CN212133361U - 一种粉体流化冷却器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种粉体流化冷却器，涉及粉体物料冷却设备技术领域；其包括流态化腔室和管壳式换热段，在流态化腔室的侧壁上设置有粉体物料进口并配设有粉料进料阀；在流态化腔室底部设置有布风板，且冷却器的底部设置有循环风进口，冷却器的顶部设置有循环风出口，循环风进口位于布风板下方；管壳式换热段位于流态化腔室上部，管壳式换热段的管程为气固两相流通通道，其壳程为冷却介质流通通道并配设有冷却介质进口和冷却介质出口；通过实施本技术方案，可有效解决现有针对一些粒径小、易吸潮或易变质、流动性差的粉体物料冷却效果差的技术问题，相对传统冷却技术换热效率大幅提高，可显著提高冷却技术的可靠性，同时降低运行费用成本。

Description

一种粉体流化冷却器

技术领域

本实用新型涉及粉体物料冷却设备技术领域，更具体的是涉及一种粉体流化冷却器。

背景技术

在无机盐、金属氧化物、金属粉末的生产中，常需要将煅烧得到的高温粉体物料进行冷却，以便包装运输。传统的粉体冷却技术采用冷却水间接换热或空气/惰性气体直接换热的方式进行冷却，但本申请发明人在实现本发明实施例的过程中，发现现有粉体冷却技术均有各自的局限性：

1.粉体流换热器技术：高温固体粉料依靠自身重力，自流通过板式换热器的狭窄通道，与另一侧的冷却水进行间接换热，达到将物料冷却的目的，必要时可以副产热水，使热量得到回收。但粉体流换热器技术只适用于具有良好流动性的粉体物料，通常要求粉料粒径＞150μm，安息角＜40°。该技术由加拿大Solex公司最早推广，在重质纯碱、尿素、氯化钾、蔗糖等产品上得到广泛应用；但对于流动性差的粉料，因其无法顺利在换热板间流动，不能使用该技术。

2.流化床冷却技术：是利用流态化原理，利用空气或惰性气体，将粉料流化起来，粉料依次通过多个流化腔室，每个流化腔室下均有冷却空气/惰性气体通入，空气/惰性气体与粉料直接接触换热，达到逐级冷却的目的。换热后的空气/惰性气体从顶部引出，经旋风分离器和布袋除尘器后排空。也可以将空气/惰性气体间接冷却后循环使用；但流化床冷却技术要求粉料可以稳定流化，通常适用的粒径范围为30-600μm(粒径过小无法形成稳定的流态化床层，粒径过大则压降过大)，该技术热量无法得到有效回收，耗费公用工程量较大。

3.回转式冷却技术：物料在回转窑中被抄板不断翻动，抄板和窑壁内通入冷却水，物料在被缓慢运输的过程中得到冷却；但回转式冷却技术技术设备占地面积大，易板结，难于清理，通常物料温度不宜过高(易板结)，物料应具有良好流动性。

4.盘式冷却技术：物料在一层层的圆盘上停留，盘内通入冷却水，固体与圆盘接触，利用热传导进行冷却；但盘式冷却技术传热效率低，因此只用于小规模冷却上，通常应用在食品、医药等领域。

5.气力输送冷却技术：在气力输送过程中，对粉体物料进行冷却。由于气力输送中空气和粉料的比例是有一定范围的，因此并不便于精确控制冷却后的粉料温度，且气力输送冷却技术尚无成熟应用。

由于上述技术均有各自的局限性，针对一些粒径小、易吸潮或易变质、流动性差的粉体物料，例如煅烧电石渣生产的活性氧化钙，上述的传统冷却技术均不适用，亟需本领域技术人员研究设计一种新的冷却设备，对于易吸潮、易变质的粉料也能进行针对性冷却，提高冷却技术的运行可靠性，降低运行费用成本。

实用新型内容

为解决上述针对现有粒径小、易吸潮或易变质、流动性差的粉体物料冷却效果差或不适用的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种粉体流化冷却器，巧妙地利用少量气体携带高温粉体物料进行流动，使得固体粉料处于类似高速流体的状态下进行充分热交换，使得传热主要为对流传热，相对于现有粉体流换热、回转式、盘式换热的粉料热传导，效率大幅提高，适用于针对颗粒小，易吸潮、易变质、性质活泼的颗粒进行冷却，避免现有冷却技术由于针对该类粉体物料冷却运行费用极高而导致的不具备工程可实施性；可显著提高冷却技术的可靠性，同时降低运行费用成本。

本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种粉体流化冷却器，该冷却器采用立式安装，其包括

流态化腔室，在所述流态化腔室的侧壁上设置有连通流态化腔室的粉体物料进口并配设有粉料进料阀；在所述流态化腔室的底部设置有布风板，且冷却器的底部设置有循环风进口，冷却器的顶部设置有循环风出口；所述循环风进口位于所述布风板的下方，以使通过所述循环风进口进入冷却器的气体经过所述布风板均匀进入流态化腔室内；

管壳式换热段，所述管壳式换热段位于流态化腔室上部，且所述管壳式换热段的管程为与所述流态化腔室连通的气固两相流通通道，其壳程为冷却介质流通通道并配设有冷却介质进口和冷却介质出口。

上述技术方案中，布风板具有两个主要作用：(a)布风板可以承受物料落料时的重量，防止物料落入进风管导致管道堵塞；(b)布风板可以使气体均匀进入流态化腔室；如此有利于进入管壳式换热段的粉体物料均匀分布、充分换热。粉体流化冷却器的工作原理为：粉体流化冷却器布风板上部为流态化腔室，其可有效提供流态化床层空间，起到增加停留时间以及分散物料的作用；而流态化腔室上方的管壳式换热段为换热管管板，换热管作为流动通道；固体粉料进入粉体流化冷却器的流化腔室后，被少量空气或惰性气体流态化，并分配进入换热器管程，粉料在气相曳力作用下在换热管中向上流动，粉料和载气之间、载气和管壁之间、粉料和管壁之间充分换热；气体流态化的目的是使固体粉料获得与流体相似的性质，整个气固混合相密度均一，便于均匀的输送到每一根换热管中，如此针对不同类型粉体物料均具有较好的冷却效果；本技术方案中粉体流化冷却器内冷却介质的流量受气固两相出口温度控制。

优选地，所述布风板至少是双层筛孔式布风板、风帽式布风板或鳃孔式布风板中的一种。布风板具体根据粉体物料性质进行选择。

优选地，所述管壳式换热段包括换热管、换热管管板、换热器壳体和位于换热器壳体顶部的封头结构，所述换热管管板安装在换热管壳体的上端和下端，且上端和下端的换热管管板上对应均布有数个圆孔，每个圆孔内均固定有一根连通流态化腔室和封头结构的换热管；所述循环风出口设于所述封头结构顶部，且封头结构与所述换热管壳体采用法兰连接或焊接，以使流态化腔室内的气固两相经换热管进入封头结构内并由位于封头结构顶部的所述循环风出口流出。

优选地，所述循环风进口位于所述布风板的正下方，且设置有布风板结构的流态化腔室位于所述换热管管板的正下方。

优选地，所述管壳式换热段壳程内的冷却介质至少是空气、水、导热油、辛烷或庚烷中的一种。

优选地，所述壳程内的冷却介质与所述管程内的气固两相流动方向相反。

优选地，所述管壳式换热段壳程上设置有膨胀节，用以消除因管程温度高于壳程温度而产生的温差应力。

优选地，所述冷却介质进口配置有调节阀，所述调节阀的阀门开度被配置为根据自所述循环风出口流出的气固两相出料温度确定调节。气体和粉料在流动经过管壳式换热段的换热管换热过程后已经充分换热，换热后的气固两相从粉体流化冷却器顶部循环风出口流出后进入旋风分离器，旋风分离器的尾气温度接近冷却后的粉料温度，只需测得出旋风分离器的尾气温度调节冷却介质的进口阀门开度，就可以精确控制粉料的出料温度，控制回路简单，可靠性强。

优选地，所述冷却器的循环风进口配设有循环管线，冷却后的气固两相经分离后获得的气体通过循环管线进入所述流态化腔室内。由此进入冷却器内的载气气体为循环使用，对于易吸潮、易变质的粉体物料，可以针对性的选择干燥空气或者氮气等惰性气体，相较于传统的流化床冷却器，气体循环量大幅减少；正常操作工况下，只需要补充或排放极少量气体用于平衡系统压力。

优选地，所述循环管线上增设有补气管线，所述补气管线被配置为当循环气压力低于设定值时则进行补充气体，用以稳定系统压力。

如上所述，本实用新型至少具有如下有益效果：

1.本实用新型针对现有粒径小、易吸潮或易变质、流动性差的粉体物料提出了一种冷却效果更好且更具有工程可靠实施性的粉体物料冷却器，其巧妙地将流化技术与换热器技术相结合，利用了少量气体携带高温粉体物料进行流动，使得固体粉料处于类似高速流体的状态下进行充分热交换，使得传热主要为对流传热，相对于粉体流换热、回转式、盘式换热的粉料热传导，换热效率大幅提高，可显著提高上述粉体物料的冷却效果。

2.本实用新型针对粒径低于30μm的粉料，传统冷却技术并不易形成稳定的流态化床层；而本实用新型冷却器气固两相并不需要形成界限分明的稳定床层，只需要确保能通过换热管从冷却器循环风出口流出即可完成冷却操作，对控制要求低，可显著提高冷却技术实施运行的可靠性。

3.本实用新型冷却器在管壳式换热器管板正下方设置有带布风板结构的流态化腔室，流化载气与高温粉料可充分混合，便于均匀的输送到每一根换热管中，布风板可以使载气均匀分布，使得粉料、载气和管壁之间进行充分的热交换，如此针对不同类型粉体物料均具有较好的冷却效果。

4.本实用新型冷却器易于大型化，对传统的粉体流换热器，由于其采用重力自流，粉料的热量主要通过热传导的形式传递给壁面，总传热系数低，单台换热器处理能力小，设备高度高达8-15米，对于一小时处理50吨物料的规模，需要至少4-6台。而本冷却器为管壳式粉体流化冷却器，粉料的热量主要通过对流的形式传递给换热管壁面，传热系数高，换热面积仅需50-300平米(根据传热温差不同)，单套就可以满足负荷要求，占地小，系统配置简单；可显著提高企业经济效益。

5.本实用新型冷却器循环风进口配设有循环管线，冷却后的气固两相经分离后获得的气体通过循环管线重新进入流态化腔室内，由此使用极少量的干空气就可以带动颗粒流动，且流化气体可循环使用，大幅降低气体使用量，可有效降低运行费用成本，显著提高企业经济效益；且本实用新型冷却器采用间接换热，逆流操作，使得粉体物料的热能够传递给壳程的冷却介质，得到回收利用，可以根据能量回收的用途，采用水、辛烷、庚烷、导热油等进行热量回收。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式提供的一种粉体流化冷却器的结构示意图；

图2是本实用新型具体实施方式提供的冷却器应用于冷却系统的流程示意图。

说明书附图中的附图标记包括：1-循环风机；2-粉体流化冷却器；21-循环风进口；22-粉体物料进口；23-冷却介质进口；24-冷却介质出口；25-循环风出口；26-布风板；27-流态化腔室；28-管壳式换热段；29-膨胀节；3-旋风分离器；4-布袋除尘器；5-粉料输送机一；6-粉料输送机二。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

实施例1

实施例基本如图1所示：本实施例提供一种粉体流化冷却器，可用于化学工程、无机盐工业、金属氧化物、金属粉末的生产等领域，以解决现有冷却技术针对一些粒径小、易吸潮或易变质、流动性差的粉体物料冷却效果差、不适用而导致不具备工程可实施性的难题，具有较好的实用性；具体地，如图1所示，该冷却器采用立式安装，其包括安装于冷却器壳体内的流态化腔室27和管壳式换热段28，在流态化腔室27的左侧壁上设置有连通流态化腔室27的粉体物料进口22并配设有粉料进料阀；在流态化腔室27的底部设置有布风板26，且冷却器的底部设置有循环风进口21，冷却器的顶部设置有循环风出口25；循环风进口21位于布风板26的下方，以使通过循环风进口21进入冷却器的气体经过布风板26均匀进入流态化腔室27内；管壳式换热段28位于流态化腔室27上部，且管壳式换热段28的管程为与流态化腔室27连通的气固两相流通通道，其壳程为冷却介质流通通道并配设有冷却介质进口23和冷却介质出口24。

作为本实施例的优选，循环风进口21位于布风板26的正下方，且设置有布风板26结构的流态化腔室27位于换热管管板的正下方，流化载气与高温粉料可充分混合，使得进入每一根换热管的粉料量相当，布风板26可以使载气均匀分布；布风板26具体可根据粉体物料性质进行选择，布风板26可以为双层筛孔式布风板26、风帽式布风板26或鳃孔式布风板26；布风板26具有两个主要作用：(a)布风板26可以承受物料落料时的重量，防止物料落入进风管导致管道堵塞；(b)布风板26可以使气体均匀进入流态化腔室27；如此有利于进入管壳式换热段28的粉体物料均匀分布、充分换热；布风板26上部为流态化腔室27，提供流态化床层空间，起到增加停留时间，分散物料的作用；流态化腔室27上部的管壳式换热段28包括换热管、换热管管板、换热器壳体和位于换热器壳体顶部的封头结构，换热管管板安装在换热管壳体的上端和下端，且换热管壳体上端和下端的换热管管板上对应均布有数个圆孔，每个圆孔内均焊接有一根连通流态化腔室和封头结构的换热管，换热管作为流动通道，粉料在气相曳力作用下在换热管中向上流动，粉料和载气之间、载气和管壁之间、粉料和管壁之间充分换热，冷却介质的流量受气固相出口温度控制；本实施例提供的换热管可以是直管式换热管、波纹管式换热管或螺旋管式换热管；循环风出口25设于封头结构顶部，封头结构与换热管壳体采用法兰连接或焊接，以使流态化腔室内的气固两相经换热管进入封头结构内并由位于封头结构顶部的循环风出口25流出，管壳式换热段28壳程可根据粉料的温度设置膨胀节29，用以消除因管程温度高于壳程温度而产生的温差应力。

本实施例中本实施例中管壳式换热段28中的冷却介质进口23位于管壳式换热段28的上端左侧，而管壳式换热段28中的冷却介质出口24位于管壳式换热段28的下端右侧；其壳程内的冷却介质至少是空气、水、导热油、辛烷或庚烷中的一种；如果使用水，则可以副产热水或蒸汽；且本实施例优选为壳程内的冷却介质与管程内的气固两相流动方向相反，如此管壳式换热段28结构使得冷热介质可以纯逆流操作，壳程冷却介质可根据能量回收的方式进行灵活选择。

本实施例在冷却介质进口23配置有调节阀，以使调节阀的阀门开度根据自循环风出口25流出的气固两相出料温度确定，气体和粉料在流动经过管壳式换热段28的换热管换热过程后已经充分换热，换热后的气固两相从粉体流化冷却器顶部循环风出口25流出后进入旋风分离器，旋风分离器的尾气温度接近冷却后的粉料温度，只需测得出旋风分离器的尾气温度调节冷却介质的进口阀门开度，就可以精确控制粉料的出料温度，控制回路简单，可靠性强。

此外，在冷却器的循环风进口21配设有循环管线，冷却后的气固两相经分离后获得的气体通过循环管线进入流态化腔室27内，由此进入冷却器内的载气气体为循环使用，对于易吸潮、易变质的粉体物料，可以针对性的选择干燥空气或者氮气等惰性气体，相较于传统的流化床冷却器，气体循环量大幅减少；循环管线上增设有补气管线，补气管线被配置为当循环气压力低于设定值时则进行补充气体，用以稳定系统压力，正常操作工况下，只需要补充或排放极少量气体用于平衡系统压力；针对于粒径低于30μm的粉料，传统冷却技术并不易形成稳定的流态化床层；而实施例提供的冷却器气固两相并不需要形成界限分明的稳定床层，只需要确保能通过换热管从冷却器循环风出口25流出即可完成冷却操作，对控制要求低，显著降低粒径较小粉体物料的冷却难度。

本实施例的具体实施方式为：高温气体自粉体物料进口22进入粉体流化冷却器2的流态化腔室27，循环气体自粉体流化冷却器2的循环风进口21通过布风板26均匀进入流态化强室，分散物料并均匀进入粉体流化冷却器2换热段管程；同时冷却介质自粉体流化冷却器2上端的冷却介质进口23进入管壳式换热段28壳程内，冷却器换热段管程内固体粉料处于类似高速流体的状态，粉料、载气和管壁之间进行充分的热交换，气体和粉料在流动经过管壳式换热段28的过程中已经充分换热，尾气温度接近粉料温度；只需要测得出旋风分离器的尾气温度调节冷却介质的进口阀门开度，就可以精确控制粉料的出料温度，控制回路简单。

实施例2

另一方面，本实施例还提供有一种粉体物料冷却系统，应用上述粉体流化冷却器，如图2所示，该冷却系统包括循环风机1、粉体流化冷却器2、旋风分离器3、布袋除尘器4和粉料输送机；其中，粉体流化冷却器2顶部的循环风出口25与旋风分离器3进口连通，且粉体流化冷却器2的底部循环风进口21与循环风机1出口相连，以使气固两相从粉体流化冷却器2顶部循环风出口25流出后进入旋风分离器3；旋风分离器3的底部为冷却后产品物料出料口，其顶部为尾气出口，且旋风分离器3顶部的尾气出口与布袋除尘器4相连；布袋除尘器4收集超细分后连接至循环风机1进口，以使布袋除尘器4收集的气体作为流化气体循环使用，补气管线设置在循环风机1进口处；在旋风分离器3的底部设置有粉料输送机一5，在布袋除尘器4的底部设置有粉料输送机二6，以使经旋风分离器3和布袋除尘器4底部出料口输出的冷却后的产品物料分别通过粉料输送机一5和粉料输送机二6外送。

由此，本实施例巧妙地将流化技术与换热器技术相结合，利用了少量气体携带高温粉体物料进行流动，使得固体粉料处于类似高速流体的状态下进行充分热交换，固体粉料进入进入粉体流化冷却器2的流化腔室后，被少量空气或惰性气体流态化，并分配进入换热器管程内，流态化的目的是使固体粉料获得与流体相似的性质，整个气固混合相密度均一，便于均匀的输送到每一根换热管中，以针对一些粒径小、易吸潮或易变质、流动性差的粉体物料达到较好的冷却效果，且可显著提高企业经济效益；本实施例以易吸潮、易变质的煅烧电石渣生产活性氧化钙为例，煅烧后的氧化钙温度约700℃，需要冷却到约80℃才能进行包装和运输；以40万吨/年PVC的氯碱厂为例，需要冷却的活性氧化钙量高达50吨/小时，冷却的热负荷高达28210000kJ/hr(7836kW)。如果采用干燥空气进行直接冷却，由于直接冷却基本为并流传热，干燥空气的出口略低于物料出口温度，以干燥空气为20℃，出口温度为80℃计算，将耗费363000Nm³/hr干燥空气(折算为13794kg标油，折算标准采用GB/T50441-2016，下同)，这些干燥空气既作为流态化介质，也是换热介质，冷却后干燥空气温度升高，如果要循环使用，则需要巨大的袋式除尘器和换热器，运行费用高；如果采用循环水进行冷却，则耗费670m³/hr循环水(折算为40.2kg标油)，使用循环水的运行成本大幅降低，因此经过本公开发明人分析可得考虑间接换热的方式进行冷却；可有效避免采用干燥空气直接冷却，其耗能将让电石渣煅烧生产活性氧化钙这个工艺本身就不具有可行性的技术难题。

间接换热中，利用现有冷却器对于颗粒较细，流动性差的粉体物料，因易于架桥堵塞，并不适用；而本实施例冷却系统仅需使用极少量的干空气就可以带动颗粒流动，例如50吨/小时粉料，只需要4000-8000Nm³/hr干燥空气，由于这些空气只是流态化介质，热量则已经在冷却器的换热段传给了循环水，因此只需要经过除尘就可以循环使用；本冷却系统只有循环风机11一台耗能设备，实际的运行费用只有循环风机11消耗的电能，电机功率约10kw，即只消耗10kwh/hr(折算为2.2kg标油)电能，运行成本极低。

尤其对于金属颗粒物、易燃易爆的粉料冷却，则需要使用氮气或氩气等惰性气体，这些气体的成本是干燥空气的几倍甚至几十倍，因此针对需要使用惰性气体进行保护的粉体物料，上述成本优势更加显著，由此本实施例提供的冷却系统针对一些粒径小、易吸潮或易变质、流动性差的粉体物料均可达到较好的冷却效果，可显著提升企业经济效益。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例子而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粉体流化冷却器，其特征在于：该冷却器采用立式安装，其包括

流态化腔室，在所述流态化腔室的侧壁上设置有连通流态化腔室的粉体物料进口并配设有粉料进料阀；在所述流态化腔室的底部设置有布风板，且冷却器的底部设置有循环风进口，冷却器的顶部设置有循环风出口；所述循环风进口位于所述布风板的下方，以使通过所述循环风进口进入冷却器的气体经过所述布风板均匀进入流态化腔室内；

管壳式换热段，所述管壳式换热段位于流态化腔室上部，且所述管壳式换热段的管程为与所述流态化腔室连通的气固两相流通通道，其壳程为冷却介质流通通道并配设有冷却介质进口和冷却介质出口。

2.根据权利要求1所述的粉体流化冷却器，其特征在于：所述布风板至少是双层筛孔式布风板、风帽式布风板或鳃孔式布风板中的一种。

3.根据权利要求1所述的粉体流化冷却器，其特征在于：所述管壳式换热段包括换热管、换热管管板、换热器壳体和位于换热器壳体顶部的封头结构，所述换热管管板安装在换热管壳体的上端和下端，且上端和下端的换热管管板上对应均布有数个圆孔，每个圆孔内均固定有一根连通流态化腔室和封头结构的换热管；所述循环风出口设于所述封头结构顶部，且封头结构与所述换热管壳体采用法兰连接或焊接，以使流态化腔室内的气固两相经换热管进入封头结构内并由位于封头结构顶部的所述循环风出口流出。

4.根据权利要求3所述的粉体流化冷却器，其特征在于：所述循环风进口位于所述布风板的正下方，且设置有布风板结构的流态化腔室位于所述换热管管板的正下方。

5.根据权利要求4所述的粉体流化冷却器，其特征在于：所述管壳式换热段壳程内的冷却介质至少是空气、水、导热油、辛烷或庚烷中的一种。

6.根据权利要求5所述的粉体流化冷却器，其特征在于：所述壳程内的冷却介质与所述管程内的气固两相流动方向相反。

7.根据权利要求6所述的粉体流化冷却器，其特征在于：所述管壳式换热段壳程上设置有膨胀节，用以消除因管程温度高于壳程温度而产生的温差应力。

8.根据权利要求1-7任一项所述的粉体流化冷却器，其特征在于：所述冷却介质进口配置有调节阀，所述调节阀的阀门开度被配置为根据自所述循环风出口流出的气固两相出料温度确定调节。

9.根据权利要求8所述的粉体流化冷却器，其特征在于：所述冷却器的循环风进口配设有循环管线，冷却后的气固两相经分离后获得的气体通过循环管线进入所述流态化腔室内。

10.根据权利要求9所述的粉体流化冷却器，其特征在于：所述循环管线上增设有补气管线，所述补气管线被配置为当循环气压力低于设定值时则进行补充气体。

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