循环流化床的基本原理与应用
摘要:循环流化床技术广泛应用于石油、化工、能源、动力等过程工业中。

本文分析的循环床引入的背景,主要介绍了循环流化床的基本原理和应用。

关键词:循环流化床流态化催化裂化
循环流化床独特的流体动力特性和结构使其具备许多独特的优点,目前已被广泛应用于石油、化工、冶金、能源、环保等工业领域中的气体加工和固相加工过程。

催化裂化提升管反应器(FCC,Fluid Catalytic Cracking)及循环流化床燃烧反应器(CFBC,Circulating Fluidized Bed Combustion)是这两种过程的典型例子。

1 流态化现象及分类
流态化现象是指固体颗粒在流体(气体或液体)的作用下悬浮在流体中跳动或随流体流动的现象。

在自然界中,如河流的泥沙夹带、沙丘的自然迁移,从广义来说都是一种自然界的流态化现象。

2 循环流化床基本结构
根据工艺要求的不同,工业应用的循环流化床具有不同的结构形式。

总体而言,循环流化床主要由提升管、气固分离器、伴床及颗粒循环控制设备等部分构成。

气、固两相在提升管内可以并流向上、并流向下或逆流运动。

如图2所示的是一种常见的循环流化床系统。

流
化气体从提升管底部引入后,携带由伴床而来的颗粒并流向上流动,气固混合物经过旋风分离器分离后,气体由旋风分离器顶部排除,颗粒向下通过立管返回伴床并通过颗粒循环控制阀再次进入提升管,颗粒的循环路线构成了一个回路。

在实际工业应用中,提升管主要用作化学反应器,而伴床通常可用作调节颗粒流率的贮藏设备、热交换器或催化剂再生器,甚至单纯作为立管以构成颗粒的循环系统。

循环流化床典型的流态包括快速流态化和密相气力输送两种。

快速流态化的典型特征为:气体为连续相,颗粒为分散相;床层压降主要用于悬浮和输送颗粒并使颗粒加速,床层上部的压降小于底部的压降,颗粒浓度呈上稀下浓分布(单调指数型或S 型);空隙率在床层径向为中心大边壁小,颗粒速度在中心区向上,在边壁有时会向下,即有颗粒的返混。

在快速流态化的条件下,继续增大流化气速,或在一定条件下减小颗粒循环量,床层颗粒浓度会不断变稀,轴向分布更趋于均匀。

当床层上部的压降等于床层底部的压降,空隙率呈轴向均匀分布时,快速流态化过渡到密相气力输送状态。

密相气力输送的典型特征为:床层压降主要用于输送颗粒,并且压降随表观气速的增大而减小;床内颗粒聚集倾向明显减弱。

3 循环流态化技术的工业应用
流态化技术在工业中的应用十分广泛,涉及国民经济各行业多个
部门,特别是在石油、化工、冶金、能源、生物、环境等领域。

无论是在物理过程还是在化学过程,催化过程还是非催化过程,煤炭气化或煤炭燃烧都得到了应用。

在物理过程中的应用有:物料输送、细粉的混合、热交换、熔融物料凝固成颗粒、颗粒的干燥、物体的涂敷和颗粒的增长、吸附等。

CFB除外循环还存在内部循环,床中心区颗粒向上运动,而靠近炉壁的物料向下运动,形成内循环。

新加入的物料和气化剂能与高温循环颗粒迅速而完全混合,加上良好的传质传热,可使新加入的低温原料迅速升温,并在反应器底部就开始气化反应,使整个反应器生产强度增加。

如图3示意了循环流化床气化炉,可气化各种煤,也可以用碎木、树皮、城市可燃垃圾作为气化原料。

水蒸气和氧气作气化剂,气化比较完全,气化强度大,是移动床的2倍,碳转化率高达97%,炉底排灰中含碳2%～3%,气化原料循环过程中返回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍,炉内气流速度在5～7m/s之间,有很高的传热传质速度。

4 结语
循环流态化是一种高效、无气泡的气固接触技术,是流态化研究中最活跃的领域之一。

循环流化床独特的流体动力特性和结构使其具备许多独特的优点,目前已被广泛应用于石油、化工、冶金、能源、环保等工业领域中的气体加工和固相加工过程。

本文主要总结了循环流化床的基本原理,在应用方面主要介绍了催化裂化循环流化床和循环流化床气化。