CS229652B2 - Method of energy recuperation from exhaust gases and equipment to perform this method - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu a zařízení pro zpětné získávání energie z výfukových plynů o vysokém tlaku, zejména vysoké pece pomocí axiální turbiny. Podle vynálezu se výfukový plyn obsahující prach nejdříve nasycuje vodní párou. Poté se do nasyceného plynu vstřikuje chladicí voda v množství 0,5 až 5 % hmotnostních průtočného množství nasycených výfukových plynů v důsledku čehož vzniká v plynu mlhovina. Potom se výfukové plyny vedou do axiální turbiny. V axiální turbině, vhodné pro provádění tohoto způsobu se používá rozměrných trysek a pohyblivých lopatek, kde poměr výšky (H) k délce (1) profilu trysek a pohyblivých lopatek -axiální turbiny (13) je v rozsahu 0,7 až 1,5, čímž se rovněž účinně zabrání ulpívání prachu a erozi trysek a pohyblivých lopatek. Pro provádění uvedeného způsobu zpětného získávání energie je zvláště výhodná axiální turbina, ve které je plynům udělován krouživý pohyb kolem střední osy axiální turbiny, takže prach a mlhovina jsou z plynu vynášeny odstředivou silou.

Vynález se týká způsobu zpětného získávání energie z výfukových plynů o vysokém tlaku zejména z vysoké pece, obsahujících prach, prostřednictvím axiální turbiny.

Vynález se také týká zařízení k provádění tohoto způsobu.

Při chodu vysoké pece vzniká velké množství výfukových plynů. Teplota těchto výfukových plynů je poměrně vysoká a plyny mají značný tlak. Výfukové plyny z vysoké pece tedy mají tepelnou a mechanickou energii. Jestliže jsou tyto výfukové plyny volně vypouštěny do atmosféry, vznikají zbytečné ztráty. S ohledem na energetickou účinnost vysoké pece je tedy žádoucí tuto energii zpětně získat, pokud možno s vysokou účinností.

Vynález je zaměřen na způsob a zařízení pro zpětné získávání energie z výfukových plynů vysoké pece pomocí axiální turbiny, ve které může být energie zpětně získávána s vysokou účinností a kde se současně zabrání ulpívání prachu nebo zanášení prachem.

Zpětné získávání energie z výfukových plynů vysoké pece bylo již zkoušeno různými způsoby. Jedna ze známých metod zpětného získávání energie je například popsána v US patentovém spisu č. 3 818 707.

Známé způsoby pro zpětné získávání tlakové energie výfukových plynů - z vysoké pece lze rozdělit do dvou skupin. U jedné skupiny se používá odstředivých turbin, u druhé axiálních turbin.

Jedna z nevýhod spojených s využitím výfukových plynů vysoké pece jako hnací látky pro turbinu spočívá v tom, že prach obsažený - ve výfukových plynech ulpívá na tryskách a vyvolává zanášení těchto trysek, v důsledku čehož se snižuje provozní účin nost turbiny. Výfukové plyny vysoké pece se proto do turbiny přivádějí až po zbavení prachu.

Soustava s odstředivou turbinou je velmi rozměrná a *- také - - - její - .. pořizovací náklady jsou velmi vysoké. - ' Pracovní účinnost odstředivé turbiny - je mimoto * -poměrně nízká, a je velmi obtížné získávat energii při vysoké výtěžnosti.;

Použiti: axiální - turbiny je podstatně výhodnější než. použití odstředivé turbiny z toho hlediska, - * že rozměry axiální turbiny jsou malé a její pracovní .účinnost . je vysoká. . - Bohužel: i - při použití axrá ln í - turbiny vznikají . různé -. nevýhody. ' Na . tryskách (stacionárních .. - lopatkách) a na * pohyblivých lopatkách se - například -usazuje . .prach, což snižuje pracovní ---účinnost turbiny a vyvolává různé problémy, například zanášení trysek prachem. Jestliže se na pohyblivých lopatkách usadí prach, je - ..porušeno vyvážení těchto pohyblivých lopatek, což- vyvolává další problémy, například chvění turbiny. V některých případech se hmota prachu ulpělého na tryskách nebo pohyblivých lopatkách od nich utrhne a naráží na pohyblivé lopatky nebo jiné části turbiny umístě né po směru proudění, což vede k jejich poškození nebo zničení. Současně vzniká nebezpečí vážné nehody.

V zájmu zabránění ulpívání prachu jsou výfukové plyny při známých způsobech využívajících axiálních turbin vedeny vodní pračkou. Plyny jsou ohřívány za účelem vysušení prachu a v tomto stavu jsou vedeny do turbin. Je samozřejmě nutné použít zařízení pro částečné spalování výfukových plynů z vysoké pece nebo tepelného výměníku, takže zařízení se stává komplikovaným a dochází ke snížení tepelné účinnosti.

Množství prachu ulpívajícího - na tryskách nebo jiných součástech turbiny závisí na různých okolnostech, například na množství prachu ve výfukových plynech, složení prachu, množství vody a průtokové rychlostí výfukových plynů. Výfukové plyny i v případě, že jsou zpracovány například v mokré srážecí nádobě (Venturiho pračka), obsahují kolem 100 mg prachu na Nm3 plynu a 3 až 5 g vody na Nm3 plynu. Prach v tomto stavu má značný sklon k ulpívání uvnitř turbiny. Na druhé straně, prach v suchém stavu vyvolává větší erozi trysek a pohyblivých lopatek, než prach pokrytý vodou.

Hlavním úkolem vynálezu je nalezení způsobu pro zpětné získávání tlakové energie s vysokou účinností z - plynů obsahujících prach, zejména z výfukových plynů vysoké pece. Ke zpětnému získávání této energie se má použít axiální turbiny, která má podstatně vyšší výkon než odstředivá turbina. Úkolem vynálezu je rovněž konstrukce axiální turbiny vhodné pro provádění tohoto způsobu.

Dále je úkolem vynálezu nalezení způsobu zpětného získávání energie z plynů obsahujících prach při použití axiální turbiny využívající těchto plynů jako pracovní látky. Při provádění tohoto způsobu se má zabránit ulpívání a hromadění prachu na tryskách a pohyblivých lopatkách turbiny a výkon axiální turbiny má být dostatečně ustálený aniž by došlo k erozi trysek, pohyblivých lopatek a podobně.

Dalším - úkolem vynálezu je konstrukce zařízení - pro odstraňování prachu a mlhovin obsažených jv - pracovní tekutině již uvnitř axiální/ - -turbiny, - hlavně v jejích předních stupních; -Dalším úkolem vynálezu je koustrukce - zařízení - - -pro - - - okamžité zachycování prachu a - mlhovin - - - oddělených z pracovní tekutiny - a- - pro -jejich - - odvádění-; Ή - turbiny.

- - Tyto - úkoly Jsou vyřešeny - způsobem podle vynálezu, -jehož - - podstata - - spočívá - - v - -tom- - že výfukové- - plyny - o vysokém- tlaku - a · obsahu jí cú - prach - - še - nasycují - - - vodní - - - párou < a< -před axiální - turbinou - se · do - nich - - vstřiku je/ '-voda udržovaná na nižší teplotě, než je teplota nasycených výfukových plynů, přičemž množství vstřikované vody je v rozsahu 0,5 až 5 % hmotnostních průtočného množství nasycených výfukových plynů, čímž se na229652 sycené výfukové plyny ochlazují a kondenzací vodní páry ve výfukových plynech vzniká dostatečné množství mlhoviny, načež se výfukové plyny vedou do axiální turbiny.

Zařízení pro zpětné získávání energie z výfukových plynů k provádění shora uvedeného způsobu sestává podle vynálezu z mokré srážecí nádoby pro odstranění prachu z výfukových plynů vysoké pece a nasycení těchto výfukových plynů vodní párou, za níž je zařazeno nejméně jedno ústrojí pro průběžné vstřikování vody do nasycených výfukových plynů, k němuž je připojena axiální turbina poháněná upravenými výfukovými plyny a stroj pro zpětné získávání energie, poháněný touto axiální turbinou.

Podle výhodného provedení vynálezu je poměr výšky k délce profilu trysek a pohyblivých lopatek axiální turbiny v rozsahu 0,7 až 1,5.

Podle dalšího provedení vynálezu je ve vnitřním obvodu pláště axiální turbiny v rovině kolmé na osu axiální turbiny vytvořena štěrbina pro oddělování a odvod mlhoviny obsažené ve výfukových plynech.

Tím, že se na výfukový plyn nasycený vodní párou stříká podle vynálezu voda, udržovaná na nižší teplotě, než má nasycený výfukový plyn, vytvoří se v turbíně mlho- _χ , viny rozstřikované vody a kromě toho se; tvoří mlhovina _ z nepatrných částic, kterép vznikají kondenzací kapiček vody, jež mají ’ jako jádro částici prachu.

Mlhoviny rozprášené vody mají v podstatě stejnou velikost částic jako částice prachu obsažené ve výfukovém plynu a mohou proudit v turbině podél v podstatě stejných průtočných drah jako prach, čímž lze prachu zabránit v usazování například na plochách trysek, nebo může být prach, má-li sklon k usazování na plochách trysek, velmi účinně spláchnut.

To znamená, že v případě mlhoviny, jejichž částice obsahují prach jako kondenzační jádro, působí vodní membrána, obklopující prachové částice, jako nárazník zabraňující usazování prachu, například na tryskách.

Tím, že se podle vynálezu nastaví množství rozstřikované vody na 0,5 až 5 % hmotnostních průtočného množství výfukového plynu, lze vytvořit optimální množství mlhovin. Kdyby množství vstřikované vody bylo menší než 0,5 % hmotnostních, nevytvořily by se mlhoviny v dostatečném množství a usazování prachu by nebylo dostatečně bráněno; kdyby vsak bylo větší než 5 % hmotnostních, bylo by vytváření mlhovin tak silné, že by nastával sklon k erozi například u trysek.

Získává-li se energie z výfukových plynů zpět pomocí turbiny, bylo vždy, jak shora uvedeno, největším problémem zabránit usazování prachu na lopatkách turbiny.

Dřívější stav techniky tento: problém nevyřešil. Vynálezem však lze zabránit usazování prachu například na tryskách, bez jakéhokoliv snížení účinnosti zpětného získávání energie u axiálních turbin.

Zařízením podle vynálezu lze vhodně po odstranění prachu nastavovat množství vstřikované vody.

Podstata vynálezu bude v dalším objasněna na příkladech jeho· provedení, které jsou popsány pomocí připojených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněn celkový pohled na jedno provedení zařízení pro zpětné získávání energie z výfukových plynů vysoké pece podle vynálezu, na obr. 2 je znázorněno ulpívání prachu na trysce, na obr. 3 je znázorněna závislost množství ulpělého prachu a míra abraze trysky na množství vstřikované chladicí vody, na obr. 4 je znázorněna závislost účinnosti turbiny na množství ulpělého prachu, na obr. 5 je znázorněn vztah mezi výtokovou rychlostí plynu z první trysky a množstvím ulpělého prachu, na obr. 6 je první tryska axiální turbiny podle vynálezu znázorněna ve srovnání s první tryskou běžné axiální turbiny, na obr. 7 je znázorněna závislost doby nepřetržité činnosti turbiny v hodinách na poměru rozteče trysky k hloubce profilu lopatky, na obr. 8 je znázorněna závislost množství prachu ulpělého na tryskové lopatce na hloubce profilu lopatky, na obr. 9 je znázorněna závislost relativní rychlosti plynu na výstupu pohyblivé lopatky, na obr. 10 jsou v řezu znázorněny hlavní části axiální turbiny podle vynálezu, na obr. 11 jsou znázorněny vektory výtokových rychlostí plynů z trysky a pohyblivé lopatky, na obr. 12 je znázorněn vektorový diagram výtokových rychlostí plynu z obr. 11 a na obr. 13 je znázorněno vytváření vířivých proudů · v plynu protékajícím axiální turbinou podle vynálezu.

Na obr. 1 je znázorněno celkové uspořádání jednoho provedení zařízení pro zpětné získávání energie z výfukových plynů vysoké pece podle vynálezu. Výfukové plyny z vysoké pece 1 jsou potrubím 2 přiváděny do lapače 3 prachu, odkud jsou potrubím 4 vedeny do Venturiho pračky, to jest do mokré srážecí nádoby 5.

V mokré srážecí nádobě 5 se výfukové plyny z vysoké pece nejdříve nasytí vodní párou. Například běžný výfukový plyn z vysoké pece o· teplotě kolem 150 °C a tlaku kolem. 20 MPa se ochladí odpařováním vody v mokré srážecí nádobě 5 a přemění se na plyn βχ, nasycený vodní párou, o teplotě kolem 60 °C. Nasycený plyn ai prochází potrubím 6, vstupním vyrovnávacím ventilem 7, potrubím 8, vstupním nouzovým uzavíra229652 cím ventilem 9, potrubím 10, regulačnímventilem 11 a potrubím 12 a proudí do axiální turbiny 13. Axiální turbina 13 je spojena s hnaným- zařízením 14 a slouží jako- jeho hnací motor.

Při průchodu plynu ai potrubími 10 a 12 se do- něho- průběžně vstřikuje voda, jejíž teplota je nižší než teplota plynu ai. Nasycený plyn - ai se tak mění v přesycený plyn az. Plyn a2 vypouštěný z axiální turbiny 13 je veden potrubím 15, výstupním vyrovnávacím ventilem 16, potrubím 17, výstupním nouzovým- uzavíracím ventilem - 16 a potrubím 19 a nakonec vypouštěn ven potrubím 20.

V popsané průtokové soustavě výfukových plynů z vysoké pece podle vynálezu se do plynu ai nasyceného v mokré -srážecí nádobě 5 vstřikuje před vstupem do- axiální turbiny 13 průběžně určité množství vody. Za tím účelem je v průtokové soustavě uspořádáno- čerpadlo 23. Aby bylo možno vstřikovat vodu b do nasyceného plynu ai před axiální turbinou 13, je čerpadlo 23 připojeno- potrubím 24 k potrubí 10 a obtokem- 25 k potrubí 12. V provedení podle obr. 1 je vstřikovaná voda b přiváděna za účelem- promývání regulačního ventilu 11 do potrubí 10 před tímto regulačním ventilem

11. Přivádění vstřikovací vody b do potrubí 10 může být vynecháno a voda b může být přiváděna jen do- obtoku 25 nebo do- jiné části soustavy před axiální turbinou 13.

V důsledku chladicího účinku mlhovin ze vstřikované vody b dochází ke kondenzaci vodní páry v nasyceném plynu ai, takže prachové částice tvoří kondenzační jádra, obklopená tenkou vrstvou vody.

V dalším bude popsáno, jak je podle vynálezu zabráněno ulpívání prachu na tryskách a pohyblivých lopatkách axiální turbiny.

V axiální turbině se prach, skládající se z - malých částic (menších než 1 mikrometr), zejména dýmy kovových kysličníků a sulfidů, vznikajících odpařováním a kondenzací ve vysoké peci, zachytává a hromadí nejen na konkávních stranách trysek, ale také na konvexních stranách trysek (zadní strany lopatek). Bylo zjištěno, že toto zachycování a hromadění prachu je vyvoláváno narážením částeček kovu a částic obsahujících hydroxylové skupiny, jež mají vysokou rychlost.

Velikost částeček mlhoviny vznikajících pouhým rozprašováním vody je poměrně značná, takže tato mlhovina prakticky nemůže čistit konvexní strany (zadní strany lopatek) trysek, neboť dochází k oddělování mlhoviny v důsledku působení setrvačných sil.

V důsledku toho- dochází ke zvýšenému ulpívání a hromadění prachu v těchto oblastech, což má často za následek zanesení trysek prachem. Výzkum tohoto- nežádoucího^ jevu ukázal, že pro dosažení čisticího účinku mlhoviny i v těchto oblastech, je nezbytné snížit velikost částeček mlhoviny. Bylo- zjištěno, že velikost částeček mlhoviny, vznikajících pomocí běžných vodních rozprašovačů, je příliš velká. Jediným řešením uvedeného- problému se ukázalo získávání jemné mlhoviny s malými rozměry částeček (kolem 1 μη). Tato jemná mlhovina se získává kondenzací vodní páry v přesyceném -plynu, která se vyvolává chlazením přesyceného plynu vstřikováním vody o teplotě nižší, než je teplota nasyceného plynu.

Při prováděných pokusech se potvrdilo, že částice prachu, ulpívající na konvexní straně lopatky 27 trysky 26, znázorněné na obr. 2, jsou veliké kolem 1 mikrometru nebomenší. Aby mlhovina z chladicí vody mohla dopadat na prach d, je nutné, aby se mlhovina pohybovala po podobné dráze, po jaké je dopravován prach. Velikost částeček mlhoviny proto- musí být co. nejmenší, například kolem 1 mikrometru. Relativní vlhko-st plynu zpracovaného- v mokré srážecí nádobě 5 je kolem 100 %. K dosažení malých rozměrů částeček mlhoviny proto postačí jen nepatrné -ochlazení tohoto plynu.

Způsobem - podle vynálezu se tedy vytváří mlhovina, skládající se z částeček -o malých rozměrech, -která proudí po dráze bi, která se sice úplně neshoduje s -drahou plynu, označenou na obr. 2 plnou čarou g, je jí však velmi podobná. Mlhovina proudící po této- dráze g tedy omývá nejen prach dl usazený na konkávní straně lopatky 27, -ale i prach d? usazený na -konvexní straně lopatky 27.

Z předchozího vyobrazení je patrné, že jestliže proud bi mlhoviny, skládající se z malých částeček proudí po drahách podobných drahám letu prachu d, může být zabráněno ulpívání a hromadění prachu d na konvexní -straně lopatky - 27 tvořící trysku 26.

Jestliže se do plynu nasyceného vodní párou vstřikuje chladicí voda, dochází ke kondenzaci této vodní páry a v tomto okamžiku vznikají malé kapičky vody, jejichž jádra tvoří prachové částice. Jinými -slovy, prachové částice jsou obklopeny vrstvičkami vody. Hydroxylové skupiny tedy ztratí účinnost a vodní vrstvy působí jako tlumicí -obaly zmenšující údery při rychlých nárazech prachu na trysky a podobně. Tímto- způsobem se tedy zabrání ulpívání prachu na konvexní straně trysky.

.Množství vody vstřikované za účelem odstranění prachu ulpívajícího na lopatce trysky je určeno tak, že minimální množství vstřikované vody je množství, které již zabraňuje ulpívání prachu a maximální množství je množství, které ještě nevyvolává erozi lopatek.

Na obr. 3 je na ose pořadnic vyznačena roční abraze (v milimetrech) trysky a množství ulpělého prachu td.c”¹ (jeho tloušťka prachové vrstvy ku délce profilu lopotky), zatímco na ose úseček je vyneseno množství vstřikované vody (v procentech hmotnosti, vztaženo na plyn).

Když z hlediska dosavadních výsledků činnosti běžné axiální turbiny se předpokládá, že roční abraze trysky je 2 mm, pak horní hranice množství vstřikované vody je 5 °/o. Jestliže se množství td . c¹ ulpělého prachu nastaví na 5 %, což ještě umožňuje dobrou účinnost turbiny, pak je spodní hranice množství vstřikované vody v rozsahu 0,5 až 0,7 %.

Přímka Li v obr. 3 označuje kritickou hodnotu eroze, přímka L2 označuje průběh eroze a křivka Ьз označuje kritickou hodnotu množství td . c¹ ulpělého prachu.

Množství prachu usazeného na trysce úzce souvisí se snížením provozní účinnosti turbiny, která může bez podstatného snížení své účinnosti pracovat jen v určitém rozsahu množství ulpělého· prachu.

Na obr. 4 je znázorněna závislost poklesu účinnosti na množství ulpělého prachu. Z obr. 4 je patrné, že nemá-li se účinnost turbiny snížit vůči počáteční účinnosti v rozmezí 10 °/o, je třeba snížit množství tid . c”¹ ulpělého prachu pod 5 %.

Na obr. 5 je znázorněna závislost mezi množstvím ulpělého prachu a výtokovou rychlostí plynu z trysky prvního stupně. V bodě M, kdy je průtočná rychlost 120 m . s“i a délka c profilu lopatky · 120 mm, tloušťka td ulpělého· prachu největší a rovna 1,5 milimetru. Jestliže je průtočná rychlost plynu 200 m. s~1 a délka c profilu lopatky 27 je 200 mm, je tloušťka td ulpělého prachu v místě N největší a rovno· 15 mm. V bodě O je množství ulpělého prachu nulové nebo přibližně nulové, Z průběhu znázorněného na obr. 4 je patrné, že relativní tloušťku ulpělého prachu je třeba udržovat pod 5 %. Jestliže se tedy relativní tloušťka ulpělého prachu má udržovat pod 5 %, je z obr. 5 patrné, že průtočná rychlost plynu z první trysky by měla být nižší než 180 m.s“1 V zájmu zvýšení pracovní účinnosti turbiny je nezbytná rychlost plynů proudících z první trysky zvýšit. Za předpokladu, že přípustné množství ulpělého prachu je v rozsahu 2 až 5 °/o, bude výtoková rychlost plynu z první trysky v rozsahu 180 až 120 m. s1, s výhodou 180 až 140 m· . s_1. Přípustný výtokový úhel činí v tomto případě 40° až 60^c, s výhodou 48° až 60°.

Na obr. 6 je trysková lopatka 27 axiální turbiny podle vynálezu zakreslena ve srovnání s tryskovou lopatkou 27‘ běžné axiální turbiny. Velikost lopatky 27 podle vynálezu je podstatně větší než velikost lopatky 27‘ běžné axiální turbiny. V axiální turbině podle vynálezu se tedy používá speciálně konstruovaných lopatek.

V obr. 6 je také znázorněna výška H a těUys l lopatky 27.

Na obr. 7 znázorněný průběh vyplývá z pokusů provedených za účelem nalezení tvaru lopatky znázorněné na obr. 6. Na obr. 7 jsou na ose úseček vyneseny hodnoty poměru S.c^_1 rozteče S lopatek (vzdálenost mezi středy dvou sousedních lopatek) k délce c profilu lopatky. Na ose pořadnic je nanesena životnost turbiny v hodinách (vstřikování vody se neprovádí). Mezi oběma činiteli je přímková závislost. Bod R označuje na obr. 7 hodnotu, · která se získá při výtokové rychlosti plynu na výstupu z trysky 136 mm.s⁴ · a při rozteči 6 mm. Z obr. 7 je patrné, že se zvyšující se hodnotou S . c_1 se zvyšuje i životnost turbiny. Jinými slovy, při zvětšení rozteče lopatek se zpomalí zanášení trysky.

Na obr. 8 je znázorněna závislost relativní tloušťky ulpělého prachu (osa pořadnic) na délce profilu lopatky (osa úseček), jestliže poměr S . c_1 je konstantní a rovem přibližně 1,5. Z obr. 8 je patrné, že při zvětšování rozměrů lopatky se relativně snižuje tloušťka prachové vrstvy, to ' jest množství ulpělého· prachu. Bod P na obr. 8 označuje hodnotu získanou při délce profilu c = 35 milimetrů a při výtokové rychlosti plynů Vc = 136 m . Bod Q označuje hodnotu, získanou při délce profilu c = 120 mm a při výtokové rychlosti plynů 120 m. s4

Z uvedených experimentálních výsledků vyplývá, že při zvětšení rozměrů lopatky může mlhovina proudit podél lopatky a je směrována dostatečně i k zadní straně lopatky. Tímto způsobem se dosáhne omývání prachu ulpělého na lopatce, v důsledku čehož se i dlouhodobě zabrání zanášení trysek prachem.

Na obr. 9 je znázorněn vztah mezi výtokovým úhlem. «2 pohyblivé lopatky (osa úseček) a relativní rychlostí V2 plynu na výstupu z pohyblivé lopatky (osa pořadnic). Jestliže je koeficient φ průtokové rychlosti v rozsahu 0,4 až 0,7 a průtoková · rychlost v rozsahu 120 až 180 m . s_1, nebo 140 až 180 m . s1, zjištěná z výsledků znázorněných na obr. 5 vynesena na pořadnici a spojena s přímkou koeficientu φ průtokové rychlosti v rozsahu 0,4 až 0,7, je zřejmé, že vhodný výtokový úhel az je v rozsahu 50° až 60°.

U axiální turbiny podle vynálezu je délka c profilu pohyblivých lopatek zvětšena, zejména v prvním stupni (poměr výšky H k délce c profilu je 0,7 až 1,5). Tloušťka zadní hrany lopatky je zvýšena na 6 až 12 mm a výtokový úhel trysky, výtoková rychlost a obvodová rychlost horního konce pohyblivých lopatek jsou voleny menší než u běžných axiálních turbin. Při splnění těchto 'požadavků umožňuje vstřikování vody účinně zabránit zachycování a hromadění prachu na tryskách, zejména na · tryskách prvního stupně, a eroze, jejíž vznik by se při vstřikování vody předpokládal, může být snížena na zanedbatelnou míru.

íV axiální turbině podle vynálezu se vytoková rychlost plynů, zejména z trysky prvního stupně (stacionární lopatka prvního stupně) volí nižší než u obvyklých axiálních turbin. Používá se rychlost v rozsahu 120 až 180 m . s_1 s výhodou 140 až 180 m . s“1. Výtokový úhel se volí v rozsahu 46 až 60° a obvodová rychlost horního konce pohyblivé lopatky se volí v rozsahu 150 až 230 m . s_1. V axiální turbině podle vynálezu jsou tedy absolutní rychlost plynu vyrážejícího z trysky a absolutní rychlost plynu procházejícího a vycházejícího z vnitřního prostoru pohyblivé lopatky v takovém vzájemném vztahu, že v prostoru axiální turbiny vznikají kolem její osy vířivé proudy stejného směru.

Přesněji řečeno, plyn proudící vnitřním prostorem axiální turbiny vykonává kruhový pohyb kolem osy této turbiny a když takto plyn víří podél skříně turbiny, vzniká v plynu odstředivá síla, která od plynu odděluje prach a mlhovinu, které jsou vynášeny k vnitřní obvodové stěně skříně axiální turbiny.

V případě, že v axiální turbině podle vynálezu jsou na vnitřní obvodové stěně skříně turbiny vytvořeny prostředky odvádění prachu, může být prach účinně zachycován a odváděn ven. V případě axiální turbiny podle vynálezu jsou tyto prostředky tvořeny drážkou, štěrbinou nebo otvorem, vytvořeným v obvodové stěně skříně axiální turbiny.

Konstrukce axiální turbiny vhodné pro provádění způsobu podle vynálezu bude v dalším popsána v souvislosti s výkresy.

Na obr. 10 je znázorněn osový řez přední částí axiální turbiny včetně jejího hřídele. Na obr. 11 jsou znázorněny řezy, ze kterých jsou patrné profily lopatek. Na obr. 12 jsou pak znázorněny vektorové diagramy rychlostí plynu.

Ve střední části skříně 30 turbiny je otočně uložen náboj 31 rotoru. Ve skříni 30 turbiny je dále vytvořen vstupní otvor 32 pro plyn. Na vnitřním válcovém tělese 33 obklopujícím náboj 31 rotoru jsou uspořádány trysky 34 . prvního stupně (stacionární lopatky) a trysky 35 druhého stupně. Na obvodu náboje 31 rotoru jsou postupně za sebou uspořádány pohyblivé lopatky 36 prvního stupně a pohyblivé lopatky 37 druhého stupně.

Nyní bude popsán · průtok plynů axiální turbinou. Na obr. 11 a 12 jsou vyznačeny absolutní rychlosti Voi a Vo2 plynů vyrážejících z trysky 34 prvního stupně, popřípadě z trysky 35 druhého stupně. Dále jsou zde znázorněny relativní vtokové rychlosti Vil a V12 plynu do pohyblivých lopatek 36, popřípadě 37. Z obr. 11 a 12 jsou dále patrné absolutní rychlosti V54 a V35 plynů vytékajících z pohyblivé lopatky 36 prvního stupně a z plynů vytékajících z pohyblivé lopatky 37 druhého stupně, ' jakož i relativní výtokové rychlosti V21 a V22 plynů vůči pohyblivým lopatkám 36, 37.

Na obr. 12 je trojúhelníkový vektorový diagram rychlostí, ze kterého jsou patrné rychlostní složky plynu z obr. 11. Z obr. 12 je patrné, že složky Voi‘, Vo2, V34‘ a V35l absolutních rychlostí Voi a Vo2 plynů vytékajících z trysek 34 a 35 prvního a druhého stupně a absolutní rychlosti V54 a V55 plynů vytékajících z pohyblivých lopatek 36 a 37 prvního a druhého stupně jsou vzhledem k ose axiální turbiny uspořádány ve stejném směru. Přesněji řečeno, absolutní rychlost plynů, vytékajících z trysky a absolutní rychlost plynů vytékajících z pohyblivé lopatky, získávajících uvedenou absolutní rychlost plynů vytékajících z trysky, jsou uspořádány tak, že jejich rychlostní složky mají vůči ose turbiny stejný směr. Plyny protékající vnitřním prostorem axiální turbiny v důsledku toho mohou získávat vířivý pohyb, jehož směr se vůči ose axiální turbiny, jež je jejich středem, nemění. Jinými slovy, plyny spirálovitě víří kolem osy turbiny a v tomto vířivém stavu postupují turbinou k výstupnímu otvoru.

Na obr. 13 je znázorněno uspořádání trysek, pohyblivých . lopatek a proudění plynů z těchto trysek a pohyblivých lopatek. Jak absolutní rychlosti Voi a V_o2 plynů vystupujících z trysek pod výtokovým úhlem a₀, tak i absolutní rychlosti V54 a V35 plynů vystupujících pod výtokovým úhlem «3 z pohyblivých lopatek jsou uspořádány ve stejném směru. V důsledku tohoto uspořádání vzniká v plynech vířivé proudění stejného směru a proto v plynech vzniká odstředivá síla, takže prach a mlhovina jsou od plynů ' touto odstředivou silou účinně oddělovány.

Z obr. 10 je patrné, že ve válcovém tělese 33 skříně 30 ' turbiny jsou vytvořeny drážky 38, probíhající ve stejném směru. Tyto drážky 38 jsou vytvořeny vždy mezi sousední tryskou a pohyblivou lopatkou nebo mezi sousední pohyblivou lopatkou a tryskou. Drážky 38 je výhodné umístit tak, aby přítomnost těchto drážek 38 neovlivnila . nepříznivě vlastnosti axiální turbiny. Dno drážky 38 je výpustním otvorem 39 spojeno s oddělovací komorou 41, která · je vymezena válcovým tělesem 33 a krytem 40 obklopujícím . obvod tohoto válcového tělesa 33. Místo drážky 38 může být použito štěrbiny, ' která pak nahrazuje drážku 38 i výpustný otvor 39.

Oddělovací komora 41 je · opatřena neznázorněnou obvodní trubicí. Prachové částice obklopené kapkami vody, které vznikají při kondenzaci a zachycené drážkami 38, jsou do oddělovací komory 41 přiváděny výpustnými otvory 39. Prach se tedy shromažďuje ve spodní části oddělovací komory 41, ze které je vypouštěn výpustným otvorem 42 do neznázorněné odvodní trubice.

Popsaná opatření jsou provedena na lopatkách předních stupňů axiální turbiny, což je pro dosažení požadovaných vlastností axiální turbiny podstatné.

Shrneme-li, je zásadním problémem vyskytujícím se při činnosti axiální turbiny poháněné výfukovými plyny vysoké . pece potřeba zabránit ulpívání prachu na tryskách nebo na pohyblivých lopatkách axiální turbiny. Dalším základním problémem je potře229652 ba zabránit nebo snížit erozi vyvolávanou vstřikováním vody. V zařízení podle vynálezu jsou za tímto účelem v axiální turbině provedena následující opatření:

Obvodová rychlost vnějších konců pohyblivých lopatek prvního stupně axiální turbiny je menší než u obvyyklých axiálních turbin a volí se v rozsahu 250 až 150 m . s¹. Obvyklé --axiální turbiny jsou navrženy tak, že uvedená obvodová rychlost činí 300 m . . si a více.

Uvedený vhodný rozsah obvodových rychlostí byl určen na základě výsledků pokusů, při kterých se zkoumala závislost mezi obvodovou rychlostí a stupněm eroze.

Snížení obvodové rychlosti má totiž za následek snížení relativní rychlosti pohyblivých lopatek vůči plynům a také snížení rychlosti nárazu mlhoviny na tyto pohyblivé lopatky. Jestliže se u pohyblivých lopatek čelních stupňů včetně prvního stupně sníží obvodová rychlost a jestliže se sníží výtokové rychlost plynů z trysek čelních stupňů včetně prvního stupně, zmenší se výkon jednotlivých stupňů. Tento nedostatek je v zařízení podle vynálezu odstraněn zvýšením celkového počtu stupňů, čímž se zabrání snížení provozní účinnosti axiální turbiny.

Rovněž je změněn průřez lopatek. V axiální turbině podle vynálezu jsou rozměry a tloušťka lopatek větší než u obvyklých turbin, rozdíl je patrný z obr. 6.

Ze srovnání řezu lopatkou 27‘ čelního stupně běžné axiální turbiny se řezem odpovídající lopatkou 27 axiální turbiny podle vynálezu je patrné, že rozměry lopatky axiální turbiny podle vynálezu jsou podstatně větší, čímž se zabrání zanášení turbiny prachem, a podstatně se omezí účinky eroze. U lopatek axiální turbiny podle vynálezu se poměr výšky lopatky k délce jejího profilu volí v rozsahu 0,7 až 1,5. Hodnota tohoto poměru u běžných axiálních turbin je obvykle v rozsahu 2 až 3. V případě axiální turbiny podle vynálezu je hodnota tohoto poměru extrémně nízká. V axiální turbině podle vynálezu se tedy používá masivních lopatek o velkých rozměrech. Zadní hrana lopatek běžných axiálních turbin je obvykle silná 1 až 2 mm. V axiální turbině podle vynálezu má zadní hrana lopatky v důsledku velké hloubky profilu lopatky tloušťku v rozsahu 6 až 12 mm. Tímto způsobem se dosáhne podstatného snížení eroze lopatky.

Rychlost plynů proudících z trysky je snížena. V zájmu zabránění ulpívání prachu je rychlost plynu proudící z první trysky snížena na 120 až 180 m . s_1, s výhodou na 140 až 180 m. s1 V důsledku tohoto snížení rychlosti plynů se sníží i relativní rychlost plynu vůči pohyblivé lopatce. Při použití axiální turbiny podle vynálezu se tedy zabrání nejen ulpívání prachu, ale současně se dosáhne i zmenšení eroze.

Teplota plynu se v důsledku vstřikování vody a činnosti prvního stupně sníží, takže pára v plynu kondenzuje. Jak již bylo uvedeno, zachycuje tato kondenzovaná voda prach, se zvýšením množství vodní mlhoviny se však zvyšuje i eroze.

Aby se zabránilo tomuto nedostatku, je podle obr. 10 ve válcovém tělese- 33 skříně 30 turbiny vytvořena drážka 38, která tuto mlhovinu a prach zachycuje a odvádí z axiální turbiny ven. Protože v plynech podle obr. 11 vzniká vířivý pohyb, je mlhovina vznikající při snížení teploty plynů od těchto plynů účinně oddělována a odváděna z vnitřního prostoru axiální turbiny. V důsledku toho se účinně zabrání vzniku eroze.

Prach je z plynů obvykle oddělen již v předních stupních axiální turbiny. V některých případech však prach přesto vniká do labyrintového těsnění zabraňujícího úniku plynů. Jestliže prach vnikne do tohoto labyrintového těsnění, ulpívá tam a hromadí se, dochází ke snížení těsnosti axiální turbiny. Proto je třeba vnikání prachu do labyrintového těsnění zabránit. Jeden z vhodných způsobů řešení tohoto problému spočívá v tom, že do labyrintového těsnění se zavádí inertní plyn nebo vodní pára, jejichž tlak je poněkud vyšší než tlak plynů v axiální turbině. Tímto způsobem se účinně zabrání vnikání plynů, obsahujících prach do labyrintového těsnění.

Výtokové rychlost plynů z trysek, zejména z trysek prvního stupně, se volí v rozsahu 140 až 180 m . s¹, výtokový úhel se volí v rozsahu 50° až 60°. Z obr. 5 je patrné, že kdyby se výtokové rychlost plynů, volila stejně jako u běžných axiálních turbin (200 m . s_1 a více], došlo by ke zvvýšení množství ulpívajícího prachu. V axiální turbině podle vynálezu je výtokové rychlost plynů snížena do uvedeného rozsahu a ulpívání prachu je účinně zabráněno.

Alespoň tryska a pohyblivá lopatka prvního stupně jsou tvarovány tak, že poměr výšky lopatky k délce profilu lopatky je volen v rozsahu 0,7 až 1,5.

Z obr. 7 je patrné, že při zvětšení poměrů rozteče lopatek k délce profilu lopatky (S.c-1) může být prodloužena životnost axiální turbiny. Dále z obr. 8 je patrné, že při zvětšení délky (c) profilu lopatky se výrazně zmenší množství ulpívajícího prachu. Axiální turbina - podle vynálezu je na základě experimentálních výsledků podle obr. 8 zkonstruována tak, že v podstatě nedochází k ulpívání prachu.

Současně se zvětšením rozměrů lopatek se i tloušťka zadní hrany lopatek zvětšuje na 6 až 12 mm., což se provádí alespoň u trysky a pohyblivé lopatky v prvním stupni axiální turbiny. Tímto způsobem se podstatně zvýší odolnost trysky a lopatky vůči erozi.

Obvodová rychlost vnějšího konce pohyblivé lopatky je v prvním stupni axiální turbiny podle vynálezu snížena na 150 až 180 m . s1. U běžných axiálních turbin činí obvodová rychlost vnějšího konce pohyblivé lopatky prvního stupně 300 m. s_1 a více.

V axiální turbině podle vynálezu může být pracovní účinnost tímto snížením obvodové rychlosti do uvedeného rozsahu udržena na vysoké úrovni přesto, že výtoková rychlost plynů z trysky je snížena.

Protože rychlost plynů proudících z trysek je nižší než u běžných axiálních turbin, je snížení pracovní účinnosti axiální turbiny zabráněno zvýšením počtu jejich stupňů.

Na vnitřním obvodu skříně turbiny je vytvořena drážka svírající s osou axiální turbiny pravý úhel. Účelem této drážky je vytváření vířivého proudění v plynech a oddělování prachu a mlhoviny z těchto plynů. Oddělený prach a mlhovina jsou touto drážkou nebo štěrbinou současně odváděny z vnitřního prostoru turbiny. Při vstřikování chladicí vody do plynů nasycených vodní párou se snižuje energie těchto plynů, vodní pára kondenzuje a vzniká mlhovina. V axiální turbině podle vynálezu se vzniklá mlhovina působením odstředivé síly shromažďuje na obvodu skříně turbiny. Uvedená odstředivá síla vzniká vířivým pohybem plynů kolem osy axiální turbiny. Mlhovina je tímto způsobem vynášena к obvodu skříně turbiny, odkud může být odváděna. Tímto způsobem lze účinně zabránit erozi axiální turbiny, výkon turbiny je stabilní a dojde i к výraznému prodloužení životnosti axiální turbiny.

Axiální turbina podle vynálezu je ve srovnání s běžnou axiální turbinou výhodná také v tom, že před přivedením výfukových plynů z vysoké pece do axiální turbiny se nemusí provádět úplné čištění plynů od prachu a jejich opětné ohřívání, takže investiční náklady zařízení jsou podstatně nižší.

Jestliže voda vstřikovaná do nenasycených plynů je přiváděna z téže soustavy jako pro napájení mokré srážecí nádoby, je konstrukce zařízení zjednodušena.

Axiální turbina podle vynálezu je výhodná také proto, že do ní mohou být přiváděny výfukové plyny přímo z výstupu mokré srážecí nádoby, která je běžnou součástí vybavení vysoké pece.

Claims (4)

1. Způsob zpětného získávání energie z výfukových plynů o vysokém tlaku, zejména z vysoké pece, obsahujících prach, prostřednictvím axiální turbiny, vyznačující se tím, že výfukové plyny o vysokém tlaku a obsahující prach se nasycují vodní párou a před axiální turbinou se do nich vstřikuje voda udržovaná na nižší teplotě, než je teplota nasycených výfukových plynů, přičemž množství vstřikované vody je v rozsahu 0,5 až 5 % hmotnostních průtočného množství nasycených výfukových plynů, čímž se nasycené výfukové plyny ochlazují a kondenzací vodní páry ve výfukových plynech vzniká dostatečné množství mlhoviny, načež se výfukové plyny zavádějí do axiální turbiny.

2. Zařízení к provádění způsobu podle bodu 1, vyznačující se tím, že sestává z mokré srážecí nádoby (5) pro odstranění prachu z výfukových plynů vysoké pece (1) a nasycení těchto výfukových plynů vodní párou, za níž je zařazeno nejméně jedno ústrojí pro průběžné vstřikování vody do nasycených výfukových plynů, к němuž je připojena axiální turbina (13) poháněná upravenými výfukovými plyny a stroj (14) pro zpětné získávání energie, poháněný touto axiální turbinou (13).

3. Zařízení podle bodu 2, vyznačující se tím, že poměr výšky (H) к délce (1) profilu trysek a pohyblivých lopatek axiální turbiny (13) je v rozsahu 0,7 až 1,5.

4. Zařízení podle bodu 2, vyznačující se tím, že ve vnitřním obvodu pláště axiální turbiny (13) je v rovině kolmé na osu axiální turbiny (13) vytvořena štěrbina (38) pro oddělování a odvod mlhoviny obsažené ve výfukových plynech.