專(zhuān)利名稱(chēng)：流化床反應(yīng)器及其操作方法
背景技術(shù)：
及發(fā)明概述本發(fā)明涉及流化床反應(yīng)器及操作流化床反應(yīng)器的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及一種比之現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)和工藝具有眾多優(yōu)點(diǎn)的循環(huán)流化床反應(yīng)器的可控操作。本發(fā)明比之現(xiàn)有技術(shù)大大簡(jiǎn)化，但仍能將反應(yīng)器溫度精確控制在高效狀態(tài)，并能提高在不同負(fù)荷下的熱交換能力，而且在其它方面也是有利的。
循環(huán)流化床已屬眾所周知，如美國(guó)專(zhuān)利4,111,158所示。在循環(huán)流化床反應(yīng)器中，燃料在固體(惰性的，和/或活性的，如石灰石)顆粒的流化床內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。其氣流速度和送氣速率要控制得使絕大部分固體顆粒被氣流從流化床反應(yīng)器的下部夾帶到上部。循環(huán)流化床的操作特點(diǎn)是，必須盡量徹底地夾帶固體材料，以致于如果這種材料(或等量的預(yù)熱材料)不能循環(huán)回到反應(yīng)器中，則循環(huán)流化床的操作將會(huì)受到負(fù)面影響。
美國(guó)專(zhuān)利4,111,158建議，溫度和操作可以用這些辦法來(lái)控制從循環(huán)系統(tǒng)(包括流化床反應(yīng)器、固體/氣體分離器和再循環(huán)導(dǎo)管)抽取出固體；用流化床熱交換器冷卻抽取出來(lái)的固體；以及然后將已冷卻的固體再循環(huán)回到流化床反應(yīng)器中。固體從流化床反應(yīng)器的底部附近通過(guò)導(dǎo)管抽取出來(lái)，并送入遠(yuǎn)處的外部流化床冷卻器，冷卻后，其中的固體部分又返回流化床反應(yīng)器。這樣的布置需采用分立系統(tǒng)(separate system)，這樣固體才能在流化床冷卻器與流化床反應(yīng)器之間輸運(yùn)。另外，例如由于輸運(yùn)固體的導(dǎo)管很長(zhǎng)，它的控制能力低弱，長(zhǎng)導(dǎo)管的熱損失也很大。這樣的系統(tǒng)制造和操作也很復(fù)雜和昂貴。
也曾有人建議將固體在置于主反應(yīng)器附近的流化床中進(jìn)行冷卻，例如在美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)流化床技術(shù)(VORTEXTMFLUIDIZEDBED TECHNOLOGY)1993年第1卷第197-205頁(yè)的一篇文章(流化床燃燒)(Fluidized Bed Combustion)中就有這樣的建議。這樣的布置有可能減小由長(zhǎng)連結(jié)導(dǎo)管帶來(lái)的熱損失和控制滯后，但是，它仍需用某些設(shè)備來(lái)把固體返送回主反應(yīng)器，在此需用一個(gè)單設(shè)的提升通道，它還需有額外的動(dòng)力來(lái)開(kāi)動(dòng)。從反應(yīng)器底部取出固體，而把它返送回反應(yīng)器須用單設(shè)的提升室(Lifting Chamber)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以防止冷卻器的流化氣體與提升室的輸送氣體相互混合。同樣，這樣的系統(tǒng)也很難控制；經(jīng)常需要有足夠量的固體導(dǎo)入提升室，否則輸運(yùn)就不會(huì)順暢。
在美國(guó)專(zhuān)利4,893,426和4,823,740中公開(kāi)了操作鼓泡式流化床(bubbling fluidized bed)反應(yīng)器的不同方法。鼓泡式流化床反應(yīng)器是在低速下運(yùn)轉(zhuǎn)的，因此它與循環(huán)流化床相反，在床內(nèi)形成有明顯的上部表面。在美國(guó)專(zhuān)利3,893,426中示出了一種利用毗連的流化床的熱交換器。兩床都在同一水平高度上裝有分配流化氣體的分布板(grid)。在美國(guó)專(zhuān)利4,823,740中示出了一種鼓泡式流化床反應(yīng)器，其下部裝有熱能回收室。這些回收室基本上布置在鼓泡床同一高度上，以便能接受固體材料，固體材料是在鼓泡床頂部表面的上方靠近鼓泡床與回收室之間的隔壁處進(jìn)入的。固體在鼓泡床流化分布板上方的高度上從回收室返回鼓泡床。
美國(guó)專(zhuān)利5,060,599示出一種循環(huán)流化床反應(yīng)器，它在反應(yīng)器側(cè)壁處裝有料槽，用以接受沿側(cè)壁流下的材料。每個(gè)料槽都有向上的開(kāi)口，開(kāi)口位置在流化床的密度明顯低于反應(yīng)器底部附近的密度的地方。要讓材料涌過(guò)料槽邊緣而流出，或者材料從料槽底部的小門(mén)或開(kāi)孔卸出，材料流的控制才能達(dá)到目的。料槽是靠在反應(yīng)室內(nèi)加隔壁來(lái)形成的。為使料槽具有足夠的容積并在其中有足夠的熱交換，隔壁必須在反應(yīng)室壁的較高處。這種沉重的壁結(jié)構(gòu)很昂貴并難于安裝，它會(huì)在連結(jié)處引起其它結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，并引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的不利振動(dòng)。如果隔壁的高度加高，則料槽僅限于在高負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，這是因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)將不會(huì)有足夠的固體材料落入料槽。
在美國(guó)專(zhuān)利4,363,292中示出了一種在流化床反應(yīng)器底部分布板上安裝熱交換段的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，在分布板上方也安裝有隔壁，把反應(yīng)器底部分隔成若干區(qū)。這樣的布置因不能在熱交換段內(nèi)提供足夠的熱交換面積而也受到限制，特別是在低負(fù)荷條件下時(shí)更是這樣。在該系統(tǒng)和其它已知系統(tǒng)以及流化床反應(yīng)器的操作方法中都存在缺點(diǎn)，這些都在本發(fā)明中得到了解決。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種系統(tǒng)和方法，它們能使流化床反應(yīng)器的溫度得到有效控制，保證有足夠的熱交換面積來(lái)冷卻固體材料。根據(jù)本發(fā)明，能在不同負(fù)荷下增大流化床反應(yīng)器的熱交換能力，并能在流化床反應(yīng)器中使固體材料得到經(jīng)濟(jì)有效的處理。反應(yīng)器系統(tǒng)冷卻器的熱交換能力比之現(xiàn)有技術(shù)增大，能在不同負(fù)荷下有效運(yùn)轉(zhuǎn)。按照本發(fā)明這些效果可以簡(jiǎn)單的方式達(dá)到。
本發(fā)明最基本的思路是利用兩種不同的流化床技術(shù)，而且把兩種不同的床互相毗連安裝以使能不用泵、鼓風(fēng)機(jī)或其它機(jī)械設(shè)備或氣動(dòng)設(shè)備即在兩床之間互相交換顆粒，直接完成顆粒的交換。
本發(fā)明使用循環(huán)式(快速)流化床和鼓泡式(慢速)流化床。兩床用第一和第二連結(jié)通道毗鄰安裝，典型地是把鼓泡床的引導(dǎo)流化氣體的分布板安裝在循環(huán)床分布板的下方。由于鼓泡床的密度基本上是整個(gè)地恒定的，并在其頂面有明顯的分界線，因此就把第一連結(jié)通道置于鼓泡床頂面上萬(wàn)，以使兩床之間的壓力和密度條件能導(dǎo)致顆粒從循環(huán)床通過(guò)第一連結(jié)通道流入鼓泡床。雖然如此，但由于鼓泡床中的平均密度大于循環(huán)床中的密度，因此，壓力和密度條件就使顆粒在鼓泡床中處理后(例如冷卻后)通過(guò)第二連結(jié)通道返回到循環(huán)床。
這就是說(shuō)，已驚奇地發(fā)現(xiàn)，可有效地利用流化床反應(yīng)器系統(tǒng)中的不同壓力條件來(lái)在兩個(gè)固體流化床之間輸送材料。只要適當(dāng)?shù)夭贾酶鞣磻?yīng)室和相互間連結(jié)的開(kāi)孔，就可保持和控制流化床反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，使得可安全可靠地在各種負(fù)荷條件有效地冷卻固體材料。本發(fā)明把循環(huán)流化床與慢速流化床有效地連結(jié)在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)這些效果。
在循環(huán)固體流化床中，流化氣體通過(guò)反應(yīng)室底部的分布板引入，其流速使主要體積的固體被氣體從反應(yīng)室中較低區(qū)段夾帶流向較高區(qū)段。而循環(huán)床的特征是，平均顆粒密度從循環(huán)流化床的底部區(qū)段的起始密度向反應(yīng)室的上部區(qū)段逐漸減小，床上并無(wú)明顯的上部表面，更確切地說(shuō)，氣體/固體懸浮體向上逐步稀釋。而在慢速或鼓泡式流化床中，則有明顯的上部表面，該表面以下顆粒密度基本上恒定，而在該表面以上只存在有少量的固體；亦即在上部表面以上，固體密度基本為零。這是由于引入的流化氣體流量較低所致。
按照本發(fā)明，慢速流化床的密度一般應(yīng)調(diào)控得比循環(huán)流化床底部區(qū)段的起始密度高。兩流化床所建立的壓力可用下式來(lái)描述循環(huán)流化床為ΔP1＝ρcgΔh，或壓力梯度為ΔP1/Δh；而慢速或鼓泡式流化床為ΔP2＝ρ5gΔh或壓力梯度為ΔP2＝Δh。在慢速流化床中，在流化床上部表面高度處的密度會(huì)自然地突然降低，因此在慢速流化床上部表面以上壓力ΔP2不會(huì)加大，上部表面的高度以ho表示。相反，由于循環(huán)流化床中的平均顆粒密度向著反應(yīng)室的上部區(qū)段逐漸減小，因此在循環(huán)流化床中就沒(méi)有這樣的突然變化。這樣就導(dǎo)致這樣的事實(shí)在慢速流化床上部表面以下的某個(gè)垂直位置上等于或小于ho的Δh1高度上，慢速流化床的壓力大于循環(huán)流化床的壓力，亦即ΔP2＞ΔP1。而在慢速流化床上部表面以上的某個(gè)垂直位置上，在大于ho的高度Δhu上，循環(huán)流化床的壓力大于慢速流化床的壓力，亦即ΔP1＞ΔP2。
按照本發(fā)明，可利用循環(huán)流化床與慢速或鼓泡式流化床的不同壓力條件來(lái)設(shè)置成一個(gè)循環(huán)機(jī)制或循環(huán)路線，使固體從循環(huán)流化床通過(guò)設(shè)有擴(kuò)大的傳熱面積的慢速流化床而循環(huán)。只要適當(dāng)?shù)夭贾酶鞣磻?yīng)室和相互間連結(jié)的開(kāi)孔，即可保持和控制流化床反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，使得安全可靠地在各種操作負(fù)荷條件下，有效冷卻固體材料，特別是在低負(fù)荷條件下也能有效冷卻。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括下列部件一個(gè)包括循環(huán)流化床的流化床反應(yīng)室，循環(huán)流化床有第一分布板，用以往循環(huán)流化床中引入流化氣體；一個(gè)鼓泡式流化床，其中有第二分布板，用以往鼓泡式流化床中引入流化氣體，第二分布板安裝在垂直低于第一分布板的地方；循環(huán)流化床與鼓泡床之間的第一連結(jié)通道，用以從循環(huán)床往鼓泡床輸送固體，第一連結(jié)通道位于第一分布板上方的第一位置；以及循環(huán)流化床與鼓泡床之間的第二連結(jié)通道，用以從鼓泡床往循環(huán)床輸運(yùn)固體，第二連結(jié)通道位于第一連結(jié)通道的下方，但在第一分布板的高度上或高于第一分布板。循環(huán)床和鼓泡床以及它們之間的連結(jié)通道相互之間這樣布置使兩床內(nèi)部的壓力和密度條件能建立起一種推動(dòng)力，以控制顆粒從循環(huán)床通過(guò)第一連結(jié)通道流入鼓泡床，以及從鼓泡床通過(guò)第二連結(jié)通道流入循環(huán)床[在此也可以有其他的流量控制裝置，優(yōu)選非機(jī)械裝置]。
冷卻裝置，例如間接式熱交換器，一般安裝在鼓泡床內(nèi)以冷卻其中的固體。同時(shí)，用隔板把鼓泡床分為第一室和第二室，第一室直接接通第一連結(jié)通道，第二室直接接通第二連結(jié)通道。隔板防止第一和第二連結(jié)通道之間發(fā)生短路，以使所有進(jìn)入鼓泡床的顆粒都得到冷卻。
冷卻機(jī)械可以只裝在第一室，也可以只裝在第二室，或者在第一室和第二室內(nèi)都裝。第一室和第二室的尺寸可以是任何比例的，但優(yōu)選第二室的第二橫斷面面積小于第一室的第一橫斷面面積的50％(更優(yōu)選小于25％)。鼓泡床內(nèi)的傳熱裝置優(yōu)選地至少部分延伸至低于第一分布板。
一般而言，反應(yīng)室有第一側(cè)壁，所述第一側(cè)壁布置成與垂線有大于約10°的夾角，側(cè)壁上開(kāi)有第一開(kāi)孔構(gòu)成第一連結(jié)通道，并在側(cè)壁上于第一連結(jié)通道與第一分布板之間開(kāi)有第二開(kāi)孔構(gòu)成第二連結(jié)通道。可在第二分布板附近安裝一個(gè)帶閥門(mén)的抽取固體的導(dǎo)管，用以選擇性地從鼓泡床中抽取出固體。另外，第二分布板的一部分也可安裝在第一分布板之下并水平地與之重疊，以使第二連結(jié)通道位于第一分布板的間斷處。隔板可以在鼓泡床內(nèi)全部垂直伸展，也可以全部與垂線有大于20°夾角，或者先有夾角然后基本上垂直。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了流化床反應(yīng)器系統(tǒng)的操作方法，該系統(tǒng)包括具有第一流化床的反應(yīng)室和具有第二流化床的輔助室。該方法包括下列步驟(a)以快速循環(huán)流化床的形式操作第一流化床。(b)以慢速鼓泡式流化床的形式操作第二流化床。(c)基本上僅依靠?jī)纱仓g在第一連結(jié)通道處的壓力和密度差使第一股顆粒物流從第一床內(nèi)的第一連結(jié)通道處流入第二床。以及(d)基本上僅依靠?jī)纱仓g在第二連結(jié)通道處的壓力和密度差使第二股顆粒物流在第一床內(nèi)的第二連結(jié)通道處從第二床流入第一床。
優(yōu)選的是，在步驟(c)和(d)之間還有在鼓泡床中冷卻顆粒的步驟，這就是例如(例如用隔板)把顆粒引導(dǎo)流過(guò)間接式熱交換器或類(lèi)似的冷卻機(jī)械。步驟(c)一般在循環(huán)床內(nèi)的第一垂直位置上實(shí)施，而步驟(d)則在循環(huán)床內(nèi)低于第一位置的第二垂直位置上實(shí)施，而鼓泡床內(nèi)的平均密度比循環(huán)床內(nèi)第二連結(jié)通道處的密度大。
如上文描述設(shè)備時(shí)已述及，一般而言，反應(yīng)室包括有用以引導(dǎo)流化空氣進(jìn)入循環(huán)流化床的分布板，而實(shí)施步驟(d)即可由分布板水平方向的中間部分從分布板下部把固體從鼓泡床導(dǎo)入循環(huán)床。
按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，通過(guò)在第二連結(jié)通道的高度上使第二垂直壓力梯度大于第一壓力梯度，就可有利地利用因第二和第一垂直壓力梯度之差和/或固體密度分布之差產(chǎn)生的推動(dòng)力來(lái)在第二連結(jié)通道處把固體從第二流化床輸運(yùn)到第一床。同時(shí)，還可在第二流化床內(nèi)安全有效地把固體中的熱量間接地傳給傳熱介質(zhì)，優(yōu)選為蒸氣或水。第二流化床可使用氣體(例如氮)來(lái)流化，只要該氣體能建立有利于長(zhǎng)期安全運(yùn)轉(zhuǎn)的條件，例如可避免由氯引起的危險(xiǎn)條件。通過(guò)在第一連結(jié)通道處使第一垂直壓力梯度大于第二壓力梯度，即可有利地利用因第一和第二垂直壓力梯度之差和/或固體密度分布之差產(chǎn)生的推動(dòng)力來(lái)在第一連結(jié)通道處把固體從第一流化床輸運(yùn)到第二床。這樣，固體就從第一流化床室流向了第二流化床室。
有利的是，可在第一流化床分布板的下方擴(kuò)展第二固體流化床，以在第二固體流化床中于低于第一分布板的空間中設(shè)置擴(kuò)大的傳熱面積，把固體的熱傳輸給傳熱介質(zhì)，這一點(diǎn)基本上只是利用兩床之間不同的壓力條件形成的推動(dòng)力建立固體的運(yùn)動(dòng)或輸運(yùn)實(shí)現(xiàn)的。這樣就可提供盡可能多的為工藝方法充分運(yùn)行所需的傳熱面積(和第二流化床體積)，即使在流化程度較弱、并且只有少量固體被氣體夾帶流向較高處的低負(fù)荷條件下，仍可使固體材料從第一流化床引入。本發(fā)明使得可把第一連結(jié)通道設(shè)置在即使在低負(fù)荷條件下仍有足夠的固體流速的一個(gè)垂直位置。另外，在把本發(fā)明的付諸實(shí)施時(shí)，也不必在第一流化床內(nèi)安裝什么隔壁。
本發(fā)明的主要目的是提供一種簡(jiǎn)單而有效的流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，它能在寬范圍的各種條件有效地運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明的這一目的和其它目標(biāo)在閱讀了本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明和所附的權(quán)利要求后將會(huì)更加清晰。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的第一個(gè)示例性實(shí)施方案的側(cè)視簡(jiǎn)圖，為清楚起見(jiàn)，其中循環(huán)流化床反應(yīng)器容器的一部分被剖去；圖2為一曲線圖，示出圖1系統(tǒng)中流化床內(nèi)顆粒密度的示例性分布情況；以及圖3至圖5為類(lèi)似于圖1的簡(jiǎn)圖，示出本發(fā)明系統(tǒng)的不同實(shí)施方案實(shí)例。
附圖詳述圖1主要示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中容器10內(nèi)的循環(huán)流化床反應(yīng)器的下部。其上部的詳情對(duì)本發(fā)明無(wú)關(guān)緊要，可按照現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)來(lái)設(shè)計(jì)。其上部包括靠近容器10頂部的排氣管11、顆粒分離器(如旋風(fēng)分離器)12，以及用以把分離器分離出來(lái)的顆粒送回容器10下部的返回通道13。產(chǎn)品或排出的氣體(例如由氣化或燃燒生成的)從管道14中流出分離器12。
按照本發(fā)明，在容器10內(nèi)部的反應(yīng)室112內(nèi)設(shè)置有第一固體流化床110，容器10內(nèi)裝有分布板114，用以向第一固體流化床110導(dǎo)入流化氣體。第一流化床110按使之成為循環(huán)流化床的方式操作，亦即它的運(yùn)轉(zhuǎn)使大量的固體顆粒被反應(yīng)室112中向上運(yùn)動(dòng)的氣體所夾帶，并通過(guò)管道13返回。
在圖1的實(shí)施方案中，第一固體流化床110用側(cè)壁118與第二固體流化床116分開(kāi)，第二流化床內(nèi)有第二分布板120，用以導(dǎo)入流化氣體。第二固體流化床以鼓泡流化床形式運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)側(cè)壁118上的開(kāi)孔122從第一流化床接受固體。側(cè)壁118是作為容器10的壁示出的，它與垂線有大于約10°的夾角。
第一、亦即快速或循環(huán)流化床110的運(yùn)轉(zhuǎn)，在固體流化床110內(nèi)提供預(yù)定的第一垂直壓力梯度分布(ΔP1/Δh)。而第二、亦即慢速或鼓泡式流化床116的運(yùn)轉(zhuǎn)，提供預(yù)定的第二垂直壓力梯度分布(ΔP2/Δh)。按照本發(fā)明，開(kāi)孔122(開(kāi)孔可有多個(gè)，此處例示一個(gè)，僅為解釋明白)的設(shè)置高度使得基本僅依靠在開(kāi)孔122高度處由循環(huán)流化床110內(nèi)比床116內(nèi)該位置處更大的壓力梯度(ΔP1/Δh)形成的推動(dòng)力即可把固體從第一流化床110輸運(yùn)到第二流化床116。
在第二流化床116中，至少有二個(gè)室(124，126)，其中進(jìn)入室124用來(lái)在第二固體流化床116內(nèi)將固體向下輸運(yùn)到它的下部，出口室126用來(lái)將固體向上輸運(yùn)到高于第一分布板114的高度上。開(kāi)孔122設(shè)置在進(jìn)入室124的上部，使進(jìn)入室124與循環(huán)流化床110連結(jié)起來(lái)。在本實(shí)施方案中，傳熱表面128只在進(jìn)入室124設(shè)置，進(jìn)入室124的橫斷面比出口室126的橫斷面大得多。優(yōu)選的是，出口室126流通區(qū)的橫斷面小于進(jìn)入室124流通區(qū)的橫斷面的50％。出口室126的橫斷面流通面積最好小于第二流化床116的總橫斷面流通面積的30％或25％。
在第二流化床116中，為了加強(qiáng)第二流化床116中進(jìn)入室124內(nèi)固體的向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)加強(qiáng)出口室126內(nèi)的向上運(yùn)動(dòng)，可安裝隔壁130。隔壁130必須至少使固體在第二流化床116中進(jìn)行要求的運(yùn)動(dòng)，這樣達(dá)到要求的傳熱率，同時(shí)不發(fā)生大容積的固體直接從開(kāi)孔122流向出口室126上開(kāi)在共用壁118上的出口開(kāi)孔132(亦即短路)。只要通過(guò)控制穿過(guò)分布板120的流化速率和流化體積可達(dá)到第二流化床116的正確發(fā)揮作用，隔壁130可以大大縮短，亦即不象圖1中那樣伸展到接近分布板120。隔壁130基本上是完全垂直的，只在與器壁118連結(jié)處有一個(gè)小彎或一小段曲線部分。
按照本發(fā)明，可使固體沒(méi)著以下路徑循環(huán)，它包括循環(huán)流化床110-鼓泡式流化床116的進(jìn)入室124-鼓泡式流化床的出口室126-然后返回循環(huán)流化床110，循環(huán)方式使得可有效利用第二流化床的傳熱表面128的全部面積，不需另外的傳輸器來(lái)促使固體運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，還可在第二流化床116中備有足夠的傳熱表面，即使在低負(fù)荷條件下，也能保持有足夠的材料從循環(huán)流化床110中出來(lái)，這是靠在共用壁118上的開(kāi)孔122垂直位置很低來(lái)做到的，這樣即實(shí)現(xiàn)了固體材料的簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)有效的循環(huán)。
傳熱表面128包括冷卻裝置，冷卻用流體(例如蒸氣或水)循環(huán)通過(guò)該裝置，以冷卻床116內(nèi)的顆粒。任何其他傳統(tǒng)的冷卻器亦可使用或替換它使用，并且所有流體都可與渦輪機(jī)、工藝蒸氣發(fā)生器等有效連結(jié)起來(lái)，以利用從慢速床116的固體中回收的熱能。
第一流化床110和第二流化床116的操作使兩床中的固體材料在垂直方向的密度分布造成固體的運(yùn)動(dòng)。該分布狀況如圖2中的簡(jiǎn)明曲線所示。圖中符號(hào)B指的是第二流化床116中的密度分布，C指的是第一床110中的密度分布。在某一高度ho以上的高度Δhu中，第一流化床110內(nèi)的密度大于第二流化床116內(nèi)的密度。這導(dǎo)致壓力差ΔP1＝ρcgΔh。在循環(huán)固體流化床110中(曲線C)，從反應(yīng)室112底部通過(guò)分布板114引入的流化氣體的流速使得大量的固體被反應(yīng)室112中從下部流向上部的氣流所夾帶。同時(shí)，循環(huán)流化床110內(nèi)的平均顆粒密度，象圖2中的曲線C所示的那樣，從循環(huán)流化床110底部的起始密度開(kāi)始，向著反應(yīng)室112的上部逐漸減小。另外，從圖2可清楚看出，在床110中沒(méi)有明顯的上部表面，但氣體/固體懸浮體向上逐漸稀釋。
另一方面，圖2還示出，在慢速或鼓泡式流化床116中，有一個(gè)明顯的上部表面，該表面以下Δh1的高度內(nèi)，顆粒密度基本上是恒定的，而在該表面以上，只有極少量的固體；亦即在該表面以上，固體密度基本上為零，如圖2中的曲線B所示。慢速流化床116中的密度控制得大于循環(huán)流化床底部區(qū)域Δh1高度處(即在分布板114處)的起始密度。兩流化床所建立的壓力，對(duì)循環(huán)流化床110來(lái)說(shuō)，可表述為ΔP1＝ρcgΔh，或用壓力梯度ΔP1/Δh來(lái)表述，而對(duì)慢速或鼓泡式流化床116來(lái)說(shuō)，可表述為ΔP2＝ρBgΔh，或用壓力梯度ΔP2/Δh來(lái)表述。在慢速流化床116中，在流化床116的上部表面的高度上，密度會(huì)自然地突然降低，因此在慢速流化床的上部表面以上，壓力ΔP2不會(huì)增大。[該高度為ho]反之，在循環(huán)流化床110中，由于平均顆粒密度逐漸向反應(yīng)室112的上部減小，因此在循環(huán)流化床110中不會(huì)突然變化。這些因素就導(dǎo)致這樣的事實(shí)，在等于或低于慢速流化床116上部表面的垂直位置上，在等于或小于ho的高度Δh上，慢速流化床116的壓力大于循環(huán)流化床110的壓力，亦即ΔP2＞ΔP1。相應(yīng)地，在慢速流化床116上部表面以上的垂直位置上，在高于ho的高度Δhu上，循環(huán)流化床110的壓力大于慢速流化床116的壓力，亦即ΔP1＞ΔP2。這就提供了本發(fā)明所要求的固體運(yùn)動(dòng)。
在圖1中，共用壁118上的開(kāi)孔122布置得使開(kāi)孔122下部邊緣處于ho的位置。這樣就可促使固體在高于ho的區(qū)域從第一固體流化床110向第二流化床116運(yùn)動(dòng)，其中固體落入高度低于ho的床116中。再則，從圖2可以看出，在該位置以下，第二床116的固體密度比第一流化床中的密度大得多，因此，在這個(gè)位置上的壓力是ΔPa＝ρsgΔh。但是，開(kāi)孔122也可設(shè)置成開(kāi)孔122的下部邊緣處于在ho之上的hin位置，例如就象圖5所示出的那樣。在此情況下，引導(dǎo)固體從第一流化床流出的推動(dòng)力在高度ho和高度hin之間建立。在這樣的情況下，當(dāng)hin的高度高于ho時(shí)，總推動(dòng)力這樣產(chǎn)生第二流化床116中固體密度、曲線B在hin高度處通過(guò)確定該高度的平均壓力梯度而降低。從根本上來(lái)說(shuō)，如果AB的面積大于AC的話，推動(dòng)力是足夠的。
如圖1所示，第二流化床116伸展到比第一流化床110的第一分布板114的高度更低的垂直高度上。已經(jīng)驚喜地發(fā)現(xiàn)通過(guò)把第二流化床116伸展到比第一流化床110的第一分布板114的高度更低的垂直高度上，就可為第二流化床116提供所需量的固體，因而也就在其中提供所需量的傳熱表面。循此途徑，可把開(kāi)孔122設(shè)置在即使是低負(fù)荷條件下也能保證運(yùn)轉(zhuǎn)功能的高度；亦即所設(shè)置的位置使得即使在向上夾帶固體的能力較弱的低負(fù)荷條件下仍有相當(dāng)可觀的固體流量。同時(shí)，通過(guò)控制產(chǎn)生所需壓差(ΔP2-ΔP1)的條件，可使固體通過(guò)以下途徑運(yùn)動(dòng)循環(huán)流化床110-鼓泡床116的進(jìn)入?yún)^(qū)124-鼓泡床的出口區(qū)126-以及循環(huán)流化床110。這一壓差可用于通過(guò)向下伸展的第二流化床116內(nèi)部的途徑輸運(yùn)固體。
圖1實(shí)施方案中，不裝傳熱表面的出口區(qū)126可以設(shè)置成一條窄縫，處于隔板130和容器129壁131之間，容器129界定第二固體流化床116。窄縫126的寬度可與壁131的寬度相等，或者也可只覆蓋壁131的一部分，而隔板130的優(yōu)選寬度則為與出口區(qū)126的寬度相等。也可把出口區(qū)126安排成室116內(nèi)的管形或類(lèi)似結(jié)構(gòu)的形式，一端與第一流化床110相連結(jié)，另一端則與第二流化床116的下部區(qū)相通。
在流化床反應(yīng)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，也可能需要從系統(tǒng)中除去較粗的顆粒。這優(yōu)選通過(guò)在第二流化床116中裝設(shè)帶閥門(mén)的可控制出口134來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，要除去的顆粒中的熱量就可在撤出工藝過(guò)程以前被傳熱表面128抽取出來(lái)。
圖3公開(kāi)了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案。該方案除第二固體流化床116的結(jié)構(gòu)不同以外，與圖1所示的方案是類(lèi)似的。在該實(shí)施方案中，進(jìn)口區(qū)124做成流通橫斷面比出口區(qū)126小。因此傳熱表面128裝在出口區(qū)126內(nèi)。有隔壁130把床116分隔成進(jìn)口區(qū)和出口區(qū)124，126。在該實(shí)施方案中，隔壁130在分布板120上方，并優(yōu)選與垂線有大于20°的夾角。隔壁130引導(dǎo)固體流動(dòng)，在出口區(qū)126實(shí)現(xiàn)所需的對(duì)固體的冷卻。
圖4公開(kāi)了本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案。該方案除第二固體流化床116的結(jié)構(gòu)不同以外，其它都與圖1和圖3的實(shí)施方案類(lèi)似。在該方案中，進(jìn)口區(qū)124和出口區(qū)126做成基本上有相等的流通橫斷面積。因此在兩區(qū)124、126內(nèi)都裝有傳熱表面128。隔壁130把床116分隔為進(jìn)口區(qū)和出口區(qū)124、126，它起先與垂線有大于20°的夾角，而后基本上完全垂直延伸。在該實(shí)施方案中，隔壁130伸展到傳熱表面128以下的高度，這樣使固體作正向流動(dòng)(positive flow)，以使固體在124、126兩室中都能實(shí)現(xiàn)要求的冷卻。
圖5公開(kāi)了本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施方案。本方案除第二固體流化床116和分布板114構(gòu)造不同外，其它都與圖1所示的實(shí)施方案相似。在本實(shí)施方案中，進(jìn)口區(qū)124基本上囊括了床116的全部容積，而出口區(qū)126是做在室壁131的外邊。在該實(shí)施方案中，傳熱表面128設(shè)在進(jìn)口區(qū)室124內(nèi)。通道126把第二流化床116與第一流化床110連結(jié)起來(lái)，約在分布板114的高度排入床116。
雖已描述了本發(fā)明的幾種不同的實(shí)施方案并對(duì)它們提出了改進(jìn)建議，但必須明確，對(duì)已描述過(guò)的實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)和安排仍可進(jìn)行另外的改進(jìn)而不脫離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍在后文的權(quán)利要求中還作了限定。例如，本發(fā)明可適用于流化床反應(yīng)器的不同反應(yīng)或用途。另外，本發(fā)明既可用于大氣壓力的系統(tǒng)，又可用于超大氣壓力的(即帶壓力的，如美國(guó)專(zhuān)利4,869,207所舉出的)系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)的緊湊性質(zhì)具有巨大的節(jié)省空間的優(yōu)越性，而且比之現(xiàn)有技術(shù)對(duì)設(shè)備的要求少。
雖然本發(fā)明結(jié)合目前認(rèn)為是最實(shí)用、最優(yōu)選的實(shí)施方案來(lái)加以描述，但必須明確，本發(fā)明并不限于已公開(kāi)的實(shí)施方案，相反，本發(fā)明的意圖涵蓋所附權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)的各種改進(jìn)和等效安排。
權(quán)利要求
1.一種流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，它包括流化床反應(yīng)室，包括循環(huán)流化床，其內(nèi)有第一分布板(grid)，用以向該循環(huán)流化床內(nèi)導(dǎo)入流化氣體；鼓泡式流化床(bubbling fluidized bed)，其內(nèi)有第二分布板，用以向其內(nèi)導(dǎo)入流化氣體；所述第二分布板安裝在垂直方向上低于所述第一分布板的位置；第一連結(jié)通道，位于循環(huán)流化床與鼓泡式流化床之間，用以從循環(huán)床向鼓泡床輸運(yùn)固體，該第一連結(jié)通道位于第一分布板之上的第一位置；以及第二連結(jié)通道，位于循環(huán)流化床與鼓泡床之間，用以從鼓泡床向循環(huán)床輸運(yùn)固體，該第二連結(jié)通道位于所述第一連結(jié)通道之下，但在第一分布板的高度上，或高于第一分布板；所述循環(huán)床和鼓泡床和它們之間的連結(jié)通道互相之間布置成使兩床內(nèi)的壓力和密度條件建立推動(dòng)力以控制顆粒通過(guò)所述第一連結(jié)通道從循環(huán)床流向鼓泡床，并通過(guò)第二連結(jié)通道從鼓泡床流向循環(huán)床。
2.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，另外還包括位于鼓泡床內(nèi)的固體冷卻裝置，用以冷卻其中固體。
3.按權(quán)利要求2的系統(tǒng)，另外還包括隔板，它把鼓泡床分隔為第一室和第二室，第一室直接與第一連結(jié)通道相通，第二室直接與第二連結(jié)通道相通，該隔板可預(yù)防顆粒在第一和第二連結(jié)通道之間短路。
4.按權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中第一室具有第一橫斷面，并且第二室具有第二橫斷面，第二橫斷面積比第一橫斷面積小50％以上。
5.按權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中只在第一室內(nèi)設(shè)置冷卻裝置。
6.按權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中既在第一室內(nèi)、又在第二室內(nèi)設(shè)置冷卻裝置。
7.按權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中只在第二室內(nèi)設(shè)置冷卻裝置。
8.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中反應(yīng)室具有第一側(cè)壁；而且其中第一連結(jié)通道包括第一側(cè)壁上的第一開(kāi)孔，并且其中第二連結(jié)通道包括第一側(cè)壁上的第二開(kāi)孔。
9.按權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中第一側(cè)壁設(shè)置成與垂線之間有約大于10°的夾角，而且其中第二連結(jié)通道水平地布置在第一連結(jié)通道與第一分布板之間。
10.按權(quán)利要求2的系統(tǒng)，另外還包括一根裝有閥門(mén)的抽取固體的導(dǎo)管，它靠近第二分布板，用以在用固體冷卻裝置冷卻后選擇性地從鼓泡床抽取出固體。
11.按權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中第二分布板的一部分位于第一分布板下方，并水平地與第一分布板重疊，所述第二橫斷面面積小于所述第一橫斷面面積的25％，并且所述第二連結(jié)通道置于第一分布板的間斷處。
12.按權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中冷卻裝置包括間接式熱交換器。
13.按權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中隔板在鼓泡床內(nèi)基本上完全垂直伸展。
14.按權(quán)利要求8的系統(tǒng)，另外還包括把鼓泡床分隔為第一室和第二室的隔板，該第一室與第一連結(jié)通道直接相通，第二室與第二連結(jié)通道直接相通，該隔板防止顆粒在第一和第二連結(jié)通道之間短路。
15.按權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中隔板從第一側(cè)壁伸展出來(lái)，在鼓泡床內(nèi)基本上完全與垂線保持約大于20°的夾角。
16.按權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中隔板從第一側(cè)壁伸展出來(lái)，在鼓泡床內(nèi)起先與垂線保持約大于20°的夾角，然后基本上完全垂直地伸展。
17.按權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中隔板在鼓泡床內(nèi)從緊靠第二開(kāi)孔的上方位置由第一側(cè)壁伸展出來(lái)，并基本上完全垂直地伸展。
18.按權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中冷卻裝置至少部分地位于第一分布板的高度以下。
19.操作流化床反應(yīng)器系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括一個(gè)反應(yīng)室和一個(gè)輔助室，反應(yīng)室內(nèi)有第一流化床，輔助室內(nèi)有第二流化床，所述操作方法包括下列步驟(a)以快速、循環(huán)流化床的方式操作第一流化床；(b)以慢速、鼓泡式流化床的方式操作第二流化床；(c)基本上僅利用兩床之間在第一連結(jié)通道處的壓力和密度差使第一股顆粒物流從第一床內(nèi)的第一連結(jié)通道處流入第二床；以及(d)基本上僅利用兩床之間在第二連結(jié)通道處的壓力和密度差使第二股顆粒物流從第一床內(nèi)的第二連結(jié)通道處從第二床流入第一床。
20.按權(quán)利要求19的方法，另外還包括在步驟(c)和(d)之間在鼓泡床中冷卻顆粒的步驟。
21.按權(quán)利要求20的方法，其中步驟(c)在循環(huán)床內(nèi)部的第一垂直位置實(shí)施，并且其中步驟(d)在循環(huán)床內(nèi)部低于第一位置的第二垂直位置實(shí)施；并且其中所有步驟(a)-(d)的實(shí)施使得鼓泡床內(nèi)的平均密度大于循環(huán)床第二連結(jié)通道處的密度。
22.按權(quán)利要求21的方法，還包括另外正向(Positively)引導(dǎo)顆粒從第一連結(jié)通道穿過(guò)鼓泡床向第二連結(jié)通道流動(dòng)的步驟(e)，以使基本上全部顆粒都在鼓泡床時(shí)冷卻。
23.按權(quán)利要求22的方法，其中步驟(e)是通過(guò)在鼓泡床內(nèi)安裝一塊或多塊隔板來(lái)實(shí)施。
24.按權(quán)利要求19的方法，其中反應(yīng)室包括往循環(huán)流化床內(nèi)導(dǎo)入流化空氣的分布板；并且其中步驟(d)的實(shí)施使得在分布板水平方向的中間部分從分布板下面由鼓泡床把固體引導(dǎo)進(jìn)入循環(huán)床內(nèi)。
25.按權(quán)利要求20的方法，其中反應(yīng)室包括往循環(huán)流化床內(nèi)導(dǎo)入流化空氣的分布板；并且其中步驟(d)的實(shí)施使得在分布板水平方向的中間部分從分布板下面由鼓泡床把固體引導(dǎo)進(jìn)入循環(huán)床內(nèi)。
26.按權(quán)利要求19的方法，其中步驟(c)在循環(huán)床內(nèi)部第一垂直位置實(shí)施，并且其中步驟(d)在循環(huán)床內(nèi)部低于第一位置的第二垂直位置實(shí)施。
全文摘要
一種流化床反應(yīng)器系統(tǒng)，它包括反應(yīng)室(112)和鼓泡(慢速)流化床(116)，反應(yīng)室包括循環(huán)(快速)床，其中有導(dǎo)入流化氣體的第一分布板(114)，鼓泡床內(nèi)有導(dǎo)入流化氣體的第二分布板(120)。第二分布板安裝在第一分布板的下方。在循環(huán)床和鼓泡床之間設(shè)有第一連結(jié)通道(122)和第二連結(jié)通道(132)。顆粒從循環(huán)床通過(guò)第一連結(jié)通道流入鼓泡床，在第二連結(jié)通道處則流動(dòng)方向相反。兩連結(jié)通道的相互位置布置成使兩床內(nèi)部的壓力和密度條件成為提供推動(dòng)力的唯一機(jī)制，以控制顆粒從循環(huán)床流向鼓泡床?？稍诠呐荽矁?nèi)設(shè)置間接式熱交換器(128)，用以冷卻顆粒，同時(shí)可用各種結(jié)構(gòu)的隔板(130)來(lái)分隔鼓泡床并界定兩連結(jié)通道。
文檔編號(hào)F23C10/10GK1156501SQ95194627
公開(kāi)日1997年8月6日 申請(qǐng)日期1995年8月16日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月17日
發(fā)明者T·海彭能 申請(qǐng)人:福斯特韋勒能源股份公司