一种循环流化床伴床料位检测及自动控制的装置及方法

摘要

一种循环流化床伴床料位检测及自动控制的装置及方法，包括循环流化床反应器、伴床料位自动检测及控制系统、在线粉体补充系统、高压高温粉体物料连续减压降温输送系统；所述循环流化床反应器分别与伴床料位自动检测及控制系统、在线粉体补充系统、高压高温粉体物料连续减压降温输送系统相连。本发明能够解决循环流化床伴床固体颗粒料位测量尤其是高温高压工况下固体颗粒料位测量以及在线粉体物料添加和流化床反应器内不同粒径固体物料的降温、减压、输送、外排；以及流化床反应器伴床料位自动控制，保证流化床反应器稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及煤化工技术领域，特别涉及一种循环流化床伴床料位检测及自动控制的装置及方法。

背景技术

超大型流化床气化技术可将流化床煤种适应性从低阶煤拓展到中国储量丰富的中高阶煤，市场前景广阔，在超大型流化床气化技术研究过程中发现超大型流化床气化技术具有固体循环速率和气体速度快，采用固体颗粒热载体加大传热和蓄热，伴床固体密度高等特点，使得超大型流化床反应器固体热载体在反应器内磨损较大，以及反应器伴床内固体物料在高温高压条件下料位测量困难和料位控制不够自动化，急需解决。

在工业领域，相比液位测量过程，固体颗粒的料位测量更加困难，一般较为常见的固体料位测量技术有超声波料位计，射频导纳料位计，辐射料位计，重锤料位计等。利用超声波来测量料位的技术已经发展成熟，在工业工程中拥有很广的应用，超声波料位计运用的是回波测距原理，其技术简单、经济，可连续测量且维护方便，但一般适合在常温常压下工作；射频导纳料位计，通用性强，准确可靠，属于新型的料位测量技术，但对产品本身质量的要求较高；辐射料位计，利用物质对放射性同位素射线的吸收作用来测量料位，但使用不当而造成的辐射污染是一个非常棘手的问题；重锤料位计，通过接触介质表面的方式进行测量，测量准确但可能发生断锤、埋锤等问题。因此，找到一种适用工况广泛，测量稳定，性价比高的料位测量方法则变得非常必要。

气力输灰系统利用的灰指的是干灰，而不是水力除灰系统中的灰。在有些情况下，灰和水结合会伴有化学变化，例如，氧化钙的消解或硅酸盐的水解，会使灰利用的可能性受到影响。液态排渣耗水量较大，产生的污水含有大量有害的物质和固体悬浮物，需经复杂的污水处理工艺后才可循环利用，对环境造成一定程度破坏和水资源的浪费等一系列问题。因此，采用气力输灰的输送方式便成为灰利用的必要途径。目前国内外对于高压粉体物料的输送一般采用的是交变压罐间歇输送技术，通过交变压罐将粉体从高压转变为低压，然后通过气力输送完成，该方法无法实现高温高压粉体物料的连续输送。

因上述原因故研究形成一种循环流化床伴床料位检测及自动控制的装置。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种循环流化床伴床料位检测及自动控制的装置及方法，能够解决循环流化床伴床固体颗粒料位测量尤其是高温高压工况下固体颗粒料位测量以及在线粉体物料添加和流化床反应器内不同粒径固体物料的降温、减压、输送、外排；以及流化床反应器伴床料位自动控制，保证流化床反应器稳定运行。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种循环流化床伴床料位检测及自动控制的装置，包括循环流化床反应器1、伴床料位自动检测及控制系统15、在线粉体补充系统30、高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57；所述循环流化床反应器1分别与伴床料位自动检测及控制系统15、在线粉体补充系统30、高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57相连。

所述循环流化床反应器1包括提升管反应器2，提升管反应器2出口通过串联方式设置有一级含碳固体捕集器3、二级含碳固体捕集器5，通过一级含碳固体捕集器3分离的固体粉料通过密封返料器4与二级含碳固体捕集器5分离的固体粉料混合后进入反应器伴床6，在反应器伴床6内维持一定高度料位，反应器伴床6内固体粉料再通过密封回料输送器7进入提升管反应器2，完成固体粉料循环。

所述的提升管反应器2、一级含碳固体捕集器3、二级含碳固体捕集器5、密封返料器4、反应器伴床6、密封回料输送器7内壁均设有耐火层和隔热层。

所述的提升管反应器2中部和下部通入流化氮气，提升管反应器2、密封返料器4、反应器伴床6、密封回料输送器7预先通过在线粉体补充系统30填充一定量粉状填料，填料为石英砂、沙子、煤灰等中的一种或多种，填料粒径范围80微米～850微米。

所述料位自动检测及控制系统15包括伴床局部压差检测器13、伴床整体压差检测器12、料位核算及自动控制单元14；

所述的伴床局部压差检测器13由基准测压端A和局部测压端B组成，测量反应器伴床6内固体粉料密度；所述的伴床整体压差检测器12由基准测压端A和整体测压端C组成，测量反应器伴床6料位高度；所述的料位核算及自动控制单元14用于控制在线粉体补充系统30、高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57运行。

所述的基准测压端A包括依次连接的取压管口73、根部阀59、止逆阀62和截止阀63；所述局部测压端B包括依次相连的取压管口74、根部阀65、止逆阀67和截止阀68；所述整体测压端C包括依次相连的取压管口75、根部阀69、止逆阀71和截止阀72；所述的取压管口73、取压管口74、取压管口75分别与被测反应器伴床6相连通；所述截止阀63、截止阀68和截止阀72分别与相连通。

所述取压管口73、取压管口74、取压管口75管道与反应器伴床6中心轴线夹角β＝25°～65°；所述的反吹气源64采用氮气或二氧化碳等其他气体，压力高于反应器伴床6内部物料压力。

所述在线粉体补充系统30包括气体缓冲罐29、储粉仓16、发送罐21、发送器51；

所述的储粉仓16用于储存石英砂、沙子、煤灰等中的一种或多种，储粉仓16上设置有料位计17，料位计17用于实时测量储粉仓16内粉体量，储粉仓16侧面设置气体缓冲罐29，气体缓冲罐29内的气体通过阀门19控制用于储粉仓16底部松动，储粉仓16顶部与除尘器61直接连接；储粉仓16通过阀门20与发送罐21相隔离连接，气体体缓冲罐29内的气体通过阀门23控制用于发送罐21顶部充压，气体体缓冲罐29内的气体通过阀门25控制用于发送罐21底部充压和松动，气体体缓冲罐29内的气体通过输送气体控制阀27控制用于发送器51输送粉体物料。

所述气体体缓冲罐29内气源采用的介质为氮气或二氧化碳，压力高于密封返料器4内部物料压力；发送罐21上连接压力检测28，压力检测28用于监控发送罐21压力，发送罐21内的气体通过阀门60控制泄压，泄压气体通过除尘器49除尘，除尘气干净侧与气体回收58相连通。

所述发送罐21上设置有料位高报警开关22、料位低报警开关24；所述的发送罐21与发送器51通过阀门26相隔开，气体缓冲罐29内的气体通过阀门27控制用于发送器51发送固体粉料，发送器51用于固体粉料与输送气均匀混合，发送器51到密封返料器4之间管道转向位置设置转向弯头39。

所述的高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57，包括粉体物料降温单元、反吹单元、连续减压单元、粉体物料输送单元；

所述的物料降温单元包括流态化降温器34，流态化降温器34内置刀鞘试换热管，换热管分别与冷却水进水31冷却水出水32相连接；流态化降温器34内部高温固体物料通过流化气调节阀35控制处于微流化状态，增加固体物料换热面积；流态化降温器34底部设置温度检测33，用于粉体物料降温输送系统启停条件；

所述的反吹单元包括入口与反吹气源相连的反吹切断阀36和反吹切断阀45；

所述的连续减压单元包括管道流化器37、连续减压器42，管道流化器37、连续减压器42的气体入口分别与反吹切断阀36和反吹切断阀45相连，连续减压器42气体出口与减压控制阀44相连，减压控制阀44出口与气体回收46相连；管道流化器37粉体物料入口与流态化降温器34底部连接，管道流化器37粉体物料出口与连续减压器42粉体物料入口相连接；管道流化器37、连续减压器42中间管道根据布局可设置转向弯头39，连续减压器42粉体物料出口与粉体物料输送单元相连；

所述的粉体物料输送单元包括与输送气源相连的输送气控制阀47、流化气控制阀48、输送气控制阀53，输送气控制阀47依次经大颗粒收集器50、粉体物料切断阀53、粉体物料调节阀54与收集仓56连通；连续减压器42粉体物料出口与输送气控制阀47和大颗粒收集器50之间的管道连接；流化气控制阀48与大颗粒收集器50底部和顶部相连；输送气控制阀53的出口连接至粉体物料调节阀54进口和出口管线上。

所述的管道流化器37，内部设置有若干15mm*50mm(可根据实际调整孔道尺寸)方形孔道形成的金属孔道网，粉体物料自管道流化器37上部进入，侧面流出。

所述的连续减压器42，内部设置有金属烧结滤芯，粉体物料自连续减压器42金属烧结滤芯内部由上而下经过；连续减压器42可根据实际工艺压力工况设置多级减压器；连续减压器42上设置有压力检测43，压力检测43用于控制减压控制阀44；反吹切断阀45后引出三条吹扫管线垂直与连续减压器42气体入口相连。

所述的粉体物料调节阀54的出口管线设置有压力检测55。

一种循环流化床伴床料位检测及自动控制的装置的运行方法，包括以下步骤；

伴床料位自动检测及控制系统15：伴床局部压差检测器13接受基准测压端A中压力测量60和局部测压端B中压力测量66传递来的压力P

在线粉体补充系统30：在线粉体补充系统30接收料位核算及自动控制单元14发送的粉体补充指令后，启动运行。石英砂、沙子、煤灰等中的一种或多种粉料物料18预先加入储粉仓16，料位计17计量储粉仓16内粉体量；若料位高报警开关22报警，打开阀门41排尽发送罐21内气体，压力检测28检测发送罐21压力低于0.05MPa根据实际情况调节，打开阀门19，打开阀门20向发送罐21进入固体粉料，料位高报警开关22停止报警，关闭阀门20，关闭阀门41，关闭阀门19；打开输送气体控制阀27，打开切断阀11保证气体体缓冲罐29内气体通过管道进入密封返料器4；打开阀门25对发送罐21底部充压和松动，打开阀门23对发送罐21顶部充压，控制阀门23和阀门25保证压力检测28的检测压力高于反应器出口压力检测8的检测压力0.3MPa～0.5MPa，以确保发送罐21内的固体粉料通过发送器51通畅输出；打开阀门26开始向反应器伴床6在线添加固体物料；当反应器伴床6固体粉料堆积高度H

高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57：所述的高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57接收料位核算及自动控制单元14发送的启动指令后，温度检测33低于190℃，打开反吹切断阀45，同时打开减压控制阀44，通过调节减压控制阀44，控制压力检测43在0.35MPa～0.8MPa，设置多级减压器的，进行多级逐级减压，控制最后一级压力在0.35MPa～0.8MPa；打开粉体物料调节阀54至20％～30％预设开度，打开输送气控制阀53，对固体粉料输送管道进行吹扫，随后依次打开粉体物料切断阀52、流化气控制阀48、输送气控制阀47，控制输送气控制阀47、流化气控制阀48、输送气控制阀53所在管道气体流量分别为20Nm

本发明的有益效果：

1)实现了对高温高压条件下循环流化床伴床料位的自动检测及控制，通过本发明采用了特殊的固体颗粒的料位测量系统，可以实时检测处于高温高压苛刻环境下固体颗粒料位。

2)实现了对高温高压条件下循环流化床内固体物料的自动在线粉体补充。

3)实现了高温高压粉体物料的自动在线降温减压。流态化降温器内部高温粉体物料处于微流化状态，增加固体物料换热面积，更利于降温；减压管将粉体中携带的高压气体通过滤芯进行分离，通过压力控制系统进行气体排放，实现减压。

4)实现了高温粉体物料降温无黑水的产生，有效减少装置的耗水量。通过流态化降温器实现高温粉体物料实现与冷却水无接触传热降温，彻底消除了黑水的产生。

5)实现了压力分级控制。通过控压阀可针对性的对不同减压管中的压力进行控制，该压力可以根据粉体来源压力进行相应的调整。

6)可实现粉体物料输送流量的调节。一方面通过二级控压阀的压力对粉体输送速率进行粗调，另一方面通过物料调节阀的开度大小进行精确控制。

7)在线反吹，避免了粉体的堵塞。通过反吹阀，定期对管道流化器、减压管进行吹扫，避免了滤芯的堵塞，提高了工艺运行的稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的一种循环流化床伴床料位检测及自动控制的装置的系统流程示意图。

图2为本发明提供的一种循环流化床伴床料位检测及自动控制的装置的自动检测及控制系统(15)示意图。

图中：1、循环流化床反应器；2、提升管反应器；3、一级含碳固体捕集器；4、密封返料器；5、二级含碳固体捕集器；6、反应器伴床；7、密封回料输送器；8、反应器出口压力检测表；9、反应器出口压力控制阀；10、后续工艺；11、切断阀；12、伴床整体压差检测器；13、伴床局部压差检测器；14、料位核算及自动控制单元；15、伴床料位自动检测及控制系统；16、储粉仓；17、料位计；18、粉体物料；19、阀门；20、阀门；21、发送罐；22、料位高报警开关；23、阀门；24、料位低报警开关；25、松动气切断阀；26、阀门；27、输送气切断阀；28、压力检测；29、气体缓冲罐；30、在线粉体补充系统；31、冷却水进水；32、冷却水出水；33、温度检测；34、流态化降温器；35、流化气调节阀；36、反吹切断阀；37、管道流化器；38、大颗粒外排阀；39、转向弯头；40、气源；41、阀门；42、连续减压器；43、压力检测；44、减压控制阀；45、反吹切断阀；46、气体回收；47、输送气切断阀；48、流化气切断阀；49、除尘器；50、大颗粒收集器；51、发送器；52、粉体物料切断阀；53、输送气切断阀；54、粉体物料调节阀；55、压力检测；56、收集仓；57、高压高温粉体物料连续减压降温输送系统；58、气体回收；61、除尘器；A、基准测压端；B、局部测压端；C、整体测压端；59、根部阀；60、压力检测；62、止逆阀63、截止阀；64、反吹气源；65、根部阀；66、压力检测；67、止逆阀；68、截止阀；69、根部阀70、压力检测；71、止逆阀；72、截止阀；73、取压管口；74、取压管口；75、取压管口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示：本发明的装置包括循环流化床反应器1、伴床料位自动检测及控制系统15、在线粉体补充系统30、高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57四部分；

所述的循环流化床反应器1，包括提升管反应器2、一级含碳固体捕集器3、二级含碳固体捕集器5、密封返料器4、反应器伴床6、密封回料输送器7。

所述的料位自动检测及控制系统15，包括伴床局部压差检测器13、伴床整体压差检测器12、料位核算及自动控制单元14。

所述的在线粉体补充系统30，包括气体缓冲罐29、储粉仓16、发送罐21、发送器51。

所述的高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57，包括流态化降温器34、管道流化器37、连续减压器42、大颗粒收集器50。

所述的循环流化床反应器1，首尾连接的提升管反应器2、一级含碳固体捕集器3、二级含碳固体捕集器5、密封返料器4、反应器伴床6、密封回料输送器7相连接，循环流化床反应器1出口设置有流化床反应器出口压力检测表8、流化床反应器出口压力控制阀9，所述的密封返料器4与在线粉体补充系统30相连接，所述的反应器伴床6设置有伴床料位自动检测及控制系统15，所述的提升管反应器2与高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57相连接。

所述的提升管反应器2、一级含碳固体捕集器3、二级含碳固体捕集器5、密封返料器4、反应器伴床6、密封回料输送器7内壁均设有耐火层和隔热层。

所述的提升管反应器2中部和下部通入流化氮气，提升管反应器2、密封返料器4、反应器伴床6、密封回料输送器7预先通过在线粉体补充系统30填充一定量粉状填料，填料为石英砂、沙子、煤灰等中的一种或多种，填料粒径范围80微米～850微米。

所述的提升管反应器2出口通过串联方式设置有一级含碳固体捕集器3、二级含碳固体捕集器5，通过一级含碳固体捕集器3分离的固体粉料通过密封返料器4与二级含碳固体捕集器5分离的固体粉料混合后进入反应器伴床6，在反应器伴床6内维持一定高度料位，反应器伴床6内固体粉料再通过密封回料输送器7进入提升管反应器2，完成固体粉料循环。

所述的伴床局部压差检测器13由基准测压端A和局部测压端B组成，测量反应器伴床6内固体粉料密度；所述的伴床整体压差检测器12由基准测压端A和整体测压端C组成，测量反应器伴床6料位高度；所述的料位核算及自动控制单元14用于控制在线粉体补充系统30、高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57运行。

所述的基准测压端A、局部测压端B、整体测压端C分别由各自取压管口73、取压管口74、取压管口75、根部阀59、根部阀65、根部阀69、压力检测60、压力检测66、压力检测70、止逆阀62、止逆阀67、止逆阀71、截止阀63、截止阀68、截止阀72构成；所述的取压管口73、取压管口74、取压管口75分别与被测反应器伴床6相连通，取压管口73、取压管口74、取压管口75、管道与反应器伴床6中心轴线夹角β＝25°～65°；反吹气源64依次与截止阀63、截止阀68、截止阀72、止逆阀62、止逆阀67、止逆阀71、根部阀59、根部阀65、根部阀69、取压管口73、取压管口74、取压管口75相连通，压力检测60、压力检测66、压力检测70分别与止逆阀62、止逆阀67、止逆阀71和根部阀59、根部阀65、根部阀69之间的管道相连通；所述的反吹气源64采用氮气或二氧化碳等其他气体，压力高于反应器伴床6内部物料压力。

所述的储粉仓16用于储存石英砂、沙子、煤灰等中的一种或多种，料位计17用于实时测量储粉仓16内粉体量，气体缓冲罐29内的气体通过阀门19控制用于储粉仓16底部松动，除尘器61与储粉仓16顶部直接连接；所述的发送罐21属于交变压设备，通过阀门20与储粉仓16相隔离，气体体缓冲罐29内的气体通过阀门19控制用于储粉仓16底部松动，气体体缓冲罐29内的气体通过阀门23控制用于发送罐21顶部充压，气体体缓冲罐29内的气体通过阀门25控制用于发送罐21底部充压和松动，气体体缓冲罐29内的气体通过输送气体控制阀27控制用于发送器51输送粉体物料，气体体缓冲罐29内气源采用的介质为氮气或二氧化碳，压力高于密封返料器4内部物料压力；压力检测28用于监控发送罐21压力，发送罐21内的气体通过阀门60控制泄压，泄压气体通过除尘器49除尘，除尘气干净侧与气体回收58相连通；发送罐21上设置有料位高报警开关22、料位低报警开关24；所述的发送器51与发送罐21通过阀门26相隔开，气体缓冲罐29内的气体通过阀门27控制用于发送器51发送固体粉料，发送器51用于固体粉料与输送气均匀混合，发送器51到密封返料器4之间管道转向位置设置转向弯头39。

所述的高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57，包括粉体物料降温单元、反吹单元、连续减压单元、粉体物料输送单元；

1所述的物料降温单元包括流态化降温器34，流态化降温器34内置刀鞘试换热管，换热管分别与冷却水进水31冷却水出水32相连接；流态化降温器34内部高温固体物料通过流化气调节阀35控制处于微流化状态，增加固体物料换热面积；流态化降温器34底部设置温度检测33，用于粉体物料降温输送系统启停条件；

2所述的反吹单元包括入口与反吹气源相连反吹切断阀36和45；

3所述的连续减压单元包括管道流化器37、连续减压器42，管道流化器37、连续减压器42的气体入口分别与反吹切断阀36和45相连，连续减压器42气体出口与减压控制阀44相连，减压控制阀44出口与气体回收46相连；管道流化器37粉体物料入口与流态化降温器34底部连接，管道流化器37粉体物料出口与连续减压器42粉体物料入口相连接；管道流化器37、连续减压器42中间管道根据布局可设置转向弯头39，连续减压器42粉体物料出口与粉体物料输送单元相连；

4所述的粉体物料输送单元包括与输送气源相连的输送气控制阀47、流化气控制阀48、输送气控制阀53，输送气控制阀47依次经大颗粒收集器50、粉体物料切断阀53、粉体物料调节阀54与收集仓56连通；连续减压器42粉体物料出口与输送气控制阀47和大颗粒收集器50之间的管道连接；流化气控制阀48与大颗粒收集器50底部和顶部相连；输送气控制阀53的出口连接至粉体物料调节阀54进口和出口管线上。

所述的管道流化器37，内部设置有若干15mm*50mm(可根据实际调整孔道尺寸)方形孔道形成的金属孔道网，粉体物料自管道流化器37上部进入，侧面流出。

所述的连续减压器42，内部设置有金属烧结滤芯，粉体物料自连续减压器42金属烧结滤芯内部由上而下经过；连续减压器42可根据实际工艺压力工况设置多级减压器；连续减压器42上设置有压力检测43，压力检测43用于控制减压控制阀44；反吹切断阀45后引出三条吹扫管线垂直与连续减压器42气体入口相连。

所述的输送气源采用的介质为氮气或二氧化碳，压力高于连续减压器42内部物料压力。

所述的粉体物料调节阀54的出口管线设置有压力检测55。

本发明的工作原理：

伴床料位自动检测及控制系统15：所述的伴床局部压差检测器13接受基准测压端A中压力测量60和局部测压端B中压力测量66传递来的压力P

在线粉体补充系统30：所述的在线粉体补充系统30接收料位核算及自动控制单元14发送的粉体补充指令后，启动运行。石英砂、沙子、煤灰等中的一种或多种粉料物料18预先加入储粉仓16，料位计17计量储粉仓16内粉体量；若料位高报警开关22报警，打开阀门41排尽发送罐21内气体，压力检测28检测发送罐21压力低于0.05MPa根据实际情况调节，打开阀门19，打开阀门20向发送罐21进入固体粉料，料位高报警开关22停止报警，关闭阀门20，关闭阀门41，关闭阀门19；打开输送气体控制阀27，打开切断阀11保证气体体缓冲罐29内气体通过管道进入密封返料器4；打开阀门25对发送罐21底部充压和松动，打开阀门23对发送罐21顶部充压，控制阀门23和阀门25保证压力检测28的检测压力高于反应器出口压力检测8的检测压力0.3MPa～0.5MPa，以确保发送罐21内的固体粉料通过发送器51通畅输出；打开阀门26开始向反应器伴床6在线添加固体物料；当反应器伴床6固体粉料堆积高度H

高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57：所述的高压高温粉体物料连续减压降温输送系统57接收料位核算及自动控制单元14发送的启动指令后，温度检测33低于190℃，打开反吹切断阀45，同时打开减压控制阀44，通过调节减压控制阀44，控制压力检测43在0.35MPa～0.8MPa，设置多级减压器的，进行多级逐级减压，控制最后一级压力在0.35MPa～0.8MPa；打开粉体物料调节阀54至20％～30％预设开度，打开输送气控制阀53，对固体粉料输送管道进行吹扫，随后依次打开粉体物料切断阀52、流化气控制阀48、输送气控制阀47，控制输送气控制阀47、流化气控制阀48、输送气控制阀53所在管道气体流量分别为20Nm