Спосіб та пристрій для безперервного контролю внутрішньої циркуляції твердих частинок в циркулюючому псевдозрідженому шарі в реакційному просторі, обмеженому стінками реактора

Изобретение относится к способу и устройству для контроля внутренней циркуляции твердых частиц в псевдоожиженном слое реактора. Во время работы реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем часть твердых частиц выходят из него и обеспечивают наружную циркуляцию, а другие твердые частицы опускаются вдоль внутренних поверхностей стенок реактора и такое движение называют внутренней циркуляцией. Интенсивность внутренней циркуляции зависит в основном от подачи твердых частиц в реактор и от режима их псевдоожижения. Известен способ контроля внутренней циркуляции твердых частиц в циркулирующем псевдоожиженном слое в реакционном пространстве, ограниченном стенками реактора. Способ заключается в измерении физических параметров циркулирующего псевдоожиженного слоя. Более конкретно, известный способ заключается в измерении перепада давления введенного, или сжижающего, газа в специально подобранных опытным путем частицах, образующих в измерительном зонде неподвижный слой, при прохождении газа сквозь зонд и перепада давления газа - продукта реакции также в специально подобранных опытным путем частицах, образующих неподвижный слой в другом измерительном зонде, при прохождении этого газа сквозь этот другой зонд. С помощью этих зондов, расположенных на разных уровнях на внутренних стенках реактора, определяют отношение перепада давления соответственно в верхней и нижней частях реактора. Такое отношение перепадов давления зависит от скорости газа и минимальной скорости, необходимой для поддержания псевдоожиженного слоя, и служит показателем, позволяющим контролировать введение сжижающего газа и твердых частиц. Описанный способ, однако, сложен для осуществления на практике. Основная трудность заключается в необходимости "калибровки" средств осуществления способа для различных реакторов. Устройство для осуществления способа содержит измерительный зонд для измерения физических параметров циркулирующего псевдоожиженного слоя. В реакторе с псевдоожиженным слоем на внутренних стенках его корпуса смонтированы два измерительных зонда, один в зоне псевдоожиженного слоя, а другой в зоне вывода газа - продукта реакции. Каждый зонд имеет корпус, заполненный более крупными частицами, чем частицы, участвующие в реакции, и имеющий отверстия для пропуска восходящего газа. Каждый зонд предназначен для измерения перепада давления на частицах, помещенных в них. Отношение двух показателей перепада давления характеризует отношение скорости газа в реакционном пространстве к минимальной скорости, достаточной для псевдоожижения частиц. Такое отношение используют для регулирования подачи ожижающего газа и твердых частиц. Подобно способу, применение известного устройства сопряжено со сложностью "калибровки" измерительных зондов для различных реакторов. В основу изобретения поставлена задача создать способ контроля внутренней циркуляции твердых частиц в циркулирующем псевдоожиженном слое в реакционном пространстве реактора и устройство для его осуществления, которые путем изменения измеряемого параметра позволили бы регулировать подачу сжижающего газа и твердых частиц просто и надежно. Поставленная задача решена способом контроля внутренней циркуляции твердых частиц в циркулирующем псевдоожиженном слое в реакционном пространстве, ограниченном стенками реактора, заключающегося в измерении физических параметров циркулирующего псевдоожиженного слоя, в котором, согласно изобретению, непрерывно и локально измеряют интенсивность движения твердых частиц вниз вдоль стенок реактора. Для осуществления способа предложено устройство для непрерывного контроля внутренней циркуляции твердых частиц в циркулирующем псевдоожиженном слое в реакционном пространстве, ограниченном стенками реактора, содержащее измерительный зонд для измерения физических параметров циркулирующего псевдоожиженного слоя, в котором согласно изобретению, измерительный зонд содержит резервуар для отбора циркулирующих твердых частиц, который прикреплен к стенкам реактора и снабжен устройством ожижения, измерительное устройство для измерения интенсивности движения твердых частиц, трубку для вывода твердых частиц из резервуара для отбора циркулирующих твердых частиц и для перемещения их в измерительное устройство, а также трубку для возврата твердых частиц из измерительного устройства в реакционное пространство. Такое контролирующее устройство дает возможность выявить разницу в интенсивности внутренней циркуляции твердых частиц в разных местах реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем. Таким образом можно обнаруживать явления аномальной концентрации, например, так называемый эффект дымовой трубы, или неоднородные концентрации, в различных отделениях реактора. Следовательно, можно предпринять соответствующие меры, например, отрегулировать подачу ожижающего газа в соответствующие отделения реактора. Измерительное устройство предпочтительно располагать вне реактора. В предпочтительном примере осуществления изобретения измерительное устройство содержит первый измеритель температуры твердых частиц на выходе из резервуара для их отбора, устройство для охлаждения твердых частиц и второй измеритель температуры твердых частиц на выходе из устройства для их охлаждения. Кроме того, согласно изобретению, устройство для охлаждения твердых частиц содержит отводную трубу с продольной геометрической осью X - X, наклоненную к горизонтальной плоскости под углом по меньшей мере 5°, футерованную огнеупорным материалом и имеющую приемную полость для приема твердых частиц через ее верхнюю часть и в которой размещен пучок теплообменных трубок для циркулирующего теплоносителя, а также устройство аэрации твердых частиц для их перемещения по отводной трубе. Предпочтительно угол наклона отводной трубы задать в пределах от 5 до 20°. Преимущественно пучок теплообменных трубок образован трубками, расположенными параллельно продольной геометрической оси X - X отводной трубы. Вышеуказанная труба может быть снабжена перемычкой для удержания твердых частиц которая расположена за пучком теплообменных трубок по ходу твердых частиц и преимущественно выполнена в виде съемной поперечной стенки. С этой целью перемычка выполнена из наложенных один на другой съемных длинномерных элементов. Теплообменные трубки предпочтительно состоят из двух концентрических трубок со входом и выходом для теплоносителя на одной стороне отводной трубы. Устройство аэрации содержит сопла, пропущенные сквозь донную часть отводной трубы и сообщающиеся с разделенным на отдельные камеры и расположенным под отводной трубой коллектором для подачи воздуха на эти сопла. Наряду с этим согласно изобретению измеритель температуры твердых частиц содержит термочувствительные измерительные преобразователи на разных уровнях по высоте перемычки и термочувствительный измерительный преобразователь, расположенный за перемычкой по ходу твердых частиц на участке отводной трубы, снабженном сжижающими соплами. Как вариант, резервуар для отбора циркулирующих твердых частиц может быть расположен в отсеке, сообщающемся с реакционным пространством реактора и имеющем внутренний, плотный псевдоожиженный слой. На фиг.1 представлен вертикальный разрез реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем; на фиг.2 - вертикальный разрез контролирующего устройства согласно изобретению; на фиг.3 - разрез по III - III на фиг.2; на фиг.4 - продольный разрез устройства для охлаждения твердых частиц в устройстве согласно изобретению; на фиг.5 - разрез по V - V на фиг.4; на фиг.6 - разрез по VI - VI на фиг.4; на фиг.7 вертикальный разрез реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем, имеющего внутренние псевдоожиженные слои и устройства согласно изобретению; на фиг.8 - разрез по VII - VIII на фиг.7. На фиг.1 показана схема работы известного реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем. Реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем содержит донную зону 1, которая расширяется кверху, и прямоугольную в сечении верхнюю зону 2. Донная зона 1 снабжена сжижающей решеткой 3, средством 4 для нагнетания основного воздуха, расположенным под решеткой 3, вспомогательными воздухонагнетающими средствами 5, расположенными над решеткой 3, и средством 5 для подачи топлива. Стенки 7, ограничивающие донную зону 1, имеют теплообменные трубки (не показаны). Верхняя зона 2 также ограничена стенками 8, имеющими теплообменные трубки (не показаны). Движение твердых частиц вверх над решеткой 3 показано на фиг.1 стрелками 9. Частицы обычно отклоняются к стенкам 7 и 8 и опадают на дно. Однако часть мельчайших частиц снова поднимается вверх в вихревом потоке, обозначенном позицией 10. Другие частицы движутся к стенкам 7, 8 и опускаются вдоль них ко дну, как показано стрелками 11. Предпочтительный пример выполнения устройства согласно изобретению для непрерывного контроля внутренней циркуляции твердых частиц показан на фиг.2 и 3. Это устройство содержит измерительный зонд 12 для измерения физических параметров циркулирующего псевдоожиженного слоя, содержащий резервуар 13 для отбора циркулирующих твердых частиц, участвующих во внутренней циркуляции. Этот резервуар прикреплен к одной из стенок 8 реактора и снабжен известным средством ожижения, содержащим трубку 14 для подачи сжижающего газа, сообщающейся с воздушной камерой 15 и питающей сопла 16, которые смонтированы над днищем, или основанием, резервуара 13. Ожижение твердых частиц, происходящее в результате перепада давления в резервуаре 13, поддерживают на таком уровне, чтобы предотвратить выход из него твердых частиц, причем резервуар предпочтительно выполнен из жаростойкой стали; трубку 17 для вывода твердых частиц из резервуара 13 и перемещения их в измерительное устройство 18 для измерения интенсивности внутренней циркуляции, или движения, твердых частиц, которое расположено снаружи реактора; трубку 19 для возврата твердых частиц из измерительного устройства 18 в реакционное пространство реактора. Предпочтительный пример выполнения устройства 18 для измерения интенсивности внутренней циркуляции показан на фиг.4. Это устройство содержит первый измеритель 20 температуры твердых частиц на выходе из резервуара 13; охлаждающее устройство 21 для охлаждения твердых частиц, второй измеритель 22 температуры твердых частиц на выходе из охлаждающего устройства 21. Как показано на фиг.4, охлаждающее устройство 21 согласно изобретению содержит отводную трубу 23, наклоненную под углом в пределах от 5 до 20° относительно горизонтальной плоскости и имеющую продольную геометрическую ось X - X а также огнеупорную футеровку 24, которая обеспечивает термоизоляцию и механическую защиту. Горячие твердые частицы поступают во входной патрубок 25, расположенный в верхней части этой трубы. Отводная труба 23 снабжена устройством аэрации 26 для псевдоожижения твердых частиц и перемычкой 27 для удержания твердых частиц. Таким образом внутри трубы 23 между входным патрубком 25 и перемычкой 27 образована приемная полость с псевдоожиженным слоем, куда поступают твердые частицы. Перемычка 27 занимает только часть площади поперечного сечения трубы 23, образуя проход 28 своей верхней частью для вывода твердых частиц из трубы 23. Перемычка 27 выполнена съемной из наложенных один на другой длинномерных элементов, как описано ниже со ссылкой на фиг.6. В приемной полости отводной трубы 23 размещено охлаждающее устройство, содержащее пучок 29 теплообменных трубок для циркулирующего теплоносителя. Пучок 29 теплообменных трубок образован трубками 30, расположенными параллельно геометрической оси X - X перед перемычкой 27. Теплообменные трубки 30 состоят из двух концентрических трубок, причем вход 31 и выход 32 для теплоносителя расположены на одном и том же конце, или стороне, отводной трубы 23, в частности, снаружи стенки 33 верхнего конца отводной трубы 23. Пучок 29 теплообменник трубок предпочтительно прикреплен к стенке 33. Таким образом, демонтировав стенку 33 при выключенном реакторе, можно демонтировать пучок 29 теплообменных трубок и, при необходимости, производить техническое обслуживание или ремонт. Для монтажа по месту пучка теплообменных трубок, имеющих консольную часть, на участке трубок 30 вблизи перемычки 27 предусмотрена опора 34. Верхние участки теплообменных трубок 30 под патрубком 25 защищены металлическими щитами 35. Пучок 29 теплообменных трубок описан более подробно со ссылками на фиг.5. Устройство 26 аэрации содержит сопла 36, которые пропущены сквозь трубу 23 в ее донной части и в которые воздух подают по коллектору 37, размещенному под трубой 23. В зависимости от длины приемной полости трубы 23 могут быть использованы несколько коллекторов 37. Сжижающий газ нагнетают в коллекторы 37 посредством входных патрубков 36. Как показано на фиг.5, пучок 29 теплообменных трубок содержит определенное количество трубок 30, взаимно параллельных и удерживаемых в таком положении приваренными ребрами 39, расположенными поперек и вдоль так, что теплообменные трубки образуют жесткую пространственную конструкцию. Вблизи консольного конца теплообменных трубок предусмотрена опора 34, образованная поперечиной 40, которая прикреплена к двум кронштейнам 41, приваренным к металлической оболочке трубы 23 и несущим опоры 42, в которые уложены нижние трубки, образующие пучок 29 трубок. Каждая теплообменная трубка 30 образована концентрической парой трубок, причем внутренняя трубка соединена с впускным патрубком 31 для теплоносителя, а наружная трубка соединена с выпускным патрубком 32. Эти две трубки сообщаются одна с другой своими концами, которые находятся ближе к перемычке 27. Температуру tee теплоносителя (чаще всего воды) на входе и температуру tse на выходе измеряют во впускном патрубке 31 и выпускном патрубке 32 при известном расходе de жидкости. Сжижающие сопла 36 могут быть расположены линейно поперечными рядами, причем эти сопла связаны с коллектором 37 газовыми питающими трубками 43. Трубки 43 для подачи сжижающего газа встроены в утолщенную часть 44 огнеупорного материала внутри трубы 23. Перемычка 27 более подробно изображена на фиг.6. Вблизи места расположения перемычки 27 в трубе 23 выполнено боковое отверстие, образованное удлиненной частью 45 так, что оно имеет прямоугольную форму в плоскости. Перемычка 27 подобно заслонке введена в это отверстие. Перемычка содержит наружную часть 46 в виде крышки, которую можно прижать и закрепить на удлиненной части 45 трубы 23, например, шпильками 47. Наружная часть 46 удерживает внутреннюю часть, которая и есть перемычкой. Для этой цели первые полые штифты 48 закреплены на наружной части 46 в ряд по всей высоте внутреннего диаметра трубы 23. Трубки 49, как наложенные один на другой съемные длинномерные элементы перемычки 27, надеты на полые штифты 48. Длина трубок 49 выбрана такой, что их другие концы могут быть присоединены к закругленной части 50, несущей соответственные вторые полые штифты 51, расположенные в ряд по всей высоте внутреннего диаметра трубы 23. После того, как определенное количество трубок 49 установлено на наружной части 46 и на закругленной части 50 и перемычка 27 введена в трубу 23, закругленная часть 50 прижимается к внутренней поверхности трубы 23. Определив требуемую высоту перемычки 27 так, чтобы поток частиц омывал теплообменные трубки, определяют количество трубок 49. При выключенном устройстве и для обеспечения оптимальной работы охлаждающего устройства перемычку 27 удаляют и устанавливают соответствующее количество трубок 49, а затем перемычку 27 устанавливают на прежнее место. Наружная часть 46 имеет каналы 52, в которых размещены провода термопар для определения температуры на различных участках по высоте перемычки 27. Для обеспечения такого определения температуры наружная часть имеет легкодоступную соединительную коробку 53 и ручки 54 для удаления и установки перемычки 27. Конструкция, содержащая трубки 49 и полые штифты 48 и 51, предложена потому, что она относительно надежна и проста в изготовлении и сборке. Однако такая изменяемая по высоте перемычка может быть собрана из накладных элементов другой формы. Первый измеритель 20 температуры твердых частиц на выходе из резервуара 13 показан на фиг.4. Он расположен перед трубой 23 охлаждающего устройства 21 и имеет три термочувствительные измерительные преобразователя 55, 56 и 57, пропущенные сквозь выводную трубку 17. Преобразователи, как вариант, могут быть расположены на разных уровнях и разнесены по окружности выводной трубки 17 под углом 120°. Они позволяют определить среднюю температуру tes твердых частиц на входе в охлаждающее устройство 21. Второй измеритель 22 температуры твердых частиц на выходе охлаждающего устройства 21 также показан на фиг.4. Он содержит термочувствительные измерительные преобразователи (не показаны), расположенные на разных уровнях по высоте перемычки 27. Как описано выше, термочувствительные измерительные преобразователи это предпочтительно проволочные термопары, расположенные в трубках 49 и в каналах 52 в наружной части 46 перемычки 27. Второй измеритель температуры, кроме того, содержит термочувствительный измерительный преобразователь 58 в форме перевернутой буквы Т, расположенный за перемычкой 27 в удлиненном участке 59 трубы 23, снабженном сжижающими соплами 60. Эти сопла смонтированы таким же образом, как и сопла охлаждающего устройства 21. Они пропущены сквозь донную часть удлиненного участка 59 и связаны с коллектором 61, расположенным под этим удлиненным участком 59 для подачи сжижающего газа. Сжижающий газ нагнетают в коллектор 61 через входной патрубок 62. Такое дополнительное псевдоожижение позволяет гомогенизировать поток твердых частиц в удлиненном участке 59. Как вариант, другой прямолинейный термочувствительный измерительный преобразователь 63 может быть расположен в конце удлиненного участка 59. Таким образом, посредством второго измерителя 22 температуры можно определить среднюю температуру tss твердых частиц на выходе охлаждающего устройства 21. Следовательно, вычисляя баланс энтальпий можно определить интенсивность движения частиц по охлаждающему устройству 21. Более точно этот баланс можно соотношением: выразить следующим где - искомая интенсивность движения твердых частиц; - величины, полученные вышеописанным способом; - удельная теплоемкость (на единицу массы) твердых частицы и теплоносителя, При подключении системы регулирования можно выполнять эти расчеты непрерывно. Реактор может быть оснащен по меньшей мере одним контролирующим устройством, описанным выше. Из французской заявки №2690512 известно, например, что реактор может иметь внутренние плотные псевдоожиженные слои 64, 65, как показано на фиг.7. К слоям 64, 65 обеспечен доступ из реакционного пространства реактора сверху. Твердое вещество, опускающееся вдоль стенок 8 верхней зоны 2 и частично возвращающееся в донную зону 1, поступает в эти слои, перетекая через стенки 66,67 по всей их длине. Донная зона 1 снабжена сжижающей решеткой 3, которая может быть секционирована, и основным средством 4 для нагнетания воздуха, расположенным под решеткой 3. Реактор также содержит само по себе известное вспомогательное средство 5 для нагнетания воздуха, размещенное над решеткой 3 и средством 6 для подачи топлива. Стенки 7, ограничивающие донную зону 1, снабжены теплообменными трубками (не показаны), а верхняя зона 2 ограничена стенками 8, также снабженными теплообменными трубками (не показаны). На фиг.8 показан горизонтальный разрез реактора, изображенного на фиг.7. Реактор снабжен множеством контролирующих устройств, размещенных по его внутренней периферии, причем на одной и той же высоте. Естественно, контролирующее устройство согласно изобретению может быть установлено в любом месте реактора, где требуется непрерывный контроль внутренней циркуляции твердых частиц. Целесообразно, как показано на фиг.7 и 8, устройства 13, 21 расположить на боковых стенках каждой секции сжижающей решетки. Например, если реактор разделен на три секции 68, 69 и 70, как показано на фиг.8, то три устройства 13, 21 располагают на каждой боковой стенке, по одному в каждом углу и по одному посредине каждой стенки. Таким образом, в зависимости от показаний контролирующих устройств можно соответственно отрегулировать подачу газа в секции в продольном и поперечном направлениях. Контролирующие устройства целесообразно располагать в горизонтальной плоскости над внутренними псевдоожиженными слоями 64, 65 или, как показано на фиг.7 и 8, на их уровне. В этом случае каждое из контролирующих устройств, расположенное на боковых стенках реактора, целесообразно снабдить резервуаром 13, образованным соответствующим отсеком соответствующего внутреннего псевдоожиженного слоя 64, 65.