устройство и способ проведения химической и/или физической реакций между твердым веществом и газом, а также установка для производства цемента

Формула изобретения

1. Устройство для проведения химической и/или физической реакций между твердым веществом и газом, в частности, для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, состоящее из, по меньшей мере, одного винтообразного и/или спирального трубопровода (1), в котором посредством центробежных сил происходит разделение суспензии газ/твердое вещество на поток (4) твердого вещества и поток (5) газа и, по меньшей мере, одного сообщающегося с концом спирального трубопровода сепарационного участка (2а), к которому подведены трубопровод (3) твердого вещества для удаления потока (4) твердого вещества и газопровод (2) для отвода потока (5) газа, отличающееся тем, что сепарационный участок (2а) образован нижней частью газопровода (2), причем сепарационный участок (2а) в зоне входа винтообразного и/или спирального трубопровода (1) и примыкающая сверху часть газопровода (2) имеют одинаковый диаметр, а винтообразный и/или спиральный трубопровод (1) для создания вихревого течения подсоединен тангенциально и под углом ( ) относительно горизонтали, по меньшей мере, 30° к сепарационному участку (2а).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что винтообразный и/или спиральный трубопровод (1) подключен к газопроводу под углом относительно горизонтали между 30 и 60°.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ширина винтообразного и/или спирального трубопровода (1), если смотреть в горизонтальном направлении, в зоне соединения с газопроводом (2) меньше, чем ширина газопровода (2), и предпочтительно меньше 50% ширины газопровода (2).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечное сечение газопровода (2) в зоне входа составляет от 0,5 до 1,5 поперечного сечения винтообразного и/или спирального трубопровода (1).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубопровод (3) твердого вещества подсоединен ниже сепарационного участка (2а).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижняя часть (2b) газопровода (2) выполнена с воронкообразным сужением.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что трубопровод (3) твердого вещества присоединен к воронкообразно сужающейся части (2b) газопровода (2).

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что зазор между нижней частью места входа винтообразного и/или спирального трубопровода (1) и воронкообразно сужающейся частью (2b) меньше радиуса, предпочтительно меньше половины радиуса, который газопровод (2) составляет в зоне входа.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что воронкообразно сужающаяся часть (2b) примыкает непосредственно под местом входа винтообразного и/или спирального трубопровода (1).

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство выполнено как многоступенчатая и/или многониточная система с несколькими винтообразными и/или спиральными трубопроводами (1) и соответствующими газопроводами (2).

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрен трубопровод суспензии газ/твердое вещество, который содержит подъемный трубопровод (6) и нисходящий винтообразный и/или спиральный трубопровод (1), и далее предусмотрена угловая головка (7), которая соединяет подъемный трубопровод (6) с винтообразным и/или спиральным трубопроводом (1).

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что предусмотрено несколько расположенных одна над другой ступеней (I, II, III), при этом каждая ступень включает трубопровод суспензии газ/твердое вещество для транспортировки суспензии газ/твердое вещество, сепарационный участок (2а), трубопровод (3) твердого вещества для удаления отделенного твердого вещества и газопровод (2) для отвода отделенного газа, причем газопровод (2) одной ступени переходит в трубопровод суспензии газ/твердое вещество следующей, более высокой ступени и трубопровод твердого вещества одной ступени входит в трубопровод суспензии газ/твердое вещество следующей, более низкой ступени.

13. Установка для изготовления цемента, содержащая подогреватель (30), кальцинатор (20) и печь (10), причем подогреватель (30) и/или кальцинатор (20) содержит, по меньшей мере, одно устройство по одному из пп.1-12.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству, а также способу проведения химической и/или физической реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, а также к установке для производства цемента.

Из практики известны, в частности, системы для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, состоящие из прямоточных теплообменников и циклонных сепараторов. Чаще всего такие устройства имеют несколько расположенных одна над другой ступеней, при этом поток газа направляется снизу вверх через все ступени, в то время как твердое вещество подается на отдельные ступени в противоположном направлении.

Такие системы имеют тот недостаток, что для них необходима огромная монтажная высота, а степень сепарации в циклонном сепараторе не всегда является удовлетворительной. Так, часто в циклонах возникают неконтролируемые течения, которые обусловлены, например, наложением входного газового потока с образовавшимся в циклоне вихревым потоком или изменением направления газового потока в конусе циклона. Кроме того, может случиться повторное вовлечение уже отсепарированных на краю циклона частиц во входной поток газа циклона.

Другая проблема состоит в том, что при разных по высоте конструктивных формах центробежные силы изменяются при одинаковых входных скоростях и таким образом создаются другие условия сепарации.

Поэтому в US 4318697 предложен многоступенчатый подогреватель для цементного сырья, отдельные ступени которого состоят из подъемного трубопровода и соединенного с ним винтообразного и/или спирального трубопровода. Винтообразной и/или спиральный трубопровод имеет прямоугольное поперечное сечение и подсоединен к боковой поверхности сепарационной камеры в форме прямоугольного параллелепипеда. При этом место соединения проходит по всей боковой поверхности сепарационной камеры в форме прямоугольного параллелепипеда. Нижняя часть сепарационной камеры сужается в форме раструба и служит для удаления твердого вещества, между тем как газ отводится вверх. Однако степень сепарации этой сепарационной камеры недостаточна.

Из DE 10309575 А1 известен циклотрон для сепарации частиц из смеси газа и частиц, который имеет входящий под углом всасывающий канал. Частицы отводят вниз, а газ отводят по присоединенной к циклотрону погружной трубе.

В основу изобретения положена задача улучшить степень сепарации в сепарационной камере.

В соответствии с изобретением эта задача решается за счет признаков пунктов 1 и 13 формулы изобретения.

Устройство согласно изобретению для проведения химической и/или физической реакций между твердым веществом и газом, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, по существу состоит по меньшей мере из одного винтообразного и/или спирального трубопровода, в котором посредством центробежных сил происходит разделение суспензии газ/твердое вещество на поток твердого вещества и поток газа, и по меньшей мере одного сообщающегося с концом спирального трубопровода сепарационного участка, к которому подведены трубопровод твердого вещества для удаления потока твердого вещества и газопровод для отвода потока газа. При этом сепарационный участок образован нижней частью газопровода, причем сепарационный участок в зоне присоединения винтообразного и/или спирального трубопровода и примыкающая сверху часть газопровода имеют одинаковый диаметр. Винтообразный и/или спиральный трубопровод подсоединен тангенциально для образования вихревого течения с углом относительно горизонтали, по меньшей мере, 30º на сепарационном участке.

Под винтообразным и/или спиральным трубопроводом в смысле изобретения понимается трубопровод, который, по меньшей мере, на отдельных участках выполнен винтообразным и/или спиральным. При этом поворот винтообразного и/или спирального трубопровода может также проходить, в частности, лишь на небольшой угловой диапазон, например 90º.

Существенное отличие относительно известных до настоящего времени решений состоит в том, что за винтообразным и/или спиральным трубопроводом не следует циклонный сепаратор, а лишь газопровод с подключенным трубопроводом твердого вещества. За счет такого подсоединения винтообразного и/или спирального трубопровода к газопроводу отделенное раньше из газового потока твердое вещество подается непосредственно на трубопровод твердого вещества и при этом газовый поток переходит в режим вихревого течения. Этим исключается, что материал повторно захватывается и выгружается газовым потоком.

Опыты, на которых базируется изобретение, показали, что за счет создания такого вихревого течения разделение потока твердого вещества и газового потока может осуществляться с высоким кпд. При этом из суспензии газ/твердое вещество может быть сепарировано, в частности, 70-100% материала.

Другие варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

В способе согласно изобретению суспензия газ/твердое вещество транспортируется по винтообразному и/или спиральному трубопроводу в газопровод таким образом, что в газопроводе создается вихревое течение и твердое вещество отводится непосредственно вниз.

Согласно изобретению винтообразный и/или спиральный трубопровод для создания вихревого течения подключают тангенциально к следующему за ним газопроводу. Под тангенциальными понимаются, разумеется, также такие соединения винтообразного и/или спирального трубопровода, которые ориентированы примерно тангенциально.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения газопровод выполнен круговым для поддержания вихревого течения. Кроме того, является преимуществом, что винтообразный и/или спиральный трубопровод может быть подключен к газопроводу под углом относительно горизонтали между 30º и 60º. Таким образом, твердое вещество может подаваться непосредственно вниз на трубопровод твердого вещества, а газовый поток отводиться вверх.

Чтобы подержать создание вихревого течения, ширина винтообразного и/или спирального трубопровода, если смотреть в горизонтальном направлении, в зоне соединения с сепарационной камерой меньше, чем ширина сепарационной камеры, и предпочтительно меньше 50% ширины сепарационной камеры.

В предпочтительном варианте осуществления нижняя часть газопровода выполнена воронкообразно сужающейся, причем трубопровод твердого вещества присоединен к воронкообразно сужающейся части газопровода.

Газопровод в дальнейшем пути транспортировки газа в направлении течения может иметь меньший или больший диаметр. Таким образом, можно воздействовать на технологические параметры, такие как падение давления или степень сепарации, и оптимизировать их.

На практике устройство целесообразно выполнить как многоступенчатую и/или многониточную систему с несколькими винтообразными и/или спиральными трубопроводами и соответствующими газопроводами. При этом может быть предусмотрен, в частности, трубопровод суспензии газ/твердое вещество, который содержит подъемный трубопровод и нисходящий винтообразной и/или спиральный трубопровод, которые соединены между собой посредством угловой головки.

В многоступенчатой системе предусмотрено несколько расположенных одна над другой ступеней, при этом каждая ступень включает следующие конструктивные элементы:

а) трубопровод суспензии газ/твердое вещество для перемещения суспензии газ/твердое вещество по винтообразному и/или спиральному трубопроводу,

б) сепарационный участок,

в) трубопровод твердого вещества для удаления отделенного твердого вещества,

г) газопровод для отвода отделенного газа, при этом газопровод одной ступени переходит в трубопровод суспензии газ/твердое вещество следующей, более высокой ступени, и трубопровод твердого вещества одной ступени входит в трубопровод суспензии газ/твердое вещество следующей, более низкой ступени.

Ниже поясняются более детально другие преимущества и варианты осуществления изобретения на основе описания и чертежей.

На чертежах показаны:

Фиг.1 - вид спереди устройства с винтообразным и/или спиральным трубопроводом и газопроводом,

Фиг.2 - повернутый на 90º вид устройства по фиг.1,

Фиг.3 - вид сверху устройства по фиг.1,

Фиг.4 - вид сбоку многоступенчатой системы,

Фиг.5 - вид сверху многоступенчатой системы по фиг.4,

Фиг.6 - пространственное изображение установки для производства цемента.

Изображенное на фиг.1-3 устройство для проведения химической и/или физической реакций между твердым веществом 4 и газом 5, в частности для подогрева, охлаждения и/или кальцинирования мелкозернистых материалов, по существу состоит, по меньшей мере, из одного винтообразного или спирального трубопровода 1, по меньшей мере, одного сообщающегося с концом спирального трубопровода 1 газопровода 2 для отвода потока газа, а также присоединенного к газопроводу трубопровода 3 твердого вещества для удаления твердого вещества.

Нижняя часть газопровода 2, в которую входит винтообразный и/или спиральный трубопровод 1, образует сепарационный участок 2а, причем этот сепарационный участок и примыкающая сверху часть газопровода 2 имеют одинаковый диаметр. Винтообразный и/или спиральный трубопровод 1 подсоединен тангенциально и под углом относительно горизонтали, по меньшей мере, 30º к сепарационному участку 2а. Угол находится предпочтительно в пределах 30º-60º.

Далее, газопровод 2 или, соответственно, сепарационный участок 2а газопровода 2 имеет в своей нижней зоне воронкообразно сужающуюся часть 2b, к которой подключен трубопровод 3 твердого вещества. Воронкообразно сужающаяся часть 2b примыкает непосредственно под местом входа винтообразного и/или спирального трубопровода 1. Но в рамках изобретения допустимо также, что между нижней частью места входа винтообразного и/или спирального трубопровода 1 и воронкообразно сужающейся частью 2b предусмотрен небольшой зазор, который, однако, меньше радиуса, предпочтительно меньше половины радиуса, который должен был бы иметь газопровод 2 в зоне входа.

Для проведения химической и/или физической реакций между твердым веществом и газом по винтообразному и/или спиральному трубопроводу 1 подают суспензию газ/твердое вещества в газопровод 2. При этом в винтообразном и/или спиральном трубопроводе 1 вследствие центробежных сил происходит предварительное разделение суспензии газ/твердое тело на поток твердого вещества 4 и поток газа 5.

За счет такого подсоединения винтообразного и/или спирального трубопровода к газопроводу отделившийся раньше от газового потока поток твердого вещества 4 подается непосредственно по воронкообразно сужающейся части 2b на трубопровод 3 твердого вещества. При этом газовый поток 5 переходит в режим вихревого течения и отводится вверх по газопроводу 2. Этим исключается, что материал повторно захватывается и выгружается газовым потоком.

Направленная под углом вниз подача материала в газопровод исключает также, что в зоне соединения винтообразного и/или спирального трубопровода 1 может образоваться наложение материалопотока с созданным в газопроводе вихревым течением. Опыты, на которых базируется изобретение, показали, что за счет создания этого вихревого течения разделение потока твердого вещества и газового потока может осуществляться с высоким кпд.

В другом варианте осуществления изобретения поперечное сечение газопровода 2 в зоне соединения составляет от 0,5 до 1,5 от поперечного сечения винтообразного и/или спирального трубопровода 1. Это соотношение сечений поддерживает создание вихревого течения.

Для определенных случаев использования устройства, например такого, как устройство для тепловой обработки мелкозернистого материала, может быть предусмотрен, как в приведенном примере осуществления, трубопровод суспензии газ/твердое вещество, который содержит подъемный трубопровод 6 и нисходящий винтообразный и/или спиральный трубопровод 1, и при этом далее предусмотрена угловая головка 7, которая соединяет подъемный трубопровод 6 с винтообразным и/или спиральным трубопроводом 1. Благодаря восходящей и нисходящей ветвям трубопровода суспензии газ/твердое вещество обеспечивается достаточное время контактирования между газом и твердым веществом. С другой стороны, благодаря этой конструкции может быть достигнута очень компактная конструктивная форма с относительно низкой монтажной высотой.

В рамках изобретения допустимо, что изменяется радиус, и/или подъем, и/или форма поперечного сечения, и/или величина поперечного сечения винтообразного и/или спирального трубопровода 1 в направлении течения суспензии газ/твердое вещество. Таким образом, во-первых, можно воздействовать на предварительное разделение суспензии газ/твердое вещество в зоне винтообразного и/или спирального трубопровода и, во-вторых, винтообразный и/или спиральный трубопровод 1 может быть приспособлен к конкретным внешним условиям. Это создает преимущество, в частности, в том случае, если несколько ступеней встроены одна в другую и расположены одна над другой.

При этом радиус, подъем, форма поперечного сечения и/или величина поперечного сечения могут изменяться в направлении течения скачкообразно и/или, по меньшей мере, на каком-то участке непрерывно. Так, например, уменьшение радиуса вызывает повышение центробежной силы, а повышение радиуса соответствует уменьшению центробежной силы. За счет изменения формы и величины поперечного сечения можно воздействовать на скорость течения.

Обычно вышеописанное устройство выполняется как многоступенчатая и/или многониточная система с несколькими винтообразными и/или спиральными трубопроводами и соответствующими газопроводами. Трехступенчатая система схематично изображена на фиг.4 и 5. При этом речь идет, в частности, о нижней ступени I, средней ступени II и верхней ступени III, при этом соответственно газопровод 2 другой, расположенной ниже ступени переходит в винтообразный и/или спиральный трубопровод 1 расположенной выше ступени. Газопровод 2 самой верхней ступени III подключен, например, для удаления пыли к фильтру или расположенному дальше высокоэффективному сепаратору. Когда речь идет о трубопроводах 3 твердого вещества, происходит обратный процесс. Так, трубопровод твердого вещества 3 самой верхней ступени III присоединен к ведущему к винтообразному и/или спиральному трубопроводу 1' средней ступени II газопроводу 2, а трубопровод твердого вещества средней ступени II сообщается с ведущим к винтообразному и/или спиральному трубопроводу 1 нижней ступени I газопроводом. Трубопровод 3 твердого вещества самой нижней ступени I сообщается со следующим дальше агрегатом, например кальцинатором или вращающейся трубной печью. Таким образом поданное в ведущий к винтообразному и/или спиральному трубопроводу 1 верхней ступени III газопровод твердое вещество подвергается тепловой обработке в горячем потоке газа.

Как видно, в частности, из фиг.4 и 5, отдельные ступени многоступенчатой системы на основе винтообразных и/или спиральных трубопроводов могут быть расположены встроенными одна в другую, так что в вертикальном направлении образуется очень компактная цельная система.

Наконец, на фиг.6 показано пространственное изображение установки для тепловой обработки мелкозернистого материала при производстве цемента с вращающейся трубной печью 10, кальцинатором 20 и подогревателем 30. При этом кальцинатор 20 и/или подогреватель 30 могут быть выполнены в соответствии с описанным в фиг.1-5 устройством.