PL200528B1 - Zespół separatora odśrodkowego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest zespó l separatora od srodkowego dolaczany do reaktora ze z lo zem fluidalnym w celu oddzielania sta lych cz astek z gazu usuwanego z komory reakcyjnej reaktora ze z lo zem fluidalnym, który to zespó l separatora zawiera: - komor e wirow a, która w kierunku poziomym jest utworzona przez pionowe sciany zewn etrzne, utwo- rzone z p laskich paneli z rur wodnych, przy czym wn etrze scian jest przynajmniej cz esciowo wyposa- zone w wyk ladzin e ogniotrwa la i tworzy przestrze n gazow a w komorze wirowej, gdzie wytwarzany jest pionowy wir gazowy, - przynajmniej jeden wlot do wprowadzania gazu i cz astek sta lych do przestrzeni gazowej z komory reakcyjnej, - przynajmniej jeden wylot do usuwania oczyszczonego gazu z przestrze- ni gazowej, i - przynajmniej jeden wylot do usuwania oddzielonych sta lych cz astek z przestrzeni gazowej przez przewód powrotny do komory reakcyjnej, od- znaczaj acy si e tym, ze pionowe sciany zewn etrzne komory wirowej tworz a w przybli zeniu regularny wielobok maj acy od 5 do 10 rogów, z których ka zdy jest zaokr aglony przez wyk ladzin e ogniotrwa la na wewn etrznej powierzchni scian zewn etrznych (72, 74, 74', 86, 88). PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół separatora odśrodkowego.

Chodzi tu zwłaszcza o separator odśrodkowy dołączony do reaktora ze złożem fluidalnym w celu oddzielania cząstek z gorących gazów.

Wynalazek dotyczy zespołu separatora odśrodkowego dołączanego do reaktora ze złożem fluidalnym, w celu oddzielania stałych cząstek z gazu usuwanego z komory reakcyjnej reaktora ze złożem fluidalnym, przy czym zespół separatora zawiera komorę wirową, która jest w kierunku poziomym utworzona przez pionowe, zewnętrzne ściany, utworzone z płaskich paneli z rur wodnych, przy czym wnętrze ścian jest wyposażone w wykładzinę ogniotrwałą i tworzy przestrzeń gazową w komorze wirowej, gdzie wytwarzany jest przynajmniej jeden pionowy wir gazowy; przynajmniej jeden wlot, służący do wprowadzania gazu do przestrzeni gazowej z komory reakcyjnej; przynajmniej jeden wylot, służący do usuwania oczyszczonego gazu z przestrzeni gazowej i przynajmniej jeden wylot do usuwania oddzielonych stałych cząstek z przestrzeni gazowej.

Niniejszy wynalazek dotyczy w szczególności separatorów odśrodkowych, wykorzystywanych do oddzielania stałych cząstek z gazów procesowych lub z produktów z reaktorów ze złożem fluidalnym, w szczególności z wirowych reaktorów ze złożem fluidalnym, wykorzystywanych do spalania lub gazyfikacji węglowych lub innych paliw.

Znane jest ogólnie jak należy rozmieścić kanały wlotowy i wylotowy odśrodkowego separatora, tak aby gaz spalinowy, wprowadzany przez kanał wlotowy wytwarzał pionowy wir gazu. Tradycyjne zespoły separatorów odśrodkowych zawierają jeden lub więcej odśrodkowych separatorów, tj. cyklonów, utworzonych przez zewnętrzną ściankę, mającą kształt prostego, kołowego cylindra i stożkowe dno. Cyklony reaktora ze złożem fluidalnym są tradycyjnie wykonywane jako nie chłodzone konstrukcje, wyposażone w ogniotrwałe wykładziny, chociaż ściany samego reaktora ze złożem fluidalnym są ogólnie utworzone z paneli rurowych, chłodzonych wodą. Przy łączeniu nie chłodzonego separatora cząstek z chłodzoną komorą reakcyjną, trzeba brać pod uwagę zmienny ruch termiczny i należy stosować takie układy, aby umożliwić względny ruch, nawet jeśli układy takie są drogie i są wrażliwe na uszkodzenie. Cylindryczne cyklony są również wykonywane jako konstrukcje utworzone z rur wodnych, przy czym różnica temperatury między cyklonem a chłodzoną komorą reaktora jest mała. Wykonanie cylindrycznej konstrukcji ściany z wodnych rur i połączenie jej z otaczającymi konstrukcjami wymaga jednak dużego nakładu pracy ręcznej i dlatego jest kosztowne.

Na przykład opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki o numerze 4,880,450 opisuje sposób, przy pomocy którego chłodzony cyklon cylindryczny może być łączony z piecem bojlera ze złożem fluidalnym i z jego sekcją odzyskiwania ciepła. Cylindryczna górna część cyklonu zawiera rury dla wody lub pary, przymocowane jedna do drugiej, przy czym ich wewnętrzna powierzchnia jest pokryta materiałem izolacyjnym. Separator według tego opisu patentowego może zostać połączony z chłodzonym środowiskiem bez oddzielnych elementów, umożliwiających względny ruch, ale konstrukcja wymaga włożenia dużego wysiłku i dlatego jest droga.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki o numerze 5,281,398 opisuje układ, w którym cząstki są oddzielane z gorących gazów w odśrodkowym separatorze, którego komora wirowa jest wykonana z płaskich paneli, złożonych z rur wodnych. Zatem przestrzeń gazowa komory wirowej jest wieloboczna w poziomym przekroju poprzecznym, korzystnie kwadratowa lub prostokątna. Ten rodzaj separatora jest tani do wykonania i może być łatwo łączony z piecem reaktora, utworzonym z podobnych paneli ściennych, dzięki czemu tworzony jest zwarty zespół. Tradycyjnie, objętość gazu wirowej komory separatora jest cylindryczna, gdyż cylindryczna przestrzeń w najmniejszym stopniu przeszkadza w utrzymaniu prędkości wiru gazowego. Wynalazek opisany w opisie patentowym o numerze Stanów Zjednoczonych Ameryki 5,281,298 jest jednak oparty na fakcie, że wir gazowy może być uzyskany również w przestrzeni o przekroju wielobocznym. W cylindrycznym separatorze cząstki oddzielane przez siły odśrodkowe są kierowane do obwodu wiru i spadają wzdłuż wewnętrznych ścian komory wirowej. Odpowiednie działanie wielobocznego separatora jest oparte na fakcie, że kąty przestrzeni gazowej przyspieszają separację cząstek i służą jako odpowiednie rejony opadania dla oddzielonych cząstek.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki o numerze 4,615,715 opisuje zespół, w którym cylindryczny cyklon, wykonany z materiału odpornego na ścieranie, jest umieszczony wewnątrz chłodzonej obudowy, która ma przekrój kwadratowy. W tym układzie kształt przestrzeni gazowej jest idealny dla utrzymywania stałej prędkości wirowej, ale nie mniej, wykonanie paneli z rur wodnych dla

PL 200 528 B1 obudowy separatora może zostać zautomatyzowane i separator może być bezpośrednio połączony z chł odzonym ś rodowiskiem. W układzie wedł ug tego opisu patentowego, stosunkowo duż a przestrzeń między pierścieniową przestrzenią wewnętrzną a kwadratową zewnętrzną obudową jest wypełniona przez odpowiedni materiał. Problem, związany z tym materiałem, polega na tym, że służy on jako izolator cieplny i zwiększa ciężar i pojemność cieplną separatora. Zatem zwiększa on temperaturę wewnętrznej ściany separatora podczas pracy i dodaje swoją bezwładność cieplną. Duże i szybkie zmiany temperatury mogą spowodować uszkodzenie materiału w przestrzeni pośredniej, co zwiększa koszty konserwacji i napraw. Zatem zmiany temperatury w separatorze powinny być odpowiednio wolne, co powinno być brane pod uwagę przy zmianie wielkości produkcji zakładu, a w szczególności podczas uruchamiania i zatrzymywania urządzeń. Ponadto, najbardziej wewnętrzna powierzchnia materiału musi być bardzo odporna na ścieranie, a zatem wypełnianie pośredniej przestrzeni jest realizowane przy pomocy specjalnej techniki wielowarstwowej. Zwiększa to jednak koszty budowy i komplikuje konstrukcję separatora.

Z publikacji WO 1996028237 znany jest odś rodkowy separator mający wyraźnie nie kołowy przekrój i płaską lub wygiętą wkładkę wyznaczającą powierzchnię zmieniającą kierunek przepływu w narożu utworzoną przez ścianę wyznaczającą strumień przebiegającą prostopadle do zewnętrznej ściany w przestrzeni gazowej separatora. Wkładka może być chłodzona przez umieszczenie w niej wygiętych rur odchodzących od sąsiedniej ściany zewnętrznej.

Celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie ulepszonego zespołu separatora odśrodkowego do oddzielania cząstek z gorących gazów.

W szczególnoś ci celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie zwartego zespoł u separatora odśrodkowego do oddzielania cząstek, przy czym zespół jest mniej kosztowny w produkcji, zaś stopień separacji cząstek za jego pomocą jest duży.

Ponadto, celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie separatora odśrodkowego o małych wymaganiach konserwatorskich, przy czym urządzenie może zostać korzystnie połączone z chłodzoną komorą reakcyjną.

Zespół separatora odśrodkowego dołączany do reaktora ze złożem fluidalnym w celu oddzielania stałych cząstek z gazu usuwanego z komory reakcyjnej reaktora ze złożem fluidalnym, który to zespół separatora zawiera:

- komorę wirową, która w kierunku poziomym jest utworzona przez pionowe ściany zewnętrzne, utworzone z płaskich paneli z rur wodnych, przy czym wnętrze ścian jest przynajmniej częściowo wyposażone w wykładzinę ogniotrwałą i tworzy przestrzeń gazową w komorze wirowej, gdzie wytwarzany jest pionowy wir gazowy, przynajmniej jeden wlot do wprowadzania gazu i cząstek stałych do przestrzeni gazowej z komory reakcyjnej,

- przynajmniej jeden wylot do usuwania oczyszczonego gazu z przestrzeni gazowej, i

- przynajmniej jeden wylot do usuwania oddzielonych stałych cząstek z przestrzeni gazowej przez przewód powrotny do komory reakcyjnej, odznacza się według wynalazku tym, że pionowe ściany zewnętrzne komory wirowej tworzą w przybliż eniu regularny wielobok mający od 5 do 10 rogów, z których każdy jest zaokrąglony przez wykładzinę ogniotrwałą na wewnętrznej powierzchni ścian zewnętrznych.

Korzystnie kąty utworzone przez zewnętrzne ściany wynoszą od 108 do 135 stopni.

Korzystnie kąty utworzone przez zewnętrzne ściany są równe około 135 stopni.

Korzystnie zespół zawiera dwie komory wirowe mające wspólną ścianę.

Korzystnie komora wirowa i komora reakcyjna mają wspólną część ściany.

Korzystnie zespół zawiera dwie komory wirowe i między komorami wirowymi pozostawiona jest trójkątna wolna przestrzeń, w której to wolnej przestrzeni jest umieszczona konstrukcja podtrzymująca reaktor lub kanał zasilający lub przewód dozujący.

Korzystnie pomiędzy separatorem a reaktorem jest pozostawiona trójkątna wolna przestrzeń, w której to przestrzeni jest umieszczony kanał wlotowy dla gazu usuwanego z komory reakcyjnej lub kanał zasilający lub przewód dozujący.

Korzystnie dolna część separatora jest asymetryczne i tworzy jednostkę zintegrowaną z komorą reakcyjną i kanałem powrotnym.

Korzystnie wewnętrzna ściana komory wirowej jest w sposób ciągły cylindryczna a promień krzywizny zaokrąglenia jest w przybliżeniu taki sam, jak odległość pomiędzy środkiem wiru wytworzonego w komorze wirowej i wewnętrzną ścianą komory wirowej.

PL 200 528 B1

Korzystnie każdy róg jest zaokrąglony oddzielnie tak, że pozostaje prosta powierzchnia ściany wewnętrznej pomiędzy zaokrąglonymi częściami, przy czym promień krzywizny zaokrąglenia jest mniejszy niż odległość pomiędzy środkiem wiru wytworzonego w komorze wirowej i wewnętrzną ścianą komory wirowej.

Korzystnie promień krzywizny zaokrąglenia stanowi co najmniej jedną trzecią odległości pomiędzy środkiem wiru wytworzonego w komorze wirowej i wewnętrzną ścianą komory wirowej.

Układ według niniejszego wynalazku łączy zalety płaskich powierzchni chłodzących i zaokrąglonej przestrzeni gazowej i unika niedogodności grubych warstw ogniotrwałych przez wykonanie zewnętrznej ściany komory wirowej o wielobocznym przekroju poziomym, przy czym przynajmniej niektóre kąty są większe niż 90 stopni.

Separatory według opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki o nr 5,281,398, w których przestrzeń gazowa komory wirowej ma wieloboczny przekrój poziomy, działają bez awarii w normalnych warunkach roboczych. Stwierdzono jednak, że szczególnie korzystna konstrukcja moż e zostać przewidziana dla separatorów nowej generacji przez zastosowanie takich prędkości gazu i standardów konstrukcji separatora, że różni się od stosowanych wcześniej. Przy dalszym rozwoju takich separatorów, kąty przestrzeni gazowej mogą w pewnych aplikacjach wprowadzać ograniczenia dla ogólnej konstrukcji reaktora.

Stwierdzono, że w pewnych zastosowaniach działanie wielobocznego separatora może zostać dodatkowo poprawione przez zaokrąglenie jednego lub więcej rogów, utworzonych przez zewnętrzne ściany komory wirowej. Ponadto, w celu zminimalizowania problemów konstrukcyjnych i problemów związanych z trwałością konstrukcji, wywołanych przez zaokrąglenie rogów, istotne jest w niniejszym układzie, aby kąt między płaskimi panelami zewnętrznej ściany komory wirowej w zaokrąglonym zewnętrznym rogu był wyraźnie większy od 90 stopni.

Znane jest już na podstawie opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki o numerze 5,738,712, że strumień gazu wprowadzany do prostokątnej komory wirowej i wir gazowy w komorze wirowej mogą zakłócić jeden drugiego, chyba że wir gazowy jest skierowany w kierunku wprowadzanego strumienia w rogu utworzonym przez ściankę działową, połączoną z otworem wlotowym. Niniejszy wynalazek odnosi się jednak do innego problemu, tj. wir gazowy jest mniej optymalny w obszarze rogu komory wirowej.

Kiedy pionowy cylinder kołowy jest otoczony przez cztery pionowe, płaskie panele, prostopadłe jeden do drugiego i styczne do cylindra, odległość między płaskimi panelami i powierzchnią cylindra w rogach jest równa okoł o 0,414 razy promień cylindra. W konsekwencji, jeś li przewidziana jest wykładzina ogniotrwała, tak że grubość warstwy w środku płaskich paneli jest równa na przykład 0,05 razy promień cylindra, warstwa jest więcej niż osiem razy grubsza w rogach. Zatem, w szczególności w obszarach rogów, przewodność cieplna warstwy ogniotrwałej może być niska, zaś chłodzenie zewnętrznej powierzchni nie musi utrzymywać dostatecznie niskiej temperatury wewnętrznej powierzchni. Ponadto, zmienna grubość wykładziny ogniotrwałej może wywołać znaczne różnice temperatury, a zatem zwiększa ryzyko uszkodzenia warstwy. Gruba warstwa zwiększa również ciężar konstrukcji, a zatem wywołuje problemy związane z podtrzymywaniem konstrukcji.

Jeśli cylinder jest otoczony przez pięć paneli zamiast czterech, kąt między panelami jest równy 108 stopni i dystans między panelami a powierzchnią cylindra jest równy tylko 0,236 razy promień cylindra w rogach. Przy sześciu, siedmiu i ośmiu panelach, kąty między nimi są równe 120, 128,6 i 135 stopni odpowiednio, zaś dystans jest równy 0,154, 0,110 i 0,082 razy promie ń cylindra odpowiednio. Zatem maksymalna grubość warstwy ogniotrwałej, jak również jej ciężar i pojemność cieplna znacznie maleją, nawet wtedy, gdy róg separatora ma np. 108 stopni zamiast 90 stopni. Jeśli kąt jest równy 135 stopni, maksymalna grubość warstwy, wymagana dla zaokrąglenia, jest tylko piątą częścią tego, co jest wymagane dla zaokrąglenia kąta prostego. Cieplna przewodność cienkiej wykładziny ogniotrwałej jest duża i stosunkowo równa w różnych częściach zewnętrznej ściany komory wirowej, dzięki czemu maksymalne temperatury warstwy podczas pracy maleją, a różnice temperatury w różnych częściach ściany są zredukowane.

Według korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku każdy róg separatora jest zaokrąglony i ma w przybliżeniu takie same rozmiary. W tym przypadku liczba rogów jest korzystnie równa 5, 6, 7 lub 8, zaś kąty są równe odpowiednio około 108, 120, 128,6 lub 135 stopni. Kiedy liczba rogów separatora jest równa sześć lub osiem, można połączyć wiele separatorów ze sobą i/lub z paleniskiem. Najbardziej korzystnie separator ma osiem rogów, przy czym równoległe ściany między separatorem a komorą reakcyjną oraz między sąsiednimi separatorami mogą być wykorzystywane

PL 200 528 B1 w projekcie konstrukcji. W pewnych szczególnych przypadkach jednak, np. w celu rozmieszczenia specjalnej konstrukcji podpory i kanału wlotu gazu, korzystne jest wykonanie również takich separatorów, w których liczba rogów jest nieparzysta.

Według innego korzystnego przykładu wykonania, tylko niektóre rogi separatora cząstek są zaokrąglone. W tym przypadku rozmiary zaokrąglonych rogów mogą być inne niż wspomniane powyżej. Korzystnie, kąty są jednak równe między około 110 a 150 stopni, bardziej korzystnie są równe około 135 stopni. Najbardziej korzystnie, separator zawierający kąty o różnych rozmiarach może mieć ogólny kształt wieloboku, przy czym jedne kąty są proste i nie są zaokrąglone, zaś inne są ścięte przez płaski panel i zaokrąglone przez wykładzinę ogniotrwałą.

Według jednego z korzystnych układów, strumień gazu zawierającego cząstki, wprowadzany przez otwór wlotowy zderza się najpierw, niemal prostopadle, ze ścianą lub innym bokiem rogu o prostym kącie, ale po pierwszym uderzeniu strumień gazu uderza przynajmniej w jeden zaokrąglony róg. Przy takim układzie pierwszy róg lub ściana w komorze wirowej służy jako odpowiednie miejsce do oddzielania cząstek, zaś celem zaokrąglonych rogów jest utrzymywanie prędkości przepływu gazu na możliwie wysokim poziomie.

Zaokrąglanie rogów może być korzystnie realizowane tak, że w części zewnętrznej ściany komory wirowej, która zawiera liczne rogi, ściana wewnętrzna komory wirowej jest w sposób ciągły cylindryczna. Inaczej mówiąc, promień krzywizny zaokrąglenia jest w przybliżeniu taki sam jak odległość między środkiem wiru wytworzonego w komorze wirowej a wewnętrzną ścianą komory wirowej. Innym korzystnym sposobem jest wykonanie oddzielnego zaokrąglenia w obszarze każdego rogu, dzięki czemu promień krzywizny zaokrąglenia jest mniejszy niż wspomniany powyżej i pozostaje prosta ściana wewnętrzna między zaokrąglonymi częściami, wymagając jedynie cienkiej, równej wykładziny ogniotrwałej do ochrony ściany. Grubość wymagana dla równej wykładziny ogniotrwałej zależy od użytych materiałów i warunków roboczych i zwykle jest równa przynajmniej około 15 - 70 mm. W celu osiągnięcia korzyści uzyskiwanych dzięki zaokrąglaniu według niniejszego wynalazku, promień krzywizny nie może być zbyt mały. Korzystnie, promień krzywizny zaokrąglenia jest przynajmniej równy mniej więcej jednej trzeciej promienia wiru, wytworzonego w komorze wirowej, tj. odległość między środkiem wiru a wewnętrzną ścianą komory wirowej.

Przy krótszym promieniu krzywizny zaokrąglenie komory jest niekompletne, ale ilość wykładziny ogniotrwałej na ścianach jest nawet mniejsza niż w przypadku ciągłej, cylindrycznej komory wirowej. W pewnych przypadkach, w wyniku zmiennych charakterystyk rogów, moż e być korzystne uż ycie różnych promieni krzywizny zaokrągleń różnych rogów. Szczególnym przypadkiem według tej zasady jest taki, w którym jeden lub wiele rogów, utworzonych przez zewnętrzne ściany jest zaokrąglonych, zaś jeden lub wiele rogów nie jest zaokrąglonych.

Poziomy przekrój komory wirowej może być korzystnie albo niemal kołowy, dzięki czemu tylko jeden wir gazowy jest wytwarzany w komorze wirowej, lub podłużny i ukształtowany w sposób umożliwiający wytworzenie więcej niż jednego wiru gazowego w komorze wirowej. Szerokość poziomego przekroju komory wirowej, tj. wymiar komory wirowej w kierunku ściany komory reakcyjnej najbliższej komory wirowej, jest korzystnie równa mniej więcej dwukrotnej głębokości, prostopadłej do szerokości, dzięki czemu dwa sąsiednie wiry gazowe mogą zostać korzystnie wytworzone w komorze wirowej.

Kanały wlotowe gazu do komory wirowej dla dwóch wirów gazowych są usytuowane najbardziej korzystnie w środku ściany komory wirowej, od strony komory reakcyjnej, ale mogą zostać również usytuowane oddzielnie jeden od drugiego, w pobliżu zewnętrznych rogów ściany komory wirowej, od strony komory reakcyjnej. Ściana zwrócona w stronę kanałów wlotowych, rozmieszczonych w środku ściany w komorze wirowej z dwoma wirami od strony komory reakcyjnej może być prosta, dzięki czemu strumień gazu wprowadzany do komory wirowej uderza w ścianę niemal prostopadle. Alternatywnie, można przewidzieć w środku ściany fragment ściany, utworzony z płaskich paneli z rur wodnych, mający trójkątny przekrój poprzeczny przez zaokrąglenie, którego to fragmentu ściany strumień gazu uderza najpierw o zaokrągloną ścianę.

W celu zapewnienia strukturalnej wytrzymał o ś ci i duż ej efektywnoś ci separacji, czę sto zamiast jednego dużego separatora budowane są w dużej komorze reakcyjnej dwa lub więcej mniejszych separatorów. Przy stosowaniu kilku chłodzonych, cylindrycznych separatorów, duży udział pracy ręcznej znacznie zwiększa koszty. Zatem, ze względów ekonomicznych, czasem jest konieczne użycie dużych separatorów i jest to optymalne. W tych przypadkach nie zawsze jest pewne, czy duża efektywność separacji może być uzyskiwana we wszystkich warunkach, a zatem, w celu zapewnienia wytrzymałości konstrukcyjnej, trzeba stosować układy zajmujące przestrzeń i zwiększające koszty.

PL 200 528 B1

Przy stosowaniu konstrukcji według niniejszego wynalazku, nawet małe separatory mogą być wykonywane przy niskim koszcie, dzięki czemu takie separatory, łatwe do podtrzymywania i optymalne pod względem efektywności separacji, mogą znaleźć zastosowanie.

Kiedy zewnętrzne ściany komory wirowej, wykonane według niniejszego wynalazku, zawierają np. osiem kątów, dwie sąsiednie komory wirowe mogą być korzystnie usytuowane tak, że ich boki są równoległe, dzięki czemu panele równoległych ścian komór wirowych mogą być bezpośrednio połączone ze sobą. Sąsiednie komory wirowe mogą również być korzystnie połączone w taki sposób, że mają wspólną prostą część ściany.

Zespoły separatorów odśrodkowych według niniejszego wynalazku mogą korzystnie być rozmieszczone w stosunku do komory reakcyjnej tak, że niektóre płaskie panele ściany zewnętrznej komory wirowej są równoległe do płaskiej ściany komory reakcyjnej, dzięki czemu komora wirowa może być łatwo mocowana do ściany komory reakcyjnej. Komory wirowe mogą być również korzystnie wytwarzane tak, że części ścian komór wirowych od strony komory reakcyjnej są wspólne z komorą reakcyjną.

Możliwość użycia wspólnych fragmentów ścian między dwoma separatorami lub między separatorem a paleniskiem jest jedną z zalet separatora wykonanego z płaskich ścian, wykonanych z paneli rurowych, gdyż umożliwia to znaczne zmniejszenie kosztów wytwarzania. Wspólne fragmenty ścian nie mogą być jednak łatwo podtrzymywane z dowolnej strony fragmentu ściany, w wyniku czego szerokość takiej wspólnej ściany ma w praktyce określoną maksymalną wartość graniczną. Po jej przekroczeniu, muszą być stosowane dwie oddzielne ściany. Zatem układ podtrzymywania fragmentów wspólnej ściany może w pewnych przypadkach uniemożliwić wykorzystanie dużych separatorów o optymalnych rozmiarach.

Szerokość płaskiej zewnętrznej ściany prostokątnego separatora jest zawsze przynajmniej tak duża jak średnica wiru, ale szerokość poszczególnych ścian w separatorze według niniejszego wynalazku może być znacznie mniejsza niż średnica wiru. Zatem, jedną z zalet separatora według niniejszego wynalazku jest to, że wspomniany problem, odnoszący się do podtrzymywania wspólnych fragmentów ściany występuje tylko w separatorach, których przestrzenie gazowe mają większe średnice niż średnice, przy których problem występuje przy zastosowaniu prostokątnych separatorów.

Na podstawie powyższego, średnica komory wirowej w separatorze cząstek według niniejszego wynalazku może być w każdym przypadku optymalizowana z większą swobodą niż średnica komory wirowej w chłodzonych, cylindrycznych separatorach cząstek lub separatorach z prostokątną ścianą zewnętrzną. Korzystnie, średnica komory wirowej według niniejszego wynalazku jest równa około 3 - 8 m, np. około 5 m.

Ponieważ komory wirowe według niniejszego wynalazku nie mają prostokątnego przekroju, tworzą się wolne przestrzenie trójkątne, kiedy komory wirowe są łączone ze sobą i z komorą reakcyjną. Korzystnie, np. pionowe konstrukcje podtrzymujące całego zakładu reaktora mogą zostać usytuowane w tych przestrzeniach. Wolne przestrzenie mogą zostać korzystnie wykorzystane do umieszczenia w nich róż nych przepustów dozują cych lub inspekcyjnych, jak również jako połączenia czujników i kanały zasilające dla różnych materiałów.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie w pionowym przekroju reaktor ze złożem fluidalnym, zawierający separator odśrodkowy według niniejszego wynalazku, fig. 2 przedstawia schematycznie w przekroju pionowym inny reaktor ze złożem fluidalnym, zawierający separator odśrodkowy według niniejszego wynalazku, fig. 3 przedstawia w przekroju wzdłuż linii A-A separator odśrodkowy z fig. 1 lub 2, fig. od 4 do 6 przedstawiają w przekrojach podobnych do widocznych na fig. 3 alternatywne przykłady wykonania separatora odśrodkowego według niniejszego wynalazku.

Figura 1 przedstawia wirowy reaktor 10 ze złożem fluidalnym, zawierający komorę reakcyjną 20, odśrodkowy separator 40 cząstek (cyklon) i kanał powrotny 44 dla oddzielonych cząstek, zwracanych do komory reakcyjnej 20. Komora reakcyjna 20, o prostokątnym przekroju poziomym, jest z boków otoczona przez ściany z rur wodnych, z których tylko ściany 22 i 24 są pokazane na fig. 1. Ściany z rur wodnych są utworzone z pionowych rur wodnych połączonych ze sobą jak jest to znane, za pomocą wąskich żeber stalowych, spawanych między rurami, tj. przez brzechwy. Zewnętrzne ściany separatora 40 cząstek są utworzone z podobnych płaskich paneli z rur wodnych, jak ściany komory reakcyjnej 20.

Paliwo i inne substancje potrzebne w komorze reakcyjnej, np. stały materiał złoża, są wprowadzane do komory reakcyjnej przez różne kanały wlotowe, z których tylko kanał wlotowy 26 jest pokazany na fig. 1. Materiał złoża w komorze reakcyjnej jest fluidyzowany przez gaz fluidyzacyjny 30 wprowadzany przez kratę 28 na dole złoża. Gaz fluidyzacyjny, np. powietrze, jest wprowadzany do komory

PL 200 528 B1 reakcyjnej z taką prędkością, że materiał złoża stale przepływa, porywany przez gaz, do górnej części komory reakcyjnej 20, a następnie do separatora 40 cząstek przez kanał wlotowy 32, usytuowany w górnej części.

Gaz płynący z komory reakcyjnej 20 tworzy pionowy wir gazowy w separatorze 40 cząstek, dzięki czemu cząsteczki przechwycone przez gaz są kierowane do wewnętrznych ścian komory wirowej i opadają wzdłuż stożkowej, dolnej części 42 komory wirowej do kanału powrotnego 44, a następnie z powrotem do komory reakcyjnej 20. Gaz 46, oczyszczony z cząstek, jest usuwany z separatora przez kanał wylotu gazu, usytuowany w części stropowej komory wirowej, tj. przez centralną rurę 48. Konstrukcja separatora cząstek według niniejszego wynalazku, wyszczególniona na fig. od 3 do 6, jest szczególnie użyteczna, kiedy stosunek średnicy centralnej rury 48 i najmniejszej średnicy separatora 40 cząstek przekracza 0,4, a w szczególności, kiedy jest on większy od 0,5. Za centralną rurą 48 są zwykle przewidziane, chociaż nie są pokazane na fig. 1, urządzenie do odzyskiwania ciepła, odpylacz i komin. Dolna część 42 separatora 40 cz ą stek jest korzystnie również utworzona z pł askich paneli z rur wodnych. Dolna część kanału powrotnego zawiera wygięcie 50 w kształcie litery L lub inny zespół blokowania gazu, uniemożliwiający przepływ gazu od paleniska 20 przez kanał powrotny 44 do separatora 40 cząstek.

Figura 2 jest podobna do fig. 1, ale na fig. 2 stożkowa dolna część 42 separatora 40 jest asymetryczna. Zatem na fig. 2 wspólna ściana 24 między separatorem 40, włącznie z kanałem powrotnym 44, tworzącym jej przedłużenie i komorą reakcyjną 20, rozciąga się niemal wzdłuż całej wysokości komory reakcyjnej. Figura 2 przedstawia również komorę 52 wymiany ciepła, dołączoną do dolnej części kanału powrotnego 44, przy czym materiał złoża, krążący od separatora 40 cząstek jest zawracany do komory reakcyjnej 20 przez otwór przelewowy 54, połączony z komorą wymiany ciepła. W zespole wedł ug fig. 2 komora reakcyjna 20, separator 40 i kanał powrotny 44 tworzą zintegrowany układ, który jest korzystny pod względem podtrzymywania konstrukcji, wykorzystania przestrzeni i kosztów wytwarzania. W szczególności, kiedy stosowany jest zespół według fig. 2, można korzystnie wytwarzać z chłodzeniem układ zawierający górną i dolną część 42 separatora, kanał powrotny 44 i komorę 52 wymiany ciep ł a, tak ż e znaczna część rur chł odzą cych wystaje z dna komory wymiany ciepła do stropu separatora.

Zespoły separatorów cząstek według różnych przykładów wykonania niniejszego wynalazku są pokazane bardziej szczegółowo na fig. od 3 do 6. Figura 3 przedstawia schematycznie przekrój urządzeń pokazanych na fig. 1 lub 2, wykonany wzdłuż linii A-A. Gaz przepływający z komory reakcyjnej 20 przez kanał wlotowy 32 uderza najpierw, niemal prostopadle, o ścianę 60, zwróconą w stronę komory reakcyjnej, w wyniku czego znaczna część cząstek, przechwyconych przez gaz, ulega wyhamowaniu i spada do dolnej części separatora cząstek.

Według niniejszego wynalazku róg 62, zwrócony po przekątnej w stronę kanału wlotowego 32 komory wirowej o niemal kwadratowym przekroju, jest zaokrąglony przez ogniotrwałą wykładzinę 64 w celu utrzymania prędkości wiru gazowego. Prosty kąt między prostopadłymi ścianami 60 i 66 jest ścięty przez płaską ściankę 68, tak że tworzone są dwa kąty rozwarte. Zatem ciężar zaokrąglającego materiału wykładziny ogniotrwałej 64 pozostaje mały, a jego przewodność cieplna do chłodzonych ścian 60, 66 i 68 jest duża. W porównaniu z układem opisanym w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki o numerze 4,615,715, znacznie mniejsza ilość wykładziny ogniotrwałej daje w efekcie lżejszą i trwalszą konstrukcję, która jest łatwiejsza do podtrzymywania i może być efektywniej chłodzona.

Ponieważ łagodnie ścięty i zaokrąglony przez wykładzinę ogniotrwałą róg jest droższy do wykonania niż prosty róg, tylko róg zwrócony po przekątnej w stronę kanału wlotowego jest zaokrąglony w układzie pokazanym na fig. 3. Zatem przedstawiony został separator cząstek, który jest szczególnie tani, a przy tym wciąż efektywny. Oczywiście, dowolne rogi separatora, jeśli nie wszystkie, mogą być ścięte i wyłożone materiałem ogniotrwałym. W przykładzie wykonania według fig. 3, fragmenty ściany, które nie są zaokrąglone, są wyposażone w cienką, równą warstwę ogniotrwałą w celu ochrony ścian separatora, wykonanych z rur wodnych, co nie jest jednakże pokazane na ilustracji.

W dużym reaktorze ze złożem fluidalnym, w którym potrzebne są liczne separatory cząstek, można przewidzieć odpowiednią liczbę równoległych separatorów cząstek według fig. 3. Dwa równoległe separatory mogą być ustawione tak, że ich kanały wlotowe mogą być albo równolegle do komory wirowej, albo są usytuowane symetrycznie względem powierzchni między separatorami, w najbliższych lub w najdalszych od nich rogach. W szczególności, kiedy kanały wlotowe 32 dwóch sąsiednich separatorów są umieszczone jeden obok drugiego, ściana między komorami wirowymi może być czę8

PL 200 528 B1 ściowo lub całkowicie wyeliminowana, dzięki czemu powstaje układ łączonej komory wirowej dla dwóch wirów.

Figura 4 ilustruje zespół separatora cząstek, umieszczony w dużej komorze reakcyjnej 20, zawierającej liczne komory wirowe 70, 10', 10. Na fig. 4 są pokazane trzy równoległe komory wirowe, ale oczywiście może być ich więcej lub mniej niż trzy. Cała przestrzeń gazowa komór wirowych według fig. 4 jest zaokrąglona i każdy róg komory ma w przybliżeniu 135 stopni. Dolna część 42 separatora pokazanego na fig. 1 i 2 jest korzystnie również wykonana z płaskich paneli z rur wodnych, ale stwierdzono, że nie jest konieczne przedłużanie zaokrąglenia według niniejszego wynalazku aż do dolnej części 42.

Wielkość wykładziny ogniotrwałej, wymaganej do zaokrąglenia przestrzeni gazowej komory wirowej o ośmiokątnym przekroju poprzecznym jest znacznie mniejsza niż wielkość potrzebna do zaokrąglenia kwadratowej komory wirowej według opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki o numerze 4,615,715. Przewodność cieplna cienkiej warstwy ogniotrwałej jest duża i ściany komory wirowej, utworzone z płaskich paneli z rur wodnych efektywnie chłodzą separator. Dzięki temu taka komora wirowa jest trwała, może być wytwarzana przy niskim koszcie, a jej wydajność oddzielania cząstek jest największa z możliwych.

Ośmiokątne komory wirowe według fig. 4 mogą być korzystnie łączone ze sobą i z komorą reakcyjną przez łączenie ze sobą równoległych ścian lub przez wykonanie wspólnych fragmentów ścian zewnętrznych 72, 74 i 74', jak pokazano na fig. 4. Równoległe ściany komór wirowych i równoległe ściany, które są wspólne dla komór wirowych i komory reakcyjnej, mogą korzystnie być również podtrzymywane jedna przez drugą przy użyciu belek podtrzymujących 76 i 76'.

Między wielobocznymi komorami wirowymi oraz między komorami wirowymi i komorą reakcyjną pozostają wolne, trójkątne przestrzenie, które mogą korzystnie zostać wykorzystane, np. do umieszczenia w nich konstrukcji podtrzymujących 78 dla całej instalacji reaktora, kanałów zasilających lub przewodów dozujących 80, 80' dla dodatków, które redukują zanieczyszczenia w gazach spalinowych lub innych substancji. Między komorami wirowymi 70 i 70' według fig. 3 są również rozmieszczone kanały wlotowe 82, 82', które prowadzą strumienie gazu, wprowadzanego do komór wirowych równolegle do stycznych do wirów gazowych 84 i 84' w cyklonach.

Figura 5 przedstawia zespół separatora utworzony z dwóch sześciokątnych komór wirowych. W układzie według fig. 5 jedna z zewnętrznych ścian 86 komory wirowej 70 jest równoległa do ściany 24 komory reakcyjnej 20. W tym układzie separatory mogą być korzystnie połączone z komorą reakcyjną przez użycie np. pośrednich podpór. Inną alternatywą jest rozmieszczenie dwóch sześciokątnych komór wirowych tak, że mają wspólną ścianę lub są równoległe ściany między nimi, dzięki czemu jeden z kątów komory wirowej jest skierowany w stronę komory reakcyjnej.

Każdy róg w sześciokątnych komorach wirowych według fig. 5 został zaokrąglony oddzielnie, tak że proste fragmenty 88 ścian, przykryte cienką, gładką wykładziną są pozostawione między zaokrąglonymi rogami. W szczególności, kiedy liczba kątów komory wirowej jest mniejsza niż osiem, można w ten sposób uzyskać korzystnie lżejszy i trwalszy zespół separatora.

Figura 6 ilustruje zespół separatora dla dwóch wirów, który przypomina układ dwóch sąsiednich komór wirowych według fig. 4, ale jest nieco mniej kosztowny w budowie. W tym układzie strumień gazowy wprowadzany z komory reakcyjnej 20 przez kanał wlotowy 82, podzielony przez ściankę działową 90 uderza prostopadle o przeciwną ścianę 60 i jest dzielony na dwa wiry, które wirują w przeciwnych kierunkach w komorze wirowej z zaokrąglonymi rogami.

We wspomnianych powyżej przykładach, liczba kątów komory wirowej była równa sześć lub osiem, ale może być również inna, np. pięć lub siedem. Kiedy liczba kątów rośnie, ilość wykładziny ogniotrwałej, wymagana dla zaokrąglania, maleje, ale jednocześnie liczba paneli z rur wodnych i koszty wykonania rosną. Zatem istnieje pewna optymalna liczba kątów, zwykle równa między pięć a dziesięć.

Innym czynnikiem, wpływającym na uzyskanie najbardziej korzystnego kształtu komory wirowej, jest liczba równoległych ścian w konstrukcji, która jest większa dla parzystej liczby kątów niż dla nieparzystej, a szczególnie jest duża, kiedy liczba kątów jest podzielna przez cztery. Zatem, szczególnie korzystną liczbą kątów komory wirowej jest osiem, ale jak wspomniano powyżej, w pewnych przypadkach najbardziej korzystny układ może zostać uzyskany przy innej liczbie kątów.

Chociaż wynalazek został opisany w odniesieniu do konstrukcji, która jest obecnie uważana za najbardziej korzystny przykład wykonania, dla specjalistów w danej dziedzinie jest oczywiste, że w opisanych przykładach wykonania można wprowadzić wiele modyfikacji i kombinacji, które mieszczą się w zakresie wynalazku.

Claims (11)

1. Zespół separatora odś rodkowego dołączany do reaktora ze zł oż em fluidalnym w celu oddzielania stałych cząstek z gazu usuwanego z komory reakcyjnej reaktora ze złożem fluidalnym, który to zespół separatora zawiera:

- komorę wirową , która w kierunku poziomym jest utworzona przez pionowe ś ciany zewnę trzne, utworzone z płaskich paneli z rur wodnych, przy czym wnętrze ścian jest przynajmniej częściowo wyposażone w wykładzinę ogniotrwałą i tworzy przestrzeń gazową w komorze wirowej, gdzie wytwarzany jest pionowy wir gazowy,

- przynajmniej jeden wlot do wprowadzania gazu i czą stek stał ych do przestrzeni gazowej z komory reakcyjnej,

- przynajmniej jeden wylot do usuwania oczyszczonego gazu z przestrzeni gazowej, i

- przynajmniej jeden wylot do usuwania oddzielonych stałych cząstek z przestrzeni gazowej przez przewód powrotny do komory reakcyjnej, znamienny tym, że pionowe ściany zewnętrzne komory wirowej tworzą w przybliżeniu regularny wielobok mający od 5 do 10 rogów, z których każdy jest zaokrąglony przez wykładzinę ogniotrwałą na wewnętrznej powierzchni ścian zewnętrznych.

2. Zespół separatora odśrodkowego według zastrz. 1, znamienny tym, że kąty utworzone przez zewnętrzne ściany (72, 74, 14', 86, 88) wynoszą od 108 do 135 stopni.

3. Zespół separatora odśrodkowego według zastrz. 2, znamienny tym, że kąty utworzone przez zewnętrzne ściany (72, 74, 74') są równe około 135 stopni.

4. Zespół separatora odśrodkowego według zastrz. 1, znamienny tym, że zespół zawiera dwie komory wirowe (70, 70', 70), mające wspólną ścianę (74, 74').

5. Zespół separatora odśrodkowego według zastrz. 1, znamienny tym, że komora wirowa (10, 10', 70) i komora reakcyjna (20) mają wspólną część ściany (72).

6. Zespół separatora odśrodkowego według zastrz. 1, znamienny tym, że zespół zawiera dwie komory wirowe (70, 70', 10) i między komorami wirowymi pozostawiona jest trójkątna wolna przestrzeń, w której to wolnej przestrzeni jest umieszczona konstrukcja (78) podtrzymująca reaktor lub kanał zasilający lub przewód dozujący (80).

7. Zespół separatora odśrodkowego według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy separatorem a reaktorem (20) jest pozostawiona trójkątna wolna przestrzeń, w której to przestrzeni jest umieszczony kanał wlotowy (82, 82') dla gazu usuwanego z komory reakcyjnej lub kanał zasilający lub przewód dozujący (80').

8. Zespół separatora odśrodkowego według zastrz. 1, znamienny tym, że dolna część (42) separatora (40) jest asymetryczne i tworzy jednostkę zintegrowaną z komorą reakcyjną (20) i kanałem powrotnym (44).

9. Zespół separatora odśrodkowego według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnętrzna ściana komory wirowej jest w sposób ciągły cylindryczna a promień krzywizny zaokrąglenia jest w przybliżeniu taki sam, jak odległość pomiędzy środkiem wiru wytworzonego w komorze wirowej i wewnętrzną ścianą komory wirowej.

10. Zespół separatora odśrodkowego według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy róg jest zaokrąglony oddzielnie tak, że pozostaje prosta powierzchnia (88) ściany wewnętrznej pomiędzy zaokrąglonymi częściami, przy czym promień krzywizny zaokrąglenia jest mniejszy niż odległość pomiędzy środkiem wiru wytworzonego w komorze wirowej i wewnętrzną ścianą komory wirowej.

11. Zespół separatora odśrodkowego według zastrz. 10, znamienny tym, że promień krzywizny zaokrąglenia stanowi co najmniej jedną trzecią odległości pomiędzy środkiem wiru wytworzonego w komorze wirowej i wewnętrzną ścianą komory wirowej.