[发明专利]用流化床处理气体和粒状固体的方法和装置

说明书

本发明涉及用流化床处理气体和粒状固体的方法和装置。流化床反应器在顺流操作时主要包括：混合室、升气管和带有通向混合室的固体返回管的旋风分离器。

本发明适用于用热还原气，特别是来自熔炼还原容器的热废气，还原金属矿石。本发明还特别适用于含危险物质和有问题物质(例如粘性物质)的废气的纯化和快速冷却。

在大规模工业实践中，流化的应用越来越广泛。例如，已经知道来自冶金和化学工业的被污染热废气的纯化是基于循环流化床技术的。该方法能无问题地回收热能是另一优点。例如，澳洲专利553033描述了一种方法，即在所谓的流动反应器中，从载有熔滴的气体中回收热量，使熔滴与热交换器的加热表面接触，其特征在于：将固体颗粒与载有熔滴的气体混合，使气体温度在热交换器之前降低至熔滴的低共熔温度以下。该方法所述的数据是：气速3～20m/sec，气体中颗粒含量是10～500g/mol，入口气体温度是300～1500℃，出口气体温度是500～1200℃，平均粒径是100～200微米。

流化床技术的另一个较宽的应用范围是煤气化。德国专利第2742644号涉及一种含碳固体的连续气化方法和实施该方法的设备。在该方法中，固体通过一个轴状容器的从顶部到底部至少三个区域。下降的产品流速至多是5m/min，并且保持固体旋转上升状态的流化气的流速至多为大约6m/sec。

欧洲专利申请第0304931号涉及在循环流化床中含碳固体材料的气化或燃烧，其中流化床反应器中气体速率保持在高达2～10m/sec的水平，大部分固体与气体一道从反应容器中排出，在随后的旋风分离器中分离，然后被送回反应器。初步纯化的气体随后在气体纯化装置中脱去固体微粒。该方法的特征在于来自气体纯化装置的微粒物质与来自旋风分离器的旋转物质聚结在一起，最后也被送入反应容器中。流动型循环流化床反应器用于例如从热气流中回收热量或用热气处理固体颗粒，热气作为流化气体通常从底部的园形入口送入反应器。在流动反应器中不需要固定筛来承载流化床材料。这种系统当然也存在一些缺点，尤其是大规模使用时。引入流化床的气体并不总能避免重固体颗粒落下流化床，而逆流地通过反应器底部的进料口。特别是反应器外壁上的固体颗粒的强烈向下流动导致颗粒通过反应器入口流出。人们也知道，固—气流动系统中的紊流会增加上述通过入口处流出的损失。固体颗粒倒流回流化床反应器前的主要处理装置将引起问题并使过程控制复杂化。此外，从入口掉出来的颗粒或结块会引起湍动、紊流，并减小气流本身的气体速率，因而导致混合室中流化床建立时的紊流。

从而本发明基于的问题是设计一种方法和装置，使得在气体引入装有固体颗粒流化床的混合室时，固体颗粒不会与引入的气体呈逆流从混合室的入口逸出。本发明基于的进一步具体的问题是设计一种用流化床技术还原金属矿石的方法和装置，它应用非常便利，使得非常热的还原气(例如：来自熔炼还原容器的废气)以1700℃以上的温度直接进入混合室，在混合室中冷却至适当的还原温度，这样便不会有大量的固体颗粒由混合室逆流进入还原气进料管。本发明的另一目的是设计一种方法，使它能够有效地与熔炼还原过程联合操作。

本发明在混合室入口的紧前面以35m/sec以上的气体速度将气体引入混合室，从而解决了上述所有问题。

根据本发明的一个优选的实例，将热气通过一个长度(l)直径(D)比率(l/D)大于1的气体入口管道送入混合室，并且使固体颗粒在混合室下部锥形部分的向下的边界流动以至少20°的角度在混合室的入口处与基本垂直向上的热气流相遇，混合室下部的锥形部分倾斜角度小于70°。

本发明方法使固体颗粒不致掉入混合室底部的气体入口管道中，使全部颗粒仅在流动方向离开混合室。

本发明优选装置的特征在于：混合室具有一个气体入口管道，气体通过该管道进入混合室；气体入口管道的长径比率(l/D)大于1；混合室底部锥形部分的壁面倾角小于70°。

当采用本发明方法用于金属氧化物的还原时，最好使用流化床或循环流化床。反应器包括：金属矿石与热还原气混合的混合室；将来自混合室的这些固体颗粒和气体分离的旋风分离器；将来自混合室的固体颗粒和气体构成的悬浮气流送入旋风分离器的升气管；至少将部分来自旋风分离器的固体送返混合室的固体返回管。

与以前混合室中高鼓风速率导致不利因素的观点相反，本发明热气以高入口速率进入混合室(速率大于35m/sec)，惊人地导致了混合室中优异的流动特性，这可通过许多积极效果反映出来。本发明混合室中的高入口气速出人意料地不产生先有技术所描述的缺点，反而产生有利效果，现详述如下：