CN103120919A - 一种流化床输运床耦合反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流化床输运床耦合反应装置，包括风室、布风板、流化反应床、中心风管、气提管、过渡段、输运床、旋风分离器、立管和返料器，流化反应床的底端与风室的顶端连接，流化反应床的顶端通过过渡段与输运床连接，输运床的上部与旋风分离器的入口连通，旋风分离器的物料出口通过立管与返料器的入口连接，返料器的出口与流化反应床的下部连通；布风板连接在流化反应床和风室之间，中心风管的出风口位于流化反应床中，中心风管的进风口位于风室的外侧，中心风管的出风口与气提管的入口相对；气提管的出口与输运床的入口相对。该流化床输运床耦合反应装置可以有效控制固体物料的循环流率和物料在反应器内的停留时间。

Description

一种流化床输运床耦合反应装置

技术领域

本发明属于能源化工过程中的双流化床装置，具体来说，涉及一种流化床输运床耦合反应装置，该反应装置可以有效控制固体物料的循环流率和在反应器内停留时间，尤其适用于CO₂脱除、化学链燃烧等能源化工过程中的双流化床系统。

背景技术

气固流态化技术由于气固接触面积大，反应温度均匀、传热传质好等优点，被广泛应用于石油、化工、能源、冶金等行业，为国民经济的发展做出了巨大的贡献。

在种类繁多的流态化反应器中，循环流化床反应器因其既具有传统流态化反应器的优点，同时又具有可以有效控制物料的停留时间、便于大规模工业化等优点，被广泛应用于煤的燃烧和气化、CO₂脱除、化学链燃烧等领域。循环流化床技术虽然应用广泛，但是对床料粒径分布的均匀性要求较高。当应用于CO₂脱除或化学链燃烧等需要将物料全部循环的技术领域时，如果入炉颗粒为宽筛分分布或发生结焦聚团，较大的颗粒往往无法被流化风带出反应器，从而降低了固体颗粒的循环流率和反应效率。为了克服上述问题，一些在高气速条件下运行的流化床反应器应运而生。

输运床是在循环流化床操作的基础上，继续提高流化风速而形成的一种新型流态化反应器。在运行时，输运床内的物料在高气速下被很快带出床层，床层底部没有颗粒聚集，从而获得了很高的循环流率。与传统的循环流化床技术相比，输运床技术的床内气固接触较好、传热/传质速率快、气固返混小，近年来被应用于煤气化和化学链燃烧等领域。例如著名的KBR煤气化炉采用的就是输运床技术。但是输运床反应器还存在一些缺点：由于操作风速较高，为了保证物料有足够的停留时间，反应器一般比较高，导致空间布置不够紧凑，初期投资较大；同时输运床在整个高度上的风速较高，风机能耗较大，降低了反应器运行的经济性。

可以看出，无论是循环流化床还是基于循环流化床演变而来的其他气固流化床，固体物料的停留时间和循环流率都是无法兼得的。具有较长停留时间的反应器往往循环流率较低，而具有较高循环流率的反应器往往颗粒的停留时间不足。基于此，许多学者提出放弃传统的单纯利用流态化原理运行的反应器而改为将流态化与机械构件相结合，以达到停留时间和循环流率兼得的目的。比较典型的有中国专利“高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的装置及方法”（专利号：200810122644.2），提出了使反应器在鼓泡流化床状态下运行以达到较长的停留时间，同时利用布置在流化床底部的螺旋给料机来完成两个流化床反应器间物料的循环，这样可以通过改变鼓泡流化床的流化风速和螺旋给料机的转速来调节物料在反应器内的停留时间和循环流率。这种方法的优点是可以同时灵活地控制物料的停留时间和循环流率，减少颗粒在高速运动时对反应器的磨损以及由剧烈碰撞造成的破裂和粉碎，进而提高了反应器的运行效率。但是，螺旋输送装置的存在破坏了反应器的气密性，使反应效率降低，系统结构复杂，占地面积大；同时，反应物料易堵塞输送装置，危害系统的安全运行。更重要的是，这种方法很难进行放大并应用于工业当中。迄今为止，未见到既能够控制物料在反应器内的停留时间，又能够调节反应器的循环流率，同时保证反应器高效、经济、安全运行的技术的相关报道。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种流化床输运床耦合反应装置，该反应装置可以有效控制固体物料的循环流率和物料在反应器内的停留时间。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的一种流化床输运床耦合反应装置，该反应装置包括风室、布风板、流化反应床、中心风管、气提管、过渡段、输运床、旋风分离器、立管和返料器，流化反应床的底端与风室的顶端连接，流化反应床的顶端通过过渡段与输运床连接，输运床的上部与旋风分离器的入口连通，旋风分离器的物料出口通过立管与返料器的入口连接，返料器的出口与流化反应床的下部连通；布风板连接在流化反应床和风室之间，风室的壁面设有流化风入口；中心风管穿过并固定连接于风室和布风板，中心风管的出风口位于流化反应床中，中心风管的进风口位于风室的外侧，中心风管中通入中心风；气提管位于流化反应床和过渡段中，且气提管固定连接在流化反应床的内壁上；中心风管的出风口与气提管的入口相对；气提管的出口与输运床的入口相对。

进一步，所述的流化反应床、中心风管、气提管和输运床同轴设置。

进一步，所述的流化反应床、过渡段和输运床呈整体式结构。

进一步，所述的气提管的内径大于中心风管的外径，流化反应床的管径大于输运床的管径。

进一步，所述的中心风管内的中心风的风速大于流化反应床内的流化风的风速。

进一步，所述的中心风管的出风口与气提管的入口之间有间距。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.有效控制固体物料的循环流率和物料在反应器内的停留时间。与传统的气固流态化反应器相比，本发明涉及的反应器将鼓泡流化床和输运床有机地结合，从而既具有鼓泡流化床颗粒停留时间长的优点，又具有输运床颗粒循环流率大的特点。本发明的装置中，中心风管的出风口位于流化反应床中，中心风管中通入中心风，中心风管的出风口与气提管的入口相对，中心风管和气提管之间留有一定的空隙，气提管的出口与输运床的入口相对。中心风管中通入中心风，流化反应床中通入流化风。中心风的风速大于流化反应床内流化风的风速，从而在流化反应床内中心风管出口与气提管入口区域形成低压。这样，流化反应床中的物料在静压差的作用下，从中心风管与气提管的间隙进入气提管中。通过控制通入中心风管内的中心风的风速和通入流化反应床内的流化风的风速，可以对该装置中固体物料的循环流率和停留时间进行灵活有效地控制。

2.结构简单、紧凑。本发明的反应装置由风室、布风板、流化反应床、中心风管、气提管、过渡段、输运床、旋风分离器、立管和返料器构成，结构简单，整体高度低，空间布置紧凑，初投资小，有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明实施例的结构示意图。

图中有：风室1、布风板2、流化反应床3、中心风管4、气提管5、过渡段6、输运床7、旋风分离器8、立管9、返料器10、再生床11、返料管12、再生床旋风分离器13、再生床立管14。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种流化床输运床耦合反应装置，包括风室1、布风板2、流化反应床3、中心风管4、气提管5、过渡段6、输运床7、旋风分离器8、立管9和返料器10。流化反应床3的底端与风室1的顶端连接，流化反应床3的顶端通过过渡段6与输运床7连接，输运床7的上部与旋风分离器8的入口连通，旋风分离器的物料出口通过立管9与返料器10的入口连接，返料器10的出口与流化反应床3的下部连通。流化反应床3可采用鼓泡床或湍流床的操作方式。气提管5可采用气力输送的操作方式。输运床7可采用气力输送或快速流化床的操作方式。布风板2连接在流化反应床3和风室1之间。风室1的壁面设有流化风入口。流化风通过流化风入口通入风室1中，然后再通过布风板2，进入流化反应床3中。中心风管4穿过风室1和布风板2，中心风管4固定连接在风室1的壁面和布风板2上，并且连接处密封。中心风管4的出风口位于流化反应床3中，中心风管4的进风口位于风室1的外侧。中心风管4中通入中心风。气提管5位于流化反应床3和过渡段6中，且气提管5固定连接在流化反应床3的内壁上。中心风管4的出风口与气提管5的入口相对。气提管5的出口与输运床7的入口相对。

进一步，所述的流化反应床3、中心风管4、气提管5和输运床7同轴设置。这样更有利于固体物料经气提管5进入输运床7。

进一步，所述的流化反应床3、过渡段6和输运床7呈整体式结构。整体式的结构一方面便于制造，另一方面使得各部件之间的连接更加牢靠。

进一步，所述的气提管5的内径大于中心风管4的外径，流化反应床3的管径大于输运床7的管径。气提管5的内径大于中心风管4的外径，便于物料在静压差的作用下从两者之间的空隙进入气提管5。输运床7的管径小于流化反应段3的管径，从而提高了输运床7内的表观气速，便于其达到气力输送或者快速流态化的状态。

进一步，所述的中心风管4内的中心风的风速大于流化反应床3内的流化风的风速。中心风的风速大于流化风的风速，使得流化反应床3内的物料，可以在中心风的吹动下被引入气提管5中。

进一步，所述的中心风管4的出风口与气提管5的入口之间有间距。中心风管4的出风口位于气提管5外侧，中心风管4的出风口也可以位于气提管5内部，或者中心风管4的出风口与气提管5的入口齐平。优选中心风管4的出风口位于气提管5外侧。这样便于流化反应床3内的颗粒进入气提管5。

进一步，所述的中心风管4内的中心风可以根据本发明装置的应用领域掺有一定量的反应气体。由于气提管内颗粒处于气力输送状态，气固混合剧烈，这样该反应气体在气提管5内可以与颗粒物料进行较为充分的反应，从而提高了反应速率。流化反应床3通入的流化风根据需要可以为反应气体，也可以是反应气体和空气组成的混合气体。

上述结构的流化床输运床耦合反应装置的工作过程是：从风室1出来的流化风经布风板2进入流化反应床3，并将流化反应床3内的固体物料流化，使其处于鼓泡流态化或湍流流态化状态；从中心风管4喷出的高速气流在中心风管4出口和气提管5入口区域形成低压，从而使流化反应床3内的物料在静压差的作用下向中心风管4出口和气提管5入口区域流动，并被引入气提管5内，气提管5处于气力输送状态。气提管5的出口穿过过渡段6，与输运床7的入口相对，输运床7处于气力输送或快速流态化状态，流化反应床3内的物料通过气提管5进入输运床7。被气流带出输运床7的物料，大部分被旋风分离器8分离捕集，并经立管9和返料器10返回到流化反应床3，少量未被旋风分离器8分离捕集的细颗粒经旋风分离器8出口排出。

上述结构的流化床输运床耦合反应装置的工作原理是：在该装置运行时，通过控制通入中心风管4内的中心风的风速和通入流化反应床3内的流化风的风速，使得中心风的风速高于流化风的风速，从而在流化反应床3内形成低压，使得流化反应床3中的物料在静压差的作用下，被引入气提管5中。

该结构的流化床输运床耦合反应装置，通过改变流化风的风速和中心风的风速来控制从流化反应床3进入输运床7的固体物料量，从而有效控制气固反应装置中固体物料的循环流率和停留时间。

下面例举一个实施例，将本发明的流化床输运床耦合反应装置应用到二氧化碳脱除—吸收剂再生综合试验装置中。

本发明的流化床输运床耦合反应装置主要作为碳酸化反应器使用。二氧化碳脱除—吸收剂再生综合试验装置，包括风室1、布风板2、流化反应床3、中心风管4、气提管5、过渡段6、输运床7、旋风分离器8、立管9、返料器10、再生床11、返料管12、再生床旋风分离器13和再生床立管14。流化反应床3的底端与风室1的顶端连接，流化反应床3的顶端通过过渡段6与输运床7连接，输运床7的上部与旋风分离器8的入口连通，旋风分离器的物料出口通过立管9与再生床11连接，再生床11的出口通过返料管12与流化反应床3的下部连通，再生床11的顶部通过管道与再生床旋风分离器13的入口连接，再生床旋风分离器13的出口通过再生床立管14与返料器10的入口连接，返料器10的出口通过管道与再生床11连通。布风板2连接在流化反应床3和风室1之间。风室1的壁面设有流化风入口。流化风通过流化风入口通入风室1中，然后在通过布风板2，进入流化反应床3中。中心风管4穿过风室1和布风板2，中心风管4固定连接在风室1的壁面上或者布风板2上。中心风管4的出风口位于流化反应床3中，中心风管4的进风口位于风室1的外侧。中心风管4中通入中心风。气提管5位于流化反应床3和过渡段6中，且气提管5固定连接在流化反应床3的内壁上。中心风管4的出风口与气提管5的入口相对。中心风管4和气提管5之间留有一定的空隙，便于流化反应床3内的颗粒进入气提管5。气提管5的出口与输运床7的入口相对。再生床11的下部通入流化风。

碳酸化反应器的流化反应床3采用鼓泡流化床的操作方式，流化反应床3内的反应物料为含有质量分数为30%K₂CO₃的活性氧化铝载体。碳酸化反应器中流化反应床3的流化风由经脱硫脱硝后的烟气和增压风机提供的空气混合而成。中心风管4的中心风和返料器10的返料风来自增压风机旁路出来的两路空气。再生床11的流化风由增压风机旁路出来的第三路空气和再生反应生成的CO₂混合而成。

该装置运行时，由烟气和空气混合而成的流化风通过布风板2进入碳酸化反应器，将反应器内高活性钾基吸收剂流化，使其与烟气中的CO₂发生碳酸化反应，化学反应式为：K₂CO₃+CO₂+H₂O→2KHCO₃。同时调节流化风速，使反应器在鼓泡流化床状态下运行，以延长吸收剂在反应器内的停留时间，进而提高碳酸化反应的效率，最终提高CO₂的脱除率。在碳酸化反应进行的同时，调节中心风管4内的风速，在气提管5入口处形成低压，使反应后的吸收剂在静压差的作用下被引入气提管5，并被进一步提升至输运床7。由于输运床7处于气力输送状态，因此输运床7内的吸收剂全部随气流进入旋风分离器8，被分离捕集后经立管9进入再生床11，发生再生反应，反应化学式为：2KHCO₃→K₂CO₃+CO₂+H₂O。反应生成的K₂CO₃经布置在再生床11旁的返料管12进入流化反应床3中，循环利用。再生反应生成的CO₂和水蒸汽混合气，经冷凝器冷凝脱水后，可获得高纯度CO₂，其中一部分CO₂作为流化介质，经再生床旋风分离器13、再生床立管14和返料器10送入再生床11，剩余的CO₂可以采用填埋储存收集，也可以直接进行工业应用。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种流化床输运床耦合反应装置，其特征在于，该反应装置包括风室（1）、布风板（2）、流化反应床（3）、中心风管（4）、气提管（5）、过渡段（6）、输运床（7）、旋风分离器（8）、立管（9）和返料器（10），

流化反应床（3）的底端与风室（1）的顶端连接，流化反应床（3）的顶端通过过渡段（6）与输运床（7）连接，输运床（7）的上部与旋风分离器（8）的入口连通，旋风分离器的物料出口通过立管（9）与返料器（10）的入口连接，返料器（10）的出口与流化反应床（3）的下部连通；

布风板（2）连接在流化反应床（3）和风室（1）之间，风室（1）的壁面设有流化风入口；中心风管（4）穿过并固定连接于风室（1）和布风板（2），中心风管（4）的出风口位于流化反应床（3）中，中心风管（4）的进风口位于风室（1）的外侧，中心风管（4）中通入中心风；气提管（5）位于流化反应床（3）和过渡段（6）中，且气提管（5）固定连接在流化反应床（3）的内壁上；中心风管（4）的出风口与气提管（5）的入口相对；气提管（5）的出口与输运床（7）的入口相对。

2.根据权利要求1所述的流化床输运床耦合反应装置，其特征在于，所述的流化反应床（3）、中心风管（4）、气提管（5）和输运床（7）同轴设置。

3.根据权利要求1所述的流化床输运床耦合反应装置，其特征在于，所述的流化反应床（3）、过渡段（6）和输运床（7）呈整体式结构。

4.根据权利要求1所述的流化床输运床耦合反应装置，其特征在于，所述的气提管（5）的内径大于中心风管（4）的外径，流化反应床（3）的管径大于输运床（7）的管径。

5.根据权利要求1所述的流化床输运床耦合反应装置，其特征在于，所述的中心风管（4）内的中心风的风速大于流化反应床（3）内的流化风的风速。

6.根据权利要求1所述的流化床输运床耦合反应装置，其特征在于，所述的中心风管（4）的出风口与气提管（5）的入口之间有间距。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述的流化床输运床耦合反应装置，其特征在于，所述的中心风管（4）内的中心风掺有反应气体，且该反应气体在气提管（5）内与进入气提管（5）中的物料进行反应。

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