CS253584B2 - Device for heat and/or substance transfer - Google Patents

Description

Vynález se týká zařízení k tepelnému a/nebo látkovému přenosu mezi různými materiály pro chemickV a fyzikální děje, zejmVnt pro spalování anebo zplyňování tuhých pativ, opatřenVho jednak fluddZtačním roštem uspořádaným ve skříni tvořenV dvěma vůči sobě protieehlými stěnam. a uzavíracím víkem, jednak fluidační vrstvou, která je udržována fluhlZtaι^nm roštem a obsahuje zrnitV pevnV látky, například palivo, a jednak volným prostorem nad fluídační vrstvou.

FluidzzaČní zařízení se používvjí ve velkém rozsahu v mnoha průmyslových odvětvích, n^j^p^říkl^ad pro výměnu tepla mmeii práškovit^ látkou a plynem, pro sušení, pro chemickV děje a v poslední době rovněž pro topenářskV účely. K technice spalování paaří potuítí těchto zařízení jak pro přímV vyuUítí tepla, tak i pro zplyňování paliva.

U doposud známých spalovacích zařízení s fluďdační vrstvou dochází k odvádění tepla především ve fluídační vrstvě, avšak kromě toho dochází v menší míře k odvádění tepla rovněž v prostoru nacházzéícím se nad fluďdační vrstvou. Plyn protVRkaící vrstvou totiž s sebou strhává z tVto vrstvy menší částice, jejichž spalování pokračuje dále v v prostoru nad fluddační vrstvou. V tomto prostoru se však nemůže dosáhnout úplnVho spalování částic unášených z fluddační vrstvy, takže popílek oppoutějící zařízení obsahuje velkV mnnožsví hořlavých čássic.

Proto se u těchto zařízení musí větší část popplku z eepkosměnných ploch odstraňovat. Aby se zammeZlo tomuto nedootatku, bylo navrhováno instalovat za spalovacími zařízeními tohoto druhu odlučovače a oddělenV hořlavV částice přivádět nazpět do fluddační vrstvy. Tato opatření však vyžad^í poměrně vysokV náklady spojenV s jejich instalací a provozem, přčeemž ponurá zařízení maaí vysokou poruchovost a jsou náročná na údržbu.

Nedostatkem známých fluidZtačlíih zařízení je rovněž ta skutečnost, že vzhledem k velkým plošným r-.změrům maj velkou potřebu místa. U těchto zařízení je kromě toho nutnV seelnoměrlv rozložení zrn ve fluddační vrstvě, což vyžaduje zvlášť pečlivV a přesnV podávání paliva. Aby se dosáhlo lepšího poměru dílčích zařízení, rozděluje se fluddační vrstva na ^kc^ik sekcí. Tyto sekce musí však mít v provozním stavu dílčí zatažení, kterV by nebylo nižší než 60 až 70 % plniViho zatížení, protože v opačniVm případě b^y se Hutají vrstva ochladil na tepotu pod ⁷⁰⁰ °C, co^ž je s ohledem na s^palování neúnosné.

U jnného druhu doposud fl·uidZtačlíih zařízení se vyvolává ve vnitřním prostoru zařízení cirkulace, takže částice paliva jsou přinuceny k rychVému pohybu. Tím se umožní neustálV vypírání částic ze spalovacího prostoru. Vyšší koncentrace prachu nutná pro dosažení účinnVho odvádění tepla a intenzivního spalování se dosahuje ve spalovací^m prostoru pomocí cyklonu, který má zpravidla svislou osu a je odolný vůči působení vysokých teplot, nappíklad je zděný, přičemž prach oddělený v cyklonu se vede zpět do spalovací komory. Pomocí uvede^ho řešení pracní tato zařízení se zatížením prachem, kterV je ihaaaktteistictV pro spalování uhelnVho prachu a u fluidZtaČ!líih zařízení je obvyklV.

Zplyňovací zařízení vyuužvvaící fluidZtaiz se po^^vai pro výrobu průmyslovVho top^Vho plynu anebo mmstskVho plynu přepravovanVho v dálkovém potrubí, případně takV jako první stupně vícestupňovVho spalovacího zařízení. Nerozšířenějším druhVm těchto zařízení je tak zvaný Winklerův genneátor, u něhož se pro fluidiz^! a pro zplyňování používá bud kyslíku a vodní páry, anebo vzduchu a vodní páry. Největší nedostatek zařízení využžvaaících kyslíku a vodní páry spočívá v tom, že pro zásobování zařízení kyslkeem je nut^nV přídavnV zařízení, jehož instalace a provoz jsou velmi. nákladnV.

Naaproi tomu zařízení vyuužvvaící vzduchu a vodní páry může vyrábět pouze plyn o sníženV výhřevnnosi, tj. při^bl^^ně 5 MJ/m . Takovýto plyn má velmi úzký rozsah porubí. Dalším nedostatkem obou těchto zařízení je poměrně velký obsah popílku a tím způsobenV velkV ztráty.

Pro zvýšení výhřevnosti vyráběného plynu se používá jí zařízení se dvěma kouřovody.

U těchto zařízení jsou dvě fluidační vrstvy. V jedné vrstvě nastává zplyňování p£ nedostatku vzduchu reakcí vodního plynu s vodní párou a v druhé vrstvě se spaluje směs koksu s popelem z prvního stupně. Tyto dvě fluidační vrstvy jsou navzájem spojeny prostřednictvím složitých dopravních, podávačích a regulačních ústrojí. Kouřový plyn stupně vyrábějícího teplo a plyn zplyňovacího stupně spoužtёjí zařízení odděleně od sebe.

Jak je ze shora uvedeného zřejmé, jsou ’ tato zařízení řešena rovněž poměrně složitě a proto jsou i v tomto případě vysoké náklady na instalaci. Kromě toho je u těchto zařízení velká potřeba místa, provozně jsou těžkopádná a náročná na údržbu.

Vynález si klade za úkol oddtranit nedostatky doposud známých zařízení a vytvooit zařízení na tepelný a/nebo látkový přenos mezi různými maatriály pro chemické a fyzikální děje, zejména pro spalování a zplyňování tuhých paliv, jehož potřeba místa by byla menší a účinnost frypřesto byla větší než u známých zařízení, u něhož by nebylo třeba pouužt přídavných ústrojí, snížily by se ztráty a obsah hořlavých částic v popílku za současného umošnění provozu s částenným zatížením.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje a vytčený úkol řeší zařízení na tepelný a/nebo látkový přenos pro chemické a fyzikální pochody mezi různými maatriály, zejména na spalování nebo zplyňování pevných paliv, s fluidzzačním roštem uspořádáným ve skříni opatřené dvěma navzájem protieehlými stěnami a uzavíracím víkem, s fluidační vrstvou udržovanou fluidizačním roštem a obsahující zrnité pevné látky, např. paliva, s volným prostorem nad fluidační vrstvou a s alespoň jednou plynovou komorou pod fluidzaačním roštěm, podle vynálezu, jehož poddtata spočívá v tom, že fluidizační rošt i plynová komora jsou opatřeny prostředky pro vytváření excentrického proudění plynu ve volném prostoru, v jehož jedné boční stěně kolmé k proti^l^ým stěnám je uspořádán výstupní otvor.

Podle vynálezu je výhodné když prostředky pro vytváření excentrického proudění plynu jsou otvory ve fluidizačním roštu, které se ve k jedné z protieehlích stěn zimen^!.

U jiné výhodné formy provedení vynálezu jsou prostředky pro vytváření excentrického proudění plynu otvoru ve fluidizačním roštu, jejichž rozteče ve směru k jedné z protilehlých stěn stále zvětš^í.

Podle vynálezu je výhodné, když jsou prostředky pro vytváření excentrického proudění plynu tvořeny sekcemi plynové komory s rozdínným tlakem plynu.

Pro dokonalou funkci zařízení je výhodné, když jsou volný prostor a/nebo fluidační vrstva alespoň částečně rozděleny dělicí stěnou.

Výhodné provedení zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že plynová komory jsou od sebe odděleny meisstěnou, která je vytvořena jako pokračování aleápon jedné dělící stěny.

Neěvěěší přednost zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že uvnótř zařízení je vlastně vytvořen cyklon s vodorovnou osou, který vrací větší částice z volného . prostoru zpět do fluidační vrstvy. Tímto se zabrání pronikání podstatného mun^^v! popílku a/nebo prachu či hořlavých částic ven ze zařízení.

Podle zkuŠenootí získaných při zkušebním provozu prototypů je možno konntatovat, že řešení podle vynálezu vykazuue, kromě přednootí doposud známých fluidizačních zařízení, i přednooti neočekávané a přioom odstraňuje nedostatky známých iaříirnO..Vzhledem k tomu, že k oddělování prachu dochází ve spalovacím prostoru, je zatížení ploch výměníků tepla, které jsou iostaSovány za zařízením podle vynálezu, prachem poddtatně sníženo a zařízení může být instaSováoo jako první stupeň bezprostředně · před stupněm následujícím.

Do zařízení může být dokonce podávána uhelná d^rť, protože při provozu dochází k k rozmělňování uhelných zrn.

Další přednost zařízení podle vynálezu spočívá v možžosti provozu ža Částečného zatížení. Pokud se podávání sekundárního vzduchu do části protékané proudem o větší rychlosti zrnmnní, může se seřídit fluidační vrstva, která představuje čtvrtinu až pětinu plného zařízenn.

DdIší podrobnnosi zařízení podle vynálezu budou blíže vysvětleny v následujícím popise příkaadných provedení zařízení s odvoláním na přioožené výkresy.

Na výkresech znázorňuje obr. 1 případné provedené zařízení podle vynálezu ve svislém řezu, obr. 2 druhé případné provedení ve stenném svisém řezu, obr. 3 svislý řez obdobným zařízením jako na obr. 2 s menšími zm^r^ř^rnm, obr. 4 svislý řez dalším přík^nným provedením zařízení podle vynálezu vhodného zejména pro zplyňování, obr. 5 stejný svislý řez dalším příkadnným provedením zařízení podle vynálezu a obr. 6 jiné příkladol provedení zařízení ve svisém řezu opatřené dvěma dělicími stěnami.

Jak je zřejmé z obr. 1, sestává těleso zařízení v podstatě ze dvou protieehlých stěn 12 a 13 a z uzavíracího víka jb Meei těmto protieehlými stěnami 12, 13 je uspořádán fluídační rošt 11, oi němž je udržována fluídační vrstva £. Nad fluídační vrstvou £ je volný prostor £0, zatímco pod fluidZlččním roštěm 11 jsou vytvořeny dvě plynové komory £ a 4, které jsou od sebe odděleny mmeistěnou _5.

Fluidizace se uskutečňuje působením plynu přiváděného do plynových komor 3 a £ vstupy 1 a 2. Tímto plynem může být nappíklad vzduch, který proudí směrem· vzhůru otvory, popřípadě tryskami fluídzaačního roštu 11.

Podle vynálezu dochází ve volném prostoru 10 nad fluídační vrstvou £ k excentrčkémmu proudění plynu, které alespoň podél čáási jedné z protieehlých stěn, např. £2, má větší rychlost než je rychlost proudění plynu podél druhé prooilehU stěny £3. Tohoto opatření může být u zařízení podle vynálezu dosaženo někcoika způsoby. ,

Podle první varianty se dosáhne excentrického proudění plynu ve volném prostoru 10 speciálním vytvořením f:^uklZa^í^ií^ho roštu 11, a sice takovým, že otvory, popřípadě trysky fluΐdilačiího roštu 11 jsou ve směru k protilehlé stěně 13 postupně čím dál tím meení, popřípadě jsou uspořádány v postupně se zvětšujících vzájemných vzdálenostech. Přioom tlak v plynové komoře 2 může být stejný jako v plynové kom^iře £, popřípadě mohou být obě plynové komory 2 i 4 vytvořeny jako jediná plynová komora 2 a za tímto účelem se odstraní me^istěm £.

Taková provedení jsou znázorněna na obr. 5 a 6, které budou v další čáási popisu vysvětleny ještě podrObn^i.

U zařízení dle obr. 1 může být dosaženo excentrického proudění plynu také tím, že v jednooiivých plynových komorách 3 a £ jsou nastaveny rozdílné tlaky plynu. Jessliže např. tlak v plynové komoře 3 je větší než v plynové komoře £, pak bude také rychlost proudění plynu pocdél stěny 12 větší, než rychlost proudění plynu podél druhé protilehlé stěny £3.

Ve volném prostoru 10 zařízeni je atymeeticky umístěn výstupní ^tv^r a to tak, že jeho střed je současně středem asymmerického proudění plynu ve volném prostoru 10. Vzniku tohoto lsymeericklho proudění napomáhá rovněž vytvoření vypouklého uzavíracího víka 2· Toto může být interpretováno · rovněž tak, že tímto provedením je vlastně vytvořen cklon, jehož středová osa je rovnoběžná s protieehlými stěnami 12 a £2, avšak neleží ve středové rovině zařízení, takže cyklon je uspořádán asymmericky.

53584

Při objasnění funkce zařízení dle obr. 1 se vychází z toho, že rychlost proudění plynu podél jedné protilehlé stěny 12 je větší než podél protilehlé stěny £3. Plyn proudící směrem vzhůru z plynové komory £ fluidačním roštem 11 a fluidační vrstvou £ s sebou z z fluidační vrstvy 6 unáší částice, které se ve volném prostoru £0, zejména v jeho horní části, dostávají do cyklonového prostoru 20, tj. do cyklonového proudění, které je asymetrické vůči zařízení. Větší částice se pohybují v blízkosti uzavíracího víka £ a dále podél protilehlé stěny 13 dolů, dokud se nestřetnou s plynem proudícím směrem vzhůru z plynové komory £, který unáší tyto částice opět vzhůru do blízkosti protilehlé stěny £2.

Takto vzniká asymetrické cyklonové proudění, v jehož přibližně středové ose se nachází výstupní otvor £. Toto umístění výstupního otvoru £ má za následek, že se do něj dostanou pouze kouřové plyny a úplně vyhořelé menší částečky. Příliš velké částice, jejichž směr pohybu nemůže být změněn prouděním usměrněným vzhůru z plynové komory £, padají dolů zpět do fluidační vrstvy £. Odstátní částice se pohybují ve volném prostoru 10 tak dlouho, dokud nenastane jejich úplné spálení. Vzhledem к tomu, že z prostoru nad plynovou komorou £ se Částice odstraňují ve větším množství než nad plynovou komorou £ a v blízkosti protilehlé stěny 13 padají částice zpět dolů, dochází к migraci fluidační vrstvy £ ve směru к protilehlé stěně 12.

V příkladném provedení znázorněném na obr. 2 je zařízení na rozdíl od provedení podle obr. 1 opatřeno zakřiveným fluidizačním roštem ££, na kterým je uspořádána dělící stěna £4, která alespoň částečně rozděluje volný prostor 10 a fluidační vrstvu £, přičemž dělicí stěna 14 je vytvořena jako pokračování mezistěny £. Mezi fluidizačním roštěm £1 a dělící stěnou 14 je vytvořen průchod 18 pro fluidační vrstvu £. Dále je na obr. 2 znázorněn kanál 19 pro zrnité palivo. Kromě toho může být jedním nebo několika vstupními otvory £5, 16 a 17 přiváděn sekundární vzduch.

Dělicí stěna 14 u tohoto příkladného provedení umožňuje lepší oddělení proudění, které má větší rychlost od proudění, jehož rychlost je menší. Asymetrické cyklonové proudění zde vzniká stejně jako u provedení podle obr. 1.

U příkladného provedení podle obr. 3 se sekundární vzduch přivádí jen dvěma vstupními otvory 16 a 17, které však mají středové osy navzájem kolmé. Kanál 19 pro zrnité palivo je uspořádán v blízkosti vstupních otvorů 16 a 17.

U tohoto provedení se může dosáhnout toho, že nad plynovou komorou £ se vytvoří tak zvaná rychlá fluidační vrstva £, což znamená, že zde dochází к nepřetržitému proudění materiálu směrem vzhůru, které je samozřejmě intenzivním turbulentním prouděním. Vhodným vytvořením fluidizačního roštu 11 a/nebo nastavením tlaku v plynové komoře £ může být udržována fluidační vrstva £ i zde, pokud je to žádoucí. Výška a tvar povrchu fluidační vrstvy £ se muže měnit změnou těchto parametrů, popřípadě změnou přívodu sekundárního vzduchu vstupním otvorem 16 a/nebo vstupním otvorem 17. Například v případě, že se sekundární vzduch přivádí jen vstupním otvorem 17 , bude tloušřka vrstvy částic ve fluidační vrstvě £ nad plynovou komorou £ rovněž menší, což je zvlášt výhodné vzhledem ke sníženému obvodu tepla chladicími trubkami při částečném zatížení.

Na obr. 4 je znázorněno příkladné provedení zařízení podle vynálezu, které může být použito pro zplyňování. S dělicí stěnou 14 je zde spojena vodicí deska 21. Mezi dělicí stěnou 14 a vodicí deskou 21 je vytvořen plynový sběrný prostor 22, který je v blízkosti místa spojení dělicí stěny 14 a vodicí desky 21 opatřen odváděcím otvorem 23 plynu.

Vodicí deska 21 zasahuje do fluidační vrstvy £, ponechává však přitom větší průchod pro částice ve fluidační vrstvě £ nad plynovou komorou _4.

V části 2 prostoru nad plynovou komorou £ dochází ke spalování, přičemž se zde udržuje větší rychlost proudění. Větší částice padají meei vodicí deskou 21 a protieehlou stěnou ’ 13 zpět dolů do fluddační vrstvy £· Zplodiny spalování zbavené prachu v důsledku asymeerického cyklonového proudění a odváděné výstupním otvorem £ ven obsahují ještě značné men>ossví tepla, které by mohlo být využito ve výměníku tepla instaocanném za zařízením. Toto teplo může být pouužto bud pro předehřívání spalovacího vzduchu anebo paliva, popřípadě pro výrobu páry.

V plynovém sběrném prostoru 22 a ve fluddační vrstvě £» která se,v tomto prostoru nachází, se p^C-í^vo pouze odplyňuje a zplyňuje a fundázoovaný prach, opoouttjící tento plynový sběrný prostor 22 průchodem £8, obsahuje ještě hodně hořlavých iásSic, které shooí úplně v částo T_ prostoru nad plynovou komorou £, popřípadě v cyklonovém proudění. Přitom se ohříváií nejen kouřové plyny, ale také částice, které p^ť^a^aj! dolů do fluádainí vrstvy 2/ což příznivě ovlivňuje průběh zplyňování.

Plyn vznikáaící v zařízení dle tohoto příkaadu provedení má střední výhřevnost a obsahuje těkavé složky paliva, vodní plyn vzniklý z vodní páry a popřípadě i vzdušný plyn. Po případném dalším zpracování se tento plyn může s výhodou pouužt v běžně známém zařízení. Toto příkladné provedení zařízení podíe vynálezu může tvooit první zplyňovací stupeň dvoustupňového spalovacího zařízení, přčeemž může být pouužto rovněž pro kotle na zemní plyn anebo kotle olejové, protože vytvořený plyn obsahuje velmi málo prachu a popela.

Z téhož důvodu je zařízení podle vynálezu vhodné pro přizpůsobení běžně známých kotlů na uhlovodík spalování uhhí, aniž by byla nutná přestavba těchto kotlů.

Jak již bylo dříve uvedeno, jsou na obr. 5 a 6 znázorněna příkaadná provedení zařízení podíe vynálezu, u nichž dochází k htymeerickému proudění ve volném prostoru 10 působením fluadZjačnířo roštu H- pod nímž je umístěna jen jedna plynová komora 2- Je zde účelně vytvořena děěicí stěna 2£, která je strmě nakloněna, nezasahuje do fauddační vrstvy 2 a tvoří zároveň jednu ohřaaiČující stěnu kanálu £9 pro přiváděné ^^l_i_vo. Z ostatních hledisek je funkce tohoto zařízení stejná, jak již bylo shora popsáno.

Na obr. 6 je znázorněno zařízení opatřené dvěma dělicími stěnami £4 a H¹,'z nichž jedna děěicí stěna £4 zasahuje do fluddační vrstvy 2» zatímco druhá děěicí stěna 14' do fluddační vrstvy 2 nezasahuje a je strmě skloněna podobně jako děěicí stěna £4 v provedení podle obr. 5. Volný prostor £0 je tak rozdělen na tři iásti, přččemž rychlossi proudění v jednooiivých částech se směrem od protilehlé stěny £2 k protilehlé stěně £3 snižují. Vytvoření stěn £4 a £4' napomáhá vzniku symeerického cyklonového proudění. Funkce zařízení je u tohoto provedení stejná jako u provedení přčachřsečícířo.

V jňéém případě může zařízení podle vynálezu slouužt·pro vázání a odstraňování obsahu síry ze zplodin spalování. Pro tento účel se může vycházet z íříkaadnéřo provedení zařízení znázorněného na obr. £ přčeemž fluddační vrstva 2 může sestávat ze zásaddté látky ^за^и^! nappíklad CaO nebo MgO. Vstupy 2 a í může být do plynových komor 2 a 4. dmýchán znečištěný plyn, který má být vyčištěn, tlaky plynu jsou vhodné voleny předem. Při prouděn:!

fluddační vrstvou 2 a také potom ve volném prostoru £0 na fluddační vrstvou 2 íe plyn ve styku se zásaditými látkami. Tím se podstatně prodlouží doba styku meei zásaditými látkami a znečištěným plynem a to natolik, že je potaaijící pro ochlazení plynu až na rosný bod, popřípadě pro vázání obsahu anhydridu kyseeiny sírové v plynu. Anhhydid kyseliny sírové se částečně odstraňuje ze zařízení jako síran výstupním otvorem .2·

U jiného provedení zařízení sloužícího témuž účelu může načít použtí řešení podle obr. 2, p^eemž plyn, který má být čištěn, může být doovňtř z větší č^ssí vháněn vstupním otvorem 2®.· Přitom se vstupy 2 a 2. přivádí jen poměrně malé mnnoství plynu, tj. jen tolik, aby bylo možno udržovat fluddační vrstvu 2· v důsledku toho se může vynechat děěicí stěna

14, protože i samotné dmýchání plynu vstupním otvorem 16 je postačující pro vyvolání proudění plynu.

U obou shora uvedených provedení může ochlazování plynu ní ve volném prostoru 10 chladicích trubek. Toto opatření je podrobnňjší vysvěělení.

Claims (6)

1. Y N na rosný bod napomáhat uspořádávšak známé, takže nevyžaduje

   1. Zzaízení na tepelný a/nebo látkový přenos pro chemické a fyzikální pochody mezi různými maaeeiály, zejména na spalování nebo zplyňování pevných paliv, s fluidzzačním roštem uspořádaným ve skříni opatřené dvěma navzájem prstilehCými stěnami a uzavíracím víkem, s fluidační vrstvou udržovanou fluidzzačním roštem a obsah^ící zrnité pevné látky, např. paliva, s volným prostorem na fluidační vrstvou a s alespoň jednou plynovou komorou pod fluidizačním roštem, ěyznařující se tím, že fluid^^ní ro^t (11) i plynová komora (3, 4) jsou opatřeny prostředky pro vytváření ex^ι^]^^:ri^(^k^é^hs proudění plynu ve volném prostoru (10), v jehož jedné boční stěně kolmé k protieehýým stěnám (12, 13) je uspořádán výstupní otvor (9).
2. 2. Zařízení podle bodu 1, vyzunouuící proudění plynu jsou otvory ve stěn (12, 13) zrneen^!.

   se tím, že prostředky pro vy tváření excentrického roštu (11), které se ve směiru k jedné z protilehlých se tím, že prostředky pro vytváření excentrického roštu (11), jejichž rozteče se ve sm^ěru k jedné
3. 3. Zaaízeaí podle bodu 1, vyzunačuící proudění plynu jsou otvory ve fluidzzačním z protilehlých stěn (12, 13) stále zvěěšuuí.
4. 4. Zařízení podle bodu 1, vyzmačuící se tím, že prostředky pro vytváření excentrického proudění plynu jsou sekce plynové komory (3, 4) s rozdíb^^^m tlakem plynu.
5. 5. Zzaízení fluidační vrstva
6. 6. Zzaízení od sebe odděleny steny (14).

   podle bodů 1 až 4, vyzna^ujcí se tím, že volný prostor (10) a/nebo (6) jsou alespoň částečně rozděleny dělicí stěnou (14, 14').

   podle bodů 1 až 5, uící se tím, že plynové komory (3, 4) jsou aezZstěasu (5), která je vytvořena jako pokračování alespoň jedné dělicí výkresy