回收利用多相化學反應器中顆粒的方法及裝置的製作方法

2023-07-23 20:43:41 1

專利名稱：回收利用多相化學反應器中顆粒的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於收集及回收利用諸如流化床反應器、氣流床反應器以及固定床反應器等多相化學反應器中，尤其是用於煤氣化的多相化學反應器中細微固體顆粒的方法及裝置。
背景技術：
在工業化學工程中，多種反應器被廣泛用於進行各種多相化學反應。典型的多相反應器包括固定床(逆流固定床或並流固定床)、流化床反應器以及氣流床。其經常被用於煤、生物質以及城市垃圾(municipal solid waste)的氣化中。具體來說，逆流固定床(「向上流動」)氣化器包括以碳為燃料(如煤、生物質或城市垃圾)的固定床，氣化劑(水蒸汽、二氧化碳、氧氣和/或空氣)以逆流形式流過其中。 並流固定床(「向下流動」)氣化器與逆流型類似，但氣化劑氣體隨著燃料以並流形式(通常向下，因此稱為「下吸式氣化器」)。灰以幹灰或灰渣形式去除。通常將乾粉燃料加入氣流床氣化器的氧化劑中。燃料及氧氣以並流形式流動形成極小微粒的濃霧，在其中發生氣化反應。高溫以及高壓通常能帶來更好的轉化率以及單個氣化反應器的更高產出。然而在一些情況中，仍然會發現灰形式的相當大的碳損失。在流化床反應器中，高速的流體使顆粒狀固體懸浮並使其具有流體的性質。該過程稱為流化，其具有許多重要的優勢，因此用於許多工業應用中，包括煤的氣化。在流化床煤氣化中，原料顆粒與氧氣以及蒸汽反應生成「合成氣」，其為一氧化碳、氫氣、二氧化碳以及其他少量氣體的混合物。流化床區域的直接產物稱為出口氣流，其包含氣體產物混合物以及含有煤和灰的固體顆粒。通常灰以幹灰(顆粒或飛灰)或非流化的重結塊(底灰)形式去除。飛灰的回收利用是流化床反應器中典型的技術問題。流化床反應器通常在800至 1，100°c的溫度下工作，該溫度低於多數煤及生物質材料900至1，300°C的灰熔點溫度(軟化溫度)。由於在較低的溫度下進行工作，一些燃料顆粒在離開反應區域前未完全反應轉化為煤氣。大量未完全反應的燃料顆粒隨著出口氣流從反應器頂部離開。飛灰通常含有大約 10%至60%的未反應碳。為了使大多數固體顆粒進行反應並減少細粉在頂部的損失，在這些多相反應器中通常採用一級或多級旋風分離器。收集到的細微顆粒可在另一反應器中燃燒，但這將需要其他設備進行並增加大量經營成本。另一利用收集到的高碳含量飛灰的典型方法是將其回收到氣化反應器中進一步反應。然而，回收的飛灰不容易進行化學反應，尤其是當反應器中溫度不高的時候。在該情況下，飛灰的循環沒有對氣化工作效率帶來任何明顯提高。因此，有必要提供一種新的方法及裝置以解決現有技術中存在的上述問題。 發明內容
如上所述，現有技術中飛灰通常被送回氣化器中試圖回收及再利用飛灰中含有的碳並減少灰的數量，但結果都不甚理想。本發明可簡化氣化系統並減少投入資金，並且限制了或至少緩解了排出的原料中細粉含量。本發明人第一次認識到先前嘗試的失敗是部分由於不能將灰持續地送回到高溫區。事實上，在本發明出現之前，沒有人嘗試過將飛灰持續地送回到流化床的高溫區。就流化床反應器而言，部分原因在於飛灰通過與收集飛灰的旋風分離器或布袋連接的料腿被送回至流化床區域。由於在高溫區中的高溫及顆粒的高速，料腿不能到達高溫區域或很快並容易被侵蝕。本發明提供一種新穎及創新的技術方案以解決上述技術問題，從而出人意料地、 顯著地提高碳轉化率並減少煤氣化中飛灰的高輸出量。在一個實施例中，本發明提供一種回收多相化學反應器中細灰顆粒的方法，其中煤在多相化學反應器中部分氧化以生成出口氣流，其攜帶有細灰顆粒，其中多相化學反應器包括溫度等於或高於細灰顆粒熔點的高溫區，該方法包括a)將細灰顆粒從出口氣流分離的步驟；以及b)將上述步驟a)中收集到的細灰顆粒返回至高溫區的步驟。本發明進一步包括用於上述方法使用的多相化學反應器。在一個實施例中，本發明的多相化學反應器是固定床反應器、流化床反應器或氣流床反應器。在一個實施例中，本發明的多相化學反應器用於煤及城市垃圾的氣化。在一個實施例中，所述流化床反應器包括垂直的反應容器，其包括密相段、位於密相段上方的稀相段以及位於反應容器密相段中定義反應床底部的分布板，其中高溫區位於該分布板的上方並且細灰顆粒經由分布板被送回至高溫區中。在一個實施例中，細灰顆粒通過氣力輸送系統被送回至高溫區。在一個實施例中， 用於氣力輸送系統的載氣不含有氧氣。在一實施例中，用於氣力輸送系統的載氣包括二氧化碳、氮氣、合成氣、蒸汽或其任意配比的混合物。根據本發明的另一實施例，一級或多級旋風分離器、一個或多個布袋過濾系統、一個或多個陶瓷過濾器、一個或多個靜電除塵器或其結合用於從出口氣流中分離或收集細灰顆粒。在一較佳實施例中，本發明提供一種流化床煤氣化反應器系統，其中含煤燃料顆粒與氧氣以及蒸汽反應生成合成氣。在一個實施例中，本發明的系統包括1)流化床反應容器，其包括a)上部，其中流化床區域在工作過程中形成，並產生攜帶有飛灰顆粒的出口氣流；b)下部，與上部分開；c)圓錐形分布板，將上部與下部分開，該分布板頂端朝下，於分布板上設有穿孔並且一中心開口設於頂端處，其中形成於流化床中的底灰從中心開口掉落並收集於反應容器下部；d)通入所述開口的氣體進口，向分布板上方的區域通入富氧的進口氣流，在工作期間由於該區域中增強的碳質燃燒形成高溫區；2)飛灰收集子系統，從出口氣流中分離並收集飛灰顆粒；以及3)飛灰回收子系統，將飛灰收集子系統收集到的飛灰顆粒直接被送回至高溫區。在一實施例中，流化床煤氣化系統中飛灰回收子系統包括一級或多級旋風分離器、布袋、陶瓷過濾器、靜電除塵器或其結合。在另一實施例中，根據本發明的流化床煤氣化系統中飛灰回收子系統包括用於傳送飛灰的氣力輸送系統。
在一實施例中，流化床煤氣化系統包括氣力輸送系統，其包括通入分布板的射流出口，其中射流出口具有將飛灰直接輸送進入分布板上方的高溫區的開口。


圖1顯示了用於煤氣化的典型流化床氣化器系統的示意圖。圖2顯示了本發明具體的實施例，其中從出口氣流收集的飛灰顆粒經由分布板直接被送入高溫區。圖3顯示了根據本發明的實施例，與分布板連接用於將飛灰送入高溫區的管道的具體結構。圖4顯示了高溫區在(a)上流式固定床氣化器(updraft fixed gasifier) ； (b) 下吸式固定床氣化器(drowndraft fixed gasifier) ； (c)頂燒式水煤漿進渣氣流床氣化器 (top-fired coal-water slurry feed slagging entrained flow gasifier) ； (d)頂幹煤進S氣流床氣化器(top-fired dry-coal feed slagging entrained flowgasifier)； (e)側燒式幹煤進渣氣流床氣化器(side-fred dry-coal feed slaggingentrained flow gasifier)的位置。圖5顯示出根據本發明的方法當飛灰被送回高溫區時飛灰尺寸增加。
具體實施例方式本發明提供一種裝置以及相關方法，有利於諸如固定床反應器、氣流床反應器以及流化床反應器的多相反應器回收利用從出口氣流收集到的細灰顆粒。較佳地，本發明的裝置及方法用於煤或生物質氣化的反應器中。當用於煤或生物質氣化時，本發明的裝置及方法能夠可靠地、持續地將飛灰送入反應器的高溫區中以提高煤的轉化率並減少飛灰量。測試表明在一實施例中，本發明的方法能夠將反應煤中幾乎所有的碳轉化為合成氣，並將碳轉化率從85 % 95 %提高至高於99 %，幾乎所有的灰以底灰的形式從流化床反應器中收集，而飛灰能夠被送回至反應區域被充分地再次利用。根據本發明的一個方面，出口氣流中的飛灰通過旋風分離器或布袋或其結合收集，並被送回至氣化器中的高溫區。在高溫區中，飛灰的細微顆粒能夠與蒸汽及氧氣迅速反應。由於灰顆粒的尺寸小、溫度高(等於或高於灰顆粒熔融溫度)並且在反應區域中發生高速碰撞，因此灰顆粒會粘結形成較大尺寸的顆粒，並以底灰形式從氣化器底部排出，從而極大地減少了其作為出口氣體中的飛灰被吹出的機會。本領域的技術人員能夠容易地認識到在多相反應器中存在濃度最高的區域。例如，在煤氣化器的反應區中將氧氣引入煤，氧氣含量比其他區域高的區域會產生快速或增強的燃燒反應從而比其他反應區域具有更高的溫度。為了便於描述，煤氣化器的高溫區的溫度不低於飛灰顆粒的熔點，通常不低於l，000°c，較佳的是不低於1，100°C。對於流化煤氣化器來說，通常高溫區是指進入的氧氣量佔氣化器消耗的氧氣總量10%至全部(100% ) 的區域。較佳地，高溫區是進入的氧氣佔氣化器消耗的氧氣總量20%至100%，或30%至 100%，或 40%至 100%，或 50%至 100%，或 60%至 100%的區域。圖1顯示了典型的煤氣化流化床反應系統。其核心部件包括反應容器1，其通常呈圓柱形並由內襯耐火材料製成。在所述實施例中，反應容器1的下部窄於上部。較窄的下部也被稱為反應容器的密相段I，上部稱為稀相段或擴大段II。一分布板2設置於反應容器1較窄的下部並定義了流化床底面。分布板2的中部可以是圓錐形或圓柱形並設有一通道，通常位於分布板2的中心。於通道底部設有具有固定開口的窄部，該開口定義了文丘裡管喉道的尺寸以提供統一的向上氣流(氧氣/空氣及蒸汽)進入反應容器1的速度從而進入流化床。在分布板2上方的合適位置，煤或其他含煤物質通過一個或多個管道6被引入反應容器1中部分氧化並與氣流反應以生成合成氣。將高速氣流經由文丘裡管或通道引入反應容器1中會使灰顆粒結塊並最終通過通道及文丘裡喉道排出。額外的氣體或氧化劑可通過另一進口 3提供，並通過分布板2的穿孔蔓延進入反應區中。如上所述，在現有技術的裝置中會產生飛灰並隨著氣體產物一起從反應容器1的頂部排出。反應容器的頂部與一級旋風分離器11連接，該一級旋風分離器還進一步與可選的二級旋風分離器14連接。通過可選的部件諸如餘熱回收裝置17以及飛灰過濾器19 (可以是布袋或其他過濾裝置)，將出口氣流分成淨合成氣和飛灰。根據本發明的一個實施例，飛灰經由分布板2被送回至反應區中。旋風分離器是一利用離心力將流體與攜帶於流體中的顆粒分離的裝置。流化床反應器中的傳統旋風分離器用於將氣體與固體顆粒分離。旋風分離器具有至少一載有固體顆粒氣流的切線進口，一載有較少固體顆粒氣體的出口以及另一收集固體顆粒出口。對於大多數傳統旋風分離器，氣-固進口通常位於側壁，氣體出口位於頂部，固體顆粒出口位於底部。高溫區25形成於分布板2的上方並且位於將氧化劑引入流化床區域的文丘裡管出口的附近。如上所述，該區域25充滿大量氧氣，因此更多的煤進行燃燒反應使整個反應容器1保持一定溫度，該區域25中的溫度高於反應容器1中其他區域的溫度並且高於飛灰的熔點。現有技術的裝置中，許多飛灰被向上吹起並離開高溫區25，並且在其粘結或完全與氧氣反應前隨著合成氣排出。圖2顯示了本發明的一個具體實施例，其中從排出氣流收集到的飛灰細微顆粒經由分布板2被直接送入高溫區25。在一個實施例中，通過氣力輸送系統中輸送載氣射流的管道M實現上述傳送，該管道M的出口可伸出分布板2大約0至1，000mm。載氣可為氮氣、二氧化碳、合成氣、蒸汽或者兩種或多種氣體以任何適當比例的混合。期望的是載氣不含有氧氣以降低在高溫下氧氣與飛灰中碳發生反應的風險，本領域的技術人員可以理解的是可以調節用於將飛灰輸送至高溫區25中的載氣的數量、氣壓以及速度以確保所有或基本上所有的飛灰進入並保持在高溫區域中，從而剩餘的碳轉化為合成氣產物並且灰顆粒粘結以形成大顆粒並以底灰形式排出反應容器。圖3顯示了根據本發明的一個實施例，與分布板2連接用於將飛灰送入高溫區的管道M接頭26的具體結構。較佳地，該接頭具有用於支撐的筋板沈1以及防止高溫的耐磨襯套沈2。圖4顯示了固定床和氣流床中的高溫區。在所述兩種例子中，高溫區都被定義為溫度高於反應容器1中其他部分溫度的區域，通常是氧氣噴嘴或進口周圍的區域。在氣流床氣化器中，該區域的溫度也高於灰熔點。本發明能夠獲得很高的碳轉化率並降低從氣化器排出的飛灰量。本發明能夠通過以下作為參考的實例更容易地被理解，該實例僅僅是為了說明本發明的某些方面及實施例，並不是對本發明的限制。本領域的技術人員能夠理解的是所述部件的其他排列組合也能夠同樣地實現將含碳飛灰直接送入流化床反應器高溫區25的目的。例如在一個實施例中，本發明的裝置還包括餘熱回收裝置17、飛灰鎖鬥21、飛灰輸送鬥23。
實例例 1氣力輸送系統用於將具有或沒有二級旋風分離器的布袋收集到的細微飛灰輸送進入高溫區25 (高於飛灰的半球溫度或T3)，該區域也是氣化器中富含O2的(> 10%)的區域。氣力輸送系統設計採用全自動可編程邏輯控制(PLC)系統並設計互鎖保護。通過與垂直中心管5約呈45°角的D80管實現與氣化器的連接，並經由分布板或柵板2進入。進行對照實驗，其中飛灰不被送回高溫區25。具體來說，如圖1描述的煤氣化系統工作48小時，而飛灰不被送回氣化器1中。隨後系統工作72小時，其中飛灰經由分布板2返回高溫區25。在兩階段中其他
條件保持不變。採用煤、純氧(99.6%)以及蒸汽。反應容器中的壓力為321kPa，溫度約為
1020-10M°C。用於將飛灰輸送至氣化器1的載氣含有70%的CO2,剩餘為H2以及CO。所
用的煤具有如下特性表1進入氣化器1的煤的組成
權利要求
1.一種回收多相化學反應器中細灰顆粒的方法，其特徵在於，煤在多相化學反應器中部分氧化以生成出口氣流，其攜帶有細灰顆粒，其中多相化學反應器包括溫度等於或高於細灰顆粒熔點的高溫區，該方法包括a)將細灰顆粒從出口氣流中分離的步驟；以及b)將上述步驟a)中收集到的細灰顆粒返回至高溫區的步驟。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述多相化學反應器選自固定床反應器、流化床反應器以及氣流床反應器。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述多相化學反應器為流化床反應器。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述流化床反應器用於煤的氣化。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述流化床反應器包括垂直的反應容器，其包括密相段、位於密相段上方的稀相段以及位於反應容器密相段中定義反應床底部的分布板，其中高溫區位於該分布板的上方並且細灰顆粒經由分布板被送回至高溫區中。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，細灰顆粒通過氣力輸送系統被送回至所述尚溫區ο
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述氣力輸送系統的載氣不含有氧氣。
8.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述氣力輸送系統的載氣包括二氧化碳、氮氣、合成氣、蒸汽或其混合物。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，一級或多級旋風分離器、一個或多個布袋過濾系統、一個或多個陶瓷過濾器、一個或多個靜電除塵器或其結合用於從出口氣流中分離或收集細灰顆粒。
10.一種多相化學反應器，其特徵在於，煤在多相化學反應器中部分氧化生成攜帶有細灰顆粒的出口氣流，其中多相化學反應器包括溫度等於或高於細灰顆粒熔點的高溫區，該多相化學反應器包括用於將細灰顆粒從出口氣流中分離的細灰顆粒收集系統以及用於將細灰顆粒送回至高溫區的細灰顆粒輸送系統。
11.如權利要求10所述的多相化學反應器，其特徵在於，所述多相化學反應器選自固定床反應器、流化床反應器以及氣流床反應器。
12.如權利要求11所述的多相化學反應器，其特徵在於，所述多相化學反應器為流化床反應器。
13.如權利要求12所述的多相化學反應器，其特徵在於，所述流化床反應器用於煤的氣化。
14.如權利要求13所述的多相化學反應器，其特徵在於，所述流化床反應器包括垂直的反應容器，其包括密相段、位於密相段上方的稀相段以及位於反應容器密相段中定義反應床底部的分布板，其中高溫區位於該分布板的上方並且細灰顆粒經由分布板被送回至高溫區中。
15.如權利要求14所述的多相化學反應器，其特徵在於，所述細灰顆粒通過氣力輸送系統被送回至高溫區。
16.如權利要求15所述的多相化學反應器，其特徵在於，所述氣力輸送系統的載氣不含有氧氣。
17.如權利要求15所述的多相化學反應器，其特徵在於，所述氣力輸送系統的載氣包括二氧化碳、氮氣、合成氣、蒸汽或其混合物。
18.如權利要求10所述的多相化學反應器，其特徵在於，其特徵在於，一級或多級旋風分離器、一個或多個布袋過濾系統、一個或多個陶瓷過濾器、一個或多個靜電除塵器或其結合用於從出口氣流中分離或收集細灰顆粒。
19.一種流化床煤氣化系統，其特徵在於，含煤燃料顆粒與氧氣以及蒸汽反應生成合成氣，該系統包括1)流化床反應容器，其包括a)上部，其中流化床區域在工作過程中形成，並產生攜帶有飛灰顆粒的出口氣流；b)下部，與上部分開；c)圓錐形分布板，將上部與下部分開，該分布板頂端朝下，於分布板上設有穿孔並且一中心開口設於頂端處，其中形成於流化床中的底灰從中心開口掉落並收集於反應容器下部；d)通入所述中心開口的氣體進口，向分布板的上方區域通入富氧的進口氣流，在工作期間由於該區域中增強的碳質燃燒形成高溫區；2)飛灰收集子系統，從出口氣流中分離並收集飛灰顆粒；以及3)飛灰回收子系統，將飛灰收集子系統收集到的飛灰顆粒直接送回至高溫區。
20.如權利要求19所述的流化床煤氣化系統，其特徵在於，所述飛灰回收子系統包括一級或多級旋風分離器、一個或多個布袋過濾系統、一個或多個陶瓷過濾器、一個或多個靜電除塵器或其結合。
21.如權利要求20所述的流化床煤氣化系統，其特徵在於，所述飛灰回收子系統包括用於傳送飛灰的氣力輸送系統。
22.如權利要求21所述的流化床煤氣化系統，其特徵在於，所述氣力輸送系統包括通入分布板的射流出口，將飛灰直接輸送進入分布板上方的高溫區。
全文摘要
本發明提供一種用於回收利用多相化學反應器中細灰顆粒的方法及裝置，其中煤在多相化學反應器中部分氧化生成攜帶有細灰顆粒的出口氣流，其中多相化學反應器包括溫度等於或高於細灰顆粒熔點的高溫區，出口氣流中基本所有的細灰顆粒被送回至高溫區從而提高碳轉化率並減少飛灰量。
文檔編號C10J3/48GK102477314SQ20101058239
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者吳龍, 徐春發 申請人:綜合能源有限公司