專利名稱：具有固體顆粒排放及分類裝置的流化床反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將原料氣體擴散至流化床反應(yīng)器并將固體顆粒殘渣排放出該流 化床反應(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)生的固體顆粒殘渣需要以可控及穩(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械給料器，時常會造 成不規(guī)則的固體顆粒流率并對排放裝置的機械部分造成嚴重的高沖蝕磨損?？刂崎y和機械 給料器的機械設(shè)計、構(gòu)造及運行都十分復雜并且需要經(jīng)常維修及替換。傳統(tǒng)的排放系統(tǒng)會 時常導致計劃外的停車并會影響氣化系統(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渣排放出流化床氣化器在現(xiàn)有技 術(shù)中是已知的，參見授予Vorres的第4，435，364號美國專利及授予khora等人的第 4，023，280號美國專利。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，其定義了用于引導向上流動的原料氣體進入流化床以及引導向下流動的固 體顆粒殘渣排放出流化床的文丘里管。排放出流化床的固體顆粒的流量由向上流動的氣體 的速度控制并無需采用控制閥及機械給料器。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，文丘里管會受到嚴重沖蝕磨損并需要經(jīng)常的昂貴維修或替換，這就 導致經(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 械給料器的條件下將受控數(shù)量的未反應(yīng)或不完全反應(yīng)的固體顆粒殘渣排放出流化床。通常采用穿孔板來擴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 體顆粒的適當流化可促進高轉(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 中固體顆粒通常會流動通過分布板的開孔并掉入分布板下方的風室(plenum)，導致風室燃 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散至流化床并使流動 至分布板下方風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 望的風室燃燒。

發(fā)明內(nèi)容
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入流化床氣化器前先擴散至該分布板。在一實施例中，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 化器的固體顆粒殘渣掉入文丘里管并向下流動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通過分 類器與文丘里管之間的環(huán)狀空間并進入流化床氣化器。本發(fā)明的裝置利用分類器使較重及較大的固體顆粒殘渣從較輕及較小的固體顆 粒殘渣中分離。分類器中較大或較重的固體顆粒殘渣具有克服向上流動的原料氣體的向下 動量，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渣被向上流動的氣 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渣從較輕及較小的固體顆粒殘渣中分離，氣體及 固體間的化學反應(yīng)可以更徹底地進行，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)的進行越充分反應(yīng)的固體顆粒根據(jù)原料的類型會變得更大或更重。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渣排放出流化床氣化器， 并將較未充分反應(yīng)的較小或較輕固體顆粒殘渣回收至流化床氣化器，且使較未充分反應(yīng)的 固體顆粒殘渣能有充分氣化反應(yīng)所需的較長停留時間。本發(fā)明進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入文丘里管下方的分類器并進一步與向上流動的原料氣體反應(yīng)。本發(fā)明還提供可拆卸的文丘里管設(shè)計，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，會受到嚴重的 沖蝕磨損并需要經(jīng)常的昂貴維修或替換，這就導致經(jīng)常性的或持久的停車。本發(fā)明進一步提供了一種用于流化床氣化器的擴散原料氣體的裝置。更具體地， 一具有圓錐形穿孔的分布板或柵板安裝有數(shù)個使原料氣體流動并進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 更均勻地擴散，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。在一較佳實施例中，于分布板的下方設(shè)有柵板孔的進口，并覆蓋有某金屬附著物以 防止固體顆粒流進入柵板孔中并掉入位于分布板下方的風室中導致不期望的燃燒反應(yīng)。


圖1為本發(fā)明包括固體顆粒殘渣排放及分類一體裝置的流化床煤氣化器的示意 圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的固體顆粒殘渣排放裝置的示意圖；圖3為本發(fā)明的固體顆粒殘渣分類裝置的示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的改進的原料氣體擴散柵板的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的改進的原料氣體擴散柵板的示意圖；以及圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的被金屬板覆蓋的氣體分布板的示意圖。
具體實施例方式如圖所示，本發(fā)明的各方面將在以下更詳細地描述。圖1提供了本發(fā)明流化床氣化器的一個實施例的示意圖。該流化床氣化器包括固體顆粒殘渣排放及分類一體裝置。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氣動地或機械地向氣化器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 個位置進入氣化器3中1) “柵板氣體”從位于擴散柵板5下方的風室4進入，2) “分類氣 體”經(jīng)連接管6從排灰管線7進入，以及幻“射流氣體”從中心射流管8進入。固體顆粒原料被控制在特定溫度、壓強及停留時間下在流化床2中與氣相原料 進行化學反應(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)物進入氣體凈化及處理單元。固體顆粒通過固體顆粒殘渣排放裝置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進行進一步的氣化反應(yīng)。較重或較大的固體顆粒殘渣 通過排灰管7排放出氣化器3。圖2顯示了固體顆粒殘渣排放裝置11的具體細節(jié)。固體顆粒殘渣排放裝置11的 主要作用是將受控數(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?以進行進一步的氣化反應(yīng) 并將較大或較重固體顆粒殘渣排放出位于氣化器3底部的分類器12。固體顆粒殘渣排放裝置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。在一實施例中，文丘里管喉道部16的 長度或高度為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。固體顆粒殘渣排放裝置11利用通過文丘里管喉道部 16的向上流動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) 向下流動式排放系統(tǒng)通常所需的控制閥或機械給料器。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)的半焦及向上流動的混 合原料氣體會繼續(xù)在分類器12中反應(yīng)，使固體顆粒進一步結(jié)塊或焦結(jié)從而形成更大或更 重的灰渣固體顆粒。當灰渣微粒達到一定尺寸和/或質(zhì)量時，分類器12中向上流動的氣體 動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中進行進一 步化學反應(yīng)。分類器12具有特定的長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)明的原料氣體擴散柵板5的一個較佳實施例。如圖4所示，擴散 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中固體顆粒殘渣流動方 向穿設(shè)于柵板上的許多小孔19。在一較佳的實施例中，圓錐形柵板具有特定的約為60至 120度的錐角，其能促進流化床區(qū)域2固體顆粒的循環(huán)以及便于固體顆粒殘渣排放出流化 床。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，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，最后回收至流化床2的中 心區(qū)域。圓錐形柵板5還促使固體顆粒殘渣從柵板5的表面滾下并進入位于氣化器3底部 的排灰管線7。柵板孔19的直徑及數(shù)量設(shè)計用于產(chǎn)生約5至30kPa的氣體壓強的下降，或足以使 原料氣體在進入流化床2前能均勻地在柵板孔19中擴散。例如，柵板孔19的直徑可為3 至10mm。原料氣體以30至120m/s的速度流動通過柵板孔19，并提供20至80mm的穿透射 流進入流化床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 粒在擴散柵板5上的結(jié)塊或焦結(jié)。穿過柵板孔19時的高速及其導致的射流穿透能立即在 圓錐形柵板5的整個表面上方產(chǎn)生一個活躍的柵板區(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入排灰管線7前進一 步在柵板區(qū)域中反應(yīng)。這一獨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)象及化學反 應(yīng)。在另一實施例中，本發(fā)明提供一種改進的防泄漏的氣體擴散柵板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)域相對的表面上與 柵板孔19連接的柵板孔蓋板20。參照圖5，在一實施例中，柵板孔蓋板20包括具有適當形 狀(如矩形)的金屬通道，焊接于每個柵板孔19進口上并位于擴散柵板5下方。在較佳實 施例中，金屬通道的尺寸大約為10至20mmX40至60mm。如圖6所示，本發(fā)明的圓錐擴散柵板5具有大約與水平線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或泄漏通過柵板孔19并掉入位于擴散柵板5下方的風室 (plenum) 4，造成固體顆粒在風室(plenum) 4中不期望的燃燒反應(yīng)。改進的防泄漏裝置制造 成本不高且易于安裝、維修或拆除。
權(quán)利要求
1.一種從流化床反應(yīng)器回收固體顆粒的裝置，其特征在于，該流化床反應(yīng)器包括由反 應(yīng)罐包圍形成的流化床區(qū)域，以及具有穿孔的使部分原料氣體擴散至流化床區(qū)域的分布 板，該分布板形成漏斗，其具有寬口端及指向下方的窄口端，該裝置包括1)一文丘里管，其包括狹窄圓柱形文丘里管喉道部，位于喉道部上方向上延伸的第一 圓錐部，以及位于喉道部下方向下延伸的第二圓錐部，其中該第一圓錐部與圓錐分布板的 窄口端連接，以及2)—中心射流管，由文丘里管所包圍，其中原料氣體在文丘里管喉道部上方以射流方 式噴出。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述具有穿孔的分布板設(shè)有數(shù)個水平或朝 向下方的使原料氣體流入流化床的柵板孔。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述分布板的錐角為60至120度。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述柵板孔尺寸均勻且等間距，使原料氣體 均勻擴散、使固體顆粒循環(huán)率提高并且使流化床氣化器中氣體及固體顆粒完全混合。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述尺寸均勻且等間距的柵板孔在整個分 布板上產(chǎn)生5至30kPa的氣體壓強下降。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述尺寸均勻且等間距的柵板孔使原料氣 體以30至120m/s的速度流動通過柵板孔。
7.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，柵板孔的進口設(shè)于所述分布板下方，并覆蓋 有防止固體顆粒流進柵板孔并落入位于分布板下方風室的蓋板。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述蓋板以引導原料氣體在流入柵板孔前 沿分布板向下流動的方式設(shè)置。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，進一步包括與所述文丘里管第二圓錐部連 接的分類器。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，一原料氣體進口設(shè)于分類器的較低端，其 中從文丘里管喉道部釋放的固體顆粒進入位于文丘里管下方的分類器并進一步與向上流 動的原料氣體進行化學反應(yīng)。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述文丘里管與氣化器反應(yīng)器的其他部分 可拆卸。
12.一種流化床反應(yīng)器，包括由反應(yīng)罐包圍形成的流化床區(qū)域，以及具有穿孔的使部分 原料氣體擴散至流化床區(qū)域的分布板，該分布板形成漏斗，其具有寬口端及指向下方的窄 口端，其特征在于，該流化床反應(yīng)器還包括一裝置，該裝置包括1)一文丘里管，其包括狹窄圓柱形文丘里管喉道部，位于喉道部上方向上延伸的第一 圓錐部，以及位于喉道部下方向下延伸的第二圓錐部，其中該第一圓錐部與圓錐分布板的 窄口端連接，以及2)—中心射流管，由文丘里管所包圍，其中原料氣體在文丘里管喉道部上方以射流方 式噴出。
13.如權(quán)利要求12的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述具有穿孔的分布板設(shè)有數(shù)個水 平或朝向下方的使原料氣體流入流化床的柵板孔。
14.如權(quán)利要求13的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述分布板的錐角為60至120度。
15.如權(quán)利要求14的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述柵板孔尺寸均勻且等間距，在整 個分布板上產(chǎn)生5至30kPa的氣體壓強下降。
16.如權(quán)利要求14的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述尺寸均勻且等間距的柵板孔使 原料氣體以30至120m/s的速度流動通過柵板孔。
17.如權(quán)利要求13的流化床反應(yīng)器，其特征在于，柵板孔的進口設(shè)于所述分布板下方， 并覆蓋有防止固體顆粒流進柵板孔并落入位于分布板下方風室的蓋板。
18.如權(quán)利要求17的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述蓋板以引導原料氣體在流入柵 板孔前沿分布板向下流動的方式設(shè)置。
19.如權(quán)利要求12的流化床反應(yīng)器，其特征在于，一原料氣體進口設(shè)于分類器的較低 端，其中從文丘里管喉道部釋放的固體顆粒進入位于文丘里管下方的分類器并進一步與向 上流動的原料氣體進行化學反應(yīng)。
20.如權(quán)利要求12的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述文丘里管與氣化器反應(yīng)器的其 他部分可拆卸。
全文摘要
本發(fā)明提供一種從流化床反應(yīng)器回收固體顆粒的裝置，包括一與漏斗形分布板的窄口端連接的文丘里管，以及一被文丘里管包圍的中心射流管。較佳地，分布板上設(shè)有數(shù)個水平或朝向下方的柵板孔，其使原料氣體流入流化床中，柵板孔被金屬蓋板所覆蓋以防止固體顆粒泄漏進入柵板孔并掉入位于分布板下方的風室(plenum)。較佳地，該文丘里管可容易地與氣化反應(yīng)器的其他部分可拆卸以便維修或替換。本發(fā)明提供一種包括上述裝置的流化床反應(yīng)器。
文檔編號B01J8/18GK102083521SQ200980121529
公開日2011年6月1日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者宗耀·羅伯特·盛 申請人:綜合能源有限公司