CN103354763B - 具有反应器之间的气体密封和移动床下导管的循环流化床 - Google Patents

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Abstract

提供用于实施一个或多个化学反应的系统和处理，其包括：一个或多个化学反应器，所述化学反应器中具有形成床的颗粒固体；和气提区域，所述气提区域在所述化学反应器之间形成非机械式密封，所述气提区域包括连接所述化学反应器的管道。所述管道包括用于汽提气体的入口，所述汽提气体适于防止处理气体在所述化学反应器之间通过，而同时又允许颗粒固体在所述化学反应器之间通过。

Description

具有反应器之间的气体密封和移动床下导管的循环流化床
本发明是在美国能源局提供的批号为No.DE-AR000017的政府支持下完成的。
技术领域
本发明整体涉及一种用于涉及固体循环的化学处理的系统和方法。非机械式固体转移和气体分隔装置通常用于确保适当的固体循环气体分布。基于压差的气提技术通常用于在反应器区段之间产生气封和气体分隔，并且用于测量系统内的整体和局部固体流量。
背景技术
化学处理可能涉及多个反应器或者反应区域，其中，在它们之间进行一种或多种固体互换。在固体从一个反应器区段转移到另一个反应器区段的过程中，在缺乏诸如机械和/或非机械式阀的节流装置的情况下，可能会在反应器之间发生不期望的流体（气体和/或液体）混合。为了防止产品稀释、污染、和/或潜在更危险的情况，通常希望最小化或者消除气体反应器区段之间的气体混合，而同时仍然允许固体运动。使用基于压差的非机械式气提装置可以作为有效和高效的措施，以防止气体在反应器区段之间转移。通常，惰性气体、非活性气体或者活性较低的气体被注入到这个区域中，以置换或者汽提所述区域。
诸如闭锁式料斗和气锁回转阀的机械式固体转移装置在极端操作条件下需要进行频繁的维护，并且随着尺度放大价格以指数级增长。由于固体颗粒侵蚀阀、颗粒堵塞和磨损、气封故障等，固体处理系统中的机械阀的操作面临挑战。非机械式阀使用管构造和通风气体的特定组合来控制固体循环速率，并且防止反应器区段之间的气体混合。气提装置使用气体注射以产生通过间隙空间的气封。机械阀面临的挑战（例如，阀侵蚀和颗粒磨损）对适当设计的非机械阀的影响小很多。在反应器系统中不存在运动部件的情况下，将简化处理操作，并且使处理更加可靠且具有可缩放性。
在与循环流化床相似的化学反应器系统中，固体循环和流动通过反应器区段的气流高度取决于系统内的压力分布。汽提气体注入到下导管侧上的间隙区段中能够有助于产生用于期望的固体循环的适当的压力分布、处理气体流量和反应器区段之间的气封，另外，气体注入为系统提供了灵活性以在多种处理能力和/或在波动压力的情况下进行处理，原因在于，汽提气体和非机械式气提装置能够吸收系统内的压力变化。
非机械式气提装置能够用在多种化学处理和系统中（例如循环流化床燃烧），并且能够尤其应用于化学循环处理。Thomas等人的美国专利No.7,767,191、Fan等人的PCT申请No.WO2007/082089和Fan等人PCT申请No.WO2010/037011描述了用于通过使用化学循环处理分别利用基于碳的还原燃料和氧化气体在氧化和还原反应模式中生产氢气的方法。非机械式系统设计能够直接应用于化学循环处理。
先前公报已经讨论了使用气提装置和固体转移装置（例如J阀和L阀）。Knowlton等人讨论了使用管道作为汽提装置，以防止气体在流化床和提升管线之间混合。然而，这些研究中的多个研究进行了独立的讨论，并且无意使用装置在所提出的处理构造中产生气封、平衡压力和控制固体流，并且没有具体应用于化学循环处理。另外，先前的研究没有在一系列反应器中使用多个气提装置。
发明内容
因此，仍然需要这样的设计，在所述设计中，非机械式气提和固体转移装置提供了一种操作工业固体循环处理的具有成本效益的装置。
本发明的实施例满足这些需求。气提区域产生的压力有助于允许处理针对处理波动和参数变化更为稳健。本发明的实施例提供了用于以有效方式使气态和固态材料循环通过一系列反应器的系统和方法。在一些实施例中，系统和方法包括使用非机械式固体转移装置和/或非机械气体分隔装置。
根据一个实施例，提供了用于实施一个或多个化学反应的系统，所述系统包括第一化学反应器，所述第一化学反应器具有用于颗粒固体的入口和出口，其中，颗粒固体在第一化学反应器中形成床。出口包括过渡区域，所述过渡区域使第一化学反应器的内径变窄。第一化学反应器还包括用于固态或者气态反应物的入口和用于处理气体的出口。还提供了具有用于颗粒固体的入口和出口的第二化学反应器，其中，颗粒固体在第二化学反应器中形成床。第二化学反应器包括用于固态或者气态反应物的床和用于处理气体的出口。气提区域在第一和第二化学反应器之间形成非机械式密封，并且包括连接第一化学反应器与第二化学反应器的管道。管道包括：第一端部，所述第一端部与第一化学反应器的出口连通；和第二端部，所述第二端部与第二化学反应器的入口连通，所述管道包括用于汽提气体的入口，所述入口位于第一端部和第二端部之间。气提区域适于防止处理气体从第一化学反应器进入第二化学反应器，而同时又允许颗粒固体从第一化学反应器进入到第二化学反应器。在一个实施例中，气提区域包括区域密封立管。
在其它实施例中，系统包括第三化学反应器，所述第三化学反应器与第二化学反应器连通，所述第三化学反应器具有用于颗粒固体的入口和出口，并且其中，颗粒固体在所述第三化学反应器中形成床。系统还可以包括升管区段，所述升管区段与第三化学反应器的颗粒固体出口连通，其中，升管区段适于将携带的固体再循环至第一化学反应器。第三化学反应器还包括气体源。
系统还可以包括固体回收装置，所述固体回收装置与升管区段连通。固体回收装置可以包括颗粒分离器，用于从所述系统分离固体细粒。系统还可以包括固体存储装置，所述固体存储装置适于容纳颗粒固体微粒。固体存储装置与固体回收装置连通，用于接收回收的颗粒固体，并且与第一化学反应器连通，用于将颗粒固体供应至第一化学反应器。
在另一个实施例中，系统还可以在所述固体存储装置和所述第一化学反应器之间包括气提区域。气提区域包括立管，所述立管形成过渡气体排放装置。立管具有与第一化学反应器连通的端部，所述端部包括气体出口，所述气体出口与第一化学反应器中的用于处理气体的出口连通，用于从立管排放气体。立管中的气体出口可以包括例如多个多孔过滤器、多个直切口、多个成角度的切口和多个孔。系统还可以包括细粒排放装置，所述细粒排放装置定位在反应器中的一个或多个的内壁的周边上。
在另一个实施例中，系统可以包括固体循环控制装置，所述固体循环控制装置定位在第二和第三化学反应器之间，适于控制颗粒固体的循环速率，并且防止气体在第二和第三化学反应器之间混合。固体循环控制装置可以包括例如非机械式密封装置，所述非机械式密封装置选自立管、环封、V阀、L阀、J阀、和H阀。在另一个实施例中，系统可以包括固体颗粒床高度监测装置，所述固体颗粒床高度监测装置定位在反应堆中的一个或多个中，并且包括电容传感器。
本发明的实施例还提供了一种用于使气态和固态材料循环通过一系列化学反应器的处理，所述处理包括：通过将具有第一端部和第二端部的汽提气体区域定位在所述反应器之间，并且通过将汽提气体在所述第一端部和第二端部之间注入到所述区域，使得注入汽提气体处的气体压力高于或等于所述气提区域的任一端部处的压力，来控制通过每个反应器的固体和气体流，以防止来自一个反应器的处理气体进入到不同的反应器，而同时又允许固体从一个反应器进入到另一个反应器。
通过阅读以下详细描述、附图和所附权利要求，将更充分理解由本发明的实施例提供的这些和其它特征和优势。
附图说明
当结合附图阅读时，能够最充分地理解本发明的具体实施例的以下详细描述，其中在附图中相同的附图标记表示相同的元件。
图1是系统的一个实施例的示意图；
图2是汽提区域的一个示例的示意图，示出了过渡到减小内径的立管的成角度的固体出口；
图3A是系统的另一个实施例的示意图；和图3B是图3A的实施例的示例性压力平衡曲线的曲线图；
图4是根据本发明的实施例的过渡气体排放装置的一个实施例的示意图；
图5是根据本发明的实施例的非机械式密封阀的示意图，其中图5（a）描绘了L阀，图5（b）描绘了J阀，图5（c）描述了H阀；
图6是根据本发明的实施例的细粒排放装置的一个实施例的示意图；
图7是固体补充装置的一个实施例和其与系统中的反应器成一体的示意图；
图8是适于在本发明中使用的防护加热器的一个实施例的示意图；
图9是适于在本发明中使用的固体流测量装置的一个实施例的示意图；
图10是适于在本发明中使用的固体流测量装置的替代性实施例的示意图；
图11（a）和11（b）是用于系统中的第三化学反应器的替代性设计的示意图；
图12（a）和图12（b）是适于在本发明中使用的电容传感器的示意图；
图13是用于化学循环应用的系统的实施例的示意图。
具体实施方式
整体参照图1，本发明的实施例涉及用于非机械式固体的化学处理系统和方法，所述非机械式固体循环通过多个容器区段，所述多个容器区段以与上文讨论的Thomas等人和Fan等人的专利和公开的申请中描述的化学循环处理类似的方式相连。如图所示，每个容器中的处理气体经由气提区域被约束到该区段中。图1示意性示出了系统100的一个实施例，所述系统100构造成使得气提区域7、8放置在各个反应器1、2和3之间，并且设置有非机械式固体转移和气体固体分离装置5、6和9。反应器1和2代表化学反应器，其中，在每个反应器区段中发生至少一个化学反应。图1示出了应用仅一个整体固体循环控制的示例。在其它实施例中，额外的固体循环控制装置能够构造到系统中，使得固体局部并且整体地在多个固体循环回路内循环。
气提区域7和8能够是防止来自每个反应器区段的处理气体进入到其它反应器区段中并且同时允许固体通过的任何装置的一部分。反应器1和2能够是移动床或者流化床设计，其中与下导管设计类似，固体进入每个反应器区段的顶部并且通过底部离开。口10至13可以是用于气流的入口或者出口，使得反应器1和2作为同流气体固体流装置或者逆流气体固体流装置。固体循环控制装置9定位成使得通风气体用于将来自左侧下导管状（downcomer-like）侧的固体转移到反应器3。反应器3是流化床并且固体被转移到升管4。升管4携带颗粒固体介质至固体回收装置5，在固体回收装置5处固体与气体分离。另外，固体回收装置5可以允许规定尺寸以下的研磨的固体细粒随着携带气流通过，从而从系统移除研磨的颗粒。随着携带气流通过的细粒可以从定位在携带气体的下游的另外的固体回收装置分离并且收集，用于再次使用。从固体回收装置5获取大于规定截止尺寸（cutoffsize）的任何固体颗粒，并且所获取的这些固体颗粒通过固体库存和气提区域装置6。
口10至13代表用于每个反应器区段的入口和/或出口气体管路，因为这些口可以沿着相应的反应器定位在任何位置。在大多数情况下，气体通过环形喷头和/或多个喷嘴分配到反应器系统中。例如阀110-140的气体控制装置能够放置在每个口中，以控制流过的气体以及反应器系统的局部压力，从而确保实现适当的压力平衡。气体控制装置能够是比例控制阀类型的、压力调节装置类型的或者它们的组合。口14是引自升管和固体回收装置5的气体出口管路。在某些实施例中，每个反应器上的气体出口流可以包含研磨的固体细粒，并且可以需要固体移除装置，以便用于每个受到影响的口。在某些实施例中，固体可以随着气体一起通过相应入口和/或出口引入到反应器区段中和/或从反应器区段移除。
在某些实施例中，通过化学处理的固体循环可以具有更多或更少的反应器区段。在图1中，反应器2和气提区域7能够通过增加经由气提区域串连的更多的反应器而重复，或者能够移除反应器2和气提区域7，在移除反应器2和气提区域7的情况下，只有反应器1与反应器3和升管4分开。可替代地，能够移除反应器3，或将反应器3放置在底部、顶部或者升管4中间的任何位置。
在某些实施例中，图1中的反应器1和2作为移动填充床或者流化床操作。气提区域7和8和固体库存和汽提区域的气提区域部分6作为逆流移动填充床操作。在逆流移动填充床的情况下，反应器区段内的气体速度能够操作成高达每秒若干英尺或者更高，只要这些速度低于系统中使用的颗粒在被保持在移动填充床流中时的最小流化速度。在同流气体固体流的情况下，气体流速能够显著更高。
在某些实施例中，区域密封立管20能够用作气提区域装置。图2示意性图解了这种立管设计。立管20呈中空管道形式，所述中空管道的第一端部22与反应器1的出口连通，所述中空管道的第二端部24与反应器2的入口连通。将汽提气体在入口26、28处被注入到立管20中。固体向下流动通过图1的反应器1并且通过立管20。汽提气体被注入到立管中，使得汽提气体能够如方向箭头所示出的那样逆着固体向上行进以及向下行进。汽提气体注入点可以是沿着气提区域的高度的任何位置。可以设置单个注入点或多个注入点。
汽提气体还能够注入到上方反应区域的下部部分中，只要其位于反应气体注入点的下方即可。为了防止任意一个反应器中的处理气体污染，系统中的汽提气体注入点高度处的压力P3应当分别大于或等于气提区域的顶部和底部的压力P2和P4，以确保汽提气体分离。压力P3还应当相应大于或者等于立管20的锥形过渡段处的压力P2。在某些实施例中，期望的是保持汽提气体注入点位于较高的位置，例如，位于上方反应器区域的底部，原因在于，汽提气体的向下运动将不会流化固体，而由于反应器区域的横截面面积大于汽提管（strippingpipe）气体向上运动的速度将非常低。
通常，为了减少对汽提气流需求，如图2所示的立管设计的内径（ID）小于立管连接的反应器的内径。从反应器内径过渡到减小的立管内径的锥形过渡部应当成30度，使得所有固体在过渡区段中运动。过渡锥形部的角度取决于固体介质的形状和材料特性以及反应器内壁的材料特性。通常，最小化轴向运动需要与水平方向成30度或者更大的角度。
在图3A和3B示出的实施例中，示出了固体循环处理，其中，反应器1和2以及之间的气提区域B和E以逆流移动填充床方式操作，而反应器3和升管4作为湍动流化和携带床系统操作。在填充床操作中，穿过反应器的压差与床高度、气体速度和成分、颗粒特性、操作压力和温度有关。在本实施例中使用气提区域密封立管，其中，立管的内径小于反应器1和2的内径。
在图3B中示出的床高度对压力的曲线图中提供了用于本实施例的示例性系统压力曲线。从所述附图，点A、C和F处的系统压力由固有反应器设计控制或者通过使用放置在每个气体出口处的控制装置来控制。
图3B的点C和D以及点F和G之间的压差分别代表穿过移动填充床反应器1和2的压降。点B处的汽提气体注入产生的局部压力大于固体回收装置6中的点A以及反应器1的气体出口（点C）处的压力，以防止来自各个反应器的气体混合。点B和C之间的差压曲线首先是线性压降，然后是弯曲的（由于立管进入反应器1）。如在下面的[0042]段中解释的那样，这是由区域密封管的底部处的过渡气体排放装置导致的减小的气流速度所引起的。从B到A的压力变化是由于在移动填充床区段中向上流动的汽提气体引起的。点E处的汽提气体注入将在点E处产生大于反应气体注入到反应器1的注入点（点D）的压力以及反应器2的气体出口点F处的压力的压力，以防止气体混合。点E到D的弯曲压力曲线是因为从小直径汽提立管过渡到大直径反应器1并且通过这个过渡部的气体体积流量恒定所导致的速度逐渐下降。从点E到F看到的压力曲线类似于从点B到C示出的曲线。
参照图4，示意性示出了过渡气排放装置30，用于将气体从固体存储装置6排放至反应器1的连接到立管20的自由空间（freeboard）区域。在立管不仅汽提而且还消散压力以平衡系统中的压力的某些实施例中，过渡气排放装置30由多个多孔消音过滤器32、34、36构成，所述消音过滤器32、34、36分布在反应器内部的立管浸入管的底部区部。当消散立管上的压力时，过渡气体排放装置防止在较小内径的立管开口和较大内径的反应器之间的接触面处的局部固体流化。这个接触面处的固体流化可能会导致系统中的可控性问题，可控性问题可能会影响立管内的压力不平衡，从而损坏区域气体密封的有效性。
过渡气排放装置中的多个多孔消音过滤器用作气体出口，以将源自立管的气体逐渐排放至反应器的自由空间区域。结果，通过立管反应器容器接触面的减小的气体速度不足以导致局部流化。消音过滤器的过滤器尺寸、孔径、数量和分布能够由立管的尺寸、立管中的气体流量、颗粒组（particleparties）、成本和系统中的其它特性等确定。过渡气排放装置能够应用于反应器系统中的通过反应器连接立管的一个或多个位置处。可替代地，还能够使用由筛网（screen）制成的管。筛网在允许气体流动通过的同时保留固体。在再一个实施例中，开口制成为贯穿管壁。孔向上倾斜，以在气体流动通过的同时防止固体流出。
图4中示出的过渡排放装置30将气提立管内的气体逐渐驱散至反应器的自由空间。作为上述消音设计的替代方案，过渡气排放装置能够是反应器内分布的直线或者成倾斜的狭缝、孔、或者附接到立管浸入管的管道。其它替代性设计能够用于产生逐渐的气体驱散。
回到图1，在反应器系统中，固体循环速率通过安装在立管和反应器3/升管4之间的固体循环装置9控制。固体循环控制装置在处理中具有两种功能：控制固体循环速率；和防止气体在反应器2和反应器3之间混合。在图5中示意性示出的非机械式阀（例如，L阀、J阀、或H阀）能够用作固体循环装置，以控制固体循环速率并且防止气体在反应器之间混合。另外，上述立管中的一个或多个还能够由图5中示出的环封、倒V阀、L阀、J阀、或H阀中的任意一个来替换。
在某些实施例中，初级固体通过图1中所示的固体回收系统5与升管4中的气流分离。固体回收装置用于从固体循环处理移除小于规定尺寸的研磨的固体细粒，同时允许大于截至尺寸的固体回收到固体存储装置和气提区域6。通过减少系统内的研磨的固体的数量，能够减小因细粉聚集在反应器区段中造成的反应器堵塞和压降变化的几率。旋流器或者鼓能够用作固体回收装置。还能够使用本领域普通技术人员已知的其它类型固体回收装置，以使较大的颗粒与较小的颗粒分离。能够使用如下解释的过滤器元件、第二旋流器或者它们的组合移除气流4内的任何研磨的固体细粒。在某些实施例中，从气体出口气流14收集的固体能够被重新处理，并再次用在反应器系统中。
参照图6，示意性示出了细粒排放装置38。细粒排放装置与反应器1结合成一体，以便移除聚集在反应器中的床表面处的固体细粒。需要从系统排出由于颗粒摩擦形成的细粉，以保持系统处于稳定状态，并且避免床堵塞。通过细粒排放装置38排出细粉能够避免细粉大量侵占反应器1的自由空间区域。还能够使用本领域中的普通技术人员已知的其它类型的细粒排放装置。图6中示出的细粒排放装置包括收集容器44、46和48以及第一和第二阀40、42，其在反应器系统在升高的压力下操作时用作闭锁式料斗。排放点位于反应器1的壁上的聚集的细粉薄层处。可替代地，多个细粒排放装置可以沿着反应器的壁上的细粉薄层的周围引入，以便实现高效的细粒排放。细粒排放装置还能够结合在其它位置处，例如反应器系统中的图1示出的反应器2处。
在某些实施例中，反应器系统与相对较大的颗粒、球或者团块一起操作。较大的颗粒可能会消耗，并且从系统移除细粒。因此，在反应器系统中通常安装有颗粒补充装置。图7示意性示出了颗粒补充装置50的一个实施例。颗粒补充装置通常包括固体存储容器52、固体计量/流量控制装置54和第一和第二阀56、58，其当反应器系统在升高的压力下操作时用作闭锁式料斗60。还能够使用本领域中的普通技术人员已知的其它类型的颗粒补充装置。对于图7图解的布置方案，颗粒补充装置50与图1的反应器3结合成一体，其中，补充固体在进入反应器之后立即流化。可替代地，能够将补充固体引入到图1的固体存储和汽提区带6处，或者反应器系统上的任何其它位置。固体补充装置通常与床高度控制装置连接，使得反应器系统内的总固体存储保持在期望的范围内。
在某些实施例中，摩擦产生的细粒被从反应器系统清除，并且被收集以用于再生。再生的目的是收集细粒并且将这些细粒重新制成具有期望的尺寸、形状、强度和密度的颗粒，以在反应器系统中再次使用。再生装置能够与反应器系统结合成一整体，或者与反应器系统分离。用于再生细粒的方法可以包括但不限于挤出、粒化和诸如成球的加压方法。
在某些实施例中，颗粒移除装置安装在气体出口中的一个或多个上，以便移除细粒。在示例性实施例中，第二颗粒分离装置安装在如图1所示的口14上的固体回收装置5的下游处。第二颗粒分离装置能够是旋流器、过滤器、袋滤器、静电沉淀器或者本领域中的普通技术人员所熟知的任何其它颗粒分离装置。在某些实施例中，从颗粒移除装置移除的细粒固体被回收，以用于进一步的处理和重新使用。
压力控制装置可以安装在气体出口中的一个或多个上。在某些实施例中，压力控制阀与背压调节器串连安装，以保持反应器系统的压力，并在需要时调整气体出口压力。背压调节器用于建立压力的大部分，而压力控制阀被调整以在反应器系统内实现期望的压力分布。
在某些实施例中，一个或多个燃烧器（未示出）用于辅助启动反应器系统。燃烧器（多个燃烧器）能够安装在反应器中的一个或多个中。用于燃烧器的燃料可以包括但不限于丙烷、甲烷和丁烷。燃烧器加热在反应器系统内循环的气体和固体，从而升高反应器系统的温度。在其它实施例中，燃烧器在正常反应器操作期间使用，以便向反应器提供热量。在其它实施例中，燃料气体以受控方式直接注入到反应器中的一个或多个中。注入的燃料气体在反应器中燃烧以产生热量。
在某些实施例中，反应器系统在升高的温度下操作，并且在一个或多个反应器内部使用耐热内衬，以防止热量损失。在耐热内衬独自不能提供足够的隔热的再一个实施例中，使用防护加热器和/或加热介质来进一步减小热量损失或者升高反应器的温度。如在图8中示意性示出的那样，加热介质能够是诸如N2的惰性气体，所述惰性气体在反应器外侧被预先加热，然后被引入到位于反应器外壁和内壁之间的区域中。可替代地，能够用电加热器直接加热壁。图8中示出了示例性加热器设计的示例。如能够看见的那样，加热器62嵌入到反应器（未示出）的内壁和外壁之间的耐热材料64中。诸如N2的惰性气体任选地可以以稳定的速率和略微高于反应器的操作压力的压力注入到加热器周围，以防止反应物接近防护加热器。
参照图9，示意性示出了用于气体固体反应器系统的固体通量测量装置。固体通量测量装置包括立管70，其中，气体入口72位于立管的侧部上。立管的顶部和底部与反应器系统内的主固体循环回路相连。在某些实施例中，立管能够用作例如图1的气提区域7和8的气提区域。压差监测设备74（例如，压差传感器）安装在立管上，以测量立管在气体入口处和/或气体入口下方的任意区段之间的压差（dP1）。
为了测量固体循环速率，调整安装在紧邻的反应器的气体出口上的压力控制装置，使得dP1为零。然后，逐渐将示踪气体引入到立管气体入口。然后，确定所述示踪气体在能够在气体注入点上方的区域中检测到示踪气体之前的最大流量。通过利用立管截面面积、空隙率、和温度以及压力调整流量，这个流量最后转化为立管内的隙间气体速度。这种隙间气体速度等于管道内的固体的实际速度，并且用于确定气体固体反应器系统内的固体循环速率。在另一种构造中，通过气体分析设备和方法确定示踪气体向下流动通过管道的量。这个值同样用于计算隙间气体速度和管道内的固体的实际速度。在再一种构造中，通过在反应器之间提供完全密封所需的汽提气体的最小量确定向下流动的气体的量。在再一个实施例中，dP1不必为零，只要通过先前实验和/或计算获得气体和固体之间的相对速度和压降之间的关系即可。
参照图10，示意性示出了替代性的固体流量测量装置80。固体流量测量装置80安装在图1的固体回收装置5下方，并且包括罐82和与图1中的装置9类似的固体流动控制装置84。罐和固体流动控制装置串连安装，其中罐放置在顶部。床高度监测装置安装在罐上，以监测罐内的至少两个高度（用高度1和高度2表示）。在正常操作条件下，操作固体流动控制装置，使得固体不会聚集在罐内。这通常通过高通风气体速度来实现。
为了测量固体循环速率，将通过固体流动控制装置的固体流量调整为零。然后，确定固体在罐中从高度1累积至高度2所需的时间间隔。然后，通过时间间隔、固体的体积密度和罐的高度1和高度2之间的体积计算反应器系统内的固体流量。在测量之后，将固体流动控制装置调整回到正常操作条件。返回参照图1中示出的装置6，在不需要图10中示出的固体流量测量装置的设计中，装置6用于保持反应器系统内的固体存储量。在包括图10中示出的固体流量测量装置的替代性设计中，固体流动测量装置与装置6的上游结合成一体。在这样的构造中，装置6用于贮存用于反应器系统的过量固体。
参照图11，示出了图1的反应器3的替代性设计。反应器3是流化床反应器。反应器3的流化方式可以包括但不限于起泡流化方式、湍流流化方式和缓涌方式。反应器3中的反应区通常包括两个区段：主反应区段90和过渡区段92。过渡区段92通常是锥形区段，其中，顶部部分连接到升管4的入口，而底部部分连接到主反应器区段的出口。固体流入到主反应器区段，然后流出过渡区段至升管4。主反应器区段能够是具有一致特征长度的矩形体或者筒体。
可替代地，能够使用在顶部上具有更大的截面面积的锥形主反应器区段来减小缓涌。在再一个实施例中，内部构件添加到主反应器区段，以进一步减小缓涌。在反应器3中流化和携带颗粒的气体来自两个气体源。可以将少量气体从分配器引入到反应器3的底部处，以将颗粒保持在最小化流化的条件下。可以从若干竖直喷嘴将大量气体引入到反应器3中的固体装料罐上方，以在反应器中实现湍流流化方式，并且提供将颗粒携带至升管的足够气体。
床高度监测装置可以安装在系统中的若干位置处，以便确保固体床高度对于适当压力平衡是足够的和/或确保确定固体堵塞事件。在某些实施例中，能够使用基于电容的床高度监测系统。图12图解了用于高温操作的电容传感器设计。在这个附图中，电容传感器包括嵌在非导电材料98中的导电板96。绝缘板如图所示悬在反应器内。导线99连接到板并且穿过非导电盖和反应器壁。当伸出的导线穿过反应器壁时，电绝缘护套102覆盖伸出的导线。电容读数取决于两个电容传感器之间的固体浓度。
现在参照图13，示意性图解了用于实施化学循环反应的一个实施例。在这个实施例中，包含氧化铁的颗粒在反应器回路中循环，以将含碳燃料转换成氢、电能和/或热量。图13中示出的系统包括三个反应器区域。各个区域中的整个反应流程概括如下。
区域1CxHyOz+Fe2O3→CO2+H2O+Fe/FeO
区域2H2O+Fe→Fe3O4+H2
区域3O2+Fe3O4→Fe2O3+热量
含碳燃料注入到称为还原器（reducer）的反应器1的底部，在那里含碳燃料与包含Fe2O3的颗粒发生逆流反应以产生富含CO2和H2O的气流。反应器1内的包含Fe2O3的颗粒被还原为包含金属铁的颗粒。包含金属铁的颗粒经由立管输送到称作氧化装置的反应器2。通过将惰性气体和/或蒸汽注入到立管中提供气体密封。在第二反应区域中，包含金属铁的颗粒与蒸汽发生逆流反应，以产生富含氢的气流。包含金属铁的颗粒部分地再生成包含FeO和/或Fe3O4的颗粒。来自反应器2的部分再生的颗粒通过立管以及立管之后的L阀输送到称作燃烧室的第三反应区。
能够将惰性气体和/或蒸汽作为汽提气体注入到立管中。L阀控制整体固体循环速率。在反应器3中，部分再生的颗粒与诸如氧气和/或空气的含氧气体反应。反应释放热量，所释放的热量能够用于发电。而且，在反应器3中，部分再生的颗粒被进一步氧化为含Fe2O3的颗粒。这些颗粒能够经由安装在回路中的升管4、颗粒分离器、罐和立管传递回到反应器1。可替代地，能够是惰性气体、蒸汽、氧气和/或空气的L阀气体的一部分可以用于提供气提。在再一个构造中，反应器2能够具有旁路。在这种构造中，包含金属铁的颗粒直接转移到反应器3（燃烧室），用于产生热量和/或发电。
返回到反应器1、反应器2和它们之间的立管，在一个构造中，包含Fe2O3的颗粒与气态燃料反应，所述气态燃料以逆流方式直接引入或者通过固体燃料的部分转化产生。在直接注入气态燃料时的情况下，所述气态燃料应当注入到反应器1的下部区段。用于气态燃料的优选的注入位置是反应器1的底部附近的锥形区段。在引入固体燃料的情况下，所述固体燃料实际上能够在任何地方注入到反应器1中。优选的注入位置能够位于锥形区段或者立管中。在某些实施例中，固体燃料在反应器1中流化，直到其至少部分地转化为止。在离开反应器1之前，包含Fe2O3的颗粒中的铁相主要还原为氧化态，所述氧化态与维氏体相当或者比维氏体更低。然后，这些颗粒通过引入有诸如N2的惰性气体和/或蒸汽的立管。汽提气体流量通常小于离开反应器1的总析出气体流量的15%。气态产品优选地包含至少75%的CO2和H2O组合（以摩尔计）。
返回参照反应器2、立管和下面的L阀，包含还原的Fe/FeO的颗粒从反应器1和2之间的气提立管进入反应器2。在优选的构造中，包含还原的铁的颗粒与注入到反应器的下部区段中的蒸汽直接发生反应。蒸汽以逆流方式逆着固体流向上行进。用于蒸汽的优选注入位置在反应器2底部附近的锥形区段中。来自反应器2气体出口的气态产品包含至少75%的H2和H2O组合（以摩尔计）。在离开反应器2之前，包含铁的颗粒中的铁相被部分氧化为氧化状态，氧化状态小于磁铁矿或者与磁铁矿相当。如上文中所讨论的那样，反应器2下方的L阀控制整体固体流量。
通风气体通常注入到L阀的竖直区段，在该竖直区段，通过调节通风气流，能够控制整体固体流。优选的通风气体注入位置等于或者大于L阀的底部上方的内管直径的长度的两倍。L阀上方的气提立管用于防止气体在反应器2和3之间混合，并且提供了用于适当的系统操作的压力边界。根据操作条件和压力分布，用在L阀中的通风气体还可以用作用于所连接的两个反应器的气提区。可替代地，单独的汽提气流能够注入到通风气体注入点上方的位置处。在下文提供了针对压力边界和分布的细节。进入到反应器2下方的立管中的气体流量通常小于总产品流的15%。在再一个构造中，在反应器2中使用CO2或者CO2和H2O的混合物，以部分氧化来自反应器1的包含铁的颗粒。在这种构造中，来自反应器2的气态产品也包含CO。
返回参照反应器3、升管4、颗粒分离器和罐，来自L阀的含部分氧化的铁的颗粒进入反应器3（燃烧室）。在优选的构造中，含部分氧化铁的颗粒直接与从反应器的下部区段注入的空气反应。如上文所讨论的那样，来自单个、两个或者更多个气源的空气可以用于在反应器3中流化和携带颗粒。当使用两个气源时，从反应器3的底部引入少量气体，以保持颗粒处于最小化流化条件或者之上。通常，从固体装料罐上方的若干竖直喷嘴将大量气体引入到反应器3中，以在反应器中实现湍流流化方式，并且提供足量的气体，以将颗粒携带至升管4。在离开反应器3之前，包含铁的颗粒中的铁相被氧化成包含Fe2O3的颗粒。
燃烧器能够安装在反应器3中，以有助于启动反应器系统。通常，丙烷、甲烷等燃料能够用作用于燃烧器的燃料。燃烧器向反应器3中的气体和固体提供热量。反应器容器的内径通常大于上方连接的升管的内径，以产生湍流流化床操作方式，用于增加固体滞留量。从反应器3到升管4的锥形过渡连接部与截头锥体状类似。锥形的截面面积随着高度而减小，并且导致气体速度增加，以从反应器3携带颗粒至升管。包含氧化的铁的颗粒通过升管4被运送到系统顶部的固体回收装置5。如上文所讨论的那样，旋流器或者鼓可以用作用于固体回收的颗粒分离器，以便将大于规定截至尺寸的固体从来自升管的气体颗粒混合物分离。使用第二旋流器收集升管气体出口内的研磨的固体细粒，并且在反应器系统中重复利用所述固体细粒。从颗粒分离器回收的较大的包含氧化的铁的颗粒进入罐/接收器，所述罐/接收器是反应器1上方的固体存储和气提区域6的顶部部分。罐用作固体存储装置，以保持反应器1作为完全填充的床。如先前所述的那样，两组基于电容的床高度监测系统安装在罐区段中，以监测罐中的固体高度。床高度监测系统与固体补充系统相结合，以将床高度保持在罐中的预定位置处。
整体参照图13，由于例如在反应器中的任意一个中处理气体调节、反应器3中的缓涌相应、在罐区段中的固体存储损失、气流的突然变化、固体布置和分布的突然变化和其它类似情况，化学循环系统可能会发生压力波动。调整通过汽提管的压差和/或调整汽提气体流量能够保持期望的操作条件。化学循环处理中的期望或者可工作的压力分布通常指的是这样的压力分布，所述压力分布允许每个反应器保持其优选的操作方式（即，流化/携带和/或逆流移动填充床），其中，每个反应器之间存在最小化的气体污染。
存在若干控制策略来最小化系统中的压力波动的影响，以实现高效并且稳健的操作。例如，汽提区段中的一个或多个可以用于吸收绝大多数（如果不是全部的话）的压力波动。在这种条件下，吸收压力波动的汽提区段以固定的汽提气体流量操作，而没有控制它们的压差。汽提气体的流量应当大于或者等于这样的值，在所述值的条件下，在这些汽提区段中能够产生系统内的最大压力波动。其它汽提区段中的压降能够保持在固定值或者接近固定值。在某些实施例中，所有汽提区段中的额定压降（没有压力波动时的压降）大于系统中的最大局部压力波动。当将汽提气体在汽提区域的顶部或底部处注入时，在某些情况下，期望的是保持流向汽提区域的两个端部的充足气流，原因在于压力波动可以是双向的。
返回到反应器1中发生的还原反应，还原器利用气态还原燃料（例如CH4、CO、H2等）还原含铁的颗粒。优选的还原气体是产自煤和/或生物质气化的合成气。还原器还可以使用固体含碳燃料，例如煤、焦油、生物质、油页岩、油砂、柏油砂、蜡、焦炭等，其中，如上所述，固体燃料在反应器1中流化时间并同时被至少部分地转化。燃料优选地以气态和/或颗粒形式供应到反应器1中。
包含铁的颗粒包含布置在陶瓷支撑体上的至少铁或者氧化铁。在Thomas等人的美国专利No.7,767,191和Fan等人的PCT申请No.WO2007/082089中描述了用于在本发明的系统和处理中使用的适当的陶瓷复合颗粒。此外，Fan等人的PCT申请No.WO2010/037011中描述了提高陶瓷复合颗粒的性能和强度的方法。包含铁的颗粒的尺寸取决于反应器系统内的固体流动方式。通常，包含铁的颗粒的尺寸应当足够大，使得在反应器1和2中保持逆流移动填充床流，并且在反应器3中能够实现有用的固体流化/携带。因此，优选地含铁颗粒尺寸介于约200μm和约40mm之间。

Claims (14)

1.一种用于实施一种或多种化学反应的系统，所述系统包括：
第一化学反应器，所述第一化学反应器具有用于颗粒固体的入口和出口，所述颗粒固体在所述第一化学反应器中形成床，所述出口包括过渡区域，所述过渡区域使所述第一化学反应器的内径变窄，所述第一化学反应器包括用于固态或者气态反应物的入口和用于处理气体的出口；
第二化学反应器，所述第二化学反应器具有用于颗粒固体的入口和出口，所述颗粒固体在所述第二化学反应器中形成床，所述第二化学反应器包括用于固态或者气态反应物的入口和用于处理气体的出口；
第一气提区域，所述第一气提区域在所述第一化学反应器和所述第二化学反应器之间形成非机械式密封，并且包括连接所述第一化学反应器与所述第二化学反应器的管道，所述管道包括与所述第一化学反应器的颗粒固体出口连通的第一端部和与所述第二化学反应器的颗粒固体入口连通的第二端部，所述管道包括位于所述第一端部和所述第二端部之间的用于汽提气体的入口，所述第一气提区域适于防止来自所述第一化学反应器的处理气体进入所述第二化学反应器，并且同时允许所述颗粒固体从所述第一化学反应器进入到所述第二化学反应器；
第三化学反应器，所述第三化学反应器与所述第二化学反应器连通，所述第三化学反应器具有用于颗粒固体的入口和出口，所述颗粒固体在所述第三化学反应器中形成床；
第二气提区域，所述第二气提区域在所述第二化学反应器和所述第三化学反应器之间形成非机械式密封，并且包括连接所述第二化学反应器和所述第三化学反应器的管道，所述第二气提区域的所述管道包括与所述第二化学反应器的颗粒固体出口连通的第一端部和与所述第三化学反应器的颗粒固体入口连通的第二端部，所述第二气提区域的所述管道包括位于所述第一端部和第二端部之间的用于汽提气体的入口，所述第二气提区域适于防止来自所述第二化学反应器的处理气体进入所述第三化学反应器，并且同时允许所述颗粒固体从所述第二化学反应器进入到所述第三化学反应器；和
固体循环控制装置，所述固体循环控制装置定位在所述第二气提区域和所述第三化学反应器之间，适于控制所述颗粒固体的循环速率，并且防止气体在所述第二化学反应器和第三化学反应器之间混合。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一气提区域包括区域密封立管。
3.根据权利要求2所述的系统，所述区域密封立管包括位于所述第一化学反应器的所述颗粒固体出口和所述第二化学反应器的所述颗粒固体入口之间的锥形过渡区段。
4.根据权利要求1所述的系统，所述系统包括升管区段，所述升管区段与所述第三化学反应器的用于颗粒固体的所述出口连通，所述升管区段适于将携带的固体再循环至所述第一化学反应器，所述第三化学反应器还包括气体源。
5.根据权利要求4所述的系统，所述系统包括固体回收装置，所述固体回收装置与所述升管区段连通，所述固体回收装置包括颗粒分离器，用于从所述系统移除固体细粒。
6.根据权利要求5所述的系统，所述系统包括固体存储装置，所述固体存储装置适于容纳颗粒固体微粒，所述固体存储装置与所述固体回收装置连通以接收回收的颗粒固体，并且与所述第一化学反应器连通以将颗粒固体供应到所述第一化学反应器。
7.根据权利要求6所述的系统，所述系统包括位于所述固体存储装置和所述第一化学反应器之间的第三气提区域。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一气提区域包括立管，所述立管形成过渡气体排放装置，所述立管具有与所述第一化学反应器连通的端部，所述立管的所述端部包括与所述第一化学反应器中的用于处理气体的所述出口连通的气体出口，以从所述立管排放气体。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述立管中的所述气体出口选自多个多孔过滤器、直切口、成角度的切口和孔。
10.根据权利要求8所述的系统，所述系统包括定位在所述第一化学反应器的内壁的周边上的细粒排放装置。
11.根据权利要求1所述的系统，所述第二气提区域包括立管，并且所述固体循环控制装置包括非机械式密封装置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述非机械式密封装置选自环封、V阀、L阀、J阀和H阀。
13.根据权利要求1所述的系统，所述系统包括定位在所述第一化学反应器中的固体颗粒床高度监测装置，所述固体颗粒床高度监测装置包括电容传感器。
14.一种用于使气态材料和固态材料循环通过一系列化学反应器的处理，所述处理包括：通过将具有第一端部和第二端部的气提区域定位在所述化学反应器之间，并且通过将汽提气体在所述第一端部和所述第二端部之间注入到所述气提区域，使得注入汽提气体处的气体压力大于或者等于所述气提区域的任一端部处的压力以便所述汽提气体能够向下行进和逆着固体流动的方向向上行进，由此来控制通过每个化学反应器的固体和气体流，以便防止来自一个化学反应器的处理气体进入不同的化学反应器，而同时允许固体从一个化学反应器进入另一个化学反应器，其中，与所述化学反应器相比，所述气提区域具有减小的横截面面积，以控制所述化学反应器之间的固体流。
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