центробежный сепаратор и способ отделения частиц от горячего газа

Формула изобретения

1. Центробежный сепаратор (11), содержащий вихревую камеру (12), образованную множеством, по существу, плоских стенок (32, 34, 36, 38), включающее первую стенку (32), при этом вихревая камера (12) имеет внутренний объем для газа (31), поперечное сечение которого является некруглым; по меньшей мере одно впускное газовое отверстие (30), выполненное в первой стенке (32) для введения газа с захваченными частицами во внутренний объем для газа (31), при этом впускное газовое отверстие (30) содержит по меньшей мере одну удлиненную определяющую струю стенку (40), имеющую свободный концевой участок (41), проходящий в объем для газа (31) на первое расстояние (49) от первой стенки (32) для задания газовой струи, проходящей, по существу, тангенциально к газовому вихрю в объеме для газа (31); по меньшей мере один выпускной газоход (50, 52, 54, 56) для очищенного газа, проходящий из вихревой камеры (12) и сообщающийся с объемом для газа (31) для создания по меньшей мере одного газового вихря в газовом объеме и по меньшей мере один выпускной канал (46) для отделенных частиц для выпуска частиц из объема для газа (31), отличающийся тем, что вихревая камера (12) дополнительно содержит направляющее средство (33), включающее вставку (33"), проходящую между свободным концевым участком (41) определяющей струю стенки (40) и первой стенкой (32) для задания плавно изменяющей направление газового потока поверхности (47); сопла для введения текучей среды, размещенные на пересечении определяющей струю стенки (40) и первой стенки (32) или устройства, генерирующие электрическое или магнитное поле, для отталкивания электростатически или магнитно заряженных частиц в углу между определяющей струю стенкой (40) и первой стенкой (32) для направления газового вихря между первой стенкой (32) и определяющей струю стенкой (40) так, чтобы направление течения частиц, отделенных от газа в газовом вихре, плавно изменялось от направления в основном вдоль первой стенки (32) до направления, по существу, параллельного или согласующегося с направлением газовой струи у впускного газового отверстия (30).

2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что вставка (33") является, по существу, сплошной вставкой из огнеупорного материала.

3. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение объема для газа (31) является, по существу, квадратным.

4. Сепаратор по п. 3, отличающийся тем, что множество, по существу, плоских стенок (32, 34, 36, 38) включает вторую стенку (34), по существу, перпендикулярную первой стенке (32) и пересекающую ее, и впускное газовое отверстие (30) содержит одну отдельную определяющую струю стенку, по существу, параллельную второй стенке (34) и отстоящую от второй стенки на расстоянии W, определяющем ширину впускного газового отверстия (30), при этом впускное отверстие имеет высоту H > 2 W.

5. Сепаратор по п.3 или 4, отличающийся тем, что множество, по существу, плоских стенок (32, 34, 36, 38) включает вторую стенку (34), по существу, перпендикулярную первой стенке (32) и пересекающую ее, и впускное газовое отверстие (30) содержит одну отдельную определяющую струю стенку, по существу, параллельную второй стенке и отстающую от нее, при этом вторая стенка (34) имеет длину D внутреннего объема для газа (31) и первое расстояние составляет по меньшей мере 50 мм, но менее 25% от D.

6. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что изменяющая направление течения газа поверхность (47) является, по существу, плоской.

7. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что изменяющая направление течения газа поверхность (47) является, по существу, изогнутой.

8. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что вставка (33") содержит множество циркуляционных труб для охлаждающей жидкости (710), которые охлаждают изменяющую направление течения газа поверхность (47).

9. Сепаратор по п. 1, отличающийся тем, что определяющая струю стенка (40) и участки первой стенки (32), примыкающие к вставке (33"), имеют множество циркуляционных труб для охлаждающей жидкости (610, 710), которые охлаждают вставку.

10. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что множество, по существу, плоских стенок (32, 34, 36, 38) включает по меньшей мере вторую и третью стенки (34, 38), соединенные с первой стенкой (32), и тем, что по меньшей мере одна определяющая струю стенка (40) включает две задающие струю стенки, отстоящие друг от друга на расстоянии W, которое определяет ширину впускного отверстия (30) для газа, при этом высота H впускного отверстия составляет H > 2 W и каждая из задающих струю стенок имеет свободный концевой участок (41), который проходит в газовый объем (31) на первое расстояние и имеет вставку (33") с изменяющей направление течения газа поверхностью (47), при этом они расположены в центральной части первой стенки (32) и дистанционированы от второй и третьей стенок (34, 38).

11. Сепаратор по п.10, отличающийся тем, что каждая определяющая струю стенка (40) составляет угол с взаимодействующей с ней изменяющей направление течения газа поверхностью (47), при этом угол = 20 - 80^o.

12. Сепаратор по п.11, отличающийся тем, что угол = 40 - 60^o.

13. Сепаратор по п.11, отличающийся тем, что каждая вставка (33") является, по существу, сплошной вставкой из огнеупорного материала.

14. Сепаратор по п.10, отличающийся тем, что первое расстояние составляет 0,2 - 5 W.

15. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что множество, по существу, плоских стенок (32, 34, 36, 38), включает по меньшей мере вторую и третью стенки (34, 38), соединенные с первой стенкой, проходящей, по существу, перпендикулярно им, и тем, что по меньшей мере одна определяющая струю стенка (40) включает первую и вторую задающие струю стенки, определяющие два различных газовых впускных отверстия (30), при этом первая задающая струю стенка является смежной, но отстоящей от, по существу, параллельной ей второй стенки (34), и вторая задающая струю стенка является смежной, но отстоящей от, по существу, параллельной ей третьей стенки (38), причем каждая задающая струю стенка и первая стенка (32) имеют направляющее средство (33) или вставку (33").

16. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что каждая из множества, по существу, плоских стенок (32, 34, 36, 38) имеет внутреннюю поверхность, ограничивающую объем для газа (31) и покрытую огнеупорным материалом.

17. Сепаратор по п. 16, отличающийся тем, что множество, по существу, плоских стенок (32, 34, 36, 38) включает четвертую стенку (36), расположенную напротив впускного газового отверстия (30) в первой стенке (32), при этом четвертая стенка (36), расположенная напротив впускного газового отверстия (30), имеет огнеупорную поверхность (57) с более высокой эрозионной стойкостью в сравнении с огнеупорным материалом, покрывающим остальные внутренние поверхности, по существу, плоских стенок.

18. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что сепаратор (11) объединен с реактором циркулирующего псевдоожиженного слоя, имеющим реакционную камеру (10), содержащую псевдоожиженный слой в нижней части реакционной камеры и газовыпускную часть в верхней части реакционной камеры, соединенную с впускным газовым отверстием (30) центробежного сепаратора (11), при этом газовое впускное отверстие (30) центробежного сепаратора (11) проходит, по существу, вертикально и каналы для выпуска газа (50, 52, 54, 56) направляют очищенный газ вверх и наружу из объема для газа в сепараторе (31), при этом реактор дополнительно имеет возвратный канал (14) для частиц, направленный из нижней части сепаратора в нижнюю часть реакционной камеры.

19. Способ отделения частиц от потока газа с захваченными в нем частицами, имеющими температуру выше 500^oС, с использованием центробежного сепаратора, содержащего множество, по существу, плоских стенок (32, 34, 36, 38), включающее первую стенку (32), ограничивающую вихревую камеру (12), имеющую внутренний объем для газа (31), поперечное сечение которого является некруглым, и по меньшей мере один газовыпускной канал (50, 52, 54, 56) для выпуска очищенного газа, проходящий из вихревой камеры (12) и сообщающийся с объемом для газа (31), и по меньшей мере одно впускное газовое отверстие (30), выполненное в первой стенке (32) для введения газа с захваченными частицами в объем для газа и создания по меньшей мере одного газового вихря в газовом объеме, включающий (а) введение потока газа с захваченными частицами, имеющего температуру выше 500^oС, в газовый объем (31) в виде струи, направленной тангенциально к вертикальной оси закрученного газового вихря, образованного в газовом объеме, при этом струя и вихрь пересекаются в точке пересечения, (b) удаление очищенного газа из верхней части газового вихря и (с) удаление отделенных частиц из нижней части газового вихря, отличающийся тем, что дополнительно (d) плавно изменяют направление движения любых частиц, отделенных из вихря в окрестности первой стенки (32), от направления, по существу, вдоль первой стенки до, по существу, в направлении струи.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что этап (а) осуществляют путем введения газа с захваченными частицами в конфигурацию потока, имеющего высоту, по меньшей мере, вдвое большую, чем его ширина.

21. Способ по п. 19, отличающийся тем, что газовое впускное отверстие (30) имеет ширину W, при этом этап (а) осуществляют так, чтобы струя была введена в газовый объем (31) на расстоянии от первой стенки (32), составляющем 0,2 - 5 W.

22. Способ по п.19, отличающийся тем, что газовый объем (31) имеет, по существу, квадратное поперечное сечение, при этом размер ширины проходит от впускного газового отверстия (30), и этап (а) осуществляют так, чтобы струя была введена в газовый объем (31) на расстоянии от первой стенки (32), которое больше 50 мм, но меньше 25% от размера ширины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для центробежного разделения согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Настоящее изобретение также относится к способу отделения частиц от потока горячего газа согласно ограничительной части пункта 19 формулы изобретения.

В частности, настоящее изобретение относится к центробежным сепараторам, содержащим:

- вихревую камеру, образованную множеством, по существу, плоских стенок, включая первую стенку, при этом вихревая камера имеет внутренний объем для газа, поперечное сечение которого является определенно некруглым,

- по крайней мере, одно впускное отверстие для газа, выполненное в первой стенке для введения газа с захваченными частицами в объем для газа, и, по крайней мере, один выпускной патрубок для выпуска очищенного газа, проходящий от вихревой камеры и сообщающийся с объемом для газа для образования, по крайней мере, одного газового вихря в упомянутом объеме для газа, и

- по крайней мере, один выпускной патрубок для выпуска отделенных частиц из объема для газа.

В патенте США 5,281,398 описан такой центробежный сепаратор. Частицы, захваченные горячим газом, отделяются от него в вихревой камере, определяемой и ограничиваемой множеством, по существу, плоских пластин или панелей, предпочтительнее с квадратным поперечным сечением или с любым другим многоугольным сечением. Такой сепаратор имеет множество преимуществ в сравнении с известными центробежными сепараторами, в частности в легкости конструкции, стоимости и т.п. Газ вводится в вихревую камеру через одно или более впускных отверстий для газа, выполненных в боковой стенке, таким образом, чтобы газ направлялся тангенциально в вихревую камеру с тем, чтобы увеличить до максимума завихрение или вращение газа при его введении. Такие центробежные сепараторы идеально используются вместе с реакторами с циркулирующим псевдоожиженным слоем, но также, как описано в статье под заглавием "Pyroflow Contact: A Second Generation CFB Boiler by AhlstromPyropower", Gamble et al. , Fluidized Bed Combustion, vol. 2, ASME, 1993, pages 751-760, могут использоваться в промышленном масштабе с котлами.

Хотя такие сепараторы с плоскими стенками, описанные в патенте США 5,281,398, являются очень выгодными, в соответствии с настоящим изобретением установлено, что в эффективности работы таких сепараторов имеется странность вследствие плоскостной геометрии около входа или входов для газа. На участке входа частицы, которые находятся на периферии газового вихря, имеют тенденцию к отделению от газа, когда они проходят вдоль фронтальной стенки вихревой камеры, имеющей вход для газа, и препятствуют правильному введению газа в вихревую камеру, препятствуя завихрению требуемой интенсивности или ходу вращения газа в вихре.

Задачей настоящего изобретения поэтому является создание усовершенствованного устройства центробежного сепаратора и способа его работы.

Основной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного центробежного сепаратора с плоскими стенками и способа его эксплуатации, который максимально увеличивает завихряющее воздействие газа и частиц и предотвращает преждевременное отделение частиц из вихревого потока внутри вихревой камеры.

Еще одним аспектом настоящего изобретения является создание усовершенствованного центробежного сепаратора и способа его эксплуатации, которые сводят к минимуму нарушения нормальной работы или разрыв газового потока у впускного отверстия для ввода газа, обусловленное газом внутри вихревой камеры.

Еще одним аспектом настоящего изобретения также является создание усовершенствованного центробежного сепаратора и способа его эксплуатации, который сводит к минимуму влияние воздействия газа и завихрения частиц внутри вихревой камеры на газ, вводимый в вихревую камеру.

Решение упомянутых задач согласно настоящему изобретению достигается посредством центробежного сепаратора и способа его работы, отличающихся признаками, включенными в пункт 1 и пункт 19 формулы изобретения.

Согласно настоящему изобретению, созданы устройство и способ, преодолевающие вышеупомянутые недостатки, такие как разрыв газового потока во впускном канале для газа, которое может происходить в других полезных центробежных сепараторах, например, описанных в патенте США 5,281,398. Участок фронтальной стенки, близкий к впускному отверстию для газа, имеет такую конфигурацию, при которой частицы завихряются внутри газового вихря, но, стремясь отделиться, плавно изменяют направление движения от движения вдоль фронтальной стенки к движению в направлении введения газа, т.е. движению, параллельному или близкому к параллельному течению потока газа при его введении в вихревую камеру. В результате этого закручивание газа в процессе его тангенциального введения в вихревую камеру может быть действительно максимально увеличено.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предусмотрено устройство центробежного сепаратора, содержащего следующие компоненты, или узлы и детали, являющиеся общими с сепаратором, описанным в патенте США 5,281,398:

- множество, по существу, плоских стенок, включая первую стенку, ограничивающих вихревую камеру, имеющую внутренний объем для газа, при этом для образования, по крайней мере, одного газового вихря в объеме для газа, последний имеет поперечное сечение, являющееся отчетливо некруглым (т.е. имеющее кругообразность выше, чем 1,1, предпочтительнее, 1,3 и наиболее предпочтительно, по существу, квадратное);

- по крайней мере, один выпускной патрубок для очищенного газа, проходящий из объема для газа;

- по крайней мере, одно впускное отверстие для газа, выполненное в первой стенке, для введения газа с захваченными частицами в объем для газа, при этом впускное отверстие имеет, по крайней мере, одну удлиненную задающую и определяющую струю стенку, имеющую свободный концевой участок, проходящий в объем для газа первое расстояние от первой стенки для очерчивания и задания газовой струи, проходящей, по существу, тангенциально в газовый вихрь в объеме для газа;

- по крайней мере, один выпускной патрубок для выпуска отделенных частиц из объема для газа.

Согласно одному аспекту изобретения внутри вихревой камеры предусмотрено направляющее поток средство для предотвращения возмущений течения газа при введении в вихревую камеру. Предусмотренное направляющее средство содержит средство для направления газового вихря между первой стенкой и задающей струю стенкой таким образом, чтобы направление частиц, отделяющихся от газа в газовом вихре, плавно изменялось от первой стенки до, по существу, согласующегося с газовой струей (например, по существу, перпендикулярного первой стенке у газового впускного отверстия и, по существу, тангенциального к газовому вихрю).

Направляющее средство предпочтительнее содержит вставку, проходящую между свободным концевым участком определяющей струю газа стенки и первой стенкой, и определяющую изменяющую направление течения газа поверхность. Поверхность может быть, по существу, плоской или изогнутой. Вставка может быть, по существу, сплошным огнеупорным материалом, (например, керамическим), или может иметь множество охлаждаемых жидкостью циркуляционных труб, которые охлаждают изменяющую направление газа поверхность. Альтернативно определяющая струю стенка и участки первой стенки, примыкающие к вставке, могут иметь множество охлаждаемых жидкостью циркуляционных труб, которые охлаждают вставку.

Множество, по существу, плоских стенок обычно включает вторую стенку, по существу, перпендикулярную первой стенке и пересекающую ее. По крайней мере, одна определяющая струю стенка может включать отдельную задающую струю стенку, по существу, параллельную второй стенке и отстоящую от второй стенки на расстояние W, определяющему ширину впускного газового отверстия, при этом впускное газовое отверстие имеет высоту H, которая больше, чем 2W (предпочтительнее, больше, чем 4W). Вторая стенка обычно имеет длину D внутреннего объема для газа, и первое расстояние составляет, по меньшей мере, 50 мм, но менее чем 25% этой длины D.

Альтернативно плоские стенки могут включать, по меньшей мере, вторую и третью стенки, соединенные с первой стенкой, и по меньшей мере, одна определяющая струю стенка содержит две стенки, отстоящие друг от друга на расстояние W, которое определяет ширину входных отверстий. Каждая из определяющих струю стенок имеет свободный концевой участок, проходящий в газовый контур на первое расстояние, и имеет вставку с изменяющей направление газа поверхностью, при этом стенки расположены в центральной части первой стенки и на расстоянии от второй и третьей стенок. Каждая определяющая струю стенка образует угол со связанной с ней изменяющей направление газового потока поверхностью, при этом угол обычно находится в диапазоне от 20 до 80^o, предпочтительнее от 40 до 60^o.

Альтернативно первая и вторая определяющие струю стенки могут очерчивать два различных впускных газовых отверстия, при этом первая определяющая струю стенка является смежной, но расположенной на некотором расстоянии, по существу, параллельно второй стенке, а вторая стенка является смежной, но расположенной на некотором расстоянии, по существу, параллельно третьей стенке, каждая из определяющих струю стенок в первой стенке имеет связанное с ней направляющее средство. Первое расстояние обычно составляет 0,2-5 ширины W впускного газового отверстия.

Множество, по существу, плоских стенок может содержать четвертую стенку, расположенную напротив впускного газового отверстия и первой стенки, при этом четвертая стенка может иметь огнеупорную поверхность напротив впускного газового отверстия, которая имеет более высокую эрозионную стойкость в сравнении с остальными внутренними поверхностями, по существу, плоских стенок (вне зависимости от того, покрыты они или нет огнеупорным материалом).

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусмотрено устройство центробежного сепаратора, содержащее следующие элементы: множество, по существу, плоских стенок, включающее первую стенку, ограничивающую вихревую камеру, имеющую внутренний объем для газа, при этом для создания, по меньшей мере, одного газового вихря внутренний объем для газа имеет отчетливо некруглое поперечное сечение и, по существу, квадратное. Из внутреннего объема для газа проходит, по крайней мере, один выпускной патрубок для газа. В первой стенке выполнено, по меньшей мере, одно впускное газовое отверстие для введения газа с захваченными частицами во внутренний объем для газа. Во внутреннем объеме для газа выполнен, по меньшей мере, один выпускной патрубок для выпуска отделенных частиц. Впускное газовое отверстие имеет, по меньшей мере, одну удлиненную определяющую струю стенку, имеющую свободный концевой участок, проходящий в объем для газа на первое расстояние от первой стенки, для задания направления газовой струи, проходящей, по существу, тангенциально, в газовый вихрь в объеме для газа. И между свободным концевым участком определяющей струю стенки и первой стенкой проходит вставка с определяющей плавное изменение направления потока (газа и частиц) поверхностью.

Описанный выше центробежный сепаратор предпочтительнее используется в комбинации с реактором циркулирующего псевдоожиженного слоя, имеющим реакционную камеру, содержащую псевдоожиженный кипящий слой в ее нижней части и выпускной газоход в ее верхней части, соединенный с впускным газовым отверстием центробежного сепаратора. Газовое впускное отверстие проходит, по существу, вертикально, и газовый выпускной патрубок направляет очищенный газ из газового объема сепаратора в восходящем направлении, при этом возвратный канал направляет частицы из нижней части сепаратора в нижнюю часть реакционной камеры.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ отделения частиц от потока газа с захваченными в нем частицами при температуре выше чем 500^oC (обычно температуры в реакторе с циркулирующим псевдоожиженным слоем составляют, например, 900^oC и выше) с применением, по существу, описанного выше центробежного сепаратора. Способ включает этапы: (а) введение газового потока с захваченными частицами, имеющего температуру выше 500^oC, в объем для газа в виде струи, направление которой тангенциально вертикальной оси закрученного газового вихря, образованного в объеме для газа, при этом струя и вихрь пересекаются в точке пересечения; (б) удаление очищенного газа из верхней части газового вихря; (в) удаление отделенных частиц из нижней части газового вихря; и (г) плавное изменение направления любых частиц, отделенных от вихря, в окрестности первой стенки от направления, по существу, вдоль первой стенки до, по существу, в направлении струи.

Этап (г) обычно используют в практике для предотвращения оседания частиц в пределах 270-315^o от точки пересечения. Этап (а) осуществляют путем введения газа с захваченными частицами с конфигурацией потока, имеющего высоту, по меньшей мере, вдвое больше, чем его ширина W, и этап (а) кроме того осуществляют таким образом, чтобы струя вводилась в объем для газа на расстоянии от первой стенки, составляющем 0,2-5 W. Этап (а) обычно также осуществляют таким образом, чтобы струя вводилась в объем для газа на таком расстоянии от первой стенки, которое больше 50 мм, но меньше 25% размера ширины поперечного сечения объема для газа.

Далее изобретение поясняется более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

- фиг. 1 является схематическим видом сбоку частично в поперечном разрезе и частично в увеличенном масштабе реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем с центробежным сепаратором согласно настоящему изобретению;

- фиг. 2 является видом в поперечном сечении 2-2 центробежного сепаратора фиг. 1;

- фиг. 3 является видом в поперечном сечении 3-3 центробежного сепаратора фиг. 1;

- фиг. 4 - 7 являются видами, подобными виду фиг. 3, для альтернативных вариантов центробежного сепаратора согласно настоящему изобретению.

На фиг. 1 изображен реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем, содержащий реакционную камеру 10, центробежный сепаратор частиц (циклон) 11 и возвратный канал 14 для возвращения отделенных частиц обратно в камеру 10. Поперечное сечение реакционной камеры 10 является прямоугольным, при этом реакционная камера 10 выполнена из водотрубных стенок, из которых на фиг. 1 изображены только длинные стенки 16 и 18. Водотрубные стенки предпочтительнее выполнены составными из вертикальных труб для охлаждающей воды.

Верхняя часть стенки 18 изогнута для образования свода 20 реакционной камеры 10. Стенки нижней секции реакционной камеры защищены огнеупорным материалом 22. Реактор имеет впускной патрубок 23 для твердого материала. Дно реакционной камеры 10 образовано распределительной плитой 24, которая оборудована соплами или отверстиями 26 для введения ожижающего газа из воздушной нагнетательной камеры 28 в реакционную камеру 10 для поддержания кипящего псевдоожиженного слоя в камере 10. Ожижающий газ или сжижающий воздух вводится в реакционную камеру с такой высокой скоростью, которая вынуждает значительную часть материала псевдоожиженного слоя непрерывно течь вместе с газом в верхнюю часть камеры 10 через отверстия или щели 30, расположенные в верхней секции камеры 10, в сепаратор частиц 11. Щели образуют газовое входное отверстие 30 в сепаратор.

Центробежный сепаратор 11 согласно варианту фиг. 1 является мультивихревым центробежным сепаратором, в котором в газовом объеме 31 сепаратора 11 образуются два параллельных вертикальных вихря, отделяющих за счет центробежной силы частицы от газа, выпускаемого из реакционной камеры 10. Сепаратор 11 определяет вихревая камера 12, которая предпочтительнее содержит плоские, как правило, прямоугольные водотрубные стенки 32, 34, 36 и 38 (смотри также фиг. 3). Предпочтительнее стенки 32, 34, 36 и 38 также выполнены составными из вертикальных водяных труб 37, соединенных друг с другом посредством ребер 39 (смотри фиг. 2). Вихревая камера 12 сепаратора 11 согласно фиг. 1 имеет одну длинную стенку, примыкающую к реакционной камере 10 и совместную с реакционной камерой 10, т.е. часть стенки 16 реакционной камеры 10 является стенкой 32 вихревой камеры 12. В некоторых случаях также могут быть предусмотрены раздельные стенки и для реактора 10 и для сепаратора 11.

У щели или впускного газового отверстия 30 водотрубная стенка 32 изогнута вовнутрь вихревой камеры 12 таким образом, что образуются параллельные определяющие струю стенки 40, очерчивающие (смотри фиг. 2 и фиг. 3) впускной канал 42, направляющий газовый поток в объем для газа 31 вихревой камеры 12. Щель или впускное газовое отверстие 30 является высокой и узкой, выше и уже, чем в известных циклонах, предпочтительнее, такой же высоты, как верхняя секция 43 (смотри фиг. 1) вихревой камеры 12. Предпочтительнее отношение высоты к ширине щели 30 составляет 2, более предпочтительно 4.

Каждая определяющая струю стенка 40 проходит вовнутрь от первой стенки 32 в объем для газа 31 на первое расстояние до свободного концевого участка 41, что лучше всего видно на фиг. 3. Также предусмотрено направляющее средство, обозначенное обшей позицией 33, для направления газового вихря между первой стенкой 32 и определяющей струю стенкой 40 таким образом, чтобы направление потока частиц, отделяемых от газа в газовом вихре, плавно изменялось от направления вдоль внутренней стороны первой стенки 32 на направление, по существу, перпендикулярное первой стенке 32 у впускного газового отверстия 30 (т.е., по существу, тангенциально к газовому вихрю в объеме для газа 31, и вдоль струи, введенной через щель 30).

Направляющее средство 33 может иметь сопла или насадки для введения жидкости, расположенные на пересечении стенок 40 и стенки 32, для изменения направления потока, или может содержать электрические или магнитные устройства, которые отталкивают частицы в углах между стенкой 40 и стенкой 32, если частицы электростатически или магнитно заряжены, или могут быть предусмотрены разнообразные другие структуры. Однако в предпочтительном варианте направляющее средство 33 содержит вставку 33", которая имеет поверхность 47 для изменения направления потока газа с твердыми частицами. Поверхность 47 может быть, по существу, плоской, как показано на фиг. 3 и 4, или может быть изогнутой, как показано на фиг. 5 - 7. В варианте, изображенном на фиг. 1 - 5, вставка 33" может быть выполнена из, по существу, сплошного твердого огнеупорного материала, такого как керамический дробленый огнеупор, связанный связующим, или любого другого известного огнеупорного материала. Вставка 33" как видно из фиг. 2, имеет высоту, сравнимую с высотой H щели 30. Щель 30 имеет ширину W (смотри, например, фиг. 4), и в предпочтительной, согласно изобретению, конструкции высота H, по меньшей мере, вдвое больше, чем ширина W, и предпочтительнее, по меньшей мере, в 4 раза больше ширины.

В варианте, изображенном на фиг. 2 и 3, в котором в центральной части первой (фронтальной) стенки 32 сепаратора 11 предусмотрены две задающие струю стенки 40, каждая стенка 40 образует угол со стенкой 47 (или, если стенка 47 изогнутая, с конечными точками поверхности 47 у свободного концевого участка 41 стенки 40, и где поверхность 47 пересекает первую стенку 32). Угол , предпочтительнее составляет 20 - 80^o, и наиболее желательно между 40 и 60^o. Также первое расстояние, т.е. расстояние между стенкой 32 и свободным концом 41 вдоль определяющей струю стенки 40 составляет 0,2-5 ширины W щели 30.

Как видно из варианта фиг. 4, первое расстояние (длина определяющей струю стенки 40 между первой стенкой 32 и свободным концом стенки 40) обозначено позицией 49 и обычно составляет, по крайней мере, 50 мм. Если длина стенок 34 и 38 от первой стенки 32 равна D (когда объем для газа 31 имеет квадратное поперечное сечение, как показано на фиг. 4), то максимальный размер 49 составляет менее 25% D.

Верхние части стенок вихревой камеры 12, ограничивающие объем 31, предпочтительнее являются вертикальными и плоскими и образуют верхнюю секцию 43. Нижняя часть длинной стенки 36 изогнута в сторону противоположной длинной стенки 32, образующей нижнюю секцию 45 вихревой камеры 12. Посредством этой структуры образуется асимметричный, длинный воронкообразный объем 44 (смотри фиг. 1), при этом нижняя часть объема 44 образует выпускной канал 46 для выпуска твердых частиц.

Выпускной канал 46 также служит входом в возвратный канал 14. Длинные стенки возвратного канала образованы путем продолжения стенок 32 и 36 сепаратора частиц 11. Концевые стенки возвратного канала 14 соответственно образованы путем продолжения стенок 34 и 38. Только участки стенок 34 и 38, имеющие ширину возвратного канала, продолжаются в нисходящем направлении, образуя вследствие этого возвратный канал. Остальные участки концевых стенок только проходят к верхней части возвратного канала 14, как показано на фиг. 1 для участка стенки 34. Нижняя часть возвратного канала 14 сообщается с нижней секцией реакционной камеры 10 посредством L-образного изгиба 48 для возвращения твердых частиц, отделенных в сепараторе 11, в псевдоожиженный слой в нижней части камеры 10; альтернативно могут использоваться и другие типы уплотнений потока твердых частиц.

В верхней секции 43 вихревой камеры 12 два последовательных газовыпускных канала образованы каналами 54 и 56, помещенными в отверстия 50 и 52 (смотри фиг. 2), для выпуска очищенного газа из газового объема 31 вихревой камеры 12. Газовыпускные каналы 54 и 56 в сепараторе могут быть либо керамическими, либо охлаждаемыми каналами для обеспечения сопротивления горячим условиям в сепараторе 11. Газы проходят из сепаратора 11 в канал 60, расположенный в его верхней части, при этом канал 60 имеет теплоотбирающие поверхности 62, и далее в вертикальную конвективную секцию, также имеющую теплоотбирающие поверхности. Вместо использования мультивихревой концепции иногда может быть предпочтительным использование нескольких сепараторов 11, например два сепаратора с одним вихрем, как изображено на фиг. 4, соединенных друг с другом.

Предпочтительнее тепло- и абразивно-стойкий огнеупорный материал может быть прикреплен непосредственно к, по меньшей мере, некоторым участкам стенок 32, 34, 36 и 38 вихревой камеры 12. Места, которые подвержены воздействию сильного истирания, требуют использования более толстого слоя огнеупора или более абразивно-стойкого огнеупора. Поэтому, например, стенка 36, расположенная напротив впускного газового отверстия, может иметь толстую огнеупорную футеровку 57 (смотри фиг. 1 и 3), длина которой соответствует высоте впускного отверстия 30, 42 (смотри фиг. 1). По меньшей мере, часть частиц, захваченных входящей газовой струей, текущей в вихревую камеру 12, затем достигает и ударяет в этот огнеупорный участок 57 на стенке 36.

Частицы, захваченные газом, входящим в сепаратор 11, имеют тенденцию течь вдоль более прямого пути, чем газ. Например, когда газ течет в вихревую камеру 12 и изменяет направление своего движения для образования вихря, некоторые частицы большей частью продолжают двигаться по их более прямой траектории, в конечном счете сталкиваясь с противолежащей стенкой 36. Вследствие замедленности изменения в движении частиц краевые участки вихревой камеры поддаются износу и предпочтительнее должны быть защищены более толстым слоем огнеупора или более износостойким огнеупором, как видно у участка 57 на фиг. 1 и 3.

Фиг. 5 является иллюстрацией варианта, в котором образован мультивихрь из двух вихрей. Оба вихря имеют свое собственное впускное отверстие 30 в углах камеры. В окрестности щелей 30 также предусмотрены направляющие вихрь средства со вставками 33".

На фиг. 6 изображен узел с устройством и размещением охлаждающих труб согласно настоящему изобретению. Разделительная стенка 632 образована футерованными огнеупором трубами 610, соединенными друг с другом ребрами 612 с образованием, по существу, газоплотной стеновой конструкции. В месте расположения впускного отверстия 30 трубы 610" отогнуты таким образом, что они выступают из стенки (32) в вихревую камеру и образуют часть направляющего элемента 33 для формирования определяющей струю стенки 40. В этом варианте отогнутые трубы 610" находятся вблизи первой поверхности направляющего элемента 33. Трубы 610 и 610" футерованы огнеупорным материалом, который образует огнеупорную вставку 33", имеющую направляющую поверхность 47.

На фиг. 7 изображен еще один вариант размещения охлаждающих труб согласно настоящему изобретению. Разделительная стенка 732 также образована футерованными огнеупором трубами 710, соединенными друг с другом ребрами 712 с образованием, по существу, газоплотной стеновой конструкции. В месте расположения впускного отверстия 30 трубы 710" отогнуты таким образом, что они выступают из стенки (32) в вихревую камеру и образуют часть направляющего элемента 33, имеющего поверхность 47, образованную огнеупорным покрытием на элементе 33. В этом варианте отогнутые трубы 710"", по существу, одинаково отстоят друг от друга внутри направляющего элемента 33.

Через трубы 610, 610", 610"", 710, 710" и 710"", изображенные на фиг. 6 и фиг. 7, циркулирует охлаждающая жидкость (например, вода или пар) для охлаждения изменяющей направление газового потока поверхности 47.

В патенте США 5,281,398 описаны другие конфигурации сепаратора 11, которые могут быть легко модифицированы для нужд настоящего изобретения.

В испытанном способе отделения частиц от газового потока с захваченными им частицами, имеющего температуру выше 500^oC (обычно около 900^oC и выше в случае сообщения с реактором циркулирующего псевдоожиженного слоя), поток газа с захваченными частицами вводили через высокое узкое вертикальное впускное отверстие 30 в объем для газа 31 в виде струи в направлении, обозначенном на фиг. 4 позицией 65, в вертикальный закрученный газовый вихрь, показанный на фиг. 4 стрелкой 66, образованный в газовом объеме 31. Струя и вихрь пересекаются в точке пересечения, обозначенной на фиг. 4 позицией 67. Очищенный газ удалялся из верхней части газового вихря 66 через выпускной канал 54, тогда как отделенные частицы удалялись из нижней части газового вихря 66, как показано позицией 44 на фиг. 1. Поверхность 47 плавно изменяла направление движения любых частиц, отделенных от газа в вихре 66 в окрестности первой стенки 32, от направления, по существу, вдоль первой стенки 32 до, по существу, в направлении струи 65, как показано стрелкой 68 на фиг. 4. Сочетание задающей струю стенки 40, проходящей в объем 31, и плавного изменения направления газового потока, обеспечиваемого поверхностью 47, уменьшало до минимума взаимодействие со струей 65, тангенциально вводимой в объем 31, и, следовательно, максимально увеличивало закручивающий эффект газового вихря 66. Устройство предотвращает оседание частиц в пределах 270^o - 315^o от точки пересечения 67 (в общей кривизне газового вихря 66).

Таким образом можно видеть, что в соответствии с настоящим изобретением предусмотрены эффективный центробежный сепаратор и способ центробежного отделения частиц, которые преодолевают недостатки, связанные с возмущениями на входе газа в полость или объем для газа с, по существу, квадратным поперечным сечением, образованным плоскими стенками, как описано в патенте США 5,281,398. Хотя настоящее изобретение описано в данной заявке для его наиболее предпочтительных в практике вариантов, специалистам должно быть понятно, что может быть осуществлено множество модификаций настоящего изобретения, не выходящих из объема изобретения, который может быть широко интерпретирован так, что включает все эквивалентные способы и конструкции.