HU182534B

HU182534B - Process and apparatus for regenerating energy of cases let out from the blast furnace

Info

Publication number: HU182534B
Application number: HU78MI635A
Authority: HU
Inventors: Shirato Takeshi
Original assignee: Mitsui Shipbuilding Eng
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-09-14
Publication date: 1984-02-28
Also published as: MX146893A; ES480760A1; BE871909A; JPS5478368A; ES474086A1; CS229652B2; NL7809694A; GB2010968B; IT7851908A0; BR7806448A; DE2845505A1; FR2410676A1; IT1106938B; FR2410676B1; ATA755178A; US4270343A; PL117479B1; GB2010968A; AT368605B; RO85226B

Description

A találmány tárgya eljárás és berendezés nagyolvasztóból kibocsátott gáz energiájának vissza nyerésére.

A működő nagyolvasztók nagy mennyiségű gázt bocsátanak ki. A kibocsátott gáz magas hőmérsékletű és nagy nyomású, azaz a nagyolvasztók által kibocsátott gázok termikus és mechanikai energiával rendelkeznek. Ha ezeket a gázokat kibocsátják a szabad levegőre, a bennük rejlő energia kárba vész, ezért kívánatos ezeknek az energiáknak a hatékony visszanyerése.

A találmánnyal olyan eljárást és berendezést kívánunk létrehozni, a nagyolvasztóból kibocsátott gázok energiájának kinyerésére, axiális turbina alkalmazásával, amelyek segítségével az energia nagy hatékonysággal visszanyerhető és a porlerakódás, illetve a por által okozott eltömődések megakadályozhatok.

Eddig már számos kísérletet tettek a nagyolvasztóból kibocsátott gázok energiájának visszanyerésére. Például egy ilyen ismert energiavisszanyerési eljárást ismertet a 3 818 707 számú Amerikai Egyesült Államok-beli szabadalmi leírás.

A nagyolvasztókból kibocsátott gázok energiájának visszanyerésére szolgáló ismert eljárások két csoportba oszthatók. Az első csoportban centrifugális turbinákat, a másikban pedig axiális turbinákat alkalmaznak.

Az egyik hátrány, amely akkor észlelhető, ha egy nagyolvasztó által kibocsátott gázt egy turbina működtető közegeként alkalmaznak, az, hogy a kibocsátott gáz nagy mennyiségű port tartalmaz, és ha ezt a gázt közvetlenül betáplálják a turbinába, a por a vezetőlapátokhoz tapad, és eltömődést vagy hasonló nehézségeket okoz, ami csökkenti a hatásfokot. Ennek megfelelően a nagyolvasztó által kibocsátott gázt csak a por eltávolítása után táplálják be a turbinába.

Abban az esetben, amikor centrifugális turbinát alkalmaznak, a kibocsátott gázt először megtisztítják a portól, majd a gázt vízgőzzel telítik, és betáplálják a centrifugális turbinába, annak hajtására. A centrifugális turbina lapátjainak rögzítési módja és a vezetőlapátok hiánya miatt a centrifugális turbina a por megtapadása szempontjából előnyös, azonban a centrifugális turbinarendszer nagy méretű, és így a berendezés meglehetősen költséges. Továbbá a hatásfok viszonylag alacsony, és nagyon nehéz az energia hatékony visszanyerése.

Az axiális turbinát alkalmazó eljárás lényegesen előnyösebb a centrifugális turbinát alkalmazó eljárásnál abban a vonatkozásban, hogy az axiális turbina kis méretű, és magas hatásfokú. Azonban az axiális turbinát alkalmazó eljárásnak is számos hátránya van. Például a por a vezetőlapátokhoz (állólapátokhoz), valamint a futólapátokhoz tapad, és ezzel csökkenti a hatásfokot, továbbá a por eltömheti a vezetőlapátokat. Ezenkívül amennyiben por tapad a futólapátokhoz, ezek kiegyensúlyozatlanná válnak, ami például rezgéseket okozhat. Néha a vezetőlapátokhoz vagy a futólapátokhoz tapadt por nagyobb tömegben válik le és a futólapátokhoz vagy az áramlás irányában elhelyezkedő más alkatrészekhez ütközve megrongálhatja azokat, sőt komoly balesetet is okozhat.

Az axiális turbinát alkalmazó ismert eljárásnál a por lerakódása elkerülésére a nagyolvasztóból kibocsátott gázt nedves gáztisztítón vezetik át, és a gázt hevítik, hogy kiszárítsák a nedvességtől, majd a gázt ebben az állapotban vezetik a turbinába. Ennek megfelelően szükséges egy készülék alkalmazása a nagyolvasztókból kilépő gáz részletes elégetésére, vagy egy hőcserélő alkalmazására. Ezek következtében a berendezés bonyolulttá válik és a termikus hatásfok ennek megfelelően csökken.

A pornak a vezetőlapátokhoz vagy a turbina más alkatrészeihez való tapadása többek között a por mennyiségétől, összetételétől, a víz mennyiségétől és a gáz áramlási sebességétől függ. Még ha a nagyolvasztóból kibocsátott gázt például nedves porleválasztóval (Venturi gáztisztító) is tisztítják meg, a gáz körülbelül 100 mg/Nm³ port és 3—5 g/Nm³ vizet tartalmaz. A por ebben az állapotban igen hajlamos arra, hogy a turbina belsejében megtapadjon. Másrészt a por száraz állapotban nagyobb eróziót okoz a vezetőlapátokon és a futólapátokon, mint a vízzel körülvett por, és a kopás is nagyobb. Ezért ebben az esetben külön eszközt kell alkalmazni az erózió megelőzésére.

Célunk a találmánnyal olyan eljárás és berendezés létrehozása nagyolvasztóból kibocsátott gáz energiájának visszanyerésére, amelyek az eddig ismert megoldásoknál jobb hatásfokkal és gazdaságosabban alkalmazhatók.

A találmány szerinti eljárás során a port tartalmazó nagy nyomású gázt egy hajtott géppel összekötött, axiális turbinába vezetjük. A gázt először vízgőzzel telítjük, majd a telített gázba az axiális turbina előtt folyamatosan a telített gáz hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékletű vizet poriasztunk olyan mennyiségben, ami megfelel az áramló telített gáz 0,5-5 súlyszázalékának, és ezzel a telített gázt lehűtjük, és a vízgőz kondenzálásával ködöt hozunk létre benne, majd az így kezelt gázt az axiális turbinába tápláljuk.

A találmány szerinti berendezés a gázban levő port eltávolító és a gázt vízgőzzel telítő nedves porleválasztót, a nedves porleválasztót egy axiális turbii ával összekötő vezetéket és az axiális turbinával hajtott gépet tartalmaz. A nedves porleválasztót az axiális turbinával összekötő vezeték porlasztó készülékkel, továbbá a gázáramlás-szabályozó eszközzel van ellátva.

Mint már említettük, a találmány legfontosabb jellemzője az, hogy azután, hogy egy nagyolvasztóból kibocsátott portartalmú gázt vízgőzzel telítettünk, a telített gáznak egy axiális turbinába való bevezetése előtt folyamatosan a telített gáznál alacsonyabb hőmérsékletű vizet permetezünk a telített gázba, olyan mennyiségben, amely megfelel az átáramló telített gáz 0,5—5 súlyszázalékának. Ekkor nemcsak a mosási művelet, hanem a bepermetezett vízből keletkezett ködnek a hűtőhatása miatt is a gíizban levő túltelített vízgőz az axiális turbinába való belépés előtt kondenzálódik, és a kondenzálódó víz beburkolja a porszemcséket. Ha a meghatározott mennyiségű vizet porlasztjuk be a telített gázba, az axiális turbina előtt, akkor hatékonyan megelőzhető a por lerakódása és felhalmozása a turbina lapátjain. Továbbá számos eróziógátló intézkedést teszünk a 3

-2182534 lapátok védelmére, úgyhogy a nagmennyiségű víz bepermetezésével keltett köd nem fejt ki káros hatást, és a vezetőlapátozás és a futólapátozás hatékonyan el tudja látni a feladatát a nagymennyiségű köd jelenlétében is, anélkül, hogy élettartamuk csökkenne. Más szavakkal, bár figyelembevettük, hogy egy szokásos axiális turbinánál az a minimális vízmennyiség, amely szükséges a por megtapadásának és felhalmozásának megakadályozására, nagyobb, mint az a maximális megengedhető vízmenynyiség, amely még nem okoz eróziót, tehát lehetetlen egy szokásos axiális turbinát gyakorlatilag nagyolvasztóból kibocsátott gáz energiájának visszanyerésére használni, míg a találmány szerint a hagyományos technikával járó nehézségek teljesen kiküszöbölhetők, és lehetővé válik nagyolvasztókból kibocsátott gáz energiájának hatékony visszanyerése egy axiális turbina alkalmazásával.

A találmányt a továbbiakban kiviteli példák és rajzok alapján ismertetjük részletesebben. A rajzokon az

1. ábra a nagyolvasztóból kibocsátott gáz energiájának visszanyerésére szolgáló találmány szerinti berendezés egyik kiviteli alakjának vázlata, a

2. ábra porlerakódás az áŰólapátokon, a

3. ábra a bepermetezett hűtővíz mennyiségének összefüggése a megtapadó por mennyiségével és a vezetőlapátok kopásának mértékével, a

4. ábra a megtapadó por mennyisége és a turbina hatásfoka közötti összefüggést szemléltető diagram, az

5. ábra az első vezetőlapátozásból kilépő gáz sebessége és a megtapadó por mennyisége közötti összefüggést szemléltető diagram, a

6. ábra a találmány szerinti axiális turbina első vezetőlapátozása, valamint egy szokásos axiális turbina első vezetőlapátozása, a

7. ábra a vezetőlapátok közötti távolság (S) és a lapátok hossza (C) aránya (S/C) és a turbina folytonos üzemeltetésének ideje (óra) közötti összefüggés diagramja, a

8. ábra a lapáthossz és a vezetőlapátra tapadó por mennyisége közötti összefüggés diagramja, a

9. ábra a futólapátozás a₂ kilépési szöge és a gáznak a futólapátozás elhagyásakor mérhető viszonylagos V₂ sebességének viszonyát ábrázoló diagram, a

10. ábra a találmány szerinti axiális turbina egy részének hosszmetszete, a

11. ábra a gáz kilépési sebessége a vezetőlapátozásból és a futólapátozásból, a

12. ábra a 11. ábrán feltüntetett gázkilépési sebességek vektoros ábrázolása és a

13. ábra a találmány szerinti axiális turbinában áramló gázban keltett örvénylő áramlások.

Az 1. ábrán egy nagyolvasztóból kilépő gáz energiájának visszanyerésére szolgáló találmány szerinti berendezés egy kiviteli alakjának vázlata látható; az 1 nagyolvasztót elhagyó gázt a 3 porleválasztóba vezetjük a 2 vezetéken át, majd a gáz egy Venturi gáztisztítóba, azaz az 5 nedves porleválasztóba kerül a 4 vezetéken át.

Az 5 nedves porleválasztóban az 1 nagyolvasztóból származó gáz először vízgőzzel telítődik. Például 4 ha az 1 nagyolvasztóból származó gáz általában körülbelül 150°C-os, és körülbelül 2 at nyomású, a gáz a víz elgőzölgése következtében lehűl az 5 nedves porleválasztóban, és átalakul a vízgőzzel telített aj gázzá, amelynek hőmérséklete körülbelül 60 °C.

A telített aj gáz áthalad a 6 vezetéken, a bemeneti 7 szelepen, a 8 vezetéken, a biztonsági 9 elzárószelepen, a 10 vezetéken, a 11 szabályozószelepen, és a 12 vezetéken, majd beomlik az axiális 13 turbinába. Az axiális 13 turbina a hajtott 14 géppel van összekötve, és ennek számára erőforrásul szolgál.

A találmány szerint, amikor a telített aj gáz áthalad a 10 és 12 vezetékeken, a telített aj gáz hőmérsékleténél kisebb hőmérsékletű vizet permetezünk be folyamatosan a telített aj gázba, és ezt a túltelített a₂ gázzá alakítjuk át. Az axiális 13 turbinából kilépő a₂ gáz áthalad a 15 vezetéken, a kimeneti 16 szelepen, a 17 vezetéken, a kimeneti 18 elzárószelepen és a 19 vezetéken, majd a 20 vezetéken át kilép a rendszerből.

Az 1 nagyolvasztóból származó gáz fent említett áramlási rendszerében a találmány szerint még mielőtt az 5 nedves porleválasztóban telített aj gáz belép az axiális 13 turbinába, előre meghatározott mennyiségű vizet poriasztunk be folyamatosan az a_t gázba. Erre a célra az áramlási rendszerbe egy porlasztó készülék van beépítve, amely a 23 szivattyút tartalmazza. Annak érdekében, hogy a porlasztóit vízből álló b áramlást hozzáadjuk a telített aj gázhoz az axiális 13 turbina előtt, a 23 szivattyú a 24 vezetéken át a 10 vezetékkel, valamint a 25 vezetéken át a 12 vezetékkel van összekötve. Az 1. ábrán látható kiviteli alaknál all szabályozószelep mosása érdekében a b porlasztóit vízáramot all szabályozószelep előtt vezetjük a 10 vezetékbe. A b porlasztóit vízáramnak a 10 vezetékbe való bevitele mellőzhető, és a b porlasztóit vízáram csak a 25 vezetékhez is csatlakoztatható, vagy az axiális 13 turbina előtt elhelyezkedő bármely más részhez.

A találmány szerint a b porlasztott vízáramból keletkező köd hűtőhatása miatt a telített aj gázban a vízgőz kondenzálódik és ennek során vékony vízréteg veszi körül a porrészecskéket.

A találmány jobb megértése érdekében a továbbiakban leírjuk azt az állapotot, amely megakadályozza por megtapadását a turbina vezetőlapátozásán vagy futólapátozásán.

Egy axiális turbinában kis méretű (1 mikronnál kisebb) részecskékből álló por, amely például a nagyolvasztóban elgőzölgéssel és kondenzálódással keletkező fémoxidokat és szulfidokat tartalmaz, nemcsak a vezetőlapátozás homorú felületein tapad meg és halmozódik fel, hanem más vezetőlapátok domború felületén is (a lapátok hátoldalán). Tisztázódott, hogy ilyen megtapadás és felhalmozódás nagy sebességű fémrészecskék és úgynevezett OH-kötések becsapódása következtében lép fel.

Mivel a pusztán víz beporlasztással előállított köd részecskéinek nagysága viszonylag nagy, ezek alig tudják kifejteni tisztító hatásukat a vezetőlapátok domború felületein (a lapátok hátoldalán), a tehetetlenségi erő következményeként fellépő szeparáló hatás miatt. Ennek megfelelően a por megtapadása és felhalmozódása ezeken a helyeken könnyen

-3182534 végbemegy és gyakran oda vezet, hogy a por eltörni a vezetőlapátozást. Kísérleteket végeztünk a nemkívánatos jelenséggel kapcsolatban, és megállapítottuk, hogy annak érdekében, hogy a tisztító hatás ezeken a helyeken is érvényesüljön, szükséges a ködrészecskék nagyságának csökkentése. Pontosabban azt állapítottuk meg, hogy a szokásos vízbepermetezéssel előállított köd részecskéi túl nagyok, és a fenti cél eléréshez kis részecskenagyságú (körülbelül 1 mikron) köd jelenlétére van szükség, amelyet a vízgőz kondenzációja hoz létre a túltelített gázban a gáznak a gáz hőmérsékleténél kisebb hőmérsékletű víz bepermetezésével végrehajtott hűtésekor.

Kísérleteink eredményei megerősítették, hogy a

2. ábrán látható 26 vezetőlapátozás 27 lapátjának domború felületű részén megtapadó porszemcsék körülbelül 1 mikron nagyságúak vagy kisebbek. Annak érdekében, hogy a hűtővízből keletkezett köd a d porrészecskékre csapódjon, szükséges, hogy a ködrészecskéket ahhoz hasonló pályán továbbítsuk, mint amilyenen a por halad. Ezért a porszemcsék nagysága körülbelül 1 mikron lehet. A nedves porleválasztóban kezelt gáz relatív nedvességtartalma körülbelül 100 százalék. Ennek megfelelően, ha ezt a gázt akár csak kismértékben is hűtjük, lehetővé válik ilyen kis részecskékből álló köd előállítása.

A találmány szerint kisméretű részecskékből álló köd hozható így létre, és ez végigáramlik a bi vonal mentén, amely nem teljesen ugyanaz mint a folyamatos g vonallal jelölt gázáramlási út a 2. ábrán, de nagyon hasonló ahhoz. így nemcsak a 27 lapát homorú felületére tapadt di por lemosása oldható meg, hanem a 27 lapát domború felületére tapadt d₂ por lemosása is.

Látható, hogy ha a bi porlasztott vízáram kisméretű részecskékből áll, és a por d pályájához hasonló úton áramlik, meggátolható a por megtapadása és felhalmozódása a 26 vezetőlapátozás részét képező 27 lapát domború felületén.

Ha a vízgőzzel telített gázba hűtővizet permetezünk, vízgőz kondenzálódik, és ekkor olyan vízcseppek keletkeznek, amelyek magját kisméretű porrészecskék képezik. Más szavakkal, a porrészecskékeí vízfilm veszi körül. Ennek megfelelően az említett OH-kötések hatástalanná válnak, és a vízfilm „ütközőként” szerepel, tompítva a lapátokra, csapódó nagysebességű porrészecskék ütközését. így a por tapadása a vezetőlapátok domború felületén megakadályozható.

A vezetőlapátokra tapadó por eltávolítására befecskendezett víz mennyisége úgy határozható meg, hogy az alsó határ az a mennyiség, amely már jelentős mértékben akadályozza a por megtapadását, a felső határ pedig az a mennyiség, amely még nem okoz eróziót.

A 3. ábrán az ordináta tengely az évi kopást mutatja milliméterben a vezetőlapátokon, és a megtapadó por mennyiségét, td/c (porvastagság/lapáthossz), és az abszcissza mutatja a bepermetezett víz mennyiségét (a gáz súlyszázalékában).

Ha egy szokásos axiális turbina tényleges működése során mérhető adatokat tekintjük, megállapítjuk, hogy a vezetőlapátok évi kopása 2 mm, a bepermetezett víz felső határa pedig 5 százalék. Ha a megtapadó por mennyiségét (td/c) 5 százalékra állítjuk be úgy, hogy biztosítva legyen a jó hatásfok, a bepermetezett víz alsó határértéke 0,5-0,7 százalék.

A 3. ábrán az Li vonal mutatja az erózió kritikus értékét, az L? vonal az erózió nagyságát és az L₃görbe a megtapadó por td/c mennyiségének kritikus értékét.

A vezetőlapátokhoz tapadó por mennyisége szoros kapcsolatban van a hatásfok csökkenésével. A turbinát úgy kell működtetni, hogy a megtapadó por mennyisége olyan tartományon belül maiadjon, ahol még nem csökken lényegesen a hatásfok.

A 4. ábra a megtapadó por mennyiségének hatását mutatja a hatásfok csökkenésére. A 4. ábrából látható, hogy ha a hatásfok csökkenését a kezdeti hatásfoktól számítva 10 százalékon belül akaijuk tartani, a megtapadó por mennyiségét (td/c) 5 százalék alatt kell tartani.

Az 5. ábra a por vastagsága és az első fokozat vezetőlapátozásából kilépő gáz áramlási sebessége közötti összefüggést mutatja. A megtapadó por mennyisége (td) a legnagyobb, 1,5 mm, az M pon- \ tón, ha az áramlási sebesség 120 m/s, és a lapát hossza (C) 120 mm. Ha a gáz áramlási sebessége 200m/sec, és a lapáthossz (C) 200 mm, a megtapadó por mennyisége (td) a legnagyobb, mégpedig 15 mm, az N ponton. Az O pont azt a pontot jelöli, ahol a megtapadó por mennyisége nulla vagy lényegében nulla. A 4. ábrán feltüntetett adatokból látható, hogy a megtapadt por vastagságát 5 százalék alatt kell tartani. Ha a por megtapadási vastagságát 5 százalék alatt akaijuk tartani, az 5. ábrából látható, hogy a gáz áramlási sebessége, az első vezetőlapátozáson csak kisebb lehet, mint 180 m/sec. A turbina hatásfokának növelése érdekében szükséges, hogy az első vezetőlapátozásból kilépő gáz áramlási sebességét növeljük. Feltételezve, hogy a megtapadó por megengedhető mennyisége 2-5 százalék között van, az első vezetőlapátozásból kilépő gáz áramlási sebessége 180-12 m/s, 180-140 m/s. Ebben az esetben a megengedhető kilépési szög 46-60°, előnyösen 48-60

A 6. ábrán az axiális turbina vezetőlapátozásának találmány szerinti 27 lapátjai láthatók, összehasonlítva egy hagyományos axiális turbina 27’ lapátjaival.

A találmány szerinti 27 lapát mérete lényegesen nagyobb, mint a hagyományos turbina lapátmérete.

Ilyen nagyméretű lapátokat speciálisan a találmányhoz tervezünk, illetve alkalmazunk.

A 7. ábrán azoknak a kísérleteknek az eredményei láthatók, amelyeket a 6. ábrán látható lapátelrendezés meghatározása érdekében végeztünk. A 7. ábrán az abszcissza tengelyre van felmérve két szomszédos lapát középpontja közötti S távolság és a lapát G hosszának S/C aránya. Az ordináta tengely a turbina folytonos működésének idejét mutatja (vízbepermetezés nélkül). A két tényező között lineáris összefüggés van. A 7. ábrán az R pont azt az értéket mutatja, amit akkor kapunk, ha a gáz áramlási sebessége a vezetőlapátozásból való kilépéskor 136 m/sec, és a lapátok közötti távolság 6 mm. A 7. ábrából látható, hogy az S/C érték növelésével meghosszabbodik a működési idő. Más szóval a lapátok közötti távolság növekedése hátráltatja a vezetőlapátozás eltömődését.

-4ISZÍJ*»

A 8. ábrán látható diagram felmérve a megtapadó por vastagsága ordináta tengely és a lapáthosszúság abszcissza tengely közötti összefüggést mutatja, hogy az S/C arány körülbelül 1,5. A 8. ábrából megállapítható, hogy a lapát méretének növelésével a porvastagság, azaz a megtapadó por mennyisége viszonylag csökken. A 8. ábrán a P pont azt az értéket mutatja, amit akkor kapunk, ha a lapát C hossza 35 mm, és a gáz V_o kilépési sebessége 136 m/sec, a Q pont pedig azt az értéket mutatja, amit akkor kapunk, ha a lapát hosszúsága 120 mm és a kilépési sebesség 120 m/sec.

A fenti kísérleti eredményekből látható, hogy ha a lapát mérete nő, a köd végigáramolhat a lapát mentén, és eközben a lapát hátsó felületét is érinti. Ezért a lapáthoz tapadt por lemosódik. így a por még akkor sem tömi el a vezetőlapátozást, ha a turbinát hosszú ideig folyamatosan üzemeltetjük.

A 9. ábrán látható diagram a futólapátozás a₂kilépési szöge (relatív szög) (abszcissza tengelye) és a relatív V₂ sebesség (ordináta tengely) viszonyát mutatja, ahol a V₂ sebesség a futólapátozást elhagyó gáz sebessége. Ha a φ áramlási sebesség együttható a 0,4-0,7 terjedő tartományban van, és az áramlási sebesség 120-180 m/sec, vagy 140-180 m/sec, amelyet az 5. ábrán feltüntetett eredményekből határoztunk meg, és az ordináta tengelyen ábrázoltuk, és megrajzoltuk a 0,4-0,7 értékű φ áramlási sebesség együtthatók vonalait, látható, hogy egy megfelelő a₂ kilépési szög körülbelül 50—60°-os tartományban van.

Mint már említettük, a találmány szerinti axiális turbinát az jellemzi, hogy a lapátok hosszát megnöveltük, különösen az első fokozatban (a magasság aránya a lapáthosszhoz 0,7-1,5), a lapát kilépő élének vastagságát 6— 12mm-re növeltük, és a vezetőlapátozás kilépési szöge a kilépési sebesség és a futólapátok külső végének kerületi sebessége kisebb, mint a szokásos axiális turbinánál. Ezen jellemző következtében a találmány szerint a vízporlasztást igen hatékonyan alkalmazzuk por megtapadásának és felhalmozódásának megakadályozására a vezetőlapátokhoz, különösen az első fokozatban, és a beporlasztott víz által okozott eróziót gyakorlatilag elhanyagolhatót szinten tartjuk.

Továbbá a találmány szerinti axiális turbinában a gáz kiáramlási sebessége különösen az első fokozat vezetőlapátozásán (az első fokozat állólapátozásán) kisebb, mint egy szokásos axiális turbinánál, és 120-180 m/sec-ra van beállítva, előnyösen 140-180m/sec-ra a gáz kiáramlási szöge 46-60° és a futólapátok külső végének kerületi sebessége 150-230 m/sec. A találmány ezen jellemzőinek köszönhetően a vezetőlapátozásból kilépő gáz abszolút sebessége és a futólapátozáson áthaladó, illetve abból kilépő gáz abszolút sebessége úgy van beállítva, hogy örvénylő áramlások keletkeznek, amelyek a turbina tengelye körül ugyanabban az irányban forognak.

Pontosabban a gázáramlás a turbina belsejében örvénylő mozgást végez a turbina tengelye körül, és ha a gáz így végigörvénylik a turbinában, centrifugális erő keletkezik a gázban, és ez a centrifugális erő kiválasztja a gázból a por- és a ködrészecskéket és ezeket a turbinaház belső falára juttatja.

A találmány szerinti eljárás foganatosítására alkalmas axiális turbina szerkezetét a továbbiakban rajz alapján ismertetjük részletesebben.

A 10. ábra az axiális turbina első fokozatának metszetét mutatja, beleértve a turbina tengelyét is.

All. ábra a lapátok elrendezését szemlélteti, a 12. ábra pedig a sebességvektor háromszögeket mutatja.

A 31 forgórészagy forgathatóan van ágyazva a 30 turbinaház központi részében, továbbá a 30 házon egy 32 gázbelépő nyílás van kialakítva. Az első fokozat 34 vezetőlapátozása (állólapátozás) és a második fokozat 35 vezetőlapátozása az említett forgórészagyat körülvevő ház 33 szakaszának belső oldalán van elhelyezve. Az első fokozat 36 futólapátozása és a második fokozat 37 futólapátozása egymás után van elhelyezve a 31 forgórészagyon.

A gáz útja a következő: A 11. és 12. ábra szerint 7 az első fokozat 34 vezetőlapátozásából és a második fokozat 35 vezetőlapátozásából a gáz V_Oi, illetve V₀₂ sebességgel lép ki. A Vjj‘ és V_J2 sebességek jelentik a gáz viszonylagos beömlési sebességét a 36, illetve 37 futólapátozásokon. Az első fokozat 36 futólapátozásából, illetve a második fokozat 37 futólapátozásából kilépő gáz a V₃₄, illetve V₃₅abszolút sebességekkel rendelkezik. A 36, illetve 37 futólapátozásokból kiáramlásnál V₂₁, illetve V₂₂ a relatív sebesség.

A 12. ábrán, all, ábrán feltüntetett gázsebességek vektorai láthatók; amint a 12. ábrán látható a V01,; V02,; V₃₄,; V₃₅, sebességkomponensek a V_Oi és V₀₂ abszolút sebességekhez tartoznak, amelyekkel a gáz elhagyja az első fokozat, illetve a második fokozat 34, illetve 35 vezetőlapátozását, továbbá a V₃₄ és V₃₅ abszolút sebességekhez tartoznak, amelyekkel a gáz elhagyja az első fokozat, illetve a második fokozat 34, illetve 35 futólapátozását, amelyek a turbina tengelyéhez viszonyítva ugyanabban az irányban vannak elhelyezve. Részletesebben, a találmány szerint a 34, 35 vezetőlapátozásból kiáramló gáz abszolút sebességét és a 36, 37 futólapátozásból kiáramló gáz abszolút sebességét, amely a 34, 35 vezetőlapátozásból kilépő gáz abszolút sebességét veszi fel, úgy határozzuk meg, hogy a turbina tengelyére vonatkoztatva azonos irányú sebességkomponenseik legyenek. Ezáltal a turbinában áramló gáz örvénylő komponensekkel rendelkezhet, amelyek ugyanabban az irányban forognak, és középpontjuk a turbina tengelye. így tehát a gáz spirál alakban örvénylik a turbina tengelye körül és a gáz ebben az örvénylő állapotban halad a kilépő nyílás felé.

A 13. ábrán a vezetőlapátozások a futólapátozások elrendezése, valamint a gáz áramlása látható a vezetőlapátozásokból a futólapátozásokból. A V_Oi és V₀₂ abszolút sebesség, amellyel a gáz a₀ kiáramlási szöggel kilép a vezetőlapátozásokból, illetve a futólapátozásokból a₃ kiáaramlási szöggel kilépő gáz V₃₄ és V_3S abszolút sebessége azonos irányú. Ezáltal örvénylő áramlások keletkeznek a gázban, amelyek egyirányban forognak. Ennek következtében centrifugális erő lép fel a gázban, ami hatékonyan kiválasztja a gázból a por- és ködrészecskéket.

Amint a 10. ábrán látható, a gázcsatorna kerületén, a ház 33 szakaszán, a 13 turbina tengelyére

-511 merőleges síkban a 38 hornyok vannak kialakítva. Egy 38 horony van elhelyezve minden szomszédos 34, 35 vezetőlapátozás és 36, 37 futólapátozás között. Előnyösen a 38 horony olyan helyen van kialakítva, hogy ez nem gyengíti a turbina alkatrészeit. A 38 horony alján egy 39 kibocsátó nyílás van kialakítva, amely össze van kötve a 41 elválasztó kamrával, amelyet a ház 33 szakasza és a házat körülvevő 40 burkolat határol. A 38 horony helyett egy ennek feladatát ellátó rés és egy 39 kibocsátó nyílás is kialakítható.

A 41 elválasztó kamra egy elvezető csővel vagy hasonló alkatrésszel van összekötve (nincs feltüntetve). A 38 hornyokban összegyűlt por a 39 kibocsátó nyílásokon át a 41 elválasztó kamrába kerül és a por kondenzációval keletkezett vízcseppek belsejében helyezkedik el. így a por a 41 elválasztó kamra alsó részén gyűlik össze, amelyből a 42 elvezető nyíláson át egy elvezető csőbe jut.

A belépő fokozat lapátjainak kialakítása és speciális elrendezése eredményezi az említett hatásokat, és ezért fontos, hogy az első fokozat vezetőlapátozását és az első fokozat futólapátozását a fent említett módon tervezzük meg.

Egy axiális turbina üzemeltetésekor a nagyolvasztóból kibocsátott gáz felhasználásával az az első megoldandó feladat, hogy hogyan akadályozzuk meg a por megtapadását a turbina vezetőlapátozásán vagy futólapátozásán a fent leírt módon. A második feladat pedig az, hogy hogyan küszöböljük ki vagy csökkentsük a beporlasztott víz által okozott eróziót. A találmány szerint az axiális turbinával kapcsolatban a következőket javasoljuk:

Az axiális turbina első fokozatában a futólapátok külső végének kerületi sebessége kisebb, mint a szokásos axiális turbinánál, és 250-150 m/sec-re van beállítva. Általában a szokásos axiális turbinákat úgy tervezik, hogy az említett kerületi sebesség 300 m/sec vagy annál több legyen.

A kerületi sebességnek ezt a célszerű tartományát kísérleti eredmények alapján határoztuk meg, a kerületi sebesség és a fellépő erózió közötti összefüggés vizsgálatával.

A kerületi sebesség csökkentése a futólapátok és a gáz relatív sebességének csökkentésében nyilvánul meg, valamint csökken a ködrészecskék becsapódási sebessége is a futólapátokon. Ha a kerületi sebességet csökkentjük a belépő fokozatok, ezen belül az első fokozat futólapátjain és csökkentjük a gáz kilépési sebességét a belépő fokozatok ezen belül az első fokozat vezetőlapátozásából, csökken az egyes fokozatok által végzett munka. A találmány szerint azonban ezt a hátrányt a fokozatok számának növelésével küszöböljük ki és ezzel megakadályozzuk, hogy a hatásfok csökkenjen.

A lapátok elhelyezését megváltoztatjuk a találmány szerinti axiális turbinában, mégpedig a lapátok méretét és vastagságát megnöveljük, a 6. ábra szerint, a hagyományos turbinához viszonyítva.

Ha a hagyományos axiális belépő fokozatában a 27’ lapát metszetét összehasonlítjuk a találmány szerinti axiális turbina megfelelő 27 lapátjának metszetével, látható, hogy a találmány szerinti axiális turbina 27 lapátjának nagyobbak a méretei. Ezzel az elrendezéssel a porlerakódás következtében fellépő eltömődés megelőzhető, és az erózió befolyása hatékonyan csökkenthető. Pontosabban a találmány szerint a lapát magasságának és hosszának aránya 0,7-1,5. Ez az arány a szokásos axiális turbinánál általában körülbelül 2-3. A találmány szerint ez az arány különlegesen kicsi. Röviden, a találmány szerint vaskosabb, nagyobb méretű lapátot használunk. A szokásos axiális turbinában a lapátok kilépő éle vékony, általában körülbelül 1-2 mm. A találmány szerint, mivel hosszú lapátokat alkalmazunk, a kilépő éleket is körülbelül 6-12 mm vastagságúra alakítjuk ki. Ezzel a megoldással az erózió hatékonyan kiküszöbölhető, a találmány szerint.

A találmány szerint csökkentjük a gáz kilépési sebességét. A por tapadásának megakadályozására az első vezetőlapátozásból kilépő gáz sebességét J 20-180 m/sec-re, előnyösen 140—180 m/sec-ra csökkentjük. A gáz sebességének ezzel a csökkentésével egyidejűleg csökken a gáz és a futólapátok közötti relatív sebesség. így nemcsak a por megtapadását megelőző hatás, hanem eróziócsökkentő hatás is elérhető a találmány segítségével.

A találmány szerint a köd részecskéket azonnal eltávolítjuk. Az első fokozatban a víz bepermetezésével csökken a gáz hőmérséklete és ennek megfelelően a gázban levő víz kondenzálódik. Mint már említettük, a kondenzálódó víznek az a feladata, hogy befogja a porrészecskéket; a nagyobb mennyiségű beporlasztott víz következtében viszont nő az erózió veszélye.

Ennek a hátránynak a kiküszöbölésére egy hornyot vagy rést alakítunk ki a turbina házában a 9. ábrának megfelelően, a köd- és porrészecskék összegyűjtésére, és a turbinából való eltávolítására. Továbbá, mivel örvénylő mozgásokat hozunk létre a gázban, amint a 11-13. ábrákon látható, a gáz hőmérsékletének csökkentésével a létrehozott ködrészecskéket hatékonyan elválasztjuk a gáztól, és eltávolítjuk a turbina belsejéből, és ezáltal hatékonyan csökkentjük az erózió veszélyét.

Általában a gázban levő porrészecskéket a turbina belépő fokozataiban távolítjuk el, de néhány esetben a por a gáz szivárgásának megakadályozására szolgáló labirintusba is behatol. Ha por hatol be a labirintusba, és itt megtapad és felhalmozódik, csökken a tömítőhatás. Ezért meg kell akadályozni a por behatolását. Erre a célra előnyösen olyan eljárást alkalmazunk, amelynél egy semleges gázt vagy vízgőzt kissé nagyobb nyomáson tartunk, mint a gáz nyomása, és bevezetjük a labirintusba. Ezáltal a portartalmú gáz behatolása a labirintusba megakadályozható.

A találmány szerint az említett szerkezeti jellemzők következtében a nagyolvasztókból kibocsátott gázban levő porrészecskék jó hatásfokkal eltávolíthatók, az erózió megakadályozható, és ezáltal az axiális turbina megóvható a kopástól és sérülésektől. A továbbiakban összefoglaljuk a találmány fentiekben már leírt jellemzőit:

A nagyolvasztókból kibocsátott gázból történő energiavisszanyerésnél egy axiális turbina segítségével a nagyolvasztóból kibocsátott gázt először egy nedves porleválasztóban kezeljük, ezzel átalakítjuk a gázt telített gázzá és még mielőtt a telített gázt bevezetnénk az axiális turbinába, a gáz hőmérsékle7

-6182534 ténél alacsonyabb hőmérsékletű hűtővizet permetezünk a telített gázba, az átáramló gáz 0,5—5 súlyszázalékát kitevő mennyiségben.

A bepermetezett víz mennyiségét olyan tartományba állítjuk be, hogy megakadályozzuk por megtapadását a vezetőlapátozáson, különösen az első fokozatban, és a vezetőlapátozás és futólapátozás erózióját biztonságos üzemeltetést biztosító szintre korlátozzuk.

A hűtővíz bepermetezésével a porrészecskéket vékony vízfilm veszi körül, amelynek csillapító hatása van, ami abban nyilvánul meg, hogy megakadályozza, hogy a porrészecskék a vezetőlapátokba vagy más alkatrészekre tapadjanak. Az előállított ködrészecskék olyan kicsik, mint a porrészecskék, és ezért a ködrészecskék a por útjához nagyon hasonló pályán haladnak, és végigáramolnak a lapátok felülete mentén, miáltal a ködrészecskék eltávolítják a vezetőlapátokra tapadt porrészecskéket.

A nagyolvasztók által kibocsátott gázok energiájának visszanyerésére különleges szerkezetű axiális turbinát tervezünk. A belépő fokozatok, különösen az első fokozat vezetőlapátjainak és futólapátjainak méreteit megnöveltük, úgy, hogy lényegében a por nem tapad meg, és erózió nem lép fel, így biztonságos üzemeltetés garantálható.

A találmány szerinti axiális turbina szerkezeti jellemzőit az alábbiakban foglaljuk össze:

A vezetőlapátokban, különösen az első fokozatban, a gáz kiáramlási sebessége 140-180 m/sec és a kiáramlási szög 50-60°. Amint az 5. ábrán látható, ha a kiáramlási sebesség a szokásos axiális turbináknál alkalmazott tartományban van (200 m/sec vagy annál nagyobb), növekszik a megtapadó por mennyisége. A találmány szerint a kiáramlási sebességet az említett szintre csökkentjük, és ezzel a por megtapadását hatékonyan megakadályozzuk.

Legalább az első fokozat vezetőlapátjait és futólapátjait úgy alakítjuk ki, hogy a lapát magasságának és hosszának aránya 0,7-1,5.

Amint a 7. ábrán látható, ha a lapáttávolság/lapáthosszúság aránya (S/C) növekszik, az axiális turbina folyamatos üzemeltetési ideje növelhető. Továbbá, amint a 8. ábrából látható, ha növekszik a lapáthosszúság (C), a megtapadó por mennyisége drasztikusan csökken. Ezekre a kísérleti eredményekre alapozva, amint a 8. ábrán látható, az axiális turbinát úgy alakítjuk ki, hogy lényegében nem lép fel porlerakódás.

A lapátok méreteinek ezen növelésével egyidejűleg a lapát kilépő élének vastagságát is 6-12 mm-re növeljük, legalább az első fokozat vezetőlapátjainál és futólapátjainál, és ezáltal jelentékenyen megnöveljük a lapátok erózióval szembeni ellenállóképességét.

A futólapátok külső végének kerületi sebességét 150-180 m/sec-re csökkentjük az axiális turbina első fokozatában. Egy szokásos axiális turbina esetében az első fokozatban a futólapátok külső végének kerületi sebessége 300 m/sec vagy annál nagyobb. A találmány szerint a kerületi sebességnek a már említett szintre való csökkentésével a hatásfok magas szinten tartható, annak ellenére, hogy a gáz kiáramlási sebessége csökken a vezetőlapátozáson.

Bár a futólapátozásokból kiáramló gáz sebessége nagyobb, mint a szokásos axiális turbináknál, a hatá8 sok csökkenését nagyobb számú fokozat alkalmazásával kerüljük el.

Az axiális turbina gázcsatomája kerületének belső felületén a turbina tengelyére merőleges rés vagy horony van kialakítva, miáltal örvénylő áramlások keletkeznek a gázban; jelentékenyen javul a por- és ködrészecskék kiválasztása a gázból. Az így leválasztott por- és ködrészecskéket az említett rés vagy horony segítségével távolítjuk el.

Ha alacsony hőmérsékletű vizet permetezünk a vízgőzzel telített gázba, a gáz energiát veszít, a vízgőz kondenzálódik, és ködrészecskék keletkeznek. A találmány szerint az így előállított ködrészecskéket a gázban keltett örvénylő mozgás segítségével előállított centrifugális erő felhasználásával összegyűjtjük a gázcsatoma kerületén, és kivezetjük a turbinából. Ennek eredményeként az erózió megelőzhető, a turbina teljesítménye stabilizálódik és javul, és a turbina élettartama jelentősen megnő.

Amint a fentiekből látható, a találmány szerint az axiális turbina, amely nagyolvasztókból kibocsátott gázból történő energiavisszanyerésre szolgál, úgy van megszerkesztve, hogy lényegében nem lép fel porlerakódás, továbbá a köd- és porrészecskéket azonnal eltávolítjuk. Ennek eredményeként érhetők el az említett hatások és előnyök. Továbbá a hatásfok legalább 10 százalékkal növelhető egy centrifugális turbinához viszonyítva, és a berendezés költségei lényegesen csökkennek. Az energiavisszanyerési arány is magas. Ezért a találmány gazdaságossági szempontból rendkívül előnyös.

Ezen túlmenően a következő előnyök érhetők el a találmány szerint:

Egy hagyományos axiális turbinával összehasonlítva a találmány szerinti axiális turbina előnyös, mivel a nagyolvasztóból kibocsátott gázból a por tökéletesen eltávolítható, a kibocsátott gázt nem kell melegíteni a turbinába való bevezetés előtt, és jelentős berendezés-költségek takaríthatok meg.

Ha folyamatosan olyan vizet permetezünk a telített gázba, amelyet ugyanaz a rendszer szolgáltat, amely vízzel látja el a nedves porleválasztót is, a berendezés szerkezete egyszerűsíthető.

A találmány abból a szempontból is előnyös, hogy a nagyolvasztókhoz használt szokásos nedves porleválasztóból kibocsátott gáz közvetlenül felhasználható.

Claims

Szabadalmi igénypontok:

1. Eljárás nagyolvasztóból kibocsátott gáz energiájának visszanyerésére, amelynek során a port tartalmazó nagynyomású gázt egy hajtott géppel összekötött, axiális turbinába vezetjük, azzal jellemezve, hogy a gázt először vízgőzzel telítjük, majd a telített gázba az axiális turbina előtt folyamatosan a telített gáz hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékletű vizet poriasztunk olyan mennyiségben, ami megfelel az áramló telített gáz 0,5-5 súlyszázalékának, és ezzel a telített gázt lehűtjük és a vízgőz kondenzálásával ködöt hozunk létre benne, majd az így kezelt gázt az axiális turbinába tápláljuk.

-7182534
2. Berendezés nagyolvasztóból kibocsátott gáz energiájának visszanyerésére, amely a gázban levő port eltávolító és a gázt vízgőzzel telitő nedves porleválasztót, a nedves porleválasztót egy axiális turbinával összekötő vezetéket, és az axiális turbinával hajtott gépet tartalmaz, azzal jellemezve, hogy a nedves porleválasztót (5) az axiális turbinával (13) összekötő vezeték (6, 8, 10, 12) porlasztó készülékkel, továbbá gázáramlás-szabályozó eszközzel van ellátva.
3. A 2. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a porlasztó készülék szivattyút (23) és vezetékeket (24, 25) tartalmaz.
4. A 2. vagy 3. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a gázáramlás-szabályozó eszköz a nedves porleválasztót (5) az axiális turbinával (13) összekötő vezetékbe (6, 8,

10, 12) beépített bemeneti szelep (7) elzárószelep (9) és a szabályozószelep (11).
5. A 2-4. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az axiális

5 turbinában (13) a vezetőlapátozás (34, 35) kilépési szöge (a₀) 50-60°.
6. A 2-5. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az axiális turbina (13) vezető- és futólapátozásánál (34, 37) a

10 lapátok (27) magasságának és hosszának aránya 0,7-1,5.
7. A 2—6. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az axiális turbinában (13) a gázcsatorna kerületén, a turbina

15 (13) tengelyére merőleges síkban horony (38) van kialakítva.