NO161718B - Fremgangsmaate for utvidelse av arbeidsomraadet for gasshastigheter i msfb-prosesser. - Google Patents

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

Reaktorer basert på medrivnings- eller hvirvel-sjikt og med varierende tverrsnitt er blitt foreslått. For eksempel foreslår US-patent 3.597.327 koniske reaktorer for å kontrollere den relative hastighet av fluidiserende gass i disse.

Multipartikkel-hvirvelsjikt (Multisolid fluidized beds),

i det følgende betegnet MSFB-anordninger som vist i vårt tidligere US-patent 4.084.545 er også kjent. MSFB-anordninger er meget effektive til å øke effektiviteten av reaksjoner utført i reaktoren. Multipartikkelkonseptet innebærer at store partikler blir fluidisert i et nedre område av reaktoren, mens finpartikler blir medført gjennom reaktoren på samme tid. Finpartiklene resirkuleres ut fra toppen av reaktoren og tilbake til hvirvelsjiktet med grove partikler. I grovpartikkelsjiktet (eller det "tunge" sjikt) vil finpartiklene og mulige faste reaksjons-stoffer kollidere med de større partikler og med hverandre, hvilket øker deres oppholdstid og kontakt i reaktoren, slik at både tiden og muligheten for fullstendig reaksjon av alle reaktanter blir forbedret.

En annen metode til å forbedre reaksjonseffektiviteten i

en MSFB er å resirkulere større mengder av finpartikler. En større resirkulering av finpartikkelinnholdet synes å øke oppholdstiden på grunn av en selv-inhibiterende effekt ved hver passering gjennom reaktoren og likeledes på grunn av det økede antall engangs gjennomløp over tid. Resultatet er en økning i forholdet mellom oppholdstid i reaktoren og lagringstiden i sykloner og siloer utenfor reaktoren i påvente av gjeninnføring. Varmeoverføringen til en ekstern varmeveksler kan også forbedres.

Uheldigvis bevirker den økede resirkulering et problem

for MSFB-anordningen som inntil nylig var upåaktet. Den oppad-gående bevegelse av finpartikler er tilbøyelig til å løfte grovpartiklene ut av deres tette eller tunge fluidiserte sjikt og på et eller annet nivå av resirkuleringen, til en medrivnings-tilstand. Dette ville selvsagt eliminere fordelene med MSFB.

Det er f.eks. observert at et spesielt grovpartikkelsjikt kan fluidiseres alene ved omkring 3 m/sek. (overflatehastighet av gassen), men ikke rives med inntil gasshastigheten overskrider 30 m/sek. En høy sikkerhetsmargin for gass-sjokk eller andre transiente betingelser eksisterer før partiklene ville gå tapt fra sjiktet. Med en resirkulering av finpartikler i omradet ved f.eks. omkring 30-75.000 kg/hr-m 2, forblir imidlertid fluidiseringshastigheten omkring 3 m/sek., men grovpartiklene blir medrevet (i gassen og resirkulerende partikler) ved en gasshastighet så lav som 10 m/sek. Det er klart at feilmarginen er betydelig redusert. Med høy resirkulering kan gass-sjokk eller -blaff alene blåse grovpartiklene ut av reaktoren.

Oppsummering av oppfinnelsen

Den ovenfor beskrevne medrivning av grovpartiklene kunne reduseres ved å øke vekten (størrelse eller tetthet) av partiklene. Men ved lavere gasshastigheter eller lavere resirku-leringsgrader i situasjoner med lav belastning, har disse tunge partikler en tendens til å skille seg ut og forbli ufluidiserte, hvilket igjen er skadelig for en effektiv operasjon av MSFB.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å overvinne

de uønskede tilstander av medrivning eller ufluidisering i det tunge eller tette sjikt i henhold til MSFB, som følge av endringer i gasshastighet eller resirkuleringsgrad av finpartikler, og oppfinnelsen defineres nøye i de vedføyde patentkrav.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvender store grove partikler for å hindre medrivning ved høy gasshastighet og forhindrer så avsetning av disse ved lav gasshastighet ved å etablere et høyhastighetsområde ved bunnen av reaktoren og et lavhastighetsområde ovenfor. Fluidiseringsgassen fluidiserer eller river med grovpartiklene i høyhastighetsområdet og hvis de medrives heves grovpartiklene til lavhastighetsområdet i reaktoren hvor de forblir eller taper sin oppdrift og faller tilbake til høyhastighetssonen. Høyhastighetsområdet kan fortrinnsvis ha form av en sone med redusert tverrsnitt i det nedre parti av reaktoren. Dette befinner seg nedenfor og støtende til et øvre område med større tverrsnitt. Finpartikler blir i mellomtiden resirkulert ut ved toppen av reaktoren og tilbake til reaktoren i høyhastighetsområdet.

Prosessen blir startet ved å fylle reaktorsonen med redusert tverrsnitt til et passende nivå med store tettsjikt-partikler. Fluidiserende gass blir innført gjennom en fordelingsplate under tettsjikt-partiklene og sjiktet blir fluidisert. Når dette sjikt har ekspandert tilstrekkelig kan så finpartikler innføres i sjiktet for å bidra til å løfte grovpartiklene og til slutt å resirkuleres gjennom reaktoren. Det avsatte tunge eller tette sjikt bør befinne seg fullstendig innenfor sonen med redusert tverrsnitt, men i tilstrekkelig dybde til at når sjiktet heves av den fluidiserende gass og resirkulerte finpartikler, ligger dets øvre grense over sonen med redusert tverrsnitt.

På tegningsfiguren er det vist skjematisk et oppriss av reaktoren som brukes i den nye fremgangsmåte.

Detaljert beskrivelse

Figuren viser en reaktor for utførelse av fremgangsmåten. Reaktoren 1 omfatter et øvre område eller en sone 7 og en tilstøtende nedre sone 6 med redusert tverrsnitt. En syklon 8, en ekstern varmeveksler eller reaktor 9 og en resirkulerings-gren 11 utgjør en utvendig bane for resirkulering av finpartikler 5 fra toppen av reaktoren tilbake til bunnen. En fordelingsplate 3.fordeler den fluidiserende gass 2 for å fluidisere eller medrive grovpartikler 4 og finpartiklene. Sekundærgass kan tilsettes ved 12.

En konvensjonell MSFB-anordning har likhet med den ovenfor angitte reaktor bortsett fra at reaktoren har et stort sett jevnt tverrsnitt. Drift av den konvensjonelle reaktor omfatter fluidisering av grovpartiklene 4 til et tungt eller tett sjikt i et begrenset rom over fordelingsplaten 3 ved bruk av fluidiserende gass som trer inn ved 2. Finpartikler innføres i reaktoren og blir samtidig medrevet av den fluidiserende gass. Finpartiklene blir kontinuerlig sirkulert gjennom det tunge sjikt og fribord-området,ut ved toppen av reaktoren og tilbake gjennom syklonene og varmevekslerne til den nedre del av reaktoren .

Partikkelstørrelser i grovfraksjonen henholdsvis fin-fraksjonen og hastigheten av den fluidiserende gass må være fint avstemt for å oppnå den ønskede fluidisering og medrivning, oppholdstider for reaktanter og reaksjonseffektiviteter, blant andre mål. Evnen til økning av reaksjonshastigheten eller

-effektiviteten ved økning eller reduksjon av hastigheten av den fluidiserende gass eller resirkuleringsforholdet for finpartikler, er strengt begrenset ved at grovpartiklenes fluidi-

seringsoppførsel er avhengig av disse parametre. Spesielt kan en plutselig økning (sjokk) i gasshastigheten eller resirkuleringshastigheten rive med grovpartiklene ut av reaktoren.

Omvendt kan en reduksjon av gasshastigheten eller resirkuleringshastigheten for å gjøre en reaksjon langsommere, føre til avsetning av grovpartiklene, hvilket generelt fører til dårlig blanding, restriksjon av resirkulerte partiklers inntreden i det tunge sjikt og ujevne betingelser i reaktoren, såsom varme punkter under forbrenningsreaksjoner.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse innebærer bruk av lignende apparatur som ved tidligere kjente MSFB-prosesser, bortsett fra at det anvendes en reaktor med en nedre sone som har betydelig redusert tverrsnitt, med forholdsvis store grovpartikler for det tunge eller tette sjikt. For et gitt tungsjikt-materiale og en gitt gass-strømningshastighet er størrelsen av det nedre område med redusert tverrsnitt beregnet slik at den minste fluidiseringshastighet for grovpartiklene uten resirkulering av finpartikler, blir overskredet. Fortrinnsvis overskrider gasshastigheten i det nedre område den minimale fluidiseringshastighet med i det minste omkring 10%.

Sekundær gass innføres om nødvendig for å fortsette fluidiseringen og fullføre mulige reaksjoner. Det foretrekkes å tilsette bare den gass som er nødvendig for å fluidisere grovpartiklene i det nedre område og hva som ytterligere måtte være påkrevet, ved det nevnte punkt 12 på grunn av kravene til lavere trykkfall og effekt. Størrelsen av den større øvre sone er beregnet slik at den minste fluidiseringshastighet for grovpartiklene med resirkulering av finpartikler bare så vidt overskrides. Høyden av det nedre område og dybden av grovpartikler velges slik at den øvre grense av det avsatte tunge sjikt ligger innenfor det nedre område og den øvre grense av det fluidiserte tunge sjikt ligger innenfor det øvre område. Resirkuleringsgrenen 11 må tre inn i reaktoren innenfor det nedre område.

Den nye fremgangsmåte ved oppstarting og opprettholdelse

av MSFB-operasjonen omfatter anordning av grovpartiklene i den valgte dybde og innføring av fluidiserende gass med en tilstrekkelig hastighet til å overskride den minste fluidiseringshastighet for grovpartiklene i det nedre område. Resirkulerte

finpartikler blir så i stand til å innføres i den nedre seksjon for ytterligere å heve grensen av tungsjiktet til det øvre område. Kombinasjonen av høyhastighetsgass i sonen med redusert tverrsnitt og finpartikkel-resirkulering virker sammen til å holde de større grovpartikler fra å skilles ut.

I virkeligheten skjer kombinasjonen vanligvis under normal operasjon for å medrive noen av grovpartiklene i det nedre område opp til det øvre område med utvidet tverrsnitt hvor overflate-hastigheten er mindre. Grovpartiklene kan så falle tilbake til det nedre område igjen eller kan fluidiseres i en lavere del av det øvre område hvis gasshastigheten og resirkuleringsgraden eller -hastigheten er tilstrekkelig høye. Hvis partikkel-størrelsene og andre driftsbetingelser velges på denne måte for normal operasjon, kan systemet "reguleres ned" i vesentlig grad (lavere gasshastighet og/eller resirkuleringshastighet) for en situasjon med lav belastning uten at grovpartiklene utskilles. Dette bredere arbeidsområde eller denne større evne til ned-regulering er én av de viktige fordeler sammenlignet med tidligere kjente hvirvelsjikt og MSFB-prosesser. Med de forholdsvis større tungsjiktpartikler er det i virkeligheten funnet at foreliggende MSFB-metode typisk kan kjøres med den dobbelte driftshastighet av tidligere systemer uten at det opptrer avsetningsproblemer ved de lave operasjonshastigheter og uten tap i reaksjonseffektivitet. Ved høye hastigheter ville dette muliggjøre bruk av MSFB for ytterligere reaksjonstyper, såsom hurtige kjemiske reaksjoner f.eks. Arbeidsområdet for gasshastighet kan være i det minste dobbelt så stort som ved tidligere kjente MSFB-reaktorer.

De øvre og nedre seksjoner kan hver ha i det vesentlige konstant tverrsnitt eller de kan være koniske. På tegningsfiguren er den sylindriske øvre seksjon vist med en stump-konisk seksjon ved sin nedre ende inntil den nedre sone med redusert tverrsnitt. En konisk overgangsseksjon er ikke nød-vendig, men foretrekkes for å hindre død-områder nær de ytre hjørner hvor partikler kunne slå seg til ro utenfor strømnings-banen for fluidiseringsgassen. En reaktor uten diskrete områder, d.v.s. med en jevn konisitet over hele sin lengde kunne også anvendes, selv om vi antar at dette ville gi lavere effektivitet og høyere produksjonsomkostninger.

De grove tungsjiktpartikler er fysikalsk og kjemisk inerte som ved konvensjonelle MSFB-prosesser, men kan om ønskelig være betydelig større. Konvensjonelle sjikt har grovpartikler i nærheten av -8+16 mesh (U.S. Standard) mens "partikler" opp til i det minste omkring 2,5 cm og større kan anvendes ved foreliggende fremgangsmåte. Dybden av det avsatte tunge sjikt kan også være mindre enn i tidligere kjente MSFB-reaktorer, hvilket fører til lavere trykkfall og lavere driftsomkostninger. Dybder av størrelsesorden 15 cm er brukt med godt resultat.

Finpartiklene i det medrevne sjikt er fortrinnsvis inerte og stabile ved driftstemperaturen og har konvensjonelle størrelser i området fra -16+140 mesh og finere. Andre konvensjonelle materialer såsom kalksten eller kalk i forbrennings-prosesser for å oppfange svovel, kan også tilsettes. Når oksydasjonsbetingelser dominerer omfatter de grove og fine komponenter fortrinnsvis metaller eller metalloksyder såsom jernoksyd. Et spesielt materiale som kan brukes som den ene eller den annen komponent er hematittmalm inneholdende omkring 93% jernoksyd, Fe20-j, og leveres under varemerket "Speculit" fra CE. Minerals, Inc., King of Prussia, Pennsylvania, U.S.A. Komponentene kan eventuelt omfatte nikkel, nikkeloksyd eller f.eks. aluminiumoksyd. De grove og fine komponenter kan i noen tilfeller som skal omtales nedenfor, omfatte en reaktant såsom koks eller skifer. Finkomponenten kan også dessuten omfatte silika eller en reaktant såsom kalksten eller dolomitt under betingelser hvor det ønskes oppfanging av svovel.

Det er funnet at det er teoretisk mulig, skjønt muligens vanskelig i praksis, å anvende en reaktant som i det minste en del av grovpartikkel- eller finpartikkel-komponenten. F.eks. kan skifer eller oljehTidig bergart som omfatter hydrokarboner i et hovedsakelig inert fast residuum, brukes som grovkompo-nenten, og efter male- eller slipe-virkning som fin-fraksjonen. Kull og koks har mindre residuum, men kan allikevel brukes på samme måte. Reaktanter som har et i det vesentlige inert residuum er lettere å inkorporere i fremgangsmåten, men alle disse reaktanter er vanskelige og krever nøye kontroll og plan-legning for å holde den nødvendige grovpartikkel-dispersjon og resirkulering av det medrevne sjikt. Spesielt er det kritisk med hensyn til tilsetning av nye reaktanter og fjernelse av residuum i korrekte mengder for å gjennomføre metoden.

Overflate-gasshastigheten i reaktoren kan være meget høy sammenlignet med ettsjikt-systemer og med tidligere kjente MSFB-systemer. Hastigheter i området ved omkring 9,2 til 18,4 m/sek. er brukbare for effektiv operasjon. En oksygenholdig gass for oksydasjonsreaksjoner, en hydrogenholdig gass for reduksjons-eller hydrogenerings-reaksjoner, en inert gass for pyrolyse-reaksjoner og damp for gassifiseringsreaksjoner er foretrukne fluidiseringsmedia. Fluidum-mediet kan også omfatte en væske eller en oppslemning, såsom en kulloppslemning i tilfellet av en likvidifiseringsreaksjon.

Prosessen kan anvendes med den store variasjon av reaksjoner som nå utføres i hvirvelsjikt. Den foretrukne reaksjon er forbrenning og den foretrukne reaktant er partikkelformig kull som kan mates til det tunge sjikt i store dimensjoner. Dette muliggjør omkostningsbesparelser ved at kullet ikke trenger å være finmalt. Det er funnet at reaktantpartikler større enn grovpartiklene kan bringes i oppdrift av de gjensidig virkende partikleri de to sjikt. For eksempel kan store stykker av kull og skifer på i det minste omkring 5 cm diameter brennes i prosessen.

Eksempler på foretrukne utførelser

Eksempel 1 - Forbrenning i en reaktor på 15,25 cm.

Det ble utført forbrenningsprøver i en reaktor med diameter 15,25 cm i det øvre område som ender i en stump-konisk seksjon med lengde 17,5 cm sammenføyd med en nedre sone som har en diameter på 7,5 cm og en lengde på 35 cm. Resirkuleringsgrenen var innsatt ved omkring midten av den nedre sone med redusert tverrsnitt.

Det ble kjørt forbrenningsprøver ved anvendelse av kull av typen Illinois nr. 6, malt til en størrelse svarende til -8+10 mesh. Det ble brukt to typer av grovpartikler for tungsjiktet: 1,27 cm aluminiumoksyd-malekuler (densitet 3,4,

vekt 4,55 g) og 1,27 cm lange rustfrie stålringer (densitet 8,0, vekt 10,9 g) laget av tykkvegget rør (1,4 cm ytterdiameter,

0,79 cm innerdiameter). Det medrevne sjikt av finpartikler besto av -20+100 mesh silikasand. Kullet og finmalt kalksten for svoveloppfanging ble matet inn i tungsjiktet med finpartik-kelresirkuleringen. Resirkuleringsgraden var omkring 720 kg/h

(39.700 kg/h-m<2>) ble brukt.

Detaljerte betingelser og resultater er vist i tabell 1. Grovpartiklene ble fluidisert/medrevet i den nedre sone ved en overflatehastighet på 12,2 m/sek. Forbrenningsvirkningsgrader på omkring 99% ble oppnådd ved høye gasshastigheter og for-brenningshastigheter. Med de rustfrie stålringer nærmet forbrenningshastigheten seg 0,2 millioner kcal/h ved 14,4 m/sek., som begge er omkring det dobbelte av beregnet kapasitet for konvensjonell MSFB-operasjon i en reaktor på 15,25 cm. Svoveloppfanging var overensstemmende med konvensjonell MSFB.

Eksempel 2 - Forbrenning i en reaktor på 25,4 cm

Det ble kjørt én forbrenningsprøve med flytende koks og

to ytterligere med kull av typen Illinois nr. 6 i en reaktor med diameter 25,4 cm. Det øvre parti av reaktoren var redusert over en lengde på 20 cm for ved sin nedre ende å slutte seg til en sone med redusert tverrsnitt av diameter 10,1 cm. Denne nedre sone hadde en lengde på 53 cm. Et resirkuleringsrør for finpartikler var innført i den nedre sone omkring en tredjedel av veien opp fra bunnen.

Kullet var det samme som i eksempel 1, likesom det fine medrevne sjikt (sand). Resirkuleringshastigheten var omkring 2000 kg/h (39.600 kg/h-m ). Den flytende koks besto av omkring 87% karbon og hadde overveiende en størrelse på -40+70 mesh, selv om noen finere fraksjoner var til stede i mindre mengder. Kalksten med temmelig jevn partikkelfordeling svarende til

-50+325 mesh, men overveiende -100+325 mesh ble innført med brenselet og resirkulert finpartikkelmateriale. Grovpartiklene i tungsjiktet var enten 1,27 cm sintrede bauksitt-kuler eller 1,2 7 cm sintrede jernmalm-kuler. Andre betingelser og prosess-resultater er vist i tabell 2.

"Karbonutnyttelse og svoveloppfanging er overensstemmende med konvensjonelle MSFB-prosesser. Imidlertid var operasjonen betydelig mindre stabil enn i eksempel 1 som følge av til-stopning i det nedre område med redusert tverrsnitt, bevirket av veggfriksjon. Det antas at dette kan forårsakes av den store lengde av område med redusert tverrsnitt (53 cm). Derfor bør denne seksjon holdes så kort som mulig for å redusere tilstop-ning i tungsjiktet og trykkfallet til et minimum.

Det er imidlertid ingen tvil om at området med redusert tverrsnitt muliggjør anvendelse av meget større tungsjiktpartikler. Dette tillater et utvidet nedreguleringsområde for prosessen og høyere absolutte gasshastigheter for å utføre nye reaksjoner i en MSFB-anordning eller for å fullføre slike tidligere reaksjoner mer effektivt.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for utvidelse av arbeidsområdet for gassstrømningshastigheter i MSFB-prosesser, dvs. "multipartikkel-hvirvelsjiktprosesser" hvor en fluidiserende gass bringes til å gjennomstrømme sjikt med partikler av forskjellige størrelser, som anvender et overlappende grovpartikkel-hvirvelsjikt med et medrivningssjikt av resirkulerende finpartikler i en MSFB-reaktor, karakterisert ved at det tilveiebringes et høyhastighetsområde for den fluidiserende gass i en nedre del av grovpartikkel-hvirvelsjiktet og et område med lavere hastighet i en øvre gjenværende del av grovpartikkel-sjiktet, og at finpartiklene resirkuleres fra den øvre del av reaktoren til høyhastighetsområdet av grovpartikkel-sjiktet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det benyttes finpartikler og grovpartikler som i det vesentlige er fysikalsk og kjemisk inerte.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en sekundær gass innføres i området med lavere hastighet.

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den høye hastighet respektive den lavere hastighet tilveiebringes ved at den fluidiserende gass bringes til å strømme suksessivt gjennom en nedre sone av reaktoren med redusert tverrsnittsareal og en tilstøtende øvre sone med uredusert tverrsnittsareal sett i gassstrømnings-retningen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at finpartiklene resirkuleres fra toppen av reaktoren til det fluidiserte grovpartikkel-sjikt ved bunnen av reaktoren.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at grovpartikkel-sjiktet fluidiseres i den fluidiserende gass i den nedre sone, og at finpartiklene innføres i grovpartikkel-sjiktet i den nedre sone, idet hastigheten av den fluidiserende gass velges slik at finpartiklene medrives i den fluidiserende gass i både den nedre og den øvre sone med en hastighet som er tilstrekkelig til å opprettholde nivået for den øvre grense av grovpartikkel-sj iktet i den øvre sone.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at fluidiserende gass innføres med en hastighet som er tilstrekkelig uten resirkulering av finpartikler, til å heve den øvre grense av grovpartikkel-sj iktet inn i det øvre sone.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at det benyttes en reaktor hvor den ene av den øvre eller den nedre sone har i det vesentlige jevnt tverrsnitt over sin lengde, og at den annen av de to soner ikke har jevnt eller konstant tverrsnitt over sin lengde.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at det benyttes en reaktor hvor den nedre sone har i det vesentlige jevnt tverrsnitt over sin lengde og den øvre sone er delt i to delsoner hvorav øverste delsone har i det vesentlige jevnt tverrsnitt og den nederste delsone er en konisk forbindelsesseksjon for tilknytning til den nedre sone.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at det benyttes en reaktor hvor enten den øvre sone eller den nedre sone har konisk form.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at det benyttes en reaktor hvor både den øvre og den nedre sone har konisk form.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at det benyttes en reaktor hvor den øvre og den nedre sone har kontinuerlig avtagende konisitet fra toppen til bunnen av reaktoren.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at det innføres en sekundær gass i den øvre sone.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at det innføres fluidiserende gass med en hastighet som er utilstrekkelig, uten resirkulering av finpartikler, til å heve grovpartikkel-sjiktet inn i den øvre sone ytterligere.