CN115485059A - 用于碳质材料的转化的反应器和方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳质材料的转化方法。该方法包括以下步骤：提供碳质材料，提供热的粉末材料，以及在配置为仅部分地将碳氧化成CO2的气氛中使碳质材料和粉末材料接触。碳质材料至少部分转化成挥发物。挥发物通过比重与附加组分分离。

Description

用于碳质材料的转化的反应器和方法
技术领域
本发明涉及在还原条件下将碳质燃料比如替代燃料转化成挥发物和转化材料并基本分离挥发物的方法。本发明还涉及适于实施该方法的反应器。
背景技术
众所周知，水泥生产是CO2等气体的大型排放源。为了使生产更可持续，希望利用替代燃料为水泥制造操作提供热能。以前，这是通过将替代燃料直接注入煅烧炉来实现的。然而，这种燃料的干燥和随后的脱挥发所需的时间将取决于燃料的含水量、燃料颗粒的大小和形状以及燃料的化学成分，所有这些对于替代燃料来说变化很大。由于有限的颗粒停留时间，替代燃料的停留时间不足通常会导致替代燃料在煅烧炉中的不完全燃烧，并影响煅烧炉的温度分布。因此，在大多数情况下，煅烧炉从替代燃料中获得的热能的量是有限的。
水泥是在高温下制造的，因此水泥制造设施可能是利用替代燃料的理想设施，因为已经用于加热水泥生料的一些能量可以用于转化低级替代燃料或以安全的方式燃烧危险废物。水泥生料由形成难以流化的粉末的细颗粒构成。其中一个主要原因是显著的颗粒间内聚力增强了颗粒团聚。在1973年，D.Geldart开发了一种粉末分类系统，该系统根据粉末的流化特性对粉末进行分类。[Geldart,D.,Powder Technol.,7,(1973),285]。Geldart分类系统中的一种类型是C型材料，或Geldart C材料，其特征是不适合流化。水泥生料包含大量的这种Geldart C颗粒，并表现出类似Geldart C材料的流化行为。因此，当试图流化这种材料时，会出现裂缝和沟流，导致流化不良和不稳定。
Geldart C材料通常小于30微米，被认为是粘性的。这么小的颗粒往往表现得更像颗粒群，而不是单个独立的颗粒。
粗颗粒和细颗粒混合物的流化行为由宽成分范围内的细颗粒级分的流化行为来定义。因此，细颗粒水泥生料和较粗焦炭颗粒的混合物将通常表现出类似于水泥生料的流化行为，并且只有当粗颗粒级分占优势时，粗颗粒的流化特性将决定流化行为。
在EP3405728中，通过使替代燃料在U形环封反应器中进行初始热解来使用这种燃料，在该反应器中，气体脉冲流化颗粒以促进固体通过反应器的运动。在操作过程中，替代燃料和热水泥粉在还原气氛中混合会产生大量气体。为了获得稳定操作，适当的规模对于这种解决方案至关重要，这种解决方案可能会导致占地面积大和高CAPEX。在稳定操作期间，脉冲空气形成密相床，反应器内的固体流动是活塞流模式。重要的是，燃料和热水泥粉在到达密相床之前适当混合，否则会导致热点或冷点的形成，而这会导致低转化率或高温腐蚀的风险。
替代燃料通常由比水泥粉大得多的固体颗粒构成。密度大于粉床的颗粒可能因此从粉床中沉淀出来。这可以包括碳质材料和非碳质颗粒，比如石头和金属。除了比被引入的水泥粉大的颗粒之外，颗粒也可以在床中聚集或聚结以形成更大的颗粒、团块或堆积物。如果床中有未被有效充气的区域，如果床中的材料有固结的趋势，它们特别容易形成堆积物。高温下水泥窑中的挥发性物质或部分熔化的碳质材料促进了这一过程。沉淀可能会干扰有效的通气，并且随着时间的推移，可能会堵塞通气水泥粉流经的大部分管道。
因此，具有一种新的反应器和方法将是有利的，其中可以有效地利用替代燃料，其可以提供适当的通气，并且可以降低形成可能影响操作的积聚和沉淀的风险。
发明内容
在这种背景下，因此本发明的目的是提供一种方法，通过该方法可以减轻现有技术的一些缺点。在本发明的第一方面，这些和进一步的目的通过一种用于碳质材料的转化的方法来实现，该方法包括以下步骤：
提供具有转化温度的碳质材料；
提供温度高于碳质材料的转化温度的粉末材料；
使碳质材料和粉末材料在配置为仅部分地将碳氧化成CO2的气氛中接触，以获得将碳质材料至少部分地转化成转化材料和挥发性产物；
通过在基本向上方向上引导包含挥发性产物的气体流进行比重分离，以提供基本包含挥发性产物的级分和基本包含附加组分的第二级分，其中碳质材料和粉末材料之间的接触以至少两种不同的流动方式发生。
该方法提供了碳质材料向转化材料和挥发性产物的有效转化，所述转化材料和挥发性产物被分离并因此可被单独进一步处理。挥发物可以例如用作燃料。使用固体材料作为转化过程的能量载体的好处之一是产物流中存在的气体较少并且通常是惰性的。此外，粉末材料的散热有助于稳定温度，从而提供一种对由于吸热反应引起的温度下降以及由于例如碳质材料的部分氧化引起的温度升高有弹性的方法。
当碳质材料和粉末材料接触时，挥发性产物将随着碳质材料的转化而形成。因为挥发性产物在过程条件下是气体形式，并且比固体材料具有更大的体积，所以挥发性产物的形成提供了基本向上的气体流。如果气体流的速度高于固体的夹带速度，则气体流可以在基本向上方向上携带颗粒。
应当通过调节例如粉末材料的入口温度、粉末材料的量和/或碳质材料和粉末材料之间的接触时间来控制挥发物的产生，使得碳质材料、粉末材料和/或转化材料以至少两种不同的流动方式接触。优选地，流动方式是下密相和包含更多挥发物的上稀相。上稀相通过挥发物的形成和向上流动而形成，这提供了碳质材料和粉末材料的向上流动。包含挥发物和碳质材料和粉末材料的气体继续向上流动，直到气体被分离成第一级分，之后碳质材料和粉末材料由于重力向下流动。
双流动方式在碳质材料和粉末材料之间提供了更好的混合和接触，并提供了更稳定的转化条件以避免热点和冷点的形成。
粉末材料是指当经受脉冲充气时表现得像粉末一样的材料，而与颗粒尺寸分布无关，并且包含浓度不超过这种表现的其他固体成分。作为示例，这可以是水泥粉。
附加组分可包括粉末材料、转化材料和可选的未转化或部分转化的碳质材料。
碳质材料是一种包含碳的材料，其具有储存在碳中的能量，使得碳质材料可以用作燃料。碳质材料可以优选为固体或流体形式的替代燃料和废物、生物质燃料或其混合物。
配置为仅部分地将碳氧化成CO2的气氛包含有限量的氧，即氧的量少于完全氧化所提供的碳质材料所需的氧量。因此，气氛可以配置为仅部分氧化碳。优选地，气氛可以是包含还原气体的还原气氛。气氛甚至可以基本不含氧，从而基本不氧化碳。
碳质材料的至少部分转化是指至少一部分碳质材料被转化。优选地，加入的粉末材料的量和温度使得基本所有的碳质材料在与粉末材料接触后转化。
挥发物是在过程条件下处于气态的产物，比如H2,CO,CO2,CH4,H2O，更一般地写为CxHyOzNvSwClu(其中，x、y、z、v、w、u可以具有不同的值)或其混合物。
碳质材料的转化是在高温下的过程，其中材料改变其化学构成和/或材料经历相变。碳质材料以及中间物质的转化可包括热解、气化、裂化、部分氧化或其组合。涉及碳质材料的反应的转化率以及产物选择性可以通过共进料选择性共试剂或其前体来控制，例如气态、液态、溶解态或固态的H2O、碱性或酸性共试剂。此外，在给定的过程环境中，可以通过共添加具有催化性能的固体来操纵反应。催化活性的共添加固体可以直接作用于碳质材料或选定的中间产物。
例如，可以加入含镍的催化剂来增强合成气CO+H2的形成。
转化温度是指碳质材料开始进行这种转化的温度。
包含挥发性产物的气体流可以是由碳质材料转化形成的气体，可选包含额外添加的气体。
措辞“基本包含挥发性产物的第一级分”是指至少50w/w％的碳质材料、粉末材料和转化材料已从挥发物中分离。优选超过75w/w％或甚至90w/w％已被分离。措辞“基本包含附加组分的第二级分”是指在转化过程中产生的最大30V/V％的挥发物存在于第二级分中。优选地，转化过程中产生的最大20V/V％的挥发物或更优选最大10V/V％的挥发物存在于第二级分中。
提到的所有方向都是相对于地球的重力方向而言的。
在本发明的优选实施例中，气体流在基本向上方向上的速度降低到低于附加组分的夹带速度的速度。
通过将速度降低到夹带速度以下，可以形成固体向下下落的喷动区，从而提供包含较少固体物质的气体，并形成第三流动方式，即位于稀释区上方的所谓沉降区。沉降区比喷动区/稀释区包含更少的固体，并且基本包含挥发性产物。随着速度向夹带速度降低，气体流携带的固体逐渐减少，因此变得更加稀释。当气体流速度变得低于夹带速度时，固体不再被气体流携带。这样，包含挥发性产物的气体流变得基本不含固体，并且可以从该方法获得更纯的包含挥发性物质的气体。
气体流的速度取决于转化过程中挥发物的发展。如果实现了高转化率，或者获得了许多挥发物，速度通常很高。如果转化率低和/或获得的挥发物少，速度可能接近或甚至低于附加组分的夹带速度。在这种情况下，有必要提供气体流或气体前体来增加气体体积，从而将气体速度提高到高于固体的夹带速度。因此可以说，气体流将不得不降低或低于附加组分的夹带速度。
夹带速度取决于颗粒的大小、密度、形状和重量。它也可被称为拾取速度或最小传输速度，因为它是气体拾取特定颗粒的速度。降低气体流速度的特定方式是通过增加气体的流动面积，即从第一流动面积到第二较大流动面积增加气体的流动面积。
在优选实施例中，方法包括流化碳质材料和加热的粉末材料的附加步骤。
碳质材料和加热的粉末材料的流化提供了更好的材料混合，因为颗粒处于动态的流体状状态。颗粒的流化可以通过提供流化流体(例如气体，比如蒸汽、氮气或空气)的基本向上的流动来实现。流化效果也可以通过引入前体来实现，该前体在与过程环境或预调节单元接触时转化为流化流体。
可以说，向碳质材料和加热的粉末材料中加入流化气体或前体可以从任何方向加入。加入后，流化气体将由于其低密度而向上流动。
在本发明的优选实施例中，碳质材料和加热的粉末材料的流化通过提供流体脉冲来实现，优选地在基本向上的方向上。
通过流体脉冲来流化颗粒所需的流体(例如空气)的量远低于通过连续流体流动所需的量。这提供了更有效的流化，更少的流化流体加入到反应器中，更少的流体输送，以及之后更少的流体用于除尘和/或清洁。
此外，在一些情况下，可能优选以基本恒定流和脉冲流的组合引入流化流体，其中不同类型的流化流的构成可能相似或不同。另一优选解决方案是具有富含化合物的恒定流动流化流，该化合物在进入该过程之前与流化流体接触时具有足够的蒸汽压。这可以例如通过使诸如空气的气体流鼓泡通过液体来实现，并因此被对应于蒸汽压的液体蒸汽饱和。
在本发明的优选实施例中，该方法包括提供反应物气体并使反应物气体与加热的粉碎材料和碳质材料的混合物接触的附加步骤。
反应物气体可以与碳质材料和/或加热的粉碎材料一起加入，从而用于将材料输送到反应器中。可替代地，反应物气体可以直接添加到配置为仅部分地将碳氧化成CO2的气氛中。反应物也可以固体、液体或溶解状态加入，然后在过程条件下蒸发。此外，反应物可以前体的形式加入，其在过程环境中转化为反应物。
反应物气体可以是含氧的气体，例如空气、纯氧和/或CO2。
通过将反应物气体提供到配置为仅部分地将碳氧化成CO2的气氛中，可以在燃烧之前在没有或几乎没有氧气含量的气氛中热解或甚至气化碳质材料，这仅发生在加入反应物气体之后。这提供了氧化和非氧化碳材料的量可以为了特定目的而平衡的效果。例如，可以加入H2O来增强气化或调节产品的构成。可以添加O2来增强放热反应，例如焦炭氧化。因此，O2的添加可有助于平衡碳材料通过吸热热解反应和放热反应的转化，而不会对产物产率和构成产生不良影响，即改善能量平衡。
在本发明的优选实施例中，粉末材料和碳质材料在配置为仅部分地氧化碳的气氛中以夹带流接触和运输。优选地，夹带流沿基本向下方向。如果颗粒被流化，流化流体优选以从基本与夹带流相反的方向的逆流提供。
夹带流提供了碳质材料和粉末材料之间的受控接触时间。夹带流提供了碳质材料和粉末材料的更好混合，因为夹带流与包含挥发物的气体流方向相反。这改善了气体、粉末和碳质材料之间的热传递，从而提高了碳质材料的转化率。
流化流体可以是反应物气体。这种配置使得碳质材料在夹带流输送过程中至少部分转化，并且此后由于反应物气体的进入而至少部分燃烧。
在本发明的优选实施例中，碳质材料和粉末材料以1:20至1:2的质量比率提供，例如1:5。
该比率为固体复合床作为可控制的粉末材料的响应提供了良好的基础。该比率提供了粉末和碳质材料之间的良好接触，并确保如果碳质材料变粘(发粘),它会被粉末材料包覆。如果碳质材料含有较大块的碳质材料，例如较大块的塑料或轮胎，在加热时会形成粘性中间体，这一点尤其重要。此外，该比率确保粉末材料的散热能力可以稳定过程温度，防止低温和高温偏移。
在本发明的优选实施例中，在将反应物气体提供到配置为仅部分氧化碳的气氛中之后，氧与总气氛的比率即λ低于0.2，例如低于0.1，优选0.05，更优选0.03。
控制过程环境中的氧(O2)仅部分氧化碳限制了副反应，包括将形成的烃氧化成CO2和水，这限制了所需产物的产率。此外，过度氧化可能导致不希望的温度升高，这会使过程环境不稳定，并导致不希望的产物构成。
在本发明的优选实施例中，粉末材料和碳质材料接触并保持在转化温度以上至少30秒，例如至少120秒。优选地，粉末材料和碳质材料接触达600秒。
通常，在高于转化温度的温度下，容易转化的碳质材料的转化时间约为30至120秒。然而，达600秒接触时间确保大块碳质材料比如粗木屑、轮胎和其他难以降解的材料可以至少部分转化。
在本发明的优选实施例中，加热的粉末材料具有约600℃到1000℃的温度，优选700℃到850℃，例如800℃。
该温度确保了少量氧进入过程中只会导致部分燃烧，从而减少了对泄漏保险的需求。该温度足以将碳质材料快速转化成挥发物。出于安全原因，加热的粉末材料应具有足以在高于包含挥发物的混合物的自燃温度的温度下进行转化的温度，以避免在例如由于泄漏而夹带大量氧的情况下发生爆炸。
在本发明的优选实施例中，粉末材料是水泥粉，并且优选地，其中水泥粉的加热在水泥熟料制造过程中进行，例如在水泥熟料制造过程的预热器或煅烧炉中进行
在优选实施例中，碳质材料可以选自替代燃料和废物、生物质燃料和化石燃料。
替代燃料可选自城市垃圾、碎轮胎、家具、地毯、木材垃圾、花园垃圾、厨房和其他家庭垃圾、造纸污泥、纸张、污水污泥、液体废物、漂白土、汽车部件、塑料、塑料包和危险的医疗废物。
化石燃料可以是褐煤、无烟煤、烟煤、石油焦等。
生物质包括秸秆、木材等。
根据另一方面，本发明涉及一种用于转化碳质材料的反应器，该反应器配置成容纳固体粉末材料并具有上部和下部，该反应器包括：
至少一个固体入口，用于向反应器提供固体材料比如碳质材料和/或粉末材料，固体入口优选位于反应器的上部，
至少一个固体材料出口，其包括配置成调节反应器中固体材料量的调节装置，
优选位于反应器上部的气体出口，
以及配置成从固体材料中分离气体的气固分离装置，优选位于反应器的上部。
通过具有根据本发明的反应器，固体和气体的主要分离发生在反应器中，而不是例如在附近的旋风分离器中。因此，本发明提供了减小的占地面积，因为通向旋风分离器和附加旋风分离器的输送导管是多余的。
碳质材料形式的固体材料和加热的粉末材料被添加到反应器的上部。当碳质材料接触朝向固体出口的加热的粉末材料并被其加热时，碳质材料发生转化。在转化过程中，挥发物形成朝向气体出口的向上流动。这种具有位于上部的固体入口和气体出口的配置提供了固体和气体之间的逆流，并且增加了加入反应器的固体和已经在反应器中的固体和气体之间的接触时间。也实现了更好的混合和传热。
优选地，反应器可以从气体中分离至少75％，例如至少90％的固体。逆流流动模式还减少了涉及所形成的烃的副反应的不利影响。
在本发明的优选实施例中，气固分离装置配置成利用重力作为主导力来分离气体和固体，以将气体的速度降低到固体的夹带速度以下。
在一个或多个实施例中，反应器可以配置成提供至少两种不同的流动方式。
速度降低到夹带速度以下通常在反应器的下部形成密相，并且通常在发生速度降低的反应器的上部形成稀相。在反应器的速度下降到夹带速度以下的区域，形成喷动区。
优选地，反应器可以配置成提供至少三种不同的流动方式。第三种流动方式是主要包含气体的沉降区。沉降区位于喷动区/密相区上方，通常位于气体出口附近。
在优选实施例中，反应器包括位于喷动区的至少一个固体材料入口和/或位于沉降区的至少一个固体材料入口。
以重力为主导力的气固分离装置优选在水平方向或更优选向上方向上流动。向上方向是指与水平方向有竖直偏移的任何方向。
如果气体和固体流在气固分离装置中被分离，该气固分离装置在例如导管中具有水平或相对于低的偏斜角，由于重力和固体与导管表面之间的摩擦，固体颗粒将沉淀在导管的底部。因为流动方向更接近竖直而不是水平，所以它提供了防止固体在例如导管中积聚的优点，而是朝向反应器的下部下落。后一种配置在反应器中的不同高度提供了不同的区域，因为反应器中的位置越高，气体包含的固体越少。在反应器的下部，气体将是稠密的，即包含大量固体，而在反应器的上部，气体将是稀释的，即包含少量固体。
反应器中的气体速度主要是由于挥发性物质的产生且通常在1至10m/s之间。如果不提供风扇或额外的气体供应来增加速度，具有该范围内的速度的流动通常对于旋风分离器中的分离来说太低。
在本发明的优选实施例中，气固分离装置是反应器上部的一部分，其横截面尺寸值大于下部。
取决于反应器的形状，横截面尺寸值可以是直径或横截面。随着横截面尺寸值的增加，气体流速度将降低。优选地，反应器的上部具有将气体速度降低到夹带速度以下的横截面尺寸值。这种流动面积的增加提供了在小高度上的高速度下降，使得反应器更加紧凑。
在本发明的优选实施例中，固体材料出口位于反应器的下部。调节装置调节反应器中固体的水平或量。
这种调节可以基于反应器中固体柱的重量或高度，并调节离开反应器的固体体积。
作为示例，调节装置可以是螺旋进料器。基于输入参数，螺旋进料器可以调节从反应器中移除固体的速度。输入参数可以基于来自激光器的高度测量、秤的重量测量、颗粒物质传感器等，使得反应器中存在稳定量的固体。
在本发明的优选实施例中，反应器还包括适于流化固体粉末材料的流化装置。流化装置优选位于反应器的下部，其中调节装置是具有流体捕集器配置的导管。
流化装置提供了反应器中颗粒的有效混合。此外，流化颗粒的动态流体状状态允许调节装置配置为流体捕集器/虹吸管。这样，流体捕集器配置的形状决定反应器中粉末材料的量，更具体地，流体捕集器的高度决定反应器中材料的高度。如果反应器中存在的粉末材料的量大于该量，则增加的高度导致“流体”压力增加，因此粉末材料将简单地流过流体捕集器以平衡压差。
流化装置可以是分布在反应器下部的多个喷嘴，以提供流体或优选气体。优选地，气体可以通过气体可渗透分配器提供，该气体可渗透分配器包括例如烧结金属板、多孔陶瓷材料和类似的多孔材料，该多孔材料优选具有约5微米至约100微米的孔隙率。可渗透分配器必须能够承受反应器的局部操作条件，以及通过其提供气体的下面的通气室。
流体捕集器配置可以包括第一和第二导管。第一导管位于反应器和第二导管之间的中心。它流体附接到反应器的下部和第二导管的下部，从而允许粉末从反应器通过第一导管流到第二导管的上部。因此，第二导管的高度决定了反应器中固体的量。
在优选实施例中，反应器被定向以提供基本竖直的流动方向，第一导管被定向以提供基本水平的流动方向，第二导管被定向以提供基本竖直的流动方向。
优选地，第一和/或第二导管另外包括流化装置。优选地，反应器与第一导管和第二导管一起具有提供虹吸效应/流体捕集器的大致U形或J形。
位于反应器和第二导管之间的第一导管可以优选具有包括通气装置的底板，该通气装置配置为流化和引导粉末材料从反应器到第二导管。
优选地，第一导管配置有确保致密和/或不可燃颗粒被导向一个或多个出口点的装置。出口点可以是位于反应器和第二导管之间的排放点，例如在第一导管的下部。
材料可通过闸门系统从排放点排出，闸门系统优先清除出口附近的材料，包括沉积材料。
为了提供更有效的排放，优选的是向排放点提供连续的材料流，并且材料在到达排放点之前不被支撑。排放点可在连续操作过程中使用，当粉流停止时，当排放材料时，或在维护过程中使用，以清除意外的材料堆积或积聚。
在优选实施例中，底板的一部分相对于水平面以至少40°的角度倾斜。优选地，底板可以40°和50°之间的角度倾斜，例如41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°或50°。因此，在本发明的优选实施例中，固体材料流在反应器中以基本竖直的流动开始，随后沿着第一导管的倾斜底板朝向第一导管的下部和中心部分部分地向下流动。然后，在到达第二导管之前，粉末材料可以沿着相对定位的倾斜底板部分向上流动。
优选地，第一导管的横截面朝向轴向中心线倾斜。
优选地，通气装置分布在第一导管的底板上。
倾斜的底板确保致密且不可燃的材料被导向第一导管的中心下部，并避免在第一导管、反应器和/或第二导管的底部/底板上堆积。
还可以在材料入口上提供流体捕集器配置。这在两个流体捕集器之间提供了封闭的环境，即与其他耦合过程分开的隔离反应器。
优选地，流化装置适于通过提供气体脉冲来流化粉末材料。
为了克服粘性粉末(例如Geldart C粉末)的流化问题，必须打破或破坏粉末床中形成的裂纹和通道。这可以通过以脉冲加入至少一部分流化气体来实现。因此，当引入流化介质时形成的裂缝或通道在脉冲之间的暂停中塌陷，导致在引入下一个流化介质脉冲之前粉末床重新布置。因此，裂缝或通道将形成并反复塌陷，导致准流化床具有类似于流化床的特性，尽管由不被恒定流流化的颗粒构成。
通过气体脉冲而不是连续气体流的流化也允许用更少的气体进行更有效的流化。
在本发明的优选实施例中，第二导管包括气固分离装置。优选地，气固分离装置是第二导管的一部分，其具有较大的横截面尺寸值，从而提供较大的流动面积。通过增加流动面积，第二导管配置成降低气体的速度，从而提供至少两种不同的流动方式，下密相区和上喷动区/稀释区。
优选地，第二导管可以配置成提供至少三种不同的流动方式。第三流动方式是主要包含气体的沉降区。沉降区位于喷动区/密相区的上方，并且通常位于气体出口附近。
在本发明的优选实施例中，反应器配置成包括两个不同的喷动区，以及可选的两个不同的沉降区。
在本发明的优选实施例中，第一导管配置成在第一导管的下表面的至少一部分上提供固体保护层。
这是通过提供第一导管的横截面尺寸值来实现的，该横截面尺寸值在导管的长度上变化。优选地，横截面尺寸值可以沿着导管增大然后减小。优选地，横截面尺寸值朝向导管的一半点增加，然后减小。优选的是，第一导管在一半点处的横截面尺寸值大于反应器和第二导管的横截面尺寸值。
这种设计可被称为流体捕集器配置的扩展半径设计。
已经观察到流体捕集器配置中的流动模式具有活塞流类型的模式。这导致矢量模式，其中相对于转向点的“内部”矢量与外部矢量相比具有更低的停留时间。随着第一导管中横截面尺寸值的增加，导管超过了入口支管的水力直径。已经发现，在这个直径之外的矢量逐渐减小到零，即它形成准静止层。
因此，扩展半径设计导致材料的准静止层的自生形成，作为运动中的固体和静止表面之间的保护层。扩展的半径也可直接应用于几何形状能够改变粉末流动方向的其他情况。
在本发明的优选实施例中，第一导管包括内部网。
保护层的形成可以通过在导管的材料侧放置合适的格栅或网来加强。最佳的节距尺寸和几何形状会有所不同，这取决于所加工材料的类型，以及可能存在的异物，这些异物的特性与装置中所加工的材料有很大的不同。这些异物可能是上游结构的一部分，如SRF中的耐火碎片、鹅卵石或金属碎片。因此，格栅必须设计成使得这些外来物体不会阻塞格栅或导致通气功能的故障。优选地，网尺寸对应于15至50毫米的开口。
在本发明的优选实施例中，反应器通过附接到反应器上部和第二导管上部的旁路导管与第二导管流体连接。这使得反应器上部的稀释气体，即包含少量固体的气体流向第二导管。
当气态物质的引入或挥发物的形成在反应器中变得显著时，则优选做出布置以避免反应器和第二导管之间的大压差，以便建立稳定的操作。这可以通过在气体将被稀释的位置连接两个导管来实现。在优选实施例中，气体出口位于反应器和第二导管之间的旁路导管附近。
从下面的详细描述和所附的从属权利要求中，进一步的优选实施例和进一步的优点将变得显而易见。
附图说明
下面将通过当前优选实施例的非限制性示例并参考示意图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明实施例的用于转化碳质材料的反应器的示意性截面图；
图2示出了根据本发明另一实施例的用于转化碳质材料的反应器的示意性截面图，其中该反应器包括用于调节反应器中固体材料的材料螺杆；
图3示出了根据本发明另一实施例的用于转化碳质材料的反应器的示意性截面图，其中该反应器包括第一和第二导管，它们与该反应器一起形成基本的U形；
图4示出了根据本发明又一实施例的用于转化碳质材料的反应器的示意性截面图，其中该反应器包括气体旁路导管；
图5示出了根据本发明另一实施例的用于转化碳质材料的反应器的示意性截面图，其中第二导管具有增加的流动面积；
图6示出了根据本发明另一实施例的用于转化碳质材料的反应器的示意性截面图，其中该反应器具有扩展半径设计；以及
图7示出了包括根据本发明一实施例的反应器的水泥制造过程的摘录的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于转化碳质材料的反应器1的示意图。反应器1具有配置成容纳固体粉末材料的反应器室2。反应器1具有下部10和上部11，并包括用于向反应器1的上部11提供固体材料的固体材料入口20。固体材料入口20可以如图所示位于侧面，或者替代地位于顶部。固体材料入口20适于允许碳质材料和/或粉末材料进入反应器。
气体出口26位于反应器1的上部11，固体材料出口21位于反应器1的下部10。固体材料出口21包括调节装置，其配置成调节反应器中固体材料的水平和/或量。
反应器室2和固体材料入口20、气体出口26和固体材料出口21的位置布置成提供气固分离。在特定实施例中，这是通过在上部11中具有气体出口和在下部10中具有固体材料出口来实现的，这两个出口位于间隔开的不同高度处，使得气体出口处的气体流具有低于夹带速度的速度。
在预期使用过程中，将具有转化温度的碳质材料与温度高于碳质材料转化温度的粉末材料一起加入反应室2。固体可以气动输送到反应室2，或者可以机械进料。在图1中，粉末材料和碳质材料都是通过固体材料入口20加入的，但它们也可以通过不同的入口加入，如图2所示。反应器1在反应器室2内的环境下操作，该环境配置为仅部分地将碳氧化成CO2。优选地，氧气与反应室中总气体的比率(λ)低于0.15，例如低于0.12，优选0.05，更优选0.03。
碳质材料和粉末材料在接触的同时向下落入反应室2内。当碳质材料被加热到或高于转化温度时，发生碳质材料向转化材料和挥发性产物的转化。转化材料将与粉末材料和未转化的碳质材料一起朝向反应室2的底部进一步下落。固体材料出口21处的调节装置调节反应室2的下部10中固体材料的量。这种调节可以根据固体材料的期望柱高和/或获得期望的停留时间来进行，以允许碳质材料转化。停留时间应至少为30秒，但取决于碳质燃料的规格(类型、尺寸、转化温度等)，停留时间可为至少120秒至达约600秒。
从碳质材料转化的挥发物逆着向下流动的固体向上流向气体出口26。这确保了固体之间更好的混合和传热。反应器1的尺寸配置成使得气体出口26处的气体速度低于夹带速度，使得很少或没有固体通过气体出口26被带出。可以通过调节反应器1中的温度、调节停留时间或通过气体入口25加入气体来控制气体速度。
现在转到图2，示出了根据本发明另一实施例的反应器1。该反应器具有包括下部10和上部11的反应器室2。由于反应器室2的横截面尺寸值(直径)增加，反应室2的流动面积在反应室2的上部11增加。当挥发物从下部10向上流到上部11时，气体的压力和速度降低到低于固体的夹带速度。在所示的实施例中，反应器1具有两个固体材料入口20a和20b，两者都位于上部11。碳质材料可以通过材料入口20a添加到反应器室2中，这允许碳质材料在与通过固体材料入口20b进入反应室的粉末材料接触之前与热挥发物进行热交换。固体材料出口21位于下部10中，与进料螺杆22相邻。进料螺杆22从反应室2的下部10机械输送固体材料。可以调节进料螺杆22的转速，以保持反应室2中固体材料的稳定水平。
现在转到图3，其示出了根据本发明的又一实施例的反应器1，其中反应器1的下部10具有U形形式的流体捕集器配置，并且用于调节反应器1中的固体材料的装置是一个或多个流体入口25，其配置成注射流体并由此使粉末材料流化。反应器1包括第一导管5，该导管在横截面视图中具有基本半环形的形状，其两个开口朝上。第一导管的一端流体连接到反应器室2的下部。第二导管6基本竖直定向，并且其下端流体附接到第一导管5的另一端。流体入口25位于第一导管5的底部。通过流体入口25注入流体并流化反应器1中的粉末材料，反应器室2和第二导管6中的材料柱的重量连同固体材料出口21的位置决定了反应器1中有多少粉末。上部11的至少一部分的直径朝向反应室2的顶部逐渐增加，以提供圆锥形部分15。这在反应器室中提供了逐渐增加的流动面积。可以说流通面积的增加可能是突然增加。
现在将参照图4更详细地描述转化碳质材料的方法和反应器1中的流动路线，图4示出了反应器1，包括旁路导管28，其将反应器室2的上部11与第二导管6的上端流体连接。气体出口27位于旁路导管28中。
在预期使用期间，碳质材料和粉末材料通过固体材料入口20a、20b和/或20c添加到反应器室2中。碳质材料具有转化温度，粉末材料具有高于转化温度的温度。一旦添加到反应器室2中，碳质材料和粉末材料接触，碳质材料开始转化成转化材料和挥发性产物。反应器室2内的气氛配置为仅部分地将碳氧化成CO2。在使用过程中，固体(即碳质材料、粉末材料和转化材料)由于重力从上部11向下部10下落，并填满第一导管5。通过流体入口25注入气体，固体被流化并分布在反应室2的下部10、第一导管5和第二导管6之间。虚线50示出了在反应器室2和第二导管6中的固体流化柱具有相同密度的情况下的固体柱高度，即它们同样高。在虚线50下方，固体以密相存在。导管6中的上边缘51决定了导管6中固体流化柱的高度，从而也决定了反应室2的下部10中的固体流化柱的高度。当固体堆积超过高度50时，固体以活塞流型模式流过第一导管5和第二导管6，到达上边缘51上方，以调节两个固体流化柱的重量之间的平衡。固体的流动方向用标有“S”的箭头表示。碳质材料向挥发物和转化材料的转化发生在反应器室2、第一导管5和第二导管6中。挥发物和流化气体的流动方向由标有(G)的箭头表示。由于挥发物的发展，反应器室2的下部10中的向上气体流的速度通常高于固体的夹带速度。因此，固体被气体带走，并朝向反应器室2的上部11向上提升，在反应器室中形成具有低固体浓度的区域，即稀释区。该区域位于虚线50的上方。当气体和固体到达锥形部分15时，速度下降到夹带速度以下，固体不再被气体悬浮。这提供了喷动区，其中固体再次朝着反应器室2的下部10下落，而气体继续向上，基本没有固体。这种固体流类似于喷泉，由反应器室2的上部11中的箭头“S”表示。在操作过程中，固体将在多个方向上流动，如标有“S”的箭头所示，但从总体材料平衡图来看，固体将从上部11移动通过下部10、第一导管5和第二导管6。
在第二导管6中产生的任何挥发物将与固体一起向上流动。一旦固体和气体流通过上边缘51，基本所有的固体将流过固体材料出口21，而气体将继续向上通过旁路导管28流向气体出口26和/或27。
通过流体入口25提供的气体优选以脉冲提供，从而用更少量的气体提供更有效的流化。气体可以包括反应物气体、惰性气体或其组合。
现在转到图5，示出了根据又一实施例的反应器1，其中第二导管6具有增加的流通面积。流动面积的增加可以是逐渐增加或突然增加，这允许第二导管中任何气体流的速度降低到低于固体的夹带速度。图5所示的实施例具有两个喷动区。当碳质材料仅部分转化发生在反应器室2中时，以及当显著的转化可能发生在第一导管5或甚至第二导管6中时，这是有益的。如果第二导管6的尺寸不适合容纳产生的挥发物，挥发物的产生可能导致气体速度高于固体的夹带速度。这导致第二导管6中的密相被稀释，并导致不希望的流动模式，包括挥发物和固体流向气体出口27。通过增加第二导管6的一部分的横截面尺寸以提供具有增加的流动面积的部分，建立了喷射和沉淀区，其中夹带的粉末落下并最终溢出边缘51朝向固体材料出口21。这导致从反应器室2到出口21的稳定固体流，这显著改善了整个过程的操作，并允许第二导管6的尺寸更小。如果反应器1用容易转化的碳质材料操作，挥发物的产生基本发生在反应器室2中。在这种情况下，图4的实施例对于稳定操作可能是足够的。如果反应器1用较大块的碳质材料或较难转化的碳质材料操作，挥发物的产生可能发生在整个反应器中，或者甚至主要发生在第二导管中。在这种情况下，在第二导管中或者在反应器室2和第二导管6中的喷动区和沉降区有利于反应器1的稳定操作。
现在转到图6，示出了根据又一实施例的反应器1，其中第一导管5具有所谓的扩展半径设计。可以看出，上导管壁32和下导管壁31之间的横截面值(即距离)通过第一导管5变化。网30可选地位于第一导管5中，距上导管壁32恒定的距离。这在网30下方提供了固体自由空隙35。该网确保固体不与下导管壁31直接接触。当通过流体入口25提供反应物气体时，由于碳质材料的氧化，可以看到局部温度升高。网30确保下导管壁31不会被升高的温度损坏，例如由于当用包含氯化物和/或硫的替代燃料燃烧时可能预期的材料堆积或高温腐蚀。与第一导管5相比，网30易于更换。
图5所示的反应器1仅具有气体出口27。因此，来自反应器室2的挥发物和反应物气体将从反应物室2的上部11通过旁路导管28流向气体出口27。
现在转到图7，示出了与水泥熟料制造厂的预热塔100、煅烧炉110和窑120连接安装的反应器1。窑120和煅烧炉110通过窑立管115连接。水泥生料被送入最高级预热旋风分离器150d的生料入口。从该点开始，生料通过预热器和煅烧炉110的旋风分离器流向回转窑120，与来自回转窑120的热废气逆流，从而导致生料被加热和煅烧。煅烧的粉从煅烧炉110被引导至底部旋风分离器150a，在此煅烧的粉与煅烧炉废气分离。煅烧的生料在回转窑120中燃烧成水泥熟料，并且水泥熟料在随后的熟料冷却器中通过大气(未示出)冷却。如此加热的一些空气从熟料冷却器经由导管被引导至煅烧炉110，作为所谓的三次空气(未示出)。
反应器1位于煅烧炉110和窑立管115附近，并且可选地定位成使得热水泥粉将通过重力从旋风分离器级150b移动。来自150b的热水泥粉在反应器1、窑立管115和煅烧炉110之间以0至100％之间的可调比率分流。转移到反应器1的热水泥粉的量将取决于替代燃料的输入速率和转化时间。剩余的热水泥粉将在窑立管115和煅烧炉110之间分开。通常，50至70％的热水泥粉被导入煅烧炉110，其余的大部分被送至反应器1。来自旋风分离器150b的热水泥粉通常具有730-830℃范围内的温度。来自150b的热水泥粉优先通过环封130，环封130起到气体屏障的作用，实质上防止转化产物流入150b并防止气体从150b流入反应器1。
未转化的替代燃料和热水泥粉被导入pyro系统，最优选经由窑立管115导入煅烧炉110。来自反应器1的一些或所有转化产物可被引入到窑立管115中以产生还原区来还原窑120中产生的NOx，或者被直接引入到煅烧炉110中。在另一实施例中，来自反应器1的一些或所有转化产物即挥发性气体可用于回转窑燃烧器中。在进一步的实施例中，一些或所有转化产物气体可以在水泥过程之外使用，比如在制造可燃气体的过程中。
可替代地，热水泥粉可以从预热器中的其他旋风分离器例如从150c或150a转移到反应器1中。热水泥粉可选地通过环封130，环封130用作反应器1的材料入口的气体屏障。环封的底部可以可选地装备有用于过大颗粒的底部出口，该出口可以依次连接到窑立管115、窑入口或单独的容器。
预热器可以设计成多种配置，旋风分离器的数量可以变化，在各个旋风分离器之间可以完全或部分分离气体以及固体。在一些情况下，可能优选从其他旋风分离器或其混合物中取出一部分固体，以便在煅烧炉110中获得期望的过程条件。
图6中描述的煅烧炉110配置是所谓的“在线煅烧炉”系统，其中煅烧炉相对于窑立管115定位，因此所有的窑废气通过煅烧炉110。本发明的方法也可以有效地用于其他配置，包括“单独的管线煅烧炉”系统，其中煅烧室至少部分偏离窑立管115，使得窑燃烧气体不通过煅烧炉，并且其中煅烧炉的燃烧空气通过单独的三次空气导管吸入。

Claims (17)

1.一种用于转化碳质材料的反应器，该反应器配置成容纳固体粉末材料并具有上部和下部；
该反应器包括：
至少一个固体入口，用于向反应器提供固体材料，诸如碳质材料和/或粉末材料，
至少一个固体材料出口，其配置为允许移除转化的碳质材料和/或粉末材料，所述出口包括配置为调节反应器中固体材料的水平或量的调节装置，
适于流化粉末材料的流化装置，
优选位于反应器上部的气体出口，
以及气固分离装置，其配置为基本将气体与固体材料分离。
2.根据权利要求1所述的用于转化碳质材料的反应器，其中气固分离装置配置为在基本竖直流中分离气体和固体并将气体的速度降低到低于固体的夹带速度。
3.根据权利要求1或2所述的用于转化碳质材料的反应器，其中气固分离装置是反应器上部的一部分，其具有比反应器下部更大的流动面积。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于转化碳质材料的反应器，其中所述出口具有提供所述调节装置的流体捕集器配置，所述调节装置在粉末材料被流化时调节反应器中的固体材料的水平。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于转化碳质材料的反应器，其中第一导管与所述反应器的下部流体连接，并且第二导管的下部流体连接到第一导管，从而允许粉末从反应器通过第一导管流到第二导管的上部。
6.根据权利要求5所述的用于转化碳质材料的反应器，其中，所述第一导管配置成在第一导管的下表面的至少一部分上方提供固体保护层。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的用于转化碳质材料的反应器，其中，所述第一导管包括内部网。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于转化碳质材料的反应器，其中，所述至少一个固体材料入口配置成基本防止上游过程气体与碳质材料和/或粉末材料一起流入反应器。
9.根据权利要求5至8所述的用于转化碳质材料的反应器，其中，所述气体出口流体连接至所述第二导管。
10.一种用于碳质材料的转化的方法，包括以下步骤：
提供具有转化温度的碳质材料；
提供温度高于碳质材料的转化温度的粉末材料；
使碳质材料和粉末材料在配置为仅部分地将碳氧化成CO2的气氛中接触，以获得将碳质材料至少部分地转化成转化材料和挥发性产物；
流化碳质材料和加热的粉末材料；
通过在向上方向上引导包含挥发性产物的气体流进行比重分离，以提供基本包含挥发性产物的级分和基本包含附加组分的第二级分，
其中，碳质材料和粉末材料之间的接触以至少两种不同的流动方式发生。
11.根据权利要求10所述的用于碳质材料的转化的方法，其中，所述气体流在向上方向上的速度降低至低于所述附加组分的夹带速度。
12.根据权利要求10或11所述的用于碳质材料的转化的方法，其中，提供气体脉冲以流化碳质材料和加热的粉末材料。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的用于碳质材料的转化的方法，其中，该方法包括以下附加步骤：
将反应物气体或可选的用于反应物气体的前体提供到配置为仅部分地将碳氧化成CO2的气氛中，
可选地加热前体以产生反应物气体，以及
使反应物气体与加热的粉碎材料和碳质材料的混合物接触。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的用于碳质材料的转化的方法，其中，所述粉末材料和碳质材料最初以沿第一方向在配置为仅部分地将碳氧化成CO2的气氛中的夹带流接触和输送，并且所述气体脉冲和/或反应物气体以从与第一方向基本相反的第二方向的逆流提供。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的用于碳质材料的转化的方法，其中，所述粉末材料是水泥粉，并且优选地，其中水泥粉的加热在水泥熟料制造过程中进行，比如在水泥熟料制造过程的预热器中进行。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的用于碳质材料的转化的方法，其中，所述碳质材料选自包括替代燃料、废物和/或生物质燃料的组。
17.一种水泥熟料制造设备，包括根据权利要求1至9中任一项所述的反应器。
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