PL248961B1 - Urządzenie do odpylania gazów przemysłowych z cząstek wysokoerozyjnych, w szczególności gazów zawierających cząstki o twardości powyżej 7 w skali Mohsa, zwłaszcza w instalacjach suchego chłodzenia koksu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie do odpylania gazów przemysłowych z cząstek wysokoerozyjnych zbudowane z co najmniej jednego cyklonu, mającego część cylindryczną i część stożkową, gdzie część stożkowa posiada wylot pyłu, w części cylindrycznej znajduje się rura wylotowa, która ma wylot gazu, mające wlot surowca podlegającego przetworzeniu usytuowany stycznie do obwodu części cylindrycznej cyklonu, przy czym kąt między osią wlotu a płaszczyzną pionową poprowadzoną przez oś pionową cyklonu nie przekracza 90° charakteryzuje się tym, że rura wylotowa (5) w części cylindrycznej (3) cyklonu (I) wyposażona jest w element zabezpieczający (8) złożony z części antypoślizgowej zintegrowanej z odwirowywaczem (12) posiadającym ramiona, umieszczonym wewnątrz rury (5), przy czym część antypoślizgowa jest umieszczona na całym obwodzie rury (5), a zbudowana jest z rury mocującej i połączonego z nią pierścienia, przy czym część antypoślizgowa jest połączona ze ścianą zewnętrzną rury (5), a z odwirowywaczem poprzez wypusty.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie do odpylania gazów przemysłowych z cząstek wysokoerozyjnych w szczególności gazów zawierających cząstki o twardości powyżej 7 w skali Mohsa, zwłaszcza w instalacjach suchego chłodzenia koksu.

Stan techniki

Wstępne odpylanie gazu obiegowego w instalacjach suchego chłodzenia koksu w krajowych koksowniach odbywa się w odpylnikach inercyjnych. Gorący koks z baterii koksowniczej transportowany jest do komory chłodzenia, w której to komorze chłodzony jest w przeciwprądzie gazem obiegowym (zwanym też inertnym) składającym się głównie z azotu. Gorący gaz obiegowy jest odbierany z górnej części komory chłodzenia i poprzez odpylnik inercyjny wpływa do kotła odzysknicowego. Temperatura tego gazu wynosi 800-900°C.

Oprócz azotu gaz ten zawiera w swoim składzie również CO, H2 oraz pył koksowy. Pył ten, a zwłaszcza jego część o większych wymiarach, jest niezwykle erozyjny i dlatego musi być odpylony przed jego wlotem do kotła odzysknicowego.

W nowopowstających w świecie instalacjach suchego chłodzenia koksu o wysokiej wydajności chłodzenia (rzędu 100 t/godz.) stosowane są rozwiązania o wysokiej skuteczności odpylania. Rozwiązanie te, z uwagi na ograniczenia lokalizacyjne nie mogą jednak być zastosowane w koksowniach wyposażonych w instalacje chłodzenia o niższych wydajnościach (poniżej 50 ton koksu na godzinę), powstałych jeszcze w ubiegłym wieku. W tych instalacjach gaz obiegowy jest odpylany w odpylniku inercyjnym, którego sprawność odpylania jest niska (nie przekracza 20% - podstawowa wada) a rozwiązanie konstrukcyjne wlotu gazowego do kotła odzysknicowego nie zapewnia równomiernego profilu prędkości. W tej sytuacji wskutek intensywnej erozji żywotność kotłów jest ograniczona a wskutek niejednorodnego profilu prędkości strumienia gazu na wlocie do kotła - proces wymiany ciepła jest utrudniony, co niekorzystnie wpływa na sprawność cieplną kotła. Proponowane rozwiązanie jest dedykowane do w/w typu instalacji suchego chłodzenia koksu.

Znane jest rozwiązanie DE3101940A1. Jest to sposób usuwania pyłu i ciepła z gazów chłodzących stosowanych przy suchym chłodzeniu koksu w obiegu zamkniętym, gdzie gorące gazy chłodzące opuszczające komorę chłodzenia koksu wprowadzane są bez uprzedniego chłodzenia i bez obróbki wstępnej do cyklonu, a następnie do kotła odzysknicowego, po czym gazy te po przejściu przez kocioł są zawracane bez dalszej obróbki przez dmuchawę chłodzącą do szybu chłodniczego.

Innym rozwiązaniem jest EP2896679 (A1). Jest to urządzenie do suchego gaszenia koksu obejmujące: komorę, do której dostarczany jest rozżarzony do czerwoności koks i wdmuchiwany jest krążący gaz chłodzący; cyklon, do którego wprowadzany jest krążący gaz chłodzący poprzez pierwszy kanał, przy czym cyklon zbiera pył koksowy oraz kocioł, do którego wprowadzany jest krążący gaz chłodzący poprzez drugi kanał, przy czym kocioł odzyskuje ciepło z krążącego gazu chłodzącego. Cyrkulujący gaz chłodzący o kontrolowanej temperaturze 900°C lub niższej jest odpylony w cyklonie, a ścieżka wprowadzania powietrza służąca do wprowadzania powietrza do krążącego gazu chłodzącego znajduje się tylko w części wzdłuż drugiego kanału.

Celem opisanego tu wynalazku jest opracowanie urządzenia do odpylania gazów i zapewnienia jednorodnego profilu prędkości strumienia na wlocie do kotła (lub innego odbiornika ciepła z gazu), służące do istotnego ograniczenia najczęstszych przyczyn awarii instalacji przemysłowych tj. erozji miejscowych spowodowanych wysokim zapyleniem gazu, wysoką twardością cząstek stałych w tym gazie, dużą prędkością części strumienia gazu i jego wysoką temperaturą.

Istotą wynalazku jest urządzenie do odpylania gazów przemysłowych z cząstek wysokoerozyjnych zbudowane z co najmniej jednego cyklonu, mającego część cylindryczną i część stożkową, gdzie część stożkowa posiada wylot pyłu, w części cylindrycznej znajduje się rura wylotowa, która ma wylot gazu, mające wlot surowca podlegającego przetworzeniu, usytuowany stycznie do obwodu części cylindrycznej cyklonu, przy czym kąt między osią wlotu a płaszczyzną pionową poprowadzoną przez oś cyklonu nie przekracza 90°, charakteryzuje się tym że, rura wylotowa w części cylindrycznej cyklonu wyposażona jest w element zabezpieczający złożony z części antypoślizgowej zintegrowanej z odwirowywaczem posiadającym ramiona, umieszczonym wewnątrz rury, przy czym część antypoślizgowa jest umieszczona na całym obwodzie rury i zbudowana jest z rury mocującej i połączonego z nią pierścienia, przy czym część antypoślizgowa jest połączona jest ze ścianą zewnętrzną rury a z odwirowywaczem poprzez wypusty.

Kąt między osią wlotu a płaszczyzną pionową poprowadzoną przez oś pionową cyklonu wynosi korzystnie 75°.

Ramiona odwirowywacza mają postać zespolonych ze sobą krzyżowo blach o kącie korzystnie 90° między sobą.

Ramiona odwirowywacza mają postać zespolonych blach o kącie rozwarcia między nimi 120°. Ramię odwirowywacza ma postać blachy o szerokości stanowiącej średnicę rury. Górna część części antypoślizgowej jest ścięta lub obła.

Podstawową korzyścią jest wysoka sprawność odpylania gazu obiegowego (ponad 90% a w odniesieniu do pyłu o granulacji powyżej 81,5 pm nawet 100%), poprawa jednorodności profilu prędkości strumienia gazu obiegowego (o ok. 50%) na wlocie do kotła odzysknicowego oraz możliwość zwiększenia prędkości cyrkulującego w instalacji gazu obiegowego (o ok. 20%). W konsekwencji zapewnia to: a) poprawę wydajności całej instalacji suchego chłodzenia (o ok. 20%), b) wydłużenie żywotności kotła odzysknicowego i całej instalacji chłodzenia koksu (o ok. 50%), c) wyeliminowanie postojów awaryjnych instalacji spowodowanych: erozją miejscową rur w kotle, zarastaniem zewnętrznych powierzchni orurowania kotła (pozostałe ok. 10% pyłu w gazie obiegowym po odpylniku wg zaproponowanej konstrukcji posiada na tyle drobną granulację, że nie ma zdolności do odkładania się na powierzchni rur i bez niekorzystnych skutków opuszcza kocioł wraz z gazem),

d) możliwość likwidacji układu zimnych cyklonów gazu obiegowego zlokalizowanych między kotłem odzysknicowym a wentylatorem gazu obiegowego dzięki wcześniejszemu skutecznemu odpyleniu gazu obiegowego w układzie wg zaproponowanego rozwiązania).

Stosując wysokospecjalistyczne techniki symulacyjne związane z przepływami strumieni fizycznych na bazie CFD, potwierdzono, że niniejsze rozwiązanie gwarantuje bardzo wysoką sprawność odpylania (ponad 90%) oraz zapewnia uzyskanie jednorodnego profilu prędkości strumienia gazu obiegowego na wlocie do kotła odzysknicowego (lub innego odbiornika ciepła z gazu).

Obliczenia modelowe zostały wykonane przy pomocy siatki numerycznej składającej się z pół miliona elementów. Jest to siatka typu „poly - hexcore” złożona ze strukturalnie ułożonych elementów sześciennych (typu „hexa”) wewnątrz domeny obliczeniowej, oraz warstw przyściennych zbudowanych z 5 elementów typu „polyhedra”. Obliczenia wykonane zostały w stanie ustalonym z wykorzystaniem modelu turbulencji rozwiązującego równanie typu RANS ( Reynolds - Averaged - Navier - Stokes). Wykonano je dla danych gazu obiegowego z instalacji suchego chłodzenia koksu dla rzeczywistych warunków występujących w instalacji - skład jakościowy, przepływy, temperatury, ciśnienia dla modelu konstrukcyjnego według wynalazku.

W świetle otrzymanych wyników obliczeń zaproponowana konstrukcja urządzenia zapewnia następujące efekty:

a) separację cząstek powyżej 31 pm,

b) poprawę jednorodności strumienia w części wylotowej, c) sprawność separacji 93%.

Rozwiązanie przeznaczone jest w szczególności dla gazu obiegowego w instalacjach suchego chłodzenia koksu w zakresie jego przepływów od 30 000 do 120 000 Nm³/h. Gazy te charakteryzują się zawartością cząstek pyłu do 30 g/m³, twardością cząstek stałych w skali Mohsa powyżej 7 i wielkością tych cząstek do ok. 3 mm.

Te wysoko zapylone gazy charakteryzują się niezwykle dużą erozyjnością, w związku z czym wprowadzenie kątowe wlotu koncentruje procesy separacyjne głównie w dolnej części stożkowej separatora i ogranicza skalę erozji. Modyfikacja cyklonu polega na kątowym wprowadzeniu wlotu umożliwiającym przeprowadzenie głównych procesów separacji w części stożkowej odpylnika. Pozwala to również na optymalizację kosztów materiałów odpornych na wysokotemperaturową erozję.

Rura wylotowa 5 wykonana jest z wysokospecjalistycznej żaroodpornej stali, którą zabezpiecza część antypoślizgowa 11 na wlocie uniemożliwiając miejscową erozję końca rury.

W wysokich temperaturach, jakie posiada odpylany gaz, występują wysokie prędkości przepływu, co jest czynnikiem zwielokrotniającym skutki erozji. Dotyczy to rury wylotowej, do której wchodzi wir gazowy, który porywa cząstki z zewnątrz. Zintegrowany z częścią antypoślizgową 11 odwirowywacz 12 powoduje „wyprostowanie” zawirowań w dalszej części rury w kierunku wylotu, co w sposób istotny ogranicza skutki erozyjnego oddzi aływania strumienia zapylonego gazu w rurze i zmniejsza opory przepływu.

Sprawność odpylania według rozwiązania przekracza 90%, co powoduje 4-5-krotne zmniejszenie erozji w kotle odzysknicowym.

Rozwiązanie przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia cyklon w przekroju A-A, fig. 2 - element zabezpieczający, fig. 2a - element zabezpieczający w kolorze, fig. 3 - urządzenie w widoku z góry, fig. 4 - kształty odwirowywacza.

Wynalazek przedstawiono w przykładzie realizacji.

Urządzenie zbudowane jest z cyklonu I mającego wlot 1 usytuowany pod kątem 75° do płaszczyzny pionowej P poprowadzonej przez oś pionową Y cyklonu I. Cyklon I ma część cylindryczną 3 i część stożkową 4. W części stożkowej 4 znajduje się wylot pyłu 6. W części cylindrycznej znajduje się częściowo rura wylotowa 5, która za częścią łukowo zagiętą ma wylot gazu 7. Rura 5 w swej dolnej części znajdującej się w części cylindrycznej 3 cyklonu I wyposażona jest w element zabezpieczający 8. Element zabezpieczający stanowi: część antypoślizgowa 11 oraz odwirowywacz 12, zintegrowane ze sobą. Część antypoślizgowa 11 jest ścięta 11 a i zbudowana jest z pierścienia 13 i rury mocującej 14 przyspawanej do rury wylotowej 5.

Kąt między osią wlotu 1 a płaszczyzną pionową P poprowadzoną przez oś pionową Y cyklonu I wynosi 75°.

Część antypoślizgowa 11 jest umieszczona na zewnątrz rury 5, na jej obwodzie i jest połączona z odwirowywaczem 12, który ma ramiona 12a stanowiące zespolone krzyżowo blachy o kącie 90° miedzy sobą i ramię 12b. Odwirowywacz 12 jest umieszczony wewnątrz rury 5, a jego dolna część jest szersza od średnicy rury 5, przez co wystaje poza rurę 5, tworząc wypusty 12c, poprzez które jest połączony - zespawany z pierścieniem 13 i rurą mocującą 14. Całość elementu zabezpieczającego chroni wlot rury wylotowej przed erozją, poprawia sprawność odpylania zabezpieczając przed poślizgiem, poprawia jednorodność strumienia gazu pod względem prędkości i zmniejsza opory przepływu.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do odpylania gazów przemysłowych z cząstek wysokoerozyjnych zbudowane z co najmniej jednego cyklonu, mającego część cylindryczną i część stożkową, gdzie część stożkowa posiada wylot pyłu, w części cylindrycznej znajduje się rura wylotowa, która ma wylot gazu, mające wlot surowca podlegającego przetworzeniu usytuowany stycznie do obwodu części cylindrycznej cyklonu, przy czym kąt między osią wlotu a płaszczyzną pionową poprowadzoną przez oś pionową cyklonu nie przekracza 90°, znamienne tym, że, rura wylotowa (5) w części cylindrycznej (3) cyklonu (I) wyposażona jest w element zabezpieczający (8) złożony z części antypoślizgowej (11) zintegrowanej z odwirowywaczem (12) posiadającym ramiona (12a,b), umieszczonym wewnątrz rury (5), przy czym część antypoślizgowa (11) jest umieszczona na całym obwodzie rury (5), a zbudowana jest z rury mocującej (14) i połączonego z nią pierścienia (13), przy czym część antypoślizgowa (11) jest połączona jest ze ścianą zewnętrzną (5a) rury (5) a z odwirowywaczem (12) poprzez wypusty (12c).
2. 2. Urządzenie do odpylania gazów przemysłowych według zastrz. 1 znamienne tym, że kąt między osią (X) wlotu (1) a płaszczyzną pionową (P) poprowadzoną przez oś pionową (Y) cyklonu (I) wynosi korzystnie 75°.
3. 3. Urządzenie do odpylania gazów przemysłowych według zastrz. 1 znamienne tym, że ramiona (12a) odwirowywacza (12) mają postać zespolonych ze sobą krzyżowo blach o kącie korzystnie 90° między sobą.
4. 4. Urządzenie do odpylania gazów przemysłowych według zastrz. 1 znamienne tym, że ramiona (12a) odwirowywacza (12) mają postać zespolonych blach o kącie rozwarcia między nimi 120°.
5. 5. Urządzenie do odpylania gazów przemysłowych według zastrz. 1 znamienne tym, że ramię (12a) odwirowywacza (12) ma postać blachy o szerokości stanowiącej średnicę rury (5).
6. 6. Urządzenie do odpylania gazów przemysłowych według zastrz. 1 znamienne tym, że górna część (11a) części antypoślizgowej (11) jest ścięta lub obła.