CN86104626A - 流化床反应器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种循环流化床反应器的操作方法。包含固体反应物料、尤其是含碳燃料的固体颗粒物料，被引入反应器下部，借助于引入到反应器底部的、含气体反应物料尤其是氧气的流化气体，形成一快速床，而未反应颗粒从反应器顶部移出，再循环至床中。一种流化床反应器，包括一垂直反应器室(1)，在反应器室下部(2)的第一进口(9)和反应器底部的第二进口(22)，分别用来引入固体颗粒物料和流化气体，在反应器室上部(4)有一出口管(28)，移出反应器物料。

Description

本发明涉及一种流化床反应器以及该反应器的操作方法。
流化床系统通常用于许多期望在固体颗粒物料与气体之间有良好接触的工艺过程中，典型的例子如热交换过程、多相催化反应和气固直接反应过程等。近年来，人们对流化床系统在燃烧固体燃料的设备上的应用产生了特殊的兴趣。其原因是传统的燃烧器所带来的环境问题，因为在这些燃烧器中，要避免所不希望的空气污染（尤其是由二氧化硫SO2和氮氧化物NOx所引起）花费较大，且又复杂。
本发明的方法和反应器，特别适合于燃烧固体燃料的设备，但它们在下述情况，即在需要加热或冷却床层物料，包括呈颗粒状或能够形成颗粒状的固体物料与气体发生放热或吸热反应的情况下使用时，也有许多优点。
流化床系统按其流化的程度可分成三种类型，即“沸腾床”型、“湍动床”型和“快速床”型。在前两种床型中，流化气体的气速很低（通常为1-3米/秒），使得反应器内固体颗粒基本上留在床中，因而它们被称为“慢速床”。在“快速床”中，流化气体的速度高于（一般大于6米/秒）反应器内固体颗粒的临界速度，这意味着床层颗粒随气流被带走并被带到床外。因而在快速床中，床层物料须被再循环，故对这些系统也采用“循环床”这一术语。这些系统的另一特点是物料沿反应器内流动方向呈降密度分布，直至流动状态可认为是仅有颗粒迁移时为止。
当在燃烧过程中采用有快速流化床或循环床的系统时，至多仅有约5%的颗粒物料为燃料，其余的是惰性物料，特别是沙、灰和硫吸收剂。在这样一个系统中，有必要冷却床层颗粒，否则，燃烧的高温会使这些颗粒烧结。这种冷却可以通过冷却反应器壁或在反应器中插入一锅炉管来实现，如参照美国专利第4084545号。另一可能的办法是循环颗粒物料在返回反应器前，用一外部颗粒冷却器冷却，如参照国际专利合作条约公开说明书PCT/us80/01737号。把这两种冷却系统结合在一起也是可行的。但是这些办法中无一令人满意，原因是它们很难达到最优操作。当只采用冷却表面或在反应器中插入锅炉管时，在反应器截面的径向上温度分布不均匀（尤其在采用冷却反应器壁的情况下），因而将不可能使工艺过程最优化。此外，内冷却表面的冷却效应总是恒定的，与系统的其它操作参数无关，因而进行调节的可能性不大，进而使系统最优化的可能性不大。若采用反应器循环物料的外部冷却，则因为总是有大量所收集的颗粒待冷却而限制了流化速度。此外，外部冷却还限制了反应器所能采用的压力。由于在一定的流化速度下反应器的生产能力随着压力的增大而迅速提高，故特别希望有一较高的反应器压力。
还应进一步认识到，由于循环床有大量的部分惰性部分防火的衬套，故其起动周期相当长。
本发明提供了一种快速流化床反应器的操作方法和一种紧凑的流化床反应器。与前述现有技术的流化床相比，它增大了使工艺过程最优化，包括在加压下操作的可能性。当本发明用于燃烧过程时，该方法并不仅从传热着眼，在脱硫方面尤有特色，而且由于增大了工艺过程最优化的可能性，在燃烧气体中控制氮氧化物的含量也得以实现。此外，本发明的反应器在起动上也有优点。其它的优点可从下面的描述中看出。
在方法方面，本发明涉及的是一种循环床反应器的操作方法，其中含固体反应物的固体颗粒状物料被引入反应器的下部，借助于也被引入到反应器下部的含气体反应物的流化气体，形成一快速床，未反应的颗粒从反应器的上部移出，再循环到床内。该方法的特征在于反应器内固体颗粒物料的预定一部分，从至少一段低于反应器顶部的床中移出，经过热处理，然后再循环到至少一段更低的床内。
依照本方法，可以设立任意数目的回路，籍此有可能移出预定量的固体颗粒状物料，进行冷却或加热，再送回到一段或多段更低的床内。这里和下面引用的术语“一部分”应理解为，在任意时间内，比在所讨论的床层部分中所含物料的总量少的一个物料量。虽然本发明最重要的应用领域是燃烧过程，但应理解到，在任何其它的放热反应中，只要冷却一部分固体物料和在吸热反应中，提供一外加热量，本发明也有可能很好地适用。
作为本发明的方法所述的固体反应物，可采用任何被分散成细小形状的物料以便于流化。在燃燃过程中，固体反应物将由燃料提供，它一般为煤，包括褐煤或无烟煤，但也可采用其它含碳的物料，如生物物料，垃圾、木料、泥煤和石油焦。燃料的细度不是关键性的，一般可从0-40毫米左右，尤其是0-10毫米左右。燃料可以与任何惰性颗粒物料，如沙混合后引入，也可是水悬浮液，如以糊状或浆状形式加入。一般，反应器中固体物料的2-5%是燃料，其余是惰性颗粒物料，包括硫吸收剂。
煤由于产地不同，含有不定量的硫，一般含硫1-3%。燃烧过程的脱硫通常是这样进行的：焙烧石灰石使二氧化碳放出，然后，所形成的氧化钙与二氧化硫和氧气反应得到硫化钙。焙烧过程是吸热的，而形成硫化钙是放热反应。现已发现，在下述条件下本发明的方法有可能特别有利，即石灰石焙烧所需热能可由床中循环的部分固体物料提供，而石灰石可在物料移出进行热处理的那一段引入，直接与循环固体颗粒物料相混合。这里石灰石是在二氧化碳分压较低的区域内焙烧的，即使在加压下操作该反应器仍能实现高度焙烧。在紧接着的氧化钙和二氧化硫的反应中，产生了有用的热量，所形成的硫化钙根据需要可从烟道气中分离出。
作为本发明方法中的流化气，任何含气体反应物的气体均可采用。在燃烧过程中，流化气为空气，引入时部分作为一次气，部分作为二次气。一次气引入量最好对应于燃烧挥发性物质和把碳氧化成一氧化碳所需的量，此外还取决于固体进料量。
如上所述，在本发明的方法中，形成了一个快速流化床或循环床系统。在实际上，可通过这样实现：把流化气，特别是一次空气，以取决于粒径分布速度、优选0.4-3米/秒，最好为0.6-2.0米/秒的速度，引入到反应器的下部，因而最初形成一沸腾床或湍动床。从该床的这一表面起，一部分颗粒（优选的粒径小于2000μ，特别是小于300μ），借助于流化气被“冲起”，然后，升起的颗粒（优选5-300千克/米2秒，特别是15-70千克/米2·秒），有可能借助于所引入的二次空气，随流化气被带走。然后，这些颗粒上升通过反应器变成一快速床。
每一相分隔的预定部分的物料量，最好占对应反应器截面上颗粒量的30-70%（重量），这些物料经热处理后再循环，进而有可能向该床的一个或多个更低的床段提供颗粒。引入到该床的低一级床段的颗粒量可以与从上一段分离出的相同，但最好为所引入床段中反应器截面上颗粒量的30-70%（重量）。如果需要在反应器系统内形成一个向下的颗粒积聚，也可向床内引入大量的颗粒。这样一个不稳定的颗粒的积聚，通常会在进料减少时和空气流量降低时出现。
此外，每一相分隔的预定部分的量还取决于反应器的容积，以便使操作在给定的总物料量和气速下稳定进行。当在单位时间内引入到反应器下部的固体反应物量变化时，流化气体的速度也相应的变化，以便得到新的稳定状态。在燃烧过程中，若进料速率增加，一次空气的量应慢慢增加，最好在所讨论的进料速率下，空气的量是所对应的稳定态操作空气量的1.1～1.3倍。在达到新的稳态点时，一次空气的量再调整到对应的操作值。如果进料速率下降，一次空气的量也相应慢慢下降，最好也降到对应于稳态操作所需空气量的1.1～1.3倍，直到形成一种新的平衡态后，一次空气的量再调整到对应的操作值。实际上，在加速和减速期间，空气的量可作为固体反应物中挥发性物质的量的函数来控制，尤其可通过控制二次空气的量。
实际上，二次空气的量可通过在排放到大气中以前的烟道气的氧气检测设备控制。二次空气可这样调节，即恰好使湍动床变为快速循环床，並且与此同时一氧化碳氧化成二氧化碳，挥发性氧化硫被氧化成CaSO4。
矿物氮氧化物NOx被湍动区所含燃料中的烃还原为氮，通过引入NH3，尤其是二次空气，可使其进一步还原。
在稳态操作，尤其是减速操作过程中，有可能使燃烧过程保持在恰好低于或高于理论所需空气量的平衡点上。因而有可能在大气压下操作时，通过加入摩尔比为0～2.5，最好为1.2的脱硫物料，使烟道气中仅含低于200PPm的SOx，200PPm的NOx和200PPm的COx。在加压下操作时，这些数值还可以更低。在优选的条件下，烟道气中没有或极少测试到有有害的聚芳香烃。
另一方面，本发明提供了一流化床，它包括一个垂直反应器室，通向反应器室下部的第一和第二进口，（分别用于引入固体颗粒物料和流化气体）以及反应器室上部，移去反应物料的出口管。所说的反应器的特征在于，在所说的引入和移出固体颗粒物料的第一进口和出口管之间，至少应另设有一个出口管，以移出固体颗粒物料，所说的至少另一个出口管，经过冷却或加热元件，弯回到反应器，作为至少另一个固体颗粒物料的进口。
这一反应器适用于完成上述的本发明的工艺过程，这里另一或另外的出口管使得移出固体颗粒物料的预定部分成为可能，並有可能控制其加热或冷却，並把这些颗粒物料送回到床的一个或多个更低的床段，也有可能延长物料在床中的停留时间。
在本发明的反应器的优选实施例中，移出颗粒物料的另外出口管包括一个或多个反应器室上的扩大段。在反应器的这些扩大段，设有一换热器以便与所移出的固体物料进行热交换，因而借助于这一换热器可进行所需的热处理。或者，固体物料也可送到一外部热处理装置，如一换热器，再从那里送回到反应器。
在夹带流化物料的流化气体通过反应器扩大段时，沿反应器壁的床的外围流化速度自动下降。流化速度的变化大约与反应器截面变化的平方成反比，因此反应器截面增大一倍，流化速度则为原来的 1/4 。很显然，通过适当的反应器扩大段结构，可使流化气速降到这样的值，即最大的颗粒和较小颗粒的颗粒积聚块可因为重力效应而下沉，从而它们能从底部通过所述的出口管，（从反应器的该扩大段）被送到该床的更低的床段中。出口管设有合适的阀门元件，籍此可控制固体颗粒再循环的量。此外在反应器扩大部分中的下沉颗粒可通过引入补充气体，如二次空气或再循环尾气流化，由此反应器的扩大部分可成为一沸腾床，此外，还可在扩大的反应器段设置添加固体物料的进口，包括添加脱硫物料，一般如上述的石灰石。
本发明的反应器可包括任意个反应器扩大段，它附带用于热处理和向反应器送回颗粒物料部分的管道。由于上述的附设管道的反应器扩大段的制造增加了反应器的成本，一般设尽可能少的扩大段，一般不大于三段，尤其是仅有二段，而最好仅有一个反应器扩大段。由于附加了固体物料的热处理，故在反应器室的出口端或在最后一个反应器扩大段上可另设一热处理用的元件;该元件最好是用于所积聚固体物料的带出口管的流化床冷却器或一个换热器，最好是一冷却盘管。位于反应器顶部的冷却盘管一般遭受很大磨损，但在本发明的反应器中，大量的颗粒将在前面的分离器中移出，因而颗粒速度将大大下降。因而，在现在的情况下，冷却盘管将不会遭到很大的磨损。用床冷却器或冷却盘管，气体和颗粒的温度可降到允许旋风分离器采用普通碳钢的程度，因而可避免使用不适当的防火衬套。
在反应器中未参加反应的部分固体反应物料，与惰性颗粒物料，灰尘等，借助于出口气体，通过在反应器室的上部的出口管路排出，然后，这些固体颗粒，可用公知的方法，借助于颗粒分离器尤其是旋风分离器进行分离。回收的固体颗粒可从旋风分离器的底部，送到贮库或送到反应器，最好通过一个或多个进口，送到从反应器中移出的颗粒物料部分中。在反应器的上部可设置几个颗粒分离器，在这种情况下，它们可为绕反应器对称分布的旋风分离器，如两个径向相对的旋风分离器。不管是在仅有一个还是尤其是几个旋风分离器的情况下，从反应器中移出固体颗粒的出口管可进入反应器上部的一侧，管道的一小部分插入到反应器中，可在一定程度上避免沙落入旋风分离器中。
本发明的方法可在正常大气压下实现，但如上所述，反应器的压力提高是特别希望的，因为它使生产能力提高。对于加压下的操作，纯化后的烟道气可以驱动一透平增压器，它再把气体反应物料如大气、压缩到所需的操作压力，最好在1～3.5巴之间或高达12-16巴。
在大气压下起动或操作时，透平增压器脱离或关闭，空气的供给借助于空气压缩机，它最好由电机驱动。
在起动阶段，为了加热或预热气体反应物，可用一锅炉，该锅炉一般可烧煤气或石油，在燃烧过程中，这一起动锅炉可与一次空气回路耦联，加热或预热空气，直至燃烧过程进行或达到所需的温度。接着可向反应器中加入固体燃料进行进一步加热。该起动锅炉被切断或仅用作空气预热器，一般从650℃直至达到操作温度。
本发明的方法和反应器，将参考附图说明如下，其中
图1表示本发明的反应器的一种实施例，它带有三个反应器扩大段;
图2表示本发明的一种反应器，带有一个反应器扩大段，並处于操作状态。
图1所示的反应器由一基本上呈圆柱形的反应器室1组成，它包括底室2，反应器中间扩大段3a和3b及反应器顶部扩大段或顶室4。反应器扩大段3a、3b和4通过任意数目特别是从1到12及从1到6个具有调节阀6的下流管5，与相应的更低的反应器床段相连。调节阀6可以为L-阀、混合调节器或类似装置，以调节物流。标号7表示向每一反应器扩大段底部引入二次空气的进口，添加的物料，包括脱硫物料，可通过管道8引入到反应器扩大段3a和3b，而一次固体反应物料，如燃烧和惰性颗粒物料，可通过管道9引入到底室2内。如果需要，固体物料可通过管道10移出。
在如图所示的实施例中，顶室4中设有一流化床冷却器11，可通过出口管12把积聚的物料，从该处引到贮库13或经管14引进底室2。标号15表示带气体出口管16和底部出口管17的旋风分离器，出口管17经带适当的阀18的支管通向贮罐19，或通过管20通向下流管5。在反应器扩大段3a、3b和4中，标号21表示用作换热器的管道，它从外部引入换热介质。最后，反应器在其底部设有一进口管22，引入流化气体，该管路还设有一支管23，它通过上述的进口7向各个反应器扩大段3a、3b和4的底部提供二次空气。通过进口7的补充气体可来自经由出口管16排出的旋风分离器15的出口气体、透平增压器和支管24。所有已示出的管路，不管是否已经标明，均设有合适的阀门件，以便调节它所输送的所有的量。
现在参考燃烧过程，解释一下所示反应器的操作模型。
占燃烧过程所需空气总量的50～100%的一次空气，通过管道20经喷头25（用虚线表示）引入到底室2中。适当的固体颗粒燃料，惰性物料和可能的脱硫物料，一起或各自经进口9通入底室2中，从而形成一流化床。在反应器室1中经过预定的一段床层，气体和固体颗粒进入反应器第一扩大段3a，在此反应物料的预定部分被移出。移出物料可因重力效应由流化速度的下降所引起，但也可由标号26所示意的装置所引起。这些装置可为气动、机械传动或电动。从反应器扩大段3a移出的物料量取决于通过换热器装置21冷却后能通过下流管5的数量。从管道23来的二次空气或通过管道24的再循环气或者它们的混合气，可通过管道7送到反应器扩大段3a的底部，进而形成一流化床30，它一般为沸腾床。在本发明的优选实施例中，脱硫物料通过进口8送到这一床中。
在由反应器扩大段3a进行第一分离阶段后，气体、未分离的床层物料部分和可能的从高分离段送来的再循环床层物料，与由进口7引入的二次空气或再循环气体一起，被送到下一级反应器扩大段3b。物料在此进行与反应器扩大段3a的分离阶段原理相同的第二分离阶段。冷却后的床层物料从这一第二分离阶段起，被再循环到反应器底部或另一所选择的反应器床段。
第二分离阶段的气体与床层物料一起，被送到顶室4，此处床层物料进行冷却，原理与反应器扩大段3a和3b相同。此外，这里床层物料可通过流化床冷却器11冷却，气体和剩余的部分床层物料通过冷却器的喷头27，床冷却器11中积聚的物料可通过支管12移出，送到贮罐13或送到底室2。或者，也可采用冷却盘管29进行冷却，或用这样的冷却盘管进行辅助冷却。
出口气体，与所剩床层物料一起，经出口管28从反应器顶部送到旋风分离器15中，根据最后的要求对气体纯化，分离出的物料由管道17卸出，再循环到反应器1中或送到贮罐19内。
至于反应器起动，有可能借助于适当的控制仪器，在反应器第一扩大段3a上停床，从而用较小的颗粒物料量，达到较快的起动周期。
图2表示本发明反应器的另一个实施例，标号与图1相对应。该实施例仅有一个反应器扩大段4，与图1相比，管道设置上作了一些变动。管道10可以移出位于底部中间的固体物料，补充的流化气体可通过管32送到管道10中;在反应器的下部设置了几个喷头22以引入一次空气，附属管道22a用于引进二次空气，出口管道28借助于接头伸入反应器扩大段4的上部一侧。此外，虚线表示可能的设有出口管16的备用旋风分离器15。反应器的实际直径用d表示，反应器扩大段的直径用D表示。气体迴路用虚线和箭头表示，颗粒迴路用实线和箭头表示。

Claims (17)

1、一种循环流化床反应器的操作方法，其中含固体反应物料的固体颗粒被送入该反应器的下部，借助于被送入反应器下部的，含气体反应物料的流化气体，形成一另速床，而未反应的颗粒物料从反应器的上部移出，并再循环到床内，其特征在于在反应器中的固体颗粒物料的预定部分，从至少一段低于反应器顶的床段中移出，进行热处理，然后再循环到至少另一更低的床段内。
2、根据权利要求1所说的方法，其特征在于固体反应物料是含碳燃料，气体反应物料是氧气，而热处理为冷却。
3、根据权利要求2所说的方法，其特征在于在冷却所移出的颗粒部分时，加入脱硫物料，最好为石灰石。
4、根据权利要求2所说的方法，其特征在于在反应器的出口端反应器物料进行进一步冷却。
5、根据权利要求1所说的方法，其特征在于在反应器出口气体中的固体物料被再循环，与所移出的固体颗粒物料部分混合。
6、根据权利要求1所说的方法，其特征在于该方法在大气压或加压下进行，最好在1-3.5巴或高达12-16巴。
7、根据权利要求1所说的方法，其特征在于补充气体反应物料被加入到所移出的固体颗粒物料部分中。
8、一个流化床反应器，包括垂直反应器室（1），在反应器室下部（2）分别引入固体颗粒物料和流化气体用的第一进口（9）和第二进口（22），在反应器室上部（4）用来除去反应器物料的出口管（28），其特征在于，在所说的用于固体颗粒物料的第一进口（9）和用于反应器物料的出口管（28）之间，设置有至少一个用于固体颗粒物料的另外的出口管（5、3a、3b、4），所说的另外的出口管经由冷却或加热元件（21）弯回到反应器，作为至少一个另外用于固体颗粒物料的进口。
9、根据权利要求8所说的反应器，其特征在于所说的另外的出口管5包括一个在反应器室上的扩大段（3a、3b、4）。
10、根据权利要求9所说的反应器，其特征在于在反应器扩大部分设有一换热器（21），对所移出的固体反应物料进行热交换。
11、根据权利要求10所说的反应器，其特征在于该反应器扩大段设有一个用以补充气体反应物的进口（7、23、24）。
12、根据权利要求11所说的反应器，其特征在于用于补充气体反应物的进口（7）应做成允许在反应器扩大段形成一个相分隔的流化床。
13、根据权利要求9所说的反应器，其特征在于在反应器扩大段另设有一进口（8），以引入固体添加料，包括脱硫物料。
14、根据权利要求8所说的反应器，其特征在于在反应器室的出口端或最后一个反应器扩大段（4）上，设有一流化床冷却器（11），该冷却器配有用于卸出所积聚的固体物料的出口管（12）。
15、根据权利要求8所说的反应器，其特征在于在反应器室的出口端，设有一换热器，最好为一冷却盘管（29）。
16、根据权利要求8所说的反应器，其特征在于反应器室的出口管（28）与一颗粒分离器（15）、特别是一旋风分离器相通，从该处用一个或多个进口管（20）导向出口管或用于固体反应物料的另设出口管（5）中。
17、根据权利要求8所说的反应器，其特征在于设有一大致呈圆柱形的反应器室（1），带有任忌数目的旋转对称的反应器扩大段（3a、3b、4），每一个包含有一个以形成与反应器主室（1）相分隔的流化床（30）的器室。
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