專利名稱：四點充氣結構使用b類顆粒的高密度循環(huán)流化床裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及清潔能源技術領域，是一種四點充氣結構使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床裝置。
背景技術：
高密度循環(huán)流化床是近年來在國際上發(fā)展起來的新一代高效、低污染的清潔能源技術，可以在較高的操作氣速和固體通量下運行，具有床內(nèi)顆粒密度高、氣固混合強、處理量大、應用范圍廣的特點。然而，目前針對高密度循環(huán)流化床的研究表明，由于床內(nèi)較高的顆粒濃度，提升管內(nèi)顆粒的流動不均勻，尤其在提升管底部和具有強約束出口結構的提升管頂部區(qū)域，徑向和軸向的不均勻性更加明顯。這種不均勻性嚴重影響氣固兩相的充分混合和床內(nèi)的傳熱傳質(zhì)效率，降低燃料的轉(zhuǎn)化率和利用率，并對裝置的安全運行帶來隱患。
通過文獻調(diào)研，國內(nèi)外一些學者對高密度循環(huán)流化床系統(tǒng)的實驗研究做了許多工作，也獲得了具有借鑒意義的結論，但以前的研究多是針對化工領域石油催化裂化使用的微小A類固體顆粒設計的，對使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床的研究還需要深入。此外，在現(xiàn)有的實驗技術或裝置中還未查到在提升管底部，或在具有強約束出口結構的提升管頂部設置充氣點的報導。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種四點充氣結構使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床裝置，針對使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床的研究，在顆粒聚團現(xiàn)象嚴重的提升管底部和頂部，設置充氣點，來減弱顆粒流動的團聚現(xiàn)象，以提高氣固兩相流動的均勻性和穩(wěn)定性，及燃料的轉(zhuǎn)化率和利用率，保證裝置的安全運行。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是:
一種四點充氣結構使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床裝置，旋風分離器上端為出口，下端沿中軸線固接下料料管，下料料管底端為J閥返料器，提升管與旋風分離器、下料料管平行垂直設置；提升管上端為強約束出口結構，經(jīng)水平管道與旋風分離器上部側壁固接，并內(nèi)腔相通連，提升管下端經(jīng)斜向管道與J閥返料器側壁固接，并內(nèi)腔相通連；提升管底端有布風板；
其在提升管下部側壁上設有三個不對稱分布的充氣點:一級充氣點在最下方，位于斜向管道在提升管側的出口上方相對的外側壁上，三級充氣點位于提升管外側側壁上，距下端四分之一處，二級充氣點在提升管內(nèi)側側壁上，垂直向位于一級、三級充氣點之間；
在提升管上端頂壁設有四級充氣點；
兩空壓機，第一空壓機的輸出口經(jīng)多根管道分別與一級、二級、三級、四級充氣點相連通，每根管道中設有一手動閥；第二空壓機的輸出口經(jīng)兩根管道分別與提升管底端的布風板、下料料管底端的J閥返料器相通連，每根管道中設有一手動 閥；
測試系統(tǒng)包括多個壓力傳感器、多個溫度傳感器、多個質(zhì)量流量計，壓力傳感器、溫度傳感器、質(zhì)量流量計分別設于側壁、管道上，并通過各自的變送模塊與工控機電連接。
所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其所述一級、二級、三級、四級充氣點，其中，一級充氣點的充嘴斜向上設置，與水平方向成ω角，58° < ω <62° ; 二級、三級、四級充氣點的充嘴斜向下設置；二級充氣點充嘴與水平方向成β角，43° < β <46° ;三級充氣點充嘴與水平方向成Θ角，28° < Θ <32° ;四級充氣點充嘴與水平方向成α角，28° < α< 32°。
所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其所述提升管下端的斜向管道，在提升管側的出口高于J閥返料器側的入口。
所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其所述提升管、下料料管、J閥返料器，是有機玻璃材料制作，旋風分離器、布風板為鋼材制作；布風板上設有均勻分布的多個風孔，風孔孔徑為 8mm < Φ < 10mnin
所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其工作過程如下:
a)首先，將固體床料加入下料料管、J閥返料器中，打開第二空壓機；
b)打開手動閥，一路壓縮空氣通過進氣管道和布風板進入提升管內(nèi)，一部分氣體通過進氣管道進入J閥返 料器底部；
c)打開第一空壓機，待在提升管上安裝的壓力傳感器監(jiān)測提升管內(nèi)的總壓降達到一定指標AP-時，調(diào)節(jié)四個充氣點前的手動閥，使四路壓縮空氣分別通過進氣管道進入提升管;
d)通過各個壓力測量點的壓力，計算得到提升管內(nèi)固體床料分布情況，然后通過計算分析調(diào)整兩空壓機氣量來實現(xiàn)所需工況；
e)同時通過觀察提升管內(nèi)的流動情況，對使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床內(nèi)兩相流流動特點和機理進行分析總結。
所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其所述c)步中一定指標ΛΡ。一由公式ΛΡ =esppgAh確定，其中Λ P是壓降、es是固體顆粒在床內(nèi)的平均體積分率、Pp是顆粒密度、g是重力加速度、Ah是高度，按照高密度循環(huán)流化床的定義，當ε s = 10%時，提升管內(nèi)的氣固流動達到高密度循環(huán)流化床的要求，以估算出這個條件下的提升管總壓降APtotal，取APope = 0.5 APtotalo
所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其所述d)步中實現(xiàn)所需工況，為調(diào)整各個充氣點的充氣量，監(jiān)測各個壓力測點的壓降值，達到如下標準時即實現(xiàn)了所需的工況:(1)由公式ε s = p pg Λ P/ Λ h計算得到固體顆粒在床內(nèi)的平均體積分率達到10% ;⑵充氣點7和充氣點5之間的壓降記為Λ P5_7，滿足范圍:0.15 Λ Ptotal < ΔΡ5_7< 0.4APtotal ；(3)由公式Gs=P PAspmHspuyAft，其中，Gs為固體通量、Aspur為下料管的面積、Hspur為測量高度、Af為提升管的面積、t為測量時間，計算得到的Gs > 200 kg/(m2.s)。
本發(fā)明這種四點充氣的結構設計，能夠較好的解決顆粒聚團，顆粒流動不均勻的問題。
本發(fā)明裝置結構簡單、操作方便?？梢暂^好的解決高密度循環(huán)流化床提升管底部顆粒濃度較高，顆粒流動不均勻；以及使用強約束出口的提升管頂部顆粒聚團，顆粒流動不均勻的問題。
本發(fā)明依托國家“863計劃”能源領域重大項目-以煤氣化為基礎的多聯(lián)產(chǎn)示范工程以及國家自然科學基金項目-輸運床煤氣化爐內(nèi)氣固流動規(guī)律及氣化反應機制的研究的支持。其氣化爐使用B類顆粒，通過反應器內(nèi)的高固體濃度和高固體通量，實現(xiàn)高效的氣固混合、傳熱傳質(zhì)、化學反應過程。該技術適用于我國儲量巨大且目前技術難以有效利用的低階煤和劣質(zhì)煤，同時具有高效率、低成本和維護簡單等特點，是先進氣化技術發(fā)展的重要方向。


圖1為本發(fā)明一種四點充氣結構使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床裝置結構示意圖；圖中:
空壓機1、14 ；壓力傳感器2 ；溫度傳感器3 ；
質(zhì)量流量計4 ；一級充氣點5 ；布風板6 ；
三級充氣點7 ；提升管8 ；四級充氣點9 ；
旋風分離器10;下料料管11;J閥返料器12;
二級充氣點13 ；手動閥15。
具體實施方式
見圖1，為本發(fā)明一種四點充氣結構使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床裝置，由供氣系統(tǒng)、主床系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、返料系統(tǒng)和測試系統(tǒng)構成。包括:兩空壓機1、14、多個手動閥15、多個壓力傳感器2、多個溫度傳感器3、多個質(zhì)量流量計4、布風板6、提升管8、旋風分離器10、下料料管11、J閥返料器12。其中，在使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床的提升管8底部，不對稱分布三個充氣點，在提升管8頂部強約束出口的上部，布置一個充氣點。其中高密度循環(huán)流化床按照Grace等(參考文獻為:J.R.Grace, A.S.1ssangya, D.Ba1.Situatingthe high-density circulating fluidized bed[J].AIChE J.,1999,45(10):2108-2116.)提出的標準來定義，即:單位床層截面的固體通量Gs大于200kg/(m2.s);固體顆粒在床內(nèi)的平均體積分率es大于10%。
供氣系統(tǒng)由第一空壓機I和第二空壓機14構成，其中第一空壓機I提供四個充氣點5、7、9和13的氣源，第二空壓機14提供提升管8和J閥返料器12的氣源。使用第一、第二兩個空壓機1、14分別供給四點充氣的氣源和提升管及返料器的氣源，可以減少由于調(diào)節(jié)氣量引起的系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的情況。主床系統(tǒng)由布風板6與提升管8構成。布風板6的材質(zhì)為鋼板，在布風板 6上設有均勻分布的多個風孔。布風板6 —方面使進入提升管8的壓縮空氣分布均勻，另外由于布風板6的開孔較小(8mm < Φ < 10mm),氣體通過風孔進入提升管8的速度增大，可以起到防止固體物料回落堵塞氣源的作用。提升管8的材質(zhì)為有機玻璃，為的是方便觀察物料在管內(nèi)的流動情況。提升管8主要作用是作為兩相流動的通道，同時密相輸運也是在提升管8內(nèi)實現(xiàn)的。在提升管8靠近J閥返料器12的一側布置一個與水平方向成β角(43° < β <46° )的斜向下的二級充氣點13。在提升管的另一側布置兩個充氣點:一級充氣點5和三級充氣點7，其中一級充氣點5與水平方向成ω角(58° < ω <62° )斜向上布置，三級充氣點7與水平方向成Θ角(28° < Θ < 32° )斜向下布置，并且二級充氣點13布置在一級充氣點5和三級7之間。這種結構可以起到如下作用:當顆粒從J閥返料器12進入提升管8時，大量顆粒在提升管8底部停留甚至堆積，由一級充氣點5噴出的氣流一方面將顆粒吹散，促進氣固接觸，加強氣固兩相的動量交換，對顆粒運動進行第一次均勻化處理。另一方面斜向上的氣流配合提升管8的主床風攜帶更多的顆粒向上運動。當顆粒運動到達二級充氣點13的高度時，二級充氣點13噴出的斜向下氣流將與顆粒發(fā)生激烈充分的動量交換，將部分小的顆粒團打散，顆粒的運動經(jīng)歷第二次均勻化處理。當顆粒運動到提升管高度1/4處時，在此處布置的三級充氣點7將對顆粒的運動進行第三次均勻化處理。此外，將三級充氣點7和二級充氣點13設計成斜向下的結構，可以緩和提升管8下部顆粒的高速運動，減弱顆粒的團聚作用，增大顆粒在床內(nèi)的停留時間，進而加強兩相的充分混合和床內(nèi)的傳熱傳質(zhì)，促進燃料的充分反應，提高轉(zhuǎn)化率和利用率。為了解決強約束出口結構產(chǎn)生的顆粒聚集的問題，在本發(fā)明裝置的提升管(8)頂部設計了與水平方向成α角(28° < α <32° )且朝向旋風分離器10的斜向下式四級充氣點9，這種結構有三個作用:一方面起到減弱頂部顆粒團聚的作用，一方面盡量降低向下充氣產(chǎn)生的顆粒及氣體動能的損失，最后為顆粒向旋風分離器10運動增加助力。氣固分離系統(tǒng)由旋風分離器10構成，由于顆粒的快速渦旋運動，旋風分離器10磨損嚴重，材料選用鋼板以增加使用壽命。返料系統(tǒng)由下料料管11和J閥返料器12構成。下料料管11和J閥返料器12的材料是有機玻璃，以便觀察其內(nèi)的顆粒流動特征。測試系統(tǒng)主要對壓力、溫度、氣體流量進行測量。其中壓力、溫度和氣體流量的測量分別是通過壓力傳感器2、轉(zhuǎn)子質(zhì)量流量計4和溫度傳感器3實現(xiàn)的，并且通過各自的變送模塊與工控機(圖中沒示出)相連，實現(xiàn)實時顯示。此外，通過控制手·動閥15來獲得需要的氣體流量。
該本發(fā)明裝置的工作過程:
首先，將一定量的固體床料加入下料料管11和J閥返料器12中。打開空壓機14，打開手動閥15，一路壓縮空氣通過進氣管道和布風板6進入提升管8內(nèi)，一部分氣體通過進氣管道進入J閥返料器12底部。打開空壓機1，待在提升管上安裝的壓力傳感器監(jiān)測提升管內(nèi)壓降達到一定指標時，調(diào)節(jié)四個充氣點前的手動閥15，四路壓縮空氣分別通過進氣管道進入提升管8。在實驗過程中，通過各個壓力測量點的壓力，得到提升管8內(nèi)的固體床料分布情況，然后通過計算分析調(diào)整兩空壓機1、14氣量來實現(xiàn)所需工況，并通過觀察提升管8內(nèi)的流動情況，對使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床內(nèi)兩相流流動特點和機理進行分析總結。
權利要求
1.一種四點充氣結構使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床裝置，旋風分離器上端為出口，下端沿中軸線固接下料料管，下料料管底端為J閥返料器，提升管與旋風分離器、下料料管平行垂直設置；提升管上端為強約束出口結構，經(jīng)水平管道與旋風分離器上部側壁固接，并內(nèi)腔相通連，提升管下端經(jīng)斜向管道與J閥返料器側壁固接，并內(nèi)腔相通連；提升管底端有布風板；其特征在于， 在提升管下部側壁上設有三個不對稱分布的充氣點:一級充氣點在最下方，位于斜向管道在提升管側的出口上方相對的外側壁上，三級充氣點位于提升管外側側壁上，距下端四分之一處，二級充氣點在提升管內(nèi)側側壁上，垂直向位于一級、三級充氣點之間； 在提升管上端頂壁設有四級充氣點； 兩空壓機，第一空壓機的輸出口經(jīng)多根管道分別與一級、二級、三級、四級充氣點相連通，每根管道中設有一手動閥；第二空壓機的輸出口經(jīng)兩根管道分別與提升管底端的布風板、下料料管底端的J閥返料器相通連，每根管道中設有一手動閥； 測試系統(tǒng)包括多個壓力傳感器、多個溫度傳感器、多個質(zhì)量流量計，壓力傳感器、溫度傳感器、質(zhì)量流量計分別設于側壁、管道上，并通過各自的變送模塊與工控機電連接。
2.如權利要求1所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其特征在于，所述一級、二級、三級、四級充氣點，其中，一級充氣點的充嘴斜向上設置，與水平方向成ω角，58° < ω <62° ;二級、三級、四級充氣點的充嘴斜向下設置；二級充氣點充嘴與水平方向成β角，43° < β<46° ;三級充氣點充嘴與水平方向成Θ角，28° < Θ <32° ;四級充氣點充嘴與水平方向成 α 角，28° < α < 32。。
3.如權利要求1所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其特征在于，所述提升管下端的斜向管道，在提升管側的出口高于J閥返料器側的入口。
4.如權利要求1所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其特征在于，所述提升管、下料料管、J閥返料器，是有機玻璃材料制作，旋風分離器、布風板為鋼材制作；布風板上設有均勻分布的多個風孔，風孔孔徑為8mm < Φ < 10mm。
5.如權利要求1所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其特征在于，工作過程如下: a)首先，將固體床料加入下料料管、J閥返料器中，打開第二空壓機； b)打開手動閥，一路壓縮空氣通過進氣管道和布風板進入提升管內(nèi)，一部分氣體通過進氣管道進入J閥返料器底部； c)打開第一空壓機，待在提升管上安裝的壓力傳感器監(jiān)測提升管內(nèi)的總壓降達到一定指標AP-時，調(diào)節(jié)四個充氣點前的手動閥，使四路壓縮空氣分別通過進氣管道進入提升管； d)通過各個壓力測量點的壓力，計算得到提升管內(nèi)固體床料分布情況，然后通過計算分析調(diào)整兩空壓機氣量來實現(xiàn)所需工況； e)同時通過觀察提升管內(nèi)的流動情況，對使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床內(nèi)兩相流流動特點和機理進行分析總結。
6.如權利要求5所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其特征在于，所述c)步中一定指標ΔΡ_,由公式ΔΡ = esppgAh確定,其中ΔΡ是壓降、ε s是固體顆粒在床內(nèi)的平均體積分率、P P是顆粒密度、g是重力加速度、△ h是高度，按照高密度循環(huán)流化床的定義，當ε s=10%時，提升管內(nèi)的氣固流動達到高密度循環(huán)流化床的要求，以估算出這個條件下的提升管總壓降APt otal， 取 APope = 0.5 Λ Ptotal。
7.如權利要求5所述的高密度循環(huán)流化床裝置，其特征在于，所述d)步中實現(xiàn)所需工況，為調(diào)整各個充氣點的充氣量，監(jiān)測各個壓力測點的壓降值，達到如下標準時即實現(xiàn)了所需的工況: 1)由公式es=PpgAP/Ah計算得到固體顆粒在床內(nèi)的平均體積分率達到10% ; 2)充氣點7和充氣點5之間的壓降記為ΛΡ5_7，滿足范圍:0.15APt(rtal < ΔΡ5_7<0.4 APtotal5 3)由公式Gs= P PAspmHspuyAft，其中，Gs為固體通量、Aspur為下料管的面積、Hspur為測量高度、Af為提升管的面積、 t為測量時間，計算得到的Gs > 200 kg/(m2.s)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種四點充氣結構使用B類顆粒的高密度循環(huán)流化床裝置，涉及清潔能源技術，實驗臺系統(tǒng)包括供氣系統(tǒng)、主床系統(tǒng)、氣固分離系統(tǒng)、返料系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)主要由空壓機提供。主床系統(tǒng)由布風板與提升管構成。氣固分離系統(tǒng)由旋風分離器構成。返料系統(tǒng)由料腿和J-閥返料器組成。在提升管的底部不對稱分布三個充氣點、在提升管頂部出口處布置一個充氣點?？捎糜谑褂肂類顆粒的高密度循環(huán)流化床的流域特性分析和機理研究。通過調(diào)節(jié)充氣點氣量，使管內(nèi)B類顆粒的流動更加均勻。本發(fā)明裝置結構簡單、操作方便。可以較好的解決高密度循環(huán)流化床提升管底部顆粒濃度較高，顆粒流動不均勻；及使用強約束出口的提升管頂部顆粒聚團，顆粒流動不均勻的問題。
文檔編號C10J3/56GK103184076SQ201110445918
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權日2011年12月28日
發(fā)明者王雪瑤, 徐祥, 肖云漢 申請人:中國科學院工程熱物理研究所