CN116159494A - 流化床反应器及用于操作流化床反应器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流化床反应器(1)，其包括用于颗粒物质的反应室(2)，反应室(2)具有用于颗粒物质的至少一个颗粒物质入口(3)和用于颗粒物质的至少一个初级颗粒物质出口(4)；以及流化格栅(5)，其具有用于操作流体的多个开口(6)，以使颗粒物质在流化格栅(5)上方流化。

Description

流化床反应器及用于操作流化床反应器的方法
技术领域
本发明涉及流化床反应器，并且具体地，涉及流化设备和用于操作此流化床反应器的方法。下文中的用语，像"上"、"下"、"水平"、"竖直"、"内"等总是指流化床反应器的常规使用位置。流化床设备典型地包括流化床反应器，其壁可由管制成，水流动穿过该管，其中所述管直接焊接于彼此以提供壁结构，或者在平行延伸的管区段之间具有翅片/肋。流化床反应器的壁还可由砖制成，或由与管组合的砖制成。
背景技术
流化床反应器包括用于颗粒物质的反应室，其中反应室具有用于颗粒物质的至少一个颗粒物质入口和用于颗粒物质的至少一个初级颗粒物质出口。流化床反应器进一步包括流化格栅作为反应室的底部处的流化底部的部分，其中流化格栅具有用于操作流体的多个开口，以使颗粒物质在反应室内在流化格栅上方流化。
典型地，此类流化床反应器的反应室具有其上端部处的至少一个操作流体出口，其中所述操作流体出口允许从反应室排出的气体和固体颗粒(下文中称为颗粒物质)的混合物流动到至少一个分离器中。
分离器用于使气体和颗粒物质解除接合。此后，分别处理分离的反应气体和颗粒物质。颗粒物质可直接地返回到反应室中。
EP0495296A2中公开循环流化床设备及其构件的大体设计。
该类型的流化床设备的大体工艺工程被或多或少地限定，并且包括：
经由入口开口将颗粒物质提供到反应室中，
通过经由流化格栅在压力下引入的(操作)气体使颗粒物质流化，该流化格栅可包括相应的喷嘴和/或在反应室的格栅区域中的格栅，
最后，经由布置在反应室中或布置成邻近于反应室的传热元件(具体地，传热流体，像水或蒸汽流动穿过的管)传递流化床中产生的能量(热)，或者传递来自离开反应室的反应气体的能量。如果吸热反应将发生，则可经由传热元件向反应室提供热。
取决于提供的操作流体的速度，流化床可实施为静止的、起泡的或循环的流化床。
US2009/0072538A教导，第一流化床设备用作氧化反应器，其中颗粒金属与通过流化格栅提供的氧化剂一起燃烧，并且第二流化床设备用作还原反应器，其中通过经由第二流化床设备的流化格栅提供还原剂来还原颗粒金属氧化物。还原反应器和氧化反应器的组合的该系统用于驱动用于生成电的涡轮，其中产生的二氧化碳在高压下被储存。
此外，已知当存在来自可再生能源的电能的过剩时，以主要包括颗粒金属的颗粒物质的形式储存能量。如果存在过剩，则电解单元利用电能运行以产生氢和氧。氢用于与固体颗粒金属的还原反应，该固体颗粒金属例如通过包括金属(氧化物)的粒状物或丸粒(例如通过铁矿石或铁矿石丸粒)实施。因此处理的(还原的)颗粒金属可作为散装材料储存在料仓、料堆等中。当需要能量时，还原的颗粒粉可被氧化，其中来源于该放热氧化反应的热能可进一步用于加热或产生电能。因此，其中颗粒金属在具有还原反应和氧化反应的闭环中运行的系统是已知的。例如，EP3617591B1建议将反应室和燃烧室靠近电解单元布置，用于在存在电能的过剩时储存电能。WO2021/165441A1甚至建议使用同一流化床设备用于还原反应和用于氧化反应。在许多应用中，期望具有供给到反应反应器中的颗粒物质的良好限定的驻留/反应时间，其可根据过程而变化(例如，在小于30秒与高达2小时之间)。
发明内容
在该背景下，本发明的一个目的在于提供一种流化床反应器和用于操作流化床反应器的方法，利用它们，可在良好限定的驻留时间之后取出颗粒物质而不中断反应过程。
该目的利用具有相应独立权利要求的特征的、流化床反应器和用于操作流化床反应器的方法来实现。流化床反应器和方法的优选实施例是从属权利要求和说明书的主题，其中优选实施例的单个特征可以以技术上有意义的方式与彼此组合。关于方法公开的特征可应用于流化床反应器，并且反之亦然。
目的具体地利用一种流化床反应器来实现，该流化床反应器包括用于颗粒物质的反应室，反应室具有用于颗粒物质的至少一个颗粒物质入口和用于颗粒物质的至少一个初级颗粒物质出口；以及流化格栅，其具有用于操作流体的多个开口，以使颗粒物质在流化格栅上方流化，其中流化格栅从至少一个颗粒物质入口以倾斜延伸至至少一个初级颗粒物质出口。
目的还通过一种用于操作流化床反应器的方法实现，该方法包括以下步骤：
通过至少一个颗粒物质入口将颗粒物质提供到反应室中，
通过流化格栅的多个开口将还原剂或氧化剂提供为操作流体以使反应室内的颗粒物质流化，
通过至少一个初级颗粒物质出口取出还原的颗粒物质。
换言之，本发明建议以关于水平面的倾斜布置流化格栅，以使通过流化格栅提供且使颗粒物质流化的操作流体使颗粒物质的整体以具有沿水平方向的分量的动量撞击，以使颗粒物质从反应室的一侧处的至少一个颗粒物质入口前进至反应室的相对侧处的至少一个初级颗粒物质出口。通过使颗粒物质的整体以沿水平方向的动量撞击，流化床反应器可连续地供给有颗粒物质，该颗粒物质从颗粒物质入口连续地前进至初级颗粒物质出口。取决于倾斜角的大小，可设定通过颗粒物质入口提供至初级颗粒物质出口的颗粒物质的驻留时间(以及因此，反应时间)。流化格栅的倾斜可大于1°，优选地大于5°，并且最优选地大于10°。流化格栅关于水平面的倾斜可小于40°，优选地小于30°，并且最优选地小于25°。流化格栅关于水平面的倾斜越大，颗粒物质在反应室中的驻留时间就越短。因此，本发明提供技术教导，利用该技术教导，可缩短颗粒物质在反应室内的平均驻留时间。
为了提供具有倾斜的流化格栅，整个反应室可以以关于水平面的倾斜布置。在该情况下，已知的反应室作为整体以偏斜的方式安装。
备选地，反应室内的流化格栅可关于水平面倾斜。
在任何情况下，在操作状态下，分配给颗粒物质入口的流化格栅的端部布置得高于分配给初级颗粒物质出口的流化格栅的端部，以使流化格栅从颗粒物质入口以倾斜向下延伸至初级颗粒物质出口。流化格栅大体上在斜面中延伸，其中不排除流化格栅的侧向端部、前端部/或后端部向上弯曲，只要颗粒物质由于流化格栅的整体倾斜而从颗粒物质入口前进至初级颗粒物质出口。还可能的是，流化格栅形成有台阶或以阶梯方式形成用于实施倾斜。
为了实施本发明，足够的是，流化格栅以倾斜静止布置。因此，一旦流化床反应器安装在其操作现场处，倾斜就设定为特定值。
然而，对于本发明的又一个实施例，建议：流化格栅以如下方式安装成能够在反应室中移动，使得可改变流化格栅的倾斜。在该情况下，流化格栅关于水平面的倾斜可在操作期间或在两个操作周期之间改变。这样，可更改通过颗粒物质入口提供的颗粒物质的平均驻留时间(或平均停留时间)。在该实施例中，还可能使可移动地安装的流化格栅水平对准，以使不存在流化格栅的倾斜。在该情况下，反应室可作为具有不倾斜的流化格栅的已知反应室操作。
为了改变流化格栅的倾斜，流化床反应器可包括连接于流化格栅的驱动器，其中驱动器可实施为液压、气动、机电或手动机械驱动器。
在该方面，优选的是，流化格栅安装成围绕一根偏斜轴线偏斜，其中流化格栅的倾斜可通过使流化格栅围绕一根偏斜轴线偏斜来改变。换句话说，在该情况下，流化格栅可绕着仅一根轴线回转或枢转。在该情况下，只需要一个驱动器来改变流化格栅的倾斜。
在特定实施例中，偏斜轴线可布置在反应室的前侧壁处，该前侧壁分配给至少一个颗粒物质入口，其中偏斜轴线沿前侧壁延伸。优选地，偏斜轴线布置在至少一个颗粒物质入口下方，该至少一个颗粒物质入口可布置在前侧壁内或在侧向侧壁的靠近前侧壁的(多个)端部处。在该情况下，可存在颗粒物质入口与倾斜流化格栅的前部之间的预定距离。
在优选实施例中，反应室具有矩形横截面。在该情况下，反应室优选地由前侧壁、后侧壁和两个侧向侧壁界定。至少一个颗粒物质入口布置在前侧壁中并且/或者接近前侧壁布置在侧向侧壁中的至少一个中。至少一个初级颗粒物质出口布置在后侧壁中并且/或者靠近后侧壁布置在侧向侧壁中的至少一个中。在该情况下，倾斜的流化格栅也具有矩形形状。
为了支持颗粒物质从颗粒物质入口至初级颗粒物质出口的整体移动，和/或为了调整流化以及与其相关的反应性质，包括流化格栅的流化底部可包括至少两个，优选至少三个，以及更优选至少四个流化场，其具体地在从颗粒物质入口至初级颗粒物质出口的方向上布置在彼此后方。例如，不同的流化场可关于它们的开口/喷嘴(例如在尺寸、数量和/或布置方面)不同于彼此。
另外或备选地，每个流化场可分配给用于操作流体的单独入口，以使可独立地控制提供至每个流化场的操作流体的性质(例如，流率、流速、还原/氧化气体的组成和/或有效浓度，等)。具体地，优选的是，提供至一个流化场的操作流体的组成不同于提供至另一个流化场的操作流体的组成。这样，流化场的流化可在操作期间更改。
在该方面，优选的是，相邻的流化场(至少在从颗粒物质入口至初级颗粒物质出口的方向上)由至少一个堰分离，该堰布置在流化格栅上方。相应的堰可以以如下方式实施，使得堰可由流化颗粒物质上溢和/或下溢。通过几何特性(堰的高度，和/或从流化格栅至堰的下边缘的间隙)与倾斜组合和/或与流化场的流化特性组合，可设定/控制颗粒物质从颗粒物质入口至初级颗粒物质出口的平均水平速度。
还建议至少一个次级颗粒物质出口分配给流化场中的一个。还可能的是次级颗粒物质出口分配给每个流化场，但不分配给最后流化场(因为初级颗粒物质出口分配给最后流化场)。通过向一个或每个流化场提供(多个)次级颗粒物质出口，可在颗粒物质流动穿过反应室的整个长度之前取出颗粒物质。这样，还可能取出不同的小部分的颗粒物质，其关于与操作流体的反应时间彼此不同。
流化格栅本身可实施为已知的流化格栅，只要流化格栅布置成倾斜方式或可移动到倾斜方式。例如，流化格栅可由耐火材料制成，其中开口可直接实施在耐火材料底部中，然而还可能的是喷嘴布置在耐火材料内以实施用于提供操作流体的开口。备选地，流化格栅可由包括开口或具有开口的喷嘴的板来实施。
颗粒物质可提供为反应室内的松散填充物。可在流化床反应器中处理的合适材料是可流化的颗粒物质。例如，颗粒物质可由固体颗粒(诸如粒状物、丸粒等)实施，该固体颗粒包括待在流化床反应器中处理的物质或由该物质组成。例如，颗粒物质可为铁矿石或铁矿石丸粒。
颗粒物质可包括颗粒金属氧化物。另外，反应室内的颗粒物质可包括(优选地，惰性的)载体材料，其不与操作流体反应，以使反应(例如，氧化或还原)过程可通过颗粒金属(或相应地，颗粒金属氧化物)和颗粒载体材料的比率来控制。颗粒金属氧化物可分别为诸如FeO、F2O、F3O4和Fe2O3的氧化铁、诸如ZnO的氧化锌，或诸如MgO的氧化镁。
如果颗粒物质包括还原的颗粒金属，则颗粒金属的金属具有以下组：
-铁(Fe)，具体是元素铁，
-锌(Zn)，具体是元素锌，
-碱金属，具体是镁(Mg)，优选元素镁。
操作流体优选地为气体，其供应至反应室中的颗粒物质。
操作流体优选地实施为用于反应室内的固体颗粒物质或其组分的还原的还原剂。因此，操作流体具有如下组成使得固体颗粒物质或其组分执行利用还原剂的(吸热或最终甚至放热)还原反应。还原剂可包括最终与限定量的诸如氮、二氧化碳等的惰性载气组合的以下气体中的至少一种或仅一种：气态氢、一氧化碳、合成气、沼气、丙烷、甲烷。
备选地，操作流体可实施为用于反应室内的固体颗粒物质或其组分的氧化的氧化剂。因此，操作流体具有如下组成使得固体颗粒物质或其组分执行利用氧化剂的(放热)氧化反应。氧化剂可包括与惰性载气(例如，氮或二氧化碳)组合的可变浓度的蒸汽、空气或氧。
过程是高效的，因为颗粒物质与操作流体(具体地，操作气体)之间的接触在流化床内是高效的，由此从流化床至传热介质的热传递(或反之亦然)在流化床反应器中也是高效的。
本发明还涉及一种流化床设备，其包括本发明的流化床反应器，其中流化床反应器包括具体地在其顶部处的操作流体出口，该操作流体出口连接于分离器，其中分离器的用于颗粒物质的出口连接于反应室的至少一个颗粒物质入口。由此，通过操作流体出口离开反应室的颗粒物质可提供回至反应室。此外，可能的是分离器的用于气态组分的出口连接于流化格栅，以使分离的气态组分可再循环到反应室中。
作为流化床设备的部分的颗粒物质分离器可实施为旋风分离器或任何其它合适的分离器，其中用于颗粒物质的颗粒物质分离器的出口可经由返回线连接于反应室。具体地，用于反应气体的颗粒物质分离器的出口可直接或间接地连接于再循环线，该再循环线可能够连接/连接于流化格栅。
此外，颗粒物质供给储存器可在反应室的下区段处优选地靠近流化格栅(例如在上方或下方)连接于反应室的至少一个颗粒物质入口，以使颗粒物质可供给至流化床反应器。在另一方面，颗粒物质排放储存器可在反应室的下区段处优选地靠近流化格栅连接于反应室的至少一个初级颗粒物质出口，以使颗粒物质可在其与操作流体的反应之后从流化床反应器取出。
附图说明
现在将关于示出本发明的示例性实施例的附图来阐释本发明和技术背景。附图示出：
图1：流化床反应器的第一示例性实施例的截面视图，
图2：流化床反应器的第二示例性实施例的截面视图，以及
图3：具有图2的流化床反应器的流化设备。
具体实施方式
图1和图2中所示的流化床反应器1包括反应室2，其由前侧壁9、后侧壁10和侧向侧壁11界定。因此，反应室2具有矩形截面。至少一个颗粒物质入口3形成在前侧壁9中，通过该颗粒物质入口3，颗粒物质可供应到反应室2中。初级颗粒物质出口4布置在后侧壁10内，通过该初级颗粒物质出口4，颗粒物质可从反应室2取出。操作流体出口16布置在反应室2的顶板中。
反应室2具有流化底部12，其包括具有多个喷嘴6的流化格栅5。堰14布置在流化格栅5的顶部上，该堰14可由颗粒物质上溢或下溢。堰14以流化场13.1,13.2,13.3和13.4分隔流化格栅5。操作流体可通过流化底部12提供至每个流化场13.1,13.2,13.3和13.4，其中可针对每个流化场独立地控制操作流体。如图3中所指示，侧向侧壁11中的次级颗粒物质出口15.1,15.2和15.3可分配给第一流化场13.1,13.2,13.3中的每个。
当操作气体提供至流化底部12时，反应室2中的颗粒物质被流化，其中操作气体与颗粒物质(的组分)的有效反应可发生。
图1中所示的流化床反应器1作为整体以关于水平面的角度α倾斜。这样，流化格栅5也以关于水平面的倾斜α布置。
图2的流化床反应器以平常方式布置，其中流化格栅5以关于水平面的倾斜α布置在反应室2内。图2的实施例的流化格栅5以可移动的方式安装，以使流化格栅5可围绕偏斜轴线8偏斜/枢转，该偏斜轴线8延伸到图的平面中并且因此沿前侧壁9延伸。流化格栅5连接于驱动器7，可利用驱动器7改变流化格栅5的倾斜α。
通过使流化格栅5以倾斜α布置，通过颗粒物质入口3供应的颗粒物质的整体以在水平方向上(在图中，从右到左)的动量撞击，以使颗粒物质从颗粒物质入口3朝向初级颗粒物质出口4连续地前进。因此，驻留时间/停留时间/反应时间(颗粒物质从颗粒物质入口3行进至初级颗粒物质出口4所需的平均时间)可由倾斜角度α设定。因此，通过向流化格栅5提供倾斜，减少停留时间。通过在不同流化场13.1至13.4中具有不同程度的流化，可进一步影响颗粒物质与提供至流化底部12的操作流体的反应时间。
如可从图3看到的，流化床反应器1可为包括分离器17的流化床设备的部分，该分离器17连接于反应室2的操作流体出口。分离器17中分离的颗粒物质可返回至颗粒物质入口3，然而分离器17中分离的气态组分可再循环至流化底部12。
在优选实施例中，颗粒物质包括颗粒金属氧化物，其通过供应至流化底部12的还原剂还原。例如，气态氢、一氧化碳、合成气、沼气、丙烷或甲烷可提供为还原剂。备选地，其它颗粒物质可提供至反应室2以便在反应室2中执行短还原反应。
部件列表
α倾斜
1流化床反应器
2反应室
3颗粒物质入口
4初级颗粒物质出口
5流化格栅
6喷嘴
7驱动器
8偏斜轴线
9前侧壁
10后侧壁
11侧向侧壁
12流化底部
13.1,13.2,13.3,13.4流化场
14堰
15.1,15.2,15.3次级颗粒物质出口
16操作流体出口
17分离器。

Claims (15)

1. 一种流化床反应器(1)，其包括
-用于颗粒物质的反应室(2)，所述反应室(2)具有用于所述颗粒物质的至少一个颗粒物质入口(3)和用于所述颗粒物质的至少一个初级颗粒物质出口(4)，以及
-流化格栅(5)，其具有用于操作流体的多个开口(6)，以使颗粒物质在所述流化格栅(5)上方流化，
其特征在于，
所述流化格栅(5)从所述至少一个颗粒物质入口(3)以倾斜(α)延伸至所述至少一个初级颗粒物质出口(4)。
2.根据权利要求1所述的流化床反应器(1)，其特征在于，所述流化格栅(5)以如下方式安装成能够在所述反应室(2)中移动，使得可改变所述流化格栅(5)的所述倾斜(α)。
3.根据权利要求2所述的流化床反应器(1)，其特征在于，所述流化床反应器(1)包括连接于所述流化格栅以改变所述倾斜的至少一个液压、气动、机电或机械驱动器(7)。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的流化床反应器(1)，其特征在于，实施一根偏斜轴线(8)，并且其中所述流化格栅(5)的所述倾斜(α)可通过使所述流化格栅(5)围绕所述一根偏斜轴线(8)偏斜来改变。
5.根据权利要求4所述的流化床反应器(1)，其特征在于，所述偏斜轴线(8)布置在所述反应室(1)的前侧壁(9)处，并且沿所述前侧壁(9)延伸。
6.根据前述权利要求中的一项所述的流化床反应器(1)，其特征在于，包括所述流化格栅(5)的流化底部(12)包括至少两个流化场(13.1,13.2,13.3,13.4)。
7.根据权利要求6所述的流化床反应器(1)，其特征在于，相邻的流化场(13.1,13.2,13.3,13.4)由布置在所述流化格栅(5)上方的至少一个堰(14)分离。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的流化床反应器(1)，其特征在于，所述反应室(2)具有分配给所述流化场(13.1,13.2,13.3)中的一个的至少一个次级颗粒物质出口(15.1,15.2,15.3)。
9.根据前述权利要求中的一项所述的流化床反应器(1)，其特征在于，所述流化格栅(5)包括喷嘴(6)，所述喷嘴实施用于所述操作流体的一个或多个开口。
10.根据前述权利要求中的一项所述的流化床反应器(1)，其特征在于，包括所述流化格栅(5)的流化底部(12)连接于作为所述操作流体的源的还原剂或氧化剂供应源。
11.一种流化床设备，其包括根据前述权利要求中的一项所述的流化床反应器(1)，其中所述流化床反应器(1)包括连接于分离器(17)的操作流体出口(16)，其中所述分离器(17)的用于颗粒物质的出口连接于所述反应室(2)的至少一个颗粒物质入口(3)。
12.一种用于操作根据权利要求1至权利要求10所述的流化床反应器(1)的方法，其包括以下步骤：
通过所述至少一个颗粒物质入口(3)将颗粒物质提供到所述反应室(2)中，
通过所述流化格栅(5)的多个开口(6)将还原剂或氧化剂提供为操作流体以使所述反应室(2)内的所述颗粒物质流化，
通过至少一个初级颗粒物质出口(4)取出还原的颗粒物质。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，改变所述流化格栅(5)的倾斜。
14.根据权利要求12至权利要求13中的一项所述的方法，其特征在于，还原的颗粒物质通过分配给所述多个流化场(13.1,13.2,13.3,13.4)中的一个的次级颗粒物质出口(15.1,15.2,15.3)取出。
15.根据权利要求12至权利要求14中的一项所述的方法，其特征在于，所述还原剂为以下中的至少一种：气态氢、一氧化碳、合成气、沼气、丙烷、甲烷。
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