[发明专利]回收利用多相化学反应器中颗粒的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于收集及回收利用诸如流化床反应器、气流床反应器以及固定床反应器等多相化学反应器中，尤其是用于煤气化的多相化学反应器中细微固体颗粒的方法及装置。

背景技术

在工业化学工程中，多种反应器被广泛用于进行各种多相化学反应。典型的多相反应器包括固定床(逆流固定床或并流固定床)、流化床反应器以及气流床。其经常被用于煤、生物质以及城市垃圾(municipal solid waste)的气化中。

具体来说，逆流固定床(“向上流动”)气化器包括以碳为燃料(如煤、生物质或城市垃圾)的固定床，气化剂(水蒸汽、二氧化碳、氧气和/或空气)以逆流形式流过其中。并流固定床(“向下流动”)气化器与逆流型类似，但气化剂气体随着燃料以并流形式(通常向下，因此称为“下吸式气化器”)。灰以干灰或灰渣形式去除。

通常将干粉燃料加入气流床气化器的氧化剂中。燃料及氧气以并流形式流动形成极小微粒的浓雾，在其中发生气化反应。高温以及高压通常能带来更好的转化率以及单个气化反应器的更高产出。然而在一些情况中，仍然会发现灰形式的相当大的碳损失。

在流化床反应器中，高速的流体使颗粒状固体悬浮并使其具有流体的性质。该过程称为流化，其具有许多重要的优势，因此用于许多工业应用中，包括煤的气化。在流化床煤气化中，原料颗粒与氧气以及蒸汽反应生成“合成气”，其为一氧化碳、氢气、二氧化碳以及其他少量气体的混合物。流化床区域的直接产物称为出口气流，其包含气体产物混合物以及含有煤和灰的固体颗粒。通常灰以干灰(颗粒或飞灰)或非流化的重结块(底灰)形式去除。

飞灰的回收利用是流化床反应器中典型的技术问题。流化床反应器通常在800至1,100℃的温度下工作，该温度低于多数煤及生物质材料900至1,300℃的灰熔点温度(软化温度)。由于在较低的温度下进行工作，一些燃料颗粒在离开反应区域前未完全反应转化为煤气。大量未完全反应的燃料颗粒随着出口气流从反应器顶部离开。飞灰通常含有大约10％至60％的未反应碳。

为了使大多数固体颗粒进行反应并减少细粉在顶部的损失，在这些多相反应器中通常采用一级或多级旋风分离器。收集到的细微颗粒可在另一反应器中燃烧，但这将需要其他设备进行并增加大量经营成本。

另一利用收集到的高碳含量飞灰的典型方法是将其回收到气化反应器中进一步反应。然而，回收的飞灰不容易进行化学反应，尤其是当反应器中温度不高的时候。在该情况下，飞灰的循环没有对气化工作效率带来任何明显提高。

因此，有必要提供一种新的方法及装置以解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

如上所述，现有技术中飞灰通常被送回气化器中试图回收及再利用飞灰中含有的碳并减少灰的数量，但结果都不甚理想。本发明可简化气化系统并减少投入资金，并且限制了或至少缓解了排出的原料中细粉含量。

本发明人第一次认识到先前尝试的失败是部分由于不能将灰持续地送回到高温区。事实上，在本发明出现之前，没有人尝试过将飞灰持续地送回到流化床的高温区。就流化床反应器而言，部分原因在于飞灰通过与收集飞灰的旋风分离器或布袋连接的料腿被送回至流化床区域。由于在高温区中的高温及颗粒的高速，料腿不能到达高温区域或很快并容易被侵蚀。

本发明提供一种新颖及创新的技术方案以解决上述技术问题，从而出人意料地、显著地提高碳转化率并减少煤气化中飞灰的高输出量。

在一个实施例中，本发明提供一种回收多相化学反应器中细灰颗粒的方法，其中煤在多相化学反应器中部分氧化以生成出口气流，其携带有细灰颗粒，其中多相化学反应器包括温度等于或高于细灰颗粒熔点的高温区，该方法包括：a)将细灰颗粒从出口气流分离的步骤；以及b)将上述步骤a)中收集到的细灰颗粒返回至高温区的步骤。

本发明进一步包括用于上述方法使用的多相化学反应器。

在一个实施例中，本发明的多相化学反应器是固定床反应器、流化床反应器或气流床反应器。

在一个实施例中，本发明的多相化学反应器用于煤及城市垃圾的气化。

在一个实施例中，所述流化床反应器包括垂直的反应容器，其包括密相段、位于密相段上方的稀相段以及位于反应容器密相段中定义反应床底部的分布板，其中高温区位于该分布板的上方并且细灰颗粒经由分布板被送回至高温区中。

在一个实施例中，细灰颗粒通过气力输送系统被送回至高温区。在一个实施例中，用于气力输送系统的载气不含有氧气。在一实施例中，用于气力输送系统的载气包括二氧化碳、氮气、合成气、蒸汽或其任意配比的混合物。