ЛИНЕЙНОЕ ПРОТЯЖНОЕ ЭКСТРУДЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУХОГО УГЛЯ
LINEAR BROACHING EXTRUSION DEVICE FOR DRY COAL

Предпосылки создания изобретения
Процесс газификации угля заключается в преобразовании угля или других углеродсодержащих твердых веществ в синтез-газ. В то время как в процессе газификации можно использовать и сухой газ, и водяную суспензию, прокачка сухого угля дает больший тепловой кпд, чем известные технологии, основанные на водяной суспензии. Например, газификаторы сухого угля имеют тепловой кпд для холодного газа около 85% по сравнению с газификаторами водной суспензии, у которых тепловой кпд для холодного газа составляет около 70-77%.
Одним из устройств, используемых в настоящее время для прокачки сухого угля в зону высокого давления, является бункер с циклическим затвором. Хотя тепловой кпд для холодного газа газификаторов с бункерами с циклическим затвором выше, чем в других известных технологиях, механический кпд циклического затвора относительно низкий и составляет около 30%. Капитальные и эксплуатационные затраты для бункеров с циклическим затвором также высокие, поскольку в процессе, где используется бункер с циклическим затвором, необходимы баки высокого давления, клапаны и газовые компрессоры. Кроме того, из-за сложности процесса и частоты необходимой замены оборудования доступность бункера с циклическим затвором также ограничена. Доступность означает время, в течение которого оборудование работает, изготавливая продукцию, а также производительность этого оборудования.
Для упрощения процесса и повышения механического кпд газификации сухого угля, в этой области все более широкое распространение получают экструдерные устройства для сухого угля. К некоторым проблемам, связанным с известными экструдерными устройствами для сухого угля, относятся внутренние зоны разрушения при сдвиге, и проблемы застоя потока. Наличие зон разрушения может привести к снижению механического кпд устройства. Некоторые предложенные решения проблем внутренних зон разрушения и застоя потока заключаются в увеличении дебита устройства и использование линейной или осевой геометрии поля потока, а не цилиндрическую геометрию поля потока твердых тел. Хотя такие решения могут повысить механический кпд экструдерного устройства для сухого угля, другие проблемы остаются.
Краткое описание изобретения
Устройство для транспортировки материала в виде твердых частиц содержит впускное отверстие, выпускное отверстие, канал, первую и вторую опорные балки, первое и второе скребковые уплотнения, и первый и второй приводные узлы. Впускное отверстие
обеспечивает подачу материала в виде твердых частиц в канал, а выпускное отверстие обеспечивает выпуск материала в виде твердых частиц из канала. Канал определен первым ленточным узлом и вторым ленточным узлом, которые расположены напротив друг друга. Первая и вторая опорные балки расположены внутри первого ленточного узла и второго ленточного узла, соответственно. Первое скребковое уплотнение и второе скребковое уплотнение расположены рядом с каналом и выпускным отверстием. Первый приводной узел расположен во внутренней секции первого ленточного узла и приводит в движение первый ленточный узел, а второй приводной узел расположен во внутренней секции второго ленточного узла и приводит в движение второй ленточный узел.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А - вид в перспективе экструдерного устройства для сухого угля.
Фиг.1В - вид сбоку экструдерного устройства для сухого угля.
Фиг.2 - увеличенный вид в перспективе звена ленты экструдерного устройства для сухого угля.
Фиг.3А - увеличенный частичный вид сбоку иллюстративного варианта интерфейса звена ленты и опорной балки.
Фиг.3В - увеличенный частичный вид сбоку части звена ленты и примыкающего звена ленты экструдерного устройства для сухого угля с удаленной опорной балкой.
Фиг.3С - увеличенный частичный вид сбоку иллюстративного варианта интерфейса звеньев ленты и приводной звездочки.
Фиг.4А - частичный вид сбоку узла звена ленты, взаимодействующего с приводной звездочкой.
Фиг.4В - сечение интерфейса звена ленты и скребкового уплотнения по линии А-А на фиг.4А.
Подробное описание
Экструдерное устройство для сухого угля обеспечивает транспортировку сухого угля и содержит впускное отверстие и канал, расположенный между впускным и выпускным отверстиями и предназначенный для транспортировки сухого угля через устройство. Канал определен первым ленточным узлом и вторым ленточным узлом, каждый из которых образован множеством звеньев и осей вращения звеньев. И первый, и второй ленточные узлы имеют внутреннюю секцию. Внутренняя секция первого и второго ленточных узлов содержит первый и второй приводной узлы соответственно, которые приводят в движение ленточные узлы в противоположных направлениях. Первая опорная балка и вторая опорная балка также расположены во внутренней секции узлов ленты и принимают нагрузку от угольной пыли и поддерживают ленточные узлы, по существу, в линейной форме. Первое скребковое уплотнение и второе скребковое уплотнение расположены рядом с выпускным отверстием и обеспечивают уплотнение между находящимся под давлением внутренним пространством устройства и атмосферой.
На фиг.1А и 1В показан вид в перспективе и вид сбоку, соответственно, экструдерного устройства 10 для сухого угля для транспортировки угольной пыли. Устройство 10 имеет увеличенный кпд за счет устранения в устройстве 10 зон разрушений при сдвиге и застойных зон потока. Застойные зоны потока возникают, когда сухая угольная пыль движется к стенкам, по существу, под прямым углом или сталкивается с другими частицами сухой угольной пыли, движущимися в противоположном направлении. Существенно уменьшив или устранив зоны разрушений при сдвиге и застойные зоны потока, механический кпд устройства 10 может достигнуть около 80%. Кроме того, устройство 10 выполнено с возможностью прокачивать сухую угольную пыль в баки, в которых газ находится под абсолютным давлением более 1200 фунтов на кв. дюйм (около 8,273 МПа). Хотя устройство 10 описывается в связи с транспортировкой сухой угольной пыли, устройство 10 может транспортировать любой сухой материал в виде твердых частиц и может применяться в различных областях, включая, помимо прочего, нефтехимию, электроэнергетику, пищевую промышленность и сельское хозяйство.
Устройство 10, по существу, содержит впускное отверстие 12, канал 14, выпускное отверстие 16, первую опорную балку 18а, вторую опорную балку 18b, первое скребковое уплотнение 20а, второе скребковое уплотнение 20b, первый приводной узел 22а, второй приводной узел 22b, затвор 24 и торцевую стенку 26. Сухая угольная пыль вводится в устройство 10 через впускное отверстие 12, попадает в канал 12 и выпускается из устройства через выпускное отверстие 16. Канал 14 определен первым ленточным узлом 28а и вторым ленточным узлом 28Ь, которые установлены, по существу, параллельно и напротив друг друга.
Первый ленточный узел 28а выполнен из звеньев 30 ленты, соединенных друг с другом осями 32 вращения (показанными на фиг.2А, 2В и 2С) и траковых колес 34. Оси 32 вращения обеспечивают возможность звеньям 30 ленты формировать плоскую поверхность, а также обеспечивают возможность звеньям 30 ленты огибать первый приводной узел 22а. Первый ленточный узел 28а определяет внутреннюю секцию 36а, в которой расположен первый приводной узел 22а. Траковые колеса 34 закрывают концы осей 32 вращения звеньев и работают для переноса механических сжимающих нагрузок, нормальных к звеньям 30 ленты, на опорную балку 18а. В иллюстративном варианте первый ленточный узел 28а сформирован около из тридцати двух (32) - пятидесяти (50) звеньев 30 ленты и осей 32 вращения звеньев. Первый ленточный узел 28а вместе со вторым ленточным узлом 28b проталкивает сухую угольную пыль через канал 14.
Второй ленточный узел 28b содержит звенья 30 ленты, оси 32 вращения звеньев, траковые колеса 34 и вторую внутреннюю секцию 36b. Звенья 30 ленты, оси 32 вращения звеньев, траковые колеса 34 и вторая внутренняя секция соединены и функционируют так же, как и звенья 30 ленты, оси 32 вращения звеньев, траковые колеса 34 и первая внутренняя секция 36а первого ленточного узла 28а.
Первая и вторая опорные балки 18а и 18b расположены в первом и втором ленточных узлах 28а и 28b соответственно. Первая опорная балка 18а принимает механическую нагрузку от первого ленточного узла 28а и поддерживает ту ветвь первого ленточного узла 28а, которая определяет канал 14, по существу в линейной форме. Сухая угольная пыль, транспортируемая по каналу 14, создает большие напряжения на первый ленточный узел 28а и в сжимающем внешнем направлении от канала 14, и в срезающем направлении вверх к впускному отверстию 12. Сжимающие направленные наружу нагрузки переносятся от звеньев 30 ленты на оси 32 вращения звеньев, на траковые колеса 34 и на первую опорную балку 18а. Первая опорная балка 18а, таким образом, препятствует выгибанию первого ленточного узла 28а в первую внутреннюю секцию 36а первого ленточного узла 28а, когда сухая угольная пыль транспортируется через канал 14. Срезающие направленные вверх нагрузки передаются от звеньев 30 ленты непосредственно на приводные звездочки 38а и 38b и приводной узел 22а.
Вторая опорная балка 18b сформирована и функционирует так же, как и первая опорная балка 18а, удерживая второй ленточный узел 28b, по существу, в линейной форме у канала 14 и передавая направленные наружу сжимающие нагрузки и направленные вверх срезающие нагрузки от звеньев 30 ленты на вторую опорную балку 18b, приводные звездочки 38а и 38b и второй приводной узел 22b.
Первое скребковое уплотнение 20а и второе скребковое уплотнение 20b расположены у канала 14 и выпускного отверстия 16. Первый ленточный узел 28а и первое скребковое уплотнение 20а образуют уплотнение между устройством 10 и внешней атмосферой. Так, несколько частиц сухой угольной пыли, захваченных между первым ленточным узлом 28а и первым скребковым уплотнением, становятся подвижным герметичным уплотнением для первого ленточного узла 28а. Внешняя поверхность первого скребкового уплотнения 20а выполнена так, чтобы образовать небольшой угол с прямым участком первого ленточного узла 28а, чтобы соскребывать поток сухой угольной пыли с движущегося первого ленточного узла 28а. Этот угол препятствует застою сухой угольной пыли, который может понизить механический кпд устройства. В иллюстративных вариантах первое скребковое уплотнение 20 образует угол в 15° с прямым участком первого ленточного узла 28а. Первое скребковое уплотнение 20а может быть выполнено из любого подходящего материала, включая, помимо прочего, закаленную инструментальную сталь.
Второе скребковое уплотнение 22b сформировано и функционирует так же, как и первое скребковое уплотнение 20а для предотвращения образования зон застоя на втором ленточном узле 28b устройства 10.
Первый приводной узел 22а расположен в первой внутренней секции 36а первого ленточного узла 28а и приводит в движение первый ленточный узел 28а в первом направлении. Первый приводной узел 22а содержит по меньшей мере две приводные звездочки 28а и 38b, расположенные на противоположных концах первого ленточного узла 28а. Каждая из приводных звездочек 38а и 38b имеет, по существу, круглое основание 40 и множество зубьев 42, выступающих из основания 40. Зубья 42 взаимодействуют с первым ленточным узлом 28а и приводят первый ленточный узел 28а в движение вокруг приводных звездочек 38а и 38b. В иллюстративном варианте первый приводной узел 22а вращает первый ленточный узел 28а со скоростью от около 1 фута (0,3048 м) в секунду до около 5 футов (1,524 м) в секунду. Первый приводной узел 22а предпочтительно вращает первый ленточный узел 28а со скоростью около 2 футов (0,6096 м) в секунду.
Аналогично, второй приводной узел 22b содержит по меньшей мере две приводные звездочки 38а и 38b, расположенные внутри второй внутренней секции 36b второго ленточного узла 28 для приведения его в движение. Второй приводной узел 22b сформирован и функционирует так же, как и первый приводной узел, за исключением того, что второй приводной узел 22b приводит в движение второй ленточный узел 28b во втором направлении.
Затвор 24 расположен рядом с выпускным отверстием 16 устройства 10 и выполнен с возможностью переключения между открытым положением и закрытым положением. Сквозь затвор 24 проходит прорезь 44, которая определяет, может ли угольная пыль проходить сквозь выпускное отверстие 16 устройства 10 в сборный бак (не показан), расположенный под устройством 10. Ширина прорези 44 больше, чем выпускное отверстие 16 между скребковыми уплотнениями 20а и 20b. Когда затвор 24 находится в закрытом положении, прорезь 44 не совпадает с каналом 14 и выпускным отверстием 16, препятствуя угольной пыли выходить из устройства 10. Затвор 24 обычно находится в закрытом положении, когда первый и второй ленточные узлы 28а и 28b устройства 10 не вращаются. Когда устройство 10 включается, затвор 24 остается закрытым. Когда первый и второй ленточные узлы 28а и 28b начнут вращаться, затвор 24 поворачивают на 90° в открытое положение (см. фиг.1В). Когда затвор 24 находится в открытом положении, прорезь 44 совпадает с каналом 14 и выпускным отверстием 16, позволяя сухой угольной пыли проходить сквозь устройство 10 в сборный бак. В иллюстративном варианте затвор 24 является цилиндрическим затвором.
isen
Расстояние между звездочками 38а и 38b (в каждом из первого и второго приводных узлов 22а и 22b), полуугол θ схождения между опорными балками 18а и 18b и расстояние, разделяющее скребковые уплотнения 20а и 20b, оптимизированы для достижения наивысшего механического кпд при прокачке твердого вещества для конкретного порошкового материала, без создания вредных обратных потоков твердого вещества и выбросов внутри устройства 10. Высокие механические кпд при прокачке твердых веществ достигаются, когда механическая работа, приложенная к твердым веществам устройством 10, уменьшается до условий, близких к изоэнтропическим (т.е., без скольжения твердого вещества). Для устройства для твердого вещества изоэнтропическая работа на единицу массы подаваемого твердого вещества, W определяется равенством
d
atm
S
где P - давление газа на выходе устройства 10, P - атмосферное давление газа (абсолютное давление 14,7 фунтов на кв. дюйм или 101,3529 кПа или 760 мм рт.ст.), ρ - абсолютная удельная масса твердого вещества без пустот, а ε - доля пустот в канале 14.
Вредные обратный поток твердого вещества и выброс можно предотвратить, обеспечив, чтобы поле напряжений твердого вещества в канале 14 непосредственно перед скребковыми уплотнениями 20а и 20b было ниже условия прочности Мора-Кулона, или
ху
x
y
где переменная τ - касательное напряжение твердого вещества в канале 14, σ - сжимающее напряжение в направлении снаружи канала 14, σ - сжимающее направление в осевом направлении канала 14, ϕ - внутренний угол трения порошка и с - коэффициент когезии порошка.
Хотя поле напряжений твердого вещества отвечает равенству (2) (условию прочности) в области между скребковыми уплотнениями 20а и 20b, где возникает
x
y
ху
скольжение твердого вещества по неподвижным скребковым уплотнениям, основанная роль скребковых уплотнений 20а и 20b является генерирование достаточного давления сжатия твердого вещества (σ+σ)/2, чтобы предотвратить скольжение твердого вещества по движущимся звеньям 30 протяжной ленты перед скребковыми уплотнениями 20а и 20b, где касательные напряжения τ меньше.
x
y
Дополнительное сжимающее давление (σ+σ)/2 твердого вещества для предотвращения проскальзывания, непосредственно перед скребковыми уплотнениями 20а и 20b можно генерировать путем: увеличения расстояния между звездочками 38а и 38b в каждом из первого и второго приводных узлов 22а и 22b (для увеличения длины канала 14; уменьшения ширины канала 14, или сводя опорные балки 18а и 18b на полуугол θ от 0° до 5°. Набор геометрических величин этих параметров определяется набором, при котором достигается минимальная работа устройства.
На фиг.2 показан вид в перспективе звена 30а ленты и примыкающего звена 30b ленты, каждое из которых имеет верхнюю поверхность 46, первую сторону 48, вторую сторону 50, первое торцевое уплотнение 52, второе торцевое уплотнение 54 и выступы 56. Первое и второе торцевые уплотнения 52 и 54 звеньев 30 ленты имеют вытянутую трапецеидальную форму. Как показано на фиг.2, верхняя поверхность 46 звеньев ленты включает множество прямоугольных полостей 46с и гребней 46г. Торцевые уплотнения 53 и 54 выступают над верхней поверхностью 46 и уплотняют герметизированную камеру устройства 10 относительно внешней атмосферы. Выступы 56 отходят от первой и второй сторон 48 и 50 звеньев 30 ленты так, что выступы 50, отходящие от второй стороны 50 звена 30а, выровнены с выступами 56, отходящими от первой стороны 48 примыкающего звена 30b ленты. Ось 32 вращения звена проходит сквозь отверстия 58, проходящие сквозь выступы 56, что позволяет звеньям 30 ленты поворачиваться вокруг осей 32 вращения, когда звенья 30 ленты движутся вокруг приводных звездочек 38а и 38b (показанных на фиг.1А и 1В). Звенья 30 и оси 32 вращения звеньев могут быть выполнены из любого подходящего материала, включая, помимо прочего, закаленную инструментальную сталь.
На фиг.3А показан увеличенный частичный вид сбоку иллюстративного варианта интерфейса звеньев 30 ленты и первой опорной балки 18а. На фиг.3В показан увеличенный частичный вид сбоку иллюстративного варианта звена 30с ленты и примыкающего звена 30d ленты с удаленными первой опорной балкой 18а и траковыми колесами 34. На фиг.3С показан увеличенный частичный вид сбоку иллюстративного варианта интерфейса звеньев 30 и приводной звездочки 38b с удаленными траковыми колесами 34. Фиг.3А, 3В и 3С будут описаны в сочетании друг с другом. Звенья 30 ленты скреплены друг с другом осями 32 вращения звеньев и траковыми колесами 34. Как показано на фиг.3В, осb 32 вращения звеньев позволяют звеньям 30 ленты сформировать плоскую поверхность между приводными звездочками 38b, когда верхние поверхности 46 примыкающих звеньев 30а и 30b выровнены друг с другом. Плоская поверхность, образованная верхними поверхностями 46 звеньев 30 ленты, устраняет застойные зоны в потоке твердых частиц, путем устранения зон, куда сухая угольная пыль заводится в стенки, по существу, под прямым углом или когда встречается с угольной пылью, движущейся в противоположном направлении.
Как показано на фиг.3С, оси 32 вращения звеньев позволяют звеньям 30 ленты огибать приводные звездочки 38а и 38b первого приводного узла 32а, который приводит в движение первый ленточный узел 28а. На тыльной стороне звеньев 30 имеется последовательность вырезов (показанных штриховыми линиями на фиг.3В и 3С), которые позволяют звену 30с входить в примыкающее звено 30d, когда первый ленточный узел 28а огибает зубья 42 приводных звездочек 38а и 38b. Таким образом, звено 30с ленты имеет участок с удаленным материалом так, что звено 30d может входить в примыкающее звено 30b. Точно так же, примыкающее звено 30d также имеет участок с удаленным материалом так, что звено 30с может входить в примыкающее звено 30d. Эти вырезы на тыльной стороне звеньев 30 ленты позволяют звеньям входить одно в другое для огибания приводной звездочки 38.
Звенья 30 ленты, оси 32 вращения звеньев, траковые колеса, вторая опорная балка 18b и приводные звездочки 38а, 38b второго приводного узла 22b и второго ленточного узла 28b взаимодействуют и функционируют так же, как и звенья 30 ленты, оси 32 вращения звеньев, траковые колеса, первая опорная балка 18а и приводные звездочки 38а, 38b первого приводного узла 22а и первого ленточного узла 28а.
На фиг.4А и 4В показан частичный вид сбоку первого ленточного узла 28а, взаимодействующего с приводной звездочкой 38b, и сечение интерфейса звена 30 ленты с первым скребковым уплотнением 20а соответственно. На фиг.4А первая опорная балка 18а удалена, чтобы лучше проиллюстрировать сечение, показанное на фиг.4В. Как и верхняя поверхность 46 звена 30 ленты, внутренняя поверхность 60 первого скребкового уплотнения 20а также имеет последовательность прямоугольных полостей 60с и выступов 60г. Последовательность полостей 46с и гребней 46г на верхней поверхности 46 звена 30 ленты сцепляется с последовательностью прямоугольных полостей 60с и гребней 60г первого скребкового уплотнения 20а для формирования уплотнения с плотной посадкой, которое препятствует сухой угольной пыли и газу под высоким давлением на выпускном отверстии 16 выходить из устройства 10 во внешнюю среду с атмосферным давлением. Торцевые уплотнения 52 и 54 звеньев 30 ленты также взаимодействуют с боковой стенкой 26 для уплотнения герметичной камеры устройства 10 относительно атмосферы. Лабиринтное уплотнение, образованное торцевыми уплотнениями 52 и 54, захватывает мелкие частицы сухой угольной пыли и генерирует достаточную фрикционную тягу между частицами сухой угольной пыли и торцевыми уплотнениями 52 и 54, чтобы воспрепятствовать выходу избыточной угольной пыли или газа под давлением у торцевой стенки 26. Подвижный/неподвижный интерфейс между звеньями 30 ленты и торцевой стенкой 26 таким образом поддерживается на минимальной площади, поскольку эта область заполнена угольной пылью, которая оказывает очень большое сопротивление потоку в области интерфейса звеньев 30 ленты и торцевой стенки 26.
Звенья 30 ленты и второе скребковое уплотнение 20b взаимодействуют и функционируют так же, как и звенья 30 и первое скребковое уплотнение 20а, препятствуя сухой угольной пыли и газу под высоким давлением, выходить из устройства 10 в атмосферу.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты, специалистам должно быть понятно, что любые изменения, не выходящие за пределы объема и сущности изобретения, могут быть внесены в форму и детали изобретения.