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鼓泡流化床、湍动流化床和快速流化床
AllRed668 2016-9-20 21:48
——谨以此作为科普入门,专业人士请多修正! 流化床作为一种设备常用来处理气固非均相反应。日常工作中,人们常提到的流化床主要有以下几种:流化床、鼓泡(流化)床、湍动(流化)床、快速(流化)床、循环(流化)床、喷动(流化)床。下面将一一定性区分这些 “ 床 ” 。 首先是流化床。流化床( Fluidized bed )这一概念的提出是为了区别于固定床( Fixed/Packed bed )。然而,本质上讲两者可以是同一个设备,即圆筒中架设一块气体分布板(可以透气,但不允许颗粒通过),板上堆积一定高度的颗粒,气体自下而上依次穿过气体分布板和颗粒层。当操作气速(亦称表观气速, U g )小于床中所装颗粒的最小流化速度( U mf )时,人们将这个设备称为固定床;而当 U g 大于 U mf 时,人们将这个设备称为流化床。 流化床实际上是一个笼统的概念,根据 U g 的不同,又可以细分为 鼓泡(流化)床、湍动(流化)床、快速(流化)床、密相输送床和稀相输送床。传统意义上的流化床通常特指鼓泡流化床或者湍动流化床,属于经典流态化范畴,颗粒不会被气体吹出而损失。 鼓泡(流化)床( Bubbling fluidized bed , BFB ) —— 当 U g 介于 U mb (颗粒的最小鼓泡流化速度)和 U c (颗粒的湍动流化速度,此时一般不加前缀 “最小” 两字),流化床可以被具体地叫做鼓泡流化床,一般简称鼓泡床。鼓泡床是一个相对准确的概念,一提起鼓泡床,专业人士脑海中会有具体而鲜明的图像与之对应:床中会不断涌现气泡,非常像水沸腾的样子,因此鼓泡床还有一个形象的“野”名字:沸腾床。 鼓泡流化床动图,请用IE浏览器打开.gif 湍动(流化)床( Turbulent fluidized bed ) —— 当 U g 介于 U c 和 U t (颗粒的终端速度)时,流化床可以被具体地叫做湍动流化床,一般简称湍动床。相比于鼓泡床,湍动床要难形容的多,很难在人的脑海中形成一个清晰的物理图像。当 U g 介于 U mb 和 U c 时,随 U g 增大,床中鼓泡越来越剧烈,气泡尺寸越来越大。但是当 U g 超过 U c 后,随 U g 增加,气泡尺寸反而呈现减小的趋势。 快速(流化)床( Fast fluidizedbed ) —— 当 U g 超过 U t 时,流化床可以被具体地叫做快速流化床,简称快速床、快床。此时,由于气速较高,颗粒会被气体吹出床体,如果没有颗粒补给,床中颗粒很快就会被吹空。在实验室中,如果想长时间观察到这一状态,必须在床体下部设置颗粒补给系统,及时补充被气体吹走的颗粒。 密相(稀相)输送床 —— 这两者实际上是快速床的两个极限特例。一般情况下,快速流化床中颗粒补给速率适中,颗粒呈现上稀下浓的分布状态,下部称为密相段或浓相段,而上部称为稀相段。而当颗粒补给相当给力时,整个快速床中只有浓相段,没有稀相段,此时的快速床即可称为密相输送床。另一个极端,当颗粒补给非常不给力时,整个快速床中只有稀相段,没有浓相段,此时的快速床即可称为稀相输送床。颗粒补给给力的程度可以与当前气速的饱和夹带量比较进行评判。 ( 注:描述不涉及噎塞之类定量现象,只是定性描述。)
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高碳能源
kejidaobao 2012-9-13 08:54
——煤的低二氧化碳排放和高附加值利用 金涌,化学工程专家,北京市人,中国工程院院士。现任清华大学化工科学与技术研究院院长,清华大学化工系教授;中国化工学会常务理事、中国颗粒学会常务理事、中国生态经济学会副主席,北京市政府专业顾问。多年来,通过气固湍流流场时空结构研究,提出了气固流态化流型转变的机理模型和定量判据,发明了湍动流化床新型复合内构件,改善了流化质量,解决了工程放大的难题,成功地用于指导六种工艺,三十余台大型工业流化床反应器的改造或设计。所研究的气固循环流化床、气固超短接触催化反应器,移动床重整反应器、大型节能干燥装置等已成功地应用于工业过程,在生态化工工程与工艺、产品工程、亚微米与纳米粉体技术研究与应用方面也取得重要突破,获得显著经济和社会效益。获1987年国家发明二等奖,1995年国家科技进步二等奖,获技术专利三十余项。 据统计2010年世界探明化石能源储量天然气占21.1%,煤炭占54.78%,石油占24.12%,而同年的化石能源消费结构为天然气占27.37%,煤炭占34.05%,石油占35.58%(2011年世界能源统计报告)。可见煤炭的储采比远大于石油,将成为未来化石能源的主力。而我国化石能源探明储量比例约为煤96.14%,石油1.78%,天然气2.08%,而从消费角度看,近年来虽然石油对外依存度已超过一半,而煤炭仍能占国内一次能源的70%左右。煤炭作为中国的主导化石能源是难以改变的。 我国煤炭探明可采储量约为1886亿吨(国土资源部),人均储量144.23吨,储采比约为73年,而世界8个主要储煤国的储采比都高于100年(其中巴西、俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦四国为300年)。可见用好我国仅有的自然资源十分重要。 另一方面,在所有化石能源中煤炭的碳原子含量最高(煤炭中氢碳比约为0.8:1,石油约为2:1,天然气为4:1)。在我国确立以煤为主的多元能源结构中,在考虑我国能源可持续发展时必须同时注意煤炭资源的高效利用,低CO2排放和高附加值利用的问题,即在低碳发展理念指导下,健康有序地创造出世界领先的煤基化学工业体系,设想在数十年后世界石油资源萎缩显现时,我国若已形成最成熟的煤化工高端产业,将占尽技术上的优势,可以预期煤化工将成为堪比石油化工的第二次辉煌。 上述数据显示出一个十分庞大的煤化工产业发展的优越之处,但必须合理有序地进行,首先需要从煤炭和水资源配置角度考虑统一规划,在选择工艺和产品时也必须仔细斟酌。 1 煤炭资源分质利用原则 首先煤炭是一个复杂的有机和无机质的复合资源,从煤的结构式可以看到它含有大量稠环化合物。倘若将其直接用作燃料,实际上大量氢元素也被烧掉了,十分可惜。焦炭生产就是一个传统分质拆解过程,我国是世界上最大的焦炭生产国,2010年焦炭产量为3.88亿吨,副产焦炉气1500亿m3,焦炉气中含氢约占50%。如果把焦炉气用来与富CO含量煤制合成气相匹配,调配成氢碳比为2:1的甲醇合成原料气,可显著减少CO变换时的CO2的排放。 目前处于产业化过程中的褐煤提质工艺、热解工艺、LFC(Liquids from coal)工艺,则可以在得到高热值半焦燃料的同时获液相产品。美国在怀俄明州建立了处理量为1500吨/日的褐煤热解厂,并已成功运行;国内大唐华银公司煤处理能力为30万吨/年的热解技术也已开发成功,这是较温和的煤拆解分质利用的过程。 2 煤炭资源高能效利用原则 以煤为原料生产不同化工产品的资源消耗量是不同的,在选择近似使用功能的产品时必须注意到它们的资源消耗量和CO2排放量。 统计资料显示不同煤化工产品的煤耗(吨煤/吨产品)约为焦炭1.3,氨1.1,甲醇1.8,二甲醚2.5,各类液态燃油4.5—5.5,烯烃4.3,芳烃5.3等,也可根据其市场售价估算其万元产值的能源消耗和CO2排放,指导优先发展方向。 煤炭的高效利用,不仅表现在产品的能量转化效率,而且最终表现于各种产品的使用效率。可用于交通运输的各种二次能源在使用时的效率,电能利用效率(电能-机械功转换效率75%—80%)远远大于以煤炭转化为液体燃料开内燃机时的利用效率(化学能-机械功转换效率25%—30%),所以纯电动车有很大节能潜力。 3 煤炭资源综合利用原则 已经广泛利用的煤的电-化-热-燃气的四联供,比单一生产具有更高的利用效率,是一种满足城市居民多种需求的最高效和洁净的生产过程。 近年来原油的开采普遍出现重质化和劣质化的倾向,重质原油中碳氢比过高,有两种工艺可以获得碳氢比适中的车用汽油和柴油:其中之一是通过延迟焦化,使其轻质化,但会产生大量价值较低的石焦油;而较为先进的工艺是通过重油加氢催化,可提高15%以上的高品质燃料油收率,所以煤(天然气)制氢技术与重油加氢耦合是一个较好的选择。 4 煤炭资源因地制宜利用原则 从煤化工整体战略布局出发,我国煤炭资源大量蕴藏于西北、东北边缘省份,建议发展煤制天然气,通过管道输送到东南沿海地区。 在较难有充足水资源供应的西北地区,可以考虑发展煤制乙炔路线的煤化工产业,乙炔本身化学活性高,制备工艺路线短,而采用电石干法制乙炔生成过程时,工艺用水量也可大幅度减少。而有可能部分替代电石法乙炔的氢等离子一步法制乙炔工艺已完成千吨级/年规模的中试过程,氢等离子法乙炔没有石灰石参与反应可使能耗显著下降。 5 煤炭资源高附加值利用原则 煤炭资源是诸化石能源中含碳成分最多的品种,因而其在化学转化过程中CO2的排放量较高,所以发展煤化工一定要考虑其产品的附加值。在同样多的CO2排放条件下,产品的附加值增加数倍,就意味着万元GDP产值的CO2排放量下降了数倍,所以这是减少碳排放强度的一个很重要的思路。所以在比较甲醇制燃料油(MTG)、甲醇制乙烯、丙烯(MTO)、甲醇制丙烯(MTP)和甲醇制芳烃(MTA)等多种工艺时,产品附加值是重要的考量标准之一。 6 结论 适度有序发展煤化工产业是现有能源结构大环境下的必然选择,是推进多种能源渠道解决我国能源短缺,特别是缓解我国石油战略资源不足危机的重要替代方法之一。在发展煤化工时需明确若干战略原则,减少盲目性,进行科学决策。本文中提出的分质利用原则、高能效利用原则、综合利用原则、因地制宜利用原则和高附加值利用原则,期望能为上述决策提供一些既坚持低碳理念指导、又适度有序地发展煤化工产业的科学思路。
个人分类: 栏目:卷首语|2604 次阅读|0 个评论
2011-3-14学术
stillme2010 2011-3-14 10:34
开发了一种颗粒模型用于流化床中市政固体废弃物焚烧,包括固体废弃物颗粒燃烧以及重金属挥发。基于一个先前的简化的,非等温版本,该模型包含了一个 asymptotic combustion (渐近)模型用于含碳固体燃烧以及一个 shrinking-core 模型用来描述重金属挥发现象,颗粒在该模型当中被认为是非等温过程。本文的参数研究显示了温度对金属挥发过程的影响。简化的非等温模型的模拟结果和来自于一个实验室规模的流化床燃烧器获得的实验数据进行对比。结果显示颗粒传导会强烈的影响挥发速率和时间的变化关系,目前版本的模型可以很好的拟合床温条件下 the shape of the plots 以及最大重金属挥发速率。
个人分类: 学术啊学术|1849 次阅读|0 个评论
2011-3-11学术
stillme2010 2011-3-11 15:30
溴作为飞灰形成元素在采用固体循环利用燃料在流化床锅炉燃烧 在固体循环利用燃料( solid recovered fuel,SRF )中,塑料材料是溴的主要来源。溴的存在会导致矿渣的形成,生物质和垃圾燃烧过程中导致灰形成物质的熔点的降低以及和炉壁的化学反应,从而产生臭味和腐蚀。 SRF 还可能包含溴源形成应用于许多塑料和纺织工业中的溴化阻燃剂( brominated flame retardants )。本文研究基于 80MWth 泡罩流化床锅炉,结果表明溴表现出和氯相似的特性:在管路的腐蚀表面,以及从炉内和电除尘灰中收集的气雾剂样品中水溶性盐中可以检测到溴。这些证据以及文献佐证可以说明,溴盐,无论其 fate 以及物理、化学属性,均与氯相似。可以得出结论,如果燃料中有溴存在,和氯一样,腐蚀性的高蒸汽压溴化物会形成。
个人分类: 学术啊学术|2329 次阅读|0 个评论
2011-2-25学术
stillme2010 2011-2-25 09:34
本文提出了一种联合了压力流化床燃烧和涡轮增压驱动的污泥焚烧炉。本文采用一套示范装置研究了运行和燃烧特点,并获得了商业装置的设计数据。本装置共稳定运行了超过 600 小时。烟气中 CO, NOx, N2O 排放低于传统装置的一半。在燃烧能力为 100 吨 / 天条件下,和传统装置相比,由于不需要 forced draft fan(PDF) 、 induce draft fan(IDF) 、 feed water pump, 可节能大约 50% 。压力使得燃烧体积降低,可节省大约 25% 的燃料提供。同时,源自电力消耗以及燃料提供产生的 CO2 和传统燃烧炉相比预计每年可以减少 40% ;此外,燃料和电力的费用可减少 23 百万 yen 。因此, % ……该技术好啊¥ % ¥ #% ……。
个人分类: 学术啊学术|1727 次阅读|0 个评论
以论文发表还是技术研发为导向?
chyq721 2009-3-27 07:55
读罢迟菲师姐的博文《从工程角度谈为什么科研成果难以转化为生产力》,心中便搁下一个疑问自己将来是以写论文还是技术研发为导向。 原先以为中科院系统作为中国研究主体,应当是技术研发为主。后来随着对表面科学的深入了解,发现中科院很多院所,特别是做理科类基础研究的,基本上衡量一个人才都是以论文为衡量标准的。之前的了解主要是受广州能源所和山西煤化所的影响,特别是广州能源所的吴创之所长给人以学者与企业家融合的感觉,那么中科院该是以技术研发家技术推广为主。后来对小木虫、科学网(两大论坛主体上用户都是中科院的研究生)了解的深入,发现中科院的研究生们多数也是唯论文者,小木虫论文投稿版之火热可及一般,什么论文模板、投稿信模板等等给人以论文批量产生的感觉,而不是为了凸显研究的特性。于是我也开始思考科研路上该是写论文为主,还是技术研发为主。看到迟菲师姐的博文,以及结合近来跟着导师去了几家企业商讨技术联合开发等事情的感悟,有些话不得不说一说了。 我们课题组之前主打研究方向是流化床,做流化床燃烧、气化,拥有自己的技术。我的导师开发的一项技术已经获得了一些省部级大奖,目前正在冲击国家级奖励。反而,课题组有分量的论文不是很多,多是有商业价值的专利。上周跟着导师去湖北省黄石市讨论一个项目,路上聊到的一件事情是:黄石市做小型流化床锅炉在全国是有名的,而他们的技术基本上都是从课题组学得的,因为产生黄石市各类流化床锅炉制造厂的母公司黄石市建材节能公司是我们课题组最早进行技术输出的公司。总之,课题组自组建起都是以开发自己的技术为主。我们理解的横向课题不是简单的为企业进行测试,那是各类电力设备试验研究所干的事,我们向来是开发自己的技术,联合企业一起进行推广。因此我的博士毕业,有一篇达标的文章足以,但是有分量的发明专利必须有。 两年时间,我的课题已经进入到部分实验数据已经出来,发现了更多的可研究内容,如果有时间也有心情更有压力或动力的话,我是可以立马发表三至五篇行业内高水平文章的。然则,这些数据公开就意味着以这些数据为基础参考数据的新技术专利在没有公开前就失去效益了。于是我进入一种犹豫期。 发表论文,我可以成为学术人才;压着发表论文的数据,转而以此为基础开发技术,我可以拥有自己的技术,或做科研,或者是自己创业都有核心技术在手,未来的发展之路可能会更好。对此要进行选择了。还望众位老师和师兄师姐给以建议。
个人分类: 科研随想|4353 次阅读|1 个评论

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