[发明专利]流化床反应器反应方法及流化床反应器

说明书

本发明涉及一种在流化床反应器中将固体反应物料和气体反应物料进行反应的连续反应方法及该循环流化床反应器。

流化床系统通常用于许多期望在固体颗粒物料与气体之间有良好接触的工艺过程中，典型的例子如热交换过程、多相催化反应和气固直接反应过程等。近年来，人们对流化床系统在燃烧固体燃料的设备上的应用产生了特殊的兴趣。其原因是传统的燃烧器所带来的环境问题，因为在这些燃烧器中，要避免所不希望的空气污染（尤其是由二氧化硫SO₂和氮氧化物NO_X所引起）花费较大，且复杂。

本发明的方法和反应器，特别适合于燃烧固体燃料的设备，但它们在下述情况，即在需要加热或冷却床层物料，包括呈颗粒状或能够形成颗粒状的固体物料与气体发生放热或吸热反应的情况下使用时，也有许多优点。

流化床系统按其流化的程度可分成三种类型，即“沸腾床”型、“湍动床”型和“快速床”型。在前两种床型中，流化气体的气速很低（通常为1-3米/秒），使得反应器内固体颗粒基本上留在床中，因而它们被称为“慢速床”。在“快速床”中，流化气体的速度高于（一般大于6米/秒）反应器内固体颗粒的临界速度，这意味着床层颗粒随气流被带走并被带到床外。因而在快速床中，床层物料须被再循环，故对这些系统也采用“循环床”这一术语。这些系统的另一特点是颗粒沿反应器内流动方向呈降密度分布，直至流动状态可被认为仅仅是颗粒迁移时为止。

当在燃烧过程中采用有快速流化床或循环床的系统时，至多仅有约5%的颗粒物料为燃料，其余的是惰性物料，特别是沙、灰和硫吸收剂。在这样一个系统中，有必要冷却床层颗粒，否则，燃烧的高温会使这些颗粒烧结。这种冷却可以通过冷却反应器壁或在反应器中插入一锅炉管来实现，如参照美国专利第4084545号。另一可能的办法是循环颗粒物料在返回反应器前，用一外部颗粒冷却器冷却，如参照国际专利合作条约公开说明书PCT/US80/01737号。把这两种冷却系统结合在一起也是可行的。但是这些办法中无一令人满意，原因是它们很难达到最优操作。当只采用冷却表面或在反应器中插入锅炉管时，在反应器截面的径向上温度分布不均匀（尤其在采用冷却反应器壁的情况下），因而将不可能使工艺过程最优化。此外，内冷却表面的冷却效应总是恒定的，与系统的其它操作参数无关，因而进行调节的可能性不大，进而使系统最优化的可能性不大。若采用反应器循环物料的外部冷却，则因为总是有大量所收集的颗粒待冷却而限制了流化速度。此外，外部冷却还限制了反应器所能采用的压力。由于在一定的流化速度下反应器的生产能力随着压力的增大而迅速提高，故特别希望有一较高的反应器压力。

还应进一步认识到，由于循环床有大量的部分惰性物料和防火的衬套，故其起动周期相当长。

本发明的目的是提供一种快速流化床反应器反应方法和一种紧凑的流化床反应器。与前述现有技术的流化床相比，它增大了使工艺过程最优化，包括在加压下操作的可能性。当本发明用于燃烧过程时，该方法并不仅从传热着眼，在脱硫方面尤有特色，而且由于增大了工艺过程最优化的可能性，在燃烧气体中控制氮氧化物的含量也得以实现。此外，本发明的反应器在起动上也有优点。其它的优点可从下面的描述中看出。

在方法方面，本发明提供一种在循环流化床反应器中，将固体反应物料和气体反应物料进行反应的连续反应方法，根据此方法，包含该固体反应物料的固体颗粒物料被送入反应器下部，借助于被送入反应器下部的，含气体反应物料的流化气体，形成一快速床，而从反应器上部连续排出的该固体反应物料的未反应的颗粒至少有一部分再循环到床内，在反应器中的固体颗粒物料一个预定部分，从至少一段位于所述反应器上部之下的床段中移出，与在反应器周围的空间中的热交换装置热交换接触受到热处理，该空间封闭形成反应器的一个整体部分，借助于连续重力下降，该包含任何未反应固体颗粒物料的预定部分被再循环到至少一个更低的反应器床段中。

依照本方法，可以设立任意数目的回路，藉此有可能移出预定量的固体颗粒状物料，进行冷却或加热，再送回到一段或多段更低的床内。这里和下面引用的术语“一部分”应理解为，在任意时间内，比在所讨论的床层部分中所含物料的总量少的一个物料量。虽然本发明最重要的应用领域是燃烧过程，但应理解到，在任何其它的放热反应中，只要冷却一部分固体物料和在吸热反应中，提供一外加热量，本发明也有可能很好地适用。