專利名稱：異重多尺寸均勻漲落顆粒床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流態(tài)化過程。由不同密度、不同粒徑的床料構(gòu)成顆粒床。隨著流 體質(zhì)量流量增加，靜止的床料均勻膨脹，床層高度線性增加。隨著流體質(zhì)量流量減少，所有 床料按秩序降落，床層高度線性下降。理想球體構(gòu)成的異重多尺寸均勻漲落流化床在流體 增減過程中不出現(xiàn)顆粒之間的錯(cuò)位。
背景技術(shù)：
流化床是各種反應(yīng)器中成本低、歷史長、理論相對完善的一種，在化工、能源動(dòng)力、 建材以及食品行業(yè)廣泛應(yīng)用。所有氣-固或液-固流化床都是用流體吹動(dòng)固體顆粒實(shí)現(xiàn)化 學(xué)反應(yīng)或質(zhì)量傳遞，流化床工作過程都是在一定表觀速度下連續(xù)進(jìn)行。最有效的運(yùn)行參數(shù) 被選定為流化床連續(xù)運(yùn)行參數(shù)，一旦這種最佳參數(shù)確定，除非發(fā)生意外或計(jì)劃停止，流化床 反應(yīng)器將一直連續(xù)運(yùn)行。所有氣固流化床中，氣體都是一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的。過濾是一個(gè)巨大的技術(shù)應(yīng)用，全球過濾行業(yè)2004年已經(jīng)形成200億美元的技術(shù)市 場(Graham Rideal, Filtration :the marketplace, Filtration+Separation September 2005)，其中包含了高溫?zé)煔獾念w粒床過濾(Hot gases cleaning inbeds of granular solids)，高溫?zé)煔膺^濾(Hot gas filtration)被列為未來發(fā)展的重要方向。隨著技術(shù)的 發(fā)展，特別是聯(lián)合發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用等，陶瓷過濾和纖維過濾成為炙手可熱的新技術(shù)，早 期開發(fā)的顆粒床過濾幾乎被人遺忘。顆粒床除塵被認(rèn)為是一種高效的過濾技術(shù)，科技部將 其列入國家七五攻關(guān)項(xiàng)目，冶金部曾在湖南現(xiàn)場推薦。但經(jīng)過兩次國家行政部門的強(qiáng)力推 薦后，顆粒床除塵器幾乎失去了技術(shù)市場。取代顆粒床除塵器的是高溫條件下使用的陶瓷 過濾器和低溫條件下使用的布袋除塵器。幾乎沒有收集到顆粒床除塵器淡出市場的技術(shù)報(bào) 道。但陶瓷過濾和布袋過濾都有工作壽命和工作周期兩大困擾(S. D. Sharma et al,2008)。很多工業(yè)領(lǐng)域都出現(xiàn)高溫粉塵，特別是冶金過程，這些高溫粉塵富含生產(chǎn)原料的 主要化學(xué)元素，如高爐荒煤氣粉塵含有大量的鐵元素。由于技術(shù)進(jìn)步，煉鐵過程的濕法高溫 除塵被干法降溫除塵(布袋過濾技術(shù))所取代。但布袋過濾有致命的缺陷，怕高溫、怕沖擊、 工作周期短、工作壽命有限。如果能用顆粒床過濾代替布袋過濾可能出現(xiàn)巨大的技術(shù)好處。 固體顆粒可以耐受較高溫度(天然石英砂可耐受350°C溫度，如果采用人造顆粒，如氧化鋁 空心球或耐火材料燒制顆粒能耐受更高溫度)，承受較高的溫度和壓力波動(dòng)。雖然有眾多的研究文獻(xiàn)，包括學(xué)位論文，但幾乎所有人都將同體顆粒床過濾看成 是一種機(jī)械過濾。這種機(jī)械過濾的視角限制了人們對顆粒床的認(rèn)識。特別是冶金行業(yè)，經(jīng) 冶金部的推動(dòng)仍沒有形成生產(chǎn)力，說明機(jī)械過濾認(rèn)識對顆粒床的認(rèn)識有所偏頗。楊國華比較早的認(rèn)識到顆粒過濾床具有流化床性質(zhì)，連續(xù)獲得了多個(gè)中國專利。 能夠明顯反映楊國華將顆粒床過濾看成是包含流態(tài)化過程技術(shù)的是2004年獲準(zhǔn)的專利。 這個(gè)專利中提出了多層、多密度、多粒徑的顆粒過濾床。Graham Rideal Q005)在綜述 過濾技術(shù)時(shí)曾提至IJ過才目同的才既念(Multi-layer filters with conventional downward filtration achieve the same results by means of beds comprising two or morematerials of different densities so that thehydraulic classification resulting from cleaning places the finer, denser particles on top of the coarser, less dense particles)。Sunil D. Sharma Q009)在綜述合成氣凈化技術(shù)時(shí)曾引用2篇2005 年出版的關(guān)于釆用吸收劑作為顆粒床床料的文獻(xiàn)(Ohtsuka Y, Tsubouchi N. Scientific and technological process in Japan on hot gas clean up of halogen, sulphur and nitrogen. In :Kanaoka C，et al.，editor. Advanced gas cleaning technology ；2005. p.375-84.禾口Mizutani MiKambara SiMoritomi H,Abe K，Yonemochi Y,Tsukada MiKamiya H. Retention of alkali and heavy metal elements with multiplesorbents. In :Kanaoka C，et al. , editor. Advanced gas cleaning technology ;2005· p. 504-07·)，表明用脫硫劑 作為顆粒床料進(jìn)行除塵脫硫已有多年歷史。問題并不在于誰先提出這些概念，而在于如何 讓這個(gè)概念準(zhǔn)確地形成有效的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)較大煙氣量的高溫氣固分離。申請人:核算了楊國華專利中提到的技術(shù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，楊國華在設(shè)計(jì)包含流態(tài)化過程 的顆粒床過濾器時(shí)出現(xiàn)了幾個(gè)問題。一是沒有交代所使用的臨界流化速度計(jì)算公式的使用 條件(不是廣泛采用的計(jì)算式)；二是利用專利說明書提供的計(jì)算公式獲得的臨界流化速 度計(jì)算結(jié)果與說明書提供的操作條件求出的流化數(shù)(操作速度與臨界流化速度之比)跳躍 非常大。如實(shí)施例4中，下層顆粒的流化數(shù)為0. 39-0. 67，而上層顆粒的流化數(shù)為1. 4-2. 4。 全部實(shí)施例中最大流化數(shù)為2. 6，最小流化數(shù)為0. 39。這種情形意味著該專利所述的顆粒 床在反吹過程中會出現(xiàn)嚴(yán)重的顆粒返混。從流化床性質(zhì)看，當(dāng)流化床的操作風(fēng)速達(dá)到一定 數(shù)值后，床層開始明顯膨脹。清華大學(xué)(1979)用煤灰進(jìn)行的試驗(yàn)顯示隨著操作速度提高， 流化床高度幾乎是線性增加的(見附圖1)。按照圖1，即使楊國華的專利內(nèi)容采用不同顆粒尺寸、不同顆粒密度，其床層膨脹 比(膨脹后的床高與靜止料層床高之比)也會達(dá)到較大數(shù)值。這就使得該顆粒床運(yùn)行時(shí)要 求有很高的器壁，否則將損失床料。一旦出現(xiàn)床料丟失，顆粒床的性能(氣固分離效率、阻 力、操作周期)將出現(xiàn)顯著變化。此外，在楊國華的專利中，支撐顆粒的是金屬條。按照一定尺寸排列的金屬條的壓 力降比較小，當(dāng)顆粒床面積大到一定數(shù)值后容易發(fā)生配風(fēng)不均現(xiàn)象，破壞流化質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
隨著流化介質(zhì)質(zhì)量流量增減均勻漲落的顆粒床。實(shí)現(xiàn)這一要求的理論準(zhǔn)則是不 論采用多少種顆粒(密度和粒徑)、設(shè)計(jì)多少層料層，所有顆粒具有相同的流化數(shù)(表觀操 作速度與該顆粒的臨界流化速度之比)。采用不同耐火度的顆?？梢詫?shí)現(xiàn)不同工業(yè)過程的 高溫氣固分離，采用對應(yīng)的吸收劑顆粒可實(shí)現(xiàn)流體的化學(xué)凈化和物理凈化的同步完成。一旦將顆粒床氣固分離或液固分離的反吹過程看成是流態(tài)化過程，一些技術(shù)問題 就有了針對性解決策略。如大型化問題。顆粒床大型化可能是阻礙顆粒床獲得應(yīng)用的最主 要的技術(shù)困難。一旦大型化，顆粒床(厚度通常不超過300mm)將出現(xiàn)流化不均勻、穿孔等 流化不良現(xiàn)象。而流化床技術(shù)的等壓風(fēng)箱和布風(fēng)板技術(shù)將有助于消除淺顆粒床不能均勻流 化現(xiàn)象，保障大面積流化床穩(wěn)定運(yùn)行。


圖1是流化床的膨脹比圖。圖2是正常工作的異重均勻漲落顆粒床圖；攜帶固體顆粒的流體由上向下通過顆 粒床(如圖中黑色箭頭所示)，此時(shí)的顆粒床是一個(gè)固定床，含有固體顆粒的流體經(jīng)過一定 排列方式的顆粒床時(shí)實(shí)現(xiàn)氣(液)固分離和化學(xué)反應(yīng)或吸附。過濾后的流體成為潔凈流體 (如圖中的空心箭頭)。圖3是反吹過程的異重均勻漲落顆粒床圖；反吹流體(如圖中的空心箭頭)由下 而上穿越顆粒床，由于所有顆粒具有相同的流化數(shù)，整個(gè)顆粒床出現(xiàn)均勻膨脹，床料顆粒之 間距離拉大為捕集顆粒讓出逃逸通道，實(shí)現(xiàn)顆粒床再生。異重均勻漲落顆粒床需要保證反 吹捕集顆粒所需的流化數(shù)的小于床料顆粒的流化數(shù)，否則應(yīng)另選床料或采取相應(yīng)的技術(shù)措 施保障反吹過程不丟失床料。反吹流體攜帶被捕集的顆粒離開顆粒床(如圖中黑色箭頭所 示)°一個(gè)反吹過程完成一次顆粒床的均勻膨脹和均勻降落過程，即均勻漲落過程。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 工業(yè)鍋爐除塵床層高度150mm。采用石英砂+膨脹珍珠巖作床料，設(shè)計(jì)流化數(shù)1. 2。采用2層床 料，顆粒尺寸分別為石英砂0. 8mm，膨脹珍珠巖2.加。分布板壓降0.5kPa;實(shí)施例2 冶金高爐高溫荒煤氣除塵床層高度150mm。石英砂+耐火材料小球+空心氧化鋁小球?yàn)榇擦?。設(shè)計(jì)流化數(shù) 1.2。采用3層床料，0. 5mm石英砂，1. 2mm耐火土燒制小球和5mm氧化鋁空心小球。分布板壓降2. 5kPa;實(shí)施例3 燃煤鍋爐脫硫除塵一體化床層高度150mm。采用石英砂+脫硫劑+脫硫劑為床料。石英砂0. 8mm,脫硫劑床 料為1. 5mm和4mm。分布板壓降0.5kPa;實(shí)施例4 城市污水過濾床層高度500mm。采用陶瓷珠+空心氧化鋁小球+空心氧化鋁小球?yàn)榇擦?。陶?珠0. 3mm,空心鋁小球床料尾1. 5mm和5_。分布板壓降1. 5kPa。
權(quán)利要求
1.一種隨著流體表觀流速變化能均勻漲落的顆粒床，其特征是不論采用幾種床料密度 和多少種顆粒尺寸，所有顆粒的流化數(shù)相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒床，顆粒床可以進(jìn)行氣固分離或液固分離的物理過程， 也可以進(jìn)行帶有吸附、機(jī)械分離和化學(xué)反應(yīng)的聯(lián)合過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒床，選定的顆粒按顆粒尺寸大者在上的原則排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒床，顆粒床具有明顯壓力降的分布板，以保證大顆粒床 表面各處的絕對壓力差處于很小數(shù)值，從而保證流化質(zhì)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種異重多尺寸均勻漲落顆粒床裝置。其理論準(zhǔn)則是所有顆粒具有相同流化數(shù)。采用不同耐火度的顆粒實(shí)現(xiàn)不同工業(yè)過程的高溫氣固分離(高溫除塵)，采用對應(yīng)的吸劑顆粒實(shí)現(xiàn)流體的化學(xué)凈化(如煙氣脫硫)和物理凈化(如除塵)同步完成。作為一種流態(tài)化過程，由不同密度不同粒徑的床料構(gòu)成顆粒床。隨流化介質(zhì)流量增加，靜止床料均勻膨脹，床層高度線性增加。隨流化介質(zhì)流量減少，所有床料按秩序降落，床層高度線性下降。理想球體構(gòu)成的異重多尺寸均勻漲落流化床在流體增減過程中不出現(xiàn)顆粒間的錯(cuò)位。實(shí)際應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)大煙氣量的高溫氣固分離。實(shí)現(xiàn)大型化要求支撐顆粒床再生的反吹流體分布板能夠承受流體機(jī)械和工藝系統(tǒng)允許的最大壓降。
文檔編號B01J8/24GK102078732SQ20091022427
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者劉柏謙, 王立剛 申請人:劉柏謙, 王立剛