CN102460020A - 用于回收利用旋风分离器中固体颗粒的回料阀以及流化床反应器和其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于流化床反应器的回料阀，包括与料腿连接的垂直下降管部分用于收集从料腿释放的固体颗粒，位于该下降管部分下游的水平管部分，位于该水平管部分下游的上升管部分，以及位于该上升管部分下游的向下倾斜的斜管部分，通过该装置将固体颗粒带至流化床反应器中。该斜管部分还设有将底流气体从旋风分离器引入的引射器；较佳地，引射器原动流体为燃料制备产生的微粒以及该些微粒的载气。还提供一种包括该回料阀的流化床反应器以及一种使用其从煤及水蒸气生产合成气的方法。

Description

用于回收利用旋风分离器中固体颗粒的回料阀以及流化床反应器和其使用方法

发明领域

本发明涉及一种用于流化床反应器中固体颗粒收集及回收利用的方法和装置。具体来说，本发明涉及一种通过旋风分离器(cyclone)收集固体颗粒并将固体颗粒回收至流化床的装置，同时通过具有吹风气体(aeration gas)及引射器(eductor)的回料阀(loop seal)来防止气体从流化床区域倒流。用于回料阀的吹风气体也是气化剂。并且本发明还涉及一种通过引射器从旋风分离器产生底流气体(gas underflow)的操作方法，其中进入引射器的原动流体(motive fluids)可以是具有载气的燃料微粒。本发明进一步涉及在流化床气化器中对粘结煤的处理。

背景技术

固体碳燃料，尤其是煤，与水蒸气及空气或氧气的气化反应从而生产含有高浓度氢气及一氧化碳的合成气已实施多年。这一基础燃料工业中的工艺就是通常所说的水煤气化学反应，并可由以下理想化学反应式描述：

C+H₂O→CO+H₂

这一反应也被称为水蒸汽气化反应，其为一高吸热的化学反应，即从周围环境吸热的化学反应。商业上固体燃料的气化反应始于19世纪下半叶固定床工艺的发展，在该工艺中碳质固体颗粒，通常为焦炭，通过部分燃烧被加热至赤热，再引入水蒸气直至该吸热化学反应使床温度降低至反应温度以下；然后向床中吹入空气以提高其温度，再吹入水蒸气。

在1920年代期间，流化床技术被应用于商业规模的气化反应以气化细微燃料颗粒。流化床气化器包括圆柱形容器，于该容器中一定高度的碳质固体颗粒形成床体；一些气体，主要为水蒸汽及氧气，通过扩散器，也称分布板，向该床体供给。气体的提升力使床体物质像流体一样，并且流动通过床体的气体形成有许多不同尺寸的气泡。因此流化床气化器也被称为鼓泡床气化器。为了通过向气化器供给气体使整个床体物质上升，需要使燃料微粒具有期望尺寸。对于大多数鼓泡流化床来说，微粒尺寸为0-10mm，较佳的尺寸大约为0-6mm。为了获得燃料微粒的期望尺寸，原燃料需要经过压碎及碾碎工艺。在燃料制备工艺中，尺寸小于45微米的细微颗粒或微粒可占向气化器供给的燃料10％。一些微粒由气泡携带并且碳转化率很低。所携带的微粒经常不能被传统的旋风分离器收集。因此，捕捉微粒、将其回收至反应区域从而使燃料制备工艺中的微粒获得高碳转化率是流化床运作中的棘手问题。

流化床气化器通常工作在约1000℃的温度以及不同的压强下以促进上述气化反应。为了向吸热反应供热，床体中的一些碳会通过燃烧反应与氧气发生化学反应。由于煤颗粒在接近环境温度下进入气化器并被突然加热至工作温度，会造成碎裂现象从而产生多余的微粒。这些具有0-50微米尺寸的多余微粒也很难被收集及回收利用。此外，收集于旋风分离器侧壁的颗粒也会被旋风分离器中的气体流带走。

另一关于流化床煤气化的问题在于烟煤这一特殊类型的煤在流化床气化器中被突然加热至450℉至1000℉时会产生塑性物质。这通常称为粘结，其会在床体中产生结块。当大结块沉入床体底部并与氧气发生化学反应时会导致流化床中渣块的形成。在粘结过程中最不利的物质是原料煤中的微粒，这是因为微粒通常会比其他大颗粒加热得更快，因此更容易形成结块。为了使流化床工作得更稳定，减少由于粘结形成的渣块而导致的停车，并且扩大向气化器中供给煤的范围，因此希望减少粘结现象。

此外，气泡与颗粒和从分布板或扩散器喷射出的气体之间的相互作用会导致颗粒的损耗，这会产生额外的微粒。微粒的尺寸为0-50微米。产生的微粒的数量取决于燃料或半焦颗粒的属性或在原燃料中呈现的初始微粒，气体扩散器的设计以及床体中固体颗粒的数量。

流化床气化运作面临的最根本问题是微粒，有效地收集微粒并将其回收至气化器对于流化床气化器是至关重要的。微粒问题对于流化床气化器是如此重要以至于一位流化专家曾经预言由于细微颗粒造成的碳损失将不可能建造流化床气化器(A.M.Squires，1982，对流化历史的贡献，中国化学工业与工程学会和美国化学工程师学会的联合会议议程，北京，9月19-22，322-353页)。微粒含有10-60％的碳，因此为了使该技术更具商业竞争力必须将微粒在气化器中利用。一种利用微粒的方法涉及通过如旋风分离器等收集装置收集微粒并通过料腿(dipleg)和压力封闭系统将微粒回收至气化器中。在理想的条件下，由于氧化区中反应率或碳消耗率比还原或缺氧气氛中快几倍，所以收集到的微粒将被回收至流化床的氧化区中。因此在氧化气氛中碳颗粒能够在气体提升力使其离开床体之前被消耗殆尽。微粒与氧气之间的化学反应能为床体中吸热反应及合成气的产生供热。

回收细微颗粒的困难在于颗粒尺寸小(0-20微米)以及颗粒密度低。一些颗粒会被带至气体中并脱离收集。虽然它们能被旋风分离器所收集，但是难以将其回收至流化床中。在流化床中采用的最传统的方法是如图1所示的倾斜料腿80。原则上，随着固体颗粒在料腿80中的堆积形成固体颗粒的静压头(statichead)，固体颗粒能够从旋风分离器90流动进入流化床100。倾斜料腿80结构的显著特点是固体颗粒回收至流化床100不需要或几乎不需要吹风。然而，该结构的根本问题在于气体会向上流动进入料腿80中，如图2所示，由于向上流动的气体会将收集到的颗粒吹入旋风分离器90的出口，因此会对旋风分离器90的运作造成不利。因此，不赞成使用倾斜料腿(例如，参见Knowlton，T.M.，在流化和流体颗粒系统手册，Yang.W.编辑；Marcel Dekker，Inc.，2003)。Knowlton教导了一种采用旁路通道以及安装于旁路通道上的阀门的方法以防止向上浮起的大气泡损坏旋风分离器并造成效率损失。然而，由于固体颗粒在高温及高压下于通道中流动，因此在气化应用中，将阀门安装于固体颗粒回收通道中在经济上和技术上是不可行的。在煤气化领域中根本问题仍然是未解决的气体倒流以及流化床气化器中严重碳损失。

避免流化床碳损失的一个方法是采用被称为回料阀且被广泛用于循环流化床锅炉的装置，该锅炉将煤完全燃烧以产生用于发电及蒸汽生产的水蒸汽。该锅炉的实例在授予Allison等人的第6,237,541号美国专利中揭示。为了使固体颗粒从料腿经由回料阀回收至燃烧室的床体中，需要向回料阀提供一些气体，称为吹风(aeration)。在循环流化床锅炉中，用于回料阀吹风的气体可以是空气或回收到的燃料气体。第5,339,774号美国专利教导了将所回收的燃料气体作为回料阀吹风气体的技术。然而，这些技术不能容易地应用于流化床气化器中。由于气化器固体颗粒碳含量高、颗粒尺寸小及密度低，料腿中的任何氧气都有会导致料腿中碳燃烧从而在料腿中熔化颗粒并形成渣块。其后果是气化器不得不停车。吹风气体需要不含氧。并且由于颗粒极小，加入的吹风气体甚至会导致效率损失的恶性循环。这就是回料阀没有在流化床气化器中广泛使用的根本原因。其主要问题在于确保几乎所有的吹风气体都向下流动至气化器而不能流动至旋风分离器。

另一固体颗粒收集及回收利用系统的问题是流化床气化器中压力波动。该波动会导致床体中的压强会远高于料腿中固体颗粒的静压头，导致气体从料腿倒流至旋风分离器中。在气体倒流时旋风分离器会损失效率。由于压力波动频繁发生，因此旋风分离器的效率甚至会受到回料阀的影响，这就是流化床气化器容易有低旋风分离效率的主要原因之一。

为了避免旋风分离器的效率损失，必须完全避免气体倒流。此外，可通过使一部分气体与收集到的固体颗粒一起流动来提高旋风分离器的收集效率；在现有技术的旋风分离器收集中，该部分气体被称为底流气体(gas underflow)。底流气体会提高旋风分离器的收集效率，底流气体流动率越高，旋风分离器的收集效率越高。授予Barnes的第5,690,709号美国专利教导了一种引入至多2.5％的旋风分离器进口气体作为底流气体的技术。然而，所有的那些实施都用于提高流化催化裂化(FCC)的第三级分离器效率。由于收集到的固体颗粒流动进入压强约等于或低于旋风分离器进口的容器或管体中，因此底流气体的引入相对容易。对于几乎所有的底流旋风分离器的应用来说，气体及固体颗粒被引入到被某种侧壁物理隔开的不同舱体中。对于流化床气化器来说，固体颗粒需要回收至流化床中，其压强约为每平方英寸3至5磅或压强比旋风分离器气体进口高20-35kPa。由于气化器工作温度高达2000℉，因此像FCC的第三级分离器那样将气体固体颗粒流物理地隔开进入不同的舱体是不切实际的或在经济上是承担不起的。因此，如何从旋风分离器中引入底流气体以提高旋风分离器效率是一严峻挑战。

简而言之，尽管流化床气化器从1920年代已投入商业使用，但是流化床气化器中碳以飞灰的形式从气化器中过度流失仍是悬而未决的问题，向气化器回收微粒以及处理煤微粒的粘结仍十分困难。

本发明提供一种改进流化床工作以解决上述问题的装置及方法。

发明内容

本发明提供一种关于收集由流化床气化器释放出的气流所携带的颗粒，将收集到的颗粒回收至气化器，通过引射器引入至多20％旋风分离器进口气体作为底流气体来提高旋风分离器收集效率，以及向引射器原动气体喷嘴供给燃料微粒以消除燃料微粒粘结的创新技术方案。本发明的方法采用的是回料阀及引射器的结合，利用回收的吹风气体并向回料阀供给微粒以消除粘结。

在一实施例中，本发明提供一种用于流化床反应器的回料阀，其中流化床反应器包括由反应容器包围形成的流化床区域，至少一旋风分离器与流化床区域流体连通，用于收集含有流化床反应器区域释放的气体产物及固体颗粒的第一气-固混合物，其中该旋风分离器与用于收集从旋风分离器的气-固混合物中分离出的固体颗粒的料腿连接，该回料阀包括垂直的下降管部分(downcomer segment)与料腿连接，用于收集从料腿释放的固体颗粒，位于该下降管部分下游的水平管部分(horizontal segment)，位于该水平管部分下游的上升管部分(riser segment)，以及位于该上升管部分下游的向下倾斜的斜管部分(inclined segment)连接回流化床区域，其中旋风分离器中收集到的固体颗粒由该上升管部分被再次带回至流化床区域并防止从流化床区域释放的气体倒流至料腿。较佳地，一第一级旋风分离器直接与流化床的反应器连接，固体颗粒被收集及回收至流化床区域进行进一步地化学反应。

在本发明的另一实施例中，具有原动气体喷嘴的引射器作为回料阀的一部分用于从旋风分离器引入附加气流。从旋风分离器底部释放的底流气体可提高旋风分离器的收集效率。底流气体量为进入旋风分离器的气体的0-20％。

在一实施例中，与流化床进口连接的回料阀进口喷嘴的位置、角度及进口速度以使回料阀释放的颗粒直接进入高氧浓度及火焰区所在的流化床中心的方式设计。

在另一实施例中，本发明提供一种向原动气体喷嘴供给煤微粒的方法。由煤微粒液化(devolatilization)及气化产生的气体可在喷嘴尖端提供高速从而将底流气体从旋风分离器引入。

在一实施例中，本发明提供一种利用结块煤的方法，通过向氧化区供给来源于煤的微粒来消除在加热微粒期间微粒产生的塑性物质所形成的粘结，并通过将燃料微粒与旋风分离器收集到的微粒混合来防止微粒之间相互接触。

附图说明

图1为现有技术中气化器及具有第一级旋风分离器的回料阀的结构示意图；

图2为现有技术中倾斜料腿的示意图；

图3为气化器以及具有底流气体的回料阀的结构示意图，该底流气体由连接于回料阀及气化器的管体之中的引射器产生；以及

图4为具有引射器的回料阀的结构示意图，该引射器位于与气化器及回料阀连接的倾斜管体之中。

具体实施方式

在一实施例中，本发明提供一种气化系统，包括旋风分离器、垂直料腿、回料阀、气化器的连接端、至少一向气化器供给燃料的给料器、压缩器用于回收利用CO₂或合成气从而作为吹风气体向回料阀注入该气体以及位于回料阀上升管中的引射器。

以下参照图3阐述本发明的一实施例。在较佳的实施例中，本发明用于流化床气化器。最传统的流化床气化器包括垂直容器10、给料喷嘴20、气体扩散器30、至少一旋风分离器40、与旋风分离器40及气化器容器10连接的管体50以及与气化器容器10连接的料腿60(请参照图1及图2)。一些流化床气化器包括用于注入大部分水蒸汽及氧气或碳质固体原料的中心管11。还可通过与床体及给料器连通的喷嘴20向床体供给用于气化的燃料。对于包括中心管11的气化器而言，水蒸汽及氧气会与床体中的碳发生化学反应以生成合成气并在中心管11尖端产生火焰区12。火焰区12中的温度远高于床体中的温度。

通过中心管11及分布板30向气化器10中注入的水蒸汽及氧气会在固体颗粒的床体中形成气泡。气泡会在床体中向上移动；通常大气泡移动得比小气泡快，因此会与在大气泡移动路径上的小气泡结合。这些气泡于床体的表面破裂；气泡中的气体会在床体上方作为连续相流动并且从床体释放的许多小颗粒会被向上带至气化器容器10的出口13。由气化器10释放的气体所携带的固体颗粒沿切向进入第一级旋风分离器40并被收集于旋风分离器40的侧壁区域。收集到的固体颗粒沿着旋风分离器40的侧壁流动并进入与旋风分离器40较低端连接的垂直料腿60中。料腿60的底部与回料阀70连接，在该回料阀70中固体颗粒必须拐两次弯到达气化器10。在传统的气化器中，收集到的固体颗粒会由于从旋风分离器料腿60向上流动的气体被再次带走。

本发明中通过旋风分离器40收集到的固体颗粒会向下流动至回料阀70。通常回料阀70中的静压会防止气体向上流动。

图4显示了回料阀70更详细的结构，其包括与料腿60连接或与作为料腿60一部分的下降管71。该下降管71用于收集从旋风分离器40释放的固体颗粒。该下降管71的较低端通过水平腿72与上升管73连接，于该上升管73中固体颗粒及气体混合物会向上流动。斜腿74与上升管73的上端及气化器10连接。固体颗粒通过该斜腿74被回收至气化器10中。

数个喷嘴61可设置于旋风分离器40及气化器10之间的整个料腿60及回料阀70上以促进收集到的固体颗粒的流动。喷射进入喷嘴61的气体称为吹风气体。用于料腿60的吹风气体为水蒸汽或CO₂。在一合理设计的回料阀70中，吹风量正好适于料腿60中颗粒的流化。大多数的吹风气体会由回料阀70中流动的固体颗粒携带并终止于流化床气化器10。然而，传统的回料阀不能保证所有附加的气体总能流进气化器的床体中。

本发明回料阀70的设计优点在于防止气体从气化器10倒流至料腿60中，并在通过旋风分离器40底流气体使旋风分离器40收集到的固体颗粒流动进入气化器10的同时防止吹风气体向上流至气化器10，且提高固体颗粒-气体的转化率。

在本发明的较佳实施例中，引射器75连接于与回料阀70的上升管73及气化器10相连的斜管74。引射器75的作用是从旋风分离器40引进底流气体以提高旋风分离器40收集效率。

引进的气体量取决于原动气体的流量以及原动气体的压力。在本发明的较佳实施例中，引射器75的喷嘴尖端751的原动气体与引射器75的喉道752中混合物的速度比为10-100(具体细节请参见图4)。在高速度比的条件下，整个回料阀70相对处于稀相流状态。底流气体可占进入旋风分离器40进口气体总量的1-20％。对于本发明应用于气化而言，增加底流气体对于气化运作是有利的。其不仅提高了旋风分离器40收集效率从而在系统中保留更多的碳，而且还提高了收集到的微粒的碳转化率。大部分携带的气体遇氧燃烧。气体与氧气的化学反应会提高微粒的温度并且在高压气氛下微粒会与氧气或水蒸气或CO₂更快地进行化学反应。

由于引射器75的推力及引射器75的喉道752中高速的气固混合物，流化床中的压力波动不再对料腿60产生影响。因此会提高料腿60下料稳定性从而也会提高旋风分离器40收集效率以及料腿60与回料阀70中固体颗粒流动的稳定性。

与气化器10及回料阀上升管73连接的斜管74的位置及倾斜角度以使旋风分离器40收集的微粒能够到达气化器10的火焰区12的较佳方式设置。在火焰区12中，微粒中的碳能够容易地转化为灰及合成气。由于旋风分离器40收集灰颗粒的效率高于收集碳颗粒的效率，半焦或碳颗粒的转化会进一步提高旋风分离器40的收集效率。

引射器喷嘴751中作为原动气体的流体也是燃料及其载气。在该方法中，至少部分燃料通过原动气体喷嘴751向气化器10供给。载有燃料颗粒及燃料气体产物的气体用作原动气体，将底流气体从旋风分离器40引入。在该实施例中，在该处供给燃料的气体压力远高于其他燃料喷嘴的气体压力。

在本发明的较佳实施例中，向引射器原动喷嘴751供给的燃料为燃料制备工艺中产生的微粒。在最传统的气化实施中，燃料制备工艺中产生的微粒由一布袋收集，其中该过滤布袋用作微粒的屏障。收集到的微粒与给料仓中其他燃料混合。由于混合不均匀，因此有时一些微粒会到达给料器，该给料器用于供给相对较粗大的颗粒。微粒会对进料工艺造成困难。作为本发明的一部分，微粒会通过一单独的给料器向原动气体喷嘴751单独供给，该给料器用于供给微粒。

当微粒与载气一起注入引射器75顶端的高温区域时，会产生作为气化及液化产物的气体。该气体的体积为向喷嘴751供给的微粒的体积的100-1000倍。引射器75的喷嘴751射出的气体迅速膨胀会使其具有高速，因此会产生更大的吸力以引入更多的底流气体。向引射器喷嘴751供给的燃料可在无需喷嘴751内部气体具有高速的情况下提高引射器75喷射的效果。

向引射器喷嘴751供给的微粒会进入氧化区，较佳的是火焰区12。从旋风分离器40释放的出口氧气及其他微粒可在根本上防止结块颗粒相互粘结。回收利用的细微颗粒与供给的燃料微粒的质量比为20-100。燃料颗粒间相互接触的可能性大为降低。在燃料颗粒间没有相互接触的情况下，形成结块的可能性也随之消失。因此，本发明能够解决气化中的煤结块问题。

Claims (13)

1.一种用于流化床反应器的回料阀，其特征在于，该流化床反应器包括由反应容器包围形成的流化床区域，至少一旋风分离器与流化床区域流体连通用于收集含有流化床反应器区域释放的气体产物以及固体颗粒的第一气-固混合物，该旋风分离器与用于收集从旋风分离器的气-固混合物中分离出的固体颗粒的料腿连接，该回料阀包括：

垂直下降管部分，与该料腿连接以收集从料腿释放的固体颗粒；

水平管部分，位于该下降管部分下游；

上升管部分，位于该水平管部分下游；以及

向下倾斜的斜管部分，位于该上升管部分下游，该斜管部分连接回流化床区域；

其中旋风分离器中收集到的固体颗粒由该上升管部分被再次带回至流化床区域并防止从流化床区域释放的气体倒流至料腿。

2.如权利要求1所述的回料阀，其特征在于，还包括位于所述向下倾斜的斜管部分中的引射器。

3.如权利要求2所述的回料阀，其特征在于，所述旋风分离器为第一级旋风分离器。

4.如权利要求3所述的回料阀，其特征在于，所述引射器的原动气体为水蒸汽或CO₂。

5.如权利要求4所述的回料阀，其特征在于，向所述流化床区域供给固体颗粒。

6.如权利要求5所述的回料阀，其特征在于，所述引射器包括直径比其他部分小的喉道区域。

7.如权利要求6所述的回料阀，其特征在于，向引射器的喷嘴供给燃料微粒。

8.一种包括如权利要求1所述的回料阀的流化床反应器。

9.如权利要求8所述的流化床反应器，其特征在于，该流化床反应器包括至少一向床体供给燃料的给料喷嘴，向床体注入水蒸汽及氧气的中心管，以及用于促进气体与固体的化学反应以生产合成气的气体扩散器。

10.一种使用如权利要求8所述的流化床反应器从煤及水蒸气生产合成气的方法。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，回收利用的固体颗粒与向引射器喷嘴供给的燃料微粒的质量比为20至100。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，引射器喷嘴尖端的原动气体与引射器的喉道中混合物的速度比为10至100。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，回料阀的引射器向引射器喷嘴引入0-20％的底流气体。

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