CN1106131A

CN1106131A - 用循环流化床反应器燃烧液体和气体燃料

Info

Publication number: CN1106131A
Application number: CN94113724A
Authority: CN
Inventors: S·A·邦克; G·汤马西奇奥
Original assignee: Dorr Oliver Inc
Current assignee: Dorr Oliver Inc
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1995-08-02
Also published as: US5441406A; ZA946850B

Abstract

一种将燃气引入循环流化床反应器的密相区的较上部或过渡区的方法和系统。燃气在反应器的密相区之外的燃烧器内产生，其中燃烧器接收液体或气体燃料和空气的混合物以在燃烧器内引发和保持燃烧。然后燃气在进入反应器的密相区之前骤冷以降低燃气的温度，从而防止颗粒过热或烧结和反应器密相区中显著的氧化减少。

Description

本发明涉及循环流化床反应器，更特别地涉及将从液体和气体燃料产生的燃气引入此反应器。

流化床反应器为立式圆柱形容器，一般包括三个作用区：（a）风箱或底区，位于分割板之下，（b）流化床（鼓泡状态）或密相（CFB状态），紧邻分割板之上，和（c）超高区（鼓泡状态）或稀相（CFB状态），最上区域，在此固体与向上流动的气流脱离。

流化是通过向上的气流悬浮固体。用气体悬浮的固气混合物类似流体。流化床是包含在流化床反应器的中下部的悬浮状态的固气混合物。流化床侧面以反应器壁为边界，底部由分割板盛装。床的顶部看起来似无规则的飞溅、沸腾表面。有这种流化床的反应器在本领域中称为“鼓泡”流化床反应器。颗粒在其中循环的反应器称为循环流化床（CFB）反应器。上下区间的边界变得难以区别。CFB反应器中波动或“鼓泡”减少。典型的CFB反应器用于锅炉工业，其中固体燃料即媒、焦炭、木材、橡胶等在反应器中燃烧。

流化床反应器是极通用的设备，其以各种方式可进行化学、冶金和其它物料加工领域中用气体对固体进行干燥、筛分、焙烧、煅烧、热处理的方法，和用于驱动发电设备的热气（包括蒸汽）的产生。流化床反应器也已成功地应用于可燃烧废气如污泥和炼油废物的焚烧。

将液体、固体和气体燃料直接注入“鼓泡”流化床反应器在本领域所公知。由于“鼓泡”流化床反应器在相对低的速度下操作，所以大量的热释放（氧化）通常发生在流化床，而不是在超高区、旋风分离器或废气导管中。在超高区过量的热释放引起严重的操作问题，包括但不限于结垢、温度难以控制、能量需要增加、产品质量差和旋风分离器及废气导管过热。

CFB反应器在较高的速度下操作。固体燃料直接注入CFB反应器，导致热释放主要在低区（密相）。与“鼓泡”低流化床反应器相反，在上区（稀相）一些热释放（氧化）不会造成很大问题。但是，已发现将液体和气体燃料直接注入常规的CFB反应器会大大降低下区（密相）的热释放（氧化），从而引起上区（稀相）、旋风分离器及相连的废气导管过热。这种过热导致很多操作问题，包括但不限于结垢、温度难以控制、能量需要增加和产品质量差。由于这些操作问题，实践中一般不将液体和气体燃料直接注入高速CFB反应器。

已应用几种方法避免液体和气体燃料直接注入CFB反应器带来的问题。例如用富氧流化系统加强反应动力。但利用富氧流化系统需要使用制氧设备，从而增加了该系统的成本和复杂性。用直接或间接燃烧预热流化气体。但可通过预热流化气输入该系统的能量数量有限。

解决上述问题的另一尝试是通过直接点燃反应器的燃烧器加热CFB反应器。燃烧器可用液体或气体燃料操作。但直接燃烧引起烧结，其对于温度敏感进料颗粒是产品质量的损失。

考虑到现有技术中的问题和不足，因此本发明的一个目的是提供一种新的、改进的循环流化床反应器系统，其中将由液体或气体燃料产生的燃烧气体引入反应器的密相，不会导致密相中氧化的显著降低。

本发明的另一个目的是提供一种新的、改进的循环流化床反应器系统，其利用反应器之外的燃烧器充分地氧化液体或气体燃料以提供一氧化碳和未氧化碳氢化合物含量低的燃气。

本发明进一步的目的是提供一种新的、改进的循环流化床反应器系统，其不采用富氧流化系统。

本发明还进一步的目的是提供一种新的、改进的循环流化床反应器系统，其中将燃气在进入反应器的过渡或密相区之前骤冷，以防止进料颗粒烧结或过热。

本发明的再一个目的是提供一种新的、改进的循环流化床反应器系统，其中用于骤冷燃气的骤冷空气可用加工过的颗粒预热。

本发明的进一步的目的是提供一种新的、改进的循环流化床反应器系统，其可用合理的成本建造和操作。

上述目的和对于本领域技术人员来说是显然的其它目的在本发明中达到，一方面，本发明涉及一种提供燃气给循环流化床反应器的方法，包括如下步骤：提供由空气和燃料组成的混合物，引发和保持该混合物燃烧以产生燃气，骤冷该燃气以降低其温度，和使该骤冷的燃气进入循环流化床反应器的过渡或密相区。

另一方面，本发明涉及操作循环流化床反应器系统的方法，包括如下步骤：提供循环流化床反应器，提供流化气的原料至反应器的风箱，提供进料颗粒至流化床反应器的流化部分以形成在反应器的可渗透气体的分割板之上的颗粒的流化床，提供反应器外部的燃烧器，提供空气和燃料的混合物至燃烧器以在燃烧器内引发并保持燃烧从而产生燃气，使燃气骤冷以降低燃气的温度，然后使燃气进入反应器的过渡或密相区以实现从燃气至流化颗粒的热量传递，使传热产生的尾气的固体成分反回反应器的流化区，和使加工过的颗粒从反应器底部除去。

再一方面，本发明涉及一种循环流化床反应器系统，包括一循环流化床反应器和至少一个燃烧器，该燃烧器有第一入口用于接收空气和燃料引发和保持燃烧器内燃烧以产生燃气，燃烧器有第二入口用于接收骤冷空气以降低燃气的温度，燃烧器有一出口与反应器的过渡或密相区相连以允许骤冷过的燃气进入其中。

图1为本发明循环流化床反应器系统的侧视图。

图2为用于图1所示循环流化床反应器系统中的外部燃烧器的放大侧视图。

参见图1，本发明的循环流化床反应器系统1包括流化床反应器2，燃烧器24，导管30，旋风分离器32，导管40，阀42和导管46、48。流化床反应器2包括壳4，风箱6，可渗透气体的分割板10，密相或过渡相区12和稀相区14。将已减至预定颗粒尺寸的粒子20加至导管19的入口18中以形成基本上水平的分割板10之上的颗粒床。分割板10有许多孔或风口13以接收来自风箱6的流化空气从而使颗粒20保持在流化状态（风口是流化床底部的喷嘴或类似装置，用于分布该床整个横截面上的流化气）。用鼓风机（未示出）将流化空气送入风箱6的风箱入口8。风箱排放口53收集经风口落下的颗粒。在优选的实施方案中，颗粒20被支承在流化空气保持在流化状态。但其它含氧气体也可应用。颗粒20被支承在流化空气的上升柱上，以致颗粒具有液体的特性。加入该床的新颗粒经流化过程迅速而均匀地分布。颗粒20的床保持在恒定的搅拌和悬浮状态，以致从燃气（由外部的燃烧器24产生）至流化颗粒20的传热是瞬时和均匀的。

参见图1和2，燃烧器24包括燃烧器外壳25、燃料和燃烧空气入口26、骤冷空气入口28、导管29和燃烧室27。燃烧器24由支承构件52被反应器2支承。液体或气体燃料和空气的混合物加至入口26。混合物的燃料与空气的比率足够在燃烧室27内引发并保持燃烧。燃料/空气混合物中的燃烧空气为化学计算需要量的近120-180%，优选150%，以提供得到的燃气温度约为2200°F-2800°F。燃烧器24充分地氧化或燃烧燃料/空气混合物以提供一氧化碳和未氧化碳氢化合物含量低的燃气。将燃气引入过渡区或密相区12的较上部之前，通过供给骤冷空气使燃气骤冷，骤冷空气加至入口28并由导管29送入室27。骤冷空气的温度为约700°F至约1200°F。但在优选的实施方案中，骤冷空气的温度为约1000°F骤冷也可用温度近100°F的环境空气实现。骤冷空气使燃气的温度降至约1800°F。燃气温度的降低防止颗粒20过热或烧结，也防止过渡或密相区12内显著的氧化降低。骤冷空气可通过从出口22放出的处理过的颗粒间接或直接地预热。骤冷后，即将燃气加入过渡区或密相区12的较上部（图2中箭头51表示燃气流动路径）。在过渡区或密相区12的较上部中从燃气至流化颗粒的传热是均匀和瞬时的。引入过渡区或密相区的较上部导致能量输入该区，而不是稀相区14，从而防止区14及相连的辅助设备即导管30、旋风分离器32和导管34过热。

稀相区14接收由燃气至颗粒20的传热产生的低颗粒浓度的尾气。尾气由气体和夹带的固体成分组成。尾气通过出口16进入导管30，其与旋风分离器32的入口相连（箭头3表示尾气的流动路径）。旋风分离器32使气体与多数被夹带的固体分离，其中气体通过导管和旋流定向出口34排出，夹带的固体通过出口36排放。底流出口36通过伸缩接头50与导管40相连。通过旋风分离器32的底流出口36排出的夹带固体经导管40移至阀42（箭头5表示排出的夹带固体的流动路径）。阀42优选为Dorr-Oliver，Incorporated of Milford，Connecticut生产的FluoSeal^TM。FluoSeal是能容纳可流化固体或颗粒的U型管。流化气加入U型管底。该装置起压力密封的作用，从而允许可流化的固体用高于或低于环境压力的压力抽出或吸入容器。但是，非机械型阀如“J”或“L”阀也可应用。鼓风机（没表示）将空气或其它流化气供至阀42的入口44，以保持阀42内的固体流化。为实现阀42内经导管46、40而进入密相区12的固体颗粒的均匀分布，流化是必要的（箭头7和9表示流化颗粒的流动路径）。阀42始终保持一定量的固体组分，足以防止燃气以与箭头9和7所示的相反方向通过。伸缩接头50使阀42与导管46相连。

用于该系统中的燃烧器24的数量取决于所用循环流化床反应器的尺寸，和执行方法的类型，即煅烧，焙烧等。本发明的系统可用于完成各种方法，包括但不限于煅烧磷酸盐型岩或矾土、燃烧堆积在进料颗粒上的碳或其它有机物、产生化学反应，例如使碳酸钙转化成的氧化钙或二氧化碳、由预形成的氧化钙生产硫酸盐、由硫化物矿石生产二氧化硫和重整硫酸钙。本发明系统可用于完成其它类型的均相和非均相型反应。此外，本发明系统还可适用于“快速流化”CFB反应器上。

由此可见前面提出的目的（包括以上描述中所体现出的目的）能够有效地达到，由于在不违背本发明的精神和范围的情况下对上述结构可作一定变动，所以本发明的以上描述或附图所表示的应解释为说明而不是限制。

虽然本发明已经说明并描述了认为是最实际和优选的实施方案，但考虑到很多改变是可能的并包括在其范围内，因此附加的权利要求有资格至等价物的所有范围。

Claims

1、一种向循环流化床反应器提供燃气的方法，包括如下步骤：

(a)提供由空气和燃料组成的混合物；

(b)引发和保持所述混合物燃烧，以产生燃气；

(c)骤冷所述燃气以降低其温度；和

(d)将所述骤冷过的燃气引入循环流化床反应器的密相区的较上部。

2、权利要求1的方法，其中所述骤冷空气通过从反应器排出的处理过的颗粒预热。

3、权利要求1的方法，其中所述骤冷空气的温度为约700°F至约1200°F。

4、权利要求3的方法，其中所述混合物中空气是过量的，以提供约2200°F至约2800°F温度的燃气。

5、权利要求4的方法，其中所述骤冷空气使所述燃气的温度降低，以防止颗粒过热或烧结和所述反应器的密相区内显著的氧化下降。

6、权利要求5的方法，其中所述混合物被充分的氧化以使一氧化碳和未氧化的碳氢化合物的含量低。

7、权利要求6的方法，其中所述燃料是气体。

8、权利要求6的方法，其中所述燃料是液体。

9、一种操作循环流化床反应器系统的方法，包括如下步骤：

（a）提供循环流化床反应器;

（b）提供进料颗粒至所述流化床反应器的密相区，以形成颗粒的流化床;

（c）提供至少一个所述反应器之外的燃烧器;

（d）提供空气和燃料的混合物至所述燃料器，以在所述燃烧器内引发和保持燃烧，从而生产燃气;

（e）骤冷所述燃气以降低所述燃气的温度;

（f）然后将所述燃气引入所述反应器的密相区以实现从所述燃气至流化颗粒的热量传递;

（g）使步骤（f）中所述传热产生的尾气的固体成分反回至所述反应器的密相区;和

（h）从所述反应器的密相区排出加工过的颗粒。

10、权利要求9的方法，其中所述的反回步骤包括如下步骤：

（a）在所述反应器的稀相区，回收由所述传热产生的尾气;

（b）提供旋风分离器;

（c）将稀相区中回收的尾气引入所述旋风分离器的入口;

（d）使尾气的固体成分与尾气的气体成分分离，从而由所述旋风分离器的底流出口排放固体成分;

（e）使由所述旋风分离器的底流出口放出的固体成分流化;和

（f）然后将所述流化固体成分引入所述反应器的密相区，以使所述流化固体成分暴露于所述燃气中。

11、权利要求9的方法，其中所述骤冷空气的温度为约700°F至约1200°F。

12、权利要求11的方法，其中所述混合物中空气是过量的以提供温度约2200°F至2800°F的燃气。

13、权利要求12的方法，其中所述骤冷空气使所述燃气的温度降低以防止进料颗粒过热或烧结和所述反应器的密相区内显著的氧化下降。

14、权利要求13的方法，其中所述燃料是气体。

15、权利要求13的方法，其中所述燃料是液体。

16、一种循环流化床反应器系统，包括：

一循环流化床反应器;和

至少一个燃烧器，所述燃烧器有第一入口用于接收用于在所述燃烧器内引发和保持燃烧以生产燃气的空气和燃料，所述燃烧器有第二入口用于接收用于降低所述燃气温度的骤冷空气，所述燃烧器有一出口与所述反应器的密相区相连以允许所述骤冷过的燃气进入其中。

17、权利要求16的系统，其中所述骤冷空气的温度为约700°F至约1200°F。

18、权利要求17的系统，其中接收在所述燃烧器中以引发和保持燃烧的空气是过量的以提供温度约2200°F于2800°F的得到的燃气。

19、权利要求18的系统，其中所述骤冷空气使所述燃气的温度降低以防止所述颗粒过热或烧结和在所述反应器的所述密相区内显著的氧化减少。

20、权利要求19的系统，其中所述燃料是气体。

21、权利要求19的系统，其中所述燃料是液体。