CN117983144A - 一种旋流分布板及水热喷动流化床 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种旋流分布板及水热喷动流化床，该旋流分布板包括：本体，本体上设置有多通孔结构，多通孔结构包括若干通孔；所有通孔的通孔方向与本体平面形成夹角，夹角的数值大于0°且小于90°。该方案可以将均匀预热水或反应溶液来流转变为旋流，能够增强水热喷动流化床内的压力脉动和物料返混，降低死区出现的概率，促进流体与物料颗粒之间的传热传质，提高反应区温度和反应效率。

Description

一种旋流分布板及水热喷动流化床

技术领域

本申请涉及能源高效利用技术领域，尤其涉及一种旋流分布板及水热喷动流化床。

背景技术

随着科技的进步和工业的发展，能源短缺和环境恶化已经成为当今世界面临的两大问题。在中国，化石能源，特别是煤炭，在未来几十年内仍将是最重要的能源之一，而生物质能源和塑料等有机废弃物资源也是不可忽视的能源类型。由于直接燃烧易导致高污染、高碳排放以及能量的不可逆损失，各种有机物资源的清洁高效利用也成为了近年来研究的热点。在此背景下，水热处理是一种常见的有机资源利用方式，包括气化、氧化气化、催化氧化气化等方法，同时也包含在超临界水环境下进行的气化、氧化气化、催化氧化气化。其中，超临界水气化技术以其较高的反应速率、较低的能耗以及清洁的工艺而备受关注。该技术利用超临界水的高溶解性、高扩散性、高反应性来处理煤和各种有机物，将其转变为富氢燃料，同时可以固定并回收硫、氮、重金属、灰尘等污染物，具有十分光明的前景。

水热流化床反应器因其物料处理量大、反应效率高、不易堵塞等优势而成为实现水热处理的理想选择。水热流化床反应器中的流动特性对于反应是否能够高效进行有很大的影响。理想的入口流场分布可以提高反应区温度，增强压力脉动和物料返混，而不理想的流动则可能导致水热流化床内部出现局部死区，并引起结焦、堵塞等问题。水热流化床反应器的流动特性可以使用水热流化床入口处的分布板来进行调节。目前，应用于水热水热流化床的分布装置多使用金属泡沫分布板，用于实现均匀来流。然而，该种分布板无法提供合适的流场扰动并将物料和能量合理分配到反应器内部，其结构可以被优化以进一步提高反应效率。

发明内容

本申请的实施例提供一种旋流分布板及水热喷动流化床。

第一方面，本申请的实施例提供了一种旋流分布板，该旋流分布板包括：

本体，本体上设置有多通孔结构，多通孔结构包括若干通孔；所有通孔的通孔方向与本体平面形成夹角，夹角的数值大于0°且小于90°。

在其中一个实施例中，多通孔结构中所有通孔呈规则或不规则排列。

在其中一个实施例中，多通孔结构中所有通孔呈同心圆排列。

在其中一个实施例中，多通孔结构中所有通孔呈正六边形排列。

在其中一个实施例中，本体呈圆片形。

第二方面，本申请的实施例提供了一种水热喷动流化床，该水热喷动流化床包括：

中空主体；

如第一方面的旋流分布板，旋流分布板安装在主体内部，且旋流分布板法线方向与主体轴线方向相同；

来流入口，来流入口设置于主体的底部；

压力传感器，压力传感器设置于主体的上部；

物料颗粒床层，物料颗粒床层设置于主体内部且位于旋流分布板的上方。

在其中一个实施例中，旋流分布板上方的主体的壁面与旋流分布板形成夹角。

在其中一个实施例中，旋流分布板通过法兰固定安装在主体内部。

在其中一个实施例中，通过旋流分布板的通孔进入主体的流体的速度矢量在旋流分布板平面上的投影垂直于通孔中心与旋流分布板中心的连线。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

旋转分布板采用多通孔结构，且多通孔结构中通孔的通孔方向与本体平面形成夹角，该设计可以将均匀来流转变为旋流，使得物料颗粒床层更容易达到鼓泡流化状态；旋流对流场的扰动能够增强压力脉动和物料返混，促进流体和物料颗粒均匀混合，减少死区出现的概率；同时，流场的扰动能够强化流体与颗粒间的传热，提高反应区温度，使得反应更加高效和充分。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的旋流分布板的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的通孔呈同心圆排布的旋流分布板表面示意图；

图3为本申请实施例提供的通孔呈正六边形排布的旋流分布板表面示意图；

图4为本申请实施例提供的水热喷动流化床的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的旋流分布板的通孔方向和射流方向的示意图；

图6为图2对应的物料颗粒床层压降随流速变化的分布图；

图7为图2对应的物料颗粒床层颗粒体积分数云图；

图8为图3对应的物料颗粒床层压降随流速变化的分布图；

图9为图3对应的物料颗粒床层颗粒体积分数云图；

图中，11、本体；12、通孔；10、旋流分布板；20、主体；30、来流入口；40、压力传感器；50、物料颗粒床层；60、法兰。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1-图3，其示出了本申请的实施例提供了一种旋流分布板的结构示意图。

如图1-图3所示，一种旋转分布板可以包括：

本体11，本体11上设置有多通孔结构，多通孔结构包括若干通孔12；所有通孔12的通孔方向与本体11平面形成夹角，夹角的数值大于0°且小于90°。

具体的，本体11的形状可以根据实际需求进行设置。可选的，本体11可以设置为圆片形。

本体11上设置的多通孔结构中通孔的通孔方向与本体平面形成夹角，夹角的数值大于0°且小于90°，以确保通过通孔的流体速度矢量与本体平面形成夹角。

本体11上设置的多通孔结构中所有通孔12可以呈规则或不规则排列。

如图2、3所示，多通孔结构中所有通孔12呈规则排列，其中，图2中，所有通孔12呈同心圆排列，图3中，所有通孔12呈正六边形排列。可以理解的，所有通孔12还可以呈长方形排列、锯齿形排列等。

本申请实施例还提出了一种水热喷动流化床，结构示意图如图4所示。

一种水热喷动流化床，可以包括：

中空主体20；

上述实施例提供的旋流分布板10，旋流分布板10安装在主体20内部，且旋流分布板10法线方向与主体20轴线方向相同；

来流入口30，来流入口30设置于主体20的底部；

压力传感器40，压力传感器40设置于主体20的上部；

物料颗粒床层50，物料颗粒床层50设置于主体20内部且位于旋流分布板10的上方。

具体的，来流入口30供流体流入水热喷动流化床主体内部，其中，流体可以为预热水、反应溶液等。流体的温度范围为200℃～800℃，压力范围为2MPa～30MPa。

压力传感器40用于监测物料颗粒床层50的压降。

旋流分布板10通过固定法兰60水平固定安装在主体20内部，其中，固定法兰60能够确保安装处在高温高压下的密封性。需要说明的是，当进行首次安装或需要更换或清洗旋流分布板时，每次拆卸安装后都需要检测固定法兰的密封性。

水热喷动流化床运行时，预热水或反应溶液等通过来流入口进入主体内，并向上流经旋流分布板后形成旋流。

本申请实施例提供的水热喷动流化床，采用旋流分布板可以将均匀来流转变为旋流，使得物料颗粒床层更容易达到鼓泡流化状态。旋流对流场的扰动能够增强压力脉动和物料返混，促进流体和物料颗粒均匀混合，减少死区出现的概率；同时，流场的扰动能够强化流体与颗粒间的传热，提高反应区温度，使得反应更加高效和充分。

一个实施例中，继续参照图4，旋流分布板10上方的主体20的壁面与旋流分布板10形成夹角。

具体的，旋流分布板10上方的主体20的壁面与旋流分布板10形成的夹角与生成的旋流场相匹配，可以形成更好的扰动效果。

一个实施例中，如图5所示，通过旋流分布板10的通孔进入主体20的流体的速度矢量(对应图5中孔道方向以及射流方向)在旋流分布板10平面上的投影垂直于通孔中心与旋流分布板10中心的连线，以在旋流分布板10上方形成适宜的旋流。

可以理解的，上述实施例提供的水热喷动流化床既可用于单个水热流化床反应器，也可用于多级串联水热流化床反应器中，作为多级串联水热流化床反应器中的其中一个环节。

实施例1

选用如图2所示通孔呈同心圆排布的旋流分布板，以通孔方向和射流方向与旋转分布板平面夹角为45°为例，如图5所示，流体通过通孔后的射流速度矢量在旋流分布板平面上的投影与通孔和旋流分布板圆心的连线垂直。

使用固定法兰将图2所示的旋流分布板安装到水热喷动流化床主体内部，使旋流分布板法线方向与主体方向相同。

当旋流分布板安装完成后，向来流入口中通入常温水，并不断提高压力直至所需工作压力，并检测固定法兰连接处是否有泄露，若存在漏水现象，立即泄压检查并重新安装，直至不再漏水。

确保密封性良好后，将物料颗粒床层装填到旋流分布板上方。

向来流入口中通入预热水或反应溶液，其温度范围为200℃～800℃，压力范围为2MPa～30MPa。

具体的，应从较低的流速开始不断增加来流流速至所需工况。若此过程中压力传感器检测到物料颗粒床层压降过高，可适当提高来流压力。当压力传感器检测到物料颗粒床层压降出现脉动时，说明旋流分布板提供的旋流已经使物料颗粒床层达到鼓泡流化状态。

使用计算流体动力学(CFD)方法对本实施例的流化性能进行了模拟评估。随着来流流速从0增加到120mm/s，物料颗粒床层压降随流速变化的分布图如图6所示，物料颗粒床层颗粒体积分数云图如图7所示。可见，当流速达到60mm/s时，物料颗粒床层开始进入鼓泡流化状态，物料颗粒床层压降降低、压力脉动增强，且物料颗粒床层内部出现了大型空泡，顶部颗粒被扬起。这些现象说明本实施例所用的旋流分布板可以促进传质、实现良好的流化。

实施例2

选用如图3所示通孔呈正六边形排布的旋流分布板，其中通孔方向和射流方向与旋流分布板平面夹角为45°为例，如图5所示，流体通过通孔后的射流速度矢量在旋流分布板平面上的投影与通孔和旋流分布板圆心的连线垂直。其他操作方法同实施例1。

使用计算流体动力学(CFD)方法对本实施例的流化性能进行了模拟评估。随着来流流速从0增加到120mm/s，物料颗粒床层压降随流速变化的分布图如图8所示，物料颗粒床层颗粒体积分数云图如图9所示。与实施例1相似，当流速达到60mm/s时，物料颗粒床层开始进入鼓泡流化状态，物料颗粒床层压降降低、压力脉动增强，且物料颗粒床层内部出现大型空泡。不同的是，选用本实施例的正六边形分布板时，物料颗粒床层压降随流速的增加而下降后会逐渐趋于稳定，且物料颗粒床层顶部颗粒扬起不明显。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种旋流分布板，其特征在于，所述旋流分布板包括：

本体(11)，本体(11)上设置有多通孔结构，所述多通孔结构包括若干通孔(12)；所有通孔(12)的通孔方向与所述本体(11)平面形成夹角，所述夹角的数值大于0°且小于90°。

2.根据权利要求1所述的旋流分布板，其特征在于，所述多通孔结构中所有所述通孔(12)呈规则或不规则排列。

3.根据权利要求1或2所述的旋流分布板，其特征在于，所述多通孔结构中所有所述通孔(12)呈同心圆排列。

4.根据权利要求1或2所述的旋流分布板，其特征在于，所述多通孔结构中所有所述通孔(12)呈正六边形排列。

5.根据权利要求1或2所述的旋流分布板，其特征在于，所述本体(11)呈圆片形。

6.一种水热喷动流化床，其特征在于，所述水热喷动流化床包括：

中空主体(20)；

如权利要求1-5任一项所述的旋流分布板(10)，所述旋流分布板(10)安装在所述主体(20)内部，且所述旋流分布板(10)法线方向与所述主体(20)轴线方向相同；

来流入口(30)，所述来流入口(30)设置于所述主体(20)的底部；

压力传感器(40)，所述压力传感器(40)设置于所述主体(20)的上部；

物料颗粒床层(50)，所述物料颗粒床层(50)设置于所述主体(20)内部且位于所述旋流分布板(10)的上方。

7.根据权利要求6所述的水热喷动流化床，其特征在于，所述旋流分布板(10)上方的所述主体(20)的壁面与所述旋流分布板(10)形成夹角。

8.根据权利要求6所述的水热喷动流化床，其特征在于，所述旋流分布板(10)通过法兰(60)固定安装在所述主体(20)内部。

9.根据权利要求6所述的水热喷动流化床，其特征在于，通过所述旋流分布板(10)的通孔进入所述主体(20)的流体的速度矢量在所述旋流分布板(10)平面上的投影垂直于通孔中心与所述旋流分布板(10)中心的连线。