CN110452740B - 一种强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化工过程设备技术领域，涉及一种强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统，固体颗粒射流混合器与快速流化床反应器同径或异径，固体颗粒射流混合器上至少连接一组对置的射流进料管，其中一个射流进料管与循环固体载体进料器连通进循环固体载体，另一个射流进料管与固体含碳原料进料器进固体含碳原料，两股进料在流化介质的作用下进行快速碰撞、混合；固体颗粒射流混合器位于快速流化床反应器底部、顶部或中间的任意位置；旋风分离器分别与快速流化床反应器和换热装置连通；循环固体载体和固体含碳原料的高速射流碰撞，强化了固体含碳原料的破碎，加快其反应速率，两者之间的返混小，强化了固体含碳原料的定向转化，减少了二次反应。

Description

一种强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统
技术领域：
本发明属于化工过程设备技术领域，涉及一种强化循环固体载体与固体含碳原料双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统，适用于煤、煤焦、生物质和固体废弃物等固体含碳原料的热转化过程。
背景技术：
煤、煤焦、生物质和固体废弃物等固体含碳原料的转化过程中，往往会引入第二个固体组分(通称为循环固体载体)来提供热量、氧或者催化作用。例如，煤的固体热载体热解、固体热载体气化工艺中的固体热载体(包括陶瓷球、石英砂等)；煤化学链燃烧/气化(Chemical-Looping Combustion/Gasification)工艺中的载氧体(包括Fe、Ni、Cu、Mn、Co等过渡金属氧化物及其复合氧化物)或载碳体(包括CaO、MgO等)，其中固体热载体转化工艺是利用煤焦、生物质焦等含碳固体焦的燃烧加热固体热载体，然后利用固体热载体为含碳固体原料的快速热解及气化提供热量；化学链工艺是利用载氧体或载碳体将给定的化学反应分解为氧化/还原反应或者吸附/脱吸附反应，其中载氧体或载碳体可以进行在两种反应之间传递氧/二氧化碳和热量，固体热载体、载氧体或载碳体等循环固体载体的利用为煤、煤焦、生物质和固体废弃物等固体含碳原料的清洁、高效、分级转化提供了新思路。
无论固体热载体转化工艺还是化学链工艺，都涉及到循环固体载体颗粒与固体含碳原料颗粒等双组分固体颗粒的混合，双组分固体颗粒的混合效果直接影响循环固体载体的传热、传质效率以及固体含碳原料的转化效率及产品质量。然而，由于循环固体载体与固体含碳原料的粒径、密度、黏度等性质差别较大，双组分固体颗粒的混合效果较差，流态化的双组分固体颗粒更容易发生分离，影响了双组分固体颗粒的接触效果。因此，固-固颗粒混合的强化对以上工艺的实施具有重要意义。
文献中“J.Adánez et.al,Progress in Energy and Combustion Science,65(2018),6-66”公开的化学链工艺往往是循环固体载体在串行循环流化床等反应装置内反应-再生，固体含碳原料由流化床反应器的底部或顶部等位置加入，在流化床反应器内通常会产生固体含碳原料和循环固体载体颗粒混合不均匀，甚至上下分层的现象，如此，大大降低了两种固体颗粒的混合及相互作用。因此，迫切需要设计一种新型的强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，为固体含碳原料的转化设计提供一种强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统。
为了达到上述目的，本发明所述快速反应系统包括循环固体载体进料器、固体含碳原料进料器、射流进料管、固体颗粒射流混合器、快速流化床反应器、旋风分离器和换热装置；固体颗粒射流混合器与快速流化床反应器同径或异径，固体颗粒射流混合器上至少连接一组对置的射流进料管，其中一个射流进料管与循环固体载体进料器连通进循环固体载体，另一个射流进料管与固体含碳原料进料器进固体含碳原料，两股进料在流化介质的作用下进行快速碰撞、混合；固体颗粒射流混合器位于快速流化床反应器底部、顶部或中间的任意位置；射流进料管的直径为固体颗粒射流混合器直径的0.1-1倍，射流进料管与固体颗粒射流混合器轴向方向成30-120°的角度，射流进料管的进料表观气速为0.1-10m/s，旋风分离器分别与快速流化床反应器和换热装置连通。
本发明所述循环固体载体进料器、固体含碳原料进料器的物料流量控制方式包括螺旋输送机、气体流动阀或机械阀门。
本发明所述快速流化床反应器为气固向上顺流的提升管反应器或气固向下顺流的下行床反应器，或者两种反应器结构的组合。
本发明所述旋风分离器为一级或多级，能够分离气固或气液。
本发明所述循环固体载体包括煤焦、煤渣、陶瓷球、石英砂等固体热载体；Fe、Ni、Cu、Mn、Co等过渡金属氧化物及其复合氧化物等载氧体以及CaO、MgO等载碳体，其高温为500～1050℃。
本发明所述固体含碳原料包括煤、煤焦、植物秸秆、木材等陆生生物质、微藻等海洋生物以及餐厨垃圾、城市垃圾、工业废弃物等固体含碳废弃物。
本发明所述流化介质包括N2、CO2、水蒸气以及固体含碳原料的热解气或气化气。
本发明使用时，利用循环固体载体进料器和固体含碳原料进料器，分别将高温的循环固体载体和低温的固体含碳原料进入射流进料管，在射流进料管内分别被预热后的流化介质带入固体颗粒射流混合器进行强烈混合和反应，双组分固体颗粒进入快速流化床反应器内继续进行化学反应，完成固体含碳原料的热解、气化或燃烧，反应产物向上或向下在旋风分离器的作用，分离得到气体产物、固体含碳原料灰和循环固体载体，气体产物通过换热装置急冷分离得到液体产物。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是采用对置射流进料管，强化了循环固体载体和固体含碳原料之间的混合和传质传热；二是循环固体载体和固体含碳原料的高速射流碰撞，强化了固体含碳原料的破碎，加快其反应速率；三是快速反应器内循环固体载体和固体含碳原料之间的返混小，强化了固体含碳原料的定向转化，减少了二次反应。
附图说明：
图1是本发明实施例1所述快速流化反应系统的主体结构原理示意图，其中1为一级旋风分离器；2为提升管反应器；3为固体颗粒射流混合器；4为循环固体载体进料器；5为射流进料管I；6为二级旋风分离器；7为换热装置；8为固体含碳原料进料器；9为射流进料管II。
图2是本发明实施例2所述快速流化反应系统的主体结构原理示意图，其中10为循环固体载体进料器；11为射流进料管I；12为固体颗粒射流混合器；13为下行床反应器；14为二级旋风分离器；15为换热装置；16为固体含碳原料进料器；17为射流进料管II；18为一级旋风分离器。
图3是本发明实施例3所述的快速流化反应系统的主体结构原理示意图，其中19为提升管反应器；20为循环固体载体进料器；21为射流进料管I；22为固体颗粒射流混合器；23为下行床反应器；24为旋风分离器I；25为换热装置I；26为旋风分离器II；27为换热装置II；28为固体含碳原料进料器；29为射流进料管II。
图4为本发明实施例2中所述昭通褐煤催化热解气、液、固三相产物组成图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1：
本实施例所述快速流化反应系统的快速流化床反应器为气固向上顺流的提升管反应器，主体结构包括一级旋风分离器1、提升管反应器2、固体颗粒射流混合器3、循环固体载体进料器4、射流进料管I 5、二级旋风分离器6、换热装置7、固体含碳原料进料器8和射流进料管II 9，固体颗粒射流混合器3与提升管反应器2同径，固体颗粒射流混合器的左右两侧对称连接射流进料管I 5和射流进料管II 9，其中射流进料管I 5与循环固体载体进料器4连通进循环固体载体，射流进料管II 9与固体含碳原料进料器8进固体含碳原料，两股进料在流化介质的作用下进行快速碰撞、混合；固体颗粒射流混合器3位于提升管反应器2的底部；提升管反应器2的顶部连接一级旋风分离器1，二级旋风分离器6分别与一级旋风分离器1和换热装置7连通。
本实施例以煤、生物质、废弃活性炭等固体含碳原料的化学链燃烧为例，利用循环固体载体进料器4和固体含碳原料进料器8，分别将850～1000℃的循环固体载体(本实施例采用载氧体)和室温的固体含碳原料输入水平对置的射流进料管I 5和射流进料管II 9，通过机械阀门控制载氧体-固体含碳原料质量比为30:1，射流进料管I 5和射流进料管II 9内的固体物料被预热后的水蒸气气化剂同时带入固体颗粒射流混合器3进行强烈混合和反应，水蒸气气化剂的气速为4～6m/s，固体颗粒射流混合器3进行的主要反应包括固体含碳原料热解反应、水蒸气气化反应、合成气与载氧体之间的反应，混合后的固体含碳原料中未反应完全的碳与载氧体被水蒸气气化剂带入提升管反应器2内，继续完成固体含碳原料的热解、气化反应，以及载氧体与生成合成气、水蒸气之间的反应；反应产物向上进入一级旋风分离器1，由于载氧体与固体含碳原料灰的粒径和密度不同，首先分离出载氧体，然后气体产物和固体含碳原料灰进入二级旋风分离器6，上下出口分别得到气体产物和固体含碳原料灰，通过换热装置7实现热量的回收利用。
本实施例所述循环固体载体采用Fe4Al6载氧体(Fe2O3与Al2O3的质量比为4:6)，固体含碳原料采用废弃活性炭(工业分析和元素分析见表1)，水蒸气作为气化剂和流化介质，反应温度为900℃，在该优化条件下，其碳转化率大于95％以上。
表1：废弃活性炭的工业分析和元素分析(空气干燥基)
Figure GDA0002222875420000041
Figure GDA0002222875420000051
实施例2：
本实施例所述快速流化反应系统的快速流化床反应器为气固向下顺流的下行床反应器，主体结构包括循环固体载体进料器10、射流进料管I11、固体颗粒射流混合器12、下行床反应器13、二级旋风分离器14、换热装置15、固体含碳原料进料器16、射流进料管II 17和一级旋风分离器18；固体颗粒射流混合器12与下行床反应器13同径，固体颗粒射流混合器的左右两侧对称连接射流进料管I11和射流进料管II 17，其中射流进料管I11与循环固体载体进料器10连通进循环固体载体，射流进料管II 17与固体含碳原料进料器16进固体含碳原料，两股进料在流化介质的作用下进行快速碰撞、混合；固体颗粒射流混合器12位于下行床反应器13的顶部；下行床反应器13的底部连接一级旋风分离器18，二级旋风分离器14分别与一级旋风分离器18和换热装置15连通。
本实施例以低阶煤、生物质等固体含碳原料的催化热解为例，利用循环固体载体进料器10和固体含碳原料进料器16，分别将550～750℃的循环固体载体(本实施例采用固体热载体)和室温的固体含碳原料输入水平对置的射流进料管I11和射流进料管II 17，通过机械阀门控制固体热载体-固体含碳原料质量比为1:1，双固体物料在射流进料管内被预热后的CO2或N2等流化介质同时带入固体颗粒射流混合器12进行强烈混合和初步反应，流化介质的气速为2～6m/s，固体颗粒射流混合器内13进行的主要反应为固体含碳原料催化热解反应，混合后的固体含碳原料中未反应完全的碳与固体热载体被流化介质向下快速带入下行床反应器13内，继续进行催化热解；反应产物向下进入一级旋风分离器18，先分离出固体热载体与固体含碳原料热解焦后气体产物和液体产物进入二级旋风分离器14，通过换热装置15的急冷作用，使二级旋风分离器14的上下出口分别得到气体产物和液体燃料。
本实施例所述循环固体载体采用HZSM-5固体载热体，固体含碳原料采用昭通褐煤(工业分析和元素分析见表2)，CO2作流化介质，反应温度为450～650℃，昭通褐煤催化热解气、液、固三相产物组成见图4。
表2：昭通褐煤的工业分析和元素分析(空气干燥基)
Figure GDA0002222875420000061
实施例3：
本实施例所述快速流化反应系统的快速流化床反应器为气固向上顺流的提升管反应器和气固向下顺流的下行床反应器相结合的结构，主体结构包括提升管反应器19、循环固体载体进料器20、射流进料管I 21、固体颗粒射流混合器22、下行床反应器23、旋风分离器I 24、换热装置I 25、旋风分离器II 26、换热装置II 27、固体含碳原料进料器28和射流进料管II 29；提升管反应器19、固体颗粒射流混合器22与下行床反应器23同径，固体颗粒射流混合器22的左右两侧对称连接射流进料管I 21和射流进料管II 29，其中射流进料管I 21与循环固体载体进料器20连通进循环固体载体，射流进料管II 29与固体含碳原料进料器28进固体含碳原料，两股进料在流化介质的作用下进行快速碰撞、混合；固体颗粒射流混合器12位于提升管反应器19和下行床反应器23中间；提升管反应器19的顶部连接旋风分离器II 26，旋风分离器II 26与换热装置II 27连通，下行床反应器23的底部连接旋风分离器I 24，旋风分离器I 24与换热装置I 25连通。
本实施例以煤、生物质等固体含碳原料的化学链气化为例，利用循环固体载体进料器20和固体含碳原料进料器28，分别将700～850℃的循环固体载体(本实施例采用载碳体)和室温的固体含碳原料输入水平对置的射流进料管I 21和射流进料管II 29，通过机械阀门控制循环固体载体-固体含碳原料质量比20:1，双固体物料在射流进料管内被预热后的水蒸气气化剂介质同时带入固体颗粒射流混合器22进行强烈混合和初步反应，流化介质的气速为2～6m/s，流化介质的气速为2～6m/s，主要反应包括固体含碳原料热解反应、水蒸气气化反应、CO2与载碳体之间的反应，混合后的固体含碳原料中未反应完全的碳与载碳体被水蒸气气化剂带入提升管反应器19内，继续完成固体含碳原料的热解、气化反应，反应产物向上进入旋风分离器II 26，分离富氢合成气与固体含碳原料灰；粒径和密度较大的载碳体与其上团聚的焦炭进入下行床反应器23，在下行床反应器23底部通入氧气，使载碳体发生煅烧反应，反应产物进入旋风分离器I 24，旋风分离器I 24的上下出口分别得到高纯度CO2和载碳体，旋风分离器II 26的上下出口分别得到气体产物和固体含碳原料灰，通过换热装置I 25与换热装置II 27实现热量的回收利用。
本实施例所述载碳体采用CaO，固体含碳原料采用微拟球藻(工业分析和元素分析见表3)，水蒸气作为气化剂和流化介质，反应温度为800℃，在优化条件下，该实例的碳转化率大于95％以上，合成气组成大于70％，H2占合成气的比例大于80％，CO2纯度大于95％。
表3：微拟球藻的工业分析和元素分析(空气干燥基)
Figure GDA0002222875420000071

Claims (5)

1.一种强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统，其特征在于包括循环固体载体进料器、固体含碳原料进料器、射流进料管、固体颗粒射流混合器、快速流化床反应器、旋风分离器和换热装置；固体颗粒射流混合器与快速流化床反应器同径或异径，固体颗粒射流混合器上至少连接一组对置的射流进料管，其中一个射流进料管与循环固体载体进料器连通进循环固体载体，另一个射流进料管与固体含碳原料进料器连通进固体含碳原料，两股进料在流化介质的作用下进行快速碰撞、混合；固体颗粒射流混合器位于快速流化床反应器底部、顶部或中间的任意位置；射流进料管的直径为固体颗粒射流混合器直径的0.1-1倍，射流进料管与固体颗粒射流混合器轴向方向成30-120°的角度，射流进料管的进料表观气速为0.1-10m/s，旋风分离器分别与快速流化床反应器和换热装置连通；快速流化床反应器为气固向上顺流的提升管反应器或气固向下顺流的下行床反应器，或者两种反应器结构的组合；流化介质包括N2、CO2、水蒸气以及固体含碳原料的热解气或气化气；
该系统使用时，利用循环固体载体进料器和固体含碳原料进料器，分别将循环固体载体和固体含碳原料进入射流进料管，在射流进料管内分别被预热后的流化介质带入固体颗粒射流混合器进行强烈混合和反应，双组分固体颗粒进入快速流化床反应器内继续进行化学反应，完成固体含碳原料的热解、气化或燃烧，反应产物向上或向下在旋风分离器的作用，分离得到气体产物、固体含碳原料灰和循环固体载体，气体产物通过换热装置急冷分离得到液体产物。
2.根据权利要求1所述强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统，其特征在于所述循环固体载体进料器、固体含碳原料进料器的物料流量控制方式包括螺旋输送机、气体流动阀或机械阀门。
3.根据权利要求1所述强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统，其特征在于所述旋风分离器为一级或多级，能够分离气固或气液。
4.根据权利要求1所述强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统，其特征在于所述循环固体载体包括煤焦、煤渣、陶瓷球、石英砂；Fe、Ni、Cu、Mn、Co过渡金属氧化物及其复合氧化物以及CaO、MgO载碳体，循环固体载体的温度为500～1050℃。
5.根据权利要求1所述强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统，其特征在于所述固体含碳原料包括煤、煤焦、植物秸秆、木材、微藻、餐厨垃圾、城市垃圾、工业废弃物。
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