МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЬ
MULTISTAGE CENTRIFUGAL DUST SEPARATOR

Изобретение относится к области разделения двухфазных потоков, состоящих из газа и твердых частиц, а именно к многоступенчатым пылеуловителям, в которых используется эффект центробежного осаждения пыли, и может быть применено в теплоэнергетике, пищевой, химической, строительной и других отраслях промышленности для очистки газов от твердых частиц.
4
Известен пылеотделитель, содержащий корпус с тангенциальным входным патрубком, вихревую камеру сепарации, образованную криволинейными поверхностями осаждения, разделяющимися щелевыми выводами, аксиально расположенный патрубок вывода очищенного газа, заглубленный внутрь корпуса и сообщающийся с тангенциальным входным патрубком посредством указанных щелевых выводов, пылесборный бункер, установленный в нижней части корпуса. В стенке вихревой камеры сепарации имеется окно, сообщающееся с входным патрубком. Щелевые выводы и окно снабжены регулируемыми шиберами, а углы между радиусами, проходящими через центры окна и щелевых выводов, составляют 100-140°. На торцовой стенке вихревой камеры противоположно патрубку вывода очищенного газа и соосно ему размещена обечайка с диаметром, большим диаметра этого патрубка и шириной 0,15-0,25 ширины камеры (авторское свидетельство SU 1337121, МПК B01D 45/12).
Основным недостатком описанного пылеотделителя является невысокая эффективность улавливания тонкодисперсных фракций пыли, вызванная интенсивной турбулизацией потока в местах щелевых выводов и, как следствие, размыванием сконцентрированного пылевого слоя, а также прорывом частиц пыли в ядро потока между обечайкой и патрубок вывода очищенного газа.
3
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному изобретению является пылеотделитель, содержащий горизонтально расположенный цилиндрический корпус с тангенциальным входным патрубком, образующие в корпусе камеру первичной сепарации с сепарационным криволинейным каналом уменьшающегося поперечного сечения, образованным спиральной поверхностью, и примыкающую к ее боковой стенке, являющейся поперечной перегородкой, камеру вторичной сепарации, снабженные пылесборными бункерами. Сепарационный криволинейный канал уменьшающегося по ходу газа поперечного сечения образован жалюзийной решеткой, установленной по периферии камеры первичной сепарации, и спиральной перегородкой. Входной патрубок расположен между стенкой корпуса и спиральной перегородкой по всей длине камеры первичной сепарации. В отверстии поперечной перегородки укреплен завихритель потока. В камере вторичной сепарации соосно установлены сепарационный патрубок и сообщающийся с ним диффузорный патрубок, образующий между камерами первичной и вторичной сепарации кольцевой канал и являющийся одновременно патрубком вывода очищенного газа (авторское свидетельство SU 912224, МПКB01D 45/12).
Основным недостатком вышеописанного пылеотделителя является пониженная эффективность улавливания наиболее тонких фракций пыли, так как при его использовании эффективно улавливаются в основном крупные и среднедисперсные частицы, а наиболее тонкая фракция пыли выдавливается радиальным стоком и вторичными течениями к оси вращающегося потока и беспрепятственно уносится осевым течением из пылеотделителя через патрубок вывода очищенного газа.
Задачей изобретения является повышение эффективности улавливания наиболее тонких фракций пыли путем снижения перемешивания слоев потока, подавления вторичных течений и трехступенчатого отвода пыли в сепарационном канале камеры первичной сепарации, а также увеличения общего времени пребывания твердых частиц в центробежном поле посредством введенной в устройство камеры доочистки.
Поставленная задача решается тем, что в многоступенчатом центробежном пылеуловителе, содержащем корпус с тангенциальным входным патрубком, камеру первичной сепарации с сепарационным криволинейным каналом уменьшающегося поперечного сечения, образованным спиральной поверхностью, и примыкающую к ее боковой стенке камеру вторичной сепарации, снабженные пылесборными бункерами, диффузорный патрубок, образующий между этими камерами кольцевой канал, патрубок вывода очищенного газа, согласно изобретению камера первичной сепарации с сепарационным криволинейным каналом плавно убывающего радиуса кривизны, имеющим прямоугольное поперечное сечение с отношением высоты к ширине канала, составляющим 1:5, выполнена из трех последовательно соединенных участков осаждения, протяженностью по дуге криволинейного канала 180°, 90° и 90°, образованных между поперечными щелевыми зазорами размером 0,1 высоты сепарационного канала за счет смещения участков в радиальном направлении. Первые два участка осаждения имеют индивидуальные изолированные бункера. Диффузорный патрубок, образующий между камерами первичной и вторичной сепарации кольцевой канал, встроен внутрь камеры первичной сепарации на 0,2-0,3 ее ширины и плавно сопряжен с цилиндрической обечайкой камеры доочистки, также имеющей индивидуальные изолированные пылесборные бункера и расположенной между камерой вторичной сепарации и патрубком вывода очищенного газа, протяженностью пять диаметров обечайки, на внутренней поверхности которой с интервалом 120° расположены три продольные горизонтальные щели с фронтальными кромками, отогнутыми навстречу потоку под углом 80°. При этом пылеуловитель снабжен четырехлопастным закручивателем потока, установленным в камере доочистки на входе в цилиндрическую обечайку, профилированным обтекателем, размещенным на выходе из обечайки с возможностью перемещения вдоль горизонтальной оси и выполненным в виде двух прямых круговых конусов, совмещенных основаниями. Патрубок вывода очищенного газа выполнен улиточной формы с диффузорным входом. Диффузорный вход патрубка вывода очищенного газа встроен внутрь обечайки на глубину 0,1 ее диаметра с образованием постоянного кольцевого зазора с внутренней поверхностью обечайки и регулируемого кольцевого зазора с тыльной поверхностью профилированного обтекателя, обращенного в сторону патрубка вывода очищенного газа. Полость между внутренней поверхностью камеры доочистки и наружной поверхностью цилиндрической обечайки разделена вертикальными перегородками, образующими с индивидуальными изолированными бункерами изолированные осадительные камеры.
Таким образом, предложенный многоступенчатый центробежный пылеуловитель позволяет достичь высокой эффективности улавливания наиболее тонких фракций пыли из-за того, что осаждение пыли происходит при безотрывном движении пылегазового потока с нарастающей скоростью по плавно убывающему радиусу кривизны сепарационного криволинейного канала уменьшающегося поперечного сечения, что способствует глубокому расслоению пылегазовой смеси в центробежном поле камеры первичной сепарации, в которой осаждается основная часть твердых частиц, до 98% от содержащихся во входящем пылегазовом потоке; сконцентрированный у поверхности осаждения пылевой слой поэтапно удаляется через поперечные щелевые зазоры между последовательно соединенными участками осаждения, то есть ступенями осаждения, камеры первичной сепарации в индивидуальные изолированные бункера, что препятствует вторичному уносу пыли и перетокам газа; не уловленные в камере первичной сепарации наиболее мелкие твердые частицы пыли, попадающие в течение потока, уходящего через диффузорный патрубок, встречают на своем пути четырехлопастной закручиватель потока и профилированный обтекатель, установленные в цилиндрической обечайке по оси движения потока, в результате чего они отклоняют траекторию своего движения в направлении продольных горизонтальных щелей, где, наталкиваясь на отогнутые под углом 80° фронтальные кромки, отбрасываются в изолированные осадительные камеры, что способствует более полному улавливанию тонкодисперсных частиц.
Выполнение камеры первичной сепарации с сепарационным криволинейным каналом уменьшающегося поперечного сечения с плавно убывающим радиусом кривизны обеспечивает безотрывное ускорение двухфазного пылегазового потока и соответственно усиление центробежного расслоения пылевоздушной смеси, что способствует повышению эффективности улавливания наиболее тонких фракций пыли. Разделение внутренней спиральной поверхностью пылегазового потока, входящего в камеру первичной сепарации, от уходящего из камеры очищенного потока, а также последовательный трехступенчатый вывод из зоны сепарации сконцентрированного пылевого слоя в индивидуальные изолированные пылесборные бункера, вызывает снижение градиента концентрации твердых частиц у последовательно соединенных участков осаждения сепарационного криволинейного канала уменьшающегося поперечного сечения с плавно убывающим радиусом кривизны и препятствует возникновению вторичного уноса уже выделенных из потока твердых частиц.
Введение камеры доочистки позволяет увеличить время пребывания твердых частиц в центробежном поле, повышая вероятность их улавливания, а размещение четырехлопастного закручивателя потока и профилированного обтекателя в камере доочистки способствует усилению крутки потока и соответственно большему отклонению траекторий твердых частиц в направлении продольных горизонтальных щелей на внутренней поверхности цилиндрической обечайки, а также снижает негативное влияние вихревого ядра потока, что в совокупности способствует улавливанию тонких фракций пыли.
Экспериментальным путем установлено следующее:
- выполнение прямоугольного поперечного сечения сепарационного криволинейного канала по плавно убывающему радиусу кривизны с отношением высоты к ширине канала, составляющим 1:5, является оптимальным, так как при таком отношении высоты к ширине канала подавляется развитие вторичных течений, вызывающих перемешивание пылегазового потока в этом канале; выполнение прямоугольного поперечного сечения сепарационного криволинейного канала по плавно убывающему радиусу кривизны с отношением высоты к ширине канала, составляющим менее, чем 1:5, существенно изменяет структуру течения и распределение твердых частиц по сечению канала, что ухудшает условия сепарации, а выполнение прямоугольного поперечного сечения сепарационного криволинейного канала по плавно убывающему радиусу кривизны с отношением высоты к ширине канала, составляющим менее, чем 1:5, способствует появлению вторичных течений и может вызвать отрыв потока от внешней стенки канала;
- выполнение камеры первичной сепарации из трех последовательно соединенных участков осаждения, протяженностью по дуге криволинейного канала 180°, 90° и 90° является оптимальным, так как позволяет снизить концентрацию твердых частиц в пристенном слое у поверхности осаждения, стимулируя таким образом дальнейшее расслоение пылегазового потока в центробежном поле. Протяженность участков осаждения, по дуге криволинейного канала, равная 180°, 90° и 90°, обусловлена тем, что более половины твердых частиц, вошедших в сепарационный канал через входной патрубок, достигают поверхности осаждения через первые 180° поворота, на следующих 90° поворота сепарационного канала осаждается около 25% от проходящей через него пыли, а большая часть оставшихся в потоке твердых частиц отделяется также через 90°;
- образование поперечных щелевых зазоров между участками осаждения камеры первичной сепарации размером 0,1 высоты сепарационного канала является оптимальным, так как соответствует максимальной толщине сконцентрированного пылевого слоя, возникающего в поперечном сечении сепарационного канала; образование поперечных щелевых зазоров между участками осаждения камеры первичной сепарации размером менее 0,1 высоты сепарационного канала нецелесообразно, так как это уменьшит количество удаляемой в бункер пыли, что снизит эффективность улавливания ступеней разделения, а образование поперечных щелевых зазоров между участками осаждения камеры первичной сепарации размером более 0,1 высоты сепарационного канала увеличит объем отводимого в бункер потока воздуха, что ухудшит условия осаждения пыли;
- установка диффузорного патрубка внутри камеры первичной сепарации на 0,2-0,3 ее ширины является оптимальной, так как препятствует уносу твердых частиц, попавших в течение Тэйлора-Гертлера; установка диффузорного патрубка внутри камеры первичной сепарации встроенным на расстояние, меньшее, чем 0,2 ее ширины, недостаточно защищает уходящий поток от попадания в него твердых частиц, а установка диффузорного патрубка внутри камеры первичной сепарации встроенным на расстояние большее, чем на 0,3 ее ширины, увеличивает гидравлическое сопротивление перехода пылевоздушного потока в камеру доочистки;
- протяженность камеры доочистки, составляющая пять диаметров цилиндрической обечайки, является оптимальной, поскольку позволяет рационально использовать энергию вихревого движения после камеры первичной сепарации для отделения из потока тонкодисперсных частиц; протяженность камеры доочистки, составляющая менее пяти диаметров цилиндрической обечайки, является недостаточной для максимального улавливания тонкодисперсных частиц, а протяженность камеры доочистки, составляющая более пяти диаметров цилиндрической обечайки, нецелесообразна по причине снижения уровня тангенциальных скоростей в сечении и резкого падения эффективности улавливания тонкодисперсных частиц;
- размещение на внутренней поверхности цилиндрической обечайки с интервалом 120° трех продольных горизонтальных щелей с фронтальными кромками, отогнутыми навстречу пылегазовому потоку под углом 80°, является оптимальным, так как способствует эффективному удалению частиц пыли из потока, вращающегося по внутренней поверхности цилиндрической обечайки, в индивидуальные изолированные бункера камеры доочистки; размещение на внутренней поверхности цилиндрической обечайки с интервалом 120° трех продольных горизонтальных щелей с фронтальными кромками, отогнутыми навстречу пылегазовому потоку под углом менее 80°, нецелесообразно, так как снижает вероятность захвата частиц, движущихся по поверхности обечайки, а размещение на внутренней поверхности цилиндрической обечайки с интервалом 120° трех продольных горизонтальных щелей с фронтальными кромками, отогнутыми навстречу пылегазовому потоку под углом более 80°, нецелесообразно, так как вызывает прилипание тонкодисперсных частиц на фронтальной поверхности кромки и турбулизацию потока за тыльной поверхностью кромки, что, в свою очередь, может вызвать нарушение режима осаждения;
- заглубление диффузорного входа патрубка вывода очищенного газа внутрь обечайки на глубину 0,1 ее диаметра является оптимальным, так как обеспечивает плавный переход очищенного потока в патрубок вывода очищенного газа улиточной формы и предохраняет его от присоса твердых частиц из бункера камеры доочистки; заглубление диффузорного входа патрубка вывода очищенного газа внутрь обечайки на глубину менее 0,1 ее диаметра будет способствовать уносу частиц из индивидуального осадительного бункера камеры доочистки, а заглубление диффузорного входа патрубка вывода очищенного газа внутрь обечайки на глубину более 0,1 ее диаметра нецелесообразно, так как это уменьшает протяженность зоны сепарации в цилиндрической обечайке.
Предложенное изобретение проясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид многоступенчатого центробежного пылеуловителя, на фиг.2 - поперечный разрез камеры первичной сепарации, на фиг.3 - продольный разрез многоступенчатого центробежного пылеуловителя, на фиг.4 - поперечный разрез камеры доочистки.
Кроме этого на чертеже дополнительно обозначено следующее:
- вертикальной линией со стрелкой, обращенной снизу вверх, показано направление подачи пылегазового потока во входной патрубок;
- раздвоенной линией со стрелками, направленными сверху вниз вертикально и по криволинейной траектории, показано направление движения прилегающей к стенке камеры первичной сепарации части концентрированного пылевого слоя в первой ступени разделения;
- раздвоенной линией со стрелками, направленными горизонтально и по криволинейной траектории, показано направление движения твердых частиц во второй ступени разделения;
- раздвоенной линией со стрелками, обращенными снизу вверх вертикально и по криволинейной траектории, показано направление очищенного внутреннего слоя пылегазового потока в третьей ступени разделения;
- двумя горизонтальными зигзагообразными линиями со стрелками, обращенными вверх и вниз, показано направление движения твердых частиц пылегазового потока из камеры первичной сепарации через кольцевой канал в камеру вторичной сепарации;
- спиральной линией со стрелками показана траектория движения пылегазового потока в камере доочистки;
- изогнутыми линиями со стрелками, направленными сверху вниз от спиральной линии, показано направление вывода уловленных твердых частиц пылегазового потока;
- вертикальной линией со стрелкой, направленной сверху вниз, показано направление вывода пыли из камеры доочистки;
- круговой линией со стрелкой показано направление движения пылегазового потока;
- дугообразной линией со стрелками и надписью 120° показан интервал размещения горизонтальных щелей цилиндрической обечайки;
- дугообразной линией со стрелками и надписью 80° показан угол, на который отогнуты кромки горизонтальных щелей цилиндрической обечайки.
Многоступенчатый центробежный пылеуловитель содержит корпус 1 с тангенциальным входным патрубком 2, переходящим в камеру 3 первичной сепарации, образованную сепарационным криволинейным каналом плавно убывающего радиуса кривизны по наружной поверхности канала и внутренней спиральной поверхностью 4, имеющим уменьшающееся прямоугольное поперечное сечение с отношением высоты к ширине канала, равным 1:5 (фиг.1). Камера 3 первичной сепарации выполнена из трех последовательно соединенных участков 5, 6, 7 осаждения, протяженностью по дуге криволинейного канала 180°, 90° и 90° соответственно, образованных между поперечными щелевыми зазорами 8, 9, 10 размером 0,1 высоты сепарационного канала. Первые два участка 5 и 6 осаждения сообщены с индивидуальными изолированными пылесборными бункерами 11 и 12 соответственно (фиг.2).
Последовательно соединенные участки 5, 6, 7 осаждения представляют собой поверхность осаждения. Таким образом, камера 3 первичной сепарации имеет разрывы поверхности осаждения 8, 9, 10, образующие три ступени разделения протяженностью по дуге криволинейного канала 180°, 90° и 90°, за счет заранее заданной величины 13 радиального смещения этих участков относительно друг друга. Камера 14 вторичной сепарации расположена соосно с камерой 3 первичной сепарации, примыкающей к ее боковой стенке (фиг.3).
Проходящий через боковую стенку корпуса 1 диффузорный патрубок 15, образующий своей наружной поверхностью в отверстии боковой стенки корпуса 1 между камерой 3 первичной сепарации и камерой 14 вторичной сепарации кольцевой канал 16, встроен внутрь камеры 3 первичной сепарации на 0,2-0,3 ее ширины и плавно сопряжен внутренней частью с цилиндрической обечайкой 17, установленной в камере 18 доочистки и образующей внутреннюю полость последней. Кольцевой канал 16 предназначен для сообщения внутренней части камеры 3 первичной сепарации с камерой вторичной сепарации 14, оснащенной индивидуальным изолированным пылесборным бункером 19.
Камера 18 доочистки также снабжена индивидуальными изолированными пылесборными бункерами 20 и расположена между камерой 14 вторичной сепарации и патрубком 21 вывода очищенного газа. Протяженность камеры 18 доочистки составляет пять диаметров обечайки 17, на внутренней поверхности которой с интервалом 120° расположены три продольные горизонтальные щели 22.
В камере 18 доочистки на входе в цилиндрическую обечайку 17 установлен четырехлопастной закручиватель 23 потока. На выходе из цилиндрической обечайки 17 установлен профилированный обтекатель 24, выполненный в виде двух прямых круговых конусов, совмещенных основаниями.
Патрубок 21 вывода очищенного газа, расположенный соосно с камерой 18 доочистки, выполнен улиточной формы с диффузорным входом 25. Диффузорный вход 25 патрубка 21 вывода очищенного газа встроен внутрь цилиндрической обечайки 17 на глубину 0,1 ее диаметра с образованием постоянного кольцевого зазора 26 с внутренней поверхностью обечайки 17 и регулируемого кольцевого зазора 27 с тыльной поверхностью профилированного обтекателя 24.
Торцевая поверхность патрубка 21 вывода очищенного газа закрыта съемной крышкой с направляющей втулкой 28. На противоположном торце пылеуловителя, а именно на камере 3 первичной сепарации соосно с камерой 18 доочистки расположен технологический люк 29 (фиг.1). Внешняя полость камеры 18 доочистки, между ее внутренней поверхностью и наружной поверхностью цилиндрической обечайки 17, разделена вертикальными перегородками 30, образующими с индивидуальными изолированными пылесборными бункерами 20 изолированные осадительные камеры 31 (фиг.3).
Фронтальные кромки 32 трех продольных горизонтальных щелей 22 цилиндрической обечайки 15 отогнуты навстречу пылегазовому потоку под углом 80° (фиг.4).
Профилированный обтекатель 24 установлен в пылеуловителе с возможностью перемещения вдоль горизонтальной оси 33 камеры 18 доочистки. Направляющая втулка 28 является опорой для горизонтальной оси 33, обеспечивающей соосность четырехлопастного закручивателя 23 потока, профилированного обтекателя 24 и диффузорного входа 25 патрубка 21 вывода очищенного газа относительно цилиндрической обечайки 17. Величина регулируемого кольцевого зазора 27 устанавливается посредством осевого перемещения профилированного обтекателя 24 по оси 33.
Многоступенчатый центробежный пылеуловитель работает следующим образом.
Пылегазовый поток через тангенциальный входной патрубок 2 поступает в камеру 3 первичной сепарации, где в результате движения по криволинейной траектории под действием центробежных сил происходит его расслоение на концентрированный периферийный слой и очищенный внутренний слой потока. Пройдя участок 5 осаждения протяженностью по дуге криволинейного канала 180°, то есть первую ступень разделения, часть сконцентрированного пылевого слоя, прилегающая к стенке камеры 3 первичной сепарации, через щелевой зазор 8 выводится в бункер 11 и удаляется из пылеуловителя. Не уловленная в первой ступени разделения средняя часть пылегазового потока, ускоряясь по криволинейной поверхности сепарационного канала камеры 3 первичной сепарации и пройдя участок 4 осаждения протяженностью по дуге криволинейного канала 90°, то есть вторую ступень разделения, попадает в щелевой зазор 9 и далее в бункер 12. Пылевые частицы, траектории которых прошли мимо щелевого зазора 9, продолжают ускоряться, двигаясь по участку 7 осаждения протяженностью по дуге криволинейного канала 90° убывающего радиуса, то есть по третьей ступени разделения, с нарастающей скоростью сбрасываются через щелевой зазор 10 на вход камеры 3 первичной сепарации, оттесняя твердые частицы, входящие вдоль внутренней стенки входного патрубка 2 в сепарационный канал, к внешней стенке участка 5 осаждения, то есть в первую ступень разделения. Центральная часть потока в камере 3 первичной сепарации, вращаясь по спиральной траектории, приобретает осевую скорость и поступает в диффузорный патрубок 14, а твердые частицы, движущиеся по спиральной поверхности 4, попадают в течение Тэйлора-Гертлера и через кольцевой канал 16 выводятся в камеру 14 вторичной сепарации, где окончательно улавливаются в изолированном пылесборном бункере 19. Во вращающемся в центре камеры 3 первичной сепарации пылегазовом потоке, на торцевой крышке технологического люка 29, образуется донное течение, увлекающее наиболее мелкие твердые частицы к оси вращения, что способствует их попаданию в осевой поток и уносу из камеры 3 первичной сепарации.
Прошедший через диффузорный патрубок 15 пылегазовый поток попадает в цилиндрическую обечайку 17 камеры доочистки 18. Встречая на своем пути четырехлопастной закручиватель 23 потока, осевой поток отклоняет свою траекторию движения в радиальном направлении. Твердые частицы, двигаясь далее по спиральной траектории под действием центробежных сил, отжимаются к внутренней поверхности обечайки 17 и, наталкиваясь на фронтальную кромку 32, отбрасываются через продольные горизонтальные щели 22 в изолированные осадительные камеры 31.
Продолжая движение в направлении патрубка 21 вывода очищенного газа, пылегазовый поток огибает фронтальную поверхность профилированного обтекателя 24, заставляя оставшиеся твердые частицы пыли как более инерционные двигаться в постоянный кольцевой зазор 26, образованный диффузорным входом 25 патрубка 21 вывода очищенного газа и внутренней поверхностью цилиндрической обечайки 17. Очищенный от твердых частиц воздух, огибая по спирали тыльную поверхность профилированного обтекателя 24, обращенную в сторону патрубка 21 вывода очищенного газа, перетекает через регулируемый кольцевой зазор 27 в патрубок 21 вывода очищенного газа, и, плавно раскручиваясь, удаляется из пылеуловителя.
Таким образом, реализация предложенного устройства позволяет оптимально организовать аэродинамику течения пылевоздушной смеси в камерах первичной и вторичной сепарации, предотвратить появление вторичного уноса пыли и межбункерных перетоков газа, а также рационально использовать энергию уходящего вращающегося потока для повышения эффективности улавливания наиболее тонких фракций пыли в камере доочистки.