Газова форсунка та реактор з такою форсункою

Реферат: Винахід належить до газової форсунки (1, 1', 1") для подачі газу або газової суміші в реактор або аналогічний пристрій. Газова форсунка містить трубу (2) для подачі газу через принаймні один отвір (11), розташований поблизу кінця труби (2), для випуску газу з труби (2) форсунки в навколишнє середовище і чашоподібний ковпак (4). Кришка (7) ковпака (4) закриває кінець труби (2), поблизу якого розташований принаймні один отвір (11). Ковпак (4) містить сполучену з кришкою (7) бічну стінку (9), яка охоплює трубу (2) з утворенням кільцевого зазору (10). Переважно довжина (L) бічної стінки (9) ковпака перевищує 100 мм. Крім того, винахід належить до реактора, що містить таку газову форсунку (1, 1', 1"). UA 102375 C2 (12) UA 102375 C2 UA 102375 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід відноситься до газової форсунки для подачі газу або газової суміші в реактор, зокрема, в реактор зі сформованим у ньому псевдозрідженим шаром, який використовується для обробки твердих частинок. Газова форсунка містить трубу для подачі газу з принаймні одним отвором поблизу кінця труби для випуску газу з труби і чашоподібний ковпак, кришка якого розташована на кінці труби з принаймні одним отвором. Ковпак разом зі своєю кришкою формує ущільнення труби форсунки, яке є, переважно, герметичним, наприклад, газонепроникним. Закріплена на кришці ковпака бічна стінка ковпака оточує трубу форсунки, формуючи кільцевий зазор, і розташована на відстані від кінця труби, на якому є принаймні один отвір. Крім того, винахід відноситься до реактора, який містить таку форсунку. Для подачі газу або газових сумішей часто використовують форсунки з одним або, як правило, декількома отворами, відкритими безпосередньо в реакторний простір, в якому сформований псевдозріджений шар твердих частинок. При використанні таких форсунок тверді частинки можуть потрапляти з реактора в отвори форсунки, блокуючи її. Тому часто швидкість газу в отворах форсунки збільшують до такого ступеня, щоб тверді частинки, або видувалися з отворів форсунки, або просто не могли потрапити в ці отвори. Це описано, наприклад, в документі WO 03/103825 A1. Проте в деяких сферах застосування висока швидкість газу в отворах форсунки небажана або несприятлива, оскільки часто призводить до руйнування оброблюваних твердих частинок і сприяє збільшенню зносу самої форсунки. Були запропоновані газові форсунки з отворами, направленими безпосередньо у внутрішній простір реактора. Така газова форсунка відома, наприклад, з документа ЕР 1499434 B1. Зазначена газова форсунка має бічні отвори, які знижують ризик проникнення в них твердих частинок. При використанні форсунок в багатьох сферах застосування тверді частинки все ж таки можуть входити в трубу форсунки збоку, тому такі конструкції форсунок є не достатньо ефективними і підлягають подальшому удосконаленню. У довіднику "Handbook of Fluidisation and Fluid-Particle Systems" описані різні приклади виконання газових форсунок з бічними отворами, а також газові форсунки з ковпаками. Навіть при використанні газових форсунок з ковпаками можливе попадання твердих частинок в отвори форсунки, тому ці конструкції вимагають подальшого удосконалення. Крім того, конструкція газових форсунок з ковпаками є достатньою дорогою, і існує ризик відділення ковпаків від труби форсунки в результаті навантаження, що виникає під час роботи форсунки в реакторі. Завданням винаходу є створення газової форсунки, завдяки якій не тільки досягається акуратна обробка або псевдозрідження твердих частинок, але і запобігає попадання твердих частинок в отвори форсунки. Крім того, завданням винаходу є підвищення надійності форсунки, як відносно запобігання протитечії частинок, так і відносно механічного ресурсу газової форсунки. Зазначене завдання вирішене в основному тим, що довжина бічної стінки ковпака складає принаймні близько 100 мм і виступає на деяку відстань від кришки ковпака і кінця труби з принаймні одним отвором. Переважно довжина бічної стінки ковпака перевищує 110 мм, зокрема, більше 120 мм. В порівнянні з іншими відомими конструкціями газових форсунок, завдяки явно витягнутій конструкції бічної стінки ковпака відповідно до винаходу, запобігає проникнення твердих частинок в кільцевий зазор між трубою форсунки і бічною стінкою ковпака. До того ж подовжена бічна стінка ковпака дозволяє отримати більш рівномірний потік газу, завдяки чому значно утруднюється проникнення частинок в отвори форсунки. Таким чином, тверді частинки практично не можуть досягти отворів форсунки, подолавши дію сил тяжіння і потоку газу, і забити їх, оскільки в даному випадку запобігається псевдозрідження газового потоку в кільцевому зазорі, або воно більше не здійснюється на кінці зазначеного зазору. Завдяки великій довжині бічної стінки ковпака швидкість газу або газової суміші, що виходить з кільцевого зазору, зменшується до такого ступеня, що не відбувається якого-небудь небажаного пошкодження твердих частинок. За рахунок подовження бічної стінки ковпака є можливість зменшення швидкості газу так, щоб результат добутку: 2 V хL 55 (1) 3 2 3 2 мав значення від 7 до 19 м /сек , переважно від 8 до 17 м /сек , де: V – швидкість газу на виході з форсунки (з кільцевого зазору); L – довжина бічної стінки ковпака. При таких значеннях запобігається проникнення частинок в отвори форсунки і підтримується настільки низька швидкість газу, що частинки менше руйнуються. Найпереважніше 1 UA 102375 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 застосовувати форсунки згідно винаходу в реакторі при окисленні або при кальцинованому випаленні твердих частинок в псевдозрідженому шарі, при сушці або хімічній обробці дрібнодисперсних частинок, наприклад, частинок гідратованого гіпсу або CaCO3, при нагріві або охолоджуванні частинок, або сортуванні, або переміщенні твердих частинок. Найефективніше форсунка використовується в областях, в яких потрібна низька швидкість подачі псевдозріджуючого газу, наприклад, при обробці крихких твердих частинок або частинок, що мають тенденцію до спікання. Іншою перевагою конструкції газової форсунки згідно винаходу є те, що навіть при припиненні подачі газу через газову форсунку в псевдозріджений шар частинки в протитечії не просуватимуться вище за бічну стінку ковпака і, в усякому разі, не просуватимуться до отворів форсунки, внаслідок чого, операція запуску реактора з псевдозрідженими шарами значно спрощується, оскільки відсутнє яке-небудь засмічення форсунок. При цьому забезпечується однорідніше псевдозрідження. Форсунка може використовуватися для всіх газів і газових сумішей в широкому діапазоні температур. Зазвичай через таку форсунку подаються гази або газові суміші, які, включають, наприклад, заздалегідь підігріте повітря, збагачене киснем повітря або гази, що містять кисень, азот, пару, CO2, CO, SO2 і SO3. Згідно одному з переважних варіантів здійснення винаходу довжина бічної стінки ковпака, розмір утвореного нею кільцевого зазору і розмір принаймні одного отвору форсунки підібрані відносно один одного так, що на вільному кінці бічної стінки ковпака швидкість потоку газу або газової суміші складає менше 35 % від швидкості потоку газу або газової суміші в принаймні одному отворі форсунки. Зокрема, переважно, щоб швидкість газу, що виходить з кільцевого зазору, складала б менше 25 %, переважно – менше 18 %, а найпереважніше – приблизна від 10 % до 14 % швидкості потоку газу, що виходить з принаймні одного отвору форсунки. Таким чином, поблизу принаймні одного отвору форсунки можна вибрати порівняно високу швидкість газу для того, щоб ефективно уникнути засмічення цього отвору. В той же час, завдяки низькій швидкості газу поблизу його виходу з кільцевого зазору, де відбувається зіткнення газу з твердими частинками, виключається пошкодження (руйнування) твердих частинок. Згідно переважному варіанту здійснення винаходу довжина бічної стінки ковпака, розмір утвореного їй кільцевого зазору і розмір принаймні одного отвору форсунки узгоджені між собою так, що на вільному кінці бічної стінки ковпака швидкість потоку газу або газової суміші складає приблизно від 6 до 18 м/с, переважно – від 7 до 15 м/с, а найпереважніше – від 8 до 13 м/с, а в принаймні одному отворі форсунки приблизне від 65 до 140 м/с, переважно – від 70 до 120 м/с, а найпереважніше – від 75 до 100 м/с. Ці значення швидкостей газу виявляються найбільш переважними для запобігання засміченню отворів форсунки і в той же самий час забезпечують акуратну обробку твердих частинок. Альтернативно або додатково в газовій форсунці згідно винаходу труба, перехідна ділянка з кришкою ковпака і бічна стінка ковпака є трьома окремими взаємозв'язаними компонентами. При цьому є можливість створити дуже просту конструкцію газової форсунки по суті стандартних компонентів. Переважно на перехідній ділянці є принаймні один отвір форсунки. Зокрема, бічна стінка ковпака і труба форсунки є переважно простими трубчастими компонентами. Крім того, перехідною ділянка виконана так, що його легко відлити, обточити, відштампувати або виготовити будь-яким бажаним способом, а отвори форсунки можна легко просвердлити. В результаті сама форсунка може бути виготовлена легко, швидко і дешево. Крім того, форсунка має таку конструкцію, що при її виготовленні литвом, литво служить додатковим захистом від абразивного зносу, що викликається продуктом, тобто частинками. Стабільність газової форсунки з ковпаком може бути додатково покращена завдяки тому, що труба форсунки, перехідної ділянка з принаймні одним отвором, кришка ковпака і його бічна стінка виконані із сталі, а ці компоненти зварені між собою. Найпереважніше, щоб труба форсунки з'єднувалася з перехідною ділянкою за допомогою першого кільцевого зварного шва, а перехідна ділянка або кришка ковпака, виконана за одне ціле з перехідною ділянкою, з'єднувалася з бічною стінкою ковпака за допомогою другого кільцевого зварного шва. У зазначеній конструкції ці три компоненти сполучено між собою зварними швами зіставної довжини, який легкі здійснимі. Таким чином, істотно мінімізується ризик відділення зазначених компонентів один від одного в процесі роботи форсунки. Крім того, ці довгі і легко виконувані зварні з'єднання спрощують процес виготовлення форсунок, роблять його надійним, точнішим, швидшим і менш дорогим, що дозволяє легше автоматизувати зварювальні операції. Залежно від потреб реактора, складу газу або газової суміші і від виконуваної обробки частинок відповідними матеріалами для виготовлення форсунок є, наприклад, жароміцні неіржавіючі сталі, прості нелеговані сталі, конструкційні сталі або ливарні сталі. При 2 UA 102375 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 необхідності також можуть з'єднуватися один з одним компоненти з різних матеріалів. Встановлено, що найбільш ефективним є відношення товщини стінки ділянки з принаймні одним отвором форсунки, до діаметру цього отвору зверху приблизно 2:1, переважно – понад 2,5:1. Щоб, з одного боку, запобігти проникненню твердих частинок в трубу форсунки, а, з іншого боку, щоб була можливість ввести достатньо велику кількість газу в реактор, у форсунці згідно винаходу є множина отворів, які розподілені на принаймні одній кільцевій лінії по поверхні труби форсунки (у кільцевому ряду) або по поверхні перехідної ділянки відповідно до переважного варіанту здійснення винаходу. Кількість кільцевих рядів, в яких розміщені отвори форсунки, переважно є невеликою. Їх кількість може бути, наприклад, до 10 кільцевих рядів, зокрема, від 1 до 6 кільцевих рядів, переважно – від 2 до 5 кільцевих рядів, в яких переважно рівномірно розподілені отвори форсунки. Крім того, винахід відноситься до реактора, зокрема, до реактора з псевдозрідженим шаром для теплової і/або хімічної, і/або фізичної обробки твердих частинок, що містить принаймні одну описану вище газову форсунку для подачі газу або газової суміші. Далі винахід буде описаний детальніше з посиланням на креслення. На Фіг. 1 схематично показана газова форсунка згідно першому варіанту здійснення винаходу, вигляд в розрізі; на Фіг. 2 – те ж, згідно другому варіанту здійснення винаходу; на Фіг. 3 – розрізі по лінії A-A на Фіг. 2; на Фіг. 4 – газова форсунка згідно третьому варіанту здійснення винаходу, вигляд в розрізі. Газові форсунки 1 і 1', показані на Фіг. 1 і 2, мають, по суті, однакову конструкцію і містять трубу 2, перехідною ділянка 3, розташований на кінці труби 2, і ковпак 4, що оточує трубу 2. Для подачі газу або газової суміші труба 2 проходить через облицювання 5 реактора, показану на Фіг. 2, всередину реактора, не показаного на кресленні. У показаних варіантах здійснення винаходу труба 2 форсунки розташована по суті вертикального, причому верхній кінець труби, з якого випускається газ або газова суміш, виступає в простір реактора. Як показано на Фіг. 1 і 2, перехідна ділянка 3 жорстко сполучена з верхнім кінцем труби 2 форсунки за допомогою першого кільцевого зварного шва 6. Згідно переважному варіанту здійснення винаходу, як показано на Фіг. 1-3, після першого зварного шва 6 товщина стінки перехідної ділянки 3 перевищує товщину стінки труби 2, але, в принципі, як показано на Фіг. 4, їх товщина може бути однаковою, тобто, незмінною. Перехідною ділянка 3 виконаний за одне ціле з кришкою 7 ковпака 4, яка в показаних варіантах здійснення винаходу розташована по суті горизонтально. Переважно перехідна ділянка 3, має конусоподібну або таку, що розширюється область за рахунок збільшення товщини стінки, яка плавно збільшується з невеликим кутом нахилу. Кут нахилу б складає принаймні 45°, переважно – від 50 до 80°, а як правило – від 55 до 70°. Завдяки конусоподібній області перехідної ділянки, є можливість створити однорідніший потік газу і запобігти турбулентності або завихоренню газу. В результаті менша кількість частинок залучається до турбулентного потоку газу і переміщається у напрямку до отвору форсунки проти загального потоку газу. Зовнішній край круглої кришки 7 ковпака по всьому колу сполучений за допомогою другого кільцевого зварного шва 8 з по суті циліндровою бічною стінкою 9 ковпака, яка виступає вниз від кришки 7 ковпака, як показано на Фіг. 1 і 2. Як показано на Фіг. 1 і 2, довжина L бічної стінки 9 ковпака від другого зварного шва 8 до його нижнього кінця складає більше 130 мм, в показаних варіантах здійснення винаходу ця довжина складає близько 150 мм. Таким чином, кришка 7 ковпака і бічна стінка 9 ковпака разом утворюють ковпак 4, який по суті має форму перевернутої чаші і закриває трубу 2 від внутрішньої області реактора. Між трубою 2 форсунки і бічною стінкою 9 ковпака утворений кільцевий зазор 10, показаний на Фіг. 1 і 2, верхня частина якого закрита кришкою 7 ковпака, а нижня частина відкрита. Для того, щоб газ або газова суміш подавалася з труби 2 форсунки у внутрішню область реактора, поблизу перехідної ділянки 3, тобто біля верхнього кінця труби 2, показаною на Фіг. 1 і 2, утворена множина отворів 11. У варіанті здійснення винаходу, показаному на Фіг. 1, множина отворів 11 рівномірно розподілена по кільцевій лінії на перехідній ділянці 3. Проте згідно варіанту здійснення винаходу, показаному на Фіг. 2, є 4 розташованих один над одним ряду отворів, із зазвичай від 7 до 16 отворів 11 в кожному ряду. У варіанті здійснення винаходу, показаному на Фіг. 2 і 3, на перехідній ділянці в кожному ряду рівномірно розподілені по 13 отворів. Розмір отворів 11 є невеликим в порівнянні з товщиною стінки перехідної ділянки 3, шириною зазору 10 між трубою 2 і бічною стінкою 9 ковпака. Товщина стінки перехідної ділянки 3 UA 102375 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3 у варіанті здійснення винаходу, показаному на Фіг. 1, приблизно в три рази перевищує діаметр отворів 11. Розмір зазору 10 у багато разів більше діаметру отворів 11. В результаті досягається висока швидкість потоку газу або газової суміші на виході з отворів 11, причому згідно варіанту здійснення винаходу, показаному на Фіг. 2, ця швидкість складає приблизно від 80 до 90 м/сек, а швидкість газу поблизу нижнього кінця зазору 10 значно нижче, причому згідно варіанту здійснення винаходу, показаному на Фіг. 2, ця швидкість складає 2 3 2 приблизно від 9 до 11 м/сек. В цьому випадку величина V х L складає від 9 до 16 м /сек . Висока швидкість газу на виході з отворів 11 запобігає їх закупорці. Завдяки зазору, на перехідній ділянці швидкість газу після виходу з отворів 11 знижується, і через конусність в середній області перехідної ділянки потік газу, що випускається з форсунки, стає одноріднішим. Завдяки однорідності потоку газу є малою вірогідність утворення турбулентності потоку газу на виході із зазору 10 форсунок, і не дивлячись на низьку швидкість газу, запобігає проникнення частинок у форсунку. Через малу швидкість газу поблизу нижнього кінця зазору 10 також запобігається пошкодження або спікання твердих частинок, які повинні бути оброблені в реакторі. Форсунка 1", показана на Фіг. 4, виконана із стандартних матеріалів і підходить для подачі в неї невеликої кількості повітря. Форсунка містить трубу 2 з рядом отворів 11, кришку 7 ковпака, виготовлену штампуванням, і бічну стінку 9 ковпака. Всі труби є стандартними. Зазначені компоненти сполучені між собою за допомогою зварних швів 8a, і 8b, що забезпечує збільшену поверхню зварки. Перехідна ділянка 3 може бути виконана за одне ціле з трубою 2. Форсунка 1', показана на Фіг. 2, підходить для великої кількості повітря, що подається, оскільки є множина рядів отворів (наприклад, в первинних повітряних форсунках). У зазначеному варіанті здійснення винаходу перехідна ділянка 3 виконана за одне ціле з кришкою 7 ковпака як одна відливка, в якій ливарна кірка направлена назовні. Посилальні позиції: 1, 1', 1" газова форсунка 2 труба форсунки 3 перехідна ділянка 4 ковпак 5 облицювання реактора 6 перший зварний шов 7 кришка ковпака 8, 8a, 8b другий зварний шов 9 бічна стінка ковпака 10 зазор 11 отвір форсунки L довжина бічної стінки 9 ковпака α кут нахилу області перехідної ділянки 3, що розширюється. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Газова форсунка для подачі газу або газової суміші в реактор або аналогічний пристрій, яка містить трубу (2) для подачі газу з принаймні одним отвором (11) поблизу її кінця для випуску газу з труби (2) в навколишнє середовище і чашоподібний ковпак (4), кришка (7) якого герметично закриває кінець труби (2), поблизу якого розташований зазначений принаймні один отвір (11), причому ковпак (4) містить сполучену з кришкою (7) бічну стінку (9), що охоплює трубу (2) з утворенням кільцевого зазору (10) і виступаючу від кришки (7) ковпака і кінця труби, поблизу якого розташований принаймні один отвір (11), на довжину (L), яка складає принаймні приблизно 100 мм, яка відрізняється тим, що довжина (L) бічної стінки (9) ковпака, розмір утвореного нею кільцевого зазору (10) і розмір принаймні одного отвору (11) форсунки узгоджені між собою так, що на вільному кінці бічної стінки (9) ковпака швидкість потоку газу або газової суміші складає приблизно менше 35 % від швидкості потоку газу або газової суміші на виході з принаймні одного отвору (11) форсунки. 2. Газова форсунка за п. 1, яка відрізняється тим, що довжина (L) бічної стінки (9) ковпака, розмір утвореного нею кільцевого зазору (10) і розмір принаймні одного отвору (11) форсунки узгоджені між собою так, що на вільному кінці бічної стінки (9) ковпака швидкість потоку газу або газової суміші складає приблизно менше 25 %, а переважніше - приблизно від 10 % до 14 % від швидкості потоку газу або газової суміші на виході з принаймні одного отвору (11) форсунки. 3. Газова форсунка за будь-яким з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що довжина (L) бічної стінки (9) ковпака, розмір утвореного нею кільцевого зазору (10) і розмір принаймні одного 4 UA 102375 C2 5 10 15 20 25 30 35 отвору (11) форсунки узгоджені між собою так, що на вільному кінці бічної стінки (9) ковпака швидкість потоку (V) газу або газової суміші складає приблизно від 6 до 18 м/сек, а в принаймні одному отворі (11) форсунки швидкість потоку складає приблизно від 65 до 140 м/сек. 4. Газова форсунка за будь-яким з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що труба (2) форсунки, перехідна ділянка (3) з кришкою (7) і з принаймні одним отвором (11) форсунки і бічна стінка (9) ковпака є три окремих сполучених між собою, зокрема приварених, компоненти. 5. Газова форсунка за п. 4, яка відрізняється тим, що труба (2) форсунки, перехідна ділянка (3) з кришкою (7) і з принаймні одним отвором (11) форсунки і бічна стінка (9) ковпака виконані із сталі, причому труба (2) форсунки сполучена з перехідною ділянкою (3) за допомогою першого кільцевого зварного шва (6), а перехідна ділянка або виконана з ним за одне ціле кришка (7) ковпака сполучені з бічною стінкою (9) ковпака за допомогою другого кільцевого зварного шва (8). 6. Газова форсунка за будь-яким з пп. 1-5, яка відрізняється тим, що відношення товщини стінки перехідної ділянки (3) з принаймні одним отвором (11) форсунки до діаметру цього принаймні одного отвору (11) складає щонайменше приблизно 2:1. 7. Газова форсунка за будь-яким з пп. 1-6, яка відрізняється тим, що множина отворів форсунки (11) розподілена в кільцевих рядах по поверхні труби (2) форсунки або перехідної ділянки (3), причому кількість кільцевих рядів переважно складає від двох до десяти, зокрема чотири. 8. Реактор, зокрема реактор з псевдозрідженим шаром для теплової і/або хімічної, і/або фізичної обробки твердих частинок, що містить принаймні одну газову форсунку (1, 1', 1") для подачі газу або газової суміші за будь-яким з пп. 1-7. 9. Застосування газової форсунки (1, 1', 1") за будь-яким з пп. 1-7 в реакторі для окислення або кальцинованого випалення твердих частинок в псевдозрідженому шарі, причому величина 2 (V ×L) добутку квадрата швидкості (V) потоку газу або газової суміші на вільному кінці бокової 3 2 стінки (9) ковпака на довжину (L) бічної стінки (9) ковпака становить від 7 до 19 м /сек . 10. Застосування газової форсунки (1, 1', 1") за будь-яким з пп. 1-7 в реакторі для сушіння і/або хімічної обробки дрібнодисперсних частинок, наприклад, гідратованого гіпсу або СаСО3, 2 причому величина (V ×L) добутку квадрата швидкості (V) потоку газу або газової суміші на вільному кінці бічної стінки (9) ковпака на довжину (L) бічної стінки (9) ковпака складає від 7 до 3 2 19 м /сек . 11. Застосування газової форсунки (1, 1', 1") за будь-яким з пп. 1-7 в реакторі для нагріву або 2 охолоджування частинок, причому величина (V ×L) добутку квадрата швидкості (V) потоку газу або газової суміші на вільному кінці бічної стінки (9) ковпака на довжину (L) бічної стінки (9) 3 2 ковпака складає від 7 до 19 м /сек . 12. Застосування газової форсунки (1, 1', 1") за будь-яким з пп. 1-7 в реакторі для сортування 2 і/або переміщення твердих частинок, причому величина (V ×L) добутку квадрата швидкості (V) потоку газу або газової суміші на вільному кінці бічної стінки (9) ковпака на довжину (L) бічної 3 2 стінки (9) ковпака складає від 7 до 19 м /сек . 5 UA 102375 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6