專利名稱：一種非機械式閥門機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用于細小顆粒狀固體材料的非機械式閥門機構。
控制固體材料向流化床處理裝置送料和出料的流量對于這種裝置的成功運行通常是一個十分必要的條件。不能實現對固體流量的控制會導致這種裝置無法工作。因此，開發一種可靠的固體材料處理系統將為流化床處理裝置的發展提供強有力的支持。同樣的系統還可應用于其他型式的處理可流化材料的裝置(如旋轉干燥器)，即使固體材料在被處理時尚未流化。
通常，處理固體材料時出現的困難是受到溫度的影響。如果一個處理過程的固體送料在環境溫度(或接近于環境溫度)下進行，那么傳統的固體材料處理方法就可以應用而不致于冒什么風險。對于低溫(低于750℃)流化床處理，只要流化床材料不過分粘連、無化學腐蝕性、和處理起來不會發生困難，不致堵塞閥門機構，機械閥門能夠用來控制固體材料的排出。
在溫度高于750℃的情況下，不能使用機械閥門來將固體材料從流化床處理裝置中排出。在這種溫度范圍內，一般不適于使用機械式閥門，盡管這類閥門有多種工業應用并且在某些情況下使用結果令人滿意。通常，用于熾熱的固體材料的機械式閥門對于每一種具體的應用都需要重新研制開發，因而既費時又費錢。另一個不利因素是保養費用昂貴。分析的結果認為，如果能夠獲得一種簡單的非機械式閥門來替代機械式閥門可能是一種更為可取的選擇。
用于流化床的非機械式閥門在一篇題為“用于循環流化床的非機械式固體材料的送料和再循環裝置”的論文中曾經作過評論，該文發表在1988年3月14日至18日在法國坎皮內(compiegne)舉行的第二屆循環流化床國際會議論文集的第31頁至41頁中，作者為T.M.Knowlton。在討論L-閥，J-閥和V-閥時，T.M.Knowlton得出結論，在按“閥門”模式運行時(即控制固體流量)要求固體材料的非流動化和堵塞床(packed bed)。例如，在L-閥門中，一個堵塞床在水平截面內形成，而鼓風氣體則在彎頭上方的短距離內被引入。氣體穿過堵塞床導致固體材料向卸載方向運動，固體材料的出料速率對于有多少氣體以這種方式流過堵塞床是很靈敏的。調節鼓風氣體的流量就可改變固體材料的出料速率。
當固體材料為粗顆粒(如象砂子)和無粘連性時，這種型式的非機械式閥門工作良好。然而，任何粘連性將導致在堵塞床中形成一道不可移動的固體阻塞，于是閥門將失掉作用。反之，如果固體材料的顆粒太細微(如象流化的裂化催化劑)，它們將不能很快非流動化以便在必要時形成堵塞床，其結果是通過閥門的固體流速將會很高而無法控制。這時閥門可通過停止鼓風氣流使其關閉，但是當鼓風氣流一旦重新起動，固體流速又會恢復到高速狀態，其結果是失去了對流速的控制，而閥門僅僅起到一個“通-斷”開關裝置的作用。如果固體的通風次數足夠高(在極細微的粉末狀情況下)，則當鼓風氣體關閉時材料的流動將不會停止。
T.M.Knowlton稱環形密封和密封罐為“自動”裝置，該裝置不具備固體流量控制功能。大多數現代循環流化床(CFB)系統采用環形密封以便將固體材料從旋流器返回到提升器。固體材料接近環形密封的入口時，以任意的速率通過環形密封，總體固體材料循環速率的控制由其他裝置來實現。在這種情況下，環形密封運行起來僅作為一個壓力平衡裝置，它在某個壓力下從一個循環流化床(CFB)旋流器的潛流中接受固體材料，并以較高的壓力將固體材料輸送到提升器的底部。在這種情況下，只有固體材料的送料是“不充滿”的，也就是說受到外部約束的限制而不是受到環形密封自身內部流動阻力的限制，這時它才能正常運行。在一種“充滿”的固體材料送料應用中，環形密封將產生一種不可控制的固體材料的高速率卸料。
目前還沒有合適的非機械式固體流動控制閥門用于極細微的和熾熱的粉末狀材料，這類材料如果不隨時隨地完全地流動化就會積堆結塊。L系列的閥門也不適用于極細微粉末狀材料，因為它需要堵塞床，并且無法控制。環形密封及其相關產品也未能通過鼓風控制來調節流量。
本發明的一個目的就是要提供一種非機械式閥門機構，它沒有上述缺點，并能對極細微的，帶粘連性的固體材料進行非機械式流量控制。
按照本發明所提供的用于可流動化固體材料流量控制的非機械式閥門包括一條管路，在其一端有一個供輸入固體材料的進口，另一端有一個供輸出固體材料的出口，該管路包括兩根直立的管腿和一根將兩直立管腿的下端連接起來的底部管段；一個用來將鼓風氣體引導進入每一管腿以保持流動化的固體材料流過閥門的裝置；一個用來調節進入管腿的鼓風氣體流量從而控制通過閥門的固體材料流量的裝置。
這里“管路”一詞的含義應理解為任何形式的導管，它具有圓形斷面或非圓形斷面，能夠輸送可流動化的固體材料。
優選鼓風氣體引導裝置在每一管腿內至少有一個鼓風氣體進口。
優選鼓風氣體引導裝置還包括一個將鼓風氣體輸送到每一個鼓風氣體進口的裝置。
優選鼓風氣體引導裝置在底部管段內至少有一個鼓風氣體進口。
優選鼓風氣體輸送裝置應適合于將鼓風氣體輸送到底部管段的進口。
底部管段可以是水平的，傾斜的或任何其他合適的幾何位置。
本發明還提供了一種借助于非機械式閥門機構對可流動化固體材料進行流量控制的方法，這種閥門機構包括一條管路，它有一個固體進口和一個固體出口，有兩根直立的管腿和一根將兩管腿下端連接起來的底部管段，該方法包括(1)保持閥門機構被固體材料充滿；(2)將鼓風氣體充入每一管腿，以保持固體材料在閥門中從進口到出口始終以一種流動化狀態流動；以及(3)控制充入各管腿的鼓風氣體，從而控制通過閥門的固體材料的流量。
步驟(3)最好包括相對于另一管腿增加或減少充入某一管腿的鼓風氣體的流量，來控制通過閥門的固體材料的流量。
下面將參照附圖以舉例方式對本發明作進一步說明，其中
圖1是本發明的非機械式閥門機構一個優選實施例的局部斷面示意圖；圖2是一曲線圖，它表示出在圖1所示閥門中的壓力變化；以及圖3是本發明的如圖1所示類型的具有不同高度的兩個非機械式閥門機械的局部斷面示意圖和壓力變化的曲線圖。
參照圖1，非機械式閥門3的優選實施例包括一條通常為U-形的管路，它有兩個管腿5和7，由水平底部管段9相連接。管腿5包括一個固體入口13，管腿7包括一個固體出口14，它與一個固體出口溜槽15相連接。
閥門3還包括(1)鼓風氣體進口，口1和口2，用來引導鼓風氣體進入管腿5；(2)鼓風氣體進口，口3和口4，用來引導鼓風氣體進入水平管道9；以及(3)一個鼓風氣體進口，口5，用來引導鼓風氣體進入管腿7。
閥門3還包括一個向每一個鼓風進口，口1至口5，供給鼓風氣體的裝置(圖中未表示出)。鼓風氣體的作用是使固體在閥門3中保持流動化狀態，并使得閥門3在每一管腿5和7中按壓差梯度原理工作，從而控制閥門3內的固體流量。
按照這個原理，在A點進入固體入口13的固體，當它們被從鼓風進口1和進口2引入的氣體攜帶向下穿過管腿5到達B點時，一直保持流動化狀態。流動化的方式使得氣泡/物塊從彎頭處(B點)向上穿過管腿5朝A點移動，與固體的流動路徑相反。
固體從B點沿水平管段9移動，然后在管腿7內向上移至C點，并被從鼓風進口3，4和5引入的鼓風氣體再次保持流動化。在管腿7(也就是B點至C點)內，固體和氣泡/物塊合流向上流動。固體再從點C經固體出口溜槽15到達閥門出口D點。
參照圖2，當固體向下流動穿過管腿5從點A至點B時，閥門3內作用在固體上的壓力增加。此后，當固體向上流動穿過管腿7從點B至點C時壓力減小。圖2所示曲線的斜率是通過進口1至5供給閥門3的鼓風氣量的函數，它決定了閥門3的壓力變化的范圍。
通過改變供給每一管腿5和7的鼓風氣量可實現對固體流量的控制。在每一管腿內，鼓風的程度決定了空隙量的大小。隨著鼓風的增加將引起單調的、可以預計到的單位時間空隙量的增加。由于整個流化床的壓力差是空隙量的強函數，因此用來推動固體通過閥門3的驅動力可以通過控制壓力差來直接控制。
具體地說，增加進入管腿7的鼓風氣體的流量將會減小管腿7內的壓力梯度，從而增加上游管腿5中的驅動力，結果通過閥門3的固體的流量增加。另外，增加進入管腿5的鼓風氣體的流量將會減小管腿5內的壓力梯度，從而減少上游管腿5中的驅動力，結果通過閥門3的固體的流量減少。
A點和D點的壓力一般來說是不相同的。如果A點和D點的壓力相同，那么管腿5的長度L1和管腿7的長度L2將大致相同。假定管腿5和7的直徑相同，如果A點的壓力高于D點，那么尺寸L1將會較長(與等壓情況相比較)，其長出的量對應于需要產生的壓力差的流化床的高度。另外，按照同一假設，如果A點的壓力低于D點，那么尺寸L2將會長出相應的量。
系統的控制靈敏度與閥門3的高度成比例，這里所說的“高度”定義為垂直距離，在這段高度中，流化床為管腿5和7所共有。這一情況在圖3中能夠表示得最清楚。它表示出兩個管腿5和7的高度不同但直徑相同的如圖1和圖2所示類型的閥門機構3a和3b，以及沿著每一閥門3a和3b長度方向上的壓力變化曲線圖。將兩個曲線圖進行比較就能夠很容易地看出，每一個閥門3的壓力變化范圍與閥門3的高度成正比。由于閥門3b有較高的管腿5和7的共同高度，因此有較大的壓力變化。
壓力變化是一個重要參數，因為它表明了閥門的工作壓力范圍。具體地說，如果閥門的高度不夠，那么用于固體流動驅動力的壓力的變化范圍就較少，其結果是控制范圍差。通常使用的如圖1至圖3所示類型的閥門3采用大于1米高度的流化床是比較理想的，大于3米則更為可取。
閥門3有很好的自身穩定特性，從而使它特別適合用于控制的目的。如果閥門3處于穩定流動狀態下，當一個外界的波動使得進入閥門3的固體流速增加時，它作出的響應是A-B段的壓力升高量要減少，而相應的B-C段的壓力下降量則要增加。于是推動固體通過閥門3的凈驅動力減小固體流速就返回到它被破壞前的狀態。當進入閥門3的固體流速減少時，該運行過程作相反的反應。這一自身穩定特性說明了它有很好的工作性能，從而使得閥門3非常適合用于自動流量控制。
為了評價閥門13，將一種用于鐵礦石預還原的工業循環流化床系統與閥門3裝在一起。閥門3有一個內徑為200毫米、長度為6米的向下流動的管腿5和一個內徑為150毫米長度為6米的向上流動管腿7。鼓風氣體的引入如圖1所示。跨越閥門3的壓力差為3-5千帕，閥門3的固體進口13處于高壓下。調節鼓風氣體的速率，使得在每一管腿5和7內氣流速度處在0.1至0.5米/秒的范圍內。平均粒度為50微米的鐵礦石已成功地運用在閥門3中。
在不違反本發明的基本精神和技術范圍的情況下，對圖中表示的閥門機構的優選實施例可作出多種改變。
權利要求
1.一種用于控制可流動化固體材料流量的非機械式閥門機構，包括(1)一條管路，在其一端有一個供輸入固體材料的進口，另一端有一個供輸出固體材料的出口，該管路包括兩根直立的管腿和一根將兩直立管腿的下端連接起來的底部管段；(2)一個用來將鼓風氣體引導進入每一管腿以保持固體材料流動化地流過閥門的裝置；(3)一個用來調節進入管腿的鼓風氣體流量從而控制通過閥門的固體材料流量的裝置。
2.按照權利要求1所述的閥門，其特征在于，所述鼓風氣體引導裝置在每一管腿內至少有一個鼓風氣體入口。
3.按照權利要求2所述的閥門，其特征在于，所述鼓風氣體引導裝置包含一個將鼓風氣體輸送到每一個鼓風氣體入口的裝置。
4.按照權利要求3所述的閥門，其特征在于，所述鼓風氣體引導裝置在底部管段內至少有一個鼓風氣體入口。
5.按照權利要求4所述的閥門，其特征在于，所述鼓風氣體輸送裝置適合于將鼓風氣體輸送到底部管段的每一個進口。
6.按照前面任何一項權利要求所述的閥門，其特征在于，所述底部管段是水平的或傾斜的。
7一種借助于非機械式閥門機構對可流動化固體材料進行流量控制的方法，這種閥門機構包括一條管路，它有一個固體材料進口和一個固體材料出口，管路還包括兩根直立的管腿和一根將兩直立管腿的下端連接起來的底部管段，該方法包括(1)保持閥門機構被固體材料充滿；(2)將鼓風氣體充入每一管腿，保持固體材料在閥門中從進口到出口始終以一種流動化狀態流動；以及(3)控制充入各管腿的鼓風氣體，從而控制通過閥門的固體材料的流量。
8.按照權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(3)包括相對于另一管腿增加或減少充入某一管腿的鼓風氣體的流量，來控制通過閥門的固體材料的流量。
全文摘要
一種用于控制流動化固體流量的非機械式閥門機構(3)。閥門(3)包括一條管路,其具有:上游管腿(5),在它的上端有一固體入口(13);下游管腿(7),在它的上端有一固體出口(14);以及一底部管段(9),它將上下游管腿(5,7)的下端連接起來。閥門(3)還包括一個將鼓風氣體引入每一管腿(5,7)以保持流動化固體流不斷流過閥門(3)的裝置,以及一個用來調整送入管腿(5,7)的鼓風氣流的流量從而控制流過閥門(3)的固體流量的裝置。
文檔編號F17D1/00GK1181052SQ96193096
公開日1998年5月6日 申請日期1996年4月4日 優先權日1995年4月7日
發明者格雷戈里·J·哈迪, 羅德·J·德賴, 科林·J·畢比 申請人:技術資源有限公司