离心式分选装置及从热气体 中分离颗粒的方法 本发明涉及如权利要求1前序部分所述的离心式分选装置。本发明还涉及如权利要求19前序部分所述的从气流中分离颗粒的方法。
更具体地讲，本发明涉及的离心式分选机包括：
-一个由若干大体上为平面的壁形成的涡流室，包括第一壁，该涡流室有一个内部气体容积，其截面显然是非圆形的，
-至少一个设在第一壁上的气体入口，用于将含有颗粒的气体导入所述气体容积中，以及至少一个气体出口，用于从涡流室中引出净化过的气体，而且是与所述气体容积相通的，以便在所述气体容积中建立至少一个气体涡旋，和
-至少一个来自所述气体容积的分离颗粒出口。
US5,281,398中披露了这样一种离心式分选机。包含于热气流中的颗粒在一个由若干大体上为平面的壁形成的涡流室中分离，该涡流室的截面优选为方形，或其它多角形。与常规离心式分选机相比，该分选机有若干优点，特别是在结构、成本等方面具有优势。气体通过设在侧壁上的一个或几个气体入口导入涡流室，以便引导气体切向进入涡流室，从而在气体被导入时使其转动或旋动最大。这种离心式分选机在与循环流化床反应器一起使用时比较理想，而且，如在一份题为“PyroflowContact：A Second Generation CFB Boiler by Ahlstrom Pyropower”(Gamble等，Fluidized Bed Combustion，Vol.2，ASME，1993，P.751-760)地文献中所述，可以商业规模用在锅炉上。
尽管这种平面壁的离心式分选机有很多优点，但按照本发明已认识到这种分选机的工作效率因为气体入口的平面几何形状而存在缺陷。在入口部位，气体涡旋周围的颗粒在沿设有气体入口的涡流室的前壁流动时倾向于从气体中分离出来，干扰气体被正常导入涡流室，干扰理想的气体在该涡旋中的转动或旋动强度。
因此，本发明的目的是提供一种改进的离心式分选装置及其操作方法。
本发明的主要目的是提供一种具有平面壁的改进的离心式分选机，及其操作方法，它能够加大气体和颗粒的涡旋作用，并防止颗粒从涡流室里的涡流中过早分离。
本发明的另一个目的是提供一种改进的离心式分选机及其操作方法，它可以降低涡流室内的气体对气体入口造成的干扰或破坏。
本发明的再一个目的是提供一种改进的离心式分选机及其操作方法，它可以降低在涡流室内涡旋的气体和颗粒对导入涡流腔的气体的干扰作用。
上述目的可以用本发明的离心式分选机及其操作方法来实现，其特征在于，它具有包含于权利要求1和19中的特征。
因此，按照本发明，提供了一种装置和方法，它能克服上文提及的缺陷，如可能发生在诸如US5,281,398所披露的优选离心式分离机中的对气体入口里的气流的干扰。接近气体入口的前板部分被设计成颗粒能在气体涡旋中旋动，但倾向于分离，其从沿所述前板的运动向沿气流导入方向运动的改向是平滑的，即平行于或接近平行于被导入涡流室的气流。这样，在气体被切向导入涡流室期间的涡旋作用确实能够加强。
按照本发明的第一个方面，提供了一种离心式分选装置，它包括如下与披露于US5,281,398中的分选机相同的部件：若干大体上为平面的壁，包括第一壁，由这些壁形成具有内部气体容积的涡流室，并在该涡流室中形成至少一个涡旋，该气体容积的截面显然是非圆形的(其圆度大于1.1，优选大于1.3，最好大体上为方形)。至少有一个用于将清洁气体从该气体容积中引出的出口。设在第一壁上的至少一个气体入口，用于将含有颗粒的气体导入该气体容积；以及至少一个用于引出气体容积中分离的颗粒的出口。
根据本发明的一个方面，提供了气体入口本身的一种特殊结构，和设在涡流室内的额外的导流装置，以防止气体流在被导入涡流室时的扰动。气体入口包括至少一个细长形的射流限定壁，该壁的自由端由所述第一壁向气体容积中延伸一个第一距离，以形成一个大体上与该气体容积中的气体涡旋相切的气体射流。所提供的导向装置包括用于在第一壁与射流限定壁之间导引气体涡流的装置，以使从气体涡旋中的气体里分离出来的颗粒从沿第一壁的方向顺利转变为与气体射流方向大体一致的方向(例如，在气体入口处大体上垂直于第一壁，并大体上与气体涡旋相切)。
所述导向装置优选包括一个插在射流限定壁的自由端部分与第一壁之间的一个插入件，并形成一个改变气流方向的表面。该表面可以大体上为平面或弧形。该插入件可以大体上为固体耐火材料(如陶瓷)或具有若干冷却气流方向改变表面的冷却流体循环管。另外，射流限定壁和邻近插入件的第一壁部分可以有若干用于冷却插入件的冷却流体循环管。
所述若干大体上为平面的壁通常包括一个大体上垂直于并与第一壁相交的第二壁。所述至少一个射流限定壁可以包括一个单一的射流限定壁，其大体上平行于第二壁并与第二壁间隔一段距离W，限定气体入口的宽度，而气体入口通常有一个大于2W的高度(优选大于4W)。第二壁在气体容积内的长度为D，所述第一距离至少为50mm，但比长度D少25％。
另外，所述平面壁可以包括至少第二和第三个与所述第一壁连接的壁，而所述至少一个射流限定壁包括两个彼此间隔W的壁，形成入口孔的宽度。射流限定壁各有一个自由端部分，该部分伸入气体管内一段第一距离，并有一个具有改变气体方向表面的插入件，而所述壁位于第一壁的中部，远离第二和第三壁。各射流限定壁和与之相关的改变气流方向的表面形成角α，角α一般为20～80°，优选为约40～60°。
另外，第一和第二射流限定壁可形成两个不同的气体入口，第一限流壁接近并与第二壁间隔，并大体上平行于第二壁，第一壁上的各射流限定壁有一个与之相连的导向壁。所述第一距离通常为气体入口宽度(W)的0.2～5倍。
所述若干大体上为平面的壁可以包括一个第四壁，该壁与气体入口和第一壁相对，第四壁可以包括一个与气体入口相对的耐火表面，与所述大体上为平面的壁的内表面的其余部分(无论其是否覆盖有耐火材料)，所述耐火表面具有较高的耐蚀性能。
根据本发明的另一方面，提供了一种离心式分选装置，其包括以下部件：若干大体上为平面的壁，包括第一壁，由这些壁形成一个具有一个内部气体容积的涡流室，并用于在所述气体容积中形成至少一个气体涡旋，该气体容积的截面很显然是非圆形的，而且大体上为方形。至少有一个用于从气体容积中引出净化气体的气体出口。设在第一板上的至少一个气体入口，用于将含有颗粒的气体导入气体容积。至少一个自气体容积中引出的分离颗粒的出口。气体入口包括至少一个细长形射流限制壁，该壁有一个自由端部分由第一壁伸入气体容积一个第一距离，以形成一个气体射流，其流向大体上与气体容积里的气体涡旋相切。以及一个插在射流限制壁的自由端部分与第一壁之间的插入件，由它形成一个光滑的改变流体(气体和颗粒)方向的表面。
上述离心式分选机优选与具有一个反应室的循环流化床反应器连接，包括位于其底部的一个流化床和位于其顶部的一个排气管，并与该离心式分选机的气体入口连接。气体入口大体上垂直地延伸，而气体出口将净化的气体由分选机的气体容积中向上引出，一个回流管将颗粒从分选机的底部导引至反应室的底部。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用一个大体上如上所述的离心式分选机从温度为500℃以上(通常为循环流化床反应器的温度，如900℃，或更高)的含有颗粒的气流中分离颗粒的方法。该方法包括以下步骤：(a)以射流形式将含有颗粒的、温度在500℃以上的一般气流导入气体容积中，该射流的方向与在所述气体容积中形成的涡旋气体涡流的垂直轴相切，所述射流和涡流相交于一个相交点。(b)从所述气体涡旋的顶部除去净化气体。(c)从所述气体涡旋的底部除去分离的颗粒。和(d)在所述第一壁附近顺利改变所有从涡旋中分离出来的颗粒的方向，使其从大体上沿第一壁的方向改变为大体上与射流方向一致。
步骤(d)通常是为了避免颗粒在距所述相关点270～315°的范围内落下。步骤(a)是通过将含有颗粒的气体导入高度至少为其宽度W两倍的流体中，步骤(a)的作用还在于将所述射流导入气体容积一段距离，其与第一壁的距离为0.2～5倍W。步骤(a)的作用通常还在于将射流导入气体容积距第一壁一定距离，该距离大于50mm，但低于气体容积截面宽度的25％。
下面将结合附图对本发明作更详细的说明。其中
图1是一个具有本发明离心式分选机的循环流化床反应器的侧视示意图，其局部为剖视图，局部为立面图；
图2是沿图1所示离心式分选机的线2-2的剖视图；
图3是沿图2所示离心式分选机的线3-3的剖视图；和
图4～7是本发明离心式分选机的另一些实施方案的类似图3的视图。
图1表示一个循环流化床反应器，它包括一个反应室10，一个离心式颗粒分选机(旋流器)11和一个用于将分离的颗粒送回室10的回流管14。反应室10的截面为矩形，反应室10由水管壁组成，在图1中仅示出了长壁16和18。该水管壁优选由连接的垂直水管组成。
壁18的上部被弯曲以形成反应室10的顶部20。反应室10下部的壁用耐火材料22保护。该反应器有一个固体材料入口23。反应室10的底部由分配板24组成，该板上设有孔26，用于将流化气体从空气增压室28导入反应室10，以维持反应室10里的流化床。以高速度将流化气体或空气导入反应室，以使大部分流化床材料与气体一起通过设在反应室10上部的孔或槽30连续流入反应室10的上部，进入颗粒分选机11。所述槽30形成进入分选机的气体入口30。
图1所示实施方案的离心式分选机11是一种多涡旋离心式分选机，其中，在分选机11的气体容积31中形成两个平行的竖直气体涡旋，通过离心力分离从反应室10中抽出的气体中的颗粒。一个涡流室12形成分选机11，该分选机优选包括平面的、主要为矩形的水管壁32、34、36和38(也可参见图3)。理想的是，壁32、34、36、38也是由彼此之间通过翼片39(图2)垂直连接在一起的水管37组成。图1所示的分选机11的涡流室12有一个长壁靠近反应室10，与反应室10共用，即：反应室10的壁16的一部分构成了涡流室12的壁32。在某些场合下，可以为反应室10和分选机11提供不同的壁。
在所述槽或气体入口30处，水管壁32被弯向涡流室12里面，以便形成平行的射流限制壁40，形成(见图2和3)将气体流导入气体容积31的涡流室12的入口管42。槽或气体入口30又高又窄，比常见的旋流器高且窄，最好与涡流室12的上部43(图1)一样高。槽30的高度与宽度之比优选为＞2，更优选为＞4。
参见图3，各射流限制壁40由第一壁32向气体容积31内延伸一个第一距离至自由端部分41。另外，提供大致如编号33所示的导向装置，用于在第一壁32和射流限制壁40之间对气体涡旋进行导向，以使从气体涡旋里的气体中分离出的颗粒的流向从大体上沿第一壁32内部的方向顺利地改变至在气体入口30处大体上垂直于第一壁32(即大体上与气体容积31里的气体涡旋相切，并与由槽30导入的射流方向一致)。
导向装置33可以包括位于壁40与壁32相交点处的流体导入喷头，用于再将流体改向，或包括电或磁发生装置，该装置能在壁40和壁32的转角处除掉颗粒，如果这些颗粒有静电荷或磁荷的话，或提供各种其它结构。不过，在优选实施方案中，导向装置33包括一个插入件33′，该插入件有一个固定的气体流向改变表面47。表面47可以如图3和4所示般地大致为平面，或如图5～7般地为曲面。在图1～5所示的实施方案中，插入件33′包括一个诸如陶瓷、由粘合剂粘接在一起的碎耐火材料或其它常见耐火材料的大体上为固体耐火材料的插入件。如图2所示，插入件33′的高度相当于槽30的高度H。槽30的宽度为W(如图4所示)，在本发明的优选结构中，高度H至少为宽度W的两倍，优选至少为其4倍。
在图2和3所示实施方案中，在分选机11的第一壁(前壁)32中部设有两个射流限制壁40，各壁40与壁47(或者，如果壁47是曲面的话，曲面47的端点在壁40的自由端41与第一壁32的相交点)与板47形成角α。角α优选为20～80°，最好约为40～60°。另外，所述第一距离-即壁32与自由端41沿射流限制壁40的距离-为槽30的宽度W的0.2～5倍。
如图4所示实施方案所示，第一距离(射流限制壁40在第一壁32与其自由端41之间的长度)用编号49表示，其通常至少为50mm。如果壁34、38与第一壁32的距离为D(如图4所示，气体容积31的截面为方形)，则49的最大尺寸小于D的25％。
形成容积31的涡流室12的各壁的上部优选为垂直的和平面形状的，并构成上部43。长壁36的下部向着对置的长壁32弯曲，形成涡流室12的下部45。这种结构形成一个非对称的、长漏斗形容积44(见图1)，容积44的底部形成一个固体出口46。
出口46还作为进入回流管14的入口。回流管的长壁由颗粒分选机11的壁32和36的延伸部分形成。回流管14的端壁由相应的壁34和38的延伸部分形成。仅有一部分的宽度与回流管14的宽度相同，端壁34和38连续向下延伸，从而形成回流管。端壁的其余部分仅延伸至回流管14的上部，如图1所示，其为壁34的一部分。回流管14的下部通过一个L型弯道48与反应室10的下部相通，用于将在分选机11中分离出的固体送回室10底部的流化床；另外，也可以采用其它类型的固体流动密封。
在涡流室12的上部43，由位于孔50和52(见图2)的管54和56形成两个连续的气体出口，用于从涡流室12的气体容积31中排出纯化的气体。分选机11上的气体出口管54、56可以为陶瓷管或冷却管，以便能承受分选机11中热的环境。气体被从分选机11导入位于其上部的管60，管60设有热回收表面62，并进一步进入位于反应室10附近的一个直立的对流部分，该对流部分也设有热回收表面。与采用多涡流的概念不同，有时采用几个分选机11较为理想，例如，如图4所示，将具有一个涡流的两个分选机组合在一起。
理想的是，直接将耐热和耐磨的耐火材料直接连接在涡流室12的壁32、34、36和38的至少某些部分。磨损较大的部位需要较厚的耐火层，或采用更耐磨的耐火材料。因此，举例来说，与气体入口30相对的壁36可设有厚的耐火衬层57(参见图1和3)，其长度相当于入口30、42的高度(参见图1)。由入口气体射流所夹带的颗粒的至少一部分流入涡流室12，然后冲击壁36上的该耐火部位57。
由进入分选机11的气体所夹带的颗粒倾向于沿比气体更直的轨迹流动。例如，当所述气体进入涡流室12并改变其运动方向，以便形成涡旋时，某些颗粒主要继续沿其直线轨迹运动，并最终打在相对的壁36上。由于减缓颗粒运动的改变，涡流室12的边缘部分易于磨损，最好用较厚的耐火层或用更耐磨的耐火材料对其进行保护，如图1和3中57所示。
图5是一种实施方案的示意图，其中，形成了两个涡旋的多涡旋。两个涡旋在涡流室的拐角处有其自身的入口30。在槽30附近还设有具有插入件33′的涡流导向装置。
图6披露了一种用于按照本发明设置冷却管的装置。间壁632由耐火材料衬里的管610组成，这些管通过翼片612连接在一起，形成一个大体上为气密性的壁结构。在入口孔30处，管610′弯曲，以使其偏离壁(32)，进入涡流室并构成导向件33的一部分，构成射流限制壁40。在该实施方案中，弯转的管610″接近导向件33的第一表面。衬有耐火材料的管610和610″形成具有导向表面47的耐火插入件33′。
图7披露了用于按照本发明设置冷却管的另一种装置。间壁732也是由耐火材料衬里的管710组成，这些管710由翼片712相互连接在一起，以形成大致上为气密性的壁结构。在入口孔30处，管710′被弯转，以使其由壁(32)伸入涡流室，并形成导向件33的一部分，它具有由涂在导向件33上的耐火材料组成的表面47。在该实施方案中，弯转管710″在导向件33里面大体上等距离地间隔。
冷却流体(如水或蒸汽)在图5和6所示的管610、610′、610″、710、710′和710″中循环，以冷却改变气流方向的表面47。
在US5,281,398中披露了分选机11的其它结构，并能方便地加以改进，以适应本发明。
在一种从夹带有颗粒的温度在500℃以上(通过约为900℃或在与循环流化床反应器连接时温度更高)的气流中分离颗粒的例示性方法中，将夹带颗粒的气体流导入高且窄的入口30，沿图4中编号65所示方向进入气体容积31，进入大体上如图44的箭头66所示的形成于气体容积31中的垂直轴向的气体涡旋。射流与所述涡流相交于图4中编号67所示的相交点。净化的气体经出口导管54从气体涡旋66的顶部除去，而分离的颗粒被从气体涡旋66的底部除去，如图1中的编号44所示。表面47能顺利地改变从涡旋66中的气体里分离的所有颗粒的方向，由位于第一壁32附近的大体上沿第一壁32的方向改变至大体上与图4中箭头68所示方向一致。伸入容积31的射流限制壁40与由表面47所产生的平滑的气流方向改变相结合，能减少与切向导入容积31的射流65的干扰，从而加强气体涡旋66的涡旋作用。这种设计可以防止颗粒在距相交点67(在气体涡旋66的总曲面上)270～315°的范围内下落。
由此可以看出，根据本发明提供了一种有效的离心式分选机和离心分离颗粒的方法，本发明的装置和方法能克服US5,281,398中所披露的由平面壁形成的大体上为方形截面的气体容积中有关对气体入口的干扰的缺陷。尽管已按目前认为是最佳实施方案的方式对本发明进行了说明，但对本领域普通技术人员来说，显而易见的是，在本发明范围内可对其做出多种改进，对其范围应当做最广义的解释，以包括所有等同的结构和方法。