CN1112960C - 在流态化的颗粒床层内进行反应的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在流入流态化气体的底部上方的流态化的颗粒层内进行反应的设备，所述颗粒床层位于一块底板的上方，流态化气体流经该底板进入反应器。在所述底板上方的设备器壁上设置一个或几个超音速喷嘴，通过喷嘴输入一种或几种反应物。本发明还涉及一种在流态化的颗粒床层内进行反应的方法，其中反应物被横向地超音速喷入所述流态化的颗粒床层内。

Description

在流态化的颗粒床层内进行反应的设备和方法

本发明涉及一种在流态化的颗粒床层内进行反应的设备和方法，其中反应物被喷入流态化的颗粒床层中。

在流态化的颗粒床层内进行反应是已知的，其中这些床在流化床反应器中可以是稳态床(stationary beds)，或者在循环流化床中是气体中悬浮颗粒的物流，在这种情况下，从反应器中排出的颗粒流与气流完全或部分分离，并循环到反应器的下部。流态化的颗粒不仅可以是如在焙烧、煤燃烧、氯化等过程中的反应物，也可以是催化剂，如在裂化、加氢反应等过程中，或者是惰性的。当在流态化的颗粒床层(FPB)中进行多个工业规模的反应、并且流化介质是气体时，流态化气体通过并进入反应器的气体分布器经常会出现问题，这是因为它们既要起化学的作用，又要起工程的作用。在使用大反应器的情况下，由于在大气体分布器板上很难均匀地分布气体，当停车时气体分布器板需要高的机械载荷容量，这样就产生了问题。最后，在侧向颗粒进料的情况下，颗粒的不适当径向混合导致了FPB内局部反应条件不同。

当向FPB中单独引入两股或多股气态或液态反应物时，在FPB中进行反应会发生特别的问题，这是因为，例如，在FPS外混合时形成爆炸性混合物。如果一种或多种这样的反应物通过反应器壁上的小孔进入时，产生了不同反应物在FPB中分布不均匀的问题。为了避免这一问题，使用了复杂的设备，不同的反应物经不单独的管线通过气体分布器板引入。

在氧化反应的情况下，如硫化物矿石的焙烧、废硫酸热分解、粘土烧结或污泥燃烧，在稳态或循环流化床反应器中使用氧气是已知的。通过使用空气作为流态化气体，固体颗粒被流化，也就是说它们保持悬浮状态，氧气与反应物同时输入以进行氧化反应。流态化的颗粒可以是反应物、惰性物质或催化剂。

此外，为了提高设备的容量且为了在放热反应如废硫酸的分解的情况下降低燃料的需要量，通过用氧气或富氧空气代替燃烧空气是已知的。如果燃料用燃烧器燃烧(DE 2 506 438)，这一方法是没有问题的。当反应在流化床反应器中进行时(DE 3 328 708)，富氧空气还会带来优点。然而，在这种情况下，氧气含量的极限范围相对小，一方面是因为流化空气的进料系统区域中物料的阻力，另一方面是因为气体分布器板中部由于氧气浓度高而使得温度升高。在机械强度和板的结垢方面会产生问题。

因此，本发明的目的是提供一种在流态化的颗粒床层内进行反应的设备和方法，通过使用这种流化床，可以避免上述问题，如FPB内分布不均匀、气体分布器板的化学和机械强度以及荷载容量、气体分布不均匀、颗粒的不适当径向混合、在FPB内反应条件不同等，通过这种流化床，能使操作更有效、更经济。

这一目的是通过本发明的反应器和本发明的方法实现的。

令人意外地发现，通过向FPB内以超音速横向喷入反应物，可基本上或完全解决上述问题。

本发明涉及一种反应器，该反应器具有一个气体分布器板，流态化气体通过气体分布器板引入处于气体分布器板上方的颗粒床层中，以产生流态化的颗粒床层，其特征在于，在气体分布器板上方的反应器壁上设置一个或多个超音速喷嘴。

所说反应器是这样的反应器，通过气体分布器板引入流态化气体，在板的上方形成流态化的颗粒床层，反应物通过横向超音速喷嘴径向地或与半径成一定角度地以超音速喷入该流态化的颗粒床层。

本发明中颗粒床层由气体分布板引入的空气或富氧空气所流态化，其中富氧空气含量优选最多30体积％。

超音速喷嘴是已知的，如拉阀尔(Laval)喷嘴，必要时，优选提供一个冷却夹套。

超音速喷嘴(拉阀尔喷嘴)在工业上具有广泛的应用，用于将气流从亚音速加速到超音速。

可以在反应器的周边安装一个或多个超音速喷嘴。

喷嘴可以设置在一个或多个平面上。

喷嘴与气体分布器板之间的距离优选至少为100mm，特别优选为250-600mm。

拉阀尔喷嘴优选以这样的方式安装：它们在反应器内壁处终止，或从反应内壁往内凹。

喷嘴与水平方向的倾角优选小于20°，特别优选为0°。

超音速喷嘴优选径向设置，或与半径成一定的角度。

拉阀尔喷嘴最窄处的横截面和出口横截面的尺寸取决于从喷嘴中排出的反应物的喷射量、马赫数，以及待提供的组分压力。

喷嘴按拉阀尔喷嘴的公式设计，这对本领域的技术人员来说是已知的。

本发明进一步涉及一种在流态化的颗粒床层内进行反应的方法，在该方法中使流态化气体通过气体分布器板，以产生流态化的颗粒床层，使一种或多种反应物横向进入流态化的颗粒床层，其特征在于，使反应物通过超音速喷嘴以超音速横向喷入。

反应物排出超音速喷嘴的速度优选至少为1马赫，特别优选至少为1.5马赫。特别优选速度小于3马赫。

喷射出来的反应物可以是气态的。如果反应物是液体或固体，它们可以借助载气喷入流态化的颗粒床层。不同反应物可以用不同的喷嘴喷射。

横向超音速喷入FPB的反应物优选为气体，如O₂、H₂、Cl₂、烃、蒸汽以及许多种其它气体。然而，液体如雾化在气流(载气)中的燃料油，或悬浮的固体，如悬浮在气流中煤粉，也可以通过横向超音速喷嘴喷入。

作为喷入的反应物，特别优选纯氧或富氧空气，以体积计，优选含有至少30％的O₂。

按照本发明，除氧气外，可以通过单独的喷嘴以超音速向流化床内横向喷入可燃反应物。

以超音速横向喷入氧气和，如果适当的话，可燃组分，提高了流态化的颗粒床层内的混合能量，从而改进了径向传热和传质。这样导致了均匀的箱形温度分布和均匀的质量分布，这导致均匀的产物质量。额外提供氧气可以在给定的气体分布器面积的情况下大大增加通过能力，或者当制造新流化床反应器时，可以大大减少气体分布器面积。

已述的、横向超音速喷射氧气和，如果合适的话，可燃反应物的方法可以有利地在流化床中用于所有的氧化工艺，例如，在硫化物矿物的氧化焙烧或煤的气化中，在废硫酸、盐、酸洗浴液和苛性浴液的热裂解中，在氧化铝的烧结中、在污泥或废物的焚烧中，在废铸造砂的循环中、在催化剂的再生中和在盐酸的裂解中。本发明方法不限于上面列出的方法，它们仅仅是作为实例提出。

本发明的方法和设备提供了许多优点，特别是，如果流态化气体和其它反应物在进入FPB之前并不接触，例如用于烧结过程那样。在这种情况下，空气用作流态化气体，燃料在FPB中燃烧。以前，该方法需要复杂的气体分布器板来分别引入空气和燃料，使之通过多个开孔和/或喷嘴。按照本发明，可以将燃料通过相对少的几个横向超音速喷嘴输入，通过横截面积小的简单气体分布器板引入流化空气，其中气体分布器板的操作温度低于现有技术中的分布器板的温度。在超音速下向FPB输入燃料可以使燃料、流化空气和流态化的颗粒产生良好径向混合。此外，对于给定的反应器来说，通过超音速注入氧气可以大大提高其容量。

在上述方法中，通过横向超音速注入燃料和，适合的话，注入氧气，得到了特别的优点，这些方法包括烧结，还有矿物的氧化性热处理，轧制铁鳞的或其它物质的脱油，污泥的焚烧或再利用，矿物的部分或完全还原，金属氯化物或金属硫酸盐的热裂解，硫化物矿氧化焙烧。

本发明的方法和反应器在制备钛、硅、锆和其它金属的氯化物方面提供了优点，其中的气体分布器板受到强烈的化学侵蚀。气体分布器板必须保持相对小。

本发明还能有利地用于流化床热处理炉，其中N₂或如天然气、甲醇或CO的渗碳剂可以通过拉阀尔喷嘴喷射。

本发明能有利影响的过程是裂解、加氢、催化剂再生，以及烧掉沉积碳和其它物质的特定过程。本发明反应器和方法能提供特殊优点的过程在下面以实施例的形式给出，但并不限于这些过程。

比较例1

气体分布器板(如开槽格栅型)区域直径为4m的流化床反应器用于金属硫酸盐的热裂解，金属硫酸盐是以滤饼形式生产的，含有68％的硫酸作为湿份。裂解在约1000℃下进行，黄铁矿和焦碳用作还原剂和燃料。

向反应器中输入12.5吨/小时的上述滤饼、2吨/小时的黄铁矿和2.45吨/小时的焦碳。通过格栅(气体分布器板)引入20000m³/小时空气。在格栅上方100mm处，测得的温度为980℃。在格栅上方1100mm处，温度为1060℃，在气体出口管中温度为1070℃。从反应器排出的气体中SO₂的含量为11.2体积％(以干气体计)。比较例2

气体分布器板(如开槽格栅型)区域直径为4m的流化床反应器用于金属硫酸盐的热裂解，金属硫酸盐是以滤饼形式生产的，含有68％的硫酸作为湿份。裂解在约1000℃下进行，黄铁矿和焦碳用作还原剂和燃料。

向反应器中输入20吨/小时的上述滤饼、3.3吨/小时的黄铁矿和3吨/小时的焦碳。通过格栅(气体分布器)引入18000m³/小时空气(标准状态)，和1900m³/小时的O₂(相应于流态化气体中O₂占28.1体积％)。输入空气/O₂混合物所需要的鼓风机的功率为142kW，格栅上游的入口压力为170毫巴。在格栅上方100mm处，测得的温度为995℃。在格栅上方1100mm处，温度为1060℃，在反应器的气体出口管中温度为1065℃。

固体反应产物(金属氧化物混合物+灰分)中，约85％以粉尘形式与反应气体一起排放，约15％以粗砂床料的形式从反应器底部排出。从反应器排出的反应气体含有约18.3体积％的SO₂(以干气体计)。比较例3

在比较例1和2中描述的反应器周边均匀地设置6个气体入口，通过它们在格栅上方350mm处引入氧气。经内径为24mm的耐热钢管引入氧气，这些钢管这样安装，以使它们在反应器耐火衬的内表面处终止。

按比较例1和2的方式输入滤饼、黄铁矿和焦碳，通过格栅输入的空气仅为18100m³/小时。通过6个气体入口管，均匀地引入1900m³/小时的O₂。入口压力为155毫巴时，鼓风机的功率消耗仅为124kW。格栅上方100mm处的温度仅为920℃。在格栅上方1100mm处的测点上显示的温度为940和1135℃。在气体出口管中的温度为1070℃。

在实验2小时后，在床料中发现达到拳头大小的粗烧结块。由于在后续实验过程中它们不断积累，在6小时后实验终止。拆掉气体入口管，则在入口端发生严重的结垢。实施例1

在反应器夹套的6个入口处安装本发明的拉阀尔喷嘴，以代替简单的气体入口管(如比较例3中所描述的)，喷嘴用冷却夹套包住，夹套中通入冷却水。喷嘴末端从反应器壁内凹20mm。

在入口压力为4.9巴(绝压)和反应器绝压为1巴下，通过拉阀尔喷嘴(最小直径为10.2mm)引入总量为1900m³/小时的O₂。排出氧气的计算速度为1.7马赫。空气流量和鼓风机的操作参数相当于比较例2中的，固体输入量相当于比较例1和2中的。格栅上方100mm处的温度为920℃。在格栅上方1100mm的所有测定点上，测定温度为1060和1065℃。在气体出口管中的温度为1065℃。

排出的床料为均匀砂状，不是烧结的团块。在操作8个月后检查格栅板，与在比较例1中的操作条件下和经相当的操作期间后的情况相比，结垢少得多。这样还确保了在整个操作期间流化空气的分布特别均匀。即使在非正常的分布条件下，金属硫酸盐也能与金属氧化物粉尘一起排放，所以这一点很重要。实施例2

向装有拉阀尔嘴的反应器(如实施例1中所描述的)中仅引入16000m³/小时的O₂，拉阀尔喷嘴上游(最小直径13.2mm)的O₂压力升高到绝压7.8巴，以至于引入的O₂的总量为4000m³/小时。从喷嘴排出的计算速度约为2马赫。在135毫巴的入口压力下鼓风机的功耗为112kW。向反应器中输入28吨/小时的滤饼、4.5吨/小时的黄铁矿和4吨/小时的焦碳。格栅上方100mm处的温度升高到940℃。其它温度与实施例1相同。

在床料中没有发现烧结现象。以粉尘形式排放的金属氧化物混合物是均匀的。反应气体中的SO₂含量为25.0体积％(以干气体计)，与实施例1相比高6.7％，这更利于进一步加工生产硫酸。与实施例1比较，裂解能力由20吨/小时上升到28吨/小时滤饼，升高40％。在3个月的操作期间后，拉阀尔喷嘴没有可见的磨损。实施例3

和实施例1一样，向反应器中输入18100m³/小时的流态化空气。与实施例2类似，以2马赫的排出速度通过拉阀尔鼓入4000m³/小时的O₂。滤饼的输入量提高到28.8吨/小时。此外还输入6.2吨/小时的黄铁矿和4.1吨/小时的焦碳。反应气体中的SO₂含量为23.6体积％(以干气体计)。

按本发明经拉阀尔输入O₂，与比较例1比较，滤饼的裂解能力提高了144％。

Claims (11)

1.一种在流态化的颗粒床层中进行氧化反应的方法，向流态化的颗粒床层中横向引入一种或多种反应物，其特征在于，引入到流态化的颗粒床层中的反应物是通过超音速喷嘴以超音速横向注入的，其特征还在于注入的反应物是氧或含氧气体。

2.权利要求1的方法，其特征在于，从超音速喷嘴排出的反应物的速度至少为1马赫。

3.权利要求1的方法，其特征在于，从超音速喷嘴排出的反应物的速度至少为1.5马赫。

4.权利要求1-3中任一项的方法，其中喷入的反应物是气态的。

5.权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，喷入的反应物是液态的或固态的，是通过载气喷入流态化的颗粒床层的。

6.权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，通过喷嘴喷入不同的反应物。

7.权利要求1的方法，其特征在于，所用的含氧气体是富氧空气，其中氧气的含量至少为30体积％。

8.权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，颗粒床层由经气体分布板引入的空气或富氧空气所流态化，富氧空气的氧气含量最多30体积％。

9.权利要求1-3中任一项的方法，其中燃料通过附加的超音速喷嘴以超音速引入流态化的颗粒床层。

10.一种具有气体分布器板的反应器用于氧化反应方法的用途，通过该分布器板流态化气体引入到位于该气体分布器板上方的颗粒床，以产生流态化的颗粒床，其中在气体分布器板上方的反应器壁上安装有一个或多个用于横向注入气态反应物或带有反应物的载气的超音速喷嘴。

11.权利要求10的用途，其中注射的气体是氧或含氧气体。