技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種將原料氣體擴(kuò)散至流化床反應(yīng)器并將固體顆粒殘?jiān)欧懦鲈摿骰卜磻?yīng)器的裝置。

背景技術(shù)：

在高溫及高壓下工作的流化床反應(yīng)器所產(chǎn)生的固體顆粒殘?jiān)枰钥煽丶胺€(wěn)定的方式排放出氣化器以保持氣化反應(yīng)所需的足夠的床層高度及固體顆粒停留時(shí)間。傳統(tǒng)的流化床氣化器底流式排放系統(tǒng)在高溫及高壓下工作并采用控制閥及機(jī)械給料器，時(shí)常會(huì)造成不規(guī)則的固體顆粒流率并對(duì)排放裝置的機(jī)械部分造成嚴(yán)重的高沖蝕磨損?？刂崎y和機(jī)械給料器的機(jī)械設(shè)計(jì)、構(gòu)造及運(yùn)行都十分復(fù)雜并且需要經(jīng)常維修及替換。傳統(tǒng)的排放系統(tǒng)會(huì)時(shí)常導(dǎo)致計(jì)劃外的停車并會(huì)影響氣化系統(tǒng)的性能及可靠性。

在高溫及高壓下采用文丘里管將固體顆粒殘?jiān)欧懦隽骰矚饣髟诂F(xiàn)有技術(shù)中是已知的，參見授予Vorres的第4,435,364號(hào)美國(guó)專利及授予Schora等人的第4,023,280號(hào)美國(guó)專利。具體來說，流化床的下方位于反應(yīng)罐向下延伸的通道底部設(shè)有一具有通道的窄部，其定義了用于引導(dǎo)向上流動(dòng)的原料氣體進(jìn)入流化床以及引導(dǎo)向下流動(dòng)的固體顆粒殘?jiān)欧懦隽骰驳奈那鹄锕?。排放出流化床的固體顆粒的流量由向上流動(dòng)的氣體的速度控制并無需采用控制閥及機(jī)械給料器。

文丘里管的喉道部不僅在高溫及高壓下工作，而且還在高速氣體及固體顆粒流的持續(xù)轟擊下工作。因此，文丘里管會(huì)受到嚴(yán)重沖蝕磨損并需要經(jīng)常的昂貴維修或替換，這就導(dǎo)致經(jīng)常性的或持久的停車。

因此有必要提供一種系統(tǒng)及方法以在高溫及高壓下以及在無需采用控制閥及機(jī)械給料器的條件下將受控?cái)?shù)量的未反應(yīng)或不完全反應(yīng)的固體顆粒殘?jiān)欧懦隽骰病?/p>

通常采用穿孔板來擴(kuò)散流化氣化器中原料固體顆粒所需的原料氣體。流化床中固體顆粒的適當(dāng)流化可促進(jìn)高轉(zhuǎn)化率及高產(chǎn)量所需的氣體及固體顆粒的接觸。然而，流化床中固體顆粒通常會(huì)流動(dòng)通過分布板的開孔并掉入分布板下方的風(fēng)室(plenum)，導(dǎo)致風(fēng)室燃燒等不利問題。

因此，需要一種新的系統(tǒng)及方法從而更均勻地將原料氣體擴(kuò)散至流化床并使流動(dòng)至分布板下方風(fēng)室的流化床固體顆粒的數(shù)量降低到最小，以提高氣化器的性能并防止不期望的風(fēng)室燃燒。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明關(guān)于一種從流化床氣化器回收固體顆粒的改進(jìn)裝置。該裝置包括一文丘里管，具有狹窄圓柱形通道或稱為喉道部，其與位于文丘里管喉道部上方向上延伸的第一圓錐部以及位于文丘里管喉道部下方向下延伸的第二圓錐部連接。該文丘里管與圓錐形分布板的底部連接，一部分原料氣體在進(jìn)入流化床氣化器前先擴(kuò)散至該分布板。

在一實(shí)施例中，本發(fā)明的裝置包括一圓柱管，稱為分類器，其與文丘里管的底部連接，以及一較小的垂直管或中心射流器，其位于分類器及文丘里管的中心。排放出流化床氣化器的固體顆粒殘?jiān)羧胛那鹄锕懿⑾蛳铝鲃?dòng)通過文丘里喉道部與中心射流器之間的環(huán)狀空間，然后通過分類器與中心射流器之間的環(huán)狀空間。一部分原料氣體向上流動(dòng)通過分類器與文丘里管之間的環(huán)狀空間并進(jìn)入流化床氣化器。

本發(fā)明的裝置利用分類器使較重及較大的固體顆粒殘?jiān)鼜妮^輕及較小的固體顆粒殘?jiān)蟹蛛x。分類器中較大或較重的固體顆粒殘?jiān)哂锌朔蛏狭鲃?dòng)的原料氣體的向下動(dòng)量，從分類器中掉下并排放出分離器。相反，較小或較輕的固體顆粒殘?jiān)幌蛏狭鲃?dòng)的氣體攜帶并返回至流化床中。

通過將較重及較大的固體顆粒殘?jiān)鼜妮^輕及較小的固體顆粒殘?jiān)蟹蛛x，氣體及固體間的化學(xué)反應(yīng)可以更徹底地進(jìn)行，并獲得原料更高的總體轉(zhuǎn)化率。眾所周知，隨著碳質(zhì)原料氣化反應(yīng)的進(jìn)行越充分反應(yīng)的固體顆粒根據(jù)原料的類型會(huì)變得更大或更重。本發(fā)明具有分類器，可以有選擇地將較充分反應(yīng)的較大或較重固體顆粒殘?jiān)欧懦隽骰矚饣鳎⑤^未充分反應(yīng)的較小或較輕固體顆粒殘?jiān)厥罩亮骰矚饣?，且使較未充分反應(yīng)的固體顆粒殘?jiān)苡谐浞謿饣磻?yīng)所需的較長(zhǎng)停留時(shí)間。

本發(fā)明進(jìn)一步通過在分類器的下方供給原料氣體提高總體轉(zhuǎn)化率。排放出文丘里管喉道部的固體顆粒立即進(jìn)入文丘里管下方的分類器并進(jìn)一步與向上流動(dòng)的原料氣體反應(yīng)。

本發(fā)明還提供可拆卸的文丘里管設(shè)計(jì)，使遭沖蝕磨損的文丘里管能夠容易地被閑置的文丘里管裝置替換以縮短停車時(shí)間并提高氣化器的總體利用率。如上所述，文丘里管喉道部處于高溫及高壓下并且于高速氣體及固體顆粒流的持續(xù)轟擊下工作，會(huì)受到嚴(yán)重的沖蝕磨損并需要經(jīng)常的昂貴維修或替換，這就導(dǎo)致經(jīng)常性的或持久的停車。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種用于流化床氣化器的擴(kuò)散原料氣體的裝置。更具體地，一具有圓錐形穿孔的分布板或柵板安裝有數(shù)個(gè)使原料氣體流動(dòng)并進(jìn)入流化床的水平或朝向下方的開口或柵板孔。分布板具有一錐角并且柵板孔尺寸均勻且等間距從而使原料氣體更均勻地?cái)U(kuò)散，使固體顆粒循環(huán)率得到提高，以及使流化床氣化器中氣體及固體顆粒更好地混合。在一較佳實(shí)施例中，于分布板的下方設(shè)有柵板孔的進(jìn)口，并覆蓋有某金屬附著物以防止固體顆粒流進(jìn)入柵板孔中并掉入位于分布板下方的風(fēng)室中導(dǎo)致不期望的燃燒反應(yīng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明包括固體顆粒殘?jiān)欧偶胺诸愐惑w裝置的流化床煤氣化器的示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的固體顆粒殘?jiān)欧叛b置的示意圖；

圖3為本發(fā)明的固體顆粒殘?jiān)诸愌b置的示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的改進(jìn)的原料氣體擴(kuò)散柵板的示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的改進(jìn)的原料氣體擴(kuò)散柵板的示意圖；以及

圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的被金屬板覆蓋的氣體分布板的示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖所示，本發(fā)明的各方面將在以下更詳細(xì)地描述。圖1提供了本發(fā)明流化床氣化器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。該流化床氣化器包括固體顆粒殘?jiān)欧偶胺诸愐惑w裝置。固體顆粒原料包括例如煤或生物質(zhì)的碎碳質(zhì)燃料，通過給料管1氣動(dòng)地或機(jī)械地向氣化器3的流化床2給料。含有水蒸氣及例如空氣或氧氣的氧化劑混合氣體的氣相原料從以下的三個(gè)位置進(jìn)入氣化器3中：1)“柵板氣體”從位于擴(kuò)散柵板5下方的風(fēng)室4進(jìn)入，2)“分類氣體”經(jīng)連接管6從排灰管線7進(jìn)入，以及3)“射流氣體”從中心射流管8進(jìn)入。

固體顆粒原料被控制在特定溫度、壓強(qiáng)及停留時(shí)間下在流化床2中與氣相原料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并轉(zhuǎn)換成易燃的氣相產(chǎn)物。粗氣體產(chǎn)物通過密相流化床2及稀相的懸浮段(freeboard)9上升并通過排放噴嘴10排放。隨后粗氣體產(chǎn)物進(jìn)入氣體凈化及處理單元。

固體顆粒通過固體顆粒殘?jiān)欧叛b置11排放出流化床2并掉入分類裝置12，于該分類裝置12中較未充分反應(yīng)的較小或較輕的固體顆粒從較充分反應(yīng)的較大或較重的固體顆粒中分離并被再次帶入到流化床2進(jìn)行進(jìn)一步的氣化反應(yīng)。較重或較大的固體顆粒殘?jiān)ㄟ^排灰管7排放出氣化器3。

圖2顯示了固體顆粒殘?jiān)欧叛b置11的具體細(xì)節(jié)。固體顆粒殘?jiān)欧叛b置11的主要作用是將受控?cái)?shù)量的固體顆粒排放出氣化器3的流化床2。分類器12將較未充分反應(yīng)的較小或較輕的固體顆粒從形成于流化床2及分類器12中的較充分反應(yīng)的較大或較重固體顆粒中分離，隨后將較未充分反應(yīng)的固體顆?；厥罩亮骰?以進(jìn)行進(jìn)一步的氣化反應(yīng)并將較大或較重固體顆粒殘?jiān)欧懦鑫挥跉饣?底部的分類器12。

固體顆粒殘?jiān)欧叛b置11包括可拆卸的文丘里管插入件13，位于與柵板5底部及分類器12頂部連接的圓柱形文丘里保護(hù)管17的內(nèi)部。文丘里管插入件13位于分類器12的頂部并由鎖緊裝置18支撐。文丘里管13具有狹窄圓柱形通道或文丘里管喉道部16，與位于喉道部16上方向上延伸的第一圓錐部以及位于喉道部16下方向下延伸的第二圓錐部連接。收斂角度14及發(fā)散角度15為0度至30度。在一實(shí)施例中，文丘里管喉道部16的長(zhǎng)度或高度為50至250mm，文丘里管與分類器的直徑比為0.2至1.0。文丘里管喉道部16的直徑或文丘里管喉道部16與中心射流器8間環(huán)狀空間的寬度取決于氣體及固體顆粒的流量、工作溫度和壓強(qiáng)以及氣體及固體顆粒的屬性。從流化床2掉入文丘里管13的半焦/灰渣固體顆粒的流量取決于向上流動(dòng)通過文丘里管喉道部16與中心射流器8間環(huán)狀空間的水蒸氣/氧化劑原料氣體的流量。固體顆粒殘?jiān)欧叛b置11利用通過文丘里管喉道部16的向上流動(dòng)的混合氣體的流量來控制半焦及灰渣固體顆粒的排放流量，并無需利用傳統(tǒng)向下流動(dòng)式排放系統(tǒng)通常所需的控制閥或機(jī)械給料器。

如圖3所示，分類器12包括文丘里管13與中心射流管8進(jìn)口彎頭間的垂直部。從文丘里管13排放出的半焦/灰渣固體顆粒在重力的作用下掉入排灰管7與中心射流管8間的環(huán)狀空間中。由于固體顆粒掉入到分類器12中，因此未反應(yīng)的半焦及向上流動(dòng)的混合原料氣體會(huì)繼續(xù)在分類器12中反應(yīng)，使固體顆粒進(jìn)一步結(jié)塊或焦結(jié)從而形成更大或更重的灰渣固體顆粒。當(dāng)灰渣微粒達(dá)到一定尺寸和/或質(zhì)量時(shí)，分類器12中向上流動(dòng)的氣體動(dòng)力不足以將灰渣固體顆粒維持在懸浮或流化狀態(tài)，灰渣固體顆粒會(huì)掉入到排灰管線7的底部。較輕和/或較小的固體顆粒被保留在分類器12中或被帶入到流化床2中進(jìn)行進(jìn)一步化學(xué)反應(yīng)。分類器12具有特定的長(zhǎng)度及直徑以完成最終的燃盡反應(yīng)并獲得原料固體顆粒更高的總體轉(zhuǎn)化率，并可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員所決定。較佳地，分類器12長(zhǎng)度與分類器12直徑的比值為5至20。

圖4示出了本發(fā)明的原料氣體擴(kuò)散柵板5的一個(gè)較佳實(shí)施例。如圖4所示，擴(kuò)散柵板5包括圓錐形金屬板，其具有以水平方向或背離流化床區(qū)域2中固體顆粒殘?jiān)鲃?dòng)方向穿設(shè)于柵板上的許多小孔19。在一較佳的實(shí)施例中，圓錐形柵板具有特定的約為60至120度的錐角，其能促進(jìn)流化床區(qū)域2固體顆粒的循環(huán)以及便于固體顆粒殘?jiān)欧懦隽骰?。圓錐柵板5及中心射流器8的結(jié)合使流化床2中的固體顆粒向上及向著中心移動(dòng)，然后向外徑向或沿氣化器3的垂直側(cè)壁及柵板5的表面向下移動(dòng)，最后回收至流化床2的中心區(qū)域。圓錐形柵板5還促使固體顆粒殘?jiān)鼜臇虐?的表面滾下并進(jìn)入位于氣化器3底部的排灰管線7。

柵板孔19的直徑及數(shù)量設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生約5至30kPa的氣體壓強(qiáng)的下降，或足以使原料氣體在進(jìn)入流化床2前能均勻地在柵板孔19中擴(kuò)散。例如，柵板孔19的直徑可為3至10mm。原料氣體以30至120m/s的速度流動(dòng)通過柵板孔19，并提供20至80mm的穿透射流進(jìn)入流化床2以將原料固體顆粒維持在完全的懸浮或流化狀態(tài)并防止不期望的固體顆粒在擴(kuò)散柵板5上的結(jié)塊或焦結(jié)。穿過柵板孔19時(shí)的高速及其導(dǎo)致的射流穿透能立即在圓錐形柵板5的整個(gè)表面上方產(chǎn)生一個(gè)活躍的柵板區(qū)域，于其上產(chǎn)生快速的固體顆粒與氣體的混合、傳熱傳質(zhì)以及氣化反應(yīng)。滾下柵板5表面的固體顆粒在進(jìn)入排灰管線7前進(jìn)一步在柵板區(qū)域中反應(yīng)。這一獨(dú)有的特性提高了總體利用率或轉(zhuǎn)換效率。

柵板孔19的總數(shù)及間隔方式設(shè)計(jì)用于提供在流化床2的橫截面區(qū)域上完整及均勻的覆蓋率。間隔方式設(shè)計(jì)用于將離開柵板孔19的氣體所產(chǎn)生的小氣泡結(jié)合成大氣泡減至最少。具有較少大氣泡的流化床具有更有效的氣體-固體顆粒界面?zhèn)鬟f現(xiàn)象及化學(xué)反應(yīng)。

在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的防泄漏的氣體擴(kuò)散柵板5，其包括如上所述的具有柵板孔19的圓錐形金屬板，以及在柵板5下表面或與流化床區(qū)域相對(duì)的表面上與柵板孔19連接的柵板孔蓋板20。參照?qǐng)D5，在一實(shí)施例中，柵板孔蓋板20包括具有適當(dāng)形狀(如矩形)的金屬通道，焊接于每個(gè)柵板孔19進(jìn)口上并位于擴(kuò)散柵板5下方。在較佳實(shí)施例中，金屬通道的尺寸大約為10至20mm×40至60mm。

如圖6所示，本發(fā)明的圓錐擴(kuò)散柵板5具有大約與水平線呈30至60度的傾斜角21。柵板孔19設(shè)置成與水平線平行。原料氣體以30至100m/s的速度通過金屬通道及柵板孔19注入流化床2中。水平穿設(shè)的柵板孔19、通過柵板孔19的高速以及柵板孔蓋板20的結(jié)合防止了流化床固體顆粒流動(dòng)或泄漏通過柵板孔19并掉入位于擴(kuò)散柵板5下方的風(fēng)室(plenum)4，造成固體顆粒在風(fēng)室(plenum)4中不期望的燃燒反應(yīng)。改進(jìn)的防泄漏裝置制造成本不高且易于安裝、維修或拆除。