УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ И/ИЛИ ФИЗИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ МЕЖДУ ТВЕРДЫМ ВЕЩЕСТВОМ И ГАЗОМ
DEVICE TO EXECUTE CHEMICAL AND/OR PHYSICAL REACTIONS BETWEEN SOLID SUBSTANCE AND GAS

Изобретение относится к устройству для осуществления химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, с несколькими ступенями, расположенными друг над другом.
Из практики известны системы для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, состоящие из прямоточных теплообменников и циклонных сепараторов. Обычно такие устройства состоят из нескольких ступеней, расположенных друг над другом, причем газовый поток пропускается снизу вверх через все ступени, в то время как твердое вещество подается на отдельные ступени в противоположном направлении.
Такие системы имеют тот недостаток, что им необходима огромная конструктивная высота, а степень отделения в циклонном сепараторе не всегда является удовлетворительной. Поэтому в циклонах дело часто доходит до неконтролируемых потоков, обусловленных, например, на входе циклона наложением на входной газовый поток образовавшегося вихревого потока или инверсией направления газового потока в конусе цикла. Кроме того, может произойти повторное попадание в газовый поток циклона частиц, уже отделенных на краю циклона.
Другая проблема состоит в том, что при различных по размеру конструктивных формах центробежные силы при одинаковых скоростях на входе изменяются и в результате создаются другие условия отделения.
Поэтому в US 4318697 был предложен многоступенчатый подогреватель для цементного сырья, отдельные ступени которого состоят, соответственно, из нагнетательного трубопровода и примыкающего к нему спирального и/или спиралеобразного трубопровода. Спиральный и/или спиралеобразный трубопровод имеет прямоугольное поперечное сечение и подсоединен к одной из сторон четырехугольной воронки, в которой твердое вещество и газ окончательно отделяются под действием центробежных сил и сил инерции.
В основу изобретения положена задача уменьшения конструктивной высоты устройства для осуществления химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом.
Эта задача решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.
Устройство для осуществления химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом согласно изобретению, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, содержит по меньшей мере три ступени, расположенные друг над другом, причем каждая ступень содержит следующие конструктивные элементы:
a) трубопровод для суспензии газа и твердого вещества, предназначенный для подачи суспензии газа и твердого вещества,
b) средства для отделения подаваемого твердого вещества от подаваемого газа,
c) трубопровод для твердого вещества, предназначенный для отвода отделяемого твердого вещества, а также
d) трубопровод для газа, предназначенный для отвода отделяемого газа,
причем газопровод одной ступени переходит в трубопровод для суспензии газа и твердого вещества следующей более высокой ступени, а трубопровод для твердого вещества одной ступени заканчивается в трубопроводе для суспензии газа и твердого вещества следующей более низкой ступени.
Кроме того, место входа трубопровода для твердого вещества в трубопровод для суспензии газа и твердого вещества третьей или более высокой ступени предусмотрено ниже наивысшей точки трубопровода для суспензии газа и твердого вещества, расположенного двумя ступенями ниже.
Благодаря такой конструкции достигается явное уменьшение конструктивной высоты устройства.
Другие варианты выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения трубопровод для суспензии газа и твердого вещества содержит восходящий и нисходящий участки трубопровода, которые могут быть образованы нагнетательным трубопроводом и нисходящим винтовым и/или спиралеобразным трубопроводом. Кроме того, может быть предусмотрена угловая головка, соединяющая напорный трубопровод с винтовым и/или спиралеобразным трубопроводом. Благодаря восходящему и нисходящему участкам трубопровода, с одной стороны, обеспечивается достаточное время для контакта твердого вещества с газом, а с другой, может быть дополнительно уменьшена конструктивная высота.
Под винтовым и/или спиралеобразным трубопроводом в смысле изобретения понимается трубопровод, по меньшей мере местами выполненный винтообразно и/или спиралеобразно. При этом вращение винтового и/или спиралеобразного трубопровода, в частности, может осуществляться также лишь на угловой диапазон, например, менее 90°.
В другом варианте выполнения винтовые и/или спиралеобразные трубопроводы последовательно расположенных ступеней выполнены попеременно лево- и правовращательными. Благодаря изменяющемуся направлению вращения получается исключительно компактная конструкция устройства, обеспечивающая дальнейшее уменьшение конструктивной высоты. Так, например, по сравнению с обычным пятиступенчатым циклонным теплообменником достигается уменьшение конструктивной высоты величиной до 25%.
Кроме того, может быть предусмотрено, чтобы трубопровод для твердого вещества и трубопровод для газа соединялись с концом винтового и/или спиралеобразного трубопровода, причем чтобы, например, в конце винтового и/или спиралеобразного трубопровода была предусмотрена осадочная камера, к которой были бы подсоединены трубопровод для отвода твердого вещества и трубопровод для отвода газового потока.
Ниже более подробно поясняются другие преимущества и формы выполнения изобретения со ссылкой на описание и чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид сбоку ступени устройства,
фиг.2 - вид сбоку на фиг.1, повернутый на 90°,
фиг.3 - вид сверху ступени на фиг.1,
фиг.4 - вид сбоку устройства с тремя ступенями, расположенными друг над другом,
фиг.5 - вид сверху устройства на фиг.4.
На фиг.1-3 вначале более подробно изображена ступень устройства для осуществления химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов.
Оно по существу состоит из трубопровода для суспензии газа с твердым веществом, средств для отделения подаваемого твердого вещества от подаваемого газа, образованных в показанном примере выполнения осадочной камерой 2, трубопровода 3 для отвода отделяемого твердого вещества, а также из трубопровода 4 для отвода отделяемого газа.
Для осуществления химических и/или физических реакций между твердым веществом 5 и газом 6 суспензия газа с твердым веществом подается в осадочную камеру 2 по трубопроводу 1 для газа и твердого вещества.
Трубопровод 1 для газа и твердого вещества содержит восходящий участок, выполненный в виде напорного трубопровода 1а, и нисходящий участок, выполненный в виде винтового и/или спиралеобразного трубопровода 1b. Кроме того, предусмотрена обратная головка 1с, соединяющая напорный трубопровод 1а с винтовым и/или спиралеобразным трубопроводом 1b. При рассмотрении в вертикальном направлении по меньшей мере начало винтового и/или спиралеобразного трубопровода 1b расположено выше его конца на входе в осадочную камеру 2. В винтовом и/или спиралеобразном трубопроводе 1b благодаря центробежным силам происходит разделение суспензии газа и твердого вещества на поток твердого вещества и газовый поток.
В рамках изобретения возможно, чтобы радиус и/или ход, и/или профиль поперечного сечения, и/или размер поперечного сечения винтового и/или спиралеобразного трубопровода 1b изменялись в направлении потока суспензии газа и твердого вещества. Таким образом, с одной стороны, может быть оказано воздействие на предварительное сепарирование суспензии на участке винтового и/или спиралеобразного трубопровода, а с другой, винтовой и/или спиралеобразный трубопровод 1 может быть адаптирован к внешним условиям. Это особенно выгодно в том случае, когда несколько ступеней расположены в шахматном порядке с перекрытием и одна над другой.
При этом радиус, ход, профиль поперечного сечения и/или размер поперечного сечения могут изменяться в направлении потока скачкообразно и/или по меньшей мере на одном участке также непрерывно. Так, например, уменьшение радиуса вызывает увеличение центробежной силы, в то время как увеличение радиуса соответствует уменьшению центробежной силы. Путем изменения профиля и размера поперечного сечения можно воздействовать на скорость потока.
В показанном примере винтовой и/или спиралевидный трубопровод 1b входит в осадочную камеру 2 по касательной под углом α к горизонтали, равным по меньшей мере 30°. На участке примыкания осадочная камера 2 имеет цилиндрическую часть 2а, к которой снизу подсоединяется воронкообразно сужающаяся часть 2b.
Трубопровод 3 для твердого вещества подсоединен к воронкообразно сужающейся части 2b осадочной камеры, в то время как цилиндрическая часть 2а переходит в трубопровод 4 для газа.
В показанном примере выполнения трубопровод 4 для газа и цилиндрическая часть 2а осадочной камеры имеют одинаковый диаметр. Поэтому можно говорить о том, что осадочная камера образуется нижней частью трубопровода 4 для газа.
В рамках изобретения было бы также возможно, чтобы трубопровод 4 для газа вдавался в осадочную камеру 2 наподобие плунжера или был выполнен с большим радиусом, чем осадочная камера. По винтовому и/или спиралеобразному трубопроводу 1b, направленному вниз под углом и подсоединенному по касательной к осадочной камере, твердое вещество по дуге подается в воронкообразно сужающуюся часть 2b осадочной камеры 2, а затем попадает в трубопровод 3 (см. фиг.1 и 3).
Газ 6 по внутренней стенке цилиндрической части осадочной камеры 2 с завихрением отводится вверх в трубопровод 4 для газа (см. фиг.1). Поток, направленный в осадочной камере 2 вниз под углом, препятствует также тому, чтобы на участке входа винтового и/или спиралеобразного трубопровода 1b на входной газовый поток накладывался вихревой поток, образовавшийся в осадочной камере.
Однако средства отделения подаваемого твердого вещества от подаваемого газа могут быть также полностью или частично выполнены в трубопроводе 1 для суспензии газа и твердого вещества.
Как видно на фиг.3, винтовой и/или спиралеобразный трубопровод 1b может проходить лишь на угловой диапазон около 180°. Однако в рамках изобретения угловой диапазон может быть выбран значительно большим или меньшим. Кроме того, возможно, чтобы радиус и/или ход, и/или профиль поперечного сечения, и/или размер поперечного сечения винтового и/или спиралеобразного трубопровода 1b изменялись в направлении потока суспензии газа и твердого вещества.
Устройство согласно изобретению для осуществления химических и/или физических реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, содержит несколько ступеней, расположенных друг над другом, какими они показаны выше на фиг.1-3. При этом трубопровод для газа одной ступени переходит в трубопровод для суспензии газа и твердого вещества следующей более высокой ступени, а трубопровод для твердого вещества заканчивается в трубопроводе для суспензии газа и твердого вещества следующей более низкой ступени.
Ниже на фиг.4 и 5 описано устройство с тремя ступенями I, II, III, в котором речь идет, например, о трехступенчатом нагревателе для цементного сырья.
В таком многоступенчатом устройстве обрабатываемое твердое вещество на самую верхнюю ступень III подается по трубопроводу 3''', а отводится в качестве обработанного твердого вещества 5, например подогретого твердого вещества, с самой нижней ступени 1. Таким образом, в то время как твердое вещество пропускается сверху вниз через три ступени, газ протекает через устройство в противоположном направлении. В случае газа 6, подаваемого на самую нижнюю ступень, речь идет, например, о горячем отходящем газе печи или кальцинатора. Газ 6'', отводимый на третьей ступени по газопроводу 4'', подается, например, для обеспыливания, в фильтр или в последовательно подключенный высокоэффективный сепаратор. Обработанное твердое вещество 5 поступает для дальнейшей обработки, например, в кальцинатор или в печь.
Благодаря выполнению трубопровода 1 для суспензии газа и твердого вещества с напорным трубопроводом 1а и с нисходящим винтовым и/или спиралеобразным трубопроводом 1b три ступени могут быть установлены очень компактно и с взаимным переплетением. Кроме того, предусмотрено, чтобы винтовые и/или спиралеобразные трубопроводы 1b, 1'b, 1''b по меньшей мере двух последовательно расположенных ступеней были выполнены попеременно лево- и правовращательными (см. фиг.5). На виде сверху трубопроводы для суспензии газа и твердого вещества, в частности винтовые и/или спиралеобразные трубопроводы двух ступеней, последовательно установленных в направлении газового потока, имеют извилистую форму (см. фиг.5).
Особенно низкая конструктивная форма достигается за счет того, что в случае по меньшей мере трех ступеней, расположенных друг над другом, место входа трубопровода для твердого вещества в трубопровод для суспензии газа и твердого вещества третьей или более высокой ступени предусмотрено ниже наивысшей точки трубопровода для суспензии газа и твердого вещества, расположенного двумя ступенями ниже. В изображенном примере выполнения хорошо видно, что трубопровод 3''' для твердого вещества, подсоединенный к напорному трубопроводу 1''а третьей ступени III, предусмотрен ниже наивысшей точки трубопровода для суспензии газа и твердого вещества самой нижней ступени 1.
Кроме того, в рамках изобретения возможно, чтобы по меньшей мере две параллельные ветви были предусмотрены каждая по меньшей мере с тремя ступенями.