CN103216825A

CN103216825A - 使用b类颗粒的高密度循环流化床圆弧形u阀返料器

Info

Publication number: CN103216825A
Application number: CN2012100197186A
Authority: CN
Inventors: 王雪瑶; 雷兢; 肖云汉; 徐祥
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: CN103216825B

Abstract

本发明公开了一种使用B类颗粒的高密度循环流化床圆弧形U阀返料器，涉及循环流化床技术，该装置主要由供气系统、主床系统、气固分离系统、返料系统和测试系统组成。系统供气系统主要由空压机提供。该返料系统由料腿和圆弧形U阀返料器组成，圆弧形U阀返料器有三条风路。本发明的圆弧形U阀返料器解决了传统直角形U阀返料器具有局部流动死角，流化不畅，调节性差的问题，降低了在U阀返料器内出现结焦的风险，提高了高密度循环流化床运行的稳定性，进而为高密度循环流化床的燃烧以及气化技术研发奠定基础。

Description

使用B类颗粒的高密度循环流化床圆弧形U阀返料器

技术领域

本发明涉及循环流化床技术领域，是一种使用B类颗粒的高密度循环流化床圆弧形U阀返料器。

背景技术

高密度循环流化床是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染的清洁能源技术，可以在较高的操作气速和固体通量下运行，具有床内颗粒密度高、气固混合强、处理量大、应用范围广的特点。物料在高密度循环流化床中正常循环是其安全运行的前提。在高密度循环流化床系统中，将分离下来的固体颗粒回送到提升管进行循环的部分称为返料装置，包括下料料腿和返料器。其中，返料器是关系到反应效率和运行调节的一个重要部件，若出现返料器运行不畅、返料中止甚至结焦等现象，将严重影响高密度循环流化床系统的正常运行。

发明内容

本发明的目的是公开一种使用B类颗粒的高密度循环流化床圆弧形U阀返料器，其底部为圆弧形，有三条风路，带有圆弧形U阀返料器的冷态高密度循环流化床，较好的解决了U阀返料器具有局部流动死角，流化不畅的问题，并使气化炉可用B类颗粒运行。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种使用B类颗粒的高密度循环流化床圆弧形U阀返料器，其底部为半球状，剖面成圆弧形；在底部设有三条风路，二路风管位于底部底端，一路向上对着反料风室，另一路向上对着松动风室，第三路风管位于松动风室侧壁，为松动风室调节风管；三条风路可调节的相互配合作用于返料器内腔，解决了U阀返料器的局部流动死角，流化不畅，调节性差的问题，降低了在U阀返料器内出现结焦的风险，提高了高密度循环流化床运行的稳定性。

所述的圆弧形U阀返料器，包括返料料管、舌板、回料料管、松动风室的调节风管、松动风室、松动风管、返料风管、返料风室；其中，返料料管位于壳体左侧，由下向上与壳体固接、相通连，两者之间有一小于90度夹角；回料料管垂直设置，下端与壳体顶面右部固接、相通连；舌板垂直设置，位于壳体内腔，舌板上端固接于壳体顶面内侧面，舌板板身顺回料料管内侧壁向下延伸，舌板下端悬空，将壳体内腔分为两部分，左边为返料风室，右边为松动风室；其底部为半球状，底部底端垂直向下设有二条风管，二条风管上端分别与壳体内腔固接相通连：一条返料风管，正对返料风室，另一条松动风管，正对松动风室；在松动风室右侧壁，约水平设有第三条松动风室调节风管，调节风管内端与壳体内腔固接相通连；

三条风管的外端分别经管道与供气系统相通连，各管道中设有手动阀门，或自动阀门。

所述的圆弧形U阀返料器，其所述为自动阀门时，自动阀门与自动控制系统电连接。

所述的圆弧形U阀返料器，其所述壳体，采用有机玻璃材料制作。

所述的圆弧形U阀返料器，其所述半球状底部的直径为Φc、松动风管的直径为Φs、返料风管的直径为Φf、回料料管的直径为Φb，它们的关系为：2Φb＜Φc＜3.5Φb，0.1Φb＜Φs，Φf＜0.3Φb。

所述的圆弧形U阀返料器，其所述返料料管与垂直方向的夹角α为：30°＜α＜45°，松动风室的调节风管与垂直方向的夹角β角为：85°＜β＜95°。

所述的圆弧形U阀返料器，其工作流程为：

a)首先，在下料料管和返料器内腔中加入固体床料，直到床料将下料料管和返料器充满为止；

b)打开第一空压机、阀门，将压缩空气通过进气管道和布风板鼓入提升管内；再打开三条风管供气系统的第二空压机、及三路阀门，待空载运行时间大于30s后，分别调节松动风路、返料风路和松动风室调节风路前的阀门；

c)然后，固体床料经下料料管进入到圆弧形U阀返料器内腔中，开始系统的返料过程；

d)在返料过程中，通过各个压力测量点的压力，由公式ΔP＝ε_sρ_pgΔh确定提升管内的颗粒浓度分布，其中，ΔP是压降、ε_s是固体颗粒在床内的平均体积分率、ρ_p是颗粒密度、g是重力加速度、Δh是高度；

e)通过调节松动风路、返料风路和松动风室调节风路前的阀门，控制装置的返料量，监测压力测点的值，当提升管内颗粒浓度为ε_s＝10％时，提升管内的气固流动达到高密度循环流化床的要求，适用B类颗粒的处理，为所需的工况，维持运行；

f)监测料路压力、运行情况，参数变化时，重复d)、e)步骤。

所述的圆弧形U阀返料器，其所述e)步中，调节松动风路、返料风路和松动风室调节风路前的阀门，控制装置的返料量，调节过程遵循如下原则：1)先调节松动风路和返料风路的风量，待流动稳定后再调节松动风室调节风路的风量，即松动风路和返料风路为主调风路，松动风室调节风路为微调风路；2)0＜Qs、Qf＜0.1Qr；3.Qt＜0.05Qr，其中，松动风路的风量记作Qs、返料风路的风量记作Qf、松动风室调节风路的风量记作Qt，进入提升管的风量记为Qr。

本发明依托国家“863计划”能源领域重大项目-以煤气化为基础的多联产示范工程以及国家自然科学基金项目-输运床煤气化炉内气固流动规律及气化反应机制的研究的支持。其气化炉使用B类颗粒，通过反应器内的高固体浓度和高固体通量，实现高效的气固混合、传热传质、化学反应过程。该技术适用于我国储量巨大且目前技术难以有效利用的低阶煤和劣质煤，同时具有高效率、低成本和维护简单等特点，是先进气化技术发展的重要方向。

附图说明

图1是本发明的一种使用B类颗粒的高密度循环流化床圆弧形U阀返料器结构示意图；

图2是本发明的使用B类颗粒的带有圆弧形U阀返料器的冷态高密度循环流化床结构示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的使用B类颗粒的高密度循环流化床圆弧形U阀返料器22的结构示意图，由返料料管1、舌板2、回料料管3、松动风室的调节风管4、松动风室5、松动风管6、返料风管7、返料风室8构成。其特征在于，1.底部为圆弧形的U阀返料器。2.在圆弧形底部布置一路返料风和一路松动风，并在松动风室侧壁上布置一路调节风。圆弧形底部的直径设为Φc、松动风管6的直径设为Φs、返料风管7的直径设为Φf、回料料管3的直径设为Φb，需满足关系：2Φb＜Φc＜3.5Φb，0.1Φb＜Φs，Φf＜0.3Φb。返料料管1与垂直方向的夹角成α角(30°＜α＜45°)，松动风室的调节风管4与垂直方向的成β角(85°＜β＜95°)。

本发明的一种使用B类颗粒的圆弧形U阀返料器，用于冷态高密度循环流化床，如图2所示，为冷态高密度循环流化床结构示意图。

主要由供气系统、主床系统、气固分离系统、返料系统以及测试系统组成。包括：9、27为空压机；10、15、17、18、19、26为压力传感器；12、24、28、29为转子质量流量计；11、25为温度传感器；13、23、30、31为手动阀；14为布风板；16为提升管；20为旋风分离器；21为下料料管；22为圆弧形U阀返料器。其中高密度循环流化床按照Grace等(参考文献为：J.R.Grace，A.S.Issangya，D.Bai.Situating the high-densitycirculating fluidized bed[J].AIChE J.，1999，45(10)：2108-2116.)提出的标准来定义，即：单位床层截面的固体通量G_s大于200kg/(m2.s)；固体颗粒在床内的平均体积分率ε_s大于10％。

供气系统主要空压机9和27构成，其中9为提升管16提供气源，27提供U阀返料器22的气源。第一和第二空压机9和27分别供给提升管16和返料器22，可以减少由于调节气量引起的系统运行不稳定的情况。主床系统由布风板14与提升管16构成。布风板的材质为钢板，在布风板上按照几何均匀分布的规则布置一些风孔。布风板一方面使进入提升管的压缩空气分布均匀，另外由于布风板的开孔较小(8mm＜Φ＜10mm)，气体通过风孔进入提升管速度增大，可以起到防止固体物料回落堵塞气源的作用。提升管16的材质为机玻璃，为的是方便观察物料在管内的流动情况。提升管16主要作用是作为两相流动的通道，同时密相输运也是在提升管内实现的。气固分离系统由旋风分离器20构成，由于颗粒的快速涡旋运动，旋风分离器20磨损严重，材料选用钢板以增加使用寿命。返料系统由下料料管21和U阀返料器22构成。下料料管21和U阀返料器22的材料是有机玻璃，以便观察其内的颗粒流动特征。这种圆弧形U阀返料器22具有如下特点：

一方面通过返料器三路风(返料器圆弧底部布置的返料风、松动风以及在松动风室侧壁上布置的调节风)的优化配合，可以增强对循环物料的调节和控制能力。

调节松动风路、返料风路和松动风室调节风路前的阀门，控制装置的返料量，调节过程遵循如下原则：1)先调节松动风路和返料风路的风量，待流动稳定后再调节松动风室调节风路的风量，即松动风路和返料风路为主调风路，松动风室调节风路为微调风路；2)0＜Qs、Qf＜0.1Qr；3.Qt＜0.05Qr，其中，松动风路的风量记作Qs、返料风路的风量记作Qf、松动风室调节风路的风量记作Qt，进入提升管的风量记为Qr。

另一方面圆弧形底部结构具有舒缓气固两相流动不均匀性的作用，这种结构解决了传统U阀返料器底部由于尖角导致颗粒堆积甚至形成流动死角的问题，加强了颗粒的流动性，减轻了对返料器的磨损，一定程度上避免了U阀返料器热态结焦的问题，提高了系统的安全性和稳定性。此外，该结构简单，操作方便，具有较强的实用价值，对常压以及加压热态都具有适用性。测试系统主要对压力、温度、气体流量进行测量。其中压力、温度和气体流量的测量分别是通过压力传感器10、15、17、18、19、26，转子质量流量计12、24、28、29和温度传感器11、25实现的，并且通过各自的变送模块与工控机(图中没示出)相连，实现实时显示。此外，通过控制手动阀13、23、30、31来获得需要的气体流量。

本发明的使用B类颗粒的高密度循环流化床圆弧形U阀返料器的工作过程：

首先将一定量的固体床料加入下料料管21和圆弧形U阀返料器22中。打开空压机9，打开手动阀13，压缩空气通过进气管道和布风板14进入提升管16内。打开空压机27，待实验系统空载运行时间大于30s时，分别调节圆弧形U阀返料器22的松动风路、返料风路和松动风室侧面的调节风路前的手动阀23、30、31，开始系统的返料过程。在实验过程中，通过各个压力测量点的压力，由公式ΔP＝ε_sρ_pgΔh确定(其中ΔP是压降、ε_s是固体颗粒在床内的平均体积分率、ρ_p是颗粒密度、g是重力加速度、Δh是高度)提升管16内的颗粒浓度分布。按照高密度循环流化床的定义，当ε_s＝10％时，提升管内的气固流动达到高密度循环流化床的要求。通过调节空压机9和空压机27的气量来实现高密度循环流化床所需的工况，进而获得使用B类颗粒的高密度循环流化床内气固两相流流动的特点和规律。

本发明提出了一种使用B类颗粒的高密度循环流化床的圆弧形U阀返料器，在带有圆弧形U阀返料器的冷态高密度循环流化床中，通过调节在返料器圆弧底部布置的返料风、松动风以及在松动风室侧壁上的调节风，控制循环物料量。本发明装置调节灵活、操作方便，解决了传统直角形U阀返料器具有局部流动死角，流化不畅，调节性差的问题，降低了在U阀返料器处出现结焦的风险，提高了高密度循环流化床运行的稳定性。使用B类颗粒的带有圆弧形U阀返料器的冷态高密度循环流化床装置，可用于使用B类颗粒的高密度循环流化床的流域特性分析和机理研究，进而为高密度循环流化床的燃烧以及气化技术研发奠定基础。

通过文献调研，国内外一些学者对高密度循环流化床系统的实验研究做了许多工作，也获得了具有借鉴意义的结论，但以前的研究多是针对化工领域石油催化裂化使用的微小A类固体颗粒设计的，对使用B类颗粒的高密度循环流化床的研究还需要深入。此外，现有的实验技术或装置还未查到圆弧形U阀返料器(在返料器圆弧底部布置一路返料风和一路松动风，并在松动风室侧壁上布置一路调节风)的报导。这种带有圆弧形U阀返料器的使用B类颗粒的高密度循环流化床冷态装置较好的解决了U阀返料器具有局部流动死角，流化不畅的问题。

Claims

1.一种使用B类颗粒的高密度循环流化床圆弧形U阀返料器，其特征在于，底部为半球状，剖面成圆弧形；在底部设有三条风路，二路风管位于底部底端，一路向上对着反料风室，另一路向上对着松动风室，第三路风管位于松动风室侧壁，为松动风室调节风管；三条风路可调节的相互配合作用于返料器内腔，解决了U阀返料器的局部流动死角，流化不畅，调节性差的问题，降低了在U阀返料器内出现结焦的风险，提高了高密度循环流化床运行的稳定性。

2.如权利要求1所述的圆弧形U阀返料器，包括返料料管、舌板、回料料管、松动风室的调节风管、松动风室、松动风管、返料风管、返料风室；其中，返料料管位于壳体左侧，由下向上与壳体固接、相通连，两者之间有一小于90度夹角；回料料管垂直设置，下端与壳体顶面右部固接、相通连；舌板垂直设置，位于壳体内腔，舌板上端固接于壳体顶面内侧面，舌板板身顺回料料管内侧壁向下延伸，舌板下端悬空，将壳体内腔分为两部分，左边为返料风室，右边为松动风室；其特征在于，底部为半球状，底部底端垂直向下设有二条风管，二条风管上端分别与壳体内腔固接相通连：一条返料风管，正对返料风室，另一条松动风管，正对松动风室；在松动风室右侧壁，约水平设有第三条松动风室调节风管，调节风管内端与壳体内腔固接相通连；

3.如权利要求2所述的圆弧形U阀返料器，其特征在于，所述为自动阀门时，自动阀门与自动控制系统电连接。

4.如权利要求2所述的圆弧形U阀返料器，其特征在于，所述壳体，采用有机玻璃材料制作。

5.如权利要求2所述的圆弧形U阀返料器，其特征在于，所述半球状底部的直径为Φc、松动风管的直径为Φs、返料风管的直径为Φf、回料料管的直径为Φb，它们的关系为：2Φb＜Φc＜3.5Φb，0.1Φb＜Φs，Φf＜0.3Φb。

6.如权利要求2所述的圆弧形U阀返料器，其特征在于，所述返料料管与垂直方向的夹角α为：30°＜α＜45°，松动风室的调节风管与垂直方向的夹角β角为：85°＜β＜95°。

7.如权利要求1所述的圆弧形U阀返料器，其特征在于，工作流程为：

f)监测料路压力、运行情况，参数变化时，重复d)、e)步骤。

8.如权利要求7所述的圆弧形U阀返料器，其特征在于，所述e)步中，调节松动风路、返料风路和松动风室调节风路前的阀门，控制装置的返料量，调节过程遵循如下原则：1)先调节松动风路和返料风路的风量，待流动稳定后再调节松动风室调节风路的风量，即松动风路和返料风路为主调风路，松动风室调节风路为微调风路；2)0＜Qs、Qf＜0.1Qr；3.Qt＜0.05Qr，其中，松动风路的风量记作Qs、返料风路的风量记作Qf、松动风室调节风路的风量记作Qt，进入提升管的风量记为Qr。