專利名稱：一種s-型流化床的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種流化床，尤其涉及一種循環(huán)系統(tǒng)中的s-型流化床。宵爾伎不循環(huán)流化床技術被廣泛用于熱裂解器，如石油催化裂化器、火力發(fā)電、鍋 爐燃燒、垃圾焚燒和水泥預分解爐。通常來講， 一個循環(huán)流化床系統(tǒng)由一個流 化床、 一個旋風筒、 一個從流化床頂部到旋風筒入口的管道和一個從旋風筒底 部到流化床底部的管道組成。在循環(huán)流化床系統(tǒng)中，油、煤或催化劑從流化床底部進入，然后從流化床 頂部進入旋風筒。進入旋風筒的煤或催化劑中的一部分從旋風筒頂部出去，另 一部分從旋風筒底部再次進入流化床底部進行再循環(huán)。在石油催化裂化系統(tǒng)中，循環(huán)流化床系統(tǒng)中的流化床被叫做上升管。在火 力發(fā)電系統(tǒng)中，循環(huán)流化床系統(tǒng)中的流化床被叫做燃燒室。上升管的傳統(tǒng)結(jié)構是一個長寬比大于20的圓筒。燃燒室的傳統(tǒng)結(jié)構是長寬比大約為5-10的長方體。 氣力輸送系統(tǒng)是指使用風機或泵讓氣體或液體流過水平和垂直管道。氣體 流動中會攜帶固體顆粒，把固體顆粒從一個地方輸送到另外一個地方。這里的 固體顆粒一般有煤粉、水泥生料粉和谷物等。上述的三個系統(tǒng)中由于固體顆粒容易粘附在管內(nèi)壁或燃燒室內(nèi)壁，管內(nèi)壁 或燃燒室內(nèi)壁處顆粒的流速遠小于管道或燃燒室中央顆粒的流速，因此管內(nèi)壁 或燃燒室內(nèi)壁處顆粒的濃度遠大于管道或燃燒室中央顆粒的濃度，即出現(xiàn)在循 環(huán)流化床系統(tǒng)中廣泛存在的"中心一管壁流"流動現(xiàn)象。"中心 一 管壁流"流動現(xiàn)象對煉油工業(yè)中原油的催化裂化過程造成嚴重的 危害。美國芝加哥理工大學的Gidaspow教授在2004年在粉體工程國際期刊上 發(fā)表文章說"中心一管壁流"流動現(xiàn)象造成大規(guī)模的催化劑返混，使得石油 工業(yè)必須開發(fā)新型的催化裂化器。2006年，美國殼牌公司開發(fā)出一種在流動管 道內(nèi)置有多層擋板的催化裂化器。該裂化器能減輕"中心一管壁流"流動現(xiàn)象,但不能根除"中心一管壁流"流動現(xiàn)象。該"擋板型"裂化器發(fā)表于2006年在 粉體工程國際期刊(ChenY. M， "Recent advances in FCC technology", Powder Technology 163， 2-8(2006))。在傳統(tǒng)的直管型流-固流動系統(tǒng)中的純流體相的流動條件下，流體的最高速 度區(qū)在流動系統(tǒng)的中心，在靠近壁面的區(qū)域，速度會遞減，在壁面上，流體的 速度為零；在傳統(tǒng)的直管型流-固流動系統(tǒng)中的流-固兩相流動的條件下，流體的 速度場較流體單相流動時有很大改變，流場中心的速度增至更高，在靠近壁面 的區(qū)域，速度遞減的程度變大，在壁面上，流體的速度方向甚至與主流方向相 反。這種變化源于固體顆粒對流體的作用力，在純流體流動時，由于流體與內(nèi) 壁面壁之間的摩擦大于流體與流體單元之間的摩擦，所以靠近壁面的區(qū)域的速 度小于中心區(qū)域的速度，這使得加入固體顆粒后，靠壁面區(qū)域的顆粒的流動速 度小于中心區(qū)域顆粒的流動速度，結(jié)果造成靠壁面區(qū)域的顆粒濃度大于中心區(qū) 域的顆粒濃度。壁面區(qū)域的顆粒越多，該區(qū)域內(nèi)顆粒對流體的作用力就會大于 在中心區(qū)域顆粒對流體的作用力，這會使得流體更傾向于從中心區(qū)域流過。越 多的流體從中心流過，壁面處的顆粒就會越多，這種正反饋作用機制最終導致 了傳統(tǒng)流化床中的"中心一管壁流"流動現(xiàn)象。在循環(huán)流化床系統(tǒng)中也廣泛地存在著"中心一管壁流"流動現(xiàn)象，其主要 表現(xiàn)是固體顆粒容易粘附在管壁，管壁處顆粒的流速遠小于管道中央顆粒的 流速，管壁處顆粒的濃度遠大于管道中央顆粒的濃度。"中心一管壁流"流動 現(xiàn)象給整個系統(tǒng)造成大的壓力損失、顆粒返混、顆粒堵塞以及嚴重的壁面磨損 問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為背景技術中的流化床存在的"中心一管壁流"的技術問題，而提供一種流體相的速度和固體顆粒相的速度和濃度分布均勻的s-型流化床。本發(fā)明的主要技術解決方案是本發(fā)明為一種S-型流化床，其特殊之處在 于該流化床的內(nèi)壁面沿長軸方向呈波浪形。上述波浪形流化床的內(nèi)壁面為鋸齒形、之字形、"S"形或正弦曲線形。 上述S-型流化床的截面形狀為圓形、方形、橢圓、長方形或正多邊形，上述S-型流化床的截面形狀優(yōu)選為圓形、方形。上述流化床對稱的兩內(nèi)壁面均為波浪形，兩波浪形的形狀對稱平行。 上述波浪形的背脊的中間點到相鄰凹槽的中間點的壁面構成波浪形的一 級，波浪形為一級或多級。上述波浪形級與凹槽的中間點法線的夾角小于90度，更好地是在60到85 度之間，最佳為65， 70， 75， 80， 82， 83或85度。上述背脊的中間點到相鄰凹槽的中間點在軸向上的距離級高和流化床徑向 上的比值為0.001到20之間，比較優(yōu)化的比例應該在0.01到5之間，更加優(yōu)化 的比例應該在0.05到2之間，最優(yōu)化的比例應該在0.1到1之間，具體為0.1, 0.2， 0,3， 0.4， 0.5， 0.6， 0.7， 0.8， 0.9或1。在本發(fā)明的S-型流化床中，流化床的內(nèi)壁面沿長軸方向呈波浪形，流體流 動的高速度區(qū)域與低速度區(qū)域在靠近壁面的區(qū)域沿內(nèi)壁面的軸向方向交替地出 現(xiàn)。這些高速度區(qū)域可以防止顆粒在近壁處減速或返流。假如顆粒沿內(nèi)壁面壁 返流，他們會遇到高速度區(qū)域，受到高速度區(qū)域的流體的反向作用力，重新沿 主流方向流動，從而避免了返混現(xiàn)象；由于流固相互作用力的緣故，使得本發(fā) 明的S-型流化床中流體相和固相的速度、濃度和溫度分布更加均勻。因此本發(fā) 明具有以下優(yōu)點1、 完全防止傳統(tǒng)反應器中的催化劑大范圍的返混問題從而最優(yōu)控制催化劑 在反應器中的停留時間，有利于提高催化反應，降低熱反應。2、 讓催化劑在反應器中均勻分布，從而提高反應效率。3、 壓力損失減小約30%，從而節(jié)約能源消耗，壓力損失能夠減小的原因是 因為返混問題得以解決。4、 壓力波動減小約200%，同樣歸功于返混問題得以解決。5、 減少高濃度輸送情況下的堵塞問題。6、 減輕壁面磨損。本發(fā)明可廣泛用于氣力輸送，催化裂化，煤炭發(fā)電，礦物煅燒和水泥預分 解等領域。


圖1-4為本發(fā)明的S-型流化床的4個實施例的結(jié)構示意圖； 圖5是本發(fā)明S-型流化床中實施例中的一個縱截面上的單純氣相流動時的 速度場分布；圖6是本發(fā)明S-型流化床中實施例中一個縱截面上的單純氣相流動時的速 度場分布與氣-固兩相流動時的速度場分布的對比圖。
具體實施方式
本發(fā)明適用于直管的氣力輸送系統(tǒng)，更加適用于在循環(huán)流化床系統(tǒng)。 本發(fā)明的S-型流化床的截面形狀最好是一個圓或者方形，也可以是一個橢 圓、長方形或者其它正多邊形。當本發(fā)明的s-型流化床的截面是正多邊形時，所說的內(nèi)壁面是由該多邊形的邊組成，其中至少對稱的兩內(nèi)壁面是呈波浪形的。當本發(fā)明的s-型流化床的截面是一個圓或者橢圓時，對稱的內(nèi)壁面呈波浪形。在所有的s-型流化床中，呈波浪形的內(nèi)壁面最好是成對對稱出現(xiàn)而且相互平行。參見圖1-4,本發(fā)明的S-型流化床軸向高度(H)是指背脊的中間點到凹槽 的中間點在z-方向的距離。直徑D是S-型流化床的截面的直徑或者寬度。直徑 (D)和級高(H)的最優(yōu)比例級高(H)和直徑(D)的比值應在0.001到20之間，比較優(yōu)化的比例應該 在0.01到5之間，更加優(yōu)化的比例應該在0.05到2之間，最優(yōu)化的比例應該 在0.1到1之間，比如最優(yōu)化的級高(H)和直徑(D)的比值為0.1， 0.2， 0.3， 0.4， 0.5， 0.6， 0.7， 0.8, 0.9或者1。工業(yè)中循化流化床熱反應器(如催化裂化器，鍋爐和水泥分解爐)的尺寸 有越來越大的趨勢。比如一個工業(yè)鍋爐可以有42米高，其頂部橫截面可達21.1 X9.9 m2 ，其底部橫截面可達21.1X5.2 m2 。本發(fā)明的S-型流化床的流化床的 尺寸和工業(yè)中的流化床應該相近。 一個S-型流化床鍋爐的最優(yōu)級高(H)和直徑 (D)的比值應在0.05到0.1之間。由于工業(yè)中流化床鍋爐的直徑遠大于流化床催化裂化器的直徑(通常為0.7-1.5 m)。所以一個S-型流化床催化裂化器的級 高(H)和直徑(D)的最優(yōu)比值應在O. 1到1之間。波浪形級與凹槽的中間點法線(即x-軸和凹槽處的內(nèi)表面)之間的夾角(d) 被命名為"波浪角"，其大小應當小余90度。形成波浪角的兩條射線分別是水 平軸或x-軸和級的片段的內(nèi)表面。在本發(fā)明中，至少有一個波浪角(d)是小于 90度。比較好的情況是有2個以上的連續(xù)的波浪角都小于90度，最好的情況是 有3個以上的連續(xù)的波浪角都小于90度。如果波浪角等于90度，那么級的片 段的內(nèi)表面就和z-軸平行，就變成傳統(tǒng)的直管型流-固流動系統(tǒng)。本發(fā)明的S-型流化床的上下兩端的兩級可以是直管，也就是平行于z-軸。 除了上下兩端的兩級外，其它位于中間的級的波浪角度的大小應該在30到89 度之間，更好地是在60到85度之間，最好是比如65， 70， 75， 80， 82， 83或 者85度。圖1所示的波浪角為75度。本發(fā)明的S-型流化床交替出現(xiàn)的脊背和凹槽最好是均勻出現(xiàn)，并且其控制 參數(shù)如層高和波浪角都是均勻的。不過，如圖3-4所示，本發(fā)明的S-型流化床 的波浪形不一定要絕對均勻。波浪角(d)可能隨H/D比值的變化而變化。其最優(yōu)化值為70， 75, 80， 85或者89度。H/D比值最好是0.5， l或者2。在傳統(tǒng)直管型流化床中的絕大部分區(qū)域，床體中心的空隙度都高于臨近內(nèi) 壁面壁區(qū)域的空隙度。這說明內(nèi)壁面壁處的固體顆粒濃度高于床體中心的顆粒 濃度。在一個斜度很大的S-型流化床的具體設計中，固體顆粒大部分都貼內(nèi)壁 面流動并且從內(nèi)壁面的一邊到內(nèi)壁面的另一邊來來回回地運動。在一個斜度不 大的S-型流化床的具體設計中，固體顆粒大部分都從床體中心向上流動。參見圖5，流-固流動系統(tǒng)中的流體流動特性在傳統(tǒng)的直管型流固流動系 統(tǒng)中的純流體相的流動條件下，流體的最高速度區(qū)在流動系統(tǒng)的中心，在靠近 內(nèi)壁面的區(qū)域，速度會遞減，在內(nèi)壁面上，流體的速度為零。另外，在傳統(tǒng)的 直管型流固流動系統(tǒng)中的流固兩相流動的條件下，流體的速度場較流體單相流 動時有很大改變，流場中心的速度增至更高，在靠近內(nèi)壁面的區(qū)域，速度遞減 的程度變大，在內(nèi)壁面上，流體的速度方向甚至與主流方向相反。這種變化源于固體顆粒對流體的作用力。在純流體流動時，由于流體與內(nèi)壁面壁之間的摩 擦大于流體與流體單元之間的摩擦，所以靠近內(nèi)壁面壁的區(qū)域的速度小余中心 區(qū)域的速度，這使得加入固體顆粒后，靠內(nèi)壁面區(qū)域的顆粒的流動速度小余中 心區(qū)域顆粒的流動速度。結(jié)果造成靠內(nèi)壁面區(qū)域的顆粒濃度大于中心區(qū)域的顆 粒濃度。內(nèi)壁面壁區(qū)域的顆粒越多，該區(qū)域內(nèi)顆粒對流體的作用力就會大于在 中心區(qū)域顆粒對流體的作用力，這會使得流體更傾向于從中心區(qū)域流過。越多 的流體從中心流過，內(nèi)壁面壁處的顆粒就會越多，這種正反饋作用機制最終導 致了傳統(tǒng)流化床中的"中心一管壁流"流動現(xiàn)象。如圖6所示，S-型流化床中純氣相流動時的流場跟傳統(tǒng)的直管型流-固流動系統(tǒng)中純氣相流動時的流場有顯著不同。s-型流化床中，高速度區(qū)域與低速度區(qū)域在靠近內(nèi)壁面壁的區(qū)域沿內(nèi)壁面的軸向方向交替地出現(xiàn)。這些高速度區(qū)域可 以防止顆粒在近壁處減速或返流。假如顆粒沿內(nèi)壁面壁返流，他們會遇到高速 度區(qū)域，受到高速度區(qū)域的流體的反向作用力，重新沿主流方向流動。由于流固相互作用力的緣故，S-型流化床中流-固兩相流動時的流場通常比純流體流動 時的流場要更均勻。從目前的計算結(jié)果和小型實驗的結(jié)果看，本發(fā)明能夠有效解決循環(huán)流化床 和氣力輸送系統(tǒng)中的顆粒沿內(nèi)壁面壁返混問題。不過，由于在循環(huán)流化床系統(tǒng) 的流化床中一般會有化學反應，而在氣力輸送管道系統(tǒng)中一般沒有化學反應， 而化學反應跟顆粒和流體的充分和均勻接觸很相關，所以返混問題對于循環(huán)流 化床系統(tǒng)的危害性一般都比對氣力輸送系統(tǒng)大，故而本發(fā)明對于循環(huán)流化床系 統(tǒng)的效率的提高會遠比對氣力輸送系統(tǒng)大。
權利要求
1、一種S-型流化床，其特征在于該流化床的內(nèi)壁面沿長軸方向呈波浪形。
2、 根據(jù)權利要求1所述的S-型流化床，其特征在于所述波浪形流化床的 內(nèi)壁面為鋸齒形、之字形、"S"形或正弦曲線形。
3、 根據(jù)權利要求2所述的S-型流化床，其特征在于所述S-型流化床的截 面形狀為圓形、方形、橢圓、長方形或正多邊形。
4、 根據(jù)權利要求3所述的S-型流化床，其特征在于所述S-型流化床的截面形狀優(yōu)選為圓形、方形。
5、 根據(jù)權利要求l或2或3或4所述的S-型流化床，其特征在于所述流化床對稱的兩內(nèi)壁面均為波浪形，兩波浪形的形狀對稱平行。
6、 根據(jù)權利要求5所述的S-型流化床，其特征在于所述波浪形的背脊的中間點到相鄰凹槽的中間點的壁面構成波浪形的一級，所述波浪形為一級或多級。
7、 根據(jù)權利要求6所述的S-型流化床，其特征在于所述波浪形級與凹槽的中間點法線的夾角小于卯度，更好地是在60到85度之間，最佳為65， 70， 75， 80， 82， 83或85度。
8、 根據(jù)權利要求6所述的S-型流化床，其特征在于所述背脊的中間點到 相鄰凹槽的中間點在軸向上的距離級高和流化床徑向上的比值0.001到20之 間，比較優(yōu)化的比例應該在0.01到5之間，更加優(yōu)化的比例應該在0.05到2之 間，最優(yōu)化的比例應該在O.l到1之間，具體為O.l， 0.2， 0.3， 0.4， 0.5， 0.6， 0.7， 0.8， 0.9或1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種S-型流化床，本發(fā)明的主要技術解決方案是該流化床的內(nèi)壁面沿長軸方向呈波浪形。本發(fā)明為解決背景技術中流化床由于“中心-管壁流”現(xiàn)象而引起的壓力損失、顆粒返混、顆粒堵塞以及嚴重的壁面磨損問題，提供了一種流體相的速度和固體顆粒相的速度和濃度分布均勻的S-型流化床。
文檔編號B01J8/24GK101219356SQ20071001883
公開日2008年7月16日 申請日期2007年10月9日 優(yōu)先權日2007年10月9日
發(fā)明者余艾冰, 褚開維 申請人:褚開維;余艾冰