循环流化床返料器冷态试验研究

1、 题 目循环流化床返料器冷态试验研究学生姓名学 号 院 ( 系 )能源工程学院专 业热能与动力工程指导教师报告日期 目录1 绪论11.1课题研宄背景及意义11.2 国内外研究状况11.3 研宄目的及研究内容22 循环流化床返料器冷态试验系统及试验物料22.1 引言22.2循环流化床冷态试验系统22.2.1关键部件设计32.2.2试验参数的测量与计算42.2.3试验台调试42.3实验物料42.4本章小结53 两级返料器系统关键设计及冷态试验研宄53.1 引言53.2 试验工况63.3 两级返料器系统关键设计73.4 两级返料器冷态试验结果与分析73.5 单级返料器与两级返料器运行特性对比研宄73

2、.5.1物料循环流率对比74 结论12参考文献13绪论1.1课题研究背景及意义循环流化床作为一种高效、无气泡气固接触技术，是当代最活跃的流态化研宄领域之一。循环流化床具有传热传质强烈、固体颗粒混合均勾、温度分布均匀、单位设备的生产能力大、可以在较大的范围内调节床料在床内的停留时间以及容易放大等一系列优点，因此，循环流化床技术从世纪中叶研宄伊始便引起了人们的重视。循环流化床最早被应用于炼油厂进行石油的催化裂化，但是由于气固分离技术、催化剂活性及重复利用等技术还未随之发展完善，于是低速的鼓泡流化床更具有技术优势。二十世纪五十年代末在南非运行的费托合成反应器，以及二十世纪七十年代德国的氧化销倍烧反应

3、器标志着循环流化床真正成为具有工业实用价值的新技术。随着催化剂技术的发展，鼓泡流化床逐渐被提升管流化催化裂化反应器所替代。石油危机发生后，人们将寻求能源的目光重新转移到了传统的化石能源一煤炭，人们开始积极地幵发煤炭高效利用技术，因此在八十年代出现了循环流化床的第二次天规模应用一煤的燃烧与气化，。在这两方面，循环流化床技术具有突出优势，包括煤种适应性广、效率高、容易实现炉内脱硫、排放低、负荷容易调节等等。目前，循环流化床技术被广泛应用于中低温气固非均相反应、气固非催化反应以及物理过程等。随着对循环流化床技术研宄的深入，为满足不同应用需求，一些新型的反应器，如下行床、高密度循环流化床、气液固三相循

4、环流化床等相继出现。我国的能源储量中，煤炭所占比重较大，而天然气和石油较少，这就决定了我国的能源消费结构，例如年，我国煤炭消费占能源总消费的而石油和天然气分别占和，新能源仅占。可以预见在未来相当长的一段时间内，我国仍将会以煤炭作为主要的基础能源。但是我国的优质煤炭储量相对较少，常规煤炭利用方式不仅效率低下，而且容易造成环境污染。此时循环流化床就显示出了其燃料适应性广、污染物排放低的环保技术优点，因此自该项技术被引进国内之后得到了快速发展，被广泛应用在煤炭利用、生物质燃烧、垃圾焚烧等领域，其中最主要的应用是作为电站锅炉。目前，循环流化床锅炉正向着提高容量、深度脱硫脱硝以及能源的综合及梯级利用等方

5、向发展。1.2国内外本学科领域研究现状1）单级返料器单级返料器指的是物料从分离器向提升管底部流动的过程中只经过一级返料器阀，根据结构形式的不同，通常分为返料装置和分流装置。返料装置只负责将循环物料返送回提升管内，而分流装置则需要按照要求将循环物料进行分配。针对不同的形式，研宄人员对影响返料能力的因素进行了仔细研究。2）多级返料器如果循环流化床运行在高固体颗粒浓度下，提升管内物料浓度较高，底部压力较高，而立管通常高度有限，这就导致提升管底部与分离器底部之间的压差远高于常规水平，提升管底部与分离器底部之间压差将远大于返料器内形成的料封阻力，颗粒从立管向提升管中流动的动力较小，此时单个返料器将很难实

6、现物料回送和料封的作用。1.3研究目的及研究内容1）研究目的返料器是循环流化床系统中极为重要的部件之一，其结构形式和操作条件对返料器的运行特性有着重要的影响，返料器的研究一直是循环流化床技术进展中的研宄热点。目前商业应用的循环流化床返料器广泛采用型阀的结构形式，但是随着循环流化床锅炉容量的不断增大和提升管内物料浓度增加，返料器暴露出一系列的问题，如料封能力不足、水平段阻力偏大等，这些问题制约了循环流化床技术的进一步发展。因此有必要针对返料器的结构形式和操作条件对返料特性的影响进行深入的研宄，另一方面，许多研究人员针对返料器的结构形式提出了一些新的想法，但是相关的研宄和工程应用还未见报道，没有可

7、供参考的试验数据，因此针对新的返料器结构形式的研究是十分必要的。2）研究内容本论文的主要研宄内容如下：（1）理论分析从流态化及循环流化床原理出发，对下降段带倾角返料器和两级串联形式返料器内物料的流动特性及压力平衡进行理论分析，从而对返料器的返料能力进行预测，同时给出采用两级返料器循环流化床系统关键部位的设计方法。（2）两级返料器串联冷态试验在采用两级返料器循环流化床系统上，研究操作参数对返料特性和系统压力平衡特性的影响，同时对比单级和两级返料器，在相同操作条件下，物料循环流率与系统压力平衡的变化趋势，通过冷态试验验证理论设计的准确度。（3）下降段带倾角返料器返料性能冷态试验在采用下降段带有倾斜

8、角度返料器冷态试验台上，研宄操作条件、返料器结构形式对系统物料循环流率以及返料器死区的影响规律，同时与常规返料器进行对比，验证下降段带有倾斜角度返料器性能的优劣。2.1引言循环流化床技术一方面正在被广泛的应用于不同领域，另一方面则向着大容量、高参数、高颗粒浓度的方向发展。为了保证循环流化床在高颗粒浓度下能够实现顺利返料，保证系统稳定运行，需要返料器在提供足够高料封能力（防止提升管下部的气体通过返料器反窜至旋风分离器的能力）的同时，又要保证物料流动顺畅。2.2循环流化床冷态试验系统循环流化床冷态试验系统主要由提升管、旋风分离器、返料器、供风系统、测控系统组成。其中返料器设计加工了多种结构形式，可

9、以方便的进行更换以研宄不同结构形式返料器的返料特性。试验系统流程图如图所示。为了方便观察试验现象，试验台主体釆用有机玻璃制作。试验台主体分段加工，风室、提升管、旋风分离器之间釆用法兰连接，返料器与立管和提升管的连接采用胶带密封的软连接。设计加工了不同长度的立管，以满足结构形式变换的需要。物料通过加料口被加入到提升管内，罗茨风机提供流化风，将物料流化，并携带物料进入旋风分离器，在旋风分离器内绝大部分物料被分离下来进入返料器，少部分较细小的颗粒逃逸进入后部的布袋除尘器，物料在返料器内受松动风和返料风的作用返回提升管内，形成物料的循环。2.2.1关键部件设计（1）提升管提升管采用全有机玻璃结构制造，

10、为了安装方便，整体分为三段，各段之间通过法兰进行连接。（2）旋风分离器（3）返料器（4）布风装置（5）供风系统2.2.2试验参数的测量与计算（1）流量测量方法返料器的松动风和返料风风量由转子流量计测量并调节，人工读数。（2）压力压差测量与处理压力和压差均采用赛尔瑟斯工业级微差压变送器测量，利用安捷伦数据采集系统采集并传送到电脑储存，数据采集频率为。试验系统共设有个压力测点，其中重要的压力测点位于提升管返料口处，位于提升管中部，飞位于提升管顶部，尸位于旋风分离器锥段底部，位于上级返料器出口处。尸和分别是上下返料器立管布风板处的压力，由于直接测量不准确，因此根据测量的返料器进出口压降计算得出。在测

11、量压力信号时，为了尽量消除压力脉动的影响，采取多次测量取平均值的方法，而在研究压力脉动的影响时，则不进行取平均值的处理。2.2.3试验台调试（1）测试系统密封性。在试验系统内没有加入床料，即空床的状态下，开启罗茨风机，调节流化风量到利用肥阜水对系统的所有法兰、软连接、管路、测压管等部位进行了气密性检查，结果显示试验系统整体密封性良好。（2）测试试验系统的运行特性。在空床和有床料的情况下，分别调节提升管流化风流量，观察系统运行及测量系统工作是否有效。在空床和有床料的情况下，系统可以长时间稳定运行，数据采集系统稳定可靠，测量数值准确有效，风量调节动作及时。整个试验系统可以保证顺利进行各个工况试验。

12、（3）测试提升管布风板阻力特性。在空床状态下，调节提升管流化风流量，从测试提升管布风板压降随流化风速的变化情况。2.3试验物料本研宄过程所用试验物料均为石英砂，通过对比相同体积的水的重量，堆积角是物料颗粒的重要参数之一，表示的是当颗粒物料处于自由堆积状态时（无容器约束），其堆积体的自由表面在静止平衡状态下与水平面间形成的最大夹角。根据实际供排料方法的不同，堆积角又分为注入堆积角和排出堆积角。在研宄返料器下降段倾斜角度对系统运行特性的影响时，为了尽量降低物料颗粒的堆积角对试验结果的影响，设计角度应大于物料的堆积角。等人曾对水平段长度有限的返料器内物料的堆积角和扩展角进行了分析。2.4本章小结本章

13、重点介绍了研宄循环流化床两级返料器和下降段带倾斜角度返料器的试验系统，包括关键部件的设计和关键参数的测量与计算方法，此外，还对搭建完成的试验系统所进行的调试以及试验所用物料的参数进行了阐述。3两级返料器系统关键设计及冷态试验研究3.1引言当循环流化床提升管内物料浓度较高时，如利用循环流化床进行煤炭的气化时，提升管压降较大，此时返料器需要提供的料封能力，即防止提升管下部的气体通过返料器返窜至旋风分离器的能力也应随之增大。理论上，立管的料层高度立管底部充气点至堆积物料顶部）越高，返料器的料封能力越大。然而立管的料位过高，底部压力较大，一方面容易出现物料被压实，底部物料被吹空，而上部物料堆积无法下落

14、的“架桥”现象；另一方面，如果形成架桥的物料瞬间塌落，大量物料瞬时返回提升管内，物料循环量变化较大，会导致系统各处的压力脉动较大，对运行和设备安全造成影响。许多研宄人员针对立管内物料架桥和压力脉动进行了研宄。3.2试验工况试验主要考察提升管流化风速（和床料量两个因素对物料循环流率和系统各部分压力变化的影响。流化风速为流化风量按提升管截面积计算出来的表观风速。流化风流量分别选为、对应流化风速分别为。松动风和返料风分别用无量纲流化数表示。3.3两级返料器系统关键设计采用两级返料器的循环流化床系统，提升管、旋风分离器、立管和返料器的设计与常规循环流化床锅炉设计方法完全相同，这方面有大量的设计方法和文

15、献可供依据。当采用两级返料器时，需要为上级返料器的松动风和返料风提供一个出口，因此在上级返料器的出口处引一条管路连接到提升管，提升管上的这个连接口被称为压力平衡口，上级返料器出口处的压力等于提升管压力平衡口处的压力。与此同时，压力平衡口又作为系统压力的分割点，压力平衡口上下的各部分压降总和由不同的返料器来承担。因此，压力平衡口位置的选取至关重要。两级返料器系统的另外一个重要设计参数是两级返料器级间立管的高度，指的是从上级返料器出口到下级返料器立管底部布风板间的距离。当压力平衡口位置确定之后，如果级间立管高度过低，会导致物料堆积过高，造成上返料器无法顺利返料。因此必须选取合适的压力平衡口位置和级

16、间立管高度。下面将从理论分析的角度给出压力平衡口位置和级间立管高度的计算方法，并与试验结果进行对比分析，为工程应用提供参考依据。3.4两级返料器冷态试验结果与分析在采用两级返料器的试验台上，研宄了在合理的压力平衡口取值范围内，不同压力平衡口位置对系统运行特性的影响。图所示的是压力平衡口位置分别取为和处，固体颗粒循环流率随提升管流化风速以及床料量的变化情况。可以看出随着床料量的增加，固体颗粒循环流率逐渐增大，在相同的床料量下，则随着提升管流化风速的增加，固体颗粒循环流率增大。而不同的压力平衡口位置对固体颗粒循环流率几乎没有影响。在提升管流化风速为、固体颗粒循环流率条件下，改变压力平衡口位置，测量

17、了系统压力平衡的变化规律，压力采样周期为取采样周期内压力的平均值。从图中可以看出，压力平衡口位置的改变并未引起系统各部分压降发生变化，当压力平衡口位置较低时，下级返料器立管压降减小，这是因为压力平衡口位置下移，返料器所需克服的提升管下部压差减小，下级返料器立管所需要提供的料封阻力降低，但是降低得并不明显。3.5单级返料器与两级返料器运行特性对比研究3.5.1物料循环流率对比在冷态试验台上，针对采用单级和两级返料器的循环流化床系统，在不同的提升管流化风速、不同床内存料量下，研究了固体颗粒循环流率和系统压力平衡的变化规律。由分析结果可以看出，采用单级返料器结构，各处压力的标准方差较大，说明单级返料

18、器压力脉动较大，采用两级返料器运行更加稳定。4 结论本文针对采用两级返料器和下降段带有倾斜角度返料器的循环流化床系统，进行了一系列冷态试验，考察了操作参数、结构形式对返料器返料特性和系统运行特性的影响，得到了以下主要结论：两级返料器运行特性：在合理的压力平衡口取值范围内，不同的压力平衡口位置对系统固体颗粒循环流率以及各部分压降影响较小，位置不同只会影响两级返料器的压力分配；折算床料量和提升管流化风速相同时，采用单级返料器和两级返料器结构形式，固体颗粒循环流率的变化趋势相同；在相同操作条件下，采用两级返料器时各级立管的料层压降之和与单级返料器立管料层压降相同，原本应该由单级返料器提供的料封阻力改

19、由两级返料器提供，降低了每级返料器所需要承担的压降，避免了物料在立管内堆积过高；在相同工况下，采用单级返料器的循环流化床，不同提升管高度处的压力脉动较大，而采用两级返料器的循环流化床，提升管和立管的压力脉动相对较小，说明采用两级返料器的循环流化床运行更稳定。下降段带倾角返料器运行特性：随着提升管流化风速、床料量和返料风流化数的增加，物料循环流率均逐渐增大；当返料器下降段倾斜度增大时，提升管流化风速、床料量和返料风流化数对物料循环流率的影响更加明显，当返料器倾斜度达到时，在相同操作条件下，物料循环流率的变化趋势与常规返料器基本相同，此时可以减少返料器松动风的布置，降低投资和运行成本；随着提升管流化风速、床料量和返料风流化数的增加，返料器底部颗粒的循环流化床返料器冷态试验研究滞止层变薄，死区厚度减小，滞动比逐渐减小；当