1 PROGRESIVNÍ ZPŮSOB PNEUMATICKÉ DOPRAVY SYPKÝCH MATERIÁLŮ ZE SIL A Z VÝSYPEK TKANINOVÝCH FILTRŮ A ELEKTROODLUČOVAČŮ Ing. Petr Rayman, RAYMAN spol. s r. o. Kladno 1. Úvod V oboru pneumatické dopravy práškových a jemně zrnitých materiálů je základním úkolem podat dopravovaný materiál plynule a v dostatečném množství do dopravního potrubí. K tomu slouží různé druhy podavačů pro kontinuální i cyklický pracovní cyklus dopravy. Každý z druhů podavačů má své výhody i nevýhody pro konkrétní dopravovaný materiál a dopravní trasu. V tomto příspěvku je odborná veřejnost seznámena s nově vyvinutým a dlouhodobě provozně vyzkoušeným systémem pneumatické dopravy práškových a jemně zrnitých materiálů podávaných do dopravního potrubí průtokovým podavačem ze sil, zásobníků a od výsypek filtrů a odlučovačů. Na konkrétních případech budou představeny možnosti jeho aplikace v průmyslových a energetických provozech. 2. Dosud používané způsoby podávání materiálu V současné době se využívá několik způsobů podávání materiálu do dopravních potrubí. Pro diskontinuální způsob pneumatické dopravy jsou to komorové podavače (tlakové nádoby), pro kontinuální způsob pneumatické dopravy jsou to šnekové podavače, směšovací rotační podavače nebo ejektorové podavače. 3. Pneumatická doprava průtokovým podavačem 3.1 Princip pneumatické dopravy průtokovým podavačem Ve snaze odstranit výše uvedené negativní vlastnosti dosud používaných systémů doprav bylo na základě českého patentu a našeho původního technického řešení firmy RAYMAN spol. s r. o. Kladno vyvinuto zařízení pro pneumatickou dopravu práškových materiálů ze sil, zásobníků a z výsypek tkaninových filtrů a elektroodlučovačů systémem průtokového podavače. Obr. 1: Různé druhy podavačů jako tlakový uzávěr dopravního potrubí Úkolem každého podavače pneumatické dopravy je podat dopravovaný materiál v požadovaném množství do dopravního potrubí, na jehož počátku je tlak daný odporem dopravního potrubí při dopravě p DP. Aby došlo k dopravě, je třeba podavačem tento tlak překonat tlakovým uzávěrem. Tímto tlakovým uzávěrem je v případě použití komorového
2 podavače jeho tlaková nádoba (resp. uzávěr vpádové části) obr. 1a, v případě šnekového podavače odpor materiálové zátky vytvořené šnekem podavače obr. 1b, v případě rotačního podavače odpor rotoru podavače obr. 1c a v případě ejektorového podavače ejekční účinek proudu dopravního vzduchu obr. 1d. Obr. 2: Hlavní části průtokového podavače Průtokový podavač (obr. 2) je tvořen vysokou gravitační komorou, tlakovou komorou s provzdušňovaným dnem a směšovačem vybaveným materiálovou clonou. Princip dopravy průtokovým podavačem je znázorněn na schematu na obr. 3. Tlakový uzávěr je v průtokovém podavači tvořen hydrostatickým tlakem sloupce provzdušněného materiálu shromážděného v gravitační komoře podavače p f. Hydrostatický tlak je zhruba úměrný výšce H g sloupce provzdušněného materiálu. p f = ρ f. g. H g Ta musí být tak vysoká, aby byl takto vytvořený hydrostatický tlak v rovnováze s odporem dopravního potrubí stanovené světlosti při dopravě zadanou výkonností danou dopravní trasou. p DP = p f Jak je z uvedeného patrné, je potřebná výška vysoké fluidní vrstvy a tedy výška gravitační Obr. 3: Schéma průtokového podavače komory závislá na dopravní výkonnosti, dispozičním řešení dopravní trasy, sypné hmotnosti provzdušněného materiálu a na průměru dopravního potrubí. Vlastnosti dopravovaného materiálu, dopravní výkonnost a dopravní trasa jsou většinou dané předem technologickými a místními podmínkami provozu a zadáním. Podle výšky výsypky sila, zásobníku či odlučovače nad úrovní terénu je tedy nutno stanovit optimální světlost dopravního potrubí. 3.2. Zdroje dopravního vzduchu U převážné většiny doprav materiálu ze sil, zásobníků, filtrů a odlučovačů jsou stavební poměry takové, že lze vyvodit tlak vysoké fluidní vrstvy v řádu desítek kpa. To umožňuje použít s velkou výhodou jako zdroje dopravního vzduchu Rootsova dmychadla. Jejich výtlačný tlak může být až 100 kpa. Průtokové podavače ani dopravní potrubí nejsou potom
3 vyhrazenými tlakovými zařízeními a při návrhu zařízení s provozním tlakem do 50 kpa nejsou tlakovými zařízeními ve smyslu platných zákonů vůbec. Další výhodou dmychadel jako zdrojů dopravního vzduchu je jejich nízká investiční náročnost, a to nejen cena samotného stroje, ale i náklady na pořízení a výbavu kompresorovny. Dopravní vzduch není nutno chladit, odvodňovat a sušit. Navlhčení dopravovaného materiálu vzdušnou vlhkostí z dopravního vzduchu se může pohybovat v řádu maximálně setin procenta. Pokud je k dispozici značná stavební výška pro vytvoření velkého hydrostatického tlaku provzdušněného materiálu přes 0,1 MPa, lze jako zdroje dopravního vzduchu použít samozřejmě i kompresory s výtlačnými tlaky 0,2 až 0,6 MPa. V těchto případech je však třeba dopravní vzduch ochladit na teplotu okolí a dobře odvodnit, případně vysušit. 3.3. Energetická náročnost pneumatické dopravy průtokovým podavačem Každý typ dosud běžně používaných podavačů vykazuje určitou ztrátu energie potřebnou pro vytvoření tlakového uzávěru nutného k překonání odporu dopravního potrubí. V případě podávání materiálu komorovým podavačem je energetická ztráta tvořena odvzdušněním nádoby podvače z plného provozního tlaku při fázi dopravy na atmosférický tlak při fázi plnění. Při použití šnekového podavače je energetická ztráta tvořena energií potřebnou pro pohon šneku. Pokud je použita doprava s rotačním podavačem, je tato ztráta tvořena jednak energií potřebnou k pohonu rotoru podavače a jednak ztrátou tlakového vzduchu proniklého podavačem netěsnostmi a vyneseného jeho kapsami. Při použití ejektorového podavače je energetická ztráta tvořena energií potřebnou k vytvoření ejekčního účinku proudu vzduchu. Oproti tomu doprava průtokovým podavačem využívá k vytvoření tlakového uzávěru potenciální energii materiálu shromážděného v předřazeném sile či zásobníku nebo ve výsypce filtru nebo odlučovače. Odpadají tedy ztrátové energie uvedené výše. Proto je energeticky taková doprava výhodnější, než u ostatních pneudopravních systémů. Aby bylo možno dosáhnout zadané dopravní výkonnosti při nižším provozním tlaku dopravního vzduchu, je třeba volit větší světlosti dopravního potrubí, než při návrhu vysokotlakých pneumatických doprav komorovými podavači. To s sebou nese požadavek na vyšší průtok dopravního vzduchu. Ten je však plně vyvážen o jeden řád nižším potřebným tlakem, neboť vysokotlaké dopravy vyžadují zdroje s výtlačným přetlakem od 600 do 800 kpa, takže spojkový příkon dmychadla je nižší, než spojkový příkon kompresoru použitého pro obdobnou dopravu klasickým způsobem. Měrná spotřeba energie při dopravě průtokovým podavačem se pohybuje od 0,9 kwh/t (pro dopravu ze sil, velké dopravní výkonnosti a krátké a přímé dopravní trasy) do 3,5 4,0 kwh/t (pro dopravu z výsypek filtrů s využitím nízké stavební výšky, menší dopravní výkonnosti a dlouhé a členité dopravní trasy) dopraveného materiálu. 3.4. Provoz zařízení pneumatické dopravy průtokovým podavačem Doprava průtokovým podavačem je kontinuální. Dochází při ní ve srovnání s jinými dopravními systémy i k menšímu opotřebení dopravního potrubí abrazí. Při srovnání s dopravou komorovými podavači odpadá expanze řídké fáze materiálu do dopravního potrubí při konci dopravního cyklu. Právě při ní dochází k proudění vzdušiny dopravním potrubí velmi vysokou rychlostí a tedy k největšímu opotřebení potrubí. Další výhodou dopravy průtokovými podavači je jejich vysoká životnost a nízké náklady na údržbu. Jak je vidět ze schematického obrázku průtokového podavače na obr. 3, neobsahuje podavač žádné pohyblivé součásti přicházející do styku s dopravovaným materiálem. Odpadá tedy jejich opotřebení a údržba, jako je tomu při použití šnekových či rotačních podavačů.
4 Navíc posuvné rychlosti materiálu v gravitační komoře i v tělese podavače jsou velmi malé. Jedinou součástí, kde dochází k proudění materiálu vyšší rychlostí, a která je tedy náchylnější k opotřebení, je směšovač. Ten se pro dopravu abrazivních materiálů, jako elektrárenských popílků, provádí v zesíleném, protiabrazivním provedení. Jedinými pohyblivými součástmi v systému pneumatické dopravy průtokovým podavačem jsou funkční orgány uzávěrů v rozvodech vzduchu, které se však pohybují pouze v proudu čistého vzduchu a opotřebením abrazí tedy netrpí. Protože se jedná o kontinuální dopravu, je provoz zařízení plynulý a ustálený. To umožňuje volit poměrně nízké dopravní rychlosti vzduchu (18 20 m/s při stavu vzduchu na konci dopravního potrubí) a směšovací poměry přibližně 15-25 kg/kg. Zařízení potom není náchylné k ucpávání na jedné straně a k opotřebení dopravního potrubí abrazí na staně druhé. Protože se jedná o velice jednoduché zařízení, je také velice jednoduchý proces uvádění zařízení do provozu. Tomu musí samozřejmě předcházet pečlivá projekční příprava zařízení, samotné uvádění do provozu pak představuje jen kontrolu funkčnosti a správného zapojení uzavíracích orgánů ve vzduchových rozvodech a správného osazení škrticích dýz. Seřízení samotného průtokového podavače obnáší nejvýše výměnu materiálové clony ve směšovači. Celkový proces najetí zařízení trvá obvykle 1 až 2 dny. 3.5. Využití průtokového podavače při dopravě ze sil a zásobníků Systém dopravy sypkých materiálů průtokovým podavačem je velice výhodný pro dopravu ze Obr. 4: Doprava průtokovým podavačem ze sila sil a zásobníků (obr 4). Zde bývá již principem skladování vytvořena dostatečná výška H g pro vytvoření hydrostatického tlaku potřebného pro dopravu. Navíc při dostatečném provzdušnění materiálu v sile se i v něm vytváří hydrostatický tlak P s, který se přenáší do gravitační komory průtokového podavače. Tím vzniká poměrně velký tlak materiálu ve směšovači daný součtem P s + P f a je možno provozovat dopravu obzvláště ekonomicky. Byla již realizována zařízení pro dopravu sypkých materiálů na vzdálenosti přes 200 m, s převýšením přes 30 m. 3.6. Využití průtokového podavače při dopravě odprašků z výsypek filtrů a odlučovačů Průtokový podavač je používán také pro ekonomický odsun odprašků z výsypek filtrů a odlučovačů (obr.5). Zde se většinou jedná o kombinaci fluidní dopravy fluidními dopravníky a dopravy ve vznosu průtokovým podavačem. Nasazení systému je velice výhodné tam, kde je vysoká výška výstupních přírub odlučovače nad podlahou. Pokud pod výsypkami není
5 Obr. 4: Doprava průtokovým podavačem od filtru dostatečná výška k dispozici, je možno využít terénních nerovností, vybudovat jímku pod úrovní podlahy nebo navrhnout kaskádovou dopravu, kdy se popílek od výsypek dopraví jedním průtokovým podavačem na krátkou vzdálenost do mezizásobníku potřebné výšky a poté dalším průtokovým podavačem do požadovaného místa. 4. Aplikace zařízení v provozech 4.1 Příkladem použití průtokového podavače pro dopravu sykého materiálu ze sila je zařízení pneumatické dopravy odprašků vápence ze zásobního sila do expedičního zásobníku v cementárně Lafarge Čížkovice. Průtokový podavač s vysokou gravitační komorou je vyobrazen na obr. 6. Zařízení dosahuje výkonnosti 27 t/h při dopravní vzdálenosti 238 m a převýšení 34 m. Měrná spotřeba enetgie je 3,5 kwh/t dopraveného materiálu. 4.2 Příkladem zařízení pro pneumatickou dopravu popílku od výsypek elektroodlučovače je zařízení nainstalované na čtyřech kotlích v teplárně Chemopetrolu a. s. Litvínov od roku 2000. Slouží pro odsun popílku od elektroodlučovačů. Doprava je dimenzována na výkonnost min. 15 t/h a dopravní trasa je podle vzdálenosti jednotlivých kotlů 100 m až 150 m s převýšením 35 m. Měrná spotřeba energie je 2,0 kwh/t dopraveného materiálu. Obr. 6: Průtokový podavač Zařízení sestává ze soustavy sběrných fluidních dopravníků, které dopravují popílek od všech výsypek do gravitační komory společného průtokového podavače. Byl zachován původní systém splavování popílku instalací rozboček pod rotačními podavači (obr. 7). Na tomto obrázku je také vidět část systému fluidních dopravníků a na obrázku č. 8 průtokový podavač se spodní částí rozšířené gravitační komory. Její rozšíření je nutné z důvodu vytvoření prostoru pro kompenzaci nerovnoměrného přísunu materiálu z elektroodlučovače po oklepu elektrod.
6 Obr. 7 Litvínov rozbočka a fluidní dopravníky 5. Závěr Obr. 8 Litvínov průtokový podavač Provozní zkušenosti při provozu všech doposud realizovaných zařízení splnily očekávání. To se zejména projevilo velmi vysokou provozní spolehlivostí a velice nízkými nároky na údržbu zařízení. Ta v podstatě spočívá jen v péči o dmychadlo - výměně olejové náplně, čištění sacích filtrů a výměně poháněcích řemenů. Samotné fluidní dopravníky a průtokový podavač jsou bezúdržbové. Velice jednoduchý a tedy nenáchylný k poruchám je též řídicí systém celého dopravního systému. Další velice příjemnou vlastností zařízení je jeho velice dlouhá životnost. Také náhradní díly, pokud jsou nějaké potřeba, jsou velice levné, snadno dostupné a lehce vyměnitelné. Velice příznivá je ekonomika investice a provozu. Zařízení jako celek, tedy vč. zdroje dopravního vzduchu a odprašovacího zařízení dopravního vzduchu je znatelně investičně méně náročné oproti systémům pneumatických doprav komorovým podavačem a hodí se k instalaci jak při výstavbě nových zařízení, tak při rekonstrukcích zařízení stávajících. Energetická náročnost je také velice příznivá. Popsaný systém pneumatické dopravy byl již realizován v cca 25 aplikacích pro dopravu různých práškových materiálů, jako jsou cement, mletý vápenec, mleté vápno, sádra, slévárenský písek, odprašky slínku, elektrárenský popílek a další. Při vývoji a vylepšování popsaného pneudopravního systému bylo vycházeno nejen ze zkušeností získaných při zkoškách na zkušebně, ale především byly zohledněny poznatky získané měřeními provedenými na realizovaných zařízeních v průmyslových provozech.