CN101883629B - 流化床以及流化方法 - Google Patents

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Abstract

一种流化床设备，具有多个用于将流化物质引入以使流化床中的物质流化的流化端口，其中至少两个端口具有不同的横截面积。

Description

流化床以及流化方法
技术领域
本发明涉及流化床端口、流化床、以及流化方法。另一方面，本发明涉及流化床反应器以及气化的方法。在另一方面，本发明还涉及煤流化床气化以及煤气化的方法。
背景技术
流化通常被定义为一种通过使颗粒细小的固体与气体或液体接触而使之转化成流体样状态(fluid-like state)的操作。由于微细颗粒高的表面积体积比，流化床具有高热以及高传质系数是人们所公知的。流化床广泛用于各种类型的工业过程中，诸如反应、干燥、混合、造粒、涂覆以及冷却。
在许多工业应用中，流化床由装有颗粒状物质的垂直向柱体构成，流体(气体或液体)通过位于床体底部的分布器向上泵入。当流动的流体的曳力超过重力时，颗粒被提升并且发生流化。
在反应过程中，流化床使固体燃料悬浮于向上吹空气的喷嘴之上。结果产生一种气体和固体的湍流混合物。这种非常类似于鼓泡流体(bubbling fluid)的翻转作用(tumbling action)提供了更有效的化学反应和热传导。
流化床技术用于煤气化中。有很多专利申请涉及流化床和/或煤气化。
在Jequier等人的美国专利第2,906,608号，以及Mattews等人的美国专利第3,935,825号中，披露了一种煤气化反应器，其中将成团的煤灰分从盛装精细分离的煤的流化床反应器中排出，而不会除去精细分离的煤颗粒。这些专利并入本文作为参考。
在参考类型的煤向气的转化过程中，流化床设置了容器。气体分布格栅通常置于该容器中并界定了流化床的底部表面。该格栅的中心部分可以是圆柱或圆锥形，并包含通道。在该通道的底部，安装了一个具有固定开口的紧缩件(颈缩件，constriction)，该开口界定了具有固定喉管尺寸的文丘里管，从而使气流以均匀向上的速度进入室内并从而进入流化床。通过文丘里管或通道将高速气体流引入到反应室中引起室中的灰分颗粒结块并最终通过通道和文丘里管喉管排出。
于1977年5月17日授权的Schora等人的美国专利第4,023,280号中披露了一种将物质留在容器中的流化床，其通过文丘里管孔口或通道接收高速气流，从而促使灰分颗粒成团。这些颗粒由文丘里管孔口逆流向上，在通道中形成半固定床。该半固定床的具体尺寸部分取决于文丘里管的孔口尺寸。界定孔口的光圈隔膜阀(irisvalve)可调整孔口的横截面积，从而通过文丘里管控制气流的速度。
于1984年3月6日授权的Vorres的美国专利第4,435,364号中披露了一种用于将例如灰分的成团固体从精细分离地固体烃类物质(例如煤)的流化床中排出的设备。团聚作用受到流化床环境中的烃类物质的无机组分之间的高温反应的影响。文丘里管被用作将成团的固体从流化床中排出的通道。将螺旋地下降或以其他方式下降的凸起(ridge)设置于文丘里管的紧缩的柱状开口的内表面上，以使得成团的排出物具有不同的以及增加的速率，从而改善了固体物质的分离和分级。
于1984年6月12日授权的Strohmeyer，Jr.的美国专利第4,453,495号披露了对于蒸汽发生器循环流化床燃烧系统的整体控制。该系统包括用于具有循环流化床燃烧系统的蒸汽发生器的整体控制装置，并且尤其是在部分加载的情况下，在该循环流化床燃烧系统中，气体再循环装置用于补充燃烧空气流，以保持循环回路中的气体流速足以夹带(entrain)颗粒并维持所需的颗粒质量流率，从而将炉气温度限定在1550F的预定值，并且其中气体再循环质量流在蒸汽发生器流体热吸附回路的各个部分之间分配来自气体以及再循环颗粒的热传递，以并列的方式选择性地控制气体及循环颗粒质量流速，从而在流体热吸附回路之间，彼此最佳地补充热传递的分配，同时将炉气温度保持在预设点。
于1984年6月19日授权的Strohmeyer，Jr.的美国专利第4,454,838号披露了一种密实型热交换器，其用于具有循环流化床燃烧系统的蒸汽发生器，由此在炉气流中产生具有夹带有燃料和惰性物质的固体颗粒的床。提供了在炉的下游收集高温床固体颗粒的装置。密实型热交换器将收集到的热颗粒经过热传递表面向下引流，该表面是蒸汽发生器流体回路的一部分。以重力的方式引导流动。随着流体对压实的固体物质的冷却，流体热交换回路周围的固体颗粒的致密压实产生了高的热传递速率。设置热交换表面有助于使固体颗粒流过热交换器。
于1984年7月31日授权的Strohmeyer，Jr.的美国专利第4,462,341号披露了一种具有循环流化床燃烧系统的蒸汽发生器，由此允许空气沿气路逐渐增快地(增长地，incrementally)流动，从而按照沿气路以保持不同温度的方式控制燃烧速率和燃烧温度。在气路的初始段(即燃烧开始处)可保持在1550F附近的某一温度范围，这个温度最适于固硫，燃烧区的末段可以升温至1800F，从而通过燃烧区下游的气液热交换表面产生更大程度的热传递。
于1988年5月24日授权的Coulthard的美国专利第4,745,884号披露了一种流化床蒸汽发生系统，其包括直立式燃烧室、气/固分离器、对流烟道锅炉(convection pass boiler)以及设置于锅炉正下方的热交换器，除气/固分离器外，上述所有元件均封装于一个水冷壁(waterwall)结构中，该水冷壁具有与反应室以及对流烟道锅炉和热交换器共用的外水冷壁和中心水冷壁。该系统组件的紧密结合消除了常规多固体流化床蒸汽发生器中出现的很多问题。
尽管流化床技术已经取得了上述的所有进展，但还是会遇到一个问题，即通过注入格栅中的进口喷嘴的进口流体的不均匀流动，尤其是如果注入格栅为倾斜时，在不同的进口喷嘴上方会存在不同的流体压头(fluid heads)。
发明内容
根据本发明的一种非限制性具体实施方式，提供了一种流化床设备。该设备包括一个具有顶部和底部并限定流化床区域的室。该室还包括一个包含多个流体进入端口的注入格栅，设置其是用于为区域提供流化介质，其中这些端口中的至少两个具有不同的直径。
根据本发明的另一种非限制性具体实施方式，提供了一种流化的方法。该方法包括将流体引入颗粒的流化床中，其中流体通过至少两个具有不同直径的端口被引入床中。
根据本发明的再一种非限制性具体实施方式，提供了一种煤气化的方法。该方法包括将煤颗粒引入流化床区域的室中。该方法还包括将包含氧气和蒸汽的流化介质通过注入格栅引入到流化床区域中，其中该格栅包含至少两个具有不同横截面积的进入端口。
附图说明
图1是本发明的流化床的一个非限制性实施例的示意图。
图2是示出了进入流体端口的本发明的流化床的侧视图。
图3是示出了进入流体端口的本发明的流化床的内侧底部的视图。
图4是室10的一部分的示意图，其示出了流化床12、分布格栅18、端口118、以及选定的进口行(inlet row)1和11。
图5是室10的另一种具体实施方式的局部视图，示出了室10下部中的环状设置，具体地，空气/蒸汽或氧气/蒸汽通过导管28进入，而灰分通过环形通道22A排出。
具体实施方式
本发明的端口设备的各种具体实施方式包括适用于使流化介质进入流化床以流化床中固体颗粒物质的端口。在非限制性具体实施方式中，该端口设备包含至少两个端口，优选地至少三个具有不同横截面积的端口。本发明考虑了各种设备都可结合不同的端口设备，包括但不限于反应器、混合器、喷洒单元、以及流化床。
本发明的流化床的各种具体实施方式包括用于使流化介质流入的多个端口，其中至少两个端口，优选至少三个端口，更优选至少四个端口，甚至更优选至少五个端口，具有不同的横截面积。
在一种非限制性具体实施方式中，由于端口设置为沿径向远离床中心，使得端口的横截面积增加。可选择地，在另一种非限制性具体实施方式中，由于端口设置为沿径向接近床中心，使得横截面积增加。
在另一种非限制性具体实施方式中，那些在端口上方具有较小流体压头的端口的横截面积较小，而那些在端口上方具有较大流体压头的端口的横截面积较大。在这种设置的一个非限制性的实施例中，对于在中心处具有下陷部(low portion)圆锥形的分布结构(distribution scheme)，端口上方的流体压头随着端口设置为径向地远离中心而减小，并且因此，端口的横截面积随着端口设置为径向地远离中心而减小。
当然，在另一种非限制性具体实施方式中，可利用相反的设置，即，端口的横截面积随着端口设置为径向地远离中心而增大。
在其他的具体实施方式中，选择不同端口的横截面积以使得对于给定的端口上方的压头，在所选择的设计公差中，通过各种端口的流量大致相等。
在其他非限制性的具体实施方式中，选择不同端口的横截面积以使得可依据应用的需要来控制通过不同端口的流体的线性速度。这使得能够在流化器(强化流态剂，fluidizer)中实现不同的流动方式。例如，对于那些更接近于流化器外壁的端口，可期望具有更大的线性液体流速。可选择地，对于那些在流化器中心处的端口，可期望具有更大的线性液体流速。可期望通过某些端口具有湍流而通过其他端口具有层流。改变通过不同端口的流体的雷诺数也是可期望的。所有这些都可以通过改变进入端口的横截面积来实现。
图1中示出了本发明的流化床的一种非限制性具体实施方式，其示出了包括流化床中的用于团聚灰分或颗粒的工具的流化床气化设备或装置100的示意图。在Jequier等人的美国专利第2,906,608号中以及Matthews等人的美国专利第3,935,825号中已经描述了这样的装置，两个专利都被并入本文中作为参考。
简言之，装置100包括一个其中设置有(retain)流化床12的室10。室10还包括外壁110。粉末状的新煤进料经由管线14进入，并容纳于室或反应器10的底部中作为流体床12，该流体床12具有约15至30磅/立方英尺的床层密度。床12中的煤通过与蒸汽和空气的反应而转化为气态燃料组分。这些气态燃料组分通过排出管线15从室10排出。
室10中的床12的底部设置有倾斜形状的格栅18。空气和蒸汽通过管线20进入，并通过格栅18中的端口118，以辅助床12保持流化状态。床12中的进料煤中所含有的灰分由于其重力较大，通常沉降于流化床12的底部附近。因此，灰分颗粒沿着通常是圆锥形的格栅18的侧面流下，并流进或进入构成格栅18的一部分的排出腔(withdrawal chamber)或颗粒出口通道(exit passage)22。
另参照图2，其示出了室10的一部分的剖面图，其示出了格栅18以及包含端口行(port row)1-11的进入流体端口118。图3示出了俯视格栅18和进入流体端口118时，室10的内侧底部的俯视图。
根据本发明，进入流体端口118可以具有允许流化气体通过，以及允许流化床12流化的任何合适的直径。更特别地，至少两个进入端口118具有不同的直径。甚至更特别地，沿径向地远离通道22并朝向室10的壁110移动时，进入端口118的直径将减小。换言之，较接近颗粒出口通道22的进入端口行8、9、10以及11的端口的直径(以及横截面积)大于较接近于壁110的进入端口行1、2、3、以及4的端口。
对于图2-3中示出的具体非限制性的设计，如下表1中提供了格栅18和进入端口118的详细说明。
Figure GPA00001136782500081
正如先前所解释的，在其他具体实施方式中，在端口上方具有较大流体压头的那些端口的横截面积较小，而在端口上方具有较小流体压头的那些端口的横截面积较大。现参照图4，图4示出了室10的一部分的示意图，其示出了流化床12、分布格栅18、端口118、以及所选择的入口行1和11。注意到，进入端口行11的端口118上方的流体压头H11高于进入端口行1的端口118上方的流体压头H1。因此，在此非限制性具体实施方式中，行1的端口的横截面积大于行11的端口的横截面积。当然，在其他非限制性具体实施方式中，相反的设置也是可以的，其中使用了具有较小横截面积且具有较大流体压头的端口。
本发明的各种方法包括通过端口将流化介质引入到床体而使颗粒流化的步骤，其中至少两个端口，优选至少三个端口，具有不同的横截面积。这些端口可以被安排在分布格栅中并连接于共用的介质源。
流化方法的一个非限制性实施例如下。应该理解的是，可根据操作需要来改变速度、百分比、直径、流速、温度、反应物组成、输出气体以及任何其他操作参数。以下的操作条件仅特定于此非限制性实施例，而不是意在以任何方式、式样或形式限制要求保护的本发明。
灰分颗粒通过具有速度范围在约50至约200英尺/秒的高速空气-蒸汽流在通道22中彼此接触。该高速空气-蒸汽流通过流经管线28并通过通道或文丘里管22的狭窄喉管或孔口24进入腔或通道22。灰分颗粒可与相当数量的精细分离的煤颗粒相混合，并在通道22中形成半混合床。根据所利用的煤的类型、颗粒尺寸以及其他因素，这种半混合床可具有通常范围在约40至约60磅/立方英尺的密度。
通道22中的这种半混合床能够保护通道22的侧壁免受由高速蒸汽流通过喉管或孔口24所造成的腐蚀效应，另外还能够防止室的壁出现局部高温。同样，经由入口管线28进入喉管24的空气-蒸汽流与进入通道22的区域的煤颗粒发生反应，从而产生约100F至约200F的温度，此温度高于流化床12中保持的温度。
通过通道22由入口进入的空气-蒸汽流化床12中全部空气和蒸汽的范围大约为20％至40％。其余部分通过管线20和格栅18进入。典型地，流化床的温度为1800F-2000F，而通道区域中的温度为约2000F-2200F。
通道22的区域中的局部高温导致通道22中的灰分颗粒变得有粘性。因此，灰分颗粒随着它们之间的彼此撞击而逐渐发生团聚。当它们达到足够的尺寸和重量时，通过文丘里管孔口24进入的空气-蒸汽流的速度就不足以使团聚的颗粒保持液态或悬浮状态。它们就会向下通过孔口24进入排放管线30。
通过文丘里管喉管24的进入气体的速度可以高于分布格栅18处的气体速度。正如前文中所提到的，这种高速蒸汽流形成了射流(jet)或喷流(spout)，导致通道22区域中的固体发生剧烈的和快速的循环。通过孔口24的气体也含有百分比高于通过分布格栅18的那些气体的氧化剂。因此，正如前文中所解释的，在通道22的区域中以及在流化床12的中间而不是整个流化床12上产生较高的温度。
作为另一个具体实施方式，如图5所示，本发明还涉及一种环形的固体去除设置。图5中的室10如上文所述，不同之处在于，该环形的设置位于室10的较下部。具体地，空气/蒸汽或氧气/蒸汽通过管线28进入，而灰分通过环形通道22A得以去除。
本发明主要是通过参照煤气化进行描述。应该理解的是，本发明不限于煤气化，而应该是能够应用于含有固态碳氢化合物的任何类型的物质的气化，不限于包括生物质的实施例。还应该理解，本发明不仅限于煤气化，而是能够应用于需要使颗粒流化的许多应用中。

Claims (10)

1.一种流化床设备，包含：
具有顶部和底部且限定了流化床区域的室；以及
包含流体进入端口的倾斜的注入格栅，设置其以用于为区域提供流化介质，其中，至少两个端口具有不同的直径。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述室具有一个中心，并且所述进入端口的所述端口直径随着距所述中心的距离增加而增加。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述室具有一个中心，并且所述进入端口的所述端口直径随着距所述中心的距离增加而减小。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述进入端口的所述端口直径随着距所述顶部的距离增加而增加。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述进入端口的所述端口直径随着距所述顶部的距离增加而减小。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，在用所述端口上方的流体压头进行操作的过程中，所述进入端口的所述端口直径随着所述端口上方的流体压头的增加而增加。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，在用所述端口上方的流体压头进行操作的过程中，所述进入端口的所述端口直径随着所述端口上方的流体压头的增加而减小。 
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述端口设置在至少两组同心设置的端口中，第一组端口具有小于第二组端口的直径。
9.一种流化的方法，包含：
将流体引入如权利要求1至8中任一项所述的流化床设备具有颗粒的流化床中，其中所述流体通过所述至少两个具有不同直径的端口被引入床体中。
10.一种煤气化的方法，包含：
将煤颗粒引入如权利要求1至8中任一项所述的流化床设备的流化床区域中；并且
通过所述注入格栅将包含氧气和蒸汽的流化介质引入所述流化床区域。 
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