ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАТВОР СИСТЕМЫ МОКРОЙ ГАЗООЧИСТКИ
HYDRAULIC SEAL OF WET GAS CLEANING SYSTEM

Объект, который заявляется, относится к устройствам для предотвращения подсоса воздуха в систему мокрой газоочистки при отводе из нее шламовой жидкости и может быть использован в металлургии, цементной, химической и других отраслях промышленности.
Известен гидравлический затвор (гидрозатвор) системы мокрой газоочистки (чертеж 0541.00.000СБ, УкрГНТЦ «Энергосталь», 07.11.2006), содержащий цилиндрический корпус с плоским днищем, патрубок для подвода шламовой жидкости, сливной патрубок для отвода шламовой жидкости, размещенный выше патрубка для подвода шламовой жидкости, скребковое устройством, состоящее из привода и размещенных на валу вращения скребков, и трубопровод отвода шламовой пульпы, размещенный сбоку корпуса в нижней части его цилиндрической стенки. Кроме того, гидравозатвор дополнительно оборудован патрубком для прочистки, который соединен с патрубком для подвода шламовой жидкости.
К недостаткам прототипа можно отнести недостаточную эффективность, надежность и долговечность работы, обусловленные тем, что при оседании крупных фракций шлама (железосодержащая (тяжелая) пыль) на плоском днище происходит постепенное уплотнение осадка, что приводит к выходу из строя скребкового устройства, кроме того, происходит забивание бокового отверстия в корпусе для отвода шламовой пульпы, снижение эффективности отвода шламовой пульпы и переполнение гидрозатвора шламовой жидкостью, что, в свою очередь, вызывает необходимость остановки работы гидрозатвора, а следовательно, и системы мокрой газоочистки в целом.
В основу заявляемого объекта поставлена техническая задача создать новый гидравлический затвор системы мокрой газоочистки, который за счет усовершенствований путем ведения новых конструктивных элементов и их взаимного расположения позволит обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении, надежности и долговечности работы гидрозатвора за счет предотвращения залегания и уплотнения крупных фракций шлама на днище его корпуса, а также повышения эффективности отвода шламовой пульпы при повышении эффективности отвода шламовой жидкости и предотвращении подсоса воздуха в систему мокрой газоочистки.
Поставленная задача решается за счет того, что в гидравлическом затворе системы мокрой газоочистки, содержащем цилиндрический корпус с днищем, патрубок для подвода шламовой жидкости, сливной патрубок для отвода шламовой жидкости, размещенный выше патрубка для подвода шламовой жидкости, скребковое устройство с установленными на валу вращения скребками и трубопровод отвода шламовой пульпы, согласно техническому решению, которое заявляется, днище корпуса гидрозатвора выполнено коническим, конус днища обращен вершиной вниз и оборудован установленным в вершине конического днища коаксиально оси корпуса гидравлическим насадком для отвода шламовой пульпы, насадок с образованием внутреннего кольцевого канала заключен в размещенный коаксиально ему наружный кожух, верхняя часть которого сопряжена с коническим днищем, а нижняя соединена с трубопроводом отвода шламовой пульпы, причем кожух насадка оборудован воздуховодом, нижняя часть которого сопряжена с верхней частью наружного кожуха насадка, а верхняя расположена выше патрубка для отвода шламовой жидкости.
В отдельных случаях изготовления гидрозатвор, который заявляется, может быть оборудован гидравлическим насадком, эквивалентный диаметр которого определяется исходя из неравенства:
1
H
2
d≤d≤d,
H
где d - эквивалентный диаметр насадка, м;
1
d - минимально допустимый эквивалентный диаметр насадка, определяемый из условия отвода необходимого количества шламовой пульпы, м;
2
d - максимально допустимый эквивалентный диаметр насадка, определяемый из условия необходимого времени для первоначального заполнения гидрозатвора, м.
1
2
При этом d и d могут быть определены по формулам:
,
,
где α - минимально допустимая доля шламовой пульпы,
3
Q - расход жидкости через гидрозатвор, м/с,
π - число Пи, 3,14;
φ - коэффициент расхода насадка,
2
g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с,
Н - расстояние от оси сливного патрубка до верхнего торца насадка, м,
H
h - длина насадка, м,
2
ω - площадь поперечного сечения насадка, м,
причем максимально допустимый диаметр и площадь поперечного сечения насадка определяются исходя из соблюдения условия максимально допустимого времени заполнения гидрозатвора, определяемого уравнением:
,
где T - максимально допустимое время заполнения гидрозатвора, необходимое для обеспечения нормальной работы системы мокрой газоочистки, с,
2
F - площадь поперечного сечения гидрозатвора, м.
Кроме того, в отдельных случаях изготовления в заявляемом гидрозатворе скребки могут быть установлены на валу вращения скребкового устройства так, что их поверхность, обращенная к коническому днищу, будет образовывать с валом вращения угол, который соответствует углу наклона конического днища.
Выполнение днища корпуса гидрозатвора коническим, ориентация конуса днища вершиной вниз, установка в выпускном отверстии конического днища гидравлического насадка для отвода шламовой пульпы, заключенного в кожух, установка воздуховода, нижняя часть которого сопряжена с верхней частью наружного кожуха насадка, а верхняя расположена выше сливного патрубка, позволяет предотвратить залегание и уплотнение крупных фракций шлама на днище корпуса гидрозатвора, повысить эффективность отвода шламовой пульпы из гидрозатвора и устранить эффект эжекции шламовой пульпы из корпуса, что, в свою очередь, позволяет обеспечить длительную работу гидрозатвора без остановок, а следовательно, повысить надежность, долговечность и эффективность его работы.
Выполнение днища корпуса гидрозатвора коническим, ориентация конуса днища вершиной вниз конструктивно просто позволяет обеспечить самопроизвольное перемещение твердых частиц, находящихся в шламовой жидкости, к выпускному отверстию и насадку для отвода шламовой пульпы и их удаление из корпуса в виде шламовой пульпы, что предотвращает залегания крупных фракции и их уплотнение на днище, а также повышает эффективность отвода шламовой пульпы из гидрозатовра, повышает надежность и долговечность работы гидрозатвора.
Установка скребков на валу вращения скребкового устройства так, что их поверхность, обращенная к коническому днищу, будет образовывать с валом вращения угол, который соответствует углу наклона конического днища, обеспечивает при вращении вала с такими скребками равномерное и постоянное удаление осевших частиц шлама с поверхности конического днища, что, в свою очередь, предотвращает залегание шлама на конической поверхности, закупоривание выпускного отверстия и гидравлического насадка крупными частицами шлама, а следовательно, повышает эффективность отвода шламовой пульпы из гидрозатовра, а также повышает надежность и долговечность работы гидрозатвора.
Оборудование конического днища гидравлическим насадком, который установлен в вершине обращенного вниз конуса днища, сопряжен с выпускным отверстием днища и установлен коаксиально оси корпуса, оснащение насадка наружным кожухом, который установлен с образованием внутреннего кольцевого канала коаксиально насадку и верхняя часть которого сопряжена с коническим днищем, а нижняя соединена с трубопроводом отвода шламовой пульпы, а также оборудование кожуха насадка воздуховодом, нижняя часть которого сопряжена с верхней частью наружного кожуха насадка, а верхняя расположена выше сливного патрубка, позволяет конструктивно просто организовать между насадком и его кожухом кольцевую полость, заполнить ее воздухом и в процессе эксплуатации гидрозатвора обеспечить постоянный приток в нее воздуха взамен того, который засасывается потоком шламовой пульпы, и обеспечит поддержание в этой полости атмосферного давления. Такое конструктивное исполнение обеспечивает постоянное нахождение нижней части насадка в зоне атмосферного давления, что при полном заполнении трубопровода отвода шламовой пульпы позволяет обеспечивать отвод шламовой пульпы без использования эффекта разности напоров на отметке сливного патрубка (верхняя точка для отвода шламовой жидкости из корпуса) и отметке нижнего конца сливного патрубка для отвода шламовой жидкости, из которого происходит свободный выход шламовой жидкости в шламоприемник, что, в свою очередь, позволяет рассчитать оптимальный эквивалентный диаметр насадка, исходя только из расстояния от сливного патрубка до верхнего торца насадка (т.к. в кольцевом канале между насадком и его кожухом за счет воздуховода поддерживается атмосферное давление), и поддерживать в насадке рассчитанные параметры. Кроме того, указанные конструктивные особенности позволяют устранить эффект эжекции (засасывания) шламовой пульпы из корпуса, который возникает за счет движения потока шламовой жидкости в сливном патрубке на участке примыкания трубопровода отвода шламовой пульпы к нижней части сливного патрубка. Заявляемая конструкция позволяет предотвратить уплотнение крупных фракций шлама на днище и обеспечить оптимальные условия отвода шламовой пульпы, а также повышение эффективности ее отвода, что, в свою очередь, повышает надежность и долговечность работы гидрозатвора.
Сопряжение верхней части наружного кожуха насадка с коническим днищем, а нижней - с трубопроводом отвода шламовой пульпы, например, с помощью фланцевого соединения, и, кроме того, оборудование наружного кожуха воздуховодом, верхняя часть которого расположена выше сливного патрубка гидрозатвора, позволяет упростить сборку, разборку, обслуживание и прочистку элементов гидрозатвора в случае их засорения, а также предотвращает аварийное вытекание шламовой пульпы, что могло бы иметь место в случае отвода шламовой пульпы через насадок с разрывом струи, например, в расположенную под насадком воронку.
1
H
2
Оборудование гидрозатвора насадками различной конструкции и формы при соблюдении условия по эквивалентному диаметру, который может быть определен неравенством d≤d≤d, и по максимальному времени Т заполнения гидрозатвора обеспечивает повышение надежности работы гидрозатвора, предотвращает залегание и уплотнение крупных фракции шлама на днище его корпуса, засорение насадка крупными частицами шлама, а также обеспечивает оптимальное параметры первоначального заполнения гидрозатвора и постоянство и эффективность расхода отводимой шламовой пульпы.
H
1
H
Согласно общей теории проектирования гидрозатворов шламовая пульпа из них должна отводиться с некоторым расходом Q, который составляет определенную долю α (как правило, не меньше чем 5-10%) от общего расхода шламовой жидкости Q. Отсюда зависимость d от минимально допустимой доли шламовой пульпы (α), которая может быть отведена через насадок, а также от общего расхода жидкости через гидрозатвор (Q), коэффициента расхода насадка (φ), расстояния от сливного патрубка до верхнего торца насадка (H) и длины самого насадка (h) может быть представлена в виде формулы:
.
H
2
H
Кроме того, за определенный промежуток времени dt в гидрозатвор поступает жидкость с расходом Qdt, а отводится через насадок с расходом Qdt=αQdt, при этом разность этих объемов пойдет на увеличение объема жидкости в гидрозатворе. Отсюда на основании экспериментальных исследований установлено, что d должен быть подобран, исходя из необходимости соблюдения условия максимально необходимого времени (T) заполнения гидрозатвора. При этом зависимость времени (T) от площади поперечного сечения гидрозатовра (F), коэффициента расхода насадка (φ), минимально допустимой доли шламовой пульпы (α), отводимой через насадок, площади поперечного сечения насадка (ω), расстояния от сливного патрубка до верхнего торца насадка (H) и длины насадка (h), а также общего расхода жидкости через гидрозатвор (Q) может быть представлена в виде формулы:
.
2
2
Таким образом, необходимая для определения d площадь поперечного сечения насадка (ω), при котором соблюдается условие максимально необходимого времени (T) заполнения гидрозатвора, может быть получена в результате решения этого уравнения при заданном времени T, которое устанавливается в зависимости от конкретных технологических условий работы гидрозатвора и системы мокрой газоочистки в целом. А сама зависимость d от площади поперечного сечения насадка (ω) может быть представлена в виде формулы:
.
1
Применение насадка с эквивалентным диаметром меньшим, чем dприведет к снижению расхода отводимой шламовой пульпы, последующему залеганию и уплотнению крупных фракций шлама на днище корпуса гидрозатовра вследствие снижения пропускной способности насадка, а также переполнению гидрозатвора крупными частицами, что, в свою очередь, приведет к перегрузке скребкового устройства, к частым выходам его из строя, т.е. к снижению надежности работы гидрозатвора.
2
Применение насадка с эквивалентным диаметром большим, чем d, приведет к увеличению доли шламовой пульпы, которая отводится через насадок и не позволит обеспечить соблюдение условия максимально необходимого времени (T) заполнения гидрозатвора, что, в свою очередь, приведет к нарушению работы и гидрозатвора и системы мокрой газоочистки в целом.
Учитывая изложенное выше и с учетом раскрытой причинно-следственной связи между совокупностью признаков гидрозатовра, который заявляется, и достигаемым техническим результатом, можно утверждать, что задача, поставленная в основу создания нового гидрозатвора, решена полностью, так как использование гидрозатвора позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности и долговечности работы гидрозатвора, предотвращении залегания и уплотнения крупных фракций шлама на днище его корпуса, а также повышении эффективности отвода шламовой пульпы, что, в свою очередь, позволяет обеспечить непрерывность и стабильность процесса работы системы мокрой газоочистки в целом.
Сущность объекта, который заявляется, поясняется графическим материалом, на котором представлен общий вид гидрозатвора, который заявляется.
В конкретном примере изготовления гидрозатвор содержит цилиндрический корпус 1 с коническим днищем 2, патрубком 3 для подвода шламовой жидкости и сливным патрубком 4 для отвода шламовой жидкости. Конус днища 2 обращен вершиной вниз, а в вершине днища 2 выполнено выпускное отверстие для отвода шламовой пульпы. Патрубок 3 размещен сбоку корпуса 1, установлен в его нижней части под наклоном к цилиндрической стенке корпуса 1 и обеспечивает подвод шламовой жидкости в корпус 1 нисходящим потоком. Сливной патрубок 4 размещен сбоку корпуса 1, закреплен в его верхней части и обеспечивает отвод шламовой жидкости из корпуса 1 в шламоприемник нисходящим потоком, при этом место соединения сливного патрубка 4 с корпусом 1 (точка отвода шламовой жидкости из корпуса 1) расположено выше места соединения патрубка 3 с корпусом 1 (точка подвода шламовой жидкости в корпус 1). Внутри корпуса 1 установлено скребковое устройство, состоящее из привода (не показан) и вала вращения 5, например, с четырьмя скребками 6, выполненными в виде пластин, имеющих форму равнобедренных треугольников, угол при основании которых соответствует углу наклона конического днища, и которые сопряжены своими основаниями с валом вращения 5. При этом нижнее ребро скребков находится на некотором расстоянии от стенки днища 2. Для отвода шламовой пульпы в выпускном отверстии конического днища 2 по оси корпуса 1 установлен гидравлический насадок 7, выполненный, например, в виде короткого патрубка цилиндрической формы. При этом насадок 7 заключен в наружный цилиндрический кожух 8, который выполнен, например, в виде патрубка, установленного коаксиально насадку 7 с образованием внутреннего кольцевого канала, образованного насадком 7 с меньшим наружным диаметром и кожухом 8 с большим внутренним диаметром, и верхняя часть которого сопряжена с коническим днищем 2, а нижняя соединена с помощью фланцевого соединения с верхней частью трубопровода 9 отвода шламовой пульпы, при этом нижняя часть трубопровода 9 примыкает к нижней части сливного патрубка 4. Кожух 8 насадка 7 оборудован воздуховодом 10, нижняя часть которого врезана в верхнюю часть кожуха 8, а верхняя выведена выше сливного патрубка 4.
H
1
H
2
H
3
2
Эквивалентный диаметр (d) гидравлического насадка 7 для отвода шламовой пульпы из корпуса 1 гидрозатвора подбирается исходя из условия d≤d≤d и соблюдения требования по максимально необходимому времени (T) заполнения гидрозатвора, где  a  В конкретном примере изготовления были выбраны насадок цилиндрической формы и следующие параметры для расчета его диаметра: α=0,1, Q=0,05 м/c, H=1,25 м, h=0,15 м, ω=πd/4, φ=0,82.
1
Отсюда минимально допустимый диаметр насадка d составит:
2
2
При этом d и ω определяются исходя из конкретных технологических требований по установлению максимально допустимого времени (T) заполнения гидрозатвора (T=60 с, F=0,8 м):
2
2
В соответствии с проведенными расчетами уравнение превращается в равенство при ω=0,0097 (м), отсюда максимально допустимый диаметр (d) насадка будет равен:
H
H
2
Таким образом, исходя из заявляемого неравенства 0,0385≤d≤0,111 выбирается наиболее подходящий диаметр, например 0,04 м, при этом площадь поперечного сечения насадка составит 0,00125 м, а расход Qшламовой пульпы, которая может быть отведена через насадок, составит:
В конкретном примере изготовления гидрозатвор, который заявляется, работает следующим образом.
3
3
3
3
3
Для предотвращения подсоса воздуха в систему мокрой газоочистки осуществляется первоначальное заполнение гидрозатвора путем подачи нисходящим потоком в корпус 1 по патрубку 3 жидкости с расходом 0,05 м/с. Одновременно с началом поступления исходной жидкости происходит и ее вытекание из корпуса 1 нисходящим потоком через коническое днище 2, насадок 7, кожух 8, трубопровод 9 и нижнюю часть сливного патрубка 4 в шламоприемник. Благодаря установке насадка 7, внутренний диаметр которого составляет 0,04 м, осуществляется процесс первоначального заполнения гидрозатвора, т.е. исходная жидкость вытекает из гидрозатвора с расходом 0,0054 м/с, который составляет меньшую долю от общего расхода (0,05 м/с). При этом обеспечивается соблюдение условия первоначального заполнения корпуса 1 за время (не должно превышать 60 с), по истечении которого уровень воды поднимается до отметки установки сливного патрубка 4 и начинается отвод жидкости через него. После окончания процесса первоначального заполнения корпуса 1 гидрозатвора система мокрой газоочистки (не показана) переводится в рабочий режим, и по патрубку 3 в корпус 1 начинает поступать шламовая жидкость с расходом 0,05 м/с.В корпусе 1 крупные частицы, содержащиеся в шламовой жидкости, оседают на коническом днище 2, порциями отделяются скребками 6 от его стенок, направляются к выпускному отверстию днища 2 и в виде шламовой пульпы поступают в насадок 7, а шламовая жидкость отводится по сливному патрубку 4 в шламоприемник. Из насадка 7 шламовая пульпа опускается в кожух 8 насадка 7, далее по трубопроводу 9 подводится с постоянным расходом 0,0054 м/с к нижней части сливного патрубка 4 и вместе с потоком шламовой жидкости из открытого конца сливного патрубка 4 сливается в шламоприемник. При отводе шламовой пульпы в кольцевом канале между насадком 7 и кожухом 8 благодаря воздуховоду 10 постоянно находится воздух и поддерживается атмосферное давление, при этом за счет постоянного подсоса атмосферного воздуха по воздуховоду 10 предотвращается эжекция шламовой пульпы из корпуса 1, т.е. происходит засасывание воздуха из атмосферы по воздуховоду 10, а не шламовой пульпы из корпуса 1, что позволяет обеспечить надлежащие условия для отвода шламовой пульпы без засорения насадка 7 (равномерность, скорость). При этом в случае аварийного засорения трубопровода 9 шламовая пульпа начнет поступать в воздуховод 10, что обеспечивает возможность аварийной остановки гидрозатвора без выпуска шламовой пульпы наружу. Кроме того, воздуховод 10 может быть использован для прочистки кожуха 8 и трубопровода 9.