一种可规模放大的颗粒多床循环和气密流化床结构

摘要

本发明公开了一种可规模放大的颗粒多床循环和气密流化床结构，包括箱体，所述的箱体在高度方向分为内床和外床，内床在水平方向上划分成多个流化区间和至少一个分离区间，分离区间内安装有与流化区间数量相一致的颗粒分离设备，还包括与流化区间数量相一致的颗粒流动室，颗粒流动室以跨越流化区间与分离区间的方式布置在内床底部，一个流化区间上部依次经颗粒分离设备、颗粒流动室与另一流化区间下部相连构成气路相互密闭的颗粒循环通道。本发明解决了颗粒在多床循环方式下，循环气路相互密闭的问题，并不受操作温度、压力、物料的限制，也不受气固、液固系统的限制，广泛适用于能源转化、化学工程、矿产冶金和环境治理等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及流化床反应器，具体涉及一种可实现规模放大、颗粒多床循环、气路相互密闭的流化床结构，可以广泛应用于能源转化、化学工程、矿产冶金和环境治理等领域。

背景技术

能源转化、化学工程、矿产冶金和环境治理是支撑一个国家工业基础的重大产业，过程排放对周边生态环境影响显著，为改变这些现状，将涉及大量的共性问题，如污染物分离控制问题等，传统的分离控制过程能耗高、资源浪费大、且使产业、企业的处理负担加重。

在能源领域，煤、含碳固废的燃烧发电，将产生大量的二氧化碳，其向大气的排放是全球气候变化的主因，目前解决的方案是采用纯氧燃烧或化学链燃烧，后者即采用双床操作、以金属载氧体完成氧气传递、提纯可妥善处理的纯二氧化碳，该工艺能效最高、过程经济性最好。氢能是目前广泛接受的清洁能源，可以采用电解水、化学链循环电、或热转化将水原料产氢，要求产出的氢气纯净，否则影响下游的利用和排放。普遍而言，化学链循环的方式不仅可以直接控制二氧化碳等污染产物、获得清洁能源，同时也是提效现有能源转化的有力手段。控制二氧化碳一般需要双床颗粒循环操作，而制氢则需更进一步，使用三床颗粒循环操作，对过程工艺、控制要求更高。其它利用场合还包括循环流化床燃烧、循环流化床气化、石油催化裂化、石油及天然气催化重整等场合。

目前化学链循环系统主要以连接的多体、多床流化床的形式实现，由于过程处于发展之初、尚未有工业化应用的实例，研究处于实验室或中试，许多基本构型设计都没有考虑后继工程放大、以及最终工业化，这会带来后继工程与初始研发之间的鸿沟。另外前述的应用背景提示对颗粒流动、多路气体或液体之间的密闭，传统的颗粒循环型流化床基本是高径比很大的立式床型，可能带来的问题即所需供气或供液压头或能耗很高，因此需要探索低的高径比的新床型，解决涉及设备的能耗和压头问题。

发明内容

本发明提供一种可规模放大的颗粒多床循环和气密流化床结构，与传统的立式循环流化床相比，具有拓展性好、高径比小、系统动力消耗低的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可规模放大的颗粒多床循环和气密流化床结构，包括箱体，所述的箱体在高度方向分为内床和外床，内床在水平方向上划分成多个流化区间和至少一个分离区间，分离区间内安装有与流化区间数量相一致的颗粒分离设备，还包括与流化区间数量相一致的颗粒流动室，颗粒流动室以跨越流化区间与分离区间的方式布置在内床底部，一个流化区间上部依次经颗粒分离设备、颗粒流动室与另一流化区间下部相连，构成气路相互密闭的颗粒循环通道。

作为本发明的一种改进，所述的外床位于内床下方，外床在水平方向上划分成多个原料气或液室和多个分隔气或液室，原料气或液室与流化区间一一对应连通，分隔气或液室与颗粒流动室一一对应连通。

进一步地，所述的原料气或液室与流化区间之间、以及分隔气或液室与颗粒流动室之间均设有气体或液体分布板。

进一步地，所述的原料气或液室和分隔气或液室通入的气体或液体相同。

进一步地，所述的原料气或液室和分隔气或液室通入的气体或液体不同。

作为本发明的一种改进，所述的颗粒分离设备为旋风分离器。

作为本发明的一种改进，所述的颗粒流动室顶面设有向下延伸且与颗粒流动室底面相隔一段距离的隔板，隔板的设置方向与流化区间和分离区间的分区墙重合或平行。

进一步地，所述的颗粒流动室位于分离区间的顶面与颗粒分离设备的回料管相连通，颗粒流动室位于流化区间的侧面上部设有开口。

与现有技术对比，本发明的优点在于：

1、本发明的流化床结构，床体可沿水平方向拓展任意多床结构，可同时适用于小、中、大型等不同流化床反应器的构建，在相同规模下，流化床的高径比可以设计的更小，从而使得系统动力消耗更小。

2、本发明的颗粒流动室，接收来自颗粒分离设备的颗粒物料、并将颗粒物料送返气固或液固流化空间，其本身的空间大小设置可以使其内颗粒物料有一定的存储，以适应、协调系统全局颗粒输送的平衡，同时通过合理设置气固或液固流化空间连通处压力、颗粒分离设备回料管管径、颗粒体系的流化速度，可以隔绝两侧气体或液体的联通，使得循环通道的各流化空间的气路相互密闭。

3、本发明的流化床结构，不受操作温度、压力、物料的限制，同时适用于任意气固或液固系统，广泛适用于能源转化、化学工程、矿产冶金和环境治理等诸多领域。

附图说明

图1为本发明实施例的颗粒多床循环流化床结构俯向示意图，以三床为例进行说明；

图2为本发明实施例的颗粒多床循环流化床结构正向示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本实施例的一种可规模放大的颗粒多床循环和气密流化床结构，呈水平或卧式布置，构型在高度方向上分为上部的内床和下部的外床，在水平横截面方向上又划分多个区间。

内床的划分按功能包括三个部分，3个气固或液固流化空间(1a、1b、1c)、2个气固或液固分离空间(2a、2b)、以及3个颗粒流动室(3a、3b、3c)。

外床的划分成与内床一一对应，气固或液固流化空间对应原料气或液室，颗粒流动室对应分隔气或液室，具体到图2中，包括原料气或液室(4a、4c)、分隔气或液室5c。

外床的各腔室与内床相对应的各空间之间由气体或液体分布板6分隔，可以优化气体或液体入床内流化颗粒的均匀性，气体或液体分布板6可以是气帽或液帽或直接呈多孔型，对相应的气体或液体产生至少高于床内颗粒层的压力，气体或液体分布板6可使气体或液体流通，但颗粒不可以流通。

原料气或液与分隔气或液可以相同、也可以完全不同，视实际的反应及现场布置决定。

内床中，气固或液固流化空间(1a、1b、1c)是提供在气体或液体作用下固体颗粒处于流态化的场所，与气固或液固分离空间(2a、2b)通过分区墙7相互隔开，并通过分区墙7上部的开口(8a、8b、8c)相连通，使气体(或液体)和固体颗粒同时流通。

气固或液固分离空间(2a、2b)安置了气固或液固分离设备(9a、9b、9c)，气固或液固分离可以采用旋风分离器实现、但不局限于旋风分离器结构，其它可能分离系统构型可以是斜面沉降、速差沉降等，但绝不可以是有阻断颗粒流动的过滤型式。

颗粒流动室(3a、3b、3c)位于内床底部，跨越需要连接的气固或液固流化空间(1a、1b、1c)和气固或液固分离空间(2a、2b)，颗粒流动室(3a、3b、3c)室内有设置在中间的隔板10，隔板10封闭至颗粒流动室的顶部、但对其底部开放，可使颗粒在隔板10两侧空间中任意流动。本实施例中，隔板5与分区墙7位置重合。

在颗粒流动室(3a、3b、3c)内，循环颗粒由气固或液固分离设备(9a、9b、9c)的回料管进入其隔板10一侧的空间，再由其连通的底部开口进入另一侧空间，最终由该侧空间接近顶部的侧面开口返回相连的气固或液固流化空间(1a、1b、1c)。

本发明的颗粒流动室(3a、3b、3c)主要起三个作用：

1)可以接收来自气固或液固分离设备(9a、9b、9c)的颗粒物料、并将颗粒物料送至与其相连的气固或液固流化空间(1a、1b、1c)；

2)其本身的空间大小设置可以使其内颗粒物料有一定的存储，以适应、协调系统全局颗粒输送的平衡；

3)同时自身操作产生的压头可以实现隔绝两侧气体或液体的联通，其设置位置取决于气固或液固流化空间(1a、1b、1c)连通处压力、气固或液固分离设备(9a、9b、9c)回料管管径、采用的颗粒体系的最大流化速度。其基本原理是转悠一路气体或液体造成其内颗粒流化，产生压力抵抗其连接的两侧设备的压力，同时其内颗粒的流态化可以实现颗粒自由的流入、送出。

请参看图1，气固或液固流化空间(1a、1b、1c)、气固或液固分离空间(2a、2b)以及颗粒流动室(3a、3b、3c)连接关系为：

气固或液固流化空间1a上部与气固或液固分离空间2a内的气固或液固分离设备9a入口相连，气固或液固分离设备9a的出料管与颗粒流动室3a一侧顶面相连，颗粒流动室3a另一侧的开口与气固或液固流化空间1b下部相连通；气固或液固流化空间1b上部与气固或液固分离空间2a内的气固或液固分离设备9b入口相连，气固或液固分离设备9b的出料管与颗粒流动室3b一侧顶面相连，颗粒流动室3b另一侧的开口与气固或液固流化空间1c下部相连通；气固或液固流化空间1c上部与气固或液固分离空间2b内的气固或液固分离设备9c入口相连，气固或液固分离设备9c的出料管与颗粒流动室3c一侧顶面相连，颗粒流动室3c另一侧的开口与气固或液固流化空间1a下部相连通，构成循环回路。

容易理解的是，虽然本实施例具有3个流化空间，2个分离空间，但是流化空间和分离空间的具体划分可以根据实际需要进行拓展，例如，可以只设置1个分离空间，里面安装4台分离设备，就可以在分离空间外部分布4个流化空间，构成循环回路。

本发明的颗粒在其行程中处于的状态如下：在气固或液固流化空间(1a、1b、1c)，由来自各自底部的原料气或液室的气体或液体而处于鼓泡、或湍动或快速流动状态；在气固或液固分离设备(9a、9b、9c)中处于贴壁滑落运动，在回料管中处于正压状态或负压状态的下落流动；在颗粒流动室(3a、3b、3c)，由来自各自底部的分隔气或液的气体或液体而处于鼓泡或湍动流化状态。

本发明的气体或液体流程如下：原料气体或液体由相应的原料气或液室进入相应的流化空间，向上流动至分离设备，进入排气管和后继处理设备，而分隔气或液室的分隔气体或液体则进入流化空间与原料气体或液体混合。

本发明的流化床结构可以以如下形式构建、建设：任意截面(可以是正方形、矩形或圆形等)的金属(主要为碳钢)箱体，该箱体主要防止系统气体，液体泄漏；该金属箱体可由支撑框架抬高，与地面保持一定距离，方便管线的接入及其它不可预料的设备接入；在箱体四周铺设保温材料和耐火材料。进一步在金属箱体内靠近底部水平安置气体或液体分布板，在分布板上砌以耐火砖砌墙、分割横截面，注意砌墙需要留下预定开口；随后安置用于气体或液体密闭的颗粒流动室以及分离设备，颗粒流动室以及分离设备的材质可以是耐火或直接式金属，视具体需求定，然后连接颗粒流动室以及分离设备之间的回料管和其它各种接口。最后将包括了预定出气或出液管线接口的顶盖加耐火材料封顶。

综上所述，本发明的流化床结构具有以下突出特点：

本发明的第一个突出特点是多床循环流化床构型充分考虑了研发与未来工业化规模以及实现需求的对接，设计构型可同时适用于小、中、大型等不同流化床规模中，都可以以相同的设计构型构建，并可以直接复制成为工业化的流化床反应器构型，任意中间阶段不再需要结构转型，因此大大降低工程研发、放大问题。

本发明的第二个突出特点是双床、三床、乃至更多床体的连接也可进行简单的拓展实现、拓展思路和实际可事实构型非常明确。

本发明的第三个突出特点是与任意现有的、传统的立式循环流化床的突出不同，体现在涉及装置结构的高径比更小、系统动力消耗更小，不会再后继设备放大时恶化过程能耗、压头超过现有商业供应能力。

本发明的第四个突出特点是该多床颗粒循环流化床的构型不受操作温度、压力、物料的限制，同时适用于任意气固或液固系统。本发明广泛适用于能源转化、化学工程、矿产冶金和环境治理等诸多领域。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。