CN102477314B - 回收利用多相化学反应器中颗粒的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于回收利用多相化学反应器中细灰颗粒的方法及装置，其中煤在多相化学反应器中部分氧化生成携带有细灰颗粒的出口气流，其中多相化学反应器包括温度等于或高于细灰颗粒熔点的高温区，出口气流中基本所有的细灰颗粒被送回至高温区从而提高碳转化率并减少飞灰量。

Description

回收利用多相化学反应器中颗粒的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种用于收集及回收利用诸如流化床反应器、气流床反应器以及固定床反应器等多相化学反应器中，尤其是用于煤气化的多相化学反应器中细微固体颗粒的方法及装置。
背景技术
在工业化学工程中，多种反应器被广泛用于进行各种多相化学反应。典型的多相反应器包括固定床(逆流固定床或并流固定床)、流化床反应器以及气流床。其经常被用于煤、生物质以及城市垃圾(municipal solid waste)的气化中。
具体来说，逆流固定床(“向上流动”)气化器包括以碳为燃料(如煤、生物质或城市垃圾)的固定床，气化剂(水蒸汽、二氧化碳、氧气和/或空气)以逆流形式流过其中。并流固定床(“向下流动”)气化器与逆流型类似，但气化剂气体随着燃料以并流形式(通常向下，因此称为“下吸式气化器”)。灰以干灰或灰渣形式去除。
通常将干粉燃料加入气流床气化器的氧化剂中。燃料及氧气以并流形式流动形成极小微粒的浓雾，在其中发生气化反应。高温以及高压通常能带来更好的转化率以及单个气化反应器的更高产出。然而在一些情况中，仍然会发现灰形式的相当大的碳损失。
在流化床反应器中，高速的流体使颗粒状固体悬浮并使其具有流体的性质。该过程称为流化，其具有许多重要的优势，因此用于许多工业应用中，包括煤的气化。在流化床煤气化中，原料颗粒与氧气以及蒸汽反应生成“合成气”，其为一氧化碳、氢气、二氧化碳以及其他少量气体的混合物。流化床区域的直接产物称为出口气流，其包含气体产物混合物以及含有煤和灰的固体颗粒。通常灰以干灰(颗粒或飞灰)或非流化的重结块(底灰)形式去除。
飞灰的回收利用是流化床反应器中典型的技术问题。流化床反应器通常在800至1,100℃的温度下工作，该温度低于多数煤及生物质材料900至1,300℃的灰熔点温度(软化温度)。由于在较低的温度下进行工作，一些燃料颗粒在离开反应区域前未完全反应转化为煤气。大量未完全反应的燃料颗粒随着出口气流从反应器顶部离开。飞灰通常含有大约10％至60％的未反应碳。
为了使大多数固体颗粒进行反应并减少细粉在顶部的损失，在这些多相反应器中通常采用一级或多级旋风分离器。收集到的细微颗粒可在另一反应器中燃烧，但这将需要其他设备进行并增加大量经营成本。
另一利用收集到的高碳含量飞灰的典型方法是将其回收到气化反应器中进一步反应。然而，回收的飞灰不容易进行化学反应，尤其是当反应器中温度不高的时候。在该情况下，飞灰的循环没有对气化工作效率带来任何明显提高。
因此，有必要提供一种新的方法及装置以解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
如上所述，现有技术中飞灰通常被送回气化器中试图回收及再利用飞灰中含有的碳并减少灰的数量，但结果都不甚理想。本发明可简化气化系统并减少投入资金，并且限制了或至少缓解了排出的原料中细粉含量。
本发明人第一次认识到先前尝试的失败是部分由于不能将灰持续地送回到高温区。事实上，在本发明出现之前，没有人尝试过将飞灰持续地送回到流化床的高温区。就流化床反应器而言，部分原因在于飞灰通过与收集飞灰的旋风分离器或布袋连接的料腿被送回至流化床区域。由于在高温区中的高温及颗粒的高速，料腿不能到达高温区域或很快并容易被侵蚀。
本发明提供一种新颖及创新的技术方案以解决上述技术问题，从而出人意料地、显著地提高碳转化率并减少煤气化中飞灰的高输出量。
在一个实施例中，本发明提供一种回收多相化学反应器中细灰颗粒的方法，其中煤在多相化学反应器中部分氧化以生成出口气流，其携带有细灰颗粒，其中多相化学反应器包括温度等于或高于细灰颗粒熔点的高温区，该方法包括：a)将细灰颗粒从出口气流分离的步骤；以及b)将上述步骤a)中收集到的细灰颗粒返回至高温区的步骤。
本发明进一步包括用于上述方法使用的多相化学反应器。
在一个实施例中，本发明的多相化学反应器是固定床反应器、流化床反应器或气流床反应器。
在一个实施例中，本发明的多相化学反应器用于煤及城市垃圾的气化。
在一个实施例中，所述流化床反应器包括垂直的反应容器，其包括密相段、位于密相段上方的稀相段以及位于反应容器密相段中定义反应床底部的分布板，其中高温区位于该分布板的上方并且细灰颗粒经由分布板被送回至高温区中。
在一个实施例中，细灰颗粒通过气力输送系统被送回至高温区。在一个实施例中，用于气力输送系统的载气不含有氧气。在一实施例中，用于气力输送系统的载气包括二氧化碳、氮气、合成气、蒸汽或其任意配比的混合物。
根据本发明的另一实施例，一级或多级旋风分离器、一个或多个布袋过滤系统、一个或多个陶瓷过滤器、一个或多个静电除尘器或其结合用于从出口气流中分离或收集细灰颗粒。
在一较佳实施例中，本发明提供一种流化床煤气化反应器系统，其中含煤燃料颗粒与氧气以及蒸汽反应生成合成气。在一个实施例中，本发明的系统包括：1)流化床反应容器，其包括a)上部，其中流化床区域在工作过程中形成，并产生携带有飞灰颗粒的出口气流；b)下部，与上部分开；c)圆锥形分布板，将上部与下部分开，该分布板顶端朝下，于分布板上设有穿孔并且一中心开口设于顶端处，其中形成于流化床中的底灰从中心开口掉落并收集于反应容器下部；d)通入所述开口的气体进口，向分布板上方的区域通入富氧的进口气流，在工作期间由于该区域中增强的碳质燃烧形成高温区；2)飞灰收集子系统，从出口气流中分离并收集飞灰颗粒；以及3)飞灰回收子系统，将飞灰收集子系统收集到的飞灰颗粒直接被送回至高温区。
在一实施例中，流化床煤气化系统中飞灰回收子系统包括一级或多级旋风分离器、布袋、陶瓷过滤器、静电除尘器或其结合。在另一实施例中，根据本发明的流化床煤气化系统中飞灰回收子系统包括用于传送飞灰的气力输送系统。
在一实施例中，流化床煤气化系统包括气力输送系统，其包括通入分布板的射流出口，其中射流出口具有将飞灰直接输送进入分布板上方的高温区的开口。
附图说明
图1显示了用于煤气化的典型流化床气化器系统的示意图。
图2显示了本发明具体的实施例，其中从出口气流收集的飞灰颗粒经由分布板直接被送入高温区。
图3显示了根据本发明的实施例，与分布板连接用于将飞灰送入高温区的管道的具体结构。
图4显示了高温区在(a)上流式固定床气化器(updraft fixed gasifier)；(b)下吸式固定床气化器(drowndraft fixed gasifier)；(c)顶烧式水煤浆进渣气流床气化器(top-fired coal-water slurry feed slagging entrained flow gasifier)；(d)顶烧式干煤进渣气流床气化器(top-fired dry-coal feed slagging entrained flowgasifier)；(e)侧烧式干煤进渣气流床气化器(side-fred dry-coal feed slaggingentrained flow gasifier)的位置。
图5显示出根据本发明的方法当飞灰被送回高温区时飞灰尺寸增加。
具体实施方式
本发明提供一种装置以及相关方法，有利于诸如固定床反应器、气流床反应器以及流化床反应器的多相反应器回收利用从出口气流收集到的细灰颗粒。较佳地，本发明的装置及方法用于煤或生物质气化的反应器中。当用于煤或生物质气化时，本发明的装置及方法能够可靠地、持续地将飞灰送入反应器的高温区中以提高煤的转化率并减少飞灰量。
测试表明在一实施例中，本发明的方法能够将反应煤中几乎所有的碳转化为合成气，并将碳转化率从85％～95％提高至高于99％，几乎所有的灰以底灰的形式从流化床反应器中收集，而飞灰能够被送回至反应区域被充分地再次利用。
根据本发明的一个方面，出口气流中的飞灰通过旋风分离器或布袋或其结合收集，并被送回至气化器中的高温区。在高温区中，飞灰的细微颗粒能够与蒸汽及氧气迅速反应。由于灰颗粒的尺寸小、温度高(等于或高于灰颗粒熔融温度)并且在反应区域中发生高速碰撞，因此灰颗粒会粘结形成较大尺寸的颗粒，并以底灰形式从气化器底部排出，从而极大地减少了其作为出口气体中的飞灰被吹出的机会。
本领域的技术人员能够容易地认识到在多相反应器中存在浓度最高的区域。例如，在煤气化器的反应区中将氧气引入煤，氧气含量比其他区域高的区域会产生快速或增强的燃烧反应从而比其他反应区域具有更高的温度。为了便于描述，煤气化器的高温区的温度不低于飞灰颗粒的熔点，通常不低于1,000℃，较佳的是不低于1,100℃。对于流化煤气化器来说，通常高温区是指进入的氧气量占气化器消耗的氧气总量10％至全部(100％)的区域。较佳地，高温区是进入的氧气占气化器消耗的氧气总量20％至100％，或30％至100％，或40％至100％，或50％至100％，或60％至100％的区域。
图1显示了典型的煤气化流化床反应系统。其核心部件包括反应容器1，其通常呈圆柱形并由内衬耐火材料制成。在所述实施例中，反应容器1的下部窄于上部。较窄的下部也被称为反应容器的密相段I，上部称为稀相段或扩大段II。一分布板2设置于反应容器1较窄的下部并定义了流化床底面。分布板2的中部可以是圆锥形或圆柱形并设有一通道，通常位于分布板2的中心。于通道底部设有具有固定开口的窄部，该开口定义了文丘里管喉道的尺寸以提供统一的向上气流(氧气/空气及蒸汽)进入反应容器1的速度从而进入流化床。在分布板2上方的合适位置，煤或其他含煤物质通过一个或多个管道6被引入反应容器1中部分氧化并与气流反应以生成合成气。将高速气流经由文丘里管或通道引入反应容器1中会使灰颗粒结块并最终通过通道及文丘里喉道排出。额外的气体或氧化剂可通过另一进口3提供，并通过分布板2的穿孔蔓延进入反应区中。如上所述，在现有技术的装置中会产生飞灰并随着气体产物一起从反应容器1的顶部排出。
反应容器的顶部与一级旋风分离器11连接，该一级旋风分离器还进一步与可选的二级旋风分离器14连接。通过可选的部件诸如余热回收装置17以及飞灰过滤器19(可以是布袋或其他过滤装置)，将出口气流分成净合成气和飞灰。
根据本发明的一个实施例，飞灰经由分布板2被送回至反应区中。
旋风分离器是一利用离心力将流体与携带于流体中的颗粒分离的装置。流化床反应器中的传统旋风分离器用于将气体与固体颗粒分离。旋风分离器具有至少一载有固体颗粒气流的切线进口，一载有较少固体颗粒气体的出口以及另一收集固体颗粒出口。对于大多数传统旋风分离器，气-固进口通常位于侧壁，气体出口位于顶部，固体颗粒出口位于底部。
高温区25形成于分布板2的上方并且位于将氧化剂引入流化床区域的文丘里管出口的附近。如上所述，该区域25充满大量氧气，因此更多的煤进行燃烧反应使整个反应容器1保持一定温度，该区域25中的温度高于反应容器1中其他区域的温度并且高于飞灰的熔点。现有技术的装置中，许多飞灰被向上吹起并离开高温区25，并且在其粘结或完全与氧气反应前随着合成气排出。
图2显示了本发明的一个具体实施例，其中从排出气流收集到的飞灰细微颗粒经由分布板2被直接送入高温区25。在一个实施例中，通过气力输送系统中输送载气射流的管道24实现上述传送，该管道24的出口可伸出分布板2大约0至1,000mm。
载气可为氮气、二氧化碳、合成气、蒸汽或者两种或多种气体以任何适当比例的混合。期望的是载气不含有氧气以降低在高温下氧气与飞灰中碳发生反应的风险，本领域的技术人员可以理解的是可以调节用于将飞灰输送至高温区25中的载气的数量、气压以及速度以确保所有或基本上所有的飞灰进入并保持在高温区域中，从而剩余的碳转化为合成气产物并且灰颗粒粘结以形成大颗粒并以底灰形式排出反应容器。
图3显示了根据本发明的一个实施例，与分布板2连接用于将飞灰送入高温区的管道24接头26的具体结构。较佳地，该接头具有用于支撑的筋板261以及防止高温的耐磨衬套262。
图4显示了固定床和气流床中的高温区。在所述两种例子中，高温区都被定义为温度高于反应容器1中其他部分温度的区域，通常是氧气喷嘴或进口周围的区域。在气流床气化器中，该区域的温度也高于灰熔点。
本发明能够获得很高的碳转化率并降低从气化器排出的飞灰量。本发明能够通过以下作为参考的实例更容易地被理解，该实例仅仅是为了说明本发明的某些方面及实施例，并不是对本发明的限制。本领域的技术人员能够理解的是所述部件的其他排列组合也能够同样地实现将含碳飞灰直接送入流化床反应器高温区25的目的。例如在一个实施例中，本发明的装置还包括余热回收装置17、飞灰锁斗21、飞灰输送斗23。
实例
例1
气力输送系统用于将具有或没有二级旋风分离器的布袋收集到的细微飞灰输送进入高温区25(高于飞灰的半球温度或T3)，该区域也是气化器中富含O2的(＞10％)的区域。
气力输送系统设计  采用全自动可编程逻辑控制(PLC)系统并设计互锁保护。通过与垂直中心管5约呈45°角的D80管实现与气化器的连接，并经由分布板或栅板2进入。
进行对照实验，其中飞灰不被送回高温区25。具体来说，如图1描述的煤气化系统工作48小时，而飞灰不被送回气化器1中。
随后系统工作72小时，其中飞灰经由分布板2返回高温区25。在两阶段中其他条件保持不变。采用煤、纯氧(99.6％)以及蒸汽。反应容器中的压力为321kPa，温度约为1020-1024℃。用于将飞灰输送至气化器1的载气含有70％的CO2，剩余为H2以及CO。所用的煤具有如下特性：表1进入气化器1的煤的组成
  成分，wt％   值
  碳   55.58
  氢   3.62
  氧   8.56
  氮   0.94
  硫   1.10
  灰分   25.92
  水分   4.28
含碳细微灰粒一旦回到高温区时，其约在0.2秒内几乎完全被燃尽，灰粒熔化或变软从而其浓度增加。如以下表2以及图5所示，熔化或变软的灰粒在反复相互碰撞后粘结并且尺寸变大。作为对比，燃烧前的细微煤颗粒具有较高的熔融温度因此不能熔化或变软或与其他碳颗粒熔合。表2灰颗粒的尺寸比较
  灰的尺寸范围(mm)   ＞3.35   2.36-3.35   1.18-2.36   0.83-1.18   0.27-0.83   ＜0.27
  对照实验(％)   6.39   5.17   10.64   5.1   25.91   46.79
  测试(％)   5.54   2.81   5.96   4.31   67.87   13.51
碳转化率；碳-净合成气率；以及底灰分析
通过灰平衡以及碳平衡方法进行计算，我们测得碳转化率为99.2％，误差率小于0.1％。我们也计算煤-煤气转化率以及底灰中的碳含量。测试结果以下如表3所示。表3碳转化率、冷煤气效率以及底灰碳含量
  指标   碳转化率％   冷煤气效率％   底灰中残碳wt％
  对照实验   85.2   70.8   6.6
  测试   99.1   81.1   1.5
结论
以上测试表明实际的碳转化率达到99.2％，作为对比在对照实验中仅仅略高于85％。几乎所有的灰都作为底灰释放并没有飞灰产生。该测试获得1.32NM3/kg的煤-合成气转化率，煤的低位热值(LHV)为4550kcal/kg。其意味着以气化器7500NM3/h的产出计算，每天可减少15％的煤消耗量或节省20吨的煤。
该测试表明通过利用本发明的方法，由于至少可省略二级旋风分离器或其他飞灰捕捉元件(至少可减少总布袋或过滤器)可简化煤气化系统并降低资金投入，同时煤的消耗量减少而煤气产出增加。此外，不受0.15mm至＜15％煤颗粒尺寸的限制。

Claims (22)

1.一种回收多相化学反应器中细灰颗粒的方法，其特征在于，煤在多相化学反应器中部分氧化以生成出口气流，其携带有细灰颗粒，其中多相化学反应器包括温度等于或高于细灰颗粒熔点的高温区，该方法包括：
a）将细灰颗粒从出口气流中分离的步骤；以及
b）将上述步骤a）中收集到的细灰颗粒返回至所述多相化学反应器的高温区的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多相化学反应器选自固定床反应器、流化床反应器以及气流床反应器。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多相化学反应器为流化床反应器。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述流化床反应器用于煤的气化。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述流化床反应器包括垂直的反应容器，其包括密相段、位于密相段上方的稀相段以及位于反应容器密相段中定义反应床底部的分布板，其中高温区位于该分布板的上方并且细灰颗粒经由分布板被送回至高温区中。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，细灰颗粒通过气力输送系统被送回至所述高温区，所述气力输送系统通入分布板的射流出口，将细灰颗粒直接输送进入分布板上方的高温区。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述气力输送系统的载气不含有氧气。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述气力输送系统的载气包括二氧化碳、氮气、合成气、蒸汽或其混合物。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一级或多级旋风分离器、一个或多个布袋过滤系统、一个或多个陶瓷过滤器、一个或多个静电除尘器或其结合用于从出口气流中分离或收集细灰颗粒。
10.一种多相化学反应器，其特征在于，煤在多相化学反应器中部分氧化生成携带有细灰颗粒的出口气流，其中多相化学反应器包括温度等于或高于细灰颗粒熔点的高温区，该多相化学反应器包括：用于将细灰颗粒从出口气流中分离的细灰颗粒收集系统以及用于将细灰颗粒送回至所述多相化学反应器的高温区的细灰颗粒输送系统。
11.如权利要求10所述的多相化学反应器，其特征在于，所述多相化学反应器选自固定床反应器、流化床反应器以及气流床反应器。
12.如权利要求11所述的多相化学反应器，其特征在于，所述多相化学反应器为流化床反应器。
13.如权利要求12所述的多相化学反应器，其特征在于，所述流化床反应器用于煤的气化。
14.如权利要求13所述的多相化学反应器，其特征在于，所述流化床反应器包括垂直的反应容器，其包括密相段、位于密相段上方的稀相段以及位于反应容器密相段中定义反应床底部的分布板，其中高温区位于该分布板的上方并且细灰颗粒经由分布板被送回至高温区中。
15.如权利要求14所述的多相化学反应器，其特征在于，所述细灰颗粒通过气力输送系统被送回至高温区，所述气力输送系统通入分布板的射流出口，将细灰颗粒直接输送进入分布板上方的高温区。
16.如权利要求15所述的多相化学反应器，其特征在于，所述气力输送系统的载气不含有氧气。
17.如权利要求15所述的多相化学反应器，其特征在于，所述气力输送系统的载气包括二氧化碳、氮气、合成气、蒸汽或其混合物。
18.如权利要求10所述的多相化学反应器，其特征在于，其特征在于，一级或多级旋风分离器、一个或多个布袋过滤系统、一个或多个陶瓷过滤器、一个或多个静电除尘器或其结合用于从出口气流中分离或收集细灰颗粒。
19.一种流化床煤气化系统，其特征在于，含煤燃料颗粒与氧气以及蒸汽反应生成合成气，该系统包括：
1）流化床反应容器，其包括
a）上部，其中流化床区域在工作过程中形成，并产生携带有飞灰颗粒的出口气流；
b）下部，与上部分开;
c）圆锥形分布板，将上部与下部分开，该分布板顶端朝下，于分布板上设有穿孔并且一中心开口设于顶端处，其中形成于流化床中的底灰从中心开口掉落并收集于反应容器下部；
d）通入所述中心开口的气体进口，向分布板的上方区域通入富氧的进口气流，在工作期间由于该区域中增强的碳质燃烧形成高温区；
2）飞灰收集子系统，从出口气流中分离并收集飞灰颗粒；以及
3）飞灰回收子系统，将飞灰收集子系统收集到的飞灰颗粒直接送回至所述多相化学反应器的高温区。
20.如权利要求19所述的流化床煤气化系统，其特征在于，所述飞灰回收子系统包括一级或多级旋风分离器、一个或多个布袋过滤系统、一个或多个陶瓷过滤器、一个或多个静电除尘器或其结合。
21.如权利要求20所述的流化床煤气化系统，其特征在于，所述飞灰回收子系统包括用于传送飞灰颗粒的气力输送系统。
22.如权利要求21所述的流化床煤气化系统，其特征在于，所述气力输送系统包括通入分布板的射流出口，将飞灰颗粒直接输送进入分布板上方的高温区。
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