一种颗粒混合物的环形流化床分离器

摘要

本发明涉及一种颗粒混合物的环形流化床分离器。中心提升管的上端伸入环形流化床内部一定高度，使环形流化床分为下部的环形区域和上部的圆柱形区域；在中心提升管和环形流化床的底部分别设有进风口和布风板；在中心提升管底部设有进料口，在环形流化床的环形区域底部设有重颗粒出口与重颗粒收集罐连接，环形流化床顶部的气流出口经旋风分离器连接至轻颗粒收集罐。颗粒混合物在中心提升管内经过快速流态化，进行一次分散；然后随气流上升进入到环形流化床，进行二次分散。该环形流化床分离器在常温或高温的条件下，均可连续快速地对轻重颗粒混合物进行高效率分离。该环形流化床分离器可以耦合进循环流化床反应器系统，并能够连续稳定运行。

说明书

技术领域

本发明属于颗粒混合物分离技术领域，特别涉及一种颗粒混合物的环形流化床分离器。

背景技术

颗粒混合物的分离装置可分为机械类和非机械类。

机械类的分离器，如振筛机等。振筛的原理是利用振动提供分离的能量，通过筛网来分离不同粒径的颗粒，成本低，过程简单，但不能分离两种粒径接近，颗粒密度不一样的颗粒，另外筛分不够充分，长时间振晒，易造成颗粒破碎。其它类型的机械类分离器主要基于颗粒的粒径和密度区别，通过采用离心的方法，将颗粒分离。总体来说，机械类的颗粒分离器不能耐受较高的温度，并且易磨损，且分离不够充分，应用范围有限。

非机械类的颗粒分离装置主要以流化床为主。采用液体为流态介质的流化床已经应用矿石浮选及洗煤等过程中，其分离过程较慢并且只能在常温下进行[Olivieri G,Marzocchella A,Salatino P.A fluid-bed continuous classifier of polydisperse granular solids[J].Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers,2009,40(6):638-644.]。采用空气和重介质颗粒为流化介质，可以对煤矿等进行干法浮选[Tang L G,Zhao Y M,Luo Z F,et al.The Effect of Fine Coal Particles on the Performance of Gas–Solid Fluidized Beds[J].International Journal of Coal Preparation&Utilization,2009,29(5):265-278.]，但难以应用于类似于化学链燃烧的颗粒连续分离过程。另外，上述采用流化床的分离方法，均是在密相区中发生分离，由于颗粒之间的碰撞作用，总有一部分轻颗粒被重颗粒夹带，造成轻颗粒的分离效率不高[1.Sun H,Cheng M,Chen D,et al.Experimental Study of a Carbon Stripper in Solid Fuel Chemical Looping Combustion[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2015,54(35):8743-8753.2.Sun H,Cheng M,Li Z,et al.Riser-Based Carbon Stripper for Coal-Fueled Chemical Looping Combustion[J].INDUSTRIAL&ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH,2016,55(8):2381-2390.]。

空气分级器已经被广泛地研究和应用[Shapiro M,Galperin V.Air classification of solid particles:a review[J].Chemical Engineering and Processing:Process Intensification,2005,44(2):279-285.]。主要采用重力场或离心力场，并通过气固之间的曳力，对不同粒径或密度的颗粒进行分离。其分离过程仍然存在着颗粒分离效率不高的问题，主要原因是在分级器中颗粒群未充分分散，颗粒之间的碰撞较为剧烈，从而降低了分级器的分离效果。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种颗粒混合物的环形流化床分离器。

该环形流化床分离器，中心提升管1的上端伸入环形流化床2内部一定高度，使环形流化床2分为下部的环形区域101和上部的圆柱形区域102；在中心提升管1和环形流化床2的底部分别设有中心提升管进风口11和环形流化床进风口13，并在中心提升管1和环形流化床2内部，位于各自的进风口上方分别设有中心提升管布风板12和环形流化床布风板14；

在中心提升管1底部，位于中心提升管布风板12上方一定高度设有进料口5，供料罐6依次经过截止阀7和球形阀8连接至进料口5；

在环形流化床2的环形区域101底部，位于环形流化床布风板14上方一定高度设有重颗粒出口3，所述重颗粒出口3与重颗粒收集罐4连接；

环形流化床2的顶部为气流出口，连接至旋风分离器9，所述旋风分离器9的颗粒出口连接至轻颗粒收集罐10；

该分离器由空气压缩机15提供气量，并通过气体流量计19对气速进行控制。

所述中心提升管1的上端伸入环形流化床2内部的方式为：依次经过环形流化床2的底面及环形流化床布风板14进入；或经过环形流化床布风板14上方的环形流化床2侧壁进入。

所述空气压缩机15提供的压缩空气依次经过压缩空气储罐16、空气净化器17和减压阀18后分为两路，该两路压缩空气分别通过气体流量计19连接至中心提升管进风口11和环形流化床进风口13。

该环形流化床分离器分离颗粒混合物方法为：

(1)采用中心提升管1对颗粒群进行一次分散：颗粒混合物由进料口5进入中心提升管1，形成快速流化床，颗粒混合物经过快速流态化，进行一次分散。

(2)颗粒群随气流上升进入到空间较大的环形流化床2，进行二次分散：颗粒群由中心提升管1的上端出口喷出，形成类似于“喷泉”的形状，进入圆柱形区域102。一部分颗粒被气体携带或通过惯性作用上升，在圆柱形区域102中形成稀相区，在稀相区中，重颗粒和轻颗粒通过重力与气固曳力的作用进行分离，重颗粒依靠自身重力落入环形区域101，轻颗粒随气流上升。另外一部分颗粒则在重力或碰撞的作用下，落入环形区域101；在环形区域101内，靠近两壁面的区域，重颗粒浓度较大，形成一个类似于环形的结构，颗粒群向下流动至环形区域101的底部；两壁面之间的中心区域，轻颗粒浓度较大，形成上述环形结构的中心，该中心区域中的重颗粒和轻颗粒通过重力与气固曳力的作用进行分离，轻颗粒随气流上升，重颗粒由于自身重力下降至环形区域101的底部；在环形区域101的底部，颗粒团有一定的停留时间，并在该底部区域经历破碎过程，轻颗粒在该过程中与重颗粒分离，重颗粒由重颗粒出口3出料，由重颗粒收集罐4收集，轻颗粒则被气体携带上升。

轻颗粒被气流携带上升至环形流化床2顶部的气流出口，进入旋风分离器9，使轻颗粒与气体分离，并被轻颗粒收集罐10收集。

优选地，中心提升管1的气速u₁＝(2～5)u_t,H；环形流化床2中的气速选择为：环形区域101的气速u₂＝(0.8～1)u_t,H；圆柱形区域102的气速u₃＝(0.8～1)u_t,H；其中u_t,H为重颗粒的终端速度。环形流化床2中选择的气速接近重颗粒的终端速度，目的是最大化轻颗粒的分离，并同时避免重颗粒被气体携带进入上部的量。

上述一种颗粒混合物的环形流化床分离器在有轻重两种颗粒参与的气固反应器系统中的应用。

基于上述一种颗粒混合物的环形流化床分离器，本发明提供了一种轻重两种颗粒参与的气固反应器系统：

中心提升管1的上端垂直伸入环形流化床2内部一定高度，使环形流化床2分为下部的环形区域101和上部的圆柱形区域102；中心提升管1的下端与缓冲罐21连接，缓冲罐21的进料口通过连接管与反应器20的固相出口连通；环形流化床2顶部的气流出口与反应器20的顶部连通，反应器20上端侧壁气流出口与第一个旋风分离器9连接，该旋风分离器9的颗粒出口通过U型返料阀23连通至反应器20侧壁的轻颗粒返料口；

在环形流化床2的环形区域101底部，位于环形流化床布风板14上方设有重颗粒出口3，重颗粒出口3通过U型返料阀23与再生器22的进料口连通；再生器22顶部出口与提升管26连接，提升管26的顶部出口与第二个旋风分离器9连接，该旋风分离器9的颗粒出口通过U型返料阀23连通至反应器20侧壁的重颗粒返料口；

在反应器20、再生器22、缓冲罐21、中心提升管1、环形流化床2以及各U型返料阀23的底部分别设有进风口，并在反应器20、再生器22、缓冲罐21、环形流化床2以及各U型返料阀23的内部，位于各自的进风口上方分别设有布风板。

该气固反应器系统的进气种类根据应用背景决定。

本发明的有益效果为：

1.采用环形流化床结合中心提升管作为轻重颗粒的分离装置，并通过控制环形流化床中气固流态结构，调控颗粒的受力，从而达到对颗粒高效地分离。

2.采用一定长度的中心提升管，将物料快速流态化，极大提高了颗粒之间的分散情况，为颗粒群在环形流化床中的分离打下了良好基础。另外分散的物料进入环形流化床中的环形区域中进一步分离。在环形区域中，靠近壁面的重颗粒浓度较大，在两壁面之间的中心区域轻颗粒浓度较大，从而大大降低了颗粒之间的碰撞作用，进而分离效率较高。以及在环形区域底部，轻颗粒浓度明显减小，颗粒团在该底部区域停留一段时间进行碰撞破碎后，进行轻重颗粒的分离。这是与传统的流化床分离颗粒(床料量多，颗粒分离处于密相区)最显著的区别。

3.通过对环形流化床、中心提升管的气速控制，以及优化相应的结构尺寸，实现对气固两相流态结构的调控。其中环形流化床的设计气速接近重颗粒的终端速度，大大提高了轻颗粒的分离效率。

4.在常温或高温(850-950℃)的条件下，该环形流化床分离器均可连续快速地对轻重颗粒混合物进行高效率分离，可广泛应用于矿石浮选，去除矿石中的杂质颗粒，得到精矿；煤的浮选，去除煤中的矿物质，初步脱硫并富集有机质。

5.该环形流化床分离器可以耦合进循环流化床反应器系统，并能够连续稳定运行。将本装置应用于两种颗粒参与的气固反应过程，如固体燃料化学链燃烧/气化过程中载氧体颗粒与燃料颗粒的连续快速分离、吸收增强式CO水气变换反应过程中催化剂颗粒与吸收剂颗粒的连续快速分离、吸收增强式甲烷水蒸气重整制取氢气反应过程中催化剂颗粒与吸收剂颗粒的连续快速分离。

附图说明

图1为一种颗粒混合物的环形流化床分离器的示意图。

图2为一种颗粒混合物的环形流化床分离器的工作原理示意图。

图3为环形流化床中颗粒群分布状态图。

图4为颗粒混合物质量流率对(a)塑料颗粒分离效率、(b)钛铁矿颗粒分离效率和(c)颗粒混合物分离程度的影响。

图5为一种颗粒混合物的环形流化床分离器应用于气固反应器系统的示意图。

标号说明：

1-中心提升管2-环形流化床

3-重颗粒出口4-重颗粒收集罐

5-进料口6-供料罐

7-截止阀8-球形阀

9-旋风分离器10-轻颗粒收集罐

11-中心提升管进风口 12-中心提升管布风板

13-环形流化床进风口 14-环形流化床布风板

15-空气压缩机 16-压缩空气储罐

17-空气净化器 18-减压阀

19-气体流量计 20-反应器

21-缓冲罐 22-再生器

23-U型返料阀24-进气口

25-布风板 26-提升管

101-环形区域102-圆柱形区域

F_d,H-重颗粒所受气固曳力F_d,L-轻颗粒所受气固曳力

F_c,H-重颗粒所受碰撞力F_c,L-重颗粒所受碰撞力

m_H-重颗粒的质量m_L-轻颗粒的质量

g-重力加速度

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

矿石的富集与浮选：常温下钛铁矿颗粒和轻质颗粒的分离。

图1所示为一种颗粒混合物的环形流化床分离器，中心提升管1的上端由环形流化床2的底面伸入环形流化床2内部一定高度，使环形流化床2分为下部的环形区域101和上部的圆柱形区域102；在中心提升管1和环形流化床2的底部分别设有中心提升管进风口11和环形流化床进风口13，并在中心提升管1和环形流化床2内部，位于各自的进风口上方分别设有中心提升管布风板12和环形流化床布风板14。

在中心提升管1底部，位于中心提升管布风板12上方一定高度设有进料口5，供料罐6依次经过截止阀7和球形阀8连接至进料口5。

在环形流化床2的环形区域101底部，位于环形流化床布风板14上方一定高度设有重颗粒出口3，重颗粒出口3与重颗粒收集罐4连接。

环形流化床2的顶部为气流出口，连接至旋风分离器9，旋风分离器9的颗粒出口连接至轻颗粒收集罐10。

该分离器由空气压缩机15提供气量，空气压缩机15提供的压缩空气依次经过压缩空气储罐16、空气净化器17和减压阀18后分为两路，该两路压缩空气分别通过气体流量计19连接至中心提升管进风口11和环形流化床进风口13，通过气体流量计19对中心提升管1和环形流化床2中的气速进行控制。

分离器的主要尺寸参数如图2所示，中心提升管1的长度L需保证颗粒群能够被气体尽可能的分散开，要求L>0.5m。圆柱形区域102的长度L₂需要满足：(1)有足够的高度空间以利于分离，(2)保证粗颗粒不能运动至分离器顶端；通常L₂>1m。环形区域101的长度L₁则需要保证颗粒群有足够的分离时间，要求L₂>0.5m。物料的进料口5和重颗粒出口3离底部布风板的距离H_in、H_out均在10-200mm之间。对于分离器中的直径参数，与所处理的混合物质量流率相关联，固体质量流率越大，则所需要的管径越大。对于处理40-200g/s的质量流率，中心提升管1的内径D₁范围在20-70mm之间，环形流化床2的内径D的范围应在70-300mm之间，进料口5的内径D_in和重颗粒出口3的内径D_out均在20-50mm之间。

本实施例中，所用颗粒的性质及颗粒混合物的性质分别如表1和表2所示。共有4种类型的二元颗粒混合物，其中钛铁矿为重颗粒，塑料颗粒为轻颗粒。轻颗粒占颗粒混合物的质量比例约为7％。采用如图1所示的分离器分别对四种二元颗粒混合物进行分离。该分离器中，中心提升管1的长度L＝1.5m，中心提升管1的内径D₁＝30mm，环形流化床2中环形区域101的高度L₁＝1.15m，圆柱形区域102的高度L₂＝2m，环形流化床2的内径D＝70mm。通过控制球形阀8和截止阀7，来控制二元颗粒混合物的质量流率。气速选择为：中心提升管1的气速u₁＝4m/s，环形区域101的气速u₂＝1.4m/s。u₁、u₂、u₃之间满足质量守恒，即其中δ表示中心提升管1的管壁厚度。分离原理如图2所示，二元颗粒混合物进入到中心提升管1中，形成快速流化状态，进行了一次分散。随气流上升进入到环形流化床2中，颗粒进行了二次分散。

颗粒群在环形流化床2中的分布如图3所示。颗粒群由中心提升管1的上端出口喷出，形成类似于“喷泉”的形状，进入圆柱形区域102。一部分颗粒被气体携带或通过惯性作用上升，在圆柱形区域102中形成稀相区，在稀相区中，钛铁矿颗粒和塑料颗粒通过重力与气固曳力的作用进行分离，钛铁矿颗粒依靠自身重力落入环形区域101，塑料颗粒随气流上升。另外一部分颗粒则在重力或碰撞的作用下，落入环形区域101；在环形区域101内，靠近两壁面的区域，钛铁矿颗粒浓度较大，形成一个类似于环形的结构，颗粒群向下流动至环形区域101的底部；两壁面之间的中心区域，塑料颗粒浓度较大，形成上述环形结构的中心，该中心区域中的钛铁矿颗粒和塑料颗粒通过重力与气固曳力的作用进行分离，塑料颗粒随气流上升，钛铁矿颗粒由于自身重力下降至环形区域101的底部；在环形区域101的底部，颗粒团有一定的停留时间，并在该底部区域经历破碎过程，塑料颗粒在该过程中与钛铁矿颗粒分离，钛铁矿颗粒由重颗粒出口3出料，由重颗粒收集罐4收集，塑料颗粒则被气体携带上升。塑料颗粒被气流携带上升至环形流化床2顶部的气流出口，进入旋风分离器9，使塑料颗粒与气体分离，并被轻颗粒收集罐10收集。

分离结果如图3所示。对于该尺寸的分离器，当二元颗粒混合物给料速率处于72kg/h时，轻颗粒的分离效率超过95％(轻颗粒的分离效率定义为被气体携带至环形流化床分离器上部的轻颗粒质量占进入环形流化床分离器中总的轻颗粒质量的比例)，重颗粒的分离效率大于70％(重颗粒的分离效率定义落至环形流化床分离器底部的重颗粒质量占进入环形流化床分离器中总的重颗粒质量的比例)。轻颗粒的粒径越大，轻颗粒的分离效率越低，越容易被重颗粒携带。

表1.钛铁矿颗粒与塑料颗粒的性质

表2.轻重二元颗粒混合物的性质

实施例2

两种颗粒参与的气固反应过程：高温下连续快速分离。

反应器系统如图4所示，中心提升管1的上端垂直伸入环形流化床2内部一定高度，使环形流化床2分为下部的环形区域101和上部的圆柱形区域102。中心提升管1的下端与缓冲罐21连接，缓冲罐21的进料口通过连接管与反应器20的固相出口连通。环形流化床2顶部的气流出口与反应器20的顶部连通，反应器20上端侧壁气流出口与第一个旋风分离器9连接，该旋风分离器9的颗粒出口通过U型返料阀23连通至反应器20侧壁的轻颗粒返料口。

在环形流化床2的环形区域101底部，位于环形流化床布风板14上方设有重颗粒出口3，重颗粒出口3通过U型返料阀23与再生器22的进料口连通；再生器22顶部出口与提升管26连接，提升管26的顶部出口与第二个旋风分离器9连接，该旋风分离器9的颗粒出口通过U型返料阀23连通至反应器20侧壁的重颗粒返料口。

在反应器20、再生器22、缓冲罐21、中心提升管1、环形流化床2以及各U型返料阀23的底部分别设有进风口，并在反应器20、再生器22、缓冲罐21、环形流化床2以及各U型返料阀23的内部，位于各自的进风口上方分别设有布风板。

采用如图3所示的反应器系统实现两种颗粒参与的气固反应过程。

先以化学链煤燃烧过程为例。反应器20为燃料反应器，再生器22为载氧体氧化反应器。在燃料反应器中，载氧体颗粒与煤焦颗粒均匀混合，煤焦发生气化反应，生成CO和H₂。产生的合成气与载氧体发生反应，使载氧体失去晶格氧。一定循环量的载氧体与煤焦混合物进入环形流化床分离器，发生分离，煤焦颗粒被气体携带进入第一个旋风分离器9中进行气固分离，分离出的煤焦颗粒经U型返料阀23返回至燃料反应器中继续气化反应。载氧体颗粒则落入环形区域101底部并经由U型返料阀23进入载氧体氧化反应器发生氧化反应。载氧体充分氧化之后，由提升管26输送，并经过第二个旋风分离器9和U型返料阀23返回至燃料反应器。环形流化床分离器在系统中起到避免煤焦颗粒进入载氧体氧化反应器中的作用，大大提高系统的碳捕集效率。

再以吸收增强式甲烷水蒸气重整制取氢气反应为例(吸收增强式CO水气变换反应的例子与之类似)。反应器20为吸收增强式甲烷水蒸气重整反应器，再生器22为二氧化碳吸收剂再生反应器。在吸收增强式甲烷水蒸气重整反应器中，催化剂颗粒与二氧化碳吸收剂颗粒均匀的混合在一起，催化剂催化甲烷水蒸气重整反应，二氧化碳吸收剂则吸收重整反应产物中的CO₂，从而大大提高氢气的产率。二氧化碳吸收剂需在二氧化碳吸收剂再生反应器中通过高温热解释放CO₂从而再生，催化剂在高温下易烧结失活，因此两种颗粒需要进行分离。二元颗粒混合物通过环形流化床分离器发生分离，较轻的催化剂被气体携带进入第一个旋风分离器9中进行气固分离，分离出的催化剂颗粒经U型返料阀23返回吸收增强式甲烷水蒸气重整反应器中。较重的二氧化碳吸收剂颗粒则落入环形区域101底部，并经由U型返料阀23进入二氧化碳吸收剂再生反应器中高温再生后，再经提升管26、第二个旋风分离器9、U型返料阀23输送返回至吸收增强式甲烷水蒸气重整反应器中。