CN117019023A - 一种回转沸腾式固气反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转沸腾式固气反应器，回转沸腾式固气反应器具有圆柱形外壳、与中心旋转轴相连的固定分隔板形成的分隔腔室，其中分隔腔室包含一个进料腔室、一个出料腔室和至少一个反应腔室；所有腔室下方均设充气板。不同粒径的反应物固体颗粒和催化剂颗粒进入进料区腔室，在中心轴的带动下进入反应区，在反应气体的作用下呈沸腾状态，发生反应，反应后的生成物颗粒进入出料区，在下方送风口的作用下固体反应物颗粒上升，进入下级气固分离装置；固体催化剂颗粒沉降在下方，待进入反应区的时候再次发生反应。本发明可解决固体反应物颗粒与气体反应物在固体催化剂颗粒作用下的反应，具有反应分区进行，气密性好，气体用量少，催化剂可回收利用等优点。

Description

一种回转沸腾式固气反应器

技术领域

本发明属于固气反应器领域，具体涉及一种用于固体催化剂作用下固体颗粒反应物与气体反应的固气反应器。

背景技术

水泥、钢铁、耐材等工业过程贡献近30亿吨CO₂/年，CO₂排放量巨大，而碳酸盐分解又是水泥、钢铁、耐材等行业中重要工艺过程。“双碳”目标下，通过燃烧过程自富集或者燃烧后捕集提纯，再结合CCUS的方式减少碳排放，是当前工业处理的主流方式，而碳酸盐分解耦合催化还原作为一种新型碳捕集方式，受到越来越大的关注。

2022年，SciAdv&JMCA指出“碳酸盐与低碳烃高效共转化利用晶格氧实现H₂/CO可调”；2023年段雪院士提出“碳酸盐共热耦合原位加氢炼制”的新思路；Müller等、蒋建国等人在文献中提到在Ni基催化剂与CaCO₃载体充分接触后，可催化甲烷与固相CaCO₃直接进行干重整反应，可降低碳酸盐的热解温度约150℃。碳酸盐原位捕集、就地转化的理论方案已形成初步共识，但如何工业化应用仍是难题。

固体催化剂参与的反应中，大部分采用固定床反应器或者流化床反应器。对于固定床反应器，当反应物也为固体颗粒时，两者的接触时间较短，反应时间不够；对于流化床反应器，反应后的固体颗粒产物不能有效分离并及时利用。碳酸盐耦合催化还原的工业转化中，缺少一种理想的固气反应器，既能实现避免系统气体的互串又能保证固体反应物颗粒与催化剂颗粒充分的接触和反应时间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种回转沸腾式固气反应器，既能避免系统气体的互串，保证安全，减少反应气的浪费，又能保证固体反应物颗粒与催化剂颗粒充分的接触和反应时间。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种回转沸腾式固气反应器，包括圆筒状的反应釜、中心旋转轴、固体反应物进料口、催化剂进料口、反应气进口、出料口，在反应釜的顶盖上设置与反应釜相通的固体反应物进料口、催化剂进料口、出料口和下端插入到反应釜中的中心旋转轴，在反应釜中下部设置有将反应釜内腔隔成上下两部分独立腔体的充气板，充气板连接在中心旋转轴的底端并能随着中心旋转轴旋转而转动，在上部腔体中，沿着中心旋转轴周向固定有至少3块竖向的分隔板，分隔板将上部腔体分成至少3个竖向相互独立的反应单元，固体反应物进料口和催化剂进料口位于同一反应单元上方，出料口位于另一个反应单元上方，中心旋转轴的旋转带动充气板和分隔板一起旋转，使每个反应单元相对于反应釜沿着周向旋转，在下部腔体的底部分别设置有反应气进口和送风管，送风管顶端伸入到下部腔体中并与充气板底面相邻，送风管出口与上方的出料口中心正对设置，充气板上开有多个圆孔，圆孔上安装有泡帽，使反应气体通过反应气进口进入下部腔体再通过充气板上的多个圆孔进入上部腔体与固体反应物反应。

所述中心旋转轴包括位于中心的转轴，转轴上套有底部相通的双层套管，内层套管上设置有轴冷风套进风口，外层套管上设置有轴冷风套出风口，分隔板固定在外层套管的外壁上，在中心旋转轴的顶部设置有驱动电机。

所述下部腔体为球冠形，内壁加设电阻丝，用于预热反应气体。

所述送风管上设有逆止阀。

所述分隔板采用耐磨陶瓷或铸造耐热钢板材质。

所述反应器用于反应物颗粒粒径在百微米级别，且至少小于催化剂颗粒粒径1/10。

多个分隔板均布在外层套管的外壁上。

所述固体反应物进料口上方设有重锤翻板阀，使上部腔室与重锤翻板阀之间维持气体相对密闭的状态，避免了串风。

所述充气板旋转过程中遍历送风管对应位置的充气板上一圈的圆孔密度大于充气板上其他位置的圆孔密度。

所述送风管对应位置的充气板上一圈的泡帽采用出气口倾斜向上的形式，其他部位的泡帽采用出气口水平设置的形式。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用间歇性喂料的方式分区反应，每个反应区相对密封，与上下游设备之间不互相串风，反应效率更高，气体耗用量更低；；

2.本发明反应区与出料区相对独立，可设定不同的气流速度来控制反应区的沸腾状态，保证气-固-固三种物质的有效接触和反应时间；

3.本发明采用独特的结构设置，可通过设定出料区的气流速度，使得反应产物进入下一工艺环节，固体催化剂颗粒留在反应器内继续参与反应，工艺流程简易可行。

附图说明

图1为本发明回转沸腾式固气反应器的结构示意图；

图2是本发明回转沸腾式固气反应器的结构剖面示意图；

图3是本发明充气板的俯视图示意图；

图4是本发明的一种泡帽示意图；

图5是本发明的另一种泡帽示意图；

图中：1固体反应物进料口，1-1重锤锁风阀，2催化剂进料口，3出料口，4中心旋转轴，4-1驱动电机，4-2轴冷风套进风口，4-3轴冷风套出风口，5反应釜，5-1下部腔体，5-2加热电阻丝，6送风管，6-1逆止阀，7反应气进口，8分隔板，9-1泡罩，9-2升气管，10充气板，11气体管道，11-1流量调节阀，12流量调节阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-3所示，本发明的回转沸腾式固气反应器，包括圆筒状的反应釜5、中心旋转轴4、固体反应物进料口1、催化剂进料口2、反应气进口7、出料口3，在反应釜5的顶盖上设置与反应釜5相通的固体反应物进料口1、催化剂进料口2、出料口3和下端插入到反应釜5中的中心旋转轴4，在反应釜5中下部设置有将反应釜5内腔隔成上下两部分独立腔体的充气板10，充气板10连接在中心旋转轴4的底端并能随着中心旋转轴4旋转而转动，在上部腔体中，沿着中心旋转轴4周向固定有至少3块竖向的分隔板8，分隔板8将上部腔体分成至少3个竖向相互独立的反应单元，固体反应物进料口1和催化剂进料口2位于同一反应单元上方，出料口3位于另一个反应单元上方，中心旋转轴4的旋转带动充气板10和分隔板8一起旋转，使每个反应单元相对于反应釜5沿着周向旋转，在下部腔体的底部分别设置有反应气进口7和送风管6，送风管6顶端伸入到下部腔体中并与充气板10底面相邻，送风管6出口与上方的出料口3中心正对设置，充气板10上开有多个圆孔，圆孔上安装有泡帽9，使反应气体通过反应气进口7进入下部腔体再通过充气板10上的多个圆孔进入上部腔体与固体反应物反应。

所述中心旋转轴4包括位于中心的转轴，转轴上套有底部相通的双层套管，内层套管上设置有轴冷风套进风口4-2，外层套管上设置有轴冷风套出风口4-3，分隔板8固定在外层套管的外壁上，在中心旋转轴4的顶部设置有驱动电机4-1。

所述下部腔体为球冠形，内壁加设电阻丝，用于预热反应气体。

所述送风管6上设有逆止阀6-1。

所述分隔板8采用耐磨陶瓷或铸造耐热钢板材质。

所述反应器用于反应物颗粒粒径在百微米级别，且至少小于催化剂颗粒粒径1/10。

多个分隔板8均布在外层套管的外壁上。

所述固体反应物进料口1上方设有重锤翻板阀1-1，使上部腔室与重锤翻板阀之间维持气体相对密闭的状态，避免了串风。

所述充气板10旋转过程中遍历送风管6对应位置的充气板上一圈的圆孔密度大于充气板上其他位置的圆孔密度。

所述送风管6对应位置的充气板上一圈的泡帽9b采用出气口倾斜向上的形式，其他部位的泡帽9a采用出气口水平设置的形式。

具体地说，在一个反应状态，本发明反应器包含一个进料腔室、一个出料腔室和至少一个反应腔室。反应器的腔室在中心旋转轴的带动下按照设定的速度进行逆时针或顺时针转动，上述腔室转换不同的角色。反应腔室的数量和大小可根据实际物料反应时间和反应物料量情况来设定。

使用中，反应器充气板上泡帽的出口风速可使反应区(上部腔体)固体反应物颗粒和催化剂颗粒处于沸腾的状态。出料区下方的送气管管口与上方的出料口中心正对设置，通过送气管管口气流的增加，调整适当的气体流速，使得固体反应物颗粒上升，催化剂颗粒悬浮或者下降。固体反应物颗粒粒径在百微米级别，且至少小于催化剂颗粒粒径1/10。

反应釜的分隔板采用耐磨陶瓷或铸造耐热钢板材质。反应器的反应物温度≥500℃，整个反应器外壳内部需设耐火浇注料。反应釜的下部腔体侧壁可加设电阻丝，用于预热反应气体。

预热后固体颗粒从固体反应物进料口1入进料区腔室，催化剂颗粒从催化剂进料口2进入进料区腔室，在中心旋转轴4的带动下该腔室进入反应区，在反应气体的作用下不断沸腾，发生反应。反应产物进入出料区，在下方出风管的作用下，反应后的固体颗粒上升，进入下一工艺环节进行固气分离；固体催化剂颗粒沉降在下方，待再次进入反应区的时候，催化剂继续参与反应。

固体反应物进料口1上方设有重锤翻板阀1-1，可使反应器腔室与重锤翻板阀之间维持气体相对密闭的状态，避免了系统串风。

反应器的腔室在中心旋转轴的带动下按照设定的速度单方向进行转动。

如图4、5所示，反应器底部有充气板10，设有多个泡帽，包括泡帽9a(由泡罩9-1和升气管9-2构成)和泡帽9b(由泡罩9-3和升气管9-2构成)，使得气体分布更加均匀、固体颗粒不会出现漏料。充气板10上开有许多圆孔，每个孔上焊有升气管9-2，升气管通过固定的螺丝与上方泡罩相连。泡罩有两种形式，泡罩9-1在低于升气管顶部的周围开有许多竖直条形空孔；泡罩9-3在低于升气管顶部的周围开有许多倾斜向上的条形空孔。工作时，物料从上方进入，气流从下方进入泡帽，穿过充气板10上泡帽9a、9b的气流可使反应区固体反应物颗粒和催化剂颗粒在水平和上下的方向上不断翻腾，保证了固体反应物与催化剂颗粒充分的反应时间，又避免了物料进入升气管，落入下层结构。

在充气板10旋转过程中遍历送风管6对应位置的充气板采用出气口倾斜向上的泡帽9b，其余位置的充气板是采用水平出气口的泡帽9a。

出料区下方的送气管6出口与上方的出料口中心正对设置，通过送气管气流压力或流量的增加或降低，调整整个通道的气体流速。反应物固体粒径控制在百微米级别，且至少小于催化剂颗粒粒径1/10。气体的流速需控制在可供固体反应物颗粒上升排出，催化剂颗粒悬浮或者下降，具体的流速控制需根据两种固体颗粒的粒度大小来调整。为避免出料区送气口风出现逆流，物料进入送风管道内，在送气管6设有逆止阀。送气管6气体采用不参与反应、且易于采用变压吸附法分离的惰性气体，压力需大于反应气体7的压力。

反应气体进口7的进气管道上设有流量阀12，可根据反应需求调整进入反应器下部腔体5-1的气体流量大小。轴冷风套的气体出口4-3通过管道11与反应气进口7直接相连，管道11上设有流量调节阀11-1可调节进入反应器下部腔体5-1的气体流量。轴冷风套的冷却气体可采用反应气体，从轴冷风套的气体进口4-2进入，在冷却中心旋转轴温度的同时，也对反应气体进行初步预热，预热后的气体经由管道11、流量调节阀11-1进入反应器下部腔体进而二次预热，再通过充气板10进入反应器上方腔室参与反应。

反应物温度≥500℃，整个反应器外壳采用耐热钢板，内部需设耐火浇注料；反应器的分隔板采用耐磨陶瓷或者铸造钢材质，可兼顾耐高温和耐磨的要求。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种回转沸腾式固气反应器，包括圆筒状的反应釜(5)、中心旋转轴(4)、固体反应物进料口(1)、催化剂进料口(2)、反应气进口(7)、出料口(3)，其特征在于，在反应釜(5)的顶盖上设置与反应釜(5)相通的固体反应物进料口(1)、催化剂进料口(2)、出料口(3)和下端插入到反应釜(5)中的中心旋转轴(4)，在反应釜(5)中下部设置有将反应釜(5)内腔隔成上下两部分独立腔体的充气板(10)，充气板(10)连接在中心旋转轴(4)的底端并能随着中心旋转轴(4)旋转而转动，在上部腔体中，沿着中心旋转轴(4)周向固定有至少3块竖向的分隔板(8)，分隔板(8)将上部腔体分成至少3个竖向相互独立的反应单元，固体反应物进料口(1)和催化剂进料口(2)位于同一反应单元上方，出料口(3)位于另一个反应单元上方，中心旋转轴(4)的旋转带动充气板(10)和分隔板(8)一起旋转，使每个反应单元相对于反应釜(5)沿着周向旋转，在下部腔体的底部分别设置有反应气进口(7)和送风管(6)，送风管(6)顶端伸入到下部腔体中并与充气板(10)底面相邻，送风管(6)出口与上方的出料口(3)中心正对设置，充气板(10)上开有多个圆孔，圆孔上安装有泡帽(9a、9b)，使反应气体通过反应气进口(7)进入下部腔体再通过充气板(10)上的多个圆孔进入上部腔体与固体反应物反应。

2.根据权利要求1所述回转沸腾式固气反应器，其特征在于，所述中心旋转轴(4)包括位于中心的转轴，转轴上套有底部相通的双层套管，内层套管上设置有轴冷风套进风口(4-2)，外层套管上设置有轴冷风套出风口(4-3)，分隔板(8)固定在外层套管的外壁上，在中心旋转轴(4)的顶部设置有驱动电机(4-1)。

3.根据权利要求1所述回转沸腾式固气反应器，其特征在于，所述下部腔体为球冠形，内壁加设电阻丝，用于预热反应气体。

4.根据权利要求1所述回转沸腾式固气反应器，其特征在于，所述送风管(6)上设有逆止阀(6-1)。

5.根据权利要求1所述回转沸腾式固气反应器，其特征在于，所述分隔板(8)采用耐磨陶瓷或铸造耐热钢板材质。

6.根据权利要求1所述回转沸腾式固气反应器，其特征在于，所述反应器用于反应物颗粒粒径在百微米级别，且至少小于催化剂颗粒粒径1/10。

7.根据权利要求2所述回转沸腾式固气反应器，其特征在于，多个分隔板(8)均布在外层套管的外壁上。

8.根据权利要求1所述回转沸腾式固气反应器，其特征在于，所述固体反应物进料口(1)上方设有重锤翻板阀(1-1)，使上部腔室与重锤翻板阀之间维持气体相对密闭的状态，避免了串风。

9.根据权利要求1所述回转沸腾式固气反应器，其特征在于，所述充气板(10)旋转过程中遍历送风管(6)对应位置的充气板上一圈的圆孔密度大于充气板上其他位置的圆孔密度。

10.根据权利要求9所述回转沸腾式固气反应器，其特征在于，所述送风管(6)对应位置的充气板上一圈的泡帽采用出气口倾斜向上的形式，其他部位的泡帽采用出气口水平设置的形式。