CN109982775A - 用于流化床反应器中热处理的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种用于煅烧矿物的方法，包括以下步骤：(i)将矿物进给到流化床反应器中，(ii)将生物气作为燃料注入流化床反应器中，(iii)燃烧生物气产生热量以煅烧矿物，(iv)从反应器中的流化床排出煅烧后矿物，以及(v)从流化床上方的位置排出气体和固体颗粒混合物。
Description
技术领域
本发明涉及流化床反应器中的方法和相关处理，重点在于使用影响进料系统以及烟气处理的生物质。
背景技术
热处理，特别是矿物煅烧，是众所周知的方法，这就是为什么此方法的产品广泛使用的原因。这种产品的很好示例是高岭土，正如WO 2005/019349中所示。
高岭土是天然的工业用矿物，具有各种应用(例如颜料、纸张、聚合物、水泥、化妆品行业、农业和建筑)。高岭土煅烧是已完善建立的方法，其基于通常在窑炉或膛式炉中加工的硅酸铝矿物的热处理。由于煅烧方法取决于一定温度下一定煅烧时间来改善物料的白度和硬度及其电性能，所以至关重要的是能够在煅烧过程期间很好地控制温度和驻留时间。
从文献EP 0 747 452 A2中已知流化床的使用原理，该文献教导了生产偏高岭土白色颜料的方法，涉及通过供应燃料、含氧气体和粒度d80在0.1mm至8mm之间的粒状高岭土在1000℃至1100℃在流化床反应器中热处理水合高岭土以得到结晶水最多为2wt％的偏高岭土白色颜料作为排出产品。
其他已知的方法是例如快速热解，通常用于细粒物料。
然而，煅烧高岭土的品质是具有非常好特性的物料与具有较低特性的物料以允许达到最低所需品质的比例所成的混合物。通常，对于大量物料来说，驻留时间需要相当长，以便确保高品质。这伴随着额外的能量损耗，从而增加了煅烧方法中所需的比能量。
因此，使用所谓的绿色能源对于提高此类煅烧方法的生态标准特别重要。为了确保在煅烧过程期间的温度控制和驻留时间作为高产品品质的要求，迄今还不曾使用生物质作为能源。
发明内容
因此，本发明的任务是提供用于使用生物气作为燃料将矿物煅烧成高品质和恒定品质产品的方法和相关设备。本发明的目的还在于提供涵盖用于煅烧矿物环境性能评价的所有必要步骤的方法。
该任务通过根据权利要求1的方法实现。
在这种方法中，生物气用作能源，改善了关于环境平衡的工艺表现。因此，矿物以颗粒形式引入流化床反应器中，以便可以被流化。此外，将生物气作为燃料注入流化床反应器中，在流化床反应器中生物气燃烧产生热量来煅烧矿物。然后，将煅烧后矿物从反应器中的流化床排出，并且气体和固体颗粒混合物从流化床上方的位置排出。
煅烧步骤是方法的核心。将高岭土进给到反应器中。生物气在炉中与空气一起燃烧，以便产生热量使矿物颗粒温度升高到所需水平。夹带的固体在气固分离器(例如旋风分离器)中与气体分离，气固分离器具有上溢流和下溢流。下溢流包含颗粒，颗粒形成热煅烧后产品。
因此，通过例如燃烧来源于气化方法的燃料气或燃烧燃料来提供煅烧所需热量。这种选择允许通过可最小化环境足迹的能源的气化来利用替代燃料获得所需的工艺过程能量。本发明通过使用可回收能量的流化床技术解决了采用生物气会产生的驻留时间和温度控制的问题。因此，可以在非常窄的操作窗口中控制驻留时间和温度，从而控制了工艺过程的总效率。
优选的是该方法用作连续方法。最优选的是反应器中的稳态。
为了提高流化床的流化性，优选的是在将矿物进给到流化床反应器中之前将其粒化，例如，通过添加水。在一些情况下，自然资源中的可得水分就足以获得良好的粒化效果。
然而，为了更好的稳定性，通常优选的是将粒化固体干燥至水含量低于10wt％，甚至更优选低于5wt％。对于随后的干燥来说，可以使用来自工艺过程的低热量。
对于优选的运行条件来说，反应温度在800℃与1300℃之间。优选地，高岭土在1050℃+/-50℃之间的温度煅烧。
与回转窑或膛式炉相比，流化床具有优异的传热性和传质性，从而在明确且均匀的操作温度情况下产生稳定的操作。与需要燃烧器供热的系统相比，燃料可以通过喷枪注入，并在流化床中无焰燃烧。
这导致最大煅烧温度较低，使得燃料消耗最小化，从而将产品品质保持在均匀的高水平。在煅烧期间，去除了结晶水。
将高岭土看作是析出物，它的白度增加。由于在加热达约1100℃时发生矿物相变，所以结构变得致密并且硬度增加，从而产生适用于颜料工业的改善品质的产品。如果流化床工艺设计得很好，则通过分别应用预热阶段和冷却阶段从烟气和固体产品中回收大部分显热，可以显著提高能量效率。
在优选实施例中，流化床是循环流化床，具有特别好的传热率和传质率。
特别重要的是，可以将新鲜固体颗粒进给到流化床中。这样，获得了更稳定的流化床。
此外，可以处理从气固混合物中获得的气体部分，以去除烟气中的含硫气体。
优选地，矿物包括高岭土、硅藻土和/或珍珠岩。特别优选的是，所用的析出物具有上述三种矿物中的至少一种，含量为至少50wt％，甚至更优选大于80wt％。
高岭土颗粒在1050℃+/-100℃煅烧，在煅烧试验期间没有遇到大问题。特别是，处理高岭土的方法很有前途。
对于硅藻土来说，颗粒的生产需要非常大量的水，从而增加了用于煅烧的燃料消耗并降低了所考虑的煅烧方法的能量效率。然而，燃料和烟气中的SO2部分地被硅藻土中所含的钙固定。
对于珍珠岩来说，与其他矿物相比，循环流化床中的驻留时间必须非常短。
此外，可以通过预热反应器的进料和/或通过应用流化床冷却器来冷却热的煅烧后产品来回收热量。
通过预热来回收热量是通过使来自反应器的热烟气以逆流模式与冷原矿进料接触来实现的。除了该步骤以外，气流中剩余的热量可用于干燥进料。为了最大化接触时间以实现更好的热交换，可以预见多达三个预热阶段。
两阶段预热以湿进料开始，湿进料被输送到第一预热阶段的预热器中。通过将固体与来自第二预热阶段的燃烧烟气混合，水分蒸发并且固体温度升高。离开预热器的气体进入旋风分离器，以分离夹带的固体。烟气在通过烟囱排放之前在静电除尘器中进一步清洁。
在第二预热阶段中，将干燥的固体加热至高于500℃的温度，从而进一步降低煅烧步骤中的燃料消耗。第二阶段中气体和固体也同样是逆流流动，通过预热固体来冷却气体。热传递容器允许热交换，同时旋风分离器将固体与气体分离。
如果水分含量不太高，则可以应用第三预热步骤。通过这种方式，通过利用固体和气体中所含的显热，可以实现更高的效率。
煅烧后矿物的第一次冷却在炉下游(床产品排放)的多个旋风分离器中执行，从而允许预热来自所谓流化床冷却器的空气。在由各相继流化床组成的流化床冷却器中，作为产品获得的热固体直接和间接地预热流化和建立工艺条件所需的空气，从而允许燃料在反应器中完全燃烧。
通过水冷(例如通过把水从35℃加热至55℃)完成产品的最终冷却，从而允许将固体温度调节至低于90℃。
作为本发明的一部分，发明人发现，这要求进给到流化床中的每个颗粒有非常恒定和相似的温度。因此，本发明的另一个目的是提供能够确保把恒定预热的进料进给到反应器中的方法和相关设备，由于非常好的传热性和传质性，反应器被限定为流化床反应器。
在典型的反应条件(例如在0巴与20巴之间的压力和/或在700℃与1500℃之间的温度)下，将固体在流化床中处理预定驻留时间，作为热处理。优选地，热处理是煅烧。
在预定(平均)驻留时间之后，固体颗粒通过排出导管从反应器中的流化床排出，排出导管布置成使得在运行期间位于已建立的流化床区域中。
此外，气体和固体颗粒混合物从流化床上方通常称为稀相区的位置排出。气体通常包含流化气体，此流化气体通常包含氧气。在大部分方法中，流化气体是空气。这种混合物中颗粒的直径通常小于流化床中颗粒的平均直径，因此它们在这些更大颗粒的上方输送。
为了将气体部分与固体部分分离，使气固混合物通过至少一个旋风分离器。这样，获得了固体部分(优选包含从反应器中排出气固混合物的固体颗粒的至少70wt％)，至少部分地在流化床反应器中。
该方法这一部分的本质思想是：把至少一部分新鲜固体颗粒进给到所述至少一个旋风分离器中。这样，新鲜固体颗粒与来自稀相区的气固混合物混合，并且与分离的固体一起进给回到反应器中。这样，可以仅用一个导管而不是两个导管(新鲜进料和再循环进料)来进给颗粒。因此，建立的流化床受到的扰动较小，从而运行条件更稳定。这可以实现其他工艺位置上调和下调，因此可以使用生物气作为能源。
此外，该方法设计更容易，因此降低了投资和运营成本。
优选的是将该方法用作连续方法。最优选的是反应器中的稳态。
在该构思的优选实施例中，至少两个旋风分离器串联布置，这确保了固体颗粒与气固混合物的更好分离。
使用多个串联连接的旋风分离器，优选的是将新鲜固体颗粒引入管线的最后一个旋风分离器(例如，第二旋风分离器)前面的悬浮预热器中。这样，新鲜固体的引入不会对分离步骤影响太大。
还优选的是，通过在旋风分离器中的一个中获得的气体部分来对新鲜固体颗粒进行预热。这样，颗粒与在至少一个旋风分离器中获得的气体部分直接或间接接触。这样，由于新鲜颗粒进入反应器时具有较高入口温度，所以可以提高工艺过程的能量效率。
这种预热最有效的是以逆流方式执行。
此外，可以预见的是，用于将新鲜固体颗粒直接进给到反应器中的第二进料。用于引入颗粒的这种第二位置在启动方法的情况下或对于稳定运行条件来说特别有用。
在优选实施例中，预热第二进料。
另一个问题是，由于生物质中的硫含量，使用生物质作为绿色能源将导致烟气中的高SO2和/或SO3含量。使用流化床反应器，这个问题特别重要，因为烟气流非常大，这是由于从反应器排出的气流包含烟气和流化气体。
因此，提供了如何克服反应器烟气中SO2和/或SO3问题的构思。
在具有流化床的反应器中对固体颗粒进行热处理的这种方法中，气固混合物从反应器中排出，优选从流化床上方的位置排出离开反应器。把这种气固混合物通入至少一个分离装置，以将气体部分与固体部分分离，固体部分包含气固混合物中所含固体颗粒的至少60wt％。
把所得到的含SO2和/或SO3的气体部分通入填料床中以吸收SO2和/或SO3，并排出吸收了SO2和/或吸收了SO3的溶液。
这样，可以将含硫残余物从气流中去除至低于法定限度的值。
然而，气流通常还含其他杂质，这就是为什么优选在至少一个进一步处理步骤中进行清洁的原因。优选地，至少一个处理步骤位于吸收步骤的下游。
在一个实施例中，所述至少一个进一步处理步骤是静电除尘器(ESP)。因此，可以将气流中的含尘量降至最小。
在本发明的另一个实施例中，气固混合物在旋风分离器中分离。这样，实现了良好的分离率。此外，可以将该旋风分离器用于向反应器中进料的进料系统。
还优选的是，气体部分在通入填料床之前进行后燃。因此，所含的H2S被氧化成SO2和/或SO3，再在填料床中吸收。这样，还可以去除初始生物气中存在的H2S。
优选的是，将该方法用作连续方法。最优选的是反应器中的稳态。
此外，构思还涵盖具有权利要求14所述特征的设备。特别地，可以在设备中操作具有权利要求1至13中任一项所述特征的方法。
这种设备包括反应器，在反应器中在运行条件下建立流化床。此外，该设备具有用于将至少一种矿物进给到反应器中的进料导管、用于将生物气作为燃料注入流化床反应器中的导管、用于从反应器中的流化床排出煅烧后矿物的导管、以及用于从流化床上方位置排出气体和固体颗粒混合物的导管。
因此，生物气可用于煅烧方法，而不会影响产品品质。
这种设备包括在运行条件下具有流化床的反应器。这种设备还包括两个导管、至少一个旋风分离器、和一个再循环管线。
第一导管能够从流化床排出颗粒，因为它定位成在正常操作期间位于流化床区域中。第二导管能够从流化床上方位置排出气体和固体颗粒混合物，并将混合物进给到至少一个旋风分离器中，气固混合物被引导通过旋风分离器以将气体部分与固体部分分离，固体部分包含气固混合物中所含固体颗粒的至少60wt％。经由再循环管线，来自旋风分离器的固体颗粒可以重新进给到反应器中，特别是在运行条件下建立了流化床的位置。
作为该构思的核心，预见的是，一导管将新鲜固体颗粒引入所述至少一个旋风分离器中。这样，可以减少通入反应器的导管的数量，这稳定了反应器条件。此外，降低了投资成本和运营成本。
优选地，用于固体颗粒热处理的设备包括在运行条件下具有流化床的反应器。此外，该设备具有用于将气体部分与固体部分分离的至少一个分离装置，其中，固体部分包含气固混合物中所含固体颗粒的至少60wt％。此外，设备具有填料床，其中，包含SO2和/或SO3的气体部分通过填料床以吸收SO2和/或SO3，并且一导管排出吸收了SO2和/或吸收了SO3的溶液。
因此，可以使用生物气作为绿色能源，但不会有与方法烟气中硫含量有关的任何问题。
从以下对方法的描述中还可看出本发明应用可能性的发展和优点。在附图中描述和/或示出的所有特征本身地或任意组合地构成本发明的主题，无论它们包括在权利要求中还是回引方式。
附图说明
在图中：
图1示出用于煅烧矿物的本发明原理。
具体实施方式
图1示出使用生物气作为燃料以及新式注入系统来煅烧矿物的方法。具有所需成分的气体经由导管11进入喷嘴炉排12，并使物料在反应器10中流化。在进入喷嘴炉排12之前，空气可以通过电预热系统13加热到所需温度。在各个位置处测量温度并记录数据。
经由喷枪13，将生物气作为燃料注入反应器10中。燃料在反应器中燃烧，从而对流化床10中的固体颗粒进行热处理。
气固混合物中反应器烟气夹带的固体通过导管31和旋风分离器20再循环到流化床10a。包含排出气固混合物中所含固体至少60wt％的分离固体部分经由导管26再循环到反应器10中。离开旋风分离器20的含尘气体经由导管22流过预热器23，预热器23可用于对经由导管24喂入的进料进行预干燥和预热。
随后，烟气经由导管25流过二级旋风分离器30，以进一步分离灰尘。进一步分离的部分经由导管38再循环到反应器10中。
烟气的最终除尘是通过将气体经由导管31流入烛式过滤器32而实现的，固体颗粒经由导管33从烛式过滤器32排出。如果需要的话，例如如果在烟气中有H2S或CO的话，则在进入用作SO2洗涤器40的填料床之前，气体旁通经过后燃室36或可在后燃室36中处理。在流过随后的湿式静电除尘器42并洗涤以除去洗涤液滴和SO3之后，气体经由烟囱45离开系统。反应器内的绝对压力接近大气压。
冷却螺杆50把物料经由导管51、52从反应器床连续排出，从而提供实际的煅烧产品。
经由导管60，可以将另外的新鲜固体添加到反应器10中。而且，蒸汽可以经由导管61和电预热系统62引入。
附图标记
10 反应器
10a 流化床
11 导管
12 喷嘴炉排
13 电预热系统
14 喷枪
20 旋风分离器
21、22 导管
23 预热器
24-26 导管
30 旋风分离器
31 导管
32 烛式过滤器
33、34 导管
35 鼓风机
36 后燃室
37 导管
40 填料床
41 导管
42 静电除尘器
43 导管
44 鼓风机
45 烟囱
46 导管
50 冷却螺杆
51、52 导管
61、61 导管
62 静电除尘器。
Claims (16)
1.一种用于煅烧矿物的方法，包括以下步骤：
i)将矿物进给到流化床反应器中，
ii)将生物气作为燃料注入流化床反应器中，
iii)燃烧生物气产生热量以煅烧矿物，
iv)从反应器中的流化床排出煅烧后矿物，以及
v)从流化床上方的位置排出气体和固体颗粒混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将矿物进给到流化床反应器中之前将矿物粒化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将粒化的固体干燥至含水量低于10wt％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，反应温度在800℃与1300℃之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，流化床是循环流化床。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，矿物包括高岭土、硅藻土和/或珍珠岩。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使气固混合物流过至少一个旋风分离器以将气体部分与固体部分分离，固体部分包含气固混合物中所含固体颗粒的至少60wt％，固体部分的至少一部分再循环到流化床反应器中，并且矿物的至少一部分进给到所述至少一个旋风分离器中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，两个旋风分离器串联布置，并且矿物经由悬浮预热器进给到第二旋风分离器中。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，通过在旋风分离器中的一个中获得的气体部分对矿物预热。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以逆流执行预热，和/或第二进料管线将矿物直接进给到反应器中。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对第二进料进行预热。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，气固混合物从反应器中离开通过至少一个分离装置，以将气体部分与固体部分分离，固体部分包含气固混合物中所含固体颗粒的至少60wt％，并且包含SO2和/或SO3的气体部分进入填料床以吸收SO2和/或SO3，从填料床中排出吸收了SO2和/或吸收了SO3的溶液。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，来自填料床的气流在进一步处理中进行清洁和/或在通过填料床之前使含固体气流通过后燃，以将H2S转化为SO2和/或SO3。
14.一种用于煅烧矿物的设备，包括反应器(10)，在反应器中在运行条件下建立流化床(10a)，该设备还包括将矿物进给到反应器(10)中的进料导管(26、38、60)、将生物气作为燃料注入反应器(10)中的注入装置(13)、从反应器(10)中的流化床(10a)排出煅烧后矿物的导管(51)、以及从流化床(10a)上方位置排出气体和固体颗粒混合物的导管(21)。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，至少一个旋风分离器(20、30)，引导气固混合物通过所述至少一个旋风分离器(20、30)以将气体部分与固体部分分离，固体部分包含气固混合物中所含固体颗粒的至少60wt％；再循环管线(26、38)，用于使来自旋风分离器(20、30)的固体颗粒再循环到反应器(10)中；以及进料导管(24)，用于把矿物进给到所述至少一个旋风分离器(20、30)中。
16.根据权利要求14或15所述的设备，用于固体颗粒的热处理，包括：反应器(10)，在运行条件下具有流化床(10a)；至少一个分离装置(20、30、32)，用于将气体部分与固体部分分离，固体部分包含气固混合物中所含固体颗粒的至少60wt％；填料床(40)，包含SO2和/或SO3的气体部分流过填料床以吸收SO2和/或SO3；以及用于从填料床(40)排出吸收了SO2和/或吸收了SO3的溶液的导管(46)。
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