CN108562187B - 一种高温固体散料换热器内清除堆积、搭桥的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温固体散料换热器内清除堆积搭桥的方法及装置。该方法利用刮刀在排管间往复穿梭，以削除颗粒之间产生的结块及阻塞。该装置由多排刮刀竖直连接到上下横架组成刮刀栅，横架两端和滑块相连接，换热室厢体边缘处设置滑动导轨,滑块在滑轨上往复运动。通过自动控制系统可以调节刮刀除渣时的运动速率及除渣周期。本发明装置结构简单合理，操作灵活，适用于容易粘结的中高温固体散料进行间接换热的工况，解决了高温粘性散料采用间接换热余热回收时出现结块搭桥而阻塞流道的问题。

Description

一种高温固体散料换热器内清除堆积、搭桥的方法及装置

技术领域

本发明属于换热器的优化设计领域，特别涉及一种高温固体散料换热器内清除堆积搭桥的方法与装置。

背景技术

工业生产中会有大量高温的产物、副产物和废渣等，而且大部分以固体颗粒物的形式存在，其中蕴含着巨大的余热资源可以利用。目前中国冶金、建材行业每年产生45亿吨以上高温散料，余热量折算超过1亿吨标准煤。工业生产中的大量工业煅烧原料和工业炉渣既含块料，又含有粉料，其粒度覆盖范围为μm-mm级，这为有效进行余热回收带来了很多问题。同时因存在粘结性，颗粒与颗粒间以及颗粒与壁面很容易粘结，产生结块搭桥，当流道变窄时，阻塞流道，影响物料运动的流畅性和稳定性。再者，集聚在流道狭窄处的颗粒结块增加了接触热阻，降低了传热效率；此外，部分集聚区域可能出现热应力集中，出现传热恶化。然而，目前尚未有成熟的解决高温固体散料的堆积与搭桥的技术，只能定期更换换热器设备或者人工使用钢撬捣碎清除换热排管间的结块，费时费力，但效果一般，而且存在一定的风险性。

因此急需一种可以有效清除颗粒间堆积搭桥的方法与装置，以解决现存技术的不足。

发明内容

本发明针对高温固体散料换热器内进行余热回收时，颗粒容易粘结、集聚到管道表面或者水冷壁面产生结块搭桥等问题，提供一种可有效解决高温固体散料的堆积搭桥的方法与装置。

一种高温固体散料换热器内清除堆积搭桥的装置，其特征在于：包括物料下滑曲面、机械振动装置、进料斗、滑动导轨、蛇形排管、刮刀、换热-蓄热室厢体、横架、出料斗、挡料板；

多排刮刀连接到上下横架组成刮刀栅；滑动滑轨上设有滑块，刮刀栅通过滑块和滑动导轨相连接，设置在换热-蓄热段厢体角落的滑动导轨之上；利用刮刀栅的往复移动以定期的削除换热管道间物料因粘结性而出现的结块、搭桥。

进一步地，所述刮刀片的横截面为‘梭型’，刮刀片前、后端厚度为3-5mm，前后两端有一定的尖角，中部厚度为15-25mm，两端向中部以弧型过渡，刮刀片横向宽度为30-50mm；刮刀的外形由固体散料的粒径分布、颗粒的球形度、内摩擦角、壁面摩擦系数共同决定。刮刀两侧的弧形曲率与固体散料的粒径有关，当颗粒相粒径较小时，刮刀外型为‘高瘦’型，当颗粒相粒径较大时，刮刀外型为‘矮胖’型；位于换热室上部的刮刀前、后端较窄，位于换热室下部的刮刀的前、后端较宽。

进一步地，所选择的滑动导轨耐高温、耐磨损，双防尘结构，并定期更换高温润滑油，以防止滑块运动出现卡槽。同时亦需设置维护结构，减少飞溅到导轨的粉尘量。

一种利用上述装置对高温固体散料换热器内清除堆积搭桥的方法，滑块的移动由自动控制系统调控；当换热室处于低负荷或停工时期，控制系统控制刮刀栅在排管间往复穿梭，以切除排管间集聚的颗粒块，减弱堆积搭桥量，防止阻塞流道；刮刀栅的工作周期和所需驱动功率由基于剪切实验得到的固体散料在不同外部压力情况下的临界剪切力、流动函数散料流动特性确定。

高温固体散料经过物料下滑曲面自然筛分和均匀布料后，进入换热-蓄热室，和蛇形排管通入的冷水进行间接换热，从而进行余热回收。

进一步地，当换热室进行余热回收作业时，刮刀栅在换热室前/后侧贴壁放置，以避免影响物料的流动与换热。

所述物料下滑曲面为弧形，沿着下降高度，斜率逐渐降低，最高点与进料斗1/3位置处、即O点处的倾角大于颗粒相的安息角。

该方法包括在换热室利用刮刀栅在排管间往复穿梭，以削除颗粒之间因为中粘结性及颗粒间应力所产生的结块及阻塞。多排刮刀连接到上下横架组成刮刀栅，功能类似于‘毛梳’，可以放置于换热室厢体前、后侧边缘处的滑轨之上，通过自动控制系统来调节刮刀的运动速率及工作频率。

换热排管的间距可设置为6-10d_p,max(物料的最大颗粒粒径)，可以减少排管间物料的堆积搭桥量。

刮刀外型如图(3)所示，前、后端具有一定的尖角，可减少与结块物料的接触面积，增加了刮刀的破碎力；两侧为‘圆弧’型，既减少了在行进过程中的阻力，同时增加了横扫面积，增大了结块清除区域。

刮刀的运动频率由该物料的结块生长速度及排管间距确定，而施加于刮刀的破碎力需大于结块的临界剪切力,临界剪切力由颗粒团的摩擦力、边壁的侧应力、固桥力及颗粒间摩擦力共同决定，刮刀的运动速度设置以20-35mm/s为宜。

方法依据

1.高温情况下颗粒间的范德华力、固桥力、内、外摩擦力、板壁侧应力均会促使颗粒积聚、结块。对于采用间接换热的‘蛇形’排管来讲，固体散料与管壁侧应力是引起堆积、搭桥的主要诱因。形成搭桥的应力强度决定于时间、温度、接触应力、物料物性参数、排管间距及粗糙度。若颗粒与管壁接触状态以黏着接触为主，则物料间摩擦力为内摩擦力，不利于换热室排管间物料运动，更容易出现搭桥、卡塞、鼠洞、粘壁等现象；滑移接触区时物料间的摩擦力为外摩擦力，散料相对容易运动，但接触面之间的相对运动较大，换热排管壁面摩擦损伤较强。固体散料产生堆积、搭桥会使物料停止运动，阻塞流道，破坏颗粒间的物料平衡和压力平衡，同时会对换热排管产生极大地破坏。故对于中高温固体散料进行余热回收时，堆积搭桥必须有效加以控制。

2.固体散料在换热室排管间流动时，流道变窄，散料出现挤压，局部颗粒浓度增大，法向应力增大，从而使颗粒间摩擦力增大，流动性变差。以黏着接触为主的颗粒将在管壁出现局部流动缓慢，甚至颗粒“粘结”的现象，随着时间推移，粘结区越大，流道越窄，流动性越差，恶性循环，直至颗粒完全堵住排管间的流道，形成“搭桥”；而以滑移接触为主的颗粒将与管壁产生相当大的剪切，当颗粒粒径过大时，整体流也极易发生由于颗粒分布造成的概率性搭桥。

3.当在排管的某一位置的屈服强度足以支撑料拱时，散体停止流动形成堆积搭桥；反之，则散体继续流动。故刮刀片尖端施加的破碎力(剪切力)作用需大于固体散料搭桥时的屈服应力。堆积状态散料的屈服应力随外部法向应力的增大而增大，散料换热装置内的法向应力分布可由Janssen模型进行估算：

其中σ为排管间床层的垂直正应力，w为换热器宽度，h为颗粒层堆积高度，γ为颗粒局部的堆积密度。K表示壁面摩擦力与垂直正应力之间的比值。

堆积搭桥时的屈服应力通过可通过Molerus屈服轨迹图求得，如图(5)所示。以粒径处于0.1mm-4mm钒钛渣散料为例，当外部法向压力为60-90kPa，固体散料堆积的屈服应力为40-65kPa。

4.此外，刮刀栅在流动区的阻力可通过刀面摩擦系数、刀侧面积与颗粒间正应力确定，而在静止区，若不考虑其他形式的固相间作用力，破碎所需最小阻力取该固相压力下的屈服剪切力。通过分析颗粒流在刮刀作用下的流动函数，刮刀栅的稳定工作速率宜设20-35mm/s。

本发明的上述技术方案的优异之处在于：

该发明装置结构简单、可靠紧凑，运行稳定，适用于物料处于宽筛分粒径、来料质量流率存在较大波动、以及固体散料进料温度不均匀的场合，解决了中高温固体散料因堆积搭桥而难以有效的利用间接换热来达到余热回收的问题。

附图说明

图1为本发明高温固体散料换热器内有效消除堆积、搭桥装置示意图。

其中：1-物料下滑曲面(筛分板面)；2-机械振动装置；3-进料斗；4-滑动导轨；5-蛇形排管(用于间接换热)；6-刮刀；7-换热-蓄热室厢体；8-横架；9-出料斗；10-挡料板

图2为刮刀及导轨装置示意图，

图3为刮刀横截面积图(B-B)，

图4为横架装置示意图，

图5为Molerus屈服轨迹图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明高温固体散料换热器容易在间接换热排管间粘结、集聚成块，产生堆积搭桥，从而影响固体散料的余热回收，提出一种高温固体散料换热器内堆积与搭桥的有效清除的方法与装置。

所述换热装置整体结构由物料下滑曲面(1)、机械振动装置(2)、进料斗(3)、滑动导轨(4)、蛇形排管(5)、刮刀(6)、换热-蓄热室厢体(7)、横架(8)、出料斗(9)、挡料板(10)组成。高温固体散料经过物料下滑曲面(1)自然筛分和均匀布料后，进入换热-蓄热室，和蛇形排管(5)通入的冷水进行间接换热，从而进行余热回收。

所述物料下滑曲面(1)，颗粒下降曲面为弧形，沿着下降高度，斜率逐渐降低，最高点与进料斗1/3位置处(即O点处)的倾角大于颗粒相的安息角。

所述刮刀(6)和滑动导轨(4)结构如图2所示，利用刮刀(6)在排管间(5)往复穿梭，以削除颗粒之间产生的结块及阻塞。多排刮刀连接到上下两侧横架组成刮刀栅，如图4所示，可以放置于设置在换热-蓄热段厢体角落的滑动导轨(4)之上，通过自动控制系统调节刮刀的运动速率及运动频率，可以在作业间歇期或低负荷期清除排管间的堆积、搭桥。

所述导轨(4)与配套滑块均耐高温，双防尘结构，并定期更换高温润滑油，以防止滑块运动出现卡槽。同时亦可以设置维护结构，减少飞溅到导轨的粉尘量。

所述挡板(10)，用来减弱散料的飞溅或溢出，所述筛分面板(1)可以设置可调节倾斜度的装置，用以控制进口物料的质量流率和保证进料口进料的均匀与稳定。

Claims (5)

1.一种高温固体散料换热器内清除堆积搭桥的装置，其特征在于：包括高温固体散料下滑曲面、机械振动装置、进料斗、滑动导轨、蛇形排管、刮刀、换热-蓄热室厢体、横架、出料斗、挡料板；

多排刮刀连接到上下横架组成刮刀栅；滑动导轨上设有滑块，刮刀栅通过滑块和滑动导轨相连接，设置在换热-蓄热室厢体角落的滑动导轨之上；利用刮刀栅的往复移动以定期的削除蛇形排管间物料因粘结性而出现的结块、搭桥；

刮刀的横截面为‘梭型’，刮刀前、后端厚度为3-5mm，前后两端有一定的尖角，中部厚度为15-25mm，两端向中部以弧型过渡，刮刀横向宽度为30-50mm；刮刀的外形由高温固体散料的粒径分布、颗粒的球形度、内摩擦角、壁面摩擦系数共同决定；刮刀两侧的弧形曲率与高温固体散料的粒径有关，当颗粒相粒径较小时，刮刀外型为‘高瘦’型，当颗粒相粒径较大时，刮刀外型为‘矮胖’型；位于换热-蓄热室厢体上部的刮刀前、后端较窄，位于换热-蓄热室厢体下部的刮刀的前、后端较宽。

2.根据权利要求1所述的高温固体散料换热器内清除堆积搭桥的装置，其特征在于：所选择的滑动导轨耐高温、耐磨损，双防尘结构，并定期更换高温润滑油，以防止滑块运动出现卡槽；同时亦需设置维护结构，减少飞溅到导轨的粉尘量。

3.一种利用权利要求1所述装置针对高温固体散料换热器内清除堆积搭桥的方法，其特征在于：滑块的移动由自动控制系统调控；当换热-蓄热室厢体处于低负荷或停工时期，控制系统控制刮刀栅在排管间往复穿梭，以切除排管间集聚的颗粒块，减弱堆积搭桥量，防止阻塞流道；刮刀栅的工作周期和所需驱动功率由基于剪切实验得到的高温固体散料在不同外部压力情况下的临界剪切力、流动函数散料流动特性确定；

高温固体散料经过物料下滑曲面自然筛分和均匀布料后，进入换热-蓄热室厢体，和蛇形排管通入的冷水进行间接换热，从而进行余热回收。

4.如权利要求3所述高温固体散料换热器内清除堆积搭桥的方法，其特征在于：当换热-蓄热室厢体进行余热回收作业时，刮刀栅在换热室前/后侧贴壁放置，以避免影响高温固体散料的流动与换热。

5.如权利要求3所述高温固体散料换热器清除堆积搭桥的方法，其特征在于：所述高温固体散料下滑曲面为弧形，沿着下降高度，斜率逐渐降低，最高点与进料斗1/3位置处、即O点处的倾角大于颗粒相的安息角。