CN209841338U - 一种测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其由实验段、循环系统和测试系统三部分构成，包含提升管、旋风分离器、过滤器、加料仓、立管、L型返料阀、循环水箱、第一柱塞泵、第二柱塞泵、阻尼缓冲器、流量计、第一回热器、第二回热器、第一加热器、第二加热器、背压阀、冷却水箱、冷却水泵、第一冷却器、第二冷却器、开式冷却塔、多个调节阀门等部件和多个K型热电偶、压力压差传感器、电容探针等测试装置。本实用新型提供的用于超临界水循环流化床多相流动及传热特性测试的装置为超临界水循环流化床反应器多相流动及传热特性的研究、设计理论的建立、运行工况的优化以及应用的推广奠定了基础。

Description

一种测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置

技术领域

本实用新型涉及多相流动技术，特别涉及一种超临界水循环流化床的测试装置，具体涉及一种用于测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置。

背景技术

近年来，大部分地区频繁发生大气雾霾污染，空气质量指数长期处于重度和严重污染的级别。雾霾作为生态环境污染的典型，已对人民生活、国民经济和社会发展造成不同程度的危害，而煤、石油等化石能源利用是诱发雾霾天气的主因。因此，一方面，急需研发洁净煤技术，提高煤的利用效率，减少污染排放；另一方面，需大力开发可再生能源技术，逐步提高可再生能源在一次能源消费中的占比，以解决能源短缺、环境污染和社会经济可持续发展的重大难题。

超临界水气化是最近三十年发展起来的煤、生物质等有机资源转化利用的新技术，它利用水在超临界条件下的特殊物理化学性质实现煤及生物质的高效气化。目前，根据反应器类型不同，超临界水气化工艺可分为间歇式反应器、连续管流式反应器和流化床反应器。其中间歇反应器主要用于反应机理方面研究，不能满足未来该技术工业化的需求。而连续式系统是大规模煤、生物质超临界气化制氢的必然选择，但管流反应器容易出现壁面结渣堵塞，导致系统停机，这也成为制约煤及生物质超临界水气化技术发展的瓶颈问题。本实用新型课题组前期实用新型的超临界水流化床反应器 (ZL200710017691.6)操作在中低气速下，从两相流动状态看属于鼓泡流化床，虽然能够解决管式反应器存在的结渣堵塞难题，实现高浓度生物质、煤的高效气化，但与传统鼓泡流化床类似，反应器内一些重要参数，比如床层膨胀、气固混合、气泡特性、传热特性、反应气体的传质特性等，强烈依赖反应器的尺寸。鼓泡流化床的气泡行为也带来了反应器效率的降低和反应器不易放大的难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，能够了解超临界水循环流化床内部的多相流动和传热特性，为后期对超临界水循环流化床反应器的研究和其设计理论与优化方法的建立奠定基础。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种用于测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，包括实验段、循环系统和测试系统，循环系统包括回热子系统；

实验段包括提升管、旋风分离器、返料输送装置，提升管作为流化床本体，提升管底部设有超临界水入口，提升管下部设有返料口，提升管上部出口与旋风分离器入口连接，旋风分离器底部排料口通过返料输送装置与提升管的返料口连接，旋风分离器上的排气口与回热子系统连接；

回热子系统将旋风分离器排气口排出的超临界水进行回热并加热产生超临界水，通过提升管的超临界水入口给提升管输送超临界水；

测试系统包括设置在回热子系统中的流量计、热电偶和压力压差传感器，分别用于测量超临界水流量、温度和压力；以及设置在提升管上的热电偶、压力压差传感器和电容探针，分别用于测量提升管内的温度、压力和电容。

优选的，回热子系统包括循环水箱、第一柱塞泵、第一阻尼缓冲器、第一回热器、第二回热器、第一加热器、混合液罐和背压阀；

第一柱塞泵入口与循环水箱相连，出口与第一阻尼缓冲器入口连接，第一阻尼缓冲器出口总管路分两路分别与第一回热器和第二回热器的冷流体入口相连；第一回热器和第二回热器的冷流体出口经汇合后与第一加热器的入口相连；第一加热器的出口总管路分成两路，一路与提升管超临界水入口相连，另一路与第二回热器的热流体入口相连；第一回热器的热流体入口与旋风分离器的上部出口相连；第一回热器和第二回热器的热流体出口分别与第一冷却器和第二冷却器的热流体入口相连；第一冷却器和第二冷却器的热流体出口都连接至混合液罐，混合液罐的出口经背压阀与循环水箱相连；

第一柱塞泵与第一回热器和第二回热器的连接管路上分别设置有流量调节阀和流量计；混合液罐与第一冷却器和第二冷却器的连接管路上分别设置有流量调节阀和流量计。

进一步的，循环系统还包括冷却子系统，冷却子系统包含冷却水箱、冷却水泵、第一冷却器、第二冷却器和开式冷却塔；冷却水泵入口与冷却水箱相连，冷却水泵出口分成两路分别与第一冷却器和第二冷却器的冷流体入口相连；第一冷却器和第二冷却器的冷流体出口汇合后与开式冷却塔入口相连；开式冷却塔出口与冷却水箱相连；冷却水泵与第一冷却器和第二冷却器的连接管路上分别设置有流量调节阀和流量计。

进一步的，循环系统还包括返料子系统，返料子系统包括循环水箱、第二柱塞泵、第二阻尼缓冲器和第二加热器；第二柱塞泵的入口与循环水箱相连，出口与第二阻尼缓冲器入口连接，第二阻尼缓冲器出口与第二加热器的流体入口相连；第二加热器的流体出口与返料输送装置相连；循环水箱与第二加热器的连接管路上设置有流量调节阀和流量计。

优选的，返料输送装置包括立管、返料阀和返料斜管，旋风分离器下部排料口通过立管与返料阀上端口相连；返料阀一侧的出口通过返料斜管与提升管返料口连接；返料阀另一侧设置有返料压入口，返料压入口与返料子系统连接；返料阀底部设计有卸料口。

进一步的，返料阀为L型阀。

进一步的，还包括过滤器和加料仓，旋风分离器上部排气口与过滤器中部入口相连。过滤器上部出口与回热子系统连接；旋风分离器下部排料口与加料仓上部一入口相连；过滤器下部排料口与加料仓上部另一入口相连；加料仓下部通过立管与返料阀上端口相连。

进一步的，过滤器与提升管的直径比例为1：(4-7)。

进一步的，过滤器的上部端盖内设置有石墨缠绕垫片和烧结金属网。

优选的，提升管的上端盖和下端盖内均装有石墨缠绕垫片，提升管的下端盖还装有布风板。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型的装置使用时，流化颗粒被超临界水带出提升管，进入旋风分离器中，经过旋风分离器分离，超临界水从旋风分离器排气口排出，流化颗粒通过返料输送装置返回提升管继续参与实验。由于流化颗粒能循环送入提升管，因此能够使用更高的操作气速，快速流态化状态下，床层近似无气泡，能够用于研究超临界水循环流化床多相流动及传热特性，从而为解决超临界水循环流化床的快速流态化操作条件、提升管宏观/微观床层结构、床层壁面传热特性、流动传热机理、数理模型和数值模拟方法等关键问题提供实验条件，解决了高温高压变物性等苛刻条件下多相流动学试验系统结构和测量的难点。为后期超临界水循环流化床反应器设计理论的建立、运行工况的优化以及应用的推广奠定了基础，最终建立一套超临界水循环流化床反应器设计理论与优化方法。

进一步的，回热子系统采用主路和旁路双回路调节的方式实现系统流量和温度的快速调节，能够加快研究速度，提高测量效率。同时采用分路回热和冷却的方式，提高了能量回收利用率，降低了能耗。采用回热器、加热器加热方式，实现系统流体的快速升温；设置阻尼缓冲器和背压阀等部件以实现对系统压力的有效控制。

进一步的，通过设置过滤器，能够将旋风分离器未分离出来的非常细小的流化颗粒进一步过滤，避免其进入循环系统。

进一步的，过滤器的直径与提升管的直径复合一定的比例，使进入过滤器的流体速度降至足够低，保证过滤效果。

进一步的，过滤器的上部端盖内设置有石墨缠绕垫片和烧结金属网，保证密封和防止流化颗粒进入循环系统。

进一步的，循环流化床的提升管上下端盖都装有石墨缠绕垫片以保证端盖的有效密封，其中下部端盖还装有布风板以保证进口流体的均匀分布。

附图说明

图1是本实用新型所示超临界水循环流化床气化系统图。

图2是本实用新型超临界水循环流化床多相流动及传热特性测试装置的系统图。

图中：1-1-第一水箱、1-2-第一高压柱塞泵、1-3-第二高压柱塞泵、1-4- 第三高压柱塞泵、1-5-排渣泵、1-6-返料泵、1-7-储料罐、1-8-第一加料器、 1-9-第二加料器、1-10-排渣器、1-11-排渣冷却器、1-12-流化床、1-13-高温旋风分离器、1-14-纵向管、1-15-返气化料阀、1-16-脉冲阻尼器、1-17-回热器、1-18-冷却器、1-19-预热器、1-20-背压闸阀、1-21-气液分离器、1-22-湿式气体流量计、1-23-第二水箱、1-24-冷却塔、1-25-冷却泵；

1-循环水箱、2-第一柱塞泵、3-第二柱塞泵、4-第一阻尼缓冲器、5-第一回热器、6-第二回热器、7-第一加热器、8-提升管、9-连接管、10-旋风分离器、11-过滤器、12-加料仓、13-立管、14-返料阀、15-返料斜管、16-卸料口、17-第一冷却器、18-第二冷却器、19-混合液罐、20-背压阀、21-冷却水箱、22-冷却水泵、23-开式冷却塔、24-第二加热器、25-阻尼缓冲器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

为解决上述超临界水流化床反应器存在的问题，本实用新型课题组采用超临界水循环流化床(快速流态化)气化新工艺提高单个反应器的效率和处理能力。超临界水循环流化床气化系统将“锅”和“炉”合二为一，其操作温度和压力在水的临界点以上，煤、生物质或催化剂等颗粒与超临界水在反应器中的两相流动呈快速流态化状态，而且煤或生物质与超临界水直接发生气化反应。

如图1所示，本实用新型课题组新研发的超临界水循环流化床气化系统，包括循环流化床子系统、加料子系统、排渣子系统、热子系统以及取气子系统。

循环流化床子系统包括流化床1-12、高温旋风分离器1-13、纵向管1- 14、返气化料阀1-15和返料泵1-6，流化床1-12为气化炉本体。流化床1- 12底部设有超临界水入口，超临界水入口与预热器1-19出口相连；流化床 1-12下部设有排渣口，排渣口与排渣子系统相连；流化床1-12中下部设有进料口，进料口与加料子系统相连。流化床1-12上部出口通过连接管路与高温旋风分离器1-13入口连接，高温旋风分离器1-13的排气出口与回热器 1-17的热流体入口连接，高温旋风分离器1-13与纵向管1-14、纵向管1-14 与返气化料阀1-15分别通过焊接直接相连，从而旋风分离器1-13底部排料口通过纵向管1-14与返气化料阀1-15的上部入口连接，返气化料阀1-15下部出口与流化床1-12下部返料口连接，返气化料阀1-15下部充气口通过充气管与返料泵1-6连接。

加料子系统包括第一水箱1-1、储料罐1-7、第一加料器1-8、第二加料器1-9、第二高压柱塞泵1-3和第三高压柱塞泵1-4；储料罐1-7设有气体入口、物料入口和出口，储料罐1-7的出口分两路分别与第一加料器1-8和第二加料器1-9的入口连接，第一加料器1-8和第二加料器1-9的出口汇合后与流化床1-12的进料口连接。第一加料器1-8、第二加料器1-9、第二高压柱塞泵1-3和第三高压柱塞泵1-4通过管路和阀门互相连接；具体是，第一加料器1-8和第二加料器1-9上部通过管路和阀门连接，第一水箱1-1的出口分两路分别与第二高压柱塞泵1-3和第三高压柱塞泵1-4的入口连接，第三高压柱塞泵1-4的出口分成三路，一路与第一加料器1-8上部连接，一路与第二加料器1-9上部连接，还有一路直接与流化床1-12的进料口相连。

排渣子系统包括第一水箱1-1、排渣泵1-5、排渣器1-10和排渣冷却器 1-11，第一水箱1-1通过排渣泵1-5与排渣器1-10的水入口连接，流化床1- 12的排渣口与排渣冷却器1-11的入口连接，排渣冷却器1-11的出口与排渣器1-10的废渣入口连接，排渣器1-10的底部设置有出渣口。

热子系统主要包括第一水箱1-1、回热器1-17、冷却器1-18、预热器1- 19、第二水箱1-23、冷却泵1-25和冷却塔1-24。回热器1-17的热流体入口与高温旋风分离器1-13的排气口连接，回热器1-17的热流体出口与冷却器 1-18的热流体入口连接，冷却器1-18的热流体出口与背压闸阀1-20的入口连接，背压闸阀1-20出口与取气子系统连接。第二水箱1-23通过冷却泵1- 25与冷却器11-8的冷却水入口连接，冷却器11-8的冷却水出口与冷却塔1-24入口连接，冷却塔1-24出口与第二水箱1-23连接。第一水箱1-1通过第一高压柱塞泵1-2与脉冲阻尼器1-16入口相连，脉冲阻尼器1-16出口与回热器1-17的冷流体入口连接，回热器1-17的冷流体出口与预热器1-19的入口连接，预热器1-19的出口与流化床1-12的超临界水入口连接。

取气子系统包括气液分离器1-21、湿式气体流量计1-22和取气袋。背压闸阀1-20的出口与气液分离器1-21的入口连接；气液分离器1-21的气体出口经三通阀门一路连接湿式气体流量计1-22，另一路连取气袋。

本实用新型超临界水循环流化床超临界水质量流量为30～220kg/h。

超临界水循环流化床，具体工作过程如下：事先将粒径范围10～1-80μ m的石英砂颗粒加入到流化床1-12中，作为床料辅助煤颗粒流化。同时将煤配制成所需浓度的煤浆料加入到储料罐1-7中，用一定压力的N2将煤浆料压至第一加料器1-8和/或第二加料器1-9中。开启第一高压柱塞泵1-2，将其质量流量调节为预定值，调节背压闸阀1-20使系统达到预定压力。启动预热器1-19和流化床1-12的加热装置，使反应器流化床1-12内的流体温度达到预定值。开启第二高压柱塞泵1-3和第三高压柱塞泵1-4使第一加料器1-8和第二加料器1-9的压力升高至系统压力。调节第三高压柱塞泵1-4 的质量流量到预定值，同时打开一个加料器(1-8或1-9)的下端出口阀门，将煤浆压入到流化床1-12中发生反应。在流化床1-12操作的快速流态化下，石英砂颗粒和未反应完的煤颗粒被超临界水带出流化床1-12，进入高温旋风分离器1-13中。经过高温旋风分离器1-13的分离，超临界水和反应生成的气体的混合物从高温旋风分离器1-13排气口排出，进入回热器1-17与冷流体换热，然后进入冷却器11-8中冷却至常温，再经过背压闸阀1-20后进入气液分离器1-21，气液分离器1-21分离出来的气体通过湿式气体流量计 1-22测其产量；经高温旋风分离器1-13分离下来的石英砂颗粒和未反应完的煤颗粒通过纵向管1-14进入返气化料阀1-15，在返料泵1-6提供的返料风的作用下，送回流化床1-12继续参与流化或反应。反应产生的残渣通过排渣系统排出，气体成分采用气相色谱分析。

采用超临界水循环流化床作为反应器，相比于鼓泡流化床，具有更高的操作气速，反应器中处于快速流态化的石英砂颗粒可强化反应器内的传热传质，使常温物料与超临界水和床料快速混合，实现煤的快速升温，能够使煤颗粒与超临界水充分接触，实现高浓度煤的高效气化，可以实现高气速、高的煤通量和高的煤浓度的气化，可大大提高气化炉的效率和能力；同时快速流态化状态下，床层近似无气泡，减轻了气化炉几何结构的影响，使装置易于大型化放大。

然而，超临界水循环流化床作为一种新提出的反应器，对其内部的多相流动和传热特性了解甚少，其设计理论与方法也并不系统完整。虽然传统循环流化床气固流动特性研究结果对超临界水循环流化床反应器的设计有一定的参考价值，但是超临界水快速流态化反应器操作在高温高压条件，加之在临界点附近超临界水物性变化剧烈，其中的流动、传热传质表现出强烈的非线性特征，这将影响流化床内两相流动、“气”-固流型、传热传质、化学反应与多相流动耦合等特性，使得传统循环流化床气固流动特性研究结果及测试装置并不完全适用于超临界水循环流化床。因此，需要从超临界水循环流化床内两相流动传热的基本规律出发，了解其内部的多相流动和传热特性，为后期对超临界水循环流化床反应器的研究和其设计理论与优化方法的建立奠定基础。

如图2所示，本实用新型用于测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，由实验段、循环系统和测试系统三部分构成，其中，循环系统又包含回热子系统、冷却子系统和返料子系统。

实验段包含提升管8、旋风分离器10、过滤器11、加料仓12、立管13 和返料阀14。提升管8顶部出口通过连接管9与旋风分离器10入口相连；旋风分离器10上部排气口通过连接管与过滤器11中部入口相连；旋风分离器10下部排料口通过连接管与加料仓12上部一入口相连；过滤器11下部排料口通过连接管与加料仓12上部另一入口相连；加料仓12下部与立管 13通过焊接连接；立管13下部与返料阀14上端口通过焊接连接，从而加料仓12下部与返料阀14上端口通过立管13相连；返料阀14一侧的出口通过返料斜管15与提升管8下部连接；返料阀14底部设计有卸料口16；返料阀14另一侧的返料压入口通过供压管与第二加热器24的流体出口相连；提升管8底部设有超临界水入口，超临界水入口与第一加热器7出口相连；过滤器11上部出口与第一回热器5的热流体入口相连。

回热子系统由主路和旁路构成，主要包括循环水箱1、第一柱塞泵2、第一阻尼缓冲器4、流量调节阀、流量计、第一回热器5、第二回热器6、第一加热器7、混合液罐19和背压阀20。第一柱塞泵2入口与循环水箱1 相连，出口与第一阻尼缓冲器4入口连接，第一阻尼缓冲器4出口分两路分别与第一回热器5和第二回热器6的冷流体入口相连；第一回热器5和第二回热器6的冷流体出口经汇合后与第一加热器7的入口相连；第一加热器7 的出口总管路分成两路，一路为主路，与提升管8底部相连，另一路为旁路，与第二回热器6的热流体入口相连；第一回热器5的热流体入口与过滤器 11的上部出口相连；第一回热器5和第二回热器6的热流体出口分别与第一冷却器17和第二冷却器18的热流体入口相连；第一冷却器17和第二冷却器18的热流体出口都连接至混合液罐19，混合液罐19的出口经背压阀 20与循环水箱1相连。

冷却子系统包含冷却水箱21、冷却水泵22、第一冷却器17、第二冷却器18、开式冷却塔23、流量计、流量调节阀等主要部件。冷却水泵22入口与冷却水箱21相连，冷却水泵22出口分成两路分别与第一冷却器17和第二冷却器18的冷流体入口相连；第一冷却器17和第二冷却器18的冷流体出口汇合后与开式冷却塔23入口相连；开式冷却塔23出口与冷却水箱21 相连。

返料子系统包含循环水箱1、第二柱塞泵3、第二阻尼缓冲器25、第二加热器24、流量调节阀、流量计等主要部件。第二柱塞泵3的入口与循环水箱1相连，出口与第二阻尼缓冲器25入口连接，第二阻尼缓冲器25出口与第二加热器24的流体入口相连；第二加热器24的流体出口与返料阀14 返料压入口相连。

测试系统包含多个不同位置处的K型热电偶、压力压差传感器和电容探针。采用K型热电偶、压力压差传感器和电容探针分别测量系统不同位置处的温度、压力和局部空隙率。其中，在提升管8上自上而下设置有多个压力压差传感器，自上而下设置有多个K型热电偶，自上而下设置有多个电容探针；在旋风分离器10与过滤器11的连接管上设有一压力压差传感器和一K型热电偶，在过滤器11与第一回热器5的连接管上设有一压力压差传感器和一K型热电偶，返料阀14与第二加热器24的连接管上设有一K 型热电偶，第一柱塞泵2的出口总管路上设有一压力压差传感器，第一回热器5和第二回热器6的冷流体入口管路上分别设有一流量计，第一回热器5 和第二回热器6的冷流体出口管路上分别设置一K型热电偶，第一加热器 7的出口总管路上设有一K型热电偶，第一回热器5与第一冷却器17的连接管上设有一K型热电偶，第二回热器6与第二冷却器18的连接管上设有一K型热电偶，第一冷却器17与混合液罐19的连接管上设有一K型热电偶和一流量计，第二冷却器18与混合液罐19的连接管上设有一K型热电偶和一流量计，第一冷却器17以及第二冷却器18的冷流体入口管路上分别设有一流量计，冷却器17和第二冷却器18的冷流体出口管路上以及两者汇合后的总管路上分别设置一K型热电偶，开式冷却塔23与冷却水箱21的连接管路上设有一K型热电偶。

本实用新型所采用的过滤器11的上部端盖可以拆卸以方便加料和清洗，并且装有石墨缠绕垫片和烧结金属网以保证端盖的有效密封和防止颗粒进入回热子系统。过滤器11与提升管8的直径比例为1：(4-7)。

循环流化床的提升管8外侧包覆有保温棉以维持其内部温度，提升管8 的上下端盖均可拆卸以方便清洗，并且都装有石墨缠绕垫片以保证端盖的有效密封，其中下部端盖还装有布风板以保证进口流体的均匀分布。

旋风分离器10的中部以端盖形式连接，以方便后期的维修检查和清洗；旋风分离器10的排气管内径为21mm，插入深度为30mm；旋风分离器 10的切向入口内径为21mm。

返料阀14为L型阀。其中L型阀水平管与垂直管的内径都为21mm，且二者成90°夹角；L型阀转弯处底部设置有卸料口16；供压管内径为10 mm，其轴线比L型阀水平管的轴线高3mm。

实验采用的流化颗粒为石英砂等惰性颗粒，颗粒的粒径范围为50～500 μm，超临界水质量流量为30～220kg/h。

回热器和冷却器均为逆流布置套管式换热器，材质为304不锈钢；实验段材质均为316不锈钢，系统压力高达30MPa，温度高达575℃。

本实用新型所述的用于测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，具体工作原理如下：循环水从循环水箱1出来后分成两路分别经各自流量计进入第一柱塞泵2和第二柱塞泵3。进入第二柱塞泵3的水出来后经阻尼缓冲器4、流量调节阀后进入第二加热器24进行加热，而后进入返料阀14的供压管。进入第一柱塞泵2的水出来后经阻尼缓冲器4又分成两路，每路经过流量调节阀和流量计后分别进入第一回热器5和第二回热器6进行回热，回热后两路混合，一起进入第一加热器7进行加热。经加热器7加热后又分成两路，一路从提升管8底部进入实验段，和流化颗粒混合后一起进入旋风分离器10中，经过旋风分离器10的分离，粗重颗粒从旋风分离器 10底部进入加料仓12，超临界水和细小颗粒从旋风分离器10上端排气口排出，进入过滤器11进行过滤分离，细小颗粒从过滤器11底部回到加料仓12，超临界水从过滤器11顶部排出进入第一回热器5与高压低温水换热，然后进入第一冷却器17中进行冷却，经旋风分离器10和过滤器11分离回到加料仓12的流化颗粒经过立管13进入返料阀14，在返料风的作用下回到提升管8中；经加热器7加热后的分出的另一路直接进入第二回热器6，而后进入第二冷却器18进行冷却。两路经过冷却的水分别经过各自路的流量调节阀和流量计后进入混合液罐19进行混合，而后一起进入背压阀20降压，最后回到循环水箱1。冷却水从冷却水箱21出来后，经流量调节阀进入冷却水泵22，出来后分成两路，两路经过各自的流量调节阀和流量计后分别进入第一冷却器17和第二冷却器18，而后两路冷却水混合后一起进入开式冷却塔23，最后回到冷却水箱21。

本实用新型所述的用于测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，具体操作过程如下：先将流化颗粒从过滤器11顶部或旋风分离器10 中部或提升管8顶部加入到循环流化床中。然后开启第一柱塞泵2和第二柱塞泵3，将它的质量流量调节为预定值，调节背压阀20使系统达到预定压力。再启动第一加热器7和第二加热器24的加热装置，使反应器内的流体温度达到预定值。接着通过不同位置处的K型热电偶、压力压差传感器和电容探针对超临界水循环流化床内的温度、压力、压差和局部空隙率数据进行采集。在合理的运行工况范围内，通过调节各管路上的阀门，实现不同流量、温度、压力等运行参数的变化，进而得到不同运行工况和不同位置处的实验数据。然后可以通过多种数据处理方法对所采集信号进行特性分析，获得超临界水循环流化床内的基本动力学参数、流型转变条件、床层宏观/微观结构以及动力学特征、床层壁面传热特性，为后期多相流动传热机理的研究和设计理论与优化方法的建立奠定基础。

通过该系统可研究颗粒种类、颗粒粒径、流体流速、温度、压力、返料风量等因素对超临界水循环流化床内多相流动及传热特性的影响。进一步更换不同形状尺寸的部件还可继续研究部件结构对超临界水循环流化床内多相流动及传热特性的影响。

以上实例仅为本实用新型的举例说明，并不用于限制本实用新型。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其特征在于，包括实验段、循环系统和测试系统，循环系统包括回热子系统；

实验段包括提升管(8)、旋风分离器(10)、返料输送装置，提升管(8)作为流化床本体，提升管(8)底部设有超临界水入口，提升管(8)下部设有返料口，提升管(8)上部出口与旋风分离器(10)入口连接，旋风分离器(10)底部排料口通过返料输送装置与提升管(8)的返料口连接，旋风分离器(10)上的排气口与回热子系统连接；

回热子系统将旋风分离器(10)排气口排出的超临界水进行回热并加热产生超临界水，通过提升管(8)的超临界水入口给提升管(8)输送超临界水；

测试系统包括设置在回热子系统中的流量计、热电偶和压力压差传感器，分别用于测量超临界水流量、温度和压力；以及设置在提升管(8)上的热电偶、压力压差传感器和电容探针，分别用于测量提升管(8)内的温度、压力和电容。

2.根据权利要求1所述的测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其特征在于，回热子系统包括循环水箱(1)、第一柱塞泵(2)、第一阻尼缓冲器(4)、第一回热器(5)、第二回热器(6)、第一加热器(7)、混合液罐(19)和背压阀(20)；

第一柱塞泵(2)入口与循环水箱(1)相连，出口与第一阻尼缓冲器(4)入口连接，第一阻尼缓冲器(4)出口总管路分两路分别与第一回热器(5)和第二回热器(6)的冷流体入口相连；第一回热器(5)和第二回热器(6)的冷流体出口经汇合后与第一加热器(7)的入口相连；第一加热器(7)的出口总管路分成两路，一路与提升管(8)超临界水入口相连，另一路与第二回热器(6)的热流体入口相连；第一回热器(5)的热流体入口与旋风分离器(10)的上部出口相连；第一回热器(5)和第二回热器(6)的热流体出口分别与第一冷却器(17)和第二冷却器(18)的热流体入口相连；第一冷却器(17)和第二冷却器(18)的热流体出口都连接至混合液罐(19)，混合液罐(19)的出口经背压阀(20)与循环水箱(1)相连；

第一柱塞泵(2)与第一回热器(5)和第二回热器(6)的连接管路上分别设置有流量调节阀和流量计；混合液罐(19)与第一冷却器(17)和第二冷却器(18)的连接管路上分别设置有流量调节阀和流量计。

3.根据权利要求2所述的测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其特征在于，循环系统还包括冷却子系统，冷却子系统包含冷却水箱(21)、冷却水泵(22)、第一冷却器(17)、第二冷却器(18)和开式冷却塔(23)；冷却水泵(22)入口与冷却水箱(21)相连，冷却水泵(22)出口分成两路分别与第一冷却器(17)和第二冷却器(18)的冷流体入口相连；第一冷却器(17)和第二冷却器(18)的冷流体出口汇合后与开式冷却塔(23)入口相连；开式冷却塔(23)出口与冷却水箱(21)相连；冷却水泵(22)与第一冷却器(17)和第二冷却器(18)的连接管路上分别设置有流量调节阀和流量计。

4.根据权利要求2所述的测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其特征在于，循环系统还包括返料子系统，返料子系统包括循环水箱(1)、第二柱塞泵(3)、第二阻尼缓冲器(25)和第二加热器(24)；第二柱塞泵(3)的入口与循环水箱(1)相连，出口与第二阻尼缓冲器25入口连接，第二阻尼缓冲器25出口与第二加热器(24)的流体入口相连；第二加热器(24)的流体出口与返料输送装置相连；循环水箱(1)与第二加热器(24)的连接管路上设置有流量调节阀和流量计。

5.根据权利要求1所述的测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其特征在于，返料输送装置包括立管(13)、返料阀(14)和返料斜管(15)，旋风分离器(10)下部排料口通过立管(13)与返料阀(14) 上端口相连；返料阀(14)一侧的出口通过返料斜管(15)与提升管(8)返料口连接；返料阀(14)另一侧设置有返料压入口，返料压入口与返料子系统连接；返料阀(14)底部设计有卸料口(16)。

6.根据权利要求5所述的测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其特征在于，返料阀(14)为L型阀。

7.根据权利要求5所述的测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其特征在于，还包括过滤器(11)和加料仓(12)，旋风分离器(10)上部排气口与过滤器(11)中部入口相连；过滤器(11)上部出口与回热子系统连接；旋风分离器(10)下部排料口与加料仓(12)上部一入口相连；过滤器(11)下部排料口与加料仓(12)上部另一入口相连；加料仓(12)下部通过立管(13)与返料阀(14)上端口相连。

8.根据权利要求7所述的测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其特征在于，过滤器(11)与提升管(8)的直径比例为1：(4-7)。

9.根据权利要求7所述的测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其特征在于，过滤器(11)的上部端盖内设置有石墨缠绕垫片和烧结金属网。

10.根据权利要求1所述的测试超临界水循环流化床多相流动及传热特性的装置，其特征在于，提升管(8)的上端盖和下端盖内均装有石墨缠绕垫片，提升管(8)的下端盖还装有布风板。