循环流化床的基本原理与应用

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。流化状态分类, 如图1所示。

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。

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