CN105339079A - 使用多喷嘴输送气体的流化床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用多个喷嘴将气体引入至流化床区域的用于流化床的装置以及流化方法。所述将流化介质引入至流化床反应器的装置包括，容器，其限定了流化床区域并且其中加入了固体进料；气体分布格栅，其容纳于所述容器的较低部位，通过该气体分布格栅将第一流化介质引入以流化固体进料；多个喷嘴，设置为穿过所述气体分布格栅，通过所述喷嘴将第二流化介质引入至所述流化床区域以流化固体进料。

Description

使用多喷嘴输送气体的流化床

相关专利的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日提交的、申请号为61/786,599的美国临时申请的优先权，该临时专利申请通过引用整体纳入本文。

技术领域

本申请涉及一种使用流化床反应器的流化床。本发明尤其涉及一种用于流化床的装置，其利用多喷嘴将气体引入流化床区域，本发明还涉及流化方法。

背景技术

煤气化是将含碳材料如煤等转换成主要包括一氧化碳(CO)和氢气(H₂)的合成气或合成气体的过程。综合能源系统流化床气化器("SES气化器")，正如在美国专利申请No.13/532,769中所描述的，常用于含碳材料的气化。

图1所示为SES流化床气化器的基本结构，其包括一容器，该容器容纳位于被气化的固体材料的流化床1上面的顶部空间2，位于所述床下方的锥形多孔气体分布格栅7，通过该气体分布格栅7以足够的速度引入气化介质以流化气化器中的固体物料。含碳进料，通常作为较小的颗粒，被传送至气体分布格栅7上部。蒸汽和氧化剂(无论空气或氧气)从气体分布格栅7之下被传送以用来流化和部分氧化固体进料。

紧接着在格栅下面、以及其他结构上面(通常是一个或多个另外的容器，用于灰分冷却和处理等)，是一个空的“增压”空间4。气化介质(蒸汽和/或氧气)从增压空间4穿过气体分布格栅7被引入到气化器。

位于格栅锥体底部中心区域的通道例如管道6(“中心喷射管”)，将氧化剂和稀释气体引入至流化床。该中心喷射管6的气体速度通常比流化床1中的气体平均表观速度大。在该中心喷射管周围提供包括环形通道的排灰装置5，用来移除成团的煤灰，并用来提供额外的气体，比如蒸汽，所述气体用来冷却并保护中心喷射管6。该排灰装置5通常被配置为包括在该通道的上部对灰分颗粒进行分类的文氏管(venture)装置3。

高速中心喷射管是附图1所示的现有技术气化器的重要特征。相比于通过气体分布格栅提供的氧气浓度，通过中心喷射管提供到流化床的气体流具有更高的氧气浓度。该较高的氧气浓度导致流化床中心区域的原料被更多地氧化，从而使得中心区域相比于流化床其他部位具有更高的温度。

图2为容器内侧底部的俯视图，展示了位于锥形气体分布格栅3中心的环形空间1，形成为排灰管道，通过该排灰管道，灰分从气化器中落下，还展示了中心喷射管2的入口孔，气体流从所述入口孔被提供至流化床。

通常希望气化器能够以尽可能高的性能来工作。提高进料被传送至流化床区域的速度是最常见的提高气化器性能的方式。增加的进料导致流化床深度增加，并且相应地，需要的蒸汽和氧化剂的数量也必须增加，以保持床的流化并保证发生充分的氧化，从而维持气化器的操作温度。

然而，由于气体分布格栅孔的气体流率(throughput)的限制，更多的流化气体需要被传送至中心喷射管。因此，中心高温区域可能具有比最优温度更高的温度，从而导致灰分过度结块，产生大灰分颗粒，从而影响灰分从气化器中排出。为了防止这种灰分过度结块，被传送至中心喷射管的气体数量必须降低，但这会导致气化器的操作温度降低，并进而导致气化器的进料转换率降低。

进一步地，通过中心喷射管道传送的气体数量增加，必然意味着气体速度增加，导致中心射流穿透深度不相称地变大。如果该穿透深度大于流化床的深度，气体将不能和床体内的颗粒有效混合，从而降低了气化效率。

上述气化器面临的另一个问题是流化床格栅和中心喷射管道6的维修或保养。为了维修或保养该中心喷射管道6，排灰装置5必须首先被移出，由于在排灰装置下部连接有其他容器，使得该移出非常困难。

因此，需要有一个系统和方法以解决中心喷射管道的问题，而不影响气化器性能和保养。

发明内容

如上所述，本发明涉及一种改进的向流化床区域提供流化介质的装置和方法。根据本发明的第一方面，本发明中将流化介质引入至流化床反应器的装置包括容器，该容器限定了流化床区域，并且其中加入固体进料；容纳于所述容器较下部位的气体分布格栅，通过该气体分布格栅将第一流化介质引入以流化固体进料；多个喷嘴(jets)，设置为穿过(positionedthrough)气体分布格栅，通过所述喷嘴将第二流化介质引入至流化床区域以流化固体进料。

在所述装置的一个实施方式中，所述多个喷嘴相对于气体分布格栅的中心对称间隔设置(symmetricallyspacedfromthecenterofthegasdistributiongrid)。

在所述装置的一个实施方式中，所述装置还进一步包括一分配总管(distributionheader)，其中所述多个喷嘴的每一个连接于所述分配总管，所述分配总管连接于所述第二流化介质的源头。

在所述装置的一个实施方式中，增压空间位于所述气体分布格栅的下方，并且所述分配总管位于所述增压空间内。

在一个实施方式中，所述多个喷嘴的每一个通过凸缘连接于所述分配总管。

在所述装置的一个实施方式中，所述第二流化介质包括高氧浓度气体，所述高氧浓度气体包括氧气、或者氧气和蒸汽的混合气体。

在一个实施方式中，所述多个喷嘴的每一个的气体速度大于流化床内气体的平均表观速度。

根据本发明的第二个方面，某个实施方式还进一步提供了一种流化床反应器，其包括根据本发明第一方面所述的用于引入流化介质的装置。在一个实施方式中，所述流化床反应器可以是煤气化器。

根据本发明的第三个方面，某个实施方式还提供了一种流化方法，所述方法包括通过多个喷嘴将第二流化介质引入至流化床区域以流化固体进料，其中，所述流化床区域由容器限定，该容器中加入固体进料，气体分布格栅容纳于所述容器的较下部位，通过所述气体分布格栅将第一流化介质引入以流化固体进料，多个喷嘴连接于流化介质的源头并设置为穿过气体分布格栅。

在所述方法的一个实施方式中，所述多个喷嘴相对于气体分布格栅的中心对称间隔设置。

在所述方法的一个实施方式中，所述多个喷嘴的每一个连接于分配总管，并且所述分配总管连接于第二流化介质的源头。

在所述方法的一个实施方式中，增压空间位于所述气体分布格栅的下方，并且所述分配总管位于所述增压空间内。

在所述方法的一个实施方式中，所述多个喷嘴的每一个通过凸缘连接于所述分配总管。

在所述方法的一个实施方式中，所述多个喷嘴的每一个的气体速度大于流化床内气体的平均表观速度。

通过参考下面的附图和描述，本发明的上述和其它特征以及获得和使用它们的方式将变得更加明显，并且将得到最好的理解。

附图说明

图1所示为本领域流化床气化器的基本结构。

图2所示为本领域流化床气化器中容器内侧底部的俯视图。

图3所示为本发明的一具体实施方式，其具有将气体流传送至流化床区域的多个喷嘴。

图4所示为根据本发明一实施方式的流化床气化器中的容器内侧底部的俯视图，展示了多个喷嘴穿过气体分布格栅的设置情况。

图5所示为根据本发明另一实施方式的流化床气化器中的容器内侧底部的俯视图，展示了多个喷嘴穿过气体分布格栅的设置情况。

图6所示为本发明的另一具体实施方式，其中图6展示了管道结构的更多细节，这些管道和将气流传送至流化床区域的多个喷嘴连接。

具体实施方式

附图3所示为本发明的一个具体实施方式。根据用于将流化介质引入至流化床反应器的装置的一个实施方式，所述流化床气化器包括容器，该容器容纳限定了其中加入有固体进料的流化床区域1以及位于流化床1上部的顶部空间2。气体分布格栅7容纳在所述容器的较低部位，并限定了流化床1的底部表面。穿过气体分布格栅7，第一流化介质例如蒸汽和/或氧气被引入以流化气化器中的固体进料。含碳进料例如煤被转化成主要包含一氧化碳和氢气的合成气或合成气体，并从所述容器顶部排出。

增压空间4位于气体分布格栅7下面，排灰管道5位于容器底部。多个喷嘴8穿过气体分布格栅7，通过这些喷嘴，第二流化介质被引入至流化床区域1，以流化固体进料。所述多个喷嘴8可通过管道11连接流化介质的源头。

第二流化介质，例如，可以是高氧浓度的气体或者氧化气体(“氧化剂”)。该高氧浓度气体可包括氧气、或者氧气和蒸汽的混合气体。如附图1所示，传统的气化器包括一中心喷射管6，用于引入氧气以在反应器内形成高温区域，产生通常在中心喷射管的氧气喷射嘴周围的温度更高的区域。相比之下，通过利用多喷嘴构造来代替中心喷射管，较高浓度氧化剂的入口分散在整个区域，从而在该区域上氧化剂被引入到流化床的所有区域。因此，在中心喷嘴区域和床体其他区域之间的温度差被降低，并且床的温度也被分配得更加均匀。因此，中心区域灰分过度结块并妨碍排灰的情况可被避免。

所述第一和第二流化介质可以具有相同的构成，比如蒸汽、氧气、或者它们的混合物。

通常认为，射流穿透深度是当射流动量的分散实际完成时，对应于与喷嘴或喷头的距离的喷射区域高度。如果喷射气体速度和中心喷射管速度相同，那么从较小直径喷嘴中喷出的气体具有较小的射流动量，因而，导致喷射气体在穿过床身固体时具有较弱的穿透能力以及射流动量分散完成时距离喷嘴较短的距离。因此，通过将具有较大开口的中心喷嘴替换为各喷嘴的直径都小于中心喷嘴直径的多个喷嘴，也可以降低射流穿透深度，从而避免射流穿透深度大于流化床深度。

射流动量随着喷射气体速度而增加。增加的射流动量能够增强喷射气体经过床身固体时的穿透能力，因此带来射流动量分散完成时距离喷嘴较远的距离，从而导致较大的射流穿透深度。由于多喷嘴的直径较小，在维持相同射流穿透深度时，多个喷嘴的每一个的气体速度能够比单一中心喷嘴的气体速度更高，这带来额外的操作灵活性或者明显更大的流率。单个中心喷嘴的气体速度通常比流化床内气体的平均表观速度大。因此，在一实施方式中，所述多个喷嘴的每一个的气体速度也可以比流化床内气体的平均表观速度大。

应当理解的是，在流化床反应器底部位于气体分布格栅7的中心的下面，可设有缩口(constriction)，该缩口具有限定了文氏管的固定开口以实现分类功能。

图4展示了另一个实例，显示根据本发明一个实施方式的多喷嘴布置。位于锥形气体分布格栅3中心的环形空间1形成为排灰管道。多喷嘴4相对于气体分布格栅3的中心对称间隔分布，或者相对于气化器的垂直中心线间隔对称分布。然而，多喷嘴也可以相对于气体分布格栅的中心非对称间隔分布。

图5展示了另一个实例，显示根据本发明一实施方式的多喷嘴布置。多喷嘴可以布置为相对于气体分布格栅3的中心间隔分布成两行或更多行(例如布置为如图5所示的两圈)。

喷嘴4的总数量和间隔模式可以被设计为对流化床区的整个区域提供完全和均一的覆盖。喷嘴的直径(或孔的尺寸)可以根据喷嘴总数量、间隔模式以及格栅大小来设计。例如，喷嘴的直径可以在3至20毫米范围内。喷嘴直径可以相同或不同。

在一个实施方式中，所述多个喷嘴的每一个的气体速度可以保持为接近于其之前在单个中心喷射管中的气体速度，从而使得由单个中心喷嘴提供的混合能量保持相似。第二流化介质气体以某一速度流经喷嘴，并提供穿透射流进入流化床，以保持固态原料在充分悬浮或流化状态。

如附图3所示，优选多个喷嘴的每一个都有环形气体管11，提供的该环形气体(管)11与提供给单个中心喷嘴的相似。

图6所示为本发明的另一具体实施方式，展示了和多喷嘴相连的管道结构的更多细节。在本实施方式中，所述装置还进一步包括分配总管10，多个喷嘴8的每一个均连接至分配总管10，分配总管10还可以通过管道11被连接至第二流化介质的源头。

多喷嘴8上的管道简单地配置有与增压空间4内的分配总管10的连接件诸如凸缘9。由于增压空间4对进入容器而言足够大，并且该区域设有人行通道，因此能够维修或替换多喷嘴8而不需要移动或移除任何笨重和庞大的排灰系统组件。然而，传统上，中心喷嘴通常位于环形空间或者文氏管装置中，其在结构上连接于气化系统的其他部分，例如灰分冷却和分类组件。现有技术中实施对中心喷嘴的替换或维护是非常复杂的。

如上所述，本发明流化床反应器的多喷嘴构造至少具有以下令人满意的效果：避免喷射穿透深度大于流化床深度，以及更容易的气体输送喷嘴维修或维护。根据以上，在某些实施方式中，氧化剂通过多喷嘴构造被引入至流化床反应器，其将降低床体中心区域和床体其他区域的温度差，从而避免了中心区域的灰分过度结块并阻碍排灰的情况。

根据本发明的另一方面，还提供了一种流化方法。在本方法的一个实施方式中，它包括通过多个喷嘴将第二流化介质引入至流化床区域以流化固体进料，其中流化床区域由容器限定，该容器中加入有固体进料，气体分布格栅容纳于所述容器的较低部位，第一流化介质通过该气体分布格栅被引入以流化固体进料，多个喷嘴连接于流化介质的源头并设置为穿过气体分布格栅。

在本方法的一个实施方式中，多喷嘴相对气体分布格栅的中心对称间隔设置。多个喷嘴的每一个的气体速度可以大于流化床中的气体的平均表观速度。

在本方法的一个实施方式中，多个喷嘴的每一个连接于分配总管，该分配总管连接于第二流化介质的源头。在气体分布格栅下设有增压空间，所述分配总管设于增压空间内，多个喷嘴的每一个通过凸缘连接于分配总管。

应当理解的是，本申请文件中所描述的实施例和实施方式仅用于示例目的，并且为本领域技术人员建议了各种修改或改变，这些修改或改变包括在本申请的精神和范围内，以及所附权利要求的范围内。该专利引用的所有出版物、专利和专利申请出于所有目的通过参考并入本文。

任何实施方式的一个或多个特征可能结合任何其它实施方式的一个或多个特征，而不脱离本公开的范围。上述说明是说明性的而不是限制性的。本发明的许多变形对于本领域技术人员而言在阅读了本公开内容后是显而易见的。因此，本发明的范围不应根据上面的说明来确定，而应根据所附权利要求以及它的全部范围或等同来确定。

Claims (16)

1. 权利要求书：

   1.一种将流化气体引入至流化床反应器的装置，包括：

   容器，其限定了流化床区域并且其中加入固体进料，

   气体分布格栅，其容纳于所述容器的较低部位，通过该气体分布格栅将第一流化介质引入以流化固体进料，

   多个喷嘴，设置为穿过所述气体分布格栅，通过所述喷嘴将第二流化介质引入至所述流化床区域以流化固体进料。
2. 2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个喷嘴相对于气体分布格栅的中心对称间隔设置。
3. 3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括分配总管，其中所述多个喷嘴的每一个连接于所述分配总管。
4. 4.根据权利要求3所述的装置，其中，增压空间设于所述气体分布格栅的下方，并且所述分配总管位于所述增压空间内。
5. 5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述多个喷嘴的每一个通过凸缘连接于所述分配总管。
6. 6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二流化介质包括高氧浓度气体，所述高氧浓度气体包括氧气、或者氧气和蒸汽的混合气体。
7. 7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个喷嘴的每一个的气体速度大于所述流化床内气体的平均表观速度。
8. 8.一种流化床反应器，其包括根据权利要求1所述的将流化介质引入至流化床反应器的装置。
9. 9.根据权利要求8所述的流化床反应器，其中，所述流化床反应器为煤气化炉。
10. 10.一种流化方法，包括：

    通过多个喷嘴将第二流化介质引入至流化床区域以流化固体进料，其中，所述流化床区域由其中加入固体进料的容器所限定，气体分布格栅容纳于所述容器的较低部位，通过所述气体分布格栅将第一流化介质引入以流化固体进料，所述多个喷嘴设置为穿过所述气体分布格栅。
11. 11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个喷嘴相对于气体分布格栅的中心对称间隔设置。
12. 12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个喷嘴的每一个连接于分配总管，并且所述分配总管连接于流化介质的源头。
13. 13.根据权利要求12所述的方法，其中，增压空间设于所述气体分布格栅的下方，并且所述分配总管位于所述增压空间内。
14. 14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个喷嘴的每一个通过凸缘连接于所述分配总管。
15. 15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二流化介质包括高氧浓度气体，所述高氧浓度气体包括氧气、或者氧气和蒸汽的混合气体。
16. 16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个喷嘴的每一个的气体速度大于所述流化床内气体的平均表观速度。