PL167240B1

PL167240B1 - zem i rozdrobnionym materialem stalym i urzadzenie do przeprowadzania reakcji egzotermicz- nej lub endotermicznej w reaktorze miedzy gazem i rozdrobnionym materialem stalym PL PL

Info

Publication number: PL167240B1
Application number: PL91293179A
Authority: PL
Inventors: Jean Vidal; Philippe Payen; Jean-Claude Semedard; Jean-Xavier Morin
Original assignee: Stein Industrie
Priority date: 1990-04-20
Filing date: 1991-04-18
Publication date: 1995-08-31
Also published as: CN1035158C; EP0453373A1; RU2048904C1; CA2057028A1; US5316736A; FI915961A0; EP0453373B1; SK112291A3; US5453251A; AU7795991A; DE69100318T2; HUT61912A; CN1056443A; ATE93747T1; HU914011D0; CZ112291A3; DE69100318D1; JPH05501080A; KR920702634A; CZ285304B6

Abstract

1. Urzadzenie do przeprowadzania reakcji egzotermicz- nej lub endotermicznej w reaktorze miedzy gazem i rozdrobnio- nym materialem stalym, zawierajace co najmniej jeden przewód do wprowadzania rozdrobnionego materialu stalego, co naj- mniej jeden przewód do wprowadzania gazu fluidyzacyjnego i reakcyjnego, o natezeniach przeplywu wprowadzania rozdrob- nionego materialu stalego i gazu fluidyzacyjnego, pozwalajacych na szybka cyrkulacje wstepujaca gazu i rozdrobnionego materia- lu stalego w reaktorze, srodki do transportu mieszaniny gazu reakcyjnego i rozdrobnionego materialu stalego dostajacej sie do cyklonu oddzielajacego u góry reaktora, przewód do odpro- wadzania wytwarzanego w reakcji gazu i przewód do zawracania rozdrobnionego materialu stalego z cyklonu oddzielajacego na dno reaktora, znamienne tym, ze reaktor (1) jest podzielony na trzy strefy: strefe dolna (2) o przekroju S1 ze zlozem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji, strefe górna (3) o przekroju S2 ze zlozem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji, strefe z gestym zlozem fluidal- nym (13) przylegajaca do górnej czesci strefy dolnej............... 8. Sposób przeprowadzania reakcji egzotermicznej lub endotermicznej w reaktorze miedzy gazem i rozdrobnionym materialem stalym, w którym wprowadza sie jednym przewodem rozdrobniony material staly, drugim przewodem wprowadza sie gaz fluidyzacyjny i reakcyjny, i dobiera sie poszczególne nateze- nia przeplywu wprowadzanego rozdrobnionego materialu stale- go i gazu fluidyzacyjnego ustalajac szybka cyrkulacje wstepujaca gazu i rozdrobnionego materialu stalego w reaktorze, po czym odprowadza sie mieszanine reakcyjnego gazu i rozdrobnionego stalego wprowadzanego u góry reaktora do cyklonu oddzielaja- cego oraz odprowadza sie przewodem gaz wytwarzany w reakcji a nastepnie zawraca sie przewodem rozdrobniony material staly z cyklonu oddzielajacego na dno reaktora, znamienny tym, ze do strefy dolnej reaktora ze zlozem fluidalnym o szybkiej cyrku- lacji wprowadza sie gaz fluidyzacyjny o sredniej predkosci wste- pujacej przy pustym trzonie i z pelnym obciazeniem................ FIG. 2 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób przeprowadzania reakcji egzotermicznej lub endotermicznej w reaktorze między gazem i rozdrobnionym materiałem stałym oraz urządzenie do przeprowadzania takiej reakcji w reaktorze, zawierające co najmniej jeden przewód do wprowadzania gazu fluidyzacyjnego i reakcyjnego, przy czym natężenia przepływów odpowiednio wprowadzanego rozdrabnianego materiału stałego i gazu fluidyzacyjnego są takie, że pozwalają nauzyskanie szybkiej cyrkulacji wstępującej gazu i rozdrobnionego materiału stałego w strefach ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulagi.

Przewody do wprowadzania mieszaniny gazu reakcyjnego i rozdrobnionego materiału stałego wchodzą od góry reaktora do cyklonu oddzielającego z tym, że przewody do odprowadzania gazu wytwarzanego w reakcji i przewody do ponownego zawracania do cyklu rozdrobnionego materiału stałego wychodzą z cyklonu oddzielającego i prowadzą na dno reaktora.

Podobne znane techniki przeprowadzania reakcji chemicznych w złożach fluidalnych dzielą się na dwie grupy.

Pierwsza grupa odwołuje się do gęstego złoża fluidalnego i charakteryzuje się istnieniem dwóch odrębnych stref biorąc pod uwagę zagęszczenie rozdrobnionych ciał stałych, które jest większe w pierwszej strefie, na przykład W00 Kg/m3 dla spalanego złoża fluidalnego i znacznie mniejsze od 1 Kg/m3 w drugiej strefie nad pierwszą, oddzielonej od niej powierzchnią stosunkowo dobrze określoną. Różnica prędkości między gazem i cząstkami stałymi nie jest duża. W przypadku reaktorów do spalania, wydajności spalania są nieco mniejsze, na przykład 85 do 95%, a poziom odpadowych tlenków siarki i tlenków azotu jest znaczny, co ogranicza możliwości stosowania tej techniki w instalacjach małej mocy.

W ramach technik pierwszej grupy zaproponowano w brytyjskim opisie patentowym GB-A-1412 033 podzielenie reaktora do spalania o gęstym złożu fluidalnym przez przegrodę pierścieniową do krawędzi dolnej ciągnącej się od siatki fluidyzacyjnej w regionie środkowym spalania gęstego złoża i w obszarze pierścieniowym gęstego złoża z cyrkulacją zstępującą stałych cząstek, jedynie w celu zapewnienia wymiany ciepła z płaszczem otaczających reaktor. Część

16*7240 stałych cząstek w obszarze środkowym o gęstym złożu przesiewa się ponad przegrodą pierścieniową i schodzi do obszaru pierścieniowego o gęstym złożu, następnie powraca do strefy środkowej spalania pod dolną krawędzią przegrody pierścieniowej. Tego typu urządzenie ma poprzednio wskazane wady reaktorów o gęstym złożu fluidalnym, głównie istnienie strefy reakcyjnej o bardzo małym zagęszczeniu ciał stałych nad gęstym złożem z drugiej strony zapewnia ono recyrkulację materiałów stałych wychwytywanych jedynie w części górnej gęstej strefy fluidalnej w taki sam sposób jak przy stosowaniu cyklonu, który byłby umieszczony na wyjściu ze złoża fluidalnego.

Druga grupa znanych technik dotyczy złoża fluidalnego zwanego cyrkulacyjnym, typu opisanego w artykule REH, który się ukazał w czasopiśmie Chemical Engjneering Process (w lutym 1971). Jest ono zastosowane zwłaszcza w patentach francuskich 2 32101 i 2 353 332 (Towarzystwo Metalowe). Od pierwszej grupy odróżniają zwłaszcza nieobecność powierzchni rozdzielającej obydwie strefy i istnienie jednakowych temperatur reakcji w zespole reaktora. Zagęszczenie rozdrobnionych materiałów statych zmienia się w sposób wyraźnie ciągły od dołu do góry całości reaktora, a różnica między prędkościami gazu i cząstek stałych jest dużo większa. Wydajności spalania w reaktorach do opalania są lepsze, a poziom odpadowych tlenków siarki i tlenków azotu są mniejsze. Technika ta może być stosowana w instalacjach większej mocy, ma jednakże pewne niedogodności. Można je zauważyć zwłaszcza w przypadku reakcji spalania. Reaktor o cyrkulacyjnym złożu fluidalnym może być opisany w sposób następujący:

a) strefa wysoka o największej objętości, o zmiennym zagęszczeniu cząstek stałych, ograniczonym, jednakże wystarczającym. W tej wysokiej strefie dokonuje się wymiany ciepła, na ogół rurami w wolnej przestrzeni reaktora lub ściankami wyłożonymi rurami, w których przepływa płyn chłodzący reaktor. Zagęszczenie ciał stałych zmienia się, na przykład od dołu do góry tej strefy z 50 Kg/m³ do 10 Kg/m³, przy czym czasami może być ono mniejsze. Odpowiadają one praktycznie realizacji wymiany ciepła z rurami wykładzinowymi ścianek. Prędkość przepływu gazu przy pełnym obciążeniu jest na ogół ograniczona do wartości od 4 m/s do 6 m/s w celu uniknięcia ryzyka erozji,

b) strefa dolna z dużo większym zagęszczeniem ciał stałych, zmieniającym się na przykład od dołu do góry z 500 Kg/m3 do 50 KG/m3, czyli w stosunku dziesiętnym, który może być również dwudziestokrotny jeżeli reaktor działa na pól obciążenia, czyli z prędkością gazu fluidyzacyjnego dwa razy mniejszą. Ta dolna strefa jest faktycznie strefą spalania. Część gazu potrzebna do spalania, zwiana na ogół gazem podstawowym jest tam wdmuchiwana przez siatkę fluidyzacyjną umieszczoną na dnie reaktora. Większa część reszty gazu spalającego, zwana gazem dodatkowym jest wprowadzana na kilku poziomach ponad tą siatką, przy czym stosowanie tych poziomów może się zmieniać z obciążeniem reaktora (wyjąwszy działanie niektórych poziomów w przypadku częściowego obciążenia). Prędkość gazu spalinowego w tej dolnej strefie reaktora wynika ze zmienności jego przekroju i warstwowych wkładów gazu dodatkowego, prędkość żądana jest praktycznie taka sama jak w górnej strefie. Wynika to z dużej zmienności zagęszczeń w strefie spalania, która powoduje wiele niedogodności takich jak niepełne spalanie (zawartości niespalonych cząstek paliwa i tlenku węgla mogą być wysokie na wyjściu z reaktora w przypadku niektórych, trudnych do spalenia paliw), wydajność odsiarczania, żeby mogła być wystarczająca pociąga za sobą konieczność wprowadzania znacznych ilości czynnika odsiarczającego, ograniczenie podatności na zmienne obciążenia reaktora wskutek potrzeby zachowania prędkości minimalnej gazu dla utrzymania dostatecznego reżimu fluidyzacji, przy czym prędkość ta jest rzędu 3 m/s.

Dla poprawienia jednorodności temperatury i spalania jest więc konieczne powiększenie ilości materiałów stałych znajdujących się w reaktorze, co pociąga za sobą zwiększenie zużycia energii dla przeprowadzenia fluidyzacji.

Dla przeciwdziałania tym niedogodnościom, stosuje się często wprowadzenie gazu dodatkowego na różnych poziomach i dokonuje się zmian stosunku natężenia przepływów gazu podstawowego i dodatkowego w zależności od obciążenia reaktora. Ale tymi czynni16*7240 kami można operować w ograniczonym zakresie, ponieważ inne kryteria, które powinny nastąpić przeciwstawiają się ich zmianie:

- jakość spalania, która wymaga utrzymania natężenia przepływu gazu pierwotnego, ponad wartość minimalną,

- konieczność utrzymania atmosfery redukującej w części niskiej strefy dolnej reaktora dla zmniejszenia do minimum wytwarzania tlenków azotu.

- konieczność zwiększenia nadmiaru gazu potrzebnego do spalania kiedy spadnie obciążenie reaktora, w celu uniknięcia nadmiernego wzrostu niejednorodności zagęszczenia ciał stałych, uważając jednocześnie by maksymalnie ograniczyć wytwarzanie tlenków azotu, bez wyraźnego zmniejszania wydajności termicznej instalacji.

Duża zmienność zagęszczeń w dolnej strefie stanowiącej strefę spalania jest więc kłopotliwa i powinno się poszukiwać większej jednorodności zagęszczeń między różnymi poziomami, co poprawiłoby nie tylko wydajność spalania, ale również zużycie energii potrzebnej do fluidyzacji.

Cyrkulujące złoże fluidalne nie spełnia więc tego wymogu szczególnie z dwóch powodów:

a) prędkość gazu fluidyzacyjnego w strefie spalania jest zależna od prędkości, która została wybrana w strefie wysokiej gdzie dokonuje się wymiany ciepła,

b) stałe cząstki są wprawiane w ruchy zstępujące i wstępujące, jak jest to pokazane schematycznie na figurze 1, a duża ilość stałych cząstek o małej granulacji nie schodzi nigdy z powrotem w sąsiedztwie siatki fluidyzacyjnej, co powoduje stratyfikację granulometryczną na wysokości reaktora i doprowadza do zadziałania w odniesieniu do cząstek o większej granulacji w strefie dolnej. Na przykład, do wysokości jednego metra nad siatką fluidyzacyjną, występuje zagęszczenie dosyć bliskie zagęszczeniu w złożu gęstym, co podraża koszty energii i jest szkodliwe dla dobrego spalania.

Zmiany w funkcjonowaniu cyrkulacyjnego złoża fluidalnego znane są z innych opisów patentowych. Opis patentowy US 4 594 967 i opis patentowy EP 0332 360 przedstawiają instalację gęstego złoża fluidalnego z wychwytywaniem materiałów na wyjściu z cyrkulacyjnego złoża fluidalnego, przy czym materiały tak wychwycone prowadzą do zmniejszenia ilości wychwytywanych w cyklonie klasycznym umieszczonym poza komorą wyrównawczą tworzącą strefę zapasową nad gęstym złożem. W opisach tych gęste złoże fluidalne jest umieszczone na wyjściu z cyrkulacyjnego złoża fluidalnego czyli na boku tego złoża opis patentowy EP 0332 360 dla reaktora o przekroju prostokątnym i opis patentowy US 4 594 976 (gęste złoże umieszczone ponad cyrkulacyjnym złożem fluidalnym) opis patentowy EP 0 332 360 dla reaktora o płaskim przekroju kołowym.

Cyklonjest umieszczony bądź za komorą wyrównawczą (opis patentowy EP 0332 360) bądź za rurową przegrodą, która jest wyposażona w wymienniki obciążające temperaturę gazów (opis patentowy US 4 594 967) i która nie stanowi części cyrkulacyjnego złoża fluidalnego, stanowiącego przedmiot patentu. W każdym przypadku, materiały wychwytywane przez gęste złoża fluidalne dążą do zmniejszenia przyjmowania tych materiałów przez cyklon i nie zmieniają ilości maksimum materiałów zawracanych do cyrkulacyjnego złoża fluidalnego.

W obydwu opisach patentowych komora wyrównawcza umieszczona za strefą gdzie jest instalowane gęste złoże fluidalne, nie ma podstawowych cech złoża cyrkulacyjnego (jednakowa temperatura, prędkość gazów wstępujących, stężenie materiałów stałych), co pozwoliłoby na używanie tej strefy do przekazywania ciepła mieszaniny gazów i ciał stałych ściankom z całkowitym zachowaniemjednakowej temperatury i odpowiednim zmieszaniem ciał stałych z gazem dla kontynuowania reakcji chemicznych.

Inny opis patentowy US 4 788 919 przewiduje podział reaktora na trzy, dwie albo pojedynczą komorę, przy czym granica pomiędzy każdą z komór wykonana jest z komorą wyrównawczą, gdzie przekrój może być, jak wzmiankowano, cztery razy większy od przekroju reaktora i gdzie prędkość gazu nie jest więc taka jak w reaktorze z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym. To zmniejszenie prędkości pozwala na wychwytywanie materiałów w gęstych złożach fluidalnych, które zmniejsza radykalnie zagęszczenie materiałów w komo6

166 24® rze lub dwóch innych komorach górnych, co sprawia, że działanie cyrkulacyjnego złoża fluidalnego ma miejsce tylko w komorze dolnej, a inne komory służą, wraz z ich komorami wyrównawczymi, do wychwytywania dodatkowych materiałów w małych ilościach i do zapewnienia uzupełniającego chłodzenia.

Następstwem rozwiązań znanych z wyżej wymienionych opisów patentowych są zmiany dotyczące cyrkulacyjnego złoża fluidalnego, których niedogodności zostały przedstawione poniżej.

Charakteryzują się one zredukowaniem materiałów stałych wychwytywanych przez cyklony lub separatory, ale nie poprawiają profilu zagęszczania i ciśnienia charakterystycznego dla znanej techniki odwołującej się do cyrkulacyjnego złoża fluidalnego.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia do przeprowadzania reakcji między gazem i rozdrobnionym materiałem stałym w reaktorze mającym strukturę nowego złoża fluidalnego wykazującego się większą jednorodnością zagęszczeń stałych cząstek w części dolnej z łagodnym zagęszczaniem w stałe cząstki w tej strefie, która stanowi ewentualnie strefę spalania z odpowiednio znaczącą prędkością gazu fluidyzacyjnego w tej strefie dolnej.

Cel ten został według wynalazku osiągnięty w ten sposób, iż urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że reaktor jest podzielony na trzy strefy: strefę dolną o przekroju S1 ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji, strefę górną o przekroju S2 ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji, strefę z gęstym złożem fluidalnym przylegającą do górnej części strefy dolnej ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji, oddzieloną od niej oraz zawierającą co najmniej jeden przewód do ponownego wprowadzania rozdrobnionych materiałów stałych ze strefy o gęstym złożu fluidalnym do dołu strefy dolnej ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji, przy czym stosunek (S2/S1) przekroju poprzecznego strefy górnej do przekroju poprzecznego strefy dolnej na poziomie strefy z gęstym złożem fluidalnym jest zawarty pomiędzy 1,2-2.

Urządzenie według wynalazku korzystnie zawiera kilka stref z gęstym złożem fluidalnym rozmieszczonych na tym samym poziomie, korzystnie rozsuniętych kątowo wokół przestrzeni środkowej strefy.

W strefie lub w strefach z gęstymi złożami fluidalnymi znajdują się wymienniki ciepła z płynem odparowywanym i/lub podgrzewanym.

Korzystnie urządzenie zawiera przewody odprowadzające rozdrobnione materiały stałe z jednego lub z kilku przedziałów strefy lub stref z gęstymi złożami fluidalnymi.

Urządzenie ma wymienniki ciepła regulujące temperaturę reaktora przez sterowanie fluidyzacją co najmniej jednej części co najmniej jednego gęstego złoża fluidalnego. Ścianki strefy górnej ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji są zaopatrzone w wymienniki ciepła z płynem odparowywanym i/lub podgrzewanym.

Urządzenie posiada dysze wdmuchujące gaz fluidyzacyjny pod siatkę poniżej strefy dolnej ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji i dysze wprowadzające ten gaz na różnych poziomach strefy dolnej.

Sposób przeprowadzania reakcji egzotermicznej lub endotermicznej w reaktorze między co najmniej jednym gazem i co najmniej jednym rozdrobnionym materiałem stałym, w którym wprowadza się jednym przewodem rozdrobniony materiał stały, drugim przewodem wprowadza się gaz fluidyzacyjny i reakcyjny i dobiera się poszczególne natężenia przepływu wprowadzanego rozdrobnionego materiału stałego i gazu fluidyzacyjnego ustalając szybką cyrkulację wstępującą gazu i rozdrobnionego materiału w reaktorze, po czym odprowadza się mieszaninę reakcyjnego gazu i rozdrobnionego materiału stałego wprowadzanego u góry reaktora do cyklonu oddzielającego, oraz odprowadza się przewodem gaz wytwarzany w reakcji a następnie zawraca się przewodem rozdrobniony materiał stały z cyklonu oddzielającego na dno reaktora, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do strefy dolnej reaktora ze złożem fluidyzacyjnym o szybkiej cyrkulacji wprowadza się gaz fluidyzacyjny o średniej prędkości wstępującej przy pustym trzonie i z pełnym obciążeniem, zawartej między 4,8 m/s i 12 m/s, przy czym dobiera się czas przebywania gazu fluidyzacyjnego w strefie dolnej przy pełnym obciążeniu od 0,25 do 4 sekund, natomiast do strefy górnej

167 240 o przekroju S2 ze złożem fluidyzacyjnym o szybkiej cyrkulacji wprowadza się gaz fluidyzacyjny o prędkości wstępującej V przy pustym trzonie i z pełnym obciążeniem, zawartej między 4 i 10 m/s, przy czym ustala się stosunek tej prędkości do prędkości gazu fluidyzacyjnego w dolnej strefie pomiędzy 1/2 i 11/2, a gaz fluidyzacyjny przebywa w tej strefie przy pełnym obciążeniu od 2 do 10 sekund i utrzymuje się zagęszczenie P na szczycie strefy górnej reaktora co najmniej 2 kg/m³. Do gęstego złoża fluidyzacyjnego o prędkości wstępującej przy pustym trzonie i z pełnym obciążeniem, zawartej między 0,3 m/s i 2,5 m/s, wprowadza sięjednocześnie rozdrobnione materiały stałe schodzące ze strefygórnej wzdłuż co najmniej jednej z jej ścianek i materiały stałe z części górnej przylegającej do strefy dolnej, po czym ponownie wprowadza się rozdrobnione materiały stałe ze strefy o gęstym złożu fluidyzacyjnym do dolnej części strefy dolnej o złożu fluidyzacyjnym z szybką cyrkulacją, zaś natężenie przepływu wprowadzanych ponownie ze strefy o gęstym złożu fluidyzacyjnym rozdrobnionych materiałów stałych, jest większe od ilości q = PxVxS2, gdzie P oznacza zagęszczenie, V - prędkość przepływu gazu a S2 - przekrój poprzeczny strefy górnej.

W takim urządzeniu profil ciśnień wzdłuż wysokości stref z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym (strefy górnej i strefy dolnej) jest taki, jaki wskazuje schemat przedstawiony na figurze 7. Zagęszczenie ciał stałych, które się wyraża pochyłościąw każdym punkcie tego profilu ma region nieciągłości z obydwu stron przelewu gęstego zioża fluidalnego charakteryzujący urządzenie.

Dzięki takiej konstrukcji uzyskuje się: równomierniejszy rozkład temperatury w reaktorze ze zmniejszeniem ryzyka aglomeracji stałych cząstek. W przypadku reaktorów do spalania, uzyskuje się poprawienie spalania przez zmniejszenie powstawania tlenków węgla i niespalonych ciał stałych, zwłaszcza przy paliwach trudnych do spalenia, na przykład węgla chudego i antracytów. Ponadto poprawienie elastyczności reaktora przez zmniejszenie jego dopuszczalnego obciążenia minimalnego, co jest możliwe dzięki zwiększonemu stosunkowi między prędkością gazu przy pełnym obciążeniu w dolnej strefie i prędkością minimalną potrzebną do utrzymania satysfakcjonujących parametrów fluidyzacji.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 - przedstawia schemat przepływu rozdrobnionych materiałów stałych w reaktorze o cyrkulacyjnym złożu fluidalnym znanego typu, fig. 2 - przedstawia urządzenie według wynalazku z cyrkulacyjnymi złożami fluidalnymi i pośrednim gęstym złożem fluidalnym, fig. 3A i 3B - w przekrojach pionowych pod kątem prostym strefę dolną reaktora o dwóch gęstych złożach fluidalnych, bocznych, przy czym figura 3B jest w przekroju według osi IIIB-IIIB na figurze 3A, fig. 4A i 4b - przekroje pionowe pod kątem prostym, strefy dolnej reaktor o trzech gęstych złożach fluidalnych, przy czym fig. 4 B stanowi przekrój według osi IVB-IVB na fig. 4, fig. 5A i 5B - przekroje pionowe pod kątem prostym strefę dolną reaktora o czterech gęstych złożach fluidalnych, przy czym fig. 5B stanowi przekrój według osi VB-VB na fig. 5A, fig. 6A, 6B i 6C - rozmieszczenie powierzchni wymiany ciepła w obydwu gęstych złożach fluidalnych reaktora, przy czym fig. 6B i 6C są dwoma wariantami przekroju według osi VIB-VIB na fig. 6A, fig. 7 - przedstawia profil ciśnień w urządzeniu według wynalazku.

Na figurze 1 przedstawiającej klasyczne działanie złoża fluidalnego, reaktor 1 zawiera strefę dolną 2 o wzrastającym przekroju i strefę górną równoległościenną 3. Cząstki stałe wznoszą się ponad siatką fluidyzacyjną 4 ku górze reaktorze według strzałek 5. Cząstki te dążą do odsuwania się ku ściankom i opadania na dno. Jednakże, część cząstek najdrobniejszych jest porywana ku górze ruchami wirowymi. Inne cząstki zbliżają się do ścianki i przepływają wzdłuż niej ku dołowi według strzałek 7.

W urządzeniu według wynalazku przedstawionym na fig. 2 w strefie dolnej 2 o przekroju wzrastającym, jest utworzone złoże fluidalne o szybkiej cyrkulacji ponad siatką fluidyzacyjną 4. Poprzez tę siatkę jest wdmuchiwany podstawowy gaz fluidyzacyjny, który stanowi powietrze z ewentualnym dodatkiem dymów spalinowych lub tlenku wprowadzanych przez przewód 8. Sproszkowane paliwo, na przykład zawiesina węgla w powietrzu jest ponadto wprowadzana dokładnie nad tę siatkę. Gaz dodatkowy, który stanowi powietrze, z lub bez dymów spalinowych lub tlenu, jest wdmuchiwany do strefy dolnej reaktora trzech

167 240 różnych poziomach dyszami 10,11,12. Prędkość gazu fluidyzacyjnego z pustym trzonem i pełnym obciążeniem może zmieniać się od 4,8 m/s do około 12 m/s, a czas przebywania gazów przy pełnym obciążeniu może zmieniać się od 0,25 do 4 sekund.

Wdmuchiwanie gazu dodatkowego jest prowadzone w taki sposób, żeby na dnie strefy dolnej 2 była atmosfera redukująca.

Ponad tą strefą dolną jest utworzone drugie złoże fluidalne z szybką cyrkulacją, przy czym przy pustym trzonie i z pełnym obciążeniem prędkość gazów fluidyzacyjnych może zmieniać od 4 do 10 m/s, a ich czas przebywania jest zawarty między 2 i 10 sekundami.

W znany sposób, dymy zawierające stałe cząstki, usuwane poprzez głowicę reaktora, przechodzą do cyklonu oddzielającego 1A, skąd dymy pozbawione pyłów są usuwane przez przewód 1B, a rozdrobnione cząstki stałe są zawracane na dno reaktora przez przewód 1C.

Oprócz tego, na wyjściu ze strefy spalania o końcowym przekroju poprzecznym S1, jest strefa z gęstym złożem fluidalnym 13, oddzielono od strefy spalania przez przegrodę 13A i ponad siatkę fluidyzacyjną 14, poprzez którą jest wdmuchiwany dodatkowy gaz fluidyzacyjny wprowadzany przewodem 15. Prędkość tego gazu przy pustym trzonie i z pełnym obciążeniem w gęstym złożu może zmieniać się między 0,3 m/s i 2,5 m/s. W większości przypadków ewentualne spalanie resztkowe w tym gęstym złożu jest małe z tego powodu, że jest ono umieszczone na wylocie ze strefy spalania złoża z szybką cyrkulacją i zawartość resztkowa węgla j'est bardzo mała. W przypadku, gdy spalanie w tym gęstym złożu fluidalnym okaże się znaczne (np. z reakcji paliwa o złej jakości) można wdmuchiwać dymy spalinowe przez dysze wtryskowe pod siatką tego gęstego złoża w sposób minimalizujący zawartość tlenu w tym złożu, bądź przeciwnie, przez zwiększenie zawartości tlenu w tej strefie dla zwiększenia tam spalania, co może spowodować obecność wymienników rurowych w tym złożu.

Według wynalazku, takie gęste złoże ma korzystnie wysokość stosunkowo małą, na ogół mniejszą niż 1,5 m. Ale ta wysokość może być zwiększona do około 3 do 4 m jeżeli ma być tam zainstalowany wymiennik ciepła.

Istotnym działaniem takiego gęstego złoża fluidalnego jest wychwytywanie części stałych cząstek, które powtórnie schodzą ze strefy wymiany ciepła umieszczonej ponad tym gęstym złożem fluidalnym (strzałki 7, a również części cząstek stałych, które wchodzą do części dolnej reaktora, umieszczonej pod poziomem tego gęstego złoża fluidalnego (strzałki 16). To wychwytywanie cząstek pochodzących ze strefy dolnej wynika ze zmniejszenia prędkości gazów, gdy wchodzą one do strefy górnej reaktora. Trzeba jednakże zaznaczyć, że nigdzie indziej w reaktorze, tylko w gęstych złożach fluidalnych i odmiennie niż w innych sposobach, prędkość gazu nie spada poniżej wartości odpowiadającej działaniu z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym.

Cząstki stałe wychwytywane przez gęste złoże fluidalne są przemieszczane przewodami 17 do postawy reaktora, dokładnie nad siatką 4. Przewody te mogą zawierać syfon zasilany fluidyzacyjnym gazem u swojej podstawy. W ten sposób, duża liczba stałych cząstek o małej granulacji jest doprowadzana do podstawy reaktora, co nie jest możliwe dotychczas w znanych urządzeniach. Tego typu zagęszczenie ciał stałych w strefie spalania reaktora jest więc znacznie zwiększone, szczególnie w regionie górnym, bliskim poziomowi gęstego złoża. Z drugiej strony, wskutek zagęszczonego złoża, prędkość gazu w strefie dolnej 2 reaktora jest wyższa od tej, jaka istnieje w strefie górnej 3 nad poziomem gęstego złoża.

Dzięki zwiększeniu tej prędkości uzyskuje się naturalnie lepszą homogenizację zagęszczenia stałych materiałów w strefie dolnej reaktora, co zapewnia lepsze spalanie. Żądane wartość prędkości przepływu w strefie spalania mogą być osiągnięte przez odpowiednie dobranie przekrojów poprzecznych S1 i S2, przy czym S1 jest przekrojem poprzecznym strefy spalania na poziomie gęstego złoża fluidalnego a S2 j’est przekrojem poprzecznym strefy górnej reaktora, przy czym przekrój poprzeczny gęstego złoża fluidalnego jest wówczas równy S2-S1. Natężenie przepływu materiałów stałych recyrkulujących w przewodach 17 zależy również od stosunku przekrojów S1, S2, gdyż im większa jest szybkość w strefie spalania, tym większe będzie natężenie przepływu cząstek stałych na wyjściu z tej strefy, a ponieważ ilość materiałów stałych schodzących do podstawy strefy umieszczonej powyżej

16*7240 gęstego złoża zależy praktycznie od przekroju poprzecznego S2, to tym większe będzie natężenie przepływu materiałów stałych wychwytywanych przez gęste złoże fluidalne.

Wybór przekroju poprzecznego gęstego złoża 13 (S2-S1) jest więc ważnym elementem w wymiarowaniu reaktora urządzenia według wynalazku. Przez zwiększenie prędkości przepływu gazów i zagęszczenie materiałów stałych w strefie spalania osiąga się w dużej mierze poprawienie jednorodności zagęszczenia, w strefie spalania w stosunku do zagęszczeń uzyskanych w znanych złożach fluidalnych.

Praktycznie, uzyskuje się znakomite rezultaty w przypadku urządzeń do spalania węgla sproszkowanego wybierając stosunek przekrojów S2/S1 między 1,20 i 2.

Figury 3A i 3B przedstawiają podstawę reaktora w^jposażonego w dwa gęste złoża fluidalne 14A i 14B na poziomie pośrednim i połączone przewodami recyrkulacyjnymi 17A, 17B u podstawy strefy spalania, ponad siatką fluidyzacyjną 4. Na fig. 3A przedstawiono przewód 17B do powtórnego wprowadzania rozdrobnionych ciał stałych zawierający syfon zasilany u swojej podstawy gazem fluidyzacyjnym. Można w ten sposób łatwiej uzyskać wyższy stosunek S2/S1, przy czym różnica (S2-S1) jest równa sumie przekrojów poprzecznych obydwu złoż fluidalnych. Reaktor nie ma gęstych złóż fluidalnych obok swoich płaszczyzn bocznych 18,19 prostopadłych do pierwszych, według płaszczyzny przekroju prostopadłego do tego z figury 3A (oś IIIB-IIIB).

Figury 4A i 4B przedstawiają podstawę reaktora o trzech gęstych złożach fluidalnych, dwóch 14A, 14B pod ściankami 20,21 na fig. 4A i jednego 14C pod ścianką 22 prostopadłą do pierwszych w płaszczyźnie przekroju prostopadłego do przekroju z fig. 4A (oś IVB-IVB na tej figurze).

Figury 5a i 5B przedstawiają postawę reaktora o czterech gęstych złożach fluidalnych, dwóch 14A, 14B pod ściankami 20, 21 i dwóch 14C, 14D pod ściankami prostopadłymi 22, 23.

Figura 6A przedstawia schematycznie powierzchnie wymiany ciepła w gęstych złożach fluidalnych. Wymienniki ciepła są przedstawione jako duże wężownice 26, 27. Są one rozmieszczone prawie na całej wysokości gęstych złóż fluidalnych.

Na figurze 6B przedstawiony jest wariant rozmieszczenia wymienników w gęstych dożach fluidalnych z fig. 6A pokazanych w przekroju według osi VIB-VIB z tej fig. 6A, takich jakie zajmują większą część długości gęstych złóż fluidalnych.

Na figurze 6C przedstawiony jest drugi wariant rozmieszczenia wymienników w gęstych dożach fluidalnych z fig. 6A pokazanych w przekroju według osi VIB-VIB z fig. 6A. W tym drugim wariancie obydwa gęste doża są podzielone, każde na trzy przedziały. Te końcowe przedziały są zajęte przez wymienniki 26,28 i 27,29, a przedziały środkowe 30,31 są wolne od wymienników rurowych.

Wszystkie wymienniki 26, 28,27,29 i 30,31 są połączone przez przewody do powtórnego wdmuchiwania 17 na dnie reaktora, przy czym każdy przedział ma swój środek do powtórnego wdmuchiwania. Przewody do powtórnego wdmuchiwania do przedziałów 30 i 31 nie są zaopatrzone w środki kontroli natężenia przepływu.

Zespół gęstych złóż fluidalnych, takich jak pokazane na fig. 3 do 5 działa z maksymalnym obciążeniem reaktora i uczestniczy w jego chłodzeniu. W obciążeniach pośrednich jest możliwe kontrolowanie chłodzenia różnymi środkami (zatrzymanie i/lub modulacja fluidyzacji, kontrola natężenia przepływu wdmuchiwanych powtórnie ciał stałych na dno sfery dolnej) w sposób utrzymujący w reaktorze temperaturę optymalną około 850°C zapewniającą lepszą sprawność odsiarczania. W efekcie, kiedy obciążenie reaktora się zmniejsza, zmniejsza się temperatura w reaktorze, z powodu istnienia za dużej powierzchni chłodzenia. Modulacja lub usunięcie wymiennika ciepła z części przedziałów gęstych złóż fluidalnych pozwala na zmniejszenie chłodzenia reaktora i zachowanie temperatury optymalnej spalania w polu większych obciążeń reaktora, a w następstwie - utrzymanie współczynnika odsiarczania o podniesionej wartości.

Figura 2 pokazuje w szczególności, że w efekcie dwóch czynników, zawracania do cyklu materiałów stałych na dole reaktora i zwiększania prędkości w strefie dolnej, gdzie ma miejsce spalanie, urządzenie według wynalazku pozwala na zapewnienie odsprzęgania

16*7240 (które nie występuje w znanych reaktorach z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym) między strefą górną, której ścianki górne są utworzone z wymienników ciepła, gdzie dokonuje się wyboru optymalnej prędkości gazu dla uzyskania dobrej wymiany ciepła bez erozji wymienników rurowych i strefy dolnej spalania, gdzie wybiera się znaczniejszą prędkość gazu i zapewnia się bardziej jednolite zagęszczenie stałych materiałów, niż w znanych cyrkulacyjnych złożach fluidalnych. Jeżeli na przykład chcemy osiągnąć prędkość 6 m/s w strefie górnej reaktora, można działać z prędkością zawartą między 7,2 m/s i 12 m/s wjego strefie dolnej.

Chociaż urządzenie do przeprowadzania reakcji między gazem i rozdrobnionym materiałem stałym, opisane z powołaniem się na figury odnoszą się do urządzeń spalających materiały węglowe, z chłodzeniem reaktora przez ścianki strefy górnej wykonanych lub wyłożonych rurowymi wymiennikami ciepła, wynalazek stosuje się także w innych reakcjach egzotermicznych niż spalanie, a także w reakcjach endotermicznych (takichjak na przykład kalcynacja tlenku glinu) w przypadku, gdy chce się uzyskać poprawienie jednorodności zagęszczeń w strefie dolnej reaktora i działania w tej strefie z większymi prędkościami, które nie odpowiadają strefie górnej. W przypadku reakcji endotermicznych w strefie górnej są oczywiście ograniczone bezpośrednie kontakty rurowych wymienników z materiałami.

FIG.2

16*7240

IIIB

FIG.3A FIG.3B

167 240

ΊΥΒ —ΐ

FIG.5A

VB—i «

FIG.5B

167 240

FIG.6A

FIG.6B

FIG.6C

167 240

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do przeprowadzania reakcji egzotermicznej lub endotermicznej w reaktorze między gazem i rozdrobnionym materiałem stałym, zawierające co najmniej jeden przewód do wprowadzania rozdrobnionego materiałU stałego, co najmniej jeden przewód do wprowadzania gazu fluidyzacyjnego i reakcyjnego, o natężeniach przepływu wprowadzania rozdrobnionego materiału stałego i gazu fluidyzacyjnego, pozwalających na szybką cyrkulację wstępującą gazu i rozdrobnionego materiału stałego w reaktorze, środki do transportu mieszaniny gazu reakcyjnego i rozdrobnionego materiału stałego dostającej się do cyklonu oddzielającego u góry reaktora, przewód do odprowadzania wytwarzanego w reakcji gazu i przewód do zawracania rozdrobnionego materiału stałego z cyklonu oddzielającego na dno reaktora, znamienne tym, że reaktor (1) jest podzielony na trzy strefy: strefę dolną (2) o przekroju S1 ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji, strefę górną (3) o przekroju S2 ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji, strefę z gęstym złożem fluidalnym (13) przylegającą do górnej części strefy dolnej ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji i oddzieloną od niej oraz zawiera co najmniej jeden przewód (17) do ponownego wprowadzania rozdrobnionych materiałów stałych ze strefy o gęstym złożu fluidalnym do dołu strefy dolnej ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji przy czym stosunek (S2/S1) przekroju poprzecznego strefy górnej (3) do przekroju poprzecznego strefy dolnej (2) na poziomie strefy z gęstym złożem fluidalnym (13) jest zawarty pomiędzy 1,2 - 2.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera kilka stref z gęstym złożem fluidalnym (14A, 14B, 14C, 14D) rozmieszczonych na tym samym poziomie, korzystnie rozsuniętych kątowo wokół przestrzeni środkowej strefy.
3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że w strefie lub w strefach z gęstymi złożami fluidalnymi są wymienniki ciepła (26,27,28, 29) z płynem odparowywanym i/lub podgrzewanym.
4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera przewody odprowadzające rozdrobnione materiały stałe z jednego lub kilku przedziałów strefy lub stref z gęstymi złożami fluidalnymi.
5. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że zawiera wymienniki ciepła regulujące temperaturę reaktora przez sterowanie fluidyzacją co najmniej jednej części co najmniej jednego gęstego złoża fluidalnego.
6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że ścianki strefy górnej (3) ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji są zaopatrzone w wymienniki ciepła z płynem odparowywanym i/lub podgrzewanym.
7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera dysze wdmuchujące gaz fluidyzacyjny pod siatkę poniżej strefy dolnej (2) ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji i dysze (10,11,12) wprowadzające ten gaz na różnych poziomach strefy dolnej (2).
8. Sposób przeprowadzania reakcji egzotermicznej lub endotermicznej w reaktorze między gazem i rozdrobnionym materiałem stałym, w którym wprowadza się jednym przewodem rozdrobniony materiał stały, drugim przewodem wprowadza się gaz fluidyzacyjny i reakcyjny, i dobiera się poszczególne natężenia przepływu wprowadzanego rozdrobnionego materiału stałego i gazu fluidyzacyjnego ustalając szybką cyrkulację wstępującą gazu i rozdrobnionego materiału stałego w reaktorze, po czym odprowadza się mieszaninę reakcyjnego gazu i rozdrobnionego stałego wprowadzanego u góry reaktora do cyklonu oddzielającego oraz odprowadza się przewodem gaz wytwarzany w reakcji a następnie zawraca się przewodem rozdrobniony materiał stały z cyklonu oddzielającego na dno reaktora, znamienny tym, że do strefy dolnej reaktora ze złożem fluidalnym o szybkiej cyrkulacji wprowadza się gaz fluidyzacyjny o średniej prędkości wstępującej przy pustym trzonie i z pełnym obciążeniem, zawartej między 4,8 m/s i 12 m/s, przy czym dobiera się czas przebywania gazu fluidyzacyjnego w strefie dolnej przy pełnym obciążeniu od 0,25 do 4 sekund natomiast do strefy górnej o przekroju S2 ze złożem fluidyzacyjnym o szybkiej cyrkulacji wprowadza się gaz fluidyzacyjny o prędkości wstępującej V przy pustym trzonie i z pełnym obciążeniem, zawartej między 4 i 10 m/s, przy czym ustala się stosunek tej prędkości do prędkości gazu fluidyzacyjnego w dolnej strefie pomiędzy 1/2 i 1 1/2, a gaz fluidyzacyjny przebywa w tej strefie przy pełnym obciążeniu od 2 do 10 sekund i utrzymuje się zagęszczenie P na szczycie strefy górnej reaktora co najmniej 2 kg/m³ zaś do gęstego złoża fluidyzacyjnego o prędkości wstępującej przy pustym trzonie i z pełnym obciążeniem, zawartej między 0,3 m/s i 2,5 m/s, wprowadza się jednocześnie rozdrobnione materiały stałe schodzące ze strefy górnej wzdłuż co najmniej jednej z jej ścianek i materiały stałe z części górnej przylegającej do strefy dolnej, po czym ponownie wprowadza się rozdrobnione materiały stałe ze strefy o gęstym złożu fluidyzacyjnym do dolnej części strefy dolnej o złożu fluidyzacyjnym z szybką cyrkulacją, zaś natężenie przepływu wprowadzanych ponownie ze strefy o gęstym złożu fluidyzacyjnym rozdrobnionych materiałów stałych, jest większe od ilości q = PxVxS2, gdzie P - oznacza zagęszczenie, V - prędkość przepływu gazu a S2 przekrój poprzeczny strefy górnej.