專利名稱：在流態化的顆粒床層內進行反應的設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種在流態化的顆粒床層內進行反應的設備和方法，其中反應物被噴入流態化的顆粒床層中。
在流態化的顆粒床層內進行反應是已知的，其中這些床在流化床反應器中可以是穩態床(stationary beds)，或者在循環流化床中是氣體中懸浮顆粒的物流，在這種情況下，從反應器中排出的顆粒流與氣流完全或部分分離，并循環到反應器的下部。流態化的顆粒不僅可以是如在焙燒、煤燃燒、氯化等過程中的反應物，也可以是催化劑，如在裂化、加氫反應等過程中，或者是惰性的。當在流態化的顆粒床層(FPB)中進行多個工業規模的反應、并且流化介質是氣體時，流態化氣體通過并進入反應器的氣體分布器經常會出現問題，這是因為它們既要起化學的作用，又要起工程的作用。在使用大反應器的情況下，由于在大氣體分布器板上很難均勻地分布氣體，當停車時氣體分布器板需要高的機械載荷容量，這樣就產生了問題。最后，在側向顆粒進料的情況下，顆粒的不適當徑向混合導致了FPB內局部反應條件不同。
當向FPB中單獨引入兩股或多股氣態或液態反應物時，在FPB中進行反應會發生特別的問題，這是因為，例如，在FPS外混合時形成爆炸性混合物。如果一種或多種這樣的反應物通過反應器壁上的小孔進入時，產生了不同反應物在FPB中分布不均勻的問題。為了避免這一問題，使用了復雜的設備，不同的反應物經不單獨的管線通過氣體分布器板引入。
在氧化反應的情況下，如硫化物礦石的焙燒、廢硫酸熱分解、粘土燒結或污泥燃燒，在穩態或循環流化床反應器中使用氧氣是已知的。通過使用空氣作為流態化氣體，固體顆粒被流化，也就是說它們保持懸浮狀態，氧氣與反應物同時輸入以進行氧化反應。流態化的顆粒可以是反應物、惰性物質或催化劑。
此外，為了提高設備的容量且為了在放熱反應如廢硫酸的分解的情況下降低燃料的需要量，通過用氧氣或富氧空氣代替燃燒空氣是已知的。如果燃料用燃燒器燃燒(DE2506438)，這一方法是沒有問題的。當反應在流化床反應器中進行時(DE3328708)，富氧空氣還會帶來優點。然而，在這種情況下，氧氣含量的極限范圍相對小，一方面是因為流化空氣的進料系統區域中物料的阻力，另一方面是因為氣體分布器板中部由于氧氣濃度高而使得溫度升高。在機械強度和板的結垢方面會產生問題。
因此，本發明的目的是提供一種在流態化的顆粒床層內進行反應的設備和方法，通過使用這種流化床，可以避免上述問題，如FPB內分布不均勻、氣體分布器板的化學和機械強度以及荷載容量、氣體分布不均勻、顆粒的不適當徑向混合、在FPB內反應條件不同等，通過這種流化床，能使操作更有效、更經濟。
這一目的是通過本發明的反應器和本發明的方法實現的。
令人意外地發現，通過向FPB內以超音速橫向噴入反應物，可基本上或完全解決上述問題。
本發明涉及一種反應器，該反應器具有一個氣體分布器板，流態化氣體通過氣體分布器板引入處于氣體分布器板上方的顆粒床層中，以產生流態化的顆粒床層，其特征在于，在氣體分布器板上方的反應器壁上設置一個或多個超音速噴嘴。
所說反應器是這樣的反應器，通過氣體分布器板引入流態化氣體，在板的上方形成流態化的顆粒床層，反應物通過橫向超音速噴嘴徑向地或與半徑成一定角度地以超音速噴入該流態化的顆粒床層。
超音速噴嘴是已知的，如拉閥爾(Laval)噴嘴，必要時，優選提供一個冷卻夾套。
超音速噴嘴(拉閥爾噴嘴)在工業上具有廣泛的應用，用于將氣流從亞音速加速到超音速。
可以在反應器的周邊安裝一個或多個超音速噴嘴。
噴嘴可以設置在一個或多個平面上。
噴嘴與氣體分布器板之間的距離優選至少為100mm，特別優選為250-600mm。
拉閥爾噴嘴優選以這樣的方式安裝它們在反應器內壁處終止，或從反應內壁往內凹。
噴嘴與水平方向的傾角優選小于20°，特別優選為0°。
超音速噴嘴優選徑向設置，或與半徑成一定的角度。
拉閥爾噴嘴最窄處的橫截面和出口橫截面的尺寸取決于從噴嘴中排出的反應物的噴射量、馬赫數，以及待提供的組分壓力。
噴嘴按拉閥爾噴嘴的公式設計，這對本領域的技術人員來說是已知的。
本發明進一步涉及一種在流態化的顆粒床層內進行反應的方法，在該方法中使流態化氣體通過氣體分布器板，以產生流態化的顆粒床層，使一種或多種反應物橫向進入流態化的顆粒床層，其特征在于，使反應物通過超音速噴嘴以超音速橫向噴入。
反應物排出超音速噴嘴的速度優選至少為1馬赫，特別優選至少為1.5馬赫。特別優選速度小于3馬赫。
噴射出來的反應物可以是氣態的。如果反應物是液體或固體，它們可以借助載氣噴入流態化的顆粒床層。不同反應物可以用不同的噴嘴噴射。
橫向超音速噴入FPB的反應物優選為氣體，如O2、H2、Cl2、烴、蒸汽以及許多種其它氣體。然而，液體如霧化在氣流(載氣)中的燃料油，或懸浮的固體，如懸浮在氣流中煤粉，也可以通過橫向超音速噴嘴噴入。
作為噴入的反應物，特別優選純氧或富氧空氣，以體積計，優選含有至少30％的O2。
按照本發明，除氧氣外，可以通過單獨的噴嘴以超音速向流化床內橫向噴入可燃反應物。
以超音速橫向噴入氧氣和，如果適當的話，可燃組分，提高了流態化的顆粒床層內的混合能量，從而改進了徑向傳熱和傳質。這樣導致了均勻的箱形溫度分布和均勻的質量分布，這導致均勻的產物質量。額外提供氧氣可以在給定的氣體分布器面積的情況下大大增加通過能力，或者當制造新流化床反應器時，可以大大減少氣體分布器面積。
已述的、橫向超音速噴射氧氣和，如果合適的話，可燃反應物的方法可以有利地在流化床中用于所有的氧化工藝，例如，在硫化物礦物的氧化焙燒或煤的氣化中，在廢硫酸、鹽、酸洗浴液和苛性浴液的熱裂解中，在氧化鋁的燒結中、在污泥或廢物的焚燒中，在廢鑄造砂的循環中、在催化劑的再生中和在鹽酸的裂解中。本發明方法不限于上面列出的方法，它們僅僅是作為實例提出。
本發明的方法和設備提供了許多優點，特別是，如果流態化氣體和其它反應物在進入FPB之前并不接觸，例如用于燒結過程那樣。在這種情況下，空氣用作流態化氣體，燃料在FPB中燃燒。以前，該方法需要復雜的氣體分布器板來分別引入空氣和燃料，使之通過多個開孔和/或噴嘴。按照本發明，可以將燃料通過相對少的幾個橫向超音速噴嘴輸入，通過橫截面積小的簡單氣體分布器板引入流化空氣，其中氣體分布器板的操作溫度低于現有技術中的分布器板的溫度。在超音速下向FPB輸入燃料可以使燃料、流化空氣和流態化的顆粒產生良好徑向混合。此外，對于給定的反應器來說，通過超音速注入氧氣可以大大提高其容量。
在上述方法中，通過橫向超音速注入燃料和，適合的話，注入氧氣，得到了特別的優點，這些方法包括燒結，還有礦物的氧化性熱處理，軋制鐵鱗的或其它物質的脫油，污泥的焚燒或再利用，礦物的部分或完全還原，金屬氯化物或金屬硫酸鹽的熱裂解，硫化物礦氧化焙燒。
本發明的方法和反應器在制備鈦、硅、鋯和其它金屬的氯化物方面提供了優點，其中的氣體分布器板受到強烈的化學侵蝕。氣體分布器板必須保持相對小。
本發明還能有利地用于流化床熱處理爐，其中N2或如天然氣、甲醇或CO的滲碳劑可以通過拉閥爾噴嘴噴射。
本發明能有利影響的過程是裂解、加氫、催化劑再生，以及燒掉沉積碳和其它物質的特定過程。本發明反應器和方法能提供特殊優點的過程在下面以實施例的形式給出，但并不限于這些過程。
比較例1氣體分布器板(如開槽格柵型)區域直徑為4m的流化床反應器用于金屬硫酸鹽的熱裂解，金屬硫酸鹽是以濾餅形式生產的，含有68％的硫酸作為濕份。裂解在約1000℃下進行，黃鐵礦和焦碳用作還原劑和燃料。
向反應器中輸入12.5噸/小時的上述濾餅、2噸/小時的黃鐵礦和2.45噸/小時的焦碳。通過格柵(氣體分布器板)引入20000m3/小時空氣。在格柵上方100mm處，測得的溫度為980℃。在格柵上方1100mm處，溫度為1060℃，在氣體出口管中溫度為1070℃。從反應器排出的氣體中SO2的含量為11.2體積％(以干氣體計)。比較例2氣體分布器板(如開槽格柵型)區域直徑為4m的流化床反應器用于金屬硫酸鹽的熱裂解，金屬硫酸鹽是以濾餅形式生產的，含有68％的硫酸作為濕份。裂解在約1000℃下進行，黃鐵礦和焦碳用作還原劑和燃料。
向反應器中輸入20噸/小時的上述濾餅、3.3噸/小時的黃鐵礦和3噸/小時的焦碳。通過格柵(氣體分布器)引入18000m3/小時空氣(標準狀態)，和1900m3/小時的O2(相應于流態化氣體中O2占28.1體積％)。輸入空氣/O2混合物所需要的鼓風機的功率為142kW，格柵上游的入口壓力為170毫巴。在格柵上方100mm處，測得的溫度為995℃。在格柵上方1100mm處，溫度為1060℃，在反應器的氣體出口管中溫度為1065℃。
固體反應產物(金屬氧化物混合物+灰分)中，約85％以粉塵形式與反應氣體一起排放，約15％以粗砂床料的形式從反應器底部排出。從反應器排出的反應氣體含有約18.3體積％的SO2(以干氣體計)。比較例3在比較例1和2中描述的反應器周邊均勻地設置6個氣體入口，通過它們在格柵上方350mm處引入氧氣。經內徑為24mm的耐熱鋼管引入氧氣，這些鋼管這樣安裝，以使它們在反應器耐火襯的內表面處終止。
按比較例1和2的方式輸入濾餅、黃鐵礦和焦碳，通過格柵輸入的空氣僅為18100m3/小時。通過6個氣體入口管，均勻地引入1900m3/小時的O2。入口壓力為155毫巴時，鼓風機的功率消耗僅為124kW。格柵上方100mm處的溫度僅為920℃。在格柵上方1100mm處的測點上顯示的溫度為940和1135℃。在氣體出口管中的溫度為1070℃。
在實驗2小時后，在床料中發現達到拳頭大小的粗燒結塊。由于在后續實驗過程中它們不斷積累，在6小時后實驗終止。拆掉氣體入口管，則在入口端發生嚴重的結垢。實施例1在反應器夾套的6個入口處安裝本發明的拉閥爾噴嘴，以代替簡單的氣體入口管(如比較例3中所描述的)，噴嘴用冷卻夾套包住，夾套中通入冷卻水。噴嘴末端從反應器壁內凹20mm。
在入口壓力為4.9巴(絕壓)和反應器絕壓為1巴下，通過拉閥爾噴嘴(最小直徑為10.2 mm)引入總量為1900 m3/小時的O2。排出氧氣的計算速度為1.7馬赫。空氣流量和鼓風機的操作參數相當于比較例2中的，固體輸入量相當于比較例1和2中的。格柵上方100mm處的溫度為920℃。在格柵上方1100mm的所有測定點上，測定溫度為1060和1065℃。在氣體出口管中的溫度為1065℃。
排出的床料為均勻砂狀，不是燒結的團塊。在操作8個月后檢查格柵板，與在比較例1中的操作條件下和經相當的操作期間后的情況相比，結垢少得多。這樣還確保了在整個操作期間流化空氣的分布特別均勻。即使在非正常的分布條件下，金屬硫酸鹽也能與金屬氧化物粉塵一起排放，所以這一點很重要。實施例2向裝有拉閥爾嘴的反應器(如實施例1中所描述的)中僅引入16000m3/小時的O2，拉閥爾噴嘴上游(最小直徑13.2mm)的O2壓力升高到絕壓7.8巴，以至于引入的O2的總量為4000m3/小時。從噴嘴排出的計算速度約為2馬赫。在135毫巴的入口壓力下鼓風機的功耗為112kW。向反應器中輸入28噸/小時的濾餅、4.5噸/小時的黃鐵礦和4噸/小時的焦碳。格柵上方100mm處的溫度升高到940℃。其它溫度與實施例1相同。
在床料中沒有發現燒結現象。以粉塵形式排放的金屬氧化物混合物是均勻的。反應氣體中的SO2含量為25.0體積％(以干氣體計)，與實施例1相比高6.7％，這更利于進一步加工生產硫酸。與實施例1比較，裂解能力由20噸/小時上升到28噸/小時濾餅，升高40％。在3個月的操作期間后，拉閥爾噴嘴沒有可見的磨損。實施例3和實施例1一樣，向反應器中輸入18100m3/小時的流態化空氣。與實施例2類似，以2馬赫的排出速度通過拉閥爾鼓入4000m3/小時的O2。濾餅的輸入量提高到28.8噸/小時。此外還輸入6.2噸/小時的黃鐵礦和4.1噸/小時的焦碳。反應氣體中的SO2含量為23.6體積％(以干氣體計)。
按本發明經拉閥爾輸入O2，與比較例1比較，濾餅的裂解能力提高了144％。
權利要求
1．一種具有氣體分布器板的反應器，流態化氣體通過該分布器板引入到位于該板上方的顆粒床層，以產生流態化的顆粒床層，其特征在于，在氣體分布器板上方的反應器壁上安裝一個或多個超音速噴嘴。
2．權利要求1的反應器，其特征在于，超音速噴嘴設置在氣體分布器板上方至少100mm處，優選在氣體分布器板上方250-600mm處。
3．權利要求1或2的反應器，其特征在于，超音速噴嘴在反應器壁內側終止或相對于反應器內壁內凹。
4．權利要求1-3中任何一項的反應器，其特征在于，超音速噴嘴水平設置或與水平方向有一個小于20°的傾角。
5．權利要求1-4中任何一項的反應器，其特征在于，超音速噴嘴徑向設置或與半徑成一角度。
6．權利要求1-5中任何一項的反應器，其特征在于，超音速噴嘴上提供了一冷卻夾套。
7．權利要求1-6中任何一項的反應器，其特征在于，超音速噴嘴是氧氣噴嘴。
8．一種在流態化的顆粒床層中進行反應的方法，向流態化的顆粒床層中橫向引入一種或多種反應物，其特征在于，引入到流態化的顆粒床層中的反應物是通過超音速噴嘴以超音速橫向注入的。
9．權利要求8的方法，其特征在于，從超音速噴嘴排出的反應物的速度至少為1馬赫，優選至少為1.5馬赫。
10．權利要求8或9的方法，其中噴入的反應物是氣態的。
11．權利要求8或9的方法，其特征在于，噴入的反應物是液態的或固態的，是通過載氣噴入流態化的顆粒床層的。
12．權利要求8-11中任何一項的方法，其特征在于，通過噴嘴噴入不同的反應物。
13．權利要求8-12中任何一項的方法，其特征在于，噴入的反應物是氧氣或含氧氣體。
14．權利要求13的方法，其特征在于，所用的含氧氣體是富氧空氣，其中氧氣的含量至少為30體積％。
15．權利要求8-14中任何一項的方法，其特征在于，顆粒床層由經氣體分布板引入的空氣或富氧空氣所流態化，富氧空氣的氧氣含量最多30體積％。
16．權利要求8-15中任何一項的方法，其中燃料通過附加的超音速噴嘴以超音速引入流態化的顆粒床層。
全文摘要
本發明涉及一種在流入流態化氣體的底部上方的流態化的顆粒層內進行反應的設備,所述顆粒床層位于一塊底板的上方,流態化氣體流經該底板進入反應器。在所述底板上方的設備器壁上設置一個或幾個超音速噴嘴,通過噴嘴輸入一種或幾種反應物。本發明還涉及一種在流態化的顆粒床層內進行反應的方法,其中反應物被橫向地超音速噴入所述流態化的顆粒床層內。
文檔編號B01J8/24GK1234750SQ98800934
公開日1999年11月10日 申請日期1998年5月27日 優先權日1997年5月28日
發明者G·戈羅斯, G·萊拉奇, D·武爾比克 申請人:梅塞爾·格里斯海姆有限公司