vakkilainen, Esa, K.Kraft «Recovery boilers -Principles and practice. Finnish Recovery Boiler Committee r.y.2005: Распыление и сжигание щелока описано, начиная со стр.9-1.
Были предприняты попытки предотвратить описанные выше проблемы, относящиеся к засорению и коррозии, с помощью различных решений. В заявке на патент Финляндии 20012500 описано устройство очистки для очищения щелоковых форсунок котла-утилизатора. Вокруг оси щелоковой форсунки размещены одна или более паровые трубы; пар протекает от конца трубы, которая установлена ближе к соплу форсунки, вокруг оси сопла щелоковой форсунки, расположенного внутри топки. В заявке на патент Японии 1229890 влажный пар распыляют с наружной стороны щелоковой форсунки к концу форсунки (сопловая часть). В заявке Японии 2000256979 зона распыления влажного пара была расширена для установки в отверстии в стенке топки, окружающей сопло, но все еще остается вопрос использования влажного пара с внешней стороны щелоковой форсунки. Известный способ, применяемый, например, в Японии, заключается в подведении воды с внешней стороны к оси щелоковой форсунки и в получении, таким образом, охлаждающего и очищающего эффекта.
В описанных выше решениях были использованы либо вода, либо пар для охлаждения и очищения щелоковой форсунки. Основным недостатком этих устройств является ограниченный, получаемый с помощью них эффект очищения и/или охлаждения. Получаемый эффект не относится ко всей щелоковой форсунке, в частности к ее внешнему концу с боковой стороны топки. Например, при использовании отклоняющей пластины известные щелоковые форсунки лишены эффективного очищения и охлаждения отклоняющей пластины, которые играют существенную роль для такого рода форсунок, когда целью является обеспечение хорошего контроля сжигания в топке.
Описанные выше недостатки были частично компенсированы за счет увеличения количества воды или пара, подаваемого в форсунку, но требовалось более значительное усовершенствование.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является устранение описанных выше проблем. Точнее, целью настоящего изобретения является создание конструкции щелоковой форсунки, обладающей лучшими характеристиками для очистки и долговечностью, нежели щелоковая форсунка известных конструкций.
Была создана конструкция щелоковой форсунки, обладающая лучшими характеристиками для очистки и большей долговечностью, нежели щелоковая форсунка других конструкций.
Устройство было разработано для уменьшения коррозии путем охлаждения внешней поверхности щелоковой форсунки и для очистки щелоковой форсунки. Устройство отличается тем, что оно включает в себя внешнюю обсадную трубу, размещенную вокруг щелоковой трубки, которая определяет пространство, к которому подведены трубопроводы для введения воды и пара и, таким образом, образования эмульсии, или трубопровод для подведения эмульсии, образованной водой и паром к пространству, определенному обсадной трубой, и поверхность которого выполнена с отверстиями, такими как поры или полости, для отвода эмульсии, образованной водой и паром через внешнюю обсадную трубу.
Был разработан способ, отличающийся тем, что внешняя обсадная труба размещена вокруг щелоковой трубки, обсадная труба имеет на поверхности отверстия, через которые эмульсия, образованная водой и паром, отводится через внешнюю обсадную трубу.
Вода и пар в данном случае относятся к состояниям воды. При образовании эмульсии могут быть использованы также добавки, например, для лучшего обеспечения того, что отводные отверстия внешней обсадной трубы остаются открытыми. Добавку вводят в систему, например, вместе с водой или через предназначенную для этого питающую трубу.
Эмульсия образована водой и паром, в этой эмульсии вода, которая нагревается и испаряется для охлаждения тепла, идущего от топки, используется в качестве охлаждающего агента. С помощью смеси воды и пара может поддерживаться соответствующая температура. Охлаждающий агент подают через внешнюю обсадную трубу только в том количестве, какое необходимо для поддержания материалов щелоковой форсунки при достаточно низкой температуре, с точки зрения работоспособности и предотвращения коррозии. На стадии сажеобразования (очистки) воду/пар вводят при соответствующей температуре, необходимой для того, чтобы щелоковая форсунка оставалась чистой. Поскольку удельный объем пара больше, чем удельный объем воды, то пар достаточно увеличивает скорость потока в порах и пустотах внешней обсадной трубы таким образом, чтобы они не засорялись, а оставались открытыми. Таким образом, поры и пустоты могут быть больше, таким путем получают адекватное число пор и пустот на квадрат площади.
Отвод эмульсии, образованной паром и водой, может происходить через поры пористого материала. В другом варианте внешняя обсадная труба может быть также выполнена из других подходящих материалов таким образом, что в ней могут быть выполнены отверстия. Форма отверстий, например, может быть круглой, эллиптической или щелеобразной. Размер круглого отверстия составляет, например, от 0,5 до 5 миллиметров (мм), предпочтительно 1-3 мм. Размер щелеобразного отверстия составляет, например, 0,2 -1,5 мм × 2-20 мм, предпочтительно 0,5 -1 мм × 5-15 мм. При использовании эллиптических отверстий предпочтительную форму и размер задают в пределах указанных границ.
Устройство предпочтительно установлено таким образом, что эмульсия отводится к боковой поверхности топки без образования рыхлых отложений или эмульсионных струй, разбрызгивающихся вне топки.
Согласно варианту осуществления устройства и способа, трубопровод подведен к пространству, определенному внешней обсадной трубой, для подведения эмульсии, образованной водой и паром, в указанное пространство между внешней обсадной трубой и щелоковой трубкой, за счет чего устройство для образования эмульсии размещено до щелоковой форсунки. Устройство для образования эмульсии может быть общим для двух или более щелоковых форсунок, снабженных устройством очистки.
Согласно варианту осуществления устройства и способа, вода и пар могут быть поданы к пространству, определенному внешней обсадной трубой, за счет чего образование эмульсии происходит в пространстве, образованном внешней обсадной трубой. В этом случае промежуточная обсадная труба размещена предпочтительно между внешней обсадной трубой и щелоковой трубкой таким образом, что воду подают в кольцевое пространство, образованное внешней обсадной трубой и промежуточной обсадной трубой, т.е. эмульсионное пространство; а пар подают в кольцевое пространство, образованное промежуточной обсадной трубой и трубой для щелока, т.е. паровое пространство. Поверхность промежуточной обсадной трубы выполнена с такими отверстиями, что пар отводят из парового пространства в эмульсионное пространство. Пар может быть подведен в паровое пространство, например, через конец промежуточной обсадной трубы. Пар может быть введен также через трубу, размещенную в эмульсионном пространстве, или, в принципе, также через трубу, размещенную внутри щелоковой трубки.
Эмульсия размещена, чтобы протекать через отверстия во внешней обсадной трубе главным образом непрерывно. Поток эмульсии может быть также прерывистым, например, с интервалами в 5-100 секунд. Непрерывный поток является более предпочтительным вариантом. Предпочтительно эмульсия размещена, чтобы протекать через отверстия или поры во внешней обсадной трубе таким образом, чтобы поток ускорялся в заранее определенные интервалы на заранее определенный отрезок времени для усиления эффекта очистки.
Согласно варианту осуществления устройства, сопловая часть подсоединена к концу трубки для распыления щелока на боковой поверхности топки. Сопловая часть выполнена с обшивкой, которая подсоединена к эмульсионному пространству, определенному внешней обсадной трубой. Обшивка имеет отверстия для отвода эмульсии, по крайней мере, частично через внешнюю поверхность сопловой части.
Сопловой частью обычно может быть отклоняющая пластина для потока щелока (так называемая ложка сопла). Нижняя часть (нижняя поверхность) отклоняющей пластины снабжена пластинчатой деталью для образования внутреннего пространства между пластинчатой деталью и нижней частью отклоняющей пластины. Таким путем образованное внутреннее пространство (обшивка нижней части отклоняющей пластины) соединено с эмульсионным пространством, определенным внешней обсадной трубой, для подвода эмульсии к указанному внутреннему пространству. Поверхность пластинчатой детали снабжена отверстиями или сделана из пористого материала для отвода из указанного внутреннего пространства эмульсии, которая очищает и охлаждает отклоняющую пластину. Пластинчатая деталь может иметь такую изогнутую форму, что образуется концевая поверхность, за счет чего отводные отверстия могут быть размещены в дополнение к нижней поверхности также на конце конструкции отклоняющей пластины.
Согласно варианту осуществления устройства, конец устройства на боковой поверхности топки выполнен со стойкой крепления стенки так, что выход эмульсионного пространства закрыт.
Согласно варианту осуществления устройства, конец устройства очистки на боковой поверхности топки выполнен со стойкой крепления стенки, на которой выполнены отверстия или размещены поры пористого материала для отвода эмульсии из эмульсионного пространства на концевой части, такой как отклоняющая пластина, щелоковой форсунки.
Охлаждающая и очищающая эмульсия отводится в направлении радиуса трубки распыления щелока, т.е. в направлении плоскости, расположенной перпендикулярно к продольной оси трубы. Отводные отверстия для эмульсии также могут иметь наклон, за счет чего их угол наклона по отношению к плоскости, перпендикулярной продольной оси трубы распыления, составляет от 0 до 80 градусов, предпочтительно 30-60 градусов. Предпочтительно наклон отверстий направлен к топке котла-утилизатора, за счет чего вещество, высвобождаемое с поверхности форсунки, будучи результатом очистки, не разбрызгивается в пространстве, окружающем котел-утилизатор.
Поток эмульсии ускоряется в заранее определенных интервалах на заранее определенное время для интенсификации эффекта очистки. Поток усиливается в интервалах от 1 до 30 минут (мин), предпочтительно в интервалах от 5 до 15 минут, для интенсификации очистки. Длительность цикла очистки составляет от 1 до 100 секунд (сек), предпочтительно 5-20 секунд. Во время очистки щелоковой форсунки общая масса потока эмульсии увеличивается от 1 до 50 раз, предпочтительно в 5-20 раз, по сравнению с обычным потоком. Предпочтительно, чтобы поток эмульсии был непрерывным, и он увеличивается, как описано выше в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления. Поток эмульсии может быть также прерывистым. Поэтому каждый цикл может также иметь стадию с увеличенной скоростью потока для усиления эффекта.
Краткое описание чертежей
Заявленные устройства и способы описаны более детально в прилагаемых чертежах, где:
на фиг.1 показана конструкция и работа соответствующей щелоковой форсунки сами по себе и форсунка, снабженная отклоняющей пластиной.
На фиг.2 схематично показан вид сбоку и частично в разрезе щелоковой форсунки, выполненной, согласно предпочтительному варианту осуществления, с устройством очистки.
На фиг.3 показан вид сбоку щелоковой форсунки, снабженной устройством очистки.
На фиг.4 схематично показан вид в разрезе щелоковой форсунки, выполненной согласно предпочтительному варианту осуществления, с устройством очистки.
На фиг.5 схематично показан предпочтительный вариант осуществления сопловой части щелоковой форсунки, снабженной устройством очистки.
Осуществление изобретения
На фиг.2 показана обычная щелоковая форсунка типа, представленного на фиг.1, к которой добавлены системы охлаждения и очистки.
Внешняя обсадная труба 14 размещена вокруг трубки распыления 2. Эмульсия 10, образованная водой и паром, протекает по пространству, окружающему трубку распыления щелока 2, до эмульсионного пространства 22. Устройство (не показано) для образования эмульсии размещено до щелоковой форсунки. Эмульсия отводится из эмульсионного пространства 22 через поры или пустоты 12 в виде маленьких струек 13 в топку. В то же самое время вода в эмульсии испаряется и связывает тепло, охлаждая внешнюю поверхность 14 щелоковой форсунки. Отклоняющая пластина 3 образована двухслойной конструкцией, внутреннее пространство 23 которой находится в соединении с указанным эмульсионным пространством 22 в точке 24. Таким образом, эмульсия протекает также во внутреннее пространство 23 отклоняющей пластины, а нижняя поверхность 25 отклоняющей пластины выполнена с отверстиями 12, через которые также отводится эмульсия.
Когда поток эмульсии периодически увеличивается, например, в интервалы от 1 до 30 минут, предпочтительно в 5-15 минутные интервалы, достигается усиление очищающего эффекта; вещество 11, собирающееся вокруг всей внешней поверхности форсунки, высвобождается и вычищается из форсунки и с внешней поверхности 14, окружающей форсунку.
Длительность цикла очищения составляет 1-100 секунд, предпочтительно 5-20 сек. Обычный поток воды в эмульсию составляет 5-100 грамм/сек (г/сек) на одну щелоковую форсунку, предпочтительно 10-30 г/сек. Соответственно, поток пара составляет 3-100 г/сек, предпочтительно 5-30 г/сек. Во время очистки соотношение вода/пар в эмульсии может измениться для достижения более высокой скорости потока пара, отводимого через поры или пустоты. Поток пара может быть увеличен, например, до значения 200 г/сек. Вышеуказанные скорости потока применимы к щелоковой форсунке, обладающей способностью распылять отработанный щелок в количестве 200-500 тонн (т) сухой твердой фазы отработанного щелока/24 часа. Соответственно, в случае меньшей или большой мощности, потоки меняются в меньшую или большую сторону пропорционально мощности форсунки.
Охлаждающая и очищающая эмульсия отводится в направлении радиуса трубки 2 распыления щелока, т.е. в направлении плоскости 21, расположенной перпендикулярно по отношению к продольной оси С трубы. Отводные отверстия для эмульсии могут быть также наклонными, при этом их угол наклона относительно плоскости 21, перпендикулярной продольной оси С трубки распыления, составляет от 0 до 80 градусов, предпочтительно 30-60 градусов.
Как указано ранее, внешняя поверхность 14 может быть выполнена из пористого материала, выполненного из стали. Все другие альтернативные материалы могут быть также использованы, если являются стойкими к высокой температуре и коррозии, такие как сплавы и керамические материалы. Одна из возможных альтернатив основана на использовании никеля и хрома. Внешняя поверхность 14 может быть также создана путем механической обработки маленьких образований, подобных отверстиям, которые являются каналами отвода эмульсии.
Пористый материал не должен быть гомогенным, или полученная механической обработкой дырообразная конструкция не должна иметь везде одинаковый размер, или число требуемых дырообразных образований не является одним и тем же по всей конструкции. Причиной этого является тот факт, что тепло или осаждения не являются везде однородным.
Предпочтительным решением является образование эмульсии до щелоковой форсунки, но эмульсия может быть смешана из пара и воды только в щелоковой форсунке. Затем и воду и пар вводят в форсунку через отдельные трубы. На фиг.3 показана щелоковая форсунка, выполненная с устройством очистки. Щелоковая форсунка с ее внешней обсадной трубой 14 проходит через отверстие в стенке 17 трубы топки котла-утилизатора в топку 18. Воду подводят к устройству очистки по трубопроводу 15, а пар по трубопроводу 16. Обычно в этом случае трубка распыления щелока окружена двумя обсадными трубами одна в другой, промежуточной обсадной трубой и внешней обсадной трубой. Паровое пространство образовано напротив пространства отработанного щелока, т.е. кольцевое пространство промежуточной обсадной трубой и трубкой распыления. Пространство, образованное между внешней обсадной трубой и промежуточной обсадной трубой, зарезервировано под воду. Однако в этом решении пар не отводят непосредственно в топку, а отводят в водное пространство, в котором пар вместе с водой образует эмульсию, а эмульсию отводят в топку, охлаждая и очищая щелоковую форсунку.
На фиг.4 показана щелоковая форсунка, выполненная с устройством очистки таким образом, что внешняя обсадная труба 14 не показана на фигуре, но показана промежуточная обсадная труба 19, окружающая трубку 2 щелока. Воду вводят в пространство между промежуточной обсадной трубой и внешней обсадной трубой из трубопровода 15. Пар вводят в пространство между промежуточной обсадной трубой и трубкой 2 щелока через трубопровод 16. Промежуточная обсадная труба находится в зоне образования эмульсии, снабженной отверстиями 20 адекватного размера, начиная от парового пространства до водоэмульсионного пространства, за счет чего пар отводят через эти отверстия в водное пространство, и в этой зоне образуется эмульсия. Затем эмульсию отводят из этого внешнего пространства через пористый материал или отверстия в перфорированном материале, как ранее представлено на фиг.2.
На фиг.5 показана сопловая часть щелоковой форсунки, снабженной устройством очистки. Внешняя обсадная труба 14, установленная вокруг трубки распыления щелока, снабжена отверстиями 12, как описано, согласно фиг.2. Сопловая часть образована отклоняющей пластиной 3. Нижняя часть отклоняющей пластины снабжена пластинчатой деталью 25 для образования внутреннего пространства между пластинчатой деталью и нижней частью отклоняющей пластины, как описано, согласно фиг.2. Таким путем образованное внутреннее пространство соединено с эмульсионным пространством, определенным внешней обсадной трубой, для подвода эмульсии к указанному внутреннему пространству. Поверхность пластинчатой детали снабжена отверстиями или выполнена из пористого материала для отвода эмульсии из указанного внутреннего пространства, что очищает и охлаждает отклоняющую пластину. Пластинчатая деталь 25 имеет такую изогнутую форму, что образуется концевая поверхность 26, на которой могут быть размещены также отверстия 27 в дополнение к нижней поверхности также на конце конструкции отклоняющей пластины.
Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.5, конец устройства очистки на боковой поверхности топки снабжен стойкой крепления стенки 28, на которой выполнены отверстия 29 для отвода эмульсии из эмульсионного пространства на концевой части, такой как отклоняющая пластина 3 щелоковой форсунки. Согласно другому варианту осуществления, конец устройства на боковой поверхности топки снабжен стойкой 28 крепления стенки, лишенной отверстий, так, что выход эмульсионного пространства закрыт.
В сопле центрифужного распыления охлаждающий и очищающий узел также окружает центрифугу.
Вышеописанная система включает в себя необходимые конструкции и узлы, относящиеся к безопасности. Это означает, что соотношение смеси эмульсии, будучи образованным, остается в заданных пределах, объем водного потока для каждой щелоковой форсунки не увеличивается слишком много, с точки зрения безопасности, и объем потока пара для каждой щелоковой форсунки также не увеличивается намного. Конечно, давление и температура пара должны оставаться в заданных пределах и форсунка с ее узлами должна работать в указанном режиме. Щелоковая форсунка снабжена такой системой, что ее можно перенести и управлять ею вручную или из операторской кабины.
Поскольку изобретение было описано в соответствии с тем, какой вариант в настоящее время рассматривается как наиболее практичный и предпочтительный вариант осуществления, необходимо понимать, что изобретение не ограничено описанным вариантом осуществления, а наоборот, касается многочисленных модификаций и эквивалентных узлов, включенных в него в пределах объема заявленной формулы изобретения.