Способ охлаждения газов и охладитель циркулирующего флюидизирующего слоя

 

Использование: способ и охладитель, основанный на технике циркулирующего флюидизированного слоя, для охлаждаемых газов. Сущность изобретения: охлаждающий газ подается через флюидизированный слой, образованный веществом циркулирующего флюидизированного слоя. Часть вещества циркулирующего флюидизированного слоя проходит вдоль потока газа, в результате чего вещество циркулирующего флюидизированного слоя, входящее в поток газа, отделяется от потока газа и возвращается во флюидизированный слой, в котором по меньшей мере часть охлаждения производится посредством охлаждения возвращаемого потока вещества циркулирующего флюидизированного слоя. Все охлаждение осуществляется посредством охлаждения потока вещества циркулирующего флюидизированного слоя, возвращаемого в теплообменник отдельно от трубопровода потока газа. В этом случае охлаждение потока газа осуществляется посредством потока вещества циркулирующего флюидизированного слоя, возвращаемого во флюидизированный слой и обладающего температурой меньшей, чем температура флюидизированного слоя. 2 с. и 8 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу охлаждения газов, использующему технику циркулирующего флюидизированного слоя, при котором газ проходит через флюидизированный слой, образованный веществом циркулирующего флюидизированного слоя так, что часть вещества циркулирующего флюидизированного слоя проводится вдоль газового потока, в результате чего вещество циркулирующего флюидизированного слоя, входящего в газовый поток, отделяется от потока газа и возвращается в флюидизированный слой, в котором по меньшей мере часть охлаждения проводится посредством охлаждения возвращаемого потока вещества циркулирующего флюидизированного слоя.

Изобретение также относится к охладителю с циркулирующим флюидизированным слоем для охлаждения газа, который включает средства для подачи охлаждаемого газа в охладитель, выпускной трубопровод для выхода охлажденного газа, специальное вещество циркулирующего флюидизированного слоя, образующего флюидизированный слой в нижней части охладителя и проходящего вдоль газа к выпускному трубопроводу, по меньшей мере один возвратный трубопровод для возврата вещества циркулирующего флюидизированного слоя во флюидизированный слой и по меньшей мере один охлаждающий элемент для охлаждения потока газа и вещества циркулирующего флюидизированного слоя.

Техника циркулирующего флюидизированного слоя широко применяется в процессах горения и выделения газов. Существенным преимуществом техники циркулирующего флюидизированного слоя по сравнению с другими типами реакций является значительная массо- и теплопередача между частицами и газом. При использовании остаточной скорости газа в реакторе получается практически изотермическое состояние. Это в значительной степени способствует управлению процессами горения и выделения газов.

В заявке Финляндии N 813717 также описывается вариант осуществления техники циркулирующего флюидизированного слоя при восстановлении тепла из газов, содержащих расплавленный материал и/или пары. Рабочий газ охлаждается посредством охлаждающих элементов, напрямую охлаждающих поток газа, а вещество циркулирующего флюидизированного слоя, входящее в газовый поток, возвращается во флюидизированный слой, в трубопровод, идущий от газового выпускного трубопровода в сторону флюидизированного слоя. Однако регулирование температуры газа, и в особенности, когда желательна определенная температура работы охладителей, размещенных прямо в потоке газа, недостаточно эффективно, и в результате рабочий диапазон аппарата достаточно узок. Кроме того, охлаждение частиц, входящих в поток газа в таком охладителе, недостаточно эффективно, почему они и возвращаются во флюидизированный слой относительно горячими, что в дальнейшем ухудшает работу устройства.

С точки зрения охладителя циркулирующего флюидизированного слоя существенно, чтобы поток вещества циркулирующего флюидизированного слоя мог бы регулироваться независимо от расчетной нагрузки устройства. Кроме того, во многих процессах желательно, чтобы температура реактора оставалась постоянной при широком диапазоне нагрузок. Это особенно важно в устройствах, в которых химическая кинетика требует работы в узком диапазоне температур. В известных вариантах осуществления техники циркулирующего флюидизированного слоя это не возможно.

Известно охлаждение возвратного потока рециркулирующего потока частиц. Например, в патенте США N 4165717, для возвратной циркуляции был использован теплообменник, основанный на технике барботажа флюидизированного слоя. Затем должен быть использован, например, отдельный поток флюидизирующего газа, который обладает отрицательным воздействием на работу циклона. Кроме того, решение осложнено реализацией на практике, а регулировкой процесса трудно управлять. В некоторых случаях было бы практично во многих отношениях сконструировать охлаждаемый возвратный трубопровод, причем в этом случае обычно было задействовано небольшое количество охладителя в возвратном трубопроводе. Эти решения являются сложными и трудными для реализации, их управляемость достаточно низка, а диапазон работы узок.

Наиболее близким к изобретению является способ охлаждения газов и охладитель циркулирующего флюидизирующего слоя по патенту СССР N 1205786, включающие подачу газов через флюидизирующий слой материала при одновременном охлаждении последнего, отделение материала от газов и возврата его в слой. Известный охладитель по указанному патенту содержит корпус с реакционной камерой, средства подачи охлаждаемого газа, выпускной трубопровод для охлажденного газа, трубопровод возврата материала и охлаждающий элемент для охлаждения газа и материала.

Целью изобретения является разработка способа и охладителя с циркулирующим флюидизированным слоем, в котором температура выхода потока рабочего газа может регулироваться в широких пределах вне зависимости от нагрузки на установку.

Предложенный способ отличается тем, что практически все охлаждение осуществляется посредством охлаждения потока вещества циркулирующего флюидизированного слоя, возвращаемого в теплообменник, выполненный отдельно от трубопровода газового потока посредством охлаждающей среды, отдельной от вещества циркулирующего флюидизированного слоя, в котором процесс охлаждения газового потока осуществляется посредством потока вещества циркулирующего флюидизированного слоя, возвращаемого во флюидизированный слой и обладающего температурой меньшей, чем температура флюидизированного слоя.

Предложенный охладитель циркулирующего флюидизированного слоя содержит один теплообменник в качестве охлаждающего элемента, через который проходит охлаждающая среда, все возвратные трубопроводы для возврата вещества циркулирующего флюидизированного слоя во флюидизированный слой проходят через теплообменник так, чтобы возвращаемое вещество циркулирующего флюидизированного слоя охлаждалось в теплообменнике отдельно от охлаждающей среды, предусмотрено закрытое пространство с отверстием в нижней части охладителя, причем в этом закрытом пространстве возвращаемое вещество циркулирующего флюидизированного слоя постоянно образует пробкообразный слой, тем самым предотвращая поток газа через возвратные трубопроводы в выпускной трубопровод.

Отличительным признаком предложенного способа является то, что подавляющее количество охлаждающего газа (предпочтительно 80-100% общего количества) получается посредством охлаждения твердых частиц в охладителе, расположенном по существу вертикально в возвратном трубопроводе для твердых частиц, причем твердые частицы свободно проходят через охладитель под воздействием гравитационного ускорения и благодаря охлаждению газа посредством охлажденных возвратных твердых частиц. Цель достигается благодаря тому, что подавляющее количество охлаждающих поверхностей расположено в возвратном потоке твердых частиц охладителя циркулирующего флюидизированного слоя, причем в этом случае охлаждаемый газ по существу не находится в контакте с охлаждающими поверхностями, но охлаждение газа осуществляется смешиванием частиц, которые были захоложены в теплообменнике, соединенном с возвратным трубопроводом для вещества циркулирующего флюидизированного слоя, с рабочим газом.

В соответствии с изобретением теплообменник имеет несколько возвратных трубопроводов или трубок, через которые вещество циркулирующего флюидизированного слоя (песок) может проходить через теплообменник вниз, при теплообменнике, служащем охлаждающим элементом при протоке воздуха или любой другой подходящей среды через него по соседним трубопроводам, среда проходит вне возвратных трубопроводов, охлаждая их стенки и тем самым также возвращаемое вещество циркулирующего флюидизированного слоя. Преимуществом процесса в соответствии с изобретением является то, что регулировка эффективности охлаждения легка и проста в осуществлении, так как охлаждение производится в основном косвенно посредством охлаждения вещества циркулирующего флюидизированного слоя, а меньшая часть охлаждения производится напрямую так, чтобы рабочий газ проходил вдоль теплопроводящей внешней поверхности охладителя.

На фиг. 1 показан принцип конструкции и работы охладителя циркулирующего флюидизированного слоя в соответствии с изобретением, на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 впрыскивающее основание охладителя циркулирующего флюидизированного слоя; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3.

Предложенный охладитель циркулирующего флюидизированного слоя включает реактор 1 горячего газа, откуда газ, подлежащий охлаждению, подается в охладитель циркулирующего флюидизированного слоя. Решетка 2 рециркулирующего газа имеет орошающие сопла 13 и 13а, из которых рециркулирующий газ подается во флюидизированный слой и сопла 3 горячего газа. Поперечное сечение нижней части охладителя циркулирующего флюидизированного слоя (т.е. камера флюидизированного слоя), для обеспечения достаточной концентрации частиц больше, чем сечение кольцевой верхней части, т.е. реактивной камеры 5, через которую газ и частицы проходят в верхнюю часть охладителя циркулирующего флюидизированного слоя.

Из кольцевой реактивной камеры 5 газы и частицы вещества циркулирующего флюидизированного слоя проходят тангенциально в наклонную камеру 9 через лопастную решетку 6 циклона, расположенную симметрично относительно оси в верхней части охладителя циркулирующего флюидизированного слоя. Газ, практически очищенный от частиц, выходит через центральную трубку циклона, т.е. выпускную трубку 7, для дальнейшей обработки. Промежуточная перегородка 8, расположенная внутри циклона, разделяет циклонную камеру 9 и камеру 15 распределения частиц, расположенную снизу от нее. Распределительная камера распределяет поток частиц, проходящий возвратную циркуляцию, т.е. возвращаемый во флюидизированный слой, равномерно между возвратными трубопроводами или трубками рекуперативного теплообменника 10. Участок 14 с соплами установлен в аппарате для образования закрытой камеры, в которой вещество циркулирующего флюидизированного слоя, возвращаемое через теплообменник 10, образует пробкообразный слой, равномерно протекая через отверстие в центре участка 14 с соплами в камеру 4 флюидизированного слоя. Это предотвращает поток газа вверх через теплообменник 10. Входное отверстие для охлаждающего потока газа или другой среды в теплообменник 10 отмечено позицией 11, а выходное отверстие указанного потока из теплообменника позицией 12. Поток охлаждающей среды проходит через теплообменник вне возвратных трубопроводов, охлаждая трубопроводы и поток частиц, содержащийся в них, одновременно нагреваясь.

На фиг. 2 изображена кольцевая реактивная камера 5, в центре которой симметрично расположен рекуперативный охладитель 10. Возвратные трубопроводы 10а, выступающие из камеры 15 в пространство участка 14 с соплами, проходят через охладитель 10. Охлаждающая среда (воздух, другой подходящий газ, вода, какая-либо жидкость или пар в зависимости от применения) протекает вне трубопроводов 10а.

П р и м е р.

Горячий газ Вход Выход Температура 960^оС 480^оС Давление 1,1 МПа 1,0 МПа Подача газа 86,8 моль/c 86,8 моль/с Подача Na₂S 0,37 моль/с 0,37 моль/с Подача Na₂CO₃ 0,88 моль/с 0,88 моль/с Охлаждающий воздух Вход Выход Температура 290^оС 416^оС Давление 1,3 МПа 1,2 МПа
Подача газа 5410 моль/с 5410 моль/с
Концентрация частиц в нижней части охладителя циркулирующего флюидизированного потока составляет 50-150 кг/м³, а в верхней части 5-30 кг/м³. Используя рециркулирующее вещество, обладающее подходящим распределением размеров, профиль плотности частиц может быть отрегулирован в указанных пределах вне зависимости от подачи газа. Обычная скорость газа, соответствующая реальной конструкции аппарата, изменяется в пределах 3-8 м/с. Если распределение размеров частиц вещества рециркуляции не может быть выбрано, в некоторых случаях необходимо использовать значительно большие скорости, вплоть до 30 м/с.

В соответствии с изобретением достаточная подача вещества циркулирующего флюидизированного слоя достигается благодаря рециркулирующему газу, который проходит в охладитель циркулирующего флюидизированного слоя через отдельное впрыскивающее основание 16 от сопел 13 так, чтобы оно образовало зону между соплами 3 горячего газа во флюидизированном состоянии.

В соответствии с изобретением охладитель циркулирующего флюидизированного слоя имеет преимущество, обладая двойным впрыскивающим основанием, в котором охлаждаемый горячий газ подается в охладитель через сопла 3 достаточно большого размера (20-60 мм), а рециркулирующий газ подается через меньшие сопла 13. Кроме того, флюидизированный газ подается через сопловые отверстия 3, которые предусмотрены в нижней пластине 16а двойного впрыскивающего основания 16 и которое пропускает рабочий газ вокруг входящего потока рабочего газа так, чтобы верхнее впрыскивающее основание 16в над отверстиями 3 рабочего газа имело отверстия 13а диаметром большим, чем диаметр отверстий 3 в месте расположения указанных отверстий рабочего газа так, что флюидизирующий газ В, проходящий через трубку 2, течет между верхним и нижним впрыскивающими основаниями 16а и 16в и подается вокруг потока А рабочего газа в кольцевой форме в дополнение к своему потоку через сопловые отверстия. При такой конструкции можно избежать осаждения на соплах для горячего газа, что в противном случае часто представляет проблему, если горячий газ содержит конденсирующиеся вещества или благодаря своей высокой температуре стремится расплавить вещество флюидизированного слоя вокруг сопел.

В некоторых случаях было бы практичным добавлять или устанавливать высокую концентрацию частиц только в пустой зоне над впрыскивающим основанием. В этом случае можно, например, предотвратить образование колец вокруг сопел горячего газа без увеличения потока твердых частиц, проходящего через охладитель. Кроме того, плавящиеся и конденсирующиеся вещества, которые, возможно, присутствуют, благодаря этому могут быть собраны вокруг указанного вещества большой подачи. Подача вещества циркулирующего флюидизированного слоя устанавливается посредством вещества более мелко разделенных частиц. Регулированием потока рециркулирующего газа можно регулировать подачу вещества через теплообменник, соединенный с потоком вещества циркулирующего флюидизированного слоя, а в этом случае также регулируется теплообменная способность. Благодаря уменьшению потока рециркулирующего газа значительная часть частиц остается во флюидизированном состоянии на основании сопла охладителя, а влияние регулировки потока рециркулирующего газа осуществляется быстро и эффективно. Другим способом регулирования теплообменной способности является добавление или уменьшение вещества циркулирующего флюидизированного слоя в охладителе.

Формула изобретения

1. Способ охлаждения газов путем их подачи через флюидизированный слой материала при одновременном охлаждении последнего, отделения материала от газов и возврата его в флюидизированный слой, отличающийся тем, что отделяют от флюидизированного слоя часть материала, охлаждают ее путем бесконтактного теплообмена с охлаждающей средой и затем возвращают указанную часть в слой для его охлаждения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют потоки сжижающего и горячего газов для управления потоком материала циркулирующего флюидизированного слоя.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поддерживают температуру горячего газа выше температуры сжижающего газа, подаваемого кольцеобразным потоком вокруг потока горячего газа, для управления потоком материала циркулирующего флюидизирующего слоя.

4. Способ по любому из пп. 1 3, отличающийся тем, что материал слоя образован из крупных и мелких частиц, причем поток материала для охлаждения слоя сформирован из мелких частиц.

5. Охладитель циркулирующего флюидизирующего слоя, содержащий корпус с реакционной камерой, средства подачи охлаждаемого газа, выпускной трубопровод для охлажденного газа, трубопроводы возврата материала и охлаждающий элемент для охлаждения газа и материала, отличающийся тем, что охладитель дополнительно содержит камеру флюидизированного слоя, расположенную под реакционной камерой и выполненную с отверстием в нижней части, при этом в качестве охлаждающего элемента используют теплообменник, в котором расположены указанные трубопроводы возврата материала.

6. Охладитель по п.5, отличающийся тем, что он дополнительно содержит циклонную и распределительную камеры, причем циклонная камера расположена в верхней части корпуса, в центре циклонной камеры размещен указанный выпускной трубопровод, распределительная камера размещена между теплообменником и циклонной камерой и отделена от нее перегородкой.

7. Охладитель по п.5 или 6, отличающийся тем, что он дополнительно содержит дроссельное сопло, расположенное в нижней части камеры флюидизирующего слоя по существу симметрично теплообменнику.

8. Охладитель по любому из пп.5 7, отличающийся тем, что корпус имеет кольцевое поперечное сечение, циклонная камера и теплообменник расположены внутри корпуса симметрично, а трубопровод для охлажденного газа выполнен кольцевым и обрамляет теплообменник.

9. Охладитель по любому из пп. 5 8, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сопла рециркулирующего газа и горячего газа, сформированные в виде основания.

10. Охладитель по любому из пп.5 9, отличающийся тем, что в основании выполнены кольцевые трубопроводы рециркулирующего газа, обрамляющие сопла горячего газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4