CN114733450B - 抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制鼓泡床‑输运床叠置反应器流化气体短路的装置，包括鼓泡床，鼓泡床内与其同轴设置有中心风管和提升管，中心风管的出口穿过布风板，并伸入至鼓泡床内，提升管的入口与中心风管的出口上下间隔设置，且提升管的内径大于中心风管的内径，鼓泡床内部位于提升管和中心风管的外侧设有套筒，套筒与提升管和中心风管同轴设置，套筒底部与布风板相连，套筒顶部为敞口状态，套筒的内壁与提升管的外壁之间形成有腔体，腔体用于在流化过程中形成堆积的物料层，物料层具有一定的高度，能够提供足够的阻力以防止在中心风管关闭的情况下，流化气体中的短路气克服阻力后穿过物料层进入提升管。本发明有效抑制了流化气体短路的发生。

Description

抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置

技术领域

本发明涉及流化床技术领域，尤其是一种抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置。

背景技术

气固流化床反应器因其气固接触充分，传热传质效率高等优点被广泛应用于石油、化工、能源、冶金等行业。常用的流化床形式包括快速流化床和鼓泡流化床。快速流化床在高气速下运行，可以有效控制物料的停留时间、便于大规模工业化。但是，该反应器存在气体停留时间短、反应不充分的缺点。鼓泡流化床在低气速下运行，气固接触时间长，反应较为充分。但是，该反应器仅能依靠颗粒重力或机械输送实现物料外送。比较典型的有中国专利“高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的装置及方法”(专利号：200810122644.2)。该装置工业放大后存在占地面积过大，物料输送不稳定等缺点。

针对此，中国专利“一种流化床输运床耦合反应装置”(专利号：201310036063.8)通过将鼓泡床和快速床堆叠布置，利用鼓泡床气固接触时间长的优势完成反应，通过快速床高气速运行的特点输运物料，结合二者的优势，实现气固接触时间与物料循环流率的解耦独立控制。

需要指出的是，由于该耦合反应装置中提升管入口与鼓泡流化段内等高位置处存在压力差，在流化低密度物料时，流化气体会发生短路，即大量气体不经过鼓泡段的反应区而直接进入提升管。由于提升管内气固接触时间短，且未布置换热设备维持运行温度，导致反应效率低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置，目的是解决流化气体短路后携带物料直接从提升管逃逸的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置，包括鼓泡床，所述鼓泡床内与其同轴设置有中心风管和提升管，所述中心风管的出口穿过布风板，并伸入至鼓泡床内，所述提升管的入口与中心风管的出口上下间隔设置，且提升管的内径大于中心风管的内径，鼓泡床内部位于提升管和中心风管的外侧设有套筒，套筒与提升管和中心风管同轴设置，套筒底部与布风板相连，套筒顶部为敞口状态，套筒的内壁与提升管的外壁之间形成有腔体，所述腔体用于在流化过程中形成堆积的物料层，所述物料层具有一定的高度，且能够提供足够的阻力，以防止在所述中心风管关闭的情况下，流化气体中的短路气克服阻力后穿过所述物料层进入所述提升管。

进一步技术方案为：

套筒的高度H满足以下条件：

其中，h是位于提升管入口上方，用于阻止短路气进入提升管的物料层的最小高度，a是提升管入口到布风板的距离，P₁是鼓泡床的鼓泡段内与提升管入口等高位置处的压力，P₂是提升管入口的压力，ε、u、μ、d、ρ分别是所述物料层的堆积孔隙率、流化气体穿过所述物料层的表观气速、流化气体的动力粘度、物料的平均粒径、流化气体的密度。

所述流化气体穿过所述物料层的表观气速u通过下式计算：

其中，Q_f是流化气体的流量，α是流化气体中短路气量占总流量的比例，d_i、d_o分别为套筒的内径和提升管的外径。

套筒的高度小于鼓泡床中鼓泡段的床层高度。

套筒的侧壁上位于提升管入口位置的下方设有通孔，还设有将通孔打开或关闭的构件。

套筒由多个分段沿轴向拼接而成，以调整实际的高度。

本发明的有益效果如下：

本发明通过布置与提升管同心的套筒，在提升管与套筒间形成具有一定高度的相对静止的物料层，这增加了流化气体短路需要克服的阻力，有效抑制了流化气体短路现象的发生，解决了气体短路造成的物料携带、气固反应不充分等问题，确保了物料输送量有效可控，提高了气固反应效率。

本发明套筒的高度设计具有扎实的理论和工程依据，准确性较高。

本发明结构简单、安装方便且可以根据床料的特性调节套筒高度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图中：1、流化风；2、中心风；3、风室；4、布风板；5、中心风管；6、密封螺母；7、套筒；8、提升管；9、鼓泡床；91、鼓泡段。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

参见图1，本申请的一种抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置，包括鼓泡床9，鼓泡床9底部为风室3，风室3顶部、鼓泡床9底部之间设置布风板4；鼓泡床9内与其同轴设置有中心风管5和提升管8，中心风管5的入口穿过布风板4，并伸入至鼓泡床9内，提升管8的入口与中心风管5的出口上下间隔设置，且提升管8的内径大于中心风管5的内径，便于物料在压差作用下从两者之间间隔处进入提升管8，提升管8的出口与布置在鼓泡床上部的输运床(图中未示出)入口相对接；

在鼓泡床9内部位于提升管8和中心风管5的外侧设置套筒7，套筒7与提升管8和中心风管5同轴设置，套筒7底部与布风板4相连，套筒7顶部为敞口状态，套筒7的内壁与提升管8的外壁之间形成有腔体，所述腔体用于在流化过程中形成堆积的物料层，物料层具有一定的高度，且能够提供足够的阻力，以防止在中心风管5关闭的情况下，流化气体中的短路气克服阻力后穿过所述物料层进入提升管8。

本申请基于现有的鼓泡床-输运床叠置反应器，在鼓泡床9增加套筒7，解决了流化气体短路问题造成的物料输送量不可控、气固反应不充分等问题。

以下具体说明本申请具体的发明构思：

对于现有的内部没有设置套筒7的鼓泡床-输运床叠置反应器，工作时，主要包括两个工况：

工况①：不向提升管8输送物料。此时，关闭中心风管5，不向鼓泡床9内提供中心风2。并控制流化气体1进入风室3，然后通过布风板4进入鼓泡床9的鼓泡段91，流化过程中气固充分接触、反应。

工况②：向提升管8输送物料。物料在鼓泡段91充分流化(物料与流化气体充分接触、反应)后，开启中心风管5，向鼓泡床9内提供中心风2，在提升管8的入口与中心风管5的出口之间形成负压，将物料输送至提升管8最终输入运输床内。

经过实际使用和试验，发现在工况①阶段，尽管关闭了中心风管5，提升管8的入口与中心风管5的出口之间并不存在负压，但是由于鼓泡段91内与提升管8入口等高位置处的压力与提升管8入口压力之间存在着压差，在流化低密度物料(密度较小、重量较轻)时，流化气体会发生短路，即大量气体不经过鼓泡段91而直接进入提升管8，气体进入提升管8时会携带大量物料，不仅导致无法控制输出的物料量，而且导致物料无法在鼓泡床9充分流化影响气固反应，并且由于提升管8内气固接触时间短，导致反应效率低。

因此，本申请通过设置套筒7，在套筒7与提升管8之间的腔体内形成相对静止的物料层，解决上述问题。

本申请装置工作时，在工况①阶段，由于套筒7的高度能够使腔体内物料堆积得够高，从而避免在不开启中心风管5时，短路气体携带物料从提升管8逃逸，保证物料在工况一阶段在鼓泡床9中充分流化、充分地发生气固反应。

为了对套筒7的高度进行优化设计，使其能阻止流化气体的短路气逃逸，同时又避免将其设计地过高。本申请套筒7的高度H具体通过下式确定：

式(1)中，h是位于提升管入口上方，用于阻止短路气进入提升管的物料层的最小高度，a是提升管入口至布风板的距离，P₁是鼓泡床的鼓泡段内与提升管入口等高位置处的压力，P₂是提升管入口的压力，ε、u、μ、d、ρ分别是物料层的堆积孔隙率、流化气体穿过物料层的表观气速、流化气体的动力粘度、物料的平均粒径、流化气体的密度。

本申请所确定的式(1)，基于Ergun方程(2)获得：

式(2)中，ΔP定义为透过物料层的压降，在本申请中，用P₁-P₂表示，即获得式(1)。通过式(1)确定的h即为克服鼓泡段与提升管入口之间压力差P₁-P₂所需要的最小的颗粒层高度，h的物理含义请参见图1中的标注。

式(1)中，流化气体穿过物料层的表观气速u通过下式计算：

式(3)中，Q_f是流化气体的流量，α是流化气体中短路气量占总流量的比例，d_i、d_o分别为套筒内径和提升管的外径。

当套筒7高度满足式(1)时，鼓泡段91的流化气体发生短路时，在进入提升管8之前，需克服套筒7内堆积的、位于提升管8入口以上的高度为h的物料层所施加的阻力，由于该阻力等于鼓泡段与提升管入口之间的压力差P₁-P₂，因此不会发生气体短路。

作为优选方式，应使得上述阻力略大于提升管8入口压力和等高的鼓泡段内的压力差，即短路气体穿过物料层克服的阻力略大于上述压力差P₁-P₂，对应地套筒7的高度H优选地设计为略微大于h+a。

具体地，为了保证套筒7外侧的物料顺利从鼓泡床9沿着图1中箭头所示方向进入套筒7，高度H应小于鼓泡床9中鼓泡段91内床层的高度。

为了便于调整套筒7的高度，使其满足不同物料在不同工况下的要求，套筒7由多个分段沿轴向拼接而成，从而方便调整实际的高度。

具体地，多个分段之间可通过法兰连接或螺纹连接。

具体地，套筒7的下端与布风板4之间可通过法兰连接或螺纹连接。

具体地，套筒的侧壁上位于提升管8入口位置的下方设有通孔，还设有将通孔打开或关闭的构件。

所述构件可采用密封螺母6。

在实际运行过程中，正常工作时采用密封螺母6将通孔密封。若物料颗粒存在一定粘性，则将位于套筒7的通孔中的密封螺母6移除，使少部分流化气体进入套筒7，松动颗粒层，保证较好的颗粒流动性。

以下以具体实施例进一步说明本申请套筒高度的优化设计。

利用鼓泡床-输运床叠置反应器作为CO₂固体吸附反应器，捕集燃煤烟气中的CO₂。该装置主要运行参数如下：

吸附剂的平均直径d＝0.6mm，密度ρ_p＝1000kg/m³，堆积密度ρ_s＝410kg/m³，烟气流量Q_f＝8Nm³/h，烟气密度ρ＝1.32kg/m³；

提升管的外径d_o＝20mm，鼓泡段内与提升管入口等高处的压力P₁＝2kPa，提升管入口的压力P₂＝0.5kPa。

根据Ergun公式计算短路气体穿过套管颗粒层所需克服的阻力，进而选择合适的套管内径和套管高度。

首先设定套筒的内径d_i＝30mm，允许的流化气体短路量为总流量的10％，则短路气体穿过套筒内颗粒层的表观气速u可由下式计算：

进一步基于Ergun公式计算克服压力差P₁-P₂所需要的最小颗粒层高度h：

其中，ε、μ分别是物料层的堆积孔隙率、流化气体的动力粘度，ρ是烟气密度。

因此，本实施例中套筒的内径为30mm，套筒的高度应该至少设计为23.2+a，其中a为提升管入口到布风板的距离。

设计过程中，套筒的内径可根据经验进行调整。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置，包括鼓泡床，所述鼓泡床内与其同轴设置有中心风管和提升管，所述中心风管的出口穿过布风板，并伸入至鼓泡床内，所述提升管的入口与中心风管的出口上下间隔设置，且提升管的内径大于中心风管的内径，其特征在于，鼓泡床内部位于提升管和中心风管的外侧设有套筒，套筒与提升管和中心风管同轴设置，套筒底部与布风板相连，套筒顶部为敞口状态，套筒的内壁与提升管的外壁之间形成有腔体，所述腔体用于在流化过程中形成堆积的物料层，所述物料层具有一定的高度，且能够提供足够的阻力，以防止在所述中心风管关闭的情况下，流化气体中的短路气克服阻力后穿过所述物料层进入所述提升管。

2.根据权利要求1所述的抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置，其特征在于，所述套筒的高度H满足以下条件：

H≥h+a，

其中，h是位于提升管入口上方，用于阻止短路气进入提升管的物料层的最小高度，a是提升管入口到布风板的距离，P₁是鼓泡床的鼓泡段内部与提升管入口等高位置处的压力，P₂是提升管入口的压力，ε、u、μ、d、ρ分别是所述物料层的堆积孔隙率、流化气体穿过所述物料层的表观气速、流化气体的动力粘度、物料的平均粒径、流化气体的密度。

3.根据权利要求2所述的抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置，其特征在于，所述流化气体穿过所述物料层的表观气速u通过下式计算：

其中，Q_f是流化气体的流量，α是流化气体中短路气量占总流量的比例，d_i、d_o分别为套筒内径和提升管的外径。

4.根据权利要求1所述的抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置，其特征在于，套筒的高度小于鼓泡床中鼓泡段的床层高度。

5.根据权利要求1所述的抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置，其特征在于，套筒的侧壁上位于提升管入口位置的下方设有通孔，还设有将通孔打开或关闭的构件。

6.根据权利要求1所述的抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置，其特征在于，套筒由多个分段沿轴向拼接而成，以调整实际的高度。

Images