一种活性焦导料溜管装置的制作方法

1.本发明属于环保技术领域，涉及活性焦干法烟气污染物控制技术，具体涉及一种活性焦导料溜管装置，即根据目标流量定制化设计导料溜管数量、位置和几何参数，调整活性焦颗粒落料速率和方向，实现塔内各处均匀布料，同时显著减少因落料冲击造成的活性焦颗粒破损，保障烟气净化过程的正常进行。


背景技术：

2.炭基催化法烟气净化工艺是一种高效、节水、无二次污染、可同时脱除烟气中多种污染物的先进工艺。在吸附塔反应器中，水平通入的烟气依次通过吸附塔内沿烟气流动方向布置的多个仓室，与各仓室内向下移动的活性焦(以下称物料)接触并发生一系列物理化学反应过程，实现对烟气中的硫硝尘等多种污染物的脱除。反应后的活性焦颗粒经过各仓室底部卸料机送往再生塔，加热再生后被输送到吸附塔顶部料仓，实现循环利用。
3.吸附塔顶部料仓通常直径不足3米，而吸附塔水平方向尺寸较大，典型尺寸可达10米，布料不均匀可能导致局部床层料位不足或堵塞堆高；同时，为保证净化效果、减少物料磨损，工程实践中通常会通过调节吸附塔内各吸附仓室底部的辊式下料机转速，实现对不同仓室中物料移动速度的调整，这将进一步加剧吸附塔内物料床层水平料面的高低不平，造成物料床层厚度不均匀。吸附塔内物料床层不均可能导致塔内气压变化，进气室与出气室局部连通，烟气流通路径改变，影响净化效果。此外料仓与吸附塔内料面存在高度差，直接掉落会增加物料破损率，提高运行成本。
4.导料溜管是连接料仓与吸附塔的重要装置，但现有文献中对吸附塔导料溜管装置设计的详细讨论较少。以往的导料溜管设计只考虑物料的输送功能，结构和功能都比较简单。发明专利“吸附塔的给料仓及吸附塔”(授权公告号：cn102826307a)中，提到一种用于连接料仓与吸附塔的“分布管”(原文中图1和图2中的部件10)。但该“分布管”设计存在以下问题：1.文献中没有针对“分布管”的详细设计，只有简单的功能描述，该“分布管”仅起到连接与输送作用；2.文献中的“分布管”设计没有考虑利用自身结构引导管内物料的流动，管内物料的速率和方向不受控制，也没有流量调节的设计考虑；3.文献中各“分布管”之间除了倾斜角度外没有其他差异，没有根据活性焦设计流量的不同对各“分布管”进行优化设计；4.“分布管”设计没有考虑与对应的吸附塔仓室在物料流量上的匹配；4.文献中“分布管”没有减少物料冲击破损率的设计。
5.针对物料从料仓到吸附塔内料面的布料不均、物料冲击破损问题，以及因为局部物料移动速度不同而导致的料面不平整问题，有必要对导料溜管的功能进行拓展，对其设计方法进行优化。


技术实现要素：

6.本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种在设计时根据物料目标流量调整结构的导料溜管及其优化设计方法，可避免因为下料速率不同导致的料面不平整，可减
少下落冲击导致的物料破损。
7.为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如图1所示：一种在设计时可根据目标流量调整结构与安装位置的导料溜管结构，所述导料溜管单独或多组并联安装在活性焦料仓1底部与活性焦吸附塔反应器6之间；所述导料溜管自上而下可分为导料溜管直段、导料溜管过渡段和导料溜管螺旋段。活性焦物料5从活性焦料仓1的底部进入导料溜管直段2上端，依次通过导料溜管直段2、导料溜管过渡段3和导料溜管螺旋段4，在4的末端滑出，落入吸附塔反应器6中；缓慢向下移动的物料颗粒5在反应器6内与水平交错流过的烟气中的污染物反生物理化学反应实现污染物的脱除；吸附塔反应器6分为多个仓室，每个仓室中物料向下移动速度不相同，该下移速度由各仓室底部的辊式下料机7控制；各仓室流出的物料进入后续再生环节。
8.一、导料溜管安装位置的确定
9.将吸附塔内料面在水平方向上按照流量不同的仓室尺寸划分为多个一级布料区域。同一个一级布料区域内物料落料量u1与该仓室下端辊式下料机下料量相同，以确保整个料面基本保持水平；
10.进一步地，将一级布料区域划分为n个二级布料区域，其分区原则为：
11.1)各二级布料区域应为凸多边形，即几何中心位于其区域内；实际划分时将一级区域多划分为与原一级区域形状相似的二级区域；
12.2)各二级布料区域面积尽量大，即二级布料区域数目尽量少；
13.3)各二级布料区域内落料量相同或相差不大，即各导料溜管目标流量u2＝u1/n；
14.4)根据布料区域形状，分别获得各二级区域的几何中心(该二级区域的拟落料点)位置，进行导料溜管直段的设计，经计算各二级区域均满足uz≈u2，则布料区域划分设计完成；否则需要重新调整二级布料区域形状和数目，直到u2≈uz成立。
15.二、导料溜管直段的设计
16.导料溜管直段连接料仓出料口和溜管过渡段，一般采用倾斜的长直溜管，作用是将物料输送至拟落料点的垂直上方。
17.·
参数计算
18.主要设计参数为直溜管倾角α(或直溜管与竖直方向夹角θ，其中θ＝90
°‑
α)。
19.导料溜管内部斜面上物料颗粒物料受力示意如图2所示，有如下方程：
20.δmg cosθ＝δma
t
+μe(δmg sinθ+δman)
ꢀꢀ①
21.其中，δm为颗粒质量，g为重力加速度，a
t
为切向加速度，an为法向加速度，θ为运动方向与竖直方向夹角，α为运动方向与水平方向夹角(也称为斜面的倾角)，μe为综合考虑物料与溜管侧壁和底面摩擦力的等效摩擦系数。
22.对溜管直段内滑动的物料颗粒，法向加速度an＝0，则
①
式可进一步简化为：
23.a
t
＝gcosθ-μegsinθ
ꢀꢀ②
24.对于任一确定了物料种类和安装位置的溜管，
②
式＝0，则α＝arctanμe。考虑到工程实际应用，要保证物料即使在初速度为零时也能在溜管内加速稳定地流动，则溜管直段倾角需要满足：
25.α
min
＝5
°
+arctanμeꢀꢀ③
26.其中arctanμe为物料初速度为零时能够在溜管直段滑动的极限倾角值，在实际应
用中，一方面物料初始速度都会大于零，另一方面设计时增加了5
°
的裕量，可以保证物料的稳定流动。
27.根据运动方程，可以得到：
[0028][0029]
则溜管直段内物料流量为
[0030]
uz＝ψzvzszꢀꢀ⑤
[0031]
其中，vz为物料在溜管直段末端的切向运动速度，v0为物料从料仓进入溜管直段入口的速度(一般为0)，l为溜管直段长度，uz为溜管直段内物料流量，ψz为管道内物料的充满系数，sz为溜管直段流通截面积。
[0032]
·
落料量影响因素
[0033]
通过步骤一(确定导料溜管安装位置)明确了导料溜管直段入口(即料仓出口)和拟落料点的水平投影位置后，对于任一导料溜管直段，增大倾角α、增加斜溜管长度l均可提高导料溜管末端物料速率，从而增加溜管直段通流能力；管道内物料的充满系数ψz为一般由试验测定或采用经验值；调整管道流通截面积sz和管道内物料的充满系数，也能一定程度调整导料溜管落量。
[0034]
三、导料溜管螺旋段的设计
[0035]
如果没有导料溜管螺旋段，溜管直段出口的物料颗粒将呈现斜抛形式自由下落至料面，落料速度大，造成物料破损率高，而且无法在料面指定位置落料，不利于均匀布料。设计良好的导料溜管螺旋段，物料颗粒将沿管内的圆柱螺旋面匀速滑落，显著降低物料在到达静止料面时的瞬时速度值，也为指定落料位置提供了可能。
[0036]
·
参数设计
[0037]
导料溜管螺旋段设计目的是物料颗粒匀速滑落，其关键设计参数为外螺旋线螺旋角α、底板倾角φ、外螺旋线直径d和等效摩擦系数μe。对物料颗粒在螺旋面上进行受力分析，如图4所示，a点为螺旋面底板外螺旋线上的物料所在点，ad为外螺旋线上经过a点的切线，a、b、c为水平面上3点，e是螺旋面底板上一点，be和cd均垂直于abc平面。根据螺旋溜槽底板的倾斜方向，a点物料将沿着最大倾斜方向de下滑。设螺旋角∠α＝∠cad，底板倾角∠φ＝∠bae，∠γ＝∠def，最大倾斜方向与da的夹角∠β＝∠ade。
[0038]
螺旋外径d。从配套及美观考虑，溜管螺旋段外径一般与溜管直段保持一致，螺旋外径也随之确定，但实际应用中可以通过调整螺旋外径，对导料溜管螺旋段出口物料速度、物料颗粒溅落位置进行调整优化，达到减少垂直冲击、优化落点位置的目的。
[0039]
螺旋倾角α。溜管螺旋段螺旋倾角在满足
③
式的前提下，可以改变设计值以调整螺旋段出口速度。
[0040]
底板倾角φ。为计算和设计简便，底板倾角φ可以取0，即螺旋面与过圆柱中心轴的竖直面的交线始终保持水平。但实际应用中，有时为了增大螺旋段出口物料速度，可以适当增加底板倾角数值，如取φ＝arctanμe+3
°
。
[0041]
物料在螺旋面匀速运动的速度v。令y＝tanφ/tanα，则根据几何关系有：
[0042]
[0043][0044]
根据受力分析，物料在螺旋段匀速圆周运动时，有
[0045][0046]
变换得到，
[0047][0048]
·
落料调整方法
[0049]
通过外螺旋线螺旋角α、底板倾角φ、外螺旋线直径d和等效摩擦系数μe4个关键参数设计，使物料在自身重力、与溜管各面板之间的摩擦力及其他各种复杂作用力的共同作用下达到受力平衡，正常工况下可以实现运行速率上保持恒定，横向无摆动；在4个关键设计参数不变的前提下，溜管螺旋段的高度可以根据实际情况灵活调整，而对落料量没有影响；调整参数，可以调整螺旋段出口物料颗粒方向、落料点。
[0050]
导料溜管螺旋段内部螺旋面布置比较灵活，数量上可以是单螺旋面(图4)，也可以是多个螺旋面，螺旋面进料口沿圆周方向均匀设置(图5)以进一步增强落料均匀性；可以根据落料量大小，在外壁和不同内径的内筒之间布置螺旋面(图4)，或者取消内筒的设计。
[0051]
四、导料溜管过渡段的设计
[0052]
导料溜管过渡段连接直段和螺旋段，其重要作用是通过结构设计调整过渡段出口(即螺旋段入口)物料速度大小和方向，使物料平稳地以设计速度进入螺旋段。设计时一般先确定导料溜管直段和螺旋段的倾角和接口尺寸，再根据速度的大小和方向要求，选择合适的截面形状、过渡段材质等要素，进行圆滑过渡的结构设计。必要时应当进行试验来确定。
[0053]
本发明的有益效果为：
[0054]
1、通过对布料区域的划分，将物料在大截面料面上的均匀布料问题转化为导料溜管的结构设计和数量分布问题，通过反复的区域划分——流量设定——结构设计——流量核算的迭代，确保了吸附塔局部床层与相应导料溜管之间的物料流量匹配，从设计上保证了吸附塔内物料料面的基本平整，避免了烟气回流、窜流的现象，保障烟气净化过程的正常进行。
[0055]
2、导料溜管直段将物料颗粒输送至大截面料面各细分区域落料点上方，实现多点同时落料，可明显提高布料均匀性，降低吸附塔上方料仓布置高度；
[0056]
3、导料溜管螺旋段将物料颗粒的自由下落过程转化为匀速螺旋运动过程，可显著降低颗粒在到达静止料面时的瞬时速度值，变垂直碰撞为斜向冲击，减小冲击能量，降低物料破损率；
[0057]
4、导料溜管螺旋段的设计使物料颗粒离开导料溜管时在水平方向具备一定的速度，在料面上的落料点范围远大于垂直自由下落过程，有助于物料颗粒在水平方向的均匀布料；相同布料效果下减少了布料装置在垂直方向的高度；
[0058]
5、物料颗粒在导料溜管中的变向和速度调节过程中，没有运动部件，不需要外加动力干预，不需要现场的操作与控制，完全依靠颗粒自身的重力和溜管壁面的作用，实现了一定流量范围内的非能动式流量调节和均匀布料。整个运行过程简单可靠，不受操作因素影响，没有机械故障，运营维护费用低，输料、布料、调流量效果恒定。
附图说明
[0059]
图1为安装有本发明提供的导料溜管的吸附塔及料仓结构示意图；
[0060]
图2为导料溜管组成示意图；
[0061]
图3为导料溜管直段内物料单元体受力示意图；
[0062]
图4为导料溜管螺旋段(单螺旋面套管式)示意图；
[0063]
图5为导料溜管螺旋段(双螺旋面套管式)示意图；
[0064]
图6为料溜管螺旋段内螺旋面上物料单元体a几何关系示意图；
[0065]
图1中，1-料仓，2-导料溜管直段，3-导料溜管过渡段，4-导料溜管螺旋段，5-物料颗粒，6-吸附塔反应器，7-辊式下料机，一～四-根据仓室划分的一级布料区域，(1)～(3)-根据落料量相同原则划分的二级布料区域、。
具体实施方式
[0066]
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
[0067]
实施例
[0068]
如图1所示的应用本实施例导料溜管的吸附塔装置中，导料溜管结构由3部分组成：导料溜管直段2、导料溜管过渡段3和导料溜管螺旋段4。物料5从料仓1的底部进入导料溜管直段2上端，依次通过导料溜管直段2、导料溜管过渡段3和导料溜管螺旋段4，在4的末端滑出，落入吸附塔反应器6中；缓慢向下移动的物料颗粒5在反应器6内与水平交错流过的烟气中的污染物反生物理化学反应实现污染物的脱除；吸附塔反应器6分为多个仓室，每个仓室中物料向下移动速度不相同，该下移速度由各仓室底部的辊式下料机7控制；各仓室流出的物料进入后续再生环节。
[0069]
一、导料溜管安装位置的确定
[0070]
将吸附塔内料面在水平方向上按照流量不同的仓室尺寸划分为4个一级布料区域(图一中的一、二、三和四区域)。同一个一级布料区域内物料落料量u1与该仓室下端辊式下料机下料量相同，以确保整个料面基本保持水平。进一步地，将一级布料区域一又划分为3个二级布料区域(1)、(2)和(3)，其水平投影的几何中心点为a、b和c，即3个导料溜管的拟落料点；3个二级布料区域内落料量相同或相差不大，即3个导料溜管目标流量u2＝u1/3，u1为区域一的辊式下料机流量值。
[0071]
二、导料溜管直段的设计
[0072]
首先设定一个管道内径，取其截面积为sz，根据活性焦颗粒物料与导料溜管材质之间的试验数据，确定等效摩擦系数μe和管道充满系数ψz。根据
⑤
式和
④
式得到溜管直段倾角α，经核算满足式
③
要求，即完成直段关键参数设计。图1中(1)(3)区域的导料溜管直段倾角相同，且大于区域(2)的溜管直段倾角。
[0073]
三、导料溜管螺旋段的设计
[0074]
本实施例中溜管螺旋段外径选择与溜管直段保持一致；螺旋倾角α在满足
③
式的前提下，根据布料效果进行调整，本例中取47
°
；底板倾角φ取0，即螺旋面与过圆柱中心轴的竖直面的交线始终保持水平，可以适当增加底板倾角数值以改善布料效果。
[0075]
四、导料溜管过渡段的设计
[0076]
在确定了导料溜管直段和螺旋段结构与位置后，根据速度的大小和方向要求，选择合适的截面形状、过渡段材质等要素，进行圆滑过渡的结构设计。
[0077]
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。
[0078]
与相关技术相比较，本发明提供的活性焦导料溜管装置具有如下有益效果：
[0079]
通过对布料区域的划分，将物料在大截面料面上的均匀布料问题转化为导料溜管的结构设计和数量分布问题，通过反复的区域划分——流量设定——结构设计——流量核算的迭代，确保了吸附塔局部床层与相应导料溜管之间的物料流量匹配，从设计上保证了吸附塔内物料料面的基本平整，避免了烟气回流、窜流的现象，保障烟气净化过程的正常进行。
[0080]
导料溜管直段将物料颗粒输送至大截面料面各细分区域落料点上方，实现多点同时落料，可明显提高布料均匀性，降低吸附塔上方料仓布置高度；
[0081]
导料溜管螺旋段将物料颗粒的自由下落过程转化为匀速螺旋运动过程，可显著降低颗粒在到达静止料面时的瞬时速度值，变垂直碰撞为斜向冲击，减小冲击能量，降低物料破损率；
[0082]
导料溜管螺旋段的设计使物料颗粒离开导料溜管时在水平方向具备一定的速度，在料面上的落料点范围远大于垂直自由下落过程，有助于物料颗粒在水平方向的均匀布料；相同布料效果下减少了布料装置在垂直方向的高度；
[0083]
物料颗粒在导料溜管中的变向和速度调节过程中，没有运动部件，不需要外加动力干预，不需要现场的操作与控制，完全依靠颗粒自身的重力和溜管壁面的作用，实现了一定流量范围内的非能动式流量调节和均匀布料。整个运行过程简单可靠，不受操作因素影响，没有机械故障，运营维护费用低，输料、布料、调流量效果恒定。
[0084]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。