CN1032497A - 多室气体注射装置 - Google Patents

Abstract

将气体分室注入进料斗中的固体颗粒床中，并且 分别地控制向上排出的气体及有待排放的气体和固 体颗粒。

Description

本发明涉及使导入接受反应器的颗粒状固体及气体混合物之质量流速保持均匀一致的方法及设备，具体地讲，本发明涉及如何将粉煤导入用于制备合成气的气化器。

诸如将煤进料导入燃煤锅炉之类传统的煤进料系统是借助于固体的重力流动进行操作，这些系统能够承受煤的质量流速及悬浮密度的较大幅度波动。

迄今已开发出许多能够排放易于借助重力进行流动的物质如粒料的设备。美国专利说明书No.3289396，3367724，4529336，3424352和406723涉及散装储罐中粒料的有效排放及如何避免罐中物料排放的短路及排放不完全现象发生，这些设备无法以与本发明同样的方式将固体颗粒和气体混合物在保持均一流量流速下导入接受反应器中。

因此，本发明的目的是提供一种保持均一质量流速从而克服上述问题的方法和设备。

所以，本发明提供一种能够将粒状固体及气体混合物以均一质量流速由储罐导入接受反应器的方法，其特征如下述步骤所示：

将上述混合物导入第一容器之中，该容器具有由多孔材料制成的收敛壁，在其锥顶部至少有一个可供上述混合物排放之用的孔;

隔离上述第一容器的多孔材料部分的外部区域，从而形成至少两个大体上密闭的室;

向每一个上述室内有选择地注入加压气流;

由上述第一容器中排放出上述固体颗粒。

本发明还提供了一种能够将粒状固体及气体混合物以均一质量流速由储罐导入接受反应器的设备，其特征是包括：

用于将上述混合物导入第一容器的装置，该容器具有由多孔材料制成的收敛壁，其锥顶部至少有一个可供排放上述混合物之用的孔;

用于隔离上述第一容器多孔材料部分的外部区域从而形成至少一个大体上密闭室的装置，

用于向上述室内有选择地注入加压气流的装置;

用于由上述第一容器排放所述粒状固体的装置。

下面参照附图并借助实施例详述本发明。

图1    描述本发明实施方案;

图2    为图1中自Ⅱ-Ⅱ线断开的截面图;

图3    为本发明的另一实施方案;

图4    为本发明的另一实施方案。

通过含碳燃料如煤在800-2000℃高温及1-200巴压力下，于具有氧或含氧气体的气化器中被部分燃烧，可产生合成气。可根据需要用氮和/或其它惰性气体稀释水蒸汽，一氧化碳，二氧化碳以及包括空气、富氧空气和氧在内的含氧气体。

在本发明中，燃料和气体混合物由进料罐导出，适宜的进料罐具有多个排出口，每个排流口均与至少一个配置于汽化器上的燃烧器相连接。汽化器上配置的燃烧器以相对的位置安放。一般情况下，燃烧器上有自己的出料端以便将所产生的火焰及燃烧介质导入气化器。

在合成气制备过程中，尤其重要的是采用均匀的方式将粒状燃料导入煤气化反应器（下文称其为气化器）内的燃烧器中。供给气化器中燃烧器的煤的质量流速会产生波动，而流速不均会给气化器的性能带来不利影响。例如，这种波动会使汽化器内燃料燃烧不完全并会损害燃烧器表面的热通量，这样便导致了燃烧器表面出现热应力。若粒状燃料的质量流速波动，则气化器内会产生相毗邻的欠热区与过热区。结果，在欠热区，燃料无法气化完全，而在过热区，燃料被完全转化为价值较低的产物即二氧化碳和水蒸汽。此外，气化器内局部高温会破坏通常配置在气化器内壁上的耐火衬。

由于反应器的反应区内煤的停留时间约为400微秒或更短，则适宜的煤质量流速在此期间应保持恒定以便维持局部条件恒定。

对供给燃烧器的燃料的质量流速可产生实质影响的因素有多种，尤其是当粒状燃料由进料设备排出时以及借助气动输送由该进料设备经燃料导管进入气化器时，燃料的质量流速均会受到影响。具体地，密度为50-800kg/m³的燃料及气体混合物经过直径小于150mm的管线输送时，由于管内各种因素如摩擦损失、阻力、曲率等的综合影响效果，会产生明显压降。

用于本发明的容器具有向下收缩的器壁，在其下端形成由多孔材料制成的部分，在其顶部有至少一个使容器内固体曝气的孔，从而使导向气化器的固体和气体混合物的质量流速保持均一。特别是位于多孔材料部分四周外侧的区域被分隔成密闭的室。气流以预定的压力及流速被注入各个室内，以便保持被导入接受气化器内的粒状固体及气体混合物的质量流速均一。此外，具有不同渗透性的多孔材料部分的互换性为在不同条件（如不同的煤型，煤的湿含量等）下操作该方法提供了更大的灵活性。

本发明的优点在于使被导向气化器的粒状固体及气体混合物的质量流速保持均一，从而防止气化器内产生欠热区与过热区。

本发明的另一优点在于由于防止产生欠热及过热区从而保护了气化器内的耐火衬。

本发明还有一个优点，就是在合成气的制备过程中，能够更为有效地利用燃料。

本发明的另一优点是能够在由进料罐导向气化器的传输管线中保持高悬浮密度，例如，大于200kg/m³，这样，会降低用于曝气及气动输送的气体消耗量并避免了气化器中产生的合成气被稀释，而上述稀释会使得合成气的实用价值下降。

尽管下文主要参照粉煤对本发明进行描述，但是本发明的方法及设备也可用于反应固体和其它可部分燃烧的固体燃料粉末，如褐煤、无烟煤、烟煤、烟灰、石油焦炭等。固体含碳燃料中的约90%（重）的粒径为6目（A.S.T.M.）。约90%（重）固体含碳燃料的适宜粒径小于100目（A.S.T.M.）。

此外，本发明还可用于颗粒状、粉末状固体如树脂、催化剂、飞灰和静电沉淀粉末。

上文概括性地描述了本发明的设备及方法，以及较之先有技术的优点。下文具体参照附图对本发明进行详细描述。不过，附图是工艺流程图，其中未示出辅助设备如泵、压缩机、净化设备等。

参照图1和2，作为能够使来自储料罐的颗粒状固体和气体混合物保持均一质量流速的设备，例如在1-200巴的加压条件下操作的进料斗11，经管线40与接受反应器如气化器9相连接，该设备一般包括导入混合物的装置如进料口10，混合物首先进入具有收缩壁12的第一容器8中，壁与壁之间的夹角小于约150°，适宜夹角应小于约90°，在壁与壁相交的顶点至少有一个孔17用来排放混合物。形成壁12的可以是金属或非金属多孔材料，如烧结不锈钢、不锈钢织物或烧结陶瓷，具体种类取决于过程的操作条件及用煤品种。上述多孔材料具有特定的渗透性，其最大孔经低于约7mm。这类多孔材料有利于自加压源20和21注入第一容器8的气流被均匀分布，从而避免由第一容器经排料孔17排出的粒状固体走短路。

壁12多孔材料的孔经取决于用煤品种。为了使操作更具有灵活性，从而可以选用各种对上述孔径有不同要求的煤，适宜的作法是可以选用渗透性不同的容器替换第一容器8的多孔材料部分。

此外，将气流导入壁12多孔材料的孔中可对气流产生加压阻力从而可保证通过第一容器壁12的流体流动分布均匀。与此相似，多孔材料可用来控制第一容器8内混合物的体积密度及混合物经孔17离开进料斗11的排出速率。

位于第一容器下端的夹套13使得第一容器8的壁12与夹套13之间形成基本上密闭的空间。夹套13至少有一个下端出口15，与用于排放颗粒的第一容器8的排放孔17相平行。

用于分隔区域（适宜的是第一区域18和第二区域19）的装置位于壁12多孔材料相邻部分的外侧和四周，例如处于基本上密闭的由壁12多孔材料与夹套13所形成空间内的隔板22，形成至少两个基本上密闭的室。夹套13包括有选择地将气流由加压流体源20、21分别加压注入第1和第2区域18、19的装置如进口23A、23B和24A、24B。尽管流体源20、21分别示于图中，但是本领域技术人员都知道气流可由同一气源提供。

于壁12及夹套13之间的大体上密闭空间内形成的室允许可能具有不同密度的气流如氮气或其它惰性气体以及合成气（主要为一氧化碳、氢和水）被选择性地注入。由气源20注入第一区域18的气体可大于、等于或小于由气源21注入第二区域19的气体的密度。适宜的作法是将惰性气体注入区域18，而将合成气注入区域19。被注入区域18的气体向上流动并被排空以便控制进料斗11内的压力，而被注入区域19的气体最好是向下流动并被送往气化器9。

被加压注入第一和第二区域18、19的气流（如氮气和合成气）的流速和方向应该控制在足以使靠近壁12多孔材料的粒状固体曝气的速率，不过该速率须低于能够使位于多孔材料之上的粒状固体被流化的速率，控制可分别采用25A、25B、26A和26B进行。

无需按照传统系统所采用的典型方式以足以使多孔材料上颗粒流化的速率注入气体，这是因为其结果会使气化器9内产生的合成气被更多的惰性气体稀释，从而产生实用价值低的产物。此外，这样会增大自煤进料斗11排出的固体质量流速的波动。

因此，来自气源20、21的气流流速不应超过进料斗11内固体的极限降落速度。极限降落速度的定义是由于气体向上流动而对固体颗粒所产生的曳力与颗粒重力相等时的速度。若气体流速超过极限降落速度，则固体会经排空口50而不是经孔17被排放。

此外，滑动速度（即来自气源20、21的气体相对于煤的流速）适合控制在低于进料斗11中多孔部分之上粒状固体的最小流化速度，这一控制可以分别采用转子流量计30A、30B、31A和31B。来自气源20、21的气流以预定的速率（即至少大体上等于气流的滑动流速但低于进料斗11中多孔部分之上的固体颗粒的最小流化速度）注入，也就是说，在直径约为1米的进料斗中至少为2mm/s。

适宜的作法是分别地控制来自气源20和21的气体流速，这样就可以分别控制相对于煤流的向上及向下流动的气流量。

例如，对于由进料斗11排出的悬浮密度为450kg/m³、质量流速均一并且为2000kg/nr的粒状固体/气体混合物来说，注入第一区域的氮气速率约为100kg/nr。若高于这一速率，则悬浮密度须低于450kg/m³，且气化器9中生成的合成气须用来自气源20的氮气稀释。因此，若这一速率低于选定的速率，则悬浮密度应高于450kg/m³。取决于物料及操作条件，这一情形会使流动不甚稳定。

此外，气流可以各种方向且于不同高度上注入，以便控制排放孔17处的压力和速度分布。根据待传输的颗粒的物理特性，需要有两个以上室或将气体注入分室区域之上。

这一选择注入可以分别控制进料斗11内混合物的密度及经出口15离开进料斗11的混合物的排放密度。其结果，对于悬浮密度为200-500kg/m³的混合物来说，进料斗11的出口15远远小于传统工艺中的同类装置。

对于悬浮密度约为200-500kg/m³的固体及气体混合物来说，排出口17的直径约为4mm-至少约150mm，该直径得大于曝气固体颗粒的最大分路直径，以防固体在由排出口17流出时走短路。在传统的煤进料系统中，典型情况是采用固体的重力流动并借助曝气来破坏短路，在进料斗11的出口处，其悬浮密度低于200kg/m³，而相应的进料设备排出口直径大于150mm。由于速度或悬浮密度低于所需极限会使导向气化器9的煤和气体混合物的质量流速发生波动，所以对于本发明给定的质量流速来说，直径不得大于150mm。

因此，用于分室注入的本发明排放孔的直径较小的话，则该孔可起到流动控制阀的作用，以控制颗粒的排放速率，从而在用于由进料斗11将物料排放至气化器9的输送装置中无需配置安全阀。

此外，本发明还提供了用于将气体由进料斗上端即经过孔50排空的装置，以便使通过进料斗11中固体的气体向上流速约保持在2mm/sec从而消除固体的局部短路并使其平稳地流向排出孔17。

因此，如图3和4所示，在本发明，是将第一容器8A和8B配置于进料斗11之内而不是配置于其下部。图3所示实施方案的优点在于由进料斗11通向气化器9的输送管线40应较短，这是用于气化器中燃烧器位于气体注射器19之上，例如约为50m。较短的输送管线40能够使导入气化器9中燃烧器的煤更均匀地流动。

对于具有多个排出口的进料斗11来说，图3和4所示的另一实施方案的优点在于进料斗11的几何形状基本上得到简化，其结果是第一容器8A和8B被设置在进料斗11之内。

本领域的技术人员认为，参照图1所述实施方案中第一容器8内气体及煤颗粒的流向与图3所示第一容器8A内的流向相反，这里由于第一容器8A在图1中被倒置过来。

上述内容仅供对本发明进行解释，在不违背本发明主旨条件下对所述方法及设备细节的各类改变均属于本发明范围。

Claims (30)

1、一种能够使由储罐被排送至接受反应器的固体颗粒及气体混合物以均一质量流速流动的方法，其特征是包括下列步骤：

将上述混合物导入第一容器之中，该容器具有由多孔材料制成的收敛壁，在其锥顶部至少有一个可供上述混合物排放之用的孔；

隔离上述第一容器的多孔材料区域，从而形成两个大体上密闭的室；

向每一个上述室内有选择地注入加压气流；

由上述第一容器中排放出上述固体颗粒。

2、按照权利要求1所述的方法，其中所述的隔离包括下列步骤：

隔离位于多孔材料四周的第一区域;

隔离位于靠近上述多孔材料部分四周且低于第一区域的第二区域。

3、按照权利要求1或2所述的方法，其中气流的选择性注入包括提供具有不同密度的气流。

4、按照权利要求3所述的方法，其中上述气流的注入包括下列步骤：

将具有选定密度的第一气流注入上述第一区域;

将密度大于上述第一气流的第二气流注入上述第二区域。

5、按照权利要求3所述的方法，其中上述气流的注入包括下列步骤：

将具有选定密度的第一气流注入上述第一区域;

将密度小于上述第一气流的第二气流注入上述第二区域。

6、按照权利要求4或5所述的方法，其中注入上述第一气流所选定的速率不得超过储罐内固体的极限降落速度。

7、按照权利要求4或5所述的方法，其中注入上述第二气流所选定的速率不得超过储罐内固体的极限降落速度。

8、按照权利要求4或5所述的方法，其中在加压下将所述气流的滑动速度控制在储罐内多孔部分之上固体颗粒的最小流化速度以下。

9、按照权利要求8所述的方法，其中所述的控制是使直径约为1米的储罐内的速度保持在至少为约2mm/s。

10、按照权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中包括由上述储罐排放气体。

11、一种能够使由储罐被排送至接受反应器的固体颗粒及气体混合物以均一质量流速流动的设备，其特征是包括下列装置：

用于将上述混合物导入第一容器的装置，该容器具有由多孔材料制成的收敛壁，其锥顶部至少有一个可供排放上述混合物之用的孔;

用于隔离上述第一容器多孔材料区域从而形成至少一个大体上密闭室的装置，

用于向上述室内有选择地注入加压气流的装置;

用于由上述第一容器排放所述粒状固体的装置。

12、按照权利要求11所述的设备，其中隔离装置包括：

用于隔离位于多孔材料部分四周的第一区域的装置;

用于隔离位于上述多孔材料邻近部分四周且在第一区域以下的第二区域的装置;

13、按照权利要求11或12所述的设备，其中上述气流包括一种以上组分，这些组分的密度不同。

14、按照权利要求13所述的设备，其中用于注入上述气流的装置包括：

用于将其备选定密度的第一气流注入第一区域的装置;

用于将其密度大于上述第一气流的第二气流注入上述第二区域。

15、按照权利要求13所述的设备，其中用于注入气流的装置包括：

用于将其备选定密度的第一气流注入第一区域的装置;

用于将其密度大于上述第一气流的第二气流注入第二区域的装置。

16、按照权利要求14或15所述的设备，其中用于注入上述第一气流的装置在选定流速下操作，该流速不超过上述储罐内固体的极限降落速度。

17、按照权利要求14或15所述的设备，其中用于注入上述第二气流的装置在选定流速下操作，该流速不超过上述储罐内固体的极限降落速度。

18、按照权利要求17或18所述的设备，其中包括控制上述气流加压滑流速度的装置，其速率低于上述储罐内多孔材料之上固体颗粒的最小流化速度。

19、按照权利要求11-18中任意一项所述的设备，其中包括用于保持上述储罐内固体及气体混合物至少约占储罐体积50%的装置。

20、按照权利要求18所述的设备，其中控制装置包括保持直径为1米的储罐内的流速至少约为2mm/s的装置。

21、按照权利要求11-20中任意一项所述的设备，其中包括由上述储罐排放气体的装置。

22、按照权利要求11-20中任意一项所述的设备，其中

在上述第一容器下部配置有夹套，从而在第一容器及夹套之间形成大体上密闭的空间，夹套至少有一个下端出口，与第一容器的排放孔平行;

用于单独地控制加压气流流速及方向的装置，其流速须足以使邻近多孔材料部分的固体颗粒流化但应低于能够使位于上述多孔材料上方固体颗粒流化的速度。

23、按照权利要求22所述的设备，其中所述大体上密闭的空间至少被分隔为两个室。

24、按照权利要求23所述的设备，其中夹套包括用于将上述气流分别注入上述各室的装置。

25、按照权利要求22-24中任意一项所述的设备，其中气流含一种以上的组分，这些组分的密度不同。

26、按照权利要求22-25中任意一项所述的设备，其中上述多孔材料的最大孔径小于约7mm。

27、按照权利要求12-26中任意一项所述的设备，其中第一容器内气体注入区域上方部分的直径至少要大体等于固体颗粒的最大短路支径。

28、按照权利要求12-27中任意一项所述的设备，其中所述排出口直径对于悬浮密度为约50-800kg/m的固体和气体混合物来说，为约4mm-至少约150mm。

29、按照权利要求12-28中任意一项所述的设备，其中收缩壁的夹角小于约150°。

30、按照权利要求12-29中任意一项所述的设备，其中至少所述第一容器的多孔材料部分可被其渗透性与之不同的第二容器所替换。

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