细微固体颗粒回收利用装置以及包括其的流化床反应器

摘要

本发明提供一种流化床反应器的细微固体颗粒回收利用装置，包括一与料腿相连接的引射器，该料腿从连接于反应器的旋风分离器延伸，其中细微固体颗粒从该料腿中清除，并混合有引射气体以形成引射气体-细微固体颗粒混合物，其使细微固体颗粒回收到流化床区域中，从而细微固体颗粒可进一步在流化区域中反应以提高反应效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种细微固体颗粒收集及回收利用装置以及包括其的流化床反应器。

背景技术

流化床反应器通常用于使固相反应物与气相反应物产生化学反应。该反应器的流化床区域的直接产物常被称为出口气流，其包含有气体产物以及含有未产生化学反应的固相反应物或反应产物(灰渣)的固体颗粒。这些固体颗粒为各种尺寸的微粒。为了提高固相反应物的利用效率，以及为了降低废灰渣的数量，通常在流化床反应器中使用一级或更多级的旋风分离器(多级旋风分离器)。

在多级旋风分离器构建中，第一级旋风分离器可收集大颗粒并通过具有各种机械或非机械阀门的匹配料腿将固体颗粒回收到流化床中。然而，通常第一级旋风分离器对于清除细微固体微粒却不充分或有效。因此在第一级旋风分离器之后，通常还至少有另一级旋风分离器来收集从第一级旋风分离器泄漏出的细小微粒。如果流化床在低于800℃的温度下进行工作时，常规做法是采用旋风分离器料腿插入件放置于流化床中，如在流化催化裂化单元中所用；参见第3,652,446号、第4,220,623号及第4,578,183号美国专利。

当流化床在高于800℃的温度下或者当流化床中存在含氧气体进行工作时，很难在流化床中采用料腿插入件。这是因为流化床的材料容易在料腿的内部以及表面形成熔渣。

防止气体从流化床经由旋风分离器料腿倒流至旋风分离器也是至关重要的。例如，在精炼行业的流化催化裂化(FCC)中在料腿的一端采用各种挡板阀以防止气体倒流回料腿中。挡板阀可在允许固体颗粒流出料腿外的同时封闭气体防止其倒流。一端具有挡板阀的料腿可使该料腿以及该旋风分离器安装于流化床的内部。然而在高温下使用挡板阀时由于需要采用耐高温的材料，因此价格高得惊人。对于流化床燃烧室或气化器，该流化床的温度可达到1050℃，在该温度下多数材料会丧失强度。事实上，采用挡板阀几乎是不可能的。

另一种密封料腿防止气体倒流的方法是将固体颗粒出口断埋入流化床中。然而，由于对制造材料的要求十分严格，因此需要精细的设计以使料腿插入该流化床中。因此，常规做法是将料腿从外部引入到气化器中。在该方式中，通向流化床的固体颗粒入口与料腿间的互连部布有耐热材料，其能耐受较高温度。

流化床的一特定应用是流化床气化器用于将例如煤等的含碳物质转化为燃料或合成气。在该气化器中，在第一级旋风分离器后，留在气体中的固体颗粒的微粒直径通常小于约100微米，其具有约15至20微米的平均直径。这些微粒通常具有凝结性且难于被流化，为了有效地将固体颗粒送回收至气化器中，该些微粒期望能够像细沙那样如液体一般流动；然而，第二级旋风分离器中的凝结微粒却很像小麦面粉，形成没有被流化的结块及沟道。因此，难于将固体颗粒回收至气化器。

固体颗粒的凝结性产生了固体颗粒回收利用的另一困难。通常地，收集于旋风分离器的固体颗粒沿料腿向下作自由落体，于料腿底部形成一密集柱。当固体颗粒的密相被流化时可形成一静压头(static head)，其对于固体颗粒从旋风分离器料腿底部的相对低压区域向相对高压区域的流化床区域的移动是非常必要的。由于存在固体颗粒密集柱，固体颗粒的流动也保持了系统的密封。然而，在旋风分离器料腿中凝结的固体微粒不能产生静压头。特别是对于收集于第二级旋风分离器中的细微微粒来说。因此由于料腿中凝结的微粒，第二级旋风分离器收集的固体颗粒不能容易地被回收利用。

由于将微粒固体颗粒回收到气化器中存在上述困难，商业上的流化床气化器通常不采用第二级旋风分离器。因此，在第一级旋风分离器出口处的固体颗粒中例如碳等固体反应物不能被利用，导致了较低的气化器碳转化率。例如，利用现有技术的气化器碳转化率仅大约为80-85％，即使所用的是例如褐煤及亚烟煤等高反应煤。碳损失在经济上是一重大缺陷，并且由于大量释放出的灰渣也对环境产生威胁。进一步地，含碳的细微固体颗粒也较轻，通常每单位质量中其体积为水的4-5倍，使得难于处理及进一步地利用。一旦固体颗粒中的碳被更充分地利用时，最终的固体微粒将具有更高的容积密度，更容易地被湿化及处理。

因此，需要一种新的装置能将固体颗粒从高压区域回收到低压区域，从而提高流化床的碳转化率。

发明内容

本发明提供一种关于从流化床反应器的原料气体中回收利用细微颗粒的创新技术方案。在一实施例中，本发明提供一种流化床反应器的细微颗粒回收利用装置，其中该流化床反应器包括一由反应管包围形成的流化床区域，至少一旋风分离器与流化床区域流体连通，用于接收包含有细微固体颗粒的第一气-固混合物，该旋风分离器与一用于收集从旋风分离器的气-固混合物中分离出的细微固体颗粒的料腿连接，该装置包括一与该料腿连接的引射器，其中细微固体颗粒从该料腿中清除，并混合有引射气体以形成引射气体-细微固体颗粒混合物，其将细微固体颗粒回收到流化床区域中。尽管引射器通常用于固体颗粒的传送，但在下游压力高于下游压力的情况下采用引射器在本发明之前是未知的。本发明的较佳引射气体或原动气体可以是N₂、CO₂、空气、蒸汽、O₂或其混合气体。

在另一实施例中，本发明的细微固体颗粒回收利用装置中料腿被垂直放置，一水平腿将料腿与引射器的固体颗粒进口连接。水平腿用于控制气体及固体颗粒流从料腿流向引射器以防止在引射器中的气体倒流至旋风分离器。

水平腿包括与料腿连接的第一端以及远离该料腿的第二端。在一实施例中，本发明的细微固体颗粒回收利用装置中一垂直部进一步设置于水平腿的第二端及引射器的固体颗粒进口之间。该垂直部进一步更好地控制气体及固体颗粒流以期望的方向流动。

在另一实施例中的细微固体颗粒回收利用装置可进一步包括一个或多个设置于该引射器下游的通风口以促进引射气体-细微固体颗粒混合物回收到流化床区域。

本发明尤其适用于收集或回收利用具有小于约100微米尺寸的细微固体颗粒，尤其是具有约15至20微米的质量平均径的细微固体颗粒。

本发明进一步提供一包括上述细微固体颗粒回收利用装置的流化床反应器。在较佳实施例中，根据本发明的流化床反应器为一流化床煤气化器。

在较佳实施例中，本发明的流化床反应器包括二级或多级旋风分离器，其中每级旋风分离器设有一引射器。在另一实施例中，本发明的流化床反应器包括二级或多级旋风分离器，其中一引射器设置于第二级旋风分离器，或设置于任一在该第二级旋风分离器之后的旋风分离器。

附图说明

图1为显示一气化器装配有用于将固体颗粒回收至气化器的第一级与第二级旋风分离器的示意图；

图2为显示本发明的一实施例的示意图；以及

图3为显示用于高温的布有耐热材料的引射器的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种细微固体颗粒收集及回收利用装置以及包括其的流化床反应器。

图1给出了包含有本发明的细微固体颗粒回收利用装置的流化床反应器系统的各种主要元件的相对位置。

如图1所示，该流化床反应器系统包括气化器10、第一级旋风分离器20以及第二级旋风分离器30。

该气化器10包括气体进口11、固体颗粒进口12以及气体及固体颗粒出口13。该气体进口11位于气化器10的下方，用于向气化器10的内部输入气流及氧气。该固体颗粒进口12位于气化器10的侧壁，用于向气化器10的内部输入煤固体颗粒。如前所述，在气化器10的内部会发生化学反应，并产生含有气体及固体颗粒的产物。该气体及固体颗粒出口13用于向第一旋风分离器20输出气体及固体颗粒流。该第一级旋风分离器20包括气体及固体颗粒入口21、位于上部的气体及固体颗粒出口22以及位于下部的固体颗粒出口23。该气体及固体颗粒入口21用于接收由气化器10传送的气体及固体颗粒流以进行旋风分离。该气体及固体颗粒出口22用于向第二级旋风分离器30输出经分离后得到的包含较少固体颗粒的气体及固体颗粒流。该固体颗粒出口23用于通过一环封风结构向气化器10输出经旋风分离后得到的煤固体颗粒，并再次在气化器10中与其内部的气流及氧气发生化学反应从而进行再次利用。该第二级旋风分离器30包括位于侧壁的气体及固体颗粒进口31、位于上方的气体出口32以及位于下方的固体颗粒出口33。该气体及固体颗粒进口31用于接收由第一级旋风分离器20传输的气体及固体颗粒流以进行再次的旋风分离。该气体出口32用于输出合成气。该固体颗粒出口33用于输出经旋风分离后得到的固体颗粒，并通过一引射器50(如图2所示)使固体颗粒传送到气化器10中进行再次利用。其具体实现过程将在以下结合图2及图3具体描述。

在一实施例中，本发明提供了一种从旋风收集器回收尺寸小于约100微米的细微固体颗粒的装置，其在稍低于流化床反应器的流化床区域的气压下回收到流化床区域中。

在一实施例中，如图2所示本发明的细微固体颗粒回收装置包括一收集气流携带的固体颗粒的旋风分离器30，一接收固体颗粒且较佳地位于旋风分离器下方的料腿40；以及一与料腿出口流体连通的引射器50。

旋风分离器30为一利用离心力将流体与携带于流体中的微粒分离的装置。流化床反应器中的传统旋风分离器用于将气体与固体颗粒分离。旋风分离器30具有至少一固体颗粒承载气流的切线进口31，一具有较少固体颗粒承载的气体出口32以及另一收集固体颗粒出口33。如图2所示，对于大多数传统旋风分离器30，气体及固体颗粒31进口通常位于侧壁，气体出口32位于顶部，固体颗粒出口33位于底部。

该旋风分离器可包括一圆柱部34以及一与该圆柱部34连接的圆锥部35。料腿40的顶端(固体颗粒进口)与旋风分离器30圆锥部35的窄端(固体颗粒出口)连接。

在另一实施例中，本发明的料腿40为一匹配的管体，其具有与旋风分离器30固体颗粒出口33连接的进口41，以及与一水平管体43连接的出口42。该水平管体43最终将固体颗粒传送至一引射器50，其与将固体颗粒回收至反应器的流化床区域的固体颗粒出口管(即引射器50)连接。由于流化床区域的压力高于旋风分离器30中的流体压力，因此在没有引射器50的情况下，料腿40的进口41的压力将低于料腿40的出口42的压力。

众所周知，流体不会从低压区域流向高压区域，因此需要一种特殊的设计。如上所述，料腿40用于通过在料腿40中流化物质产生的静压头实现气体-固体颗粒混合物从低压区域流向高压区域。然而，对于第二级旋风分离器料腿40中的微粒来说，如前所述由于凝聚的微粒不能被传统的方法所流化，因此难于建立静压头。由于固体颗粒柱要求流化以建立静压头，因此第二级旋风分离器30的料腿40中微粒不能产生静压头，从而没有外部的帮助就不能从料腿40流出。

在一实施例中，本发明利用一引射器50以克服上述困难。引射器为具有一高压流体亦被称为原动流体的第一进口51(“原动流体进口”)；一释放固体颗粒的第二进口52(“固体颗粒进口”)；以及一释放混合有固体颗粒的原动流体的出口53的装置。根据柏努利原理，原动气体的动能损失将在固体颗粒进口52区域中产生低压从而将固体颗粒引入引射器50中，于是在原动气体注入而产生的气压下被推出出口。

如图2及图3所示，在一较佳的实施例中，引射器50包括一窄部54，其比通向出口的管体下游部窄。窄部54下游的管径增加降低了管体中气流从窄部到释放的速度，从而减少了由于摩擦力产生的气压损失，满足了原动气体需要较低气压的要求。

根据本发明的一个实施例，当气体-固体颗粒混合物从侧壁沿切线方向进入旋风分离器30时，离心力会将固体颗粒向侧壁推动。由于离心力的加速度约等于进口线速度的平方除以旋风分离器的半径，因此作用于相同微粒的离心力通常比作用于相同微粒质量的重力高100倍。因此，小至5微米的微粒可以朝侧壁旋转。在侧壁区域，流体的速度较低而固体颗粒被收集于侧壁区域，于是在重力的作用下向下朝底部出口33流动。

在另一实施例中，如图2所示旋风分离器30锥部35的底部与料腿40连接。料腿40上部的固体颗粒处于稀释状态(稀相)且能在重力的作用下沿着侧壁下落。由于固体颗粒在料腿40下部方向被收集，固体颗粒减速并与料腿的密相接合。细微微粒的密相尽管不能自己形成静压头，但根据本发明能既在重力又在引射器50吸引力的作用下移动到料腿外。

具有较少固体颗粒承载的气体会向旋风分离器30的中央流动并最终由于出口处的低压向顶部的出口32流动。

原动气体：原动气体可以是N₂、CO₂、空气、蒸汽、O₂或其混合气体。较佳地，原动气体是一种在气化器10中用作气化剂以生成合成气的气体。高压气流原动流体源通常由压缩机或泵浦产生。氮压缩机产生的N₂可用于对流化床气化器10引射固体颗粒。产生的或期望的负压可用现有技术中众所周知的方法(例如参见Parker，J.，Boggs，J.，Blick，E.，流体力学及传热介绍，Addison-Wesley，1970，pp163)来计算。在另一实施例中，较佳的引力约为20-30kPa且释放压力为35-70kPa。较佳的原动气体压力比气化器10工作压力高400-600kPa。

如前所述，由于固体颗粒的凝结性，在料腿40中的固体颗粒不能产生静压头并且也不能单独用传统的料腿40将其从低压区域回收到高压区域。根据本发明，引射器50的作用是由于文丘里效应在引射器50的进口52区域产生低压从而在引射器50的进口52的局部压力低于与旋风分离器30连接的料腿40底部压力。因此，由于固体颗粒流从相对高压区域流向相对低压区域流动促进了固体颗粒流从料腿40向引射器50流动。

另一方面，原动气体的高压确保了引射器50的出口53处的压力高于流化床区域的压力。具有原动气体动能的高压将固体颗粒传送到流化床区域。

在一实施例中，本发明的细微固体颗粒回收利用装置进一步包括水平腿43，其将引射器50，具体来说是引射器50的进口52与料腿40连接。该水平腿43增加了气体及固体颗粒流的附加阻力以防止大量的气体从旋风分离器30传送到气化器10。

该水平腿43还能防止原动气体向上吹回(倒流)到旋风分离器30的料腿40中，从而防止在流化床中有突然的压力波动打乱旋风分离器30的运行。由于水平腿43产生的附加阻力，水平腿43中的固体颗粒防止了气体从引射器50倒流回旋风分离器30中。在没有水平腿43的情况下，引射器50产生的负进口压力也可将稀释气体从旋风分离器30直接吸到气化器10中。

较佳的水平腿43长度达约为水平管体直径的4-12倍，其接近于料腿40的较低端。本领域的技术人员能够容易理解的是，如果水平腿43太长，将需要很大的原动气体气压使固体颗粒向前流动；当水平腿43太短时，水平腿43不能充分地防止气体向上倒流回旋风分离器30中。

在另一实施例中，如图2所示于引射器50的固体进口52处，所述料腿40进一步包括垂直部44，其与上述的水平腿43连接。较佳的垂直部44的高度约为引射器50的进口52管体内径的6-8倍。

在本发明的某些实施例中，通风口(图中未示)可用于促进固体颗粒流从旋风分离器30向流化床流动。通风口根据预知的固体颗粒流速度以及固体颗粒返回到的流化床的床体高度来设置。

在另一实施例中，料腿40的垂直部44的通风口通常约相互间隔1.5至2米，通风口的内径通常约为10-30毫米。该些通风口朝着流动方向且与水平方向约呈30至60度角的方向倾斜。水平部43的通风口相互间隔0.3至0.5米且与垂直部44的通风口直径相同。通风口中的气体速度约在2.5至5米/秒之间。对于内径小于0.5米的料腿40，通常整个圆周的特定位置的一个通风口就已足够。如果料腿40的内径大于0.5米时，那么至少一通风口可以以特定高度或位置沿着圆周设置。

本发明能够实现高碳转化率并降低气化器10产生的飞尘数量。

本发明适用于流化床气化器10及其他要求多级旋风分离器且需要将细微的凝结物质在高压及高温下回收至流化床的流化系统中任何第二或第三级旋风分离器。例如流化床的燃烧室可采用一引射器50将固体颗粒回收至流化床，并且还可采用一催化裂化再生器。