CN102078732A - 异重多尺寸均匀涨落颗粒床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种异重多尺寸均匀涨落颗粒床装置。其理论准则是所有颗粒具有相同流化数。采用不同耐火度的颗粒实现不同工业过程的高温气固分离(高温除尘)，采用对应的吸剂颗粒实现流体的化学净化(如烟气脱硫)和物理净化(如除尘)同步完成。作为一种流态化过程，由不同密度不同粒径的床料构成颗粒床。随流化介质流量增加，静止床料均匀膨胀，床层高度线性增加。随流化介质流量减少，所有床料按秩序降落，床层高度线性下降。理想球体构成的异重多尺寸均匀涨落流化床在流体增减过程中不出现颗粒间的错位。实际应用中可实现大烟气量的高温气固分离。实现大型化要求支撑颗粒床再生的反吹流体分布板能够承受流体机械和工艺系统允许的最大压降。

Description

异重多尺寸均匀涨落颗粒床 
技术领域：
本发明涉及一种流态化过程。由不同密度、不同粒径的床料构成颗粒床。随着流体质量流量增加，静止的床料均匀膨胀，床层高度线性增加。随着流体质量流量减少，所有床料按秩序降落，床层高度线性下降。理想球体构成的异重多尺寸均匀涨落流化床在流体增减过程中不出现颗粒之间的错位。 
背景技术：
流化床是各种反应器中成本低、历史长、理论相对完善的一种，在化工、能源动力、建材以及食品行业广泛应用。所有气-固或液-固流化床都是用流体吹动固体颗粒实现化学反应或质量传递，流化床工作过程都是在一定表观速度下连续进行。最有效的运行参数被选定为流化床连续运行参数，一旦这种最佳参数确定，除非发生意外或计划停止，流化床反应器将一直连续运行。所有气固流化床中，气体都是一个方向运动的。 
过滤是一个巨大的技术应用，全球过滤行业2004年已经形成200亿美元的技术市场(Graham Rideal，Filtration：the marketplace，Filtration+Separation September 2005)，其中包含了高温烟气的颗粒床过滤(Hot gases cleaning inbeds of granular solids)，高温烟气过滤(Hot gas filtration)被列为未来发展的重要方向。随着技术的发展，特别是联合发电、燃气轮机应用等，陶瓷过滤和纤维过滤成为炙手可热的新技术，早期开发的颗粒床过滤几乎被人遗忘。颗粒床除尘被认为是一种高效的过滤技术，科技部将其列入国家七五攻关项目，冶金部曾在湖南现场推荐。但经过两次国家行政部门的强力推荐后，颗粒床除尘器几乎失去了技术市场。取代颗粒床除尘器的是高温条件下使用的陶瓷过滤器和低温条件下使用的布袋除尘器。几乎没有收集到颗粒床除尘器淡出市场的技术报道。但陶瓷过滤和布袋过滤都有工作寿命和工作周期两大困扰(S.D.Sharma et al，2008)。 
很多工业领域都出现高温粉尘，特别是冶金过程，这些高温粉尘富含生产原料的主要化学元素，如高炉荒煤气粉尘含有大量的铁元素。由于技术进步，炼铁过程的湿法高温除尘被干法降温除尘(布袋过滤技术)所取代。但布袋过滤有致命的缺陷，怕高温、怕冲击、工作周期短、工作寿命有限。如果能用颗粒床过滤代替布袋过滤可能出现巨大的技术好处。固体颗粒可以耐受较高温度(天然石英砂可耐受350℃温度，如果采用人造颗粒，如氧化铝空心球或耐火材料烧制颗粒能耐受更高温度)，承受较高的温度和压力波动。 
虽然有众多的研究文献，包括学位论文，但几乎所有人都将同体颗粒床过滤看成是一种机械过滤。这种机械过滤的视角限制了人们对颗粒床的认识。特别是冶金行业，经冶金部的推动仍没有形成生产力，说明机械过滤认识对颗粒床的认识有所偏颇。 
杨国华比较早的认识到颗粒过滤床具有流化床性质，连续获得了多个中国专利。能够明显反映杨国华将颗粒床过滤看成是包含流态化过程技术的是2004年获准的专利。这个专利中提出了多层、多密度、多粒径的颗粒过滤床。Graham Rideal(2005)在综述过滤技术时曾提到过相同的概念(Multi-layer filters with conventional downward filtration achieve the same results by means of beds comprising two or more materials of different densities so that thehydraulic classification resulting from cleaning places the finer，denser particles on top of the coarser，less dense particles)。Sunil D.Sharma(2009)在综述合成气净化技术时曾引用2篇2005年出版的关于采用吸收剂作为颗粒床床料的文献(Ohtsuka Y，Tsubouchi N.Scientific and technological process in Japan on hot gas clean up of halogen，sulphur and nitrogen.In：Kanaoka C，et al.，editor.Advanced gas cleaning technology；2005.p.375-84.和Mizutani M，Kambara S，Moritomi H，Abe K，Yonemochi Y，Tsukada M，Kamiya H.Retention of alkali and heavy metal elements with multiplesorbents.In：Kanaoka C，et al.，editor.Advanced gas cleaning technology；2005.p.504-07.)，表明用脱硫剂作为颗粒床料进行除尘脱硫已有多年历史。问题并不在于谁先提出这些概念，而在于如何让这个概念准确地形成有效的技术，实现较大烟气量的高温气固分离。 
申请人核算了杨国华专利中提到的技术数据发现，杨国华在设计包含流态化过程的颗粒床过滤器时出现了几个问题。一是没有交代所使用的临界流化速度计算公式的使用条件(不是广泛采用的计算式)；二是利用专利说明书提供的计算公式获得的临界流化速度计算结果与说明书提供的操作条件求出的流化数(操作速度与临界流化速度之比)跳跃非常大。如实施例4中，下层颗粒的流化数为0.39-0.67，而上层颗粒的流化数为1.4-2.4。全部实施例中最大流化数为2.6，最小流化数为0.39。这种情形意味着该专利所述的颗粒床在反吹过程中会出现严重的颗粒返混。从流化床性质看，当流化床的操作风速达到一定数值后，床层开始明显膨胀。清华大学(1979)用煤灰进行的试验显示随着操作速度提高，流化床高度几乎是线性增加的(见附图1)。 
按照图1，即使杨国华的专利内容采用不同颗粒尺寸、不同颗粒密度，其床层膨胀比(膨胀后的床高与静止料层床高之比)也会达到较大数值。这就使得该颗粒床运行时要求有很高的器壁，否则将损失床料。一旦出现床料丢失，颗粒床的性能(气固分离效率、阻力、操作周期)将出现显著变化。 
此外，在杨国华的专利中，支撑颗粒的是金属条。按照一定尺寸排列的金属条的压力降比较小，当颗粒床面积大到一定数值后容易发生配风不均现象，破坏流化质量。 
发明内容：
随着流化介质质量流量增减均匀涨落的颗粒床。实现这一要求的理论准则是：不论采用多少种颗粒(密度和粒径)、设计多少层料层，所有颗粒具有相同的流化数(表观操作速度与该颗粒的临界流化速度之比)。采用不同耐火度的颗粒可以实现不同工业过程的高温气固分离，采用对应的吸收剂颗粒可实现流体的化学净化和物理净化的同步完成。 
一旦将颗粒床气固分离或液固分离的反吹过程看成是流态化过程，一些技术问题就有了针对性解决策略。如大型化问题。颗粒床大型化可能是阻碍颗粒床获得应用的最主要的技术困难。一旦大型化，颗粒床(厚度通常不超过300mm)将出现流化不均匀、穿孔等流化不良现象。而流化床技术的等压风箱和布风板技术将有助于消除浅颗粒床不能均匀流化现象，保障大面积流化床稳定运行。 
附图说明：
图1是流化床的膨胀比图。 
图2是正常工作的异重均匀涨落颗粒床图；携带固体颗粒的流体由上向下通过颗粒床(如图中黑色箭头所示)，此时的颗粒床是一个固定床，含有固体颗粒的流体经过一定排列方式的颗粒床时实现气(液)固分离和化学反应或吸附。过滤后的流体成为洁净流体(如图中的空心箭头)。 
图3是反吹过程的异重均匀涨落颗粒床图；反吹流体(如图中的空心箭头)由下而上穿越颗粒床，由于所有颗粒具有相同的流化数，整个颗粒床出现均匀膨胀，床料颗粒之间距离拉大为捕集颗粒让出逃逸通道，实现颗粒床再生。异重均匀涨落颗粒床需要保证反吹捕集颗粒所需的流化数的小于床料颗粒的流化数，否则应另选床料或采取相应的技术措施保障反吹过程不丢失床料。反吹流体携带被捕集的颗粒离开颗粒床(如图中黑色箭头所示)。 
一个反吹过程完成一次颗粒床的均匀膨胀和均匀降落过程，即均匀涨落过程。 
具体实施方式：
实施例1：工业锅炉除尘 
床层高度150mm。采用石英砂+膨胀珍珠岩作床料，设计流化数1.2。采用2层床料，颗粒尺寸分别为石英砂0.8mm，膨胀珍珠岩2.2m。 
分布板压降0.5kPa； 
实施例2：冶金高炉高温荒煤气除尘 
床层高度150mm。石英砂+耐火材料小球+空心氧化铝小球为床料。设计流化数1.2。采用3层床料，0.5mm石英砂，1.2mm耐火土烧制小球和5mm氧化铝空心小球。 
分布板压降2.5kPa； 
实施例3：燃煤锅炉脱硫除尘一体化 
床层高度150mm。采用石英砂+脱硫剂+脱硫剂为床料。石英砂0.8mm，脱硫剂床料为1.5mm和4mm。 
分布板压降0.5kPa； 
实施例4：城市污水过滤 
床层高度500mm。采用陶瓷珠+空心氧化铝小球+空心氧化铝小球为床料。陶瓷珠0.3mm，空心铝小球床料尾1.5mm和5mm。 
分布板压降1.5kPa。 

Claims (4)

1.一种随着流体表观流速变化能均匀涨落的颗粒床，其特征是不论采用几种床料密度和多少种颗粒尺寸，所有颗粒的流化数相同。
2.根据权利要求1所述的颗粒床，颗粒床可以进行气固分离或液固分离的物理过程，也可以进行带有吸附、机械分离和化学反应的联合过程。
3.根据权利要求1所述的颗粒床，选定的颗粒按颗粒尺寸大者在上的原则排列。
4.根据权利要求1所述的颗粒床，颗粒床具有明显压力降的分布板，以保证大颗粒床表面各处的绝对压力差处于很小数值，从而保证流化质量。 
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