CN112238003B

CN112238003B - 气固分离装置及耦合分离方法

Info

Publication number: CN112238003B
Application number: CN201910652289.8A
Authority: CN
Inventors: 徐俊; 钟思青; 俞志楠; 金永明
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2039-07-19
Also published as: CN112238003A

Abstract

本发明涉及一种气固分离装置及耦合分离方法，主要解决现有技术中旋风分离器环形空间存在顶灰环导致分离效率低、较多细颗粒从升气管中逃逸的问题。本发明通过一种气固分离装置及耦合分离方法，细粉颗粒在旋风分离器入口前的管道中，经过旋风进口扬声器的声场中的声波团聚后，形成较大的颗粒团；进入旋风分离器后，在旋风的环形分离空间时通过声场传递声波辐射，强化颗粒团聚，避免细粉颗粒进入环形分离空间的顶部形成顶灰环；另外一部分细粉颗粒进入带有导流叶片的加帽顶板后收到向下作用力后，迅速流入环形分离空间与锥形分离空间后逐步分离下来的技术方案，较好的解决了上述技术问题，可应用于气固分离的工业生产中。

Description

气固分离装置及耦合分离方法

技术领域

本发明涉及一种气固分离装置及耦合分离方法，用于粉煤流化气化、催化裂化、制备苯胺、甲醇转化等气固两相流分离中。

背景技术

循环流化床或流化床反应器广泛应用于石油化工、煤化工等领域，气固分离设备是流化床必备的关键设备，直接影响环保与经济性。常用的分离设备为旋风分离器，旋风分离器由于结构简单，分离效率高被广泛应用于流化床反应器的后续分离中。从实验与文献中可知，旋风分离器的环形分离空间存在着较明显的顶灰环，是严重影响气固分离效率的关键原因之一。一般认为，进入旋风分离器环形空间的颗粒，不仅受到重力和离心力的作用，而且还有向心的曳力和二次环流中上行气流的曳力的影响。在环形分离空间的外顶角区域，颗粒在水平方向受到的气体切向速度产生的离心力与向心径向速度产生的曳力平衡；而在垂直方向上行气流的曳力与颗粒的重力平衡，结果使颗粒悬浮在环形空间的外顶角区域。在旋转气流的作用下，悬浮颗粒跟随气流旋转，并不断有颗粒的积累，最后形成了顶灰环。顶灰环的颗粒在二次涡流的作用下沿着升气管的外表面下行，通过升气管下口逃逸；此外，顶灰环在入口区域与与入口气流交汇，进口气流在外侧旋转浓度比较低，灰带在内侧旋转浓度比较高，受到入口气流的挤压，部分颗粒脱离器壁，向内旋转，直接进入升气管的短路流逃逸。因此顶灰环的存在对颗粒的分离过程是不利的，不能完全满足环保要求，尤其是分离效率较低时，水洗的压力非常大，对于水污染很严重；另外一方面，由于跑掉的颗粒较多，经济性也很非常差，尤其是对于大型化的工业装置来说，分离设备的效率决定了整套系统的可行性与经济性。

专利CN1062482A公开了一种减少旋风分离器压力损失的方法及导管的结构。在导管与旋风分离器连接处附近导管水平部分的底面上设里开口，使由导管导人的含粉尘的气体通过该开口时一部分粉尘被分离，随后将该气体导入旋风分离器内。这不仅能防止粉尘堆积在导管与旋风分离粉连接处附近的导管部分上，而且进入旋风分离器内的含粉尘气流不会产生索乱，从而减少了旋风分离器的压力损失，使旋风分离器的集尘效率稳定。

专利CN86100974A发明了一种用于旋风分离器中的分流型芯管，下部有圆形开口的截锥形圆管，在锥体的周壁上开有均匀分布的竖向缝，竖向缝沿截锥形圆管横截面的壁厚方向上斜切，使其与该处气流方向之间的夹角φ在90°～180°之间。竖向缝的通流面积应大于下部圆形开口的面积。将这种分流型芯管装在普通旋风分离器的排气管下端，可以明显地减少粉尘透过率。

专利CN102600997B发明了一种高效收尘旋风分离器组，若干台前级旋风分离器呈并联连接，后级旋风分离器的出灰口连接有后级集灰斗，在前级集灰斗内固定有前级安装架，在前级安装架上固定安装有前级圆锥形风帽；所述后级旋风分离器的进气口上并联连接有与前级旋风分离器的台数配合的进气管，进气管的进气端设置在对应的前级旋风分离器的下段圆锥形筒体底端内；在后级集灰斗内固定有后级安装架，在后级安装架上固定安装有后级圆锥形风帽。该旋风分离器组效率比常规旋风分离器可高出3～5个百分点，使其收尘效率保证在95％以上。该发明结构复杂，压降较大，通过多级旋风来提高分离效率。

综上所述，有必要开发一种能够提高分离效率的分离装置及分离方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题之一是现有技术中旋风分离器分离效率低、较多细颗粒从升气管中逃逸的问题，提供一种气固分离装置。该装置的气固分离效率高，压降低，能够达到经济又环保的要求。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的煤气化耦合系统。

本发明所要解决的技术问题之三是提供一种与解决技术问题之一相对应的反应方法。

为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种气固分离装置，主要包括：旋风分离器3、，所述旋风分离器3由旋风分离器入口21、升气管22、加帽顶板32、、锥形分离空间24、灰斗25与料腿26组成；

旋风分离器(3)还包括加帽顶板(32)，所述环形分离空间23的上端的侧面与旋风分离器入口21相连通，所述加帽顶板32的底部与环形分离空间23相连通，所述升气管22的底部在环形分离空间23腔体内并与环形分离空间23相连通、顶部在加帽顶板32的上方，所述锥形分离空间24的顶部与环形分离空间23的底部相连通，所述灰斗25的顶部与锥形分离空间24相连通、底部与料腿26的顶部相连通，所述导流叶片31位于加帽顶板32的内侧。

上所述升气管32直径是环形分离空间33直径的0.25-0.55倍，所述料腿35的直径是环形分离空间33直径的0.2-0.5倍，所述加帽顶板32的直径等于环形分离空间33的直径。所述加帽顶板32内设置的导流叶片31至少为一个。所述加帽顶板32内设置的导流叶片31的纵截面为矩形板或弯曲面，所述导流叶片31的最底部与环形分离空间23的顶部齐平。所述导流叶片31与水平面锐角夹角角度小于45°，优选15-30°。

为解决上述问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种固分离装置的煤气化耦合系统，包括气固分离装置、流化床反应器、沉降段，还包括旋风进口扬声器4、环形分离空间扬声器5，所述旋风进口扬声器4固定在气固分离装置的旋风分离器入口31处；所述环形分离空间扬声器5固定在气固分离装置的环形分离空间33及加帽顶板32处。

为解决上述问题之三，本发明采用的技术方案如下：一种气固耦合分离方法，采用权利要求1～6中任一种气固分离装置，包括如下几个步骤：a、从流化床反应器1中出来的细颗粒经沉降段2进入旋风分离器3中，细颗粒在旋风分离器入口21前的管道中，经过旋风进口扬声器4的声场中的声波团聚后，形成较大的颗粒团进入环形分离空间23中，继续经过环形分离空间扬声器5所传递的声波辐射团聚后，形成大颗粒团向下经过锥形分离空间24与灰斗25后，完成分离。b、部分细颗粒在进入环形分离空间23后由于在垂直方向上行气流的曳力与颗粒的重力平衡，使颗粒悬浮在分离空间23的外顶角区域，随后在旋转气流的作用下，悬浮颗粒跟随气流旋转，并不断有颗粒的积累后向上挤压爬行进入加帽顶板32区域内，这部分颗粒进入加帽顶板32内跟随气流旋转，同时受到安装在周边的环形分离空间扬声器5所传递的声波辐射，部分形成大颗粒团后下行返回环形分离空间23，部分悬浮在加帽顶板32区域的颗粒旋转中碰撞至导流叶片31后，受到反作用力改变流道方向，流入环形分离空间23，经过锥形分离空间24与灰斗25后，完成分离。

上述技术方案中，所述旋风进口扬声器4与环形分离空间扬声器5的声波信号的频率范围为1000-4000Hz。所述旋风进口扬声器4与环形分离空间扬声器5的声波信号的声压级范围在110-180dB。所述扬声器信号发生器中声波的波形为正弦波、三角波或方波中的一种，优选正弦波。

本发明中，通过在分离器的进口与环形空间及加帽顶板附近设置声场发射器，通过对这三个区域的细颗粒进行声波辐射传递，让颗粒在声场的作用下进行团聚，大量的细粉颗粒团聚后相当于形成了粗颗粒，有利于颗粒的分离，通过研究团聚过程中频率、声压级等声波的关键参数在耦合旋风分离技术后的最佳团聚选择范围，团聚后就被立马离心分离出去后，有效避免了返混与短路流的产生。尤其是在对于原本属于顶灰环区域的细粉颗粒来说，经过声场的的辐射后形成颗粒团后，垂直方向上行气流的曳力与颗粒的重力不再平衡，使原本悬浮的颗粒逐渐下行进入后续分离空间，完成分离。

本发明中，在加帽顶板内设置多组导流叶片，现有技术中在顶灰环区域旋转的细粉颗粒逐渐上行至加帽顶板区域，经过导流叶片的导流后，在反作用力的作用下下行，被环形分离空间的颗粒与气流夹带进行后续分离空间，完成分离导流叶片可为矩形也可为弯曲的板，其中心线与水平面锐角夹角角度对于颗粒团的分离有着非常重要的关系，优选在15-30°。

本发明的分离装置与耦合分离方法可用于粉煤流化气化工艺、煤炭的气流床气化技术的后端颗粒的分离及甲醇制烯烃、催化裂化、硝基苯加氢制苯胺等气固流化催化反应工艺中的气固分离的工艺中。

采用本发明的技术方案，相比现有技术，具有分离效率高、系统压降低的特点，保证系统的高效与稳定。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程示意图。

图2为本发明所述旋风分离器结构示意图。

图3为本发明所述旋风分离器局部剖视图。

图4为本发明所述加帽顶板的局部示意图。

图1中，1为流化床反应器；2为沉降段；3为旋风分离器；4为旋风进口扬声器；5为环形分离空间扬声器。

图2中，21为旋风分离器入口；22为升气管；23为环形分离空间；24为锥形分离空间；25为灰斗；26为料腿。

图3中，21为旋风分离器入口；22为升气管；23为环形分离空间；24为锥形分离空间；31为导流叶片；32为加帽顶板。

图4中，31为导流叶片；32为加帽顶板。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

【实施例1】

分离流程如下：从流化床反应器中出来的细颗粒经沉降段进入旋风分离器中，细颗粒在旋风分离器入口前的管道中，经过旋风进口扬声器的声场中的声波团聚后，形成较大的颗粒团进入环形分离空间中，继续经过环形分离空间扬声器所传递的声波辐射团聚后，形成大颗粒团向下经过锥形分离空间与灰斗后，完成分离。部分细颗粒在进入环形分离空间后由于在垂直方向上行气流的曳力与颗粒的重力平衡，使颗粒悬浮在分离空间的外顶角区域，随后在旋转气流的作用下，悬浮颗粒跟随气流旋转，并不断有颗粒的积累后向上挤压爬行进入加帽顶板区域内，这部分颗粒进入加帽顶板内跟随气流旋转，同时受到安装在周边的环形分离空间扬声器所传递的声波辐射，部分形成大颗粒团后下行返回环形分离空间，部分悬浮在加帽顶板区域的颗粒旋转中碰撞至导流叶片后，受到反作用力改变流道方向，流入环形分离空间，经过锥形分离空间与灰斗后，完成分离。

实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤。升气管直径与环形分离空间直径之比为0.4，料腿直径与环形分离空间直径之比为0.35，旋风分离器入口浓度为5kg/m³，旋风分离器入口气速为20m/s，表观截面气速为4m/s。

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为30°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为95.3％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表1。

【实施例2】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为1，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为30°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为95.1％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表1。

【实施例3】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为6，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为30°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为95.3％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表1。

【实施例4】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为弯曲面，导流叶片与水平面锐角夹角为30°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为95.5％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表1。

【实施例5】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为15°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为94.8％，旋风分离器压降为2.2kPa，结果详见表1。

【实施例6】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为45°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为94.5％，旋风分离器压降为2.4kPa，结果详见表1。

【实施例7】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为30°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为1000Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为94.9％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表2。

【实施例8】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为30°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为4000Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为95.2％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表2。

【实施例9】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为30°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为110dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为94.2％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表2。

【实施例10】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为30°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为180dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为95.2％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表2。

【实施例11】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为30°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB，扬声器波形为三角波。实验结果显示旋风分离器分离效率为93.8％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表2。

【实施例12】

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为30°，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB，扬声器波形为方波。实验结果显示旋风分离器分离效率为93.3％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表2。

【比较例1】

分离流程如下：从流化床反应器中出来的细颗粒经沉降段进入旋风分离器中，细颗粒在旋风分离器入口前的管道中，经过旋风进口扬声器的声场中的声波团聚后，形成较大的颗粒团进入环形分离空间中，继续经过环形分离空间扬声器所传递的声波辐射团聚后，形成大颗粒团向下经过锥形分离空间与灰斗后，完成分离。

旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的频率均设置为2500Hz，旋风进口扬声器与环形分离空间扬声器的声波信号的声压级均设置为140dB。实验结果显示旋风分离器分离效率为93.2％，旋风分离器压降为2.4kPa，结果详见表3。

【比较例2】

分离流程如下：从流化床反应器中出来的细颗粒经沉降段进入旋风分离器中，部分细颗粒在进入环形分离空间后由于在垂直方向上行气流的曳力与颗粒的重力平衡，使颗粒悬浮在分离空间的外顶角区域，随后在旋转气流的作用下，悬浮颗粒跟随气流旋转，并不断有颗粒的积累后向上挤压爬行进入加帽顶板区域内，这部分颗粒进入加帽顶板内跟随气流旋转，同时受到安装在周边的环形分离空间扬声器所传递的声波辐射，部分形成大颗粒团后下行返回环形分离空间，部分悬浮在加帽顶板区域的颗粒旋转中碰撞至导流叶片后，受到反作用力改变流道方向，流入环形分离空间，经过锥形分离空间与灰斗后，完成分离。

旋风分离器设有加帽顶板，加帽顶板内的导流叶片个数为4，导流叶片纵截面型式为矩形，导流叶片与水平面锐角夹角为30°。实验结果显示旋风分离器分离效率为92.8％，旋风分离器压降为2.3kPa，结果详见表3。

【比较例3】

采用现有技术的常规旋风分离器，原料选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤，入口浓度为5kg/m³，入口气速为20m/s。实验结果显示常规旋风分离器分离效率为89.5％，旋风分离器压降为2.5kPa，结果详见表3。

表1

表2

表3

Claims

1.一种具有气固分离装置的煤气化耦合系统，包括气固分离装置、流化床反应器、沉降段，还包括旋风进口扬声器（4）、环形分离空间扬声器（5），所述旋风进口扬声器（4）固定在气固分离装置的旋风分离器入口（21）处；所述环形分离空间扬声器（5）固定在气固分离装置的环形分离空间（33）及加帽顶板（32）处；气固分离装置，主要包括：旋风分离器（3），所述旋风分离器（3）由旋风分离器入口（21）、升气管（22）、环形分离空间（23）、锥形分离空间（24）、灰斗（25）与料腿（26）组成，其特征在于，旋风分离器（3）还包括加帽顶板（32），所述环形分离空间（23）的上端的侧面与旋风分离器入口（21）相连通，所述加帽顶板（32）的底部与环形分离空间（23）相连通，所述升气管（22）的底部在环形分离空间（23）腔体内并与环形分离空间（23）相连通、顶部在加帽顶板（32）的上方，所述锥形分离空间（24）的顶部与环形分离空间（23）的底部相连通，所述灰斗（25）的顶部与锥形分离空间（24）相连通、底部与料腿（26）的顶部相连通，导流叶片（31）位于加帽顶板（32）的内侧。

2.根据权利要求1所述煤气化耦合系统，其特征在于所述升气管（22）直径是环形分离空间（23）直径的0.25-0.55倍，所述料腿（26）的直径是环形分离空间（23）直径的0.2-0.5倍，所述加帽顶板（32）的直径等于环形分离空间（23）的直径。

3.根据权利要求1所述煤气化耦合系统，其特征在于所述加帽顶板（32）内设置的导流叶片（31）至少为一个。

4.根据权利要求1所述煤气化耦合系统，其特征在于所述加帽顶板（32）内设置的导流叶片（31）的纵截面为矩形板或弯曲面，所述导流叶片（31）的最底部与环形分离空间（23）的顶部齐平。

5.根据权利要求1所述煤气化耦合系统，其特征在于所述导流叶片（31）与水平面锐角夹角角度小于45°。

6.根据权利要求1所述煤气化耦合系统，其特征在于所述导流叶片（31）与水平面锐角夹角角度为15-30°。

7.一种气固耦合分离方法，采用权利要求1-6中任一种煤气化耦合系统，包括如下几个步骤：

（a）、从流化床反应器（1）中出来的细颗粒经沉降段（2）进入旋风分离器（3），细颗粒在旋风分离器入口（21）前的管道中，经过旋风进口扬声器（4），形成较大的颗粒团进入环形分离空间（23）中，继续经过环形分离空间扬声器（5）后，形成大颗粒团向下经过锥形分离空间（24）与灰斗（25）后，完成分离；

（b）、进入环形分离空间（23）的部分细颗粒悬浮在分离空间（23）的外顶角区域，悬浮颗粒进入加帽顶板（32）区域内，所述悬浮颗粒在环形分离空间扬声器（5）作用下，部分形成大颗粒团后下行返回环形分离空间（23），另一部分悬浮颗粒碰撞至导流叶片（31）后流入环形分离空间（23），经过锥形分离空间（24）与灰斗（25）后，完成分离。

8.根据权利要求7所述的气固耦合分离方法，其特征在于所述旋风进口扬声器（4）与环形分离空间扬声器（5）的声波信号的频率范围为1000-4000Hz。

9.根据权利要求7所述的气固耦合分离方法，其特征在于所述旋风进口扬声器（4）与环形分离空间扬声器（5）的声波信号的声压级范围在110-180dB。

10.根据权利要求7所述的气固耦合分离方法，其特征在于所述扬声器信号发生器中声波的波形为正弦波、三角波或方波中的一种。

11.根据权利要求7所述的气固耦合分离方法，其特征在于所述扬声器信号发生器中声波的波形为正弦波。