专利名称：输送细粒固体的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在流化床反应器中输送细粒固体的方法及相应的装置。
背景技术：
这些方法和装置用在各种用于不同气固混合的技术领域中。例如，生产海绵铁团块的还原铁矿石必须输送到约50m的高度，以将其供给和分配到各个压团机。同样为了直接还原铁矿石或者含钛矿石的气体还原过程中，利用重力将加热原料供给处理反应器。为此，必须首先将它们输送到很高的高度。
细粒固体的输送通常通过气力输送进行，即将固体导入输送管，被垂直向上的气流所夹带，从而使固体在输送管的上端被排出。传统形式的结构是在固体排放点下面拉制输送管的截面以文丘里的形式向上锥形扩展。为了防止固体向下落入供气管，使气体输送介质高速流过窄截面区。这里必需的高速度可能会导致腐蚀，或者在过敏固体的情况下会导致颗粒崩解。另一个缺点是尽管气体速度很高，但是在直径较大的情况下，固体会通过有限的截面区与气流方向相反向下落，从而堵塞供气管。
在输送过程中，固体同时被冷却或加热，这取决于使用的输送气体，通常是压缩环境空气，还取决于和反应器壁的接触情况。因此，在进一步处理固体之前必须设置下游温度控制段。
具有固定流化床的反应器是已知的，其中气体和固体的速度非常低。但是，这类反应器不适合将固体输送到非常高的高度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种输送细粒固体的方法，该方法可以更平缓地输送，同时还能够保证输入的气体和输入的固体之间进行直接传热。
根据本发明，用上述方法可以达到该目的，其中，第一气体或气体混合物从下部通过优选中心排列的供气管(中心管)导入反应器的混合室区域，中心管至少部分被通过供应流化气流化的固定环形流化床所环绕，其中调节第一气体或气体混合物和用于环形流化床的流化气的气体速度，使中心管中的颗粒弗鲁德(Particle-Froude)数是1-100，环形流化床中的颗粒弗鲁德数是0.02-2，混合室中的颗粒弗鲁德数是0.3-30。
根据本发明，令人吃惊地是，固体可以在非常大的高度差内非常平缓地输送，在供气管中不发生堵塞，输送管道不会有很大的磨损。在固定流化床中，通过供应流化气将固体流化。当经过中心管的上部区域时，第一气体或气体混合物将固体从称为环形流化床的环形固定流化床带入混合室，然后将固体从混合室垂直向上输送到输送管道中，并通过输送管道。通过相应地调节第一气体或气体混合物和流化气的气体速度，混合室中悬浮体的固体负载量可以在很宽范围内变化，例如，每千克气体最多可输送30千克固体。由于第一气体或气体混合物离开中心管后流速下降和/或撞击在一个反应器壁上，所以部分固体在混合室中与悬浮体分离，并回落到固定环形流化床中，而剩余部分的未沉淀固体与第一气体或气体混合物一起排出混合室。环形流化床和混合室之间的固体循环、混合室中悬浮体的高固体负载量和中心管上部区域中的强湍流为气体和固体之间的传热创造了理想条件，因此，所有介质的温度与理论上的混合温度都只有几个摄氏度的差别。本发明的方法的进一步优点是通过改变第一气体或气体混合物和流化气的流速，可以快速、简易、可靠地调节输出量，使其符合要求。
为了保证反应器中特别有效地输送固体，同时保证平缓地输送固体，优选调节第一气体混合物和用于流化床的流化气的气体速度，使中心管中的无量纲的颗粒弗鲁德数(Frp)是1.15-20，特别是约为8，环形流化床中的颗粒弗鲁德数(Frp)是0.115-1.15，特别是约为0.15，和/或混合室中的颗粒弗鲁德数(Frp)是0.37-3.7。输送管道的横截面可以小于混合室的横截面，所以输送管道中的颗粒弗鲁德数相应较高，但是同样优选在0.37-3.7范围内。在这种情况下，颗粒弗鲁德数都用下面的公式定义FrP=u(ρs-ρf)ρf*dp*g]]>其中u＝气流的有效速度，m/sρf＝流化气的有效密度，kg/m3ρs＝固体颗粒的密度，kg/m3dp＝在反应器操作过程中反应器藏量颗粒或者形成颗粒的平均直径，mg＝重力常数，m/s2。
使用该公式时应当注意dp表示的不是所用材料的平均直径(d50)，而是在操作过程中形成的反应器藏量的平均直径，它与所用材料(一次粒子)的平均直径在两个方向上都有很大的不同。使用平均直径为3-10μm的非常细微研磨的材料，在热处理过程中例如也会形成平均直径为20-30μm的颗粒(二次粒子)。另一方面，一些材料如矿石在热处理过程中会崩解。在本发明中，平均二次颗粒直径约为10μm-15mm的固体称为细粒材料。
在本发明思想的发展过程中，提出调节反应器中的固体床层高度，例如，通过选择气体速度和固体质量流量和第一气体或气体混合物的体积流量的比，使环形流化床延伸超过中心管的上部开孔端，特别是延伸超出几毫米至几厘米，从而使固体能够恒定地导入第一气体或气体混合物的射流中，并被气流带入位于中心管的开孔区域上方的混合室。这样就可以特别好地在反应器中输送固体。
已经证明在某些应用领域中，如果在反应器中冷却固体，则特别有利。例如，可以将温度约为600℃的水泥作为固体，在进一步处理前，在输送过程中在反应器中被冷却到低于400℃，特别是冷却到约380℃。可能还需要将供给反应器的气体进一步冷却，这与固体供应量无关，例如如果要将它们在下游气体静电集尘器中清洗。然后可以在不因此而加热固体的条件下冷却气体。类似地，可以在不加热气体的条件下冷却固体。
在通过中心管导入的气体混合物和流化气是温度低于100℃、特别是约为50℃的空气时，能够在反应器中特别有效地冷却固体或气体。另外，为了在输送过程中进一步冷却固体，可以导入与温度较高的固体接触时完全蒸发进入环形流化床和/或导入混合室的液态冷却介质如水。因此，可以根据需要调节气体或固体的温度。已经发现，可以用一个管将液态冷却介质引到环形流化层之上或其中，其中液态冷却介质通过与温度较高的固体接触而蒸发。在某些领域中，在导入反应器时，可能需要用单物质或双物质喷嘴和气体雾化介质如水蒸汽或压缩空气雾化冷却介质。
作为替代性的实施方案，在某些领域中需要在反应器中加热固体。例如，在用氢气还原Fe2O3或者用气体还原含钛的矿石时，在氧化气氛下干燥和预热的材料必须在尽可能高的温度下导入还原段。为了将细粒海绵铁压成海绵铁团块，还要求将固体输送到适当的高度，并且在该过程中海绵铁不被冷却。
根据本发明的一个实施方案，在反应器中干燥潮湿的粒状固体，干燥需要的热量优选由第一气体或气体混合物提供。即使在不能在潮湿状态下流化的固体的情况下这一点也是可能的。在环形流化床中，潮湿的固体随后立即被从混合室沉淀的已经干燥的温热固体环绕，从而将潮湿固体加热和干燥。固体然后被中心管中仍然温热的气体或气体混合物夹带，从而被进一步加热。通过这种方法，不仅表面水分而且结晶水(与可能的表面水分无关)都可以通过加热从固体中提出。
因此，已经发现有利地是，将加热气体或气体混合物如温度约为900℃的氢气或废气通过中心管供给反应器进入环形流化床和/或通过喷枪等导入混合室。如果第一气体或气体混合物或环形流化床的流化气含有氧气、燃料特别是天然气，则也可以另外供入反应器，这至少是为了补偿由于反应器壁辐射和/或输送用气体内燃造成的温度损失，或者是为了将固体加热到高于理论混合温度。在这种情况下，已经证明，在0.8-10bar的压力下操作反应器是有利的，特别优选在大气压下操作反应器。
根据本发明，可以向反应器中加入多个固体物流，还可以是不同温度的不同固体物流。然后该反应器同时作为混合器，其中较高温度的固体物流可以被较低温度的第二固体物流冷却。
还可以将例如不同温度的两个或多个环形流化床以需要的间隔串联或并联。
本发明的方法还特别适用于在至少一个预热段中将含氧化铁的固体至少部分加热和/或煅烧，然后在下游还原段中将其还原，利用作为急速加热器的反应器将固体从至少一个预热段输送到下游还原段，从而例如通过内燃天然气将其加热。
为了改善能量利用，优选使反应器排出的废气通过至少一个预热段，在矿石需要长停留时间的情况下，可以具有带循环流化床的反应器，在矿石需要短停留时间的情况下，可以具有文丘里预热器。用这种方法可以只将燃料供给作为急速加热器的反应器，而预热段基本上是用反应器的废热操作。与例如用斗式提升机将预热固体输送到在某些情况下有大量热损的还原段中的已知方法相比，如果反应器用作急速加热器，则在输送过程中也能进一步加热固体。导入还原段的较高温度的固体具有大大简化预还原段的操作的作用。
根据一个优选实施方案，测量离开反应器的固体的实际出口温度。根据测量的实际出口温度与设置的出口温度的关联性，可以变化向特别是液态冷却介质和/或燃料中供应的冷却或加热的气体或气体混合物的供应量。用这种方法可以在继续操作的同时快速和可靠地调节进一步处理固体的最佳温度。
特别适用于实施上述方法的本发明的装置具有构成用于输送固体的流化床反应器的反应器，所述反应器具有供气系统，形成该供气系统，使流经该供气系统的气体将固体从至少部分环绕供气系统的固定环形流化床带入混合室。这种供气系统优选延伸入混合室。但是也可以使供气系统在环形流化床表面下方终止。然后，气体例如通过侧向开孔导入环形流化床，由于其流速而将固体从环形流化床带入混合室。
根据本发明的优选方面，供气系统具有中心管，中心管从反应器的下部区域基本垂直向上向上延伸，该中心管至少部分被其中形成有固定环形流化床的室环形围绕。环形流化床不一定非要是环形，也可以是其它形式的环形流化床，这取决于中心管和反应器的几何形状，只要中心管至少部分被环形流化床环绕即可。
当然，也可以在反应器中提供大小和形状不同或相同的两个或多个中心管。但优选地，以反应器的横截面为参照，至少一个中心管近似中心排列。
如果在反应器下游提供分离器，则固体与用于输送的气体或气体混合物在进一步处理之前可以分离。因此，例如可以使用旋风分离器、热气静电集尘器、袋滤器等。
为了可靠地流化固体和形成固定流化床，在反应器的环形室中提供气体分布器，该气体分布器将该室分成上部流化床区和下部气体分布器室。所述气体分布器室与流化气的供应管道相连。代替气体分布器室，也可以使用由管构成的气体分布器。
为了调节进一步处理固体或气体所需的温度，反应器可以具有通向中心管、环形室和/或混合室的燃料或合适的液态冷却介质的供应管道。
在反应器的环形流化床和/或混合室中，根据本发明可以提供使固体和/或流体的流向偏转的设备。例如可以在环形流化床中设置环形堰，其直径在中心管直径和反应器壁的直径之间，使堰的上边缘突出到操作过程中得到的固体高度的上方，而堰的下边缘距气体分布器等有一定的距离。因此，冲出反应器壁附近的混合室的固体在被中心管的气流带回混合室之前必须首先在堰的下边缘处通过该堰。用这种方法可以在环形流化床中强化固体的交换，使固体在环形流化床中能够有更均匀的停留时间。
从下面对实施方案和附图的说明也可以看出本发明的发展、优点和应用本发明的可能性。所有描述的和/或附图中给出的特征自身或其任意组合都形成本发明的主题，无论它们是否包括在权利要求书中或其反向参考文献中。
唯一附图给出本发明的例示性实施方案的方法和装置的流程图。
具体实施例方式
在附图所示的特别适合输送细粒固体的方法中，固体通过供应管道2加入反应器1。反应器1例如是圆筒状反应器，具有与所述反应器的纵轴基本同轴排列且从反应器1的底部基本垂直向上延伸的中心管3。
在反应器1底部区域中提供环形气体分布器室4，该气体分布器室4顶部被具有开孔的气体分布器5封闭。供应管道6与气体分布器室4相通。
在形成流化床室7和与其连接的输送管道13的反应器1的垂直方向上的上部区域中排列有出口管道8，出口管道8通入图中示为旋风分离器的分离器9。与混合室7相比，输送管道13的横截面积小，但长度可能比混合室7长得多。
如果固体随后通过供应管道2加入反应器1，则在气体分布器5上形成一个环形围绕在中心管3周围的称为环形流化床10的层。通过供应管道6导入气体分布器室4的流化气流经气体分布器5后将环形流化床10流化，从而形成固定流化床。然后调节供给反应器1的气体速度，使环形流化床10中的颗粒弗鲁德数约为0.15，混合室7和输送管道13中的颗粒弗鲁德数约为1.8或约为3。
通过向环形流化床10中供应更多的固体，反应器1中的固体11高度升高到固体能进入中心管3的孔中的程度。同时还通过中心管3向反应器1中导入气体或气体混合物。优选调节供给反应器1的气体速度，使中心管3中的颗粒弗鲁德数大约为8。由于这些气体速度很高，所以流经中心管的气体在经过上部开孔区域时将固体从固定环形流化床10带入混合室7。
因为环形流化床10中的固体高度11升到高于中心管3的上边缘，所以固体会流过该边缘进入中心管3，从而形成强烈混合的悬浮体。中心管3的上边缘可以是平直的波纹状或锯齿状，也可以具有侧向入口开孔。由于喷入气体膨胀和/或撞击在一个反应器壁上，所以流速下降，结果，夹带的固体很快失去速度，部分再次回落到环形流化床10中。没有沉积的固体量与气流一起通过输送管道13和管道8排出反应器1。从而在固定环形流化床10的反应器区域和混合室7之间得到固体循环，以保证良好的传热效果。在进一步处理前，通过管道8排放的固体在旋风分离器9中与气体或气体混合物分离。
为了加热在反应器1中输送的固体，可以将通过中心管3和/或气体分布器室4的气体或气体混合物预热。另外，如图中12所示，可以将燃料供入中心管3、供入气体分布器室4和/或利用喷枪装置等供入环形流化床10或混合室7，并且通过在反应器1中的内部燃烧，可以均匀加热固体，不会有局部温度峰值。
替代地，为了冷却反应器1中输送的固体，可以将冷气体或气体混合物供给中心管3和/或气体分布器室4。这里的术语“冷”应当理解为与固体温度相关的意义，使其达到所需的冷却效果。另外还可以将冷却介质如水等供入中心管3、供入气体分布器室4和/或利用喷枪装置12等供入，进一步降低反应器1中输送的固体的温度。
可以用调节装置故意改变离开反应器1的固体温度。为此，例如测量管道8中的固体实际出口温度，然后根据出口温度的可调设定值控制供入反应器1的燃料或冷却介质。
下面参考三个实施例描述本发明，这些实施例证实了本发明的思想，但并不限制本发明。
实施例1(在氧化条件下传热输送Fe2O3或含钛矿石)在对应于附图的装置中，将温度为985℃的65.7t/h的Fe2O3供给用于输送的反应器，还可能在氧化气氛下干燥。另外作为输送介质通过管道6向反应器1中供入1000Nm3/h的空气，通过中心管3供入12300Nm3/h的温度为50℃的空气，后者在进入环形流化床10之前在中心管3中与532Nm3/h作为燃料的天然气混合。通过管道8从反应器中取出65.7t/h温度为1000℃的Fe2O3。
混合室7中颗粒弗鲁德数约为3的流化条件使天然气在没有温度峰值的情况下进行内部燃烧。利用这种方法可以避免由于反应器壁的辐射和固体与冷输送空气的混合导致的反应器1中的温度损失，在管道8中甚至能够使固体温度升高15℃。
结果可以使下游还原段中用于流化固体的还原性气体温度低于技术可行性的临界极限值1000℃。在这种情况下，在反应器1中输送固体至约为46m的高度。
用同样的方法可以在氧化条件下同时干燥输送的含钛矿石。在这种情况下，用环形流化床10上方的喷枪装置12另外将天然气导入反应器1用于内部燃烧，即直接导入混合室7。
在这种情况下，选择气体速度，使环形流化床10中的颗粒弗鲁德数约为0.15，中心管3中的颗粒弗鲁德数约为8。
实施例2(输送和加热海绵铁)在对应于附图的装置中，将温度约为650℃的68t/h的细粒海绵铁通过供应管道2加入反应器1。
将温度为900℃的40000Nm3/h的氢气从用于铁矿石的上游还原段通过中心管3供给反应器1，另外将温度为环境温度的750Nm3/h的氢气通过气体分布器室4供给反应器1。在这种情况下，选择气体速度，使环形流化床10中的颗粒弗鲁德数约为0.15，混合室7中的颗粒弗鲁德数约为1.8，中心管3中的颗粒弗鲁德数约为8。
用这种方法可以在反应器1中输送细粒海绵铁至高度约为50m，同时将其加热到下游压块工艺所需的温度，从而能够形成海绵铁团块。
实施例3(输送和冷却水泥)在对应于附图的装置中，将温度约为600℃的68t/h的细粒水泥通过供应管道2加入反应器1。
将温度为50℃的6250Nm3/h的空气作为输送介质通过中心管3供给反应器1，再将温度为50℃的750Nm3/h的空气作为流化气通过气体分布器室4供给反应器1。在这种情况下，选择气体速度，使环形流化床10中的颗粒弗鲁德数约为0.15，混合室7中的颗粒弗鲁德数约为1.8，中心管3中的颗粒弗鲁德数约为8。在输送管线中建立510℃的温度。
另外用喷枪装置12将温度约为20℃的2600kg/h的水供给反应器1。用这种方法可以在输送管线的末端即管道8中得到在热气静电集尘器中下游除尘所需的水泥温度380℃。
下面列出参考标记表示的部件1 反应器2 固体供应管道3 中心管(供气管)4 气体分布器室5 气体分布器6 流化气供应管道7 混合室8 管道9 分离器(旋风分离器)10 (固定)环形流化床11 环形流化床10的高度12 喷枪装置13 输送管道
权利要求
1.一种在流化床反应器(1)中输送细粒固体的方法，其特征在于第一气体或气体混合物从下部通过供气管(3)导入反应器(1)的混合室(7)，所述供气管(3)至少部分被通过供应流化气流化的固定环形流化床(10)所环绕，其中调节第一气体或气体混合物和用于环形流化床(10)的流化气的气体速度，使供气管(3)中的颗粒弗鲁德数是1-100，环形流化床(10)中的颗粒弗鲁德数是0.02-2，混合室(7)中的颗粒弗鲁德数是0.3-30。
2.权利要求1的方法，其特征在于供气管(3)中的颗粒弗鲁德数是1.15-20，特别是约为8。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于环形流化床(10)中的颗粒弗鲁德数是0.115-1.15，特别是约为0.15。
4.前述权利要求任一项的方法，其特征在于混合室(7)中的颗粒弗鲁德数是0.37-3.7，特别是约为1.8或约为3。
5.前述权利要求任一项的方法，其特征在于调节反应器(1)中的固体床层高度，使环形流化床(10)延伸超过供气管(3)的上部开孔端，使固体恒定地导入第一气体或气体混合物，并被气流带入位于供气管(3)的开孔区域上方的混合室(7)。
6.前述权利要求任一项的方法，其特征在于物质、特别是加热后的固体如水泥在输送过程中在反应器(1)中被冷却。
7.权利要求6的方法，其特征在于导入反应器(1)的气体或气体混合物在过程中被冷却，特别是在不加热固体的条件下被冷却。
8.权利要求6或7的方法，其特征在于通过供气管(3)导入的气体混合物和/或流化气是温度低于100℃的空气，特别是温度约为50℃的空气。
9.权利要求6-8任一项的方法，其特征在于将冷却介质如水导入环形流化床(10)和/或混合室(7)。
10.权利要求1-5任一项的方法，其特征在于固体在反应器(1)中被加热。
11.权利要求10的方法，其特征在于用含有含钛矿石、氧化铁或其它金属氧化物的固体作为固体。
12.权利要求10或11的方法，其特征在于加热后的气体如温度约为900℃的氢气或废气通过供气管(3)供给反应器(1)，进入环形流化床(10)和/或通过喷枪(12)等进入混合室(7)。
13.权利要求10-12任一项的方法，其特征在于燃料、特别是天然气通过供气管(3)供给反应器(1)，进入环形流化床(10)和/或通过喷枪(12)等进入混合室(7)，反应器(1)中的压力是0.8-10bar。
14.权利要求10-13任一项的方法，其特征在于在至少一个预热段中将含氧化铁的固体至少部分加热和/或煅烧，然后在下游还原段中还原，利用作为急速加热器的反应器(1)将所述固体从至少一个预热段输送到下游还原段。
15.权利要求14的方法，其特征在于使反应器(1)排出的废气通过至少一个预热段，所述预热段具有带循环流化床和/或文丘里预热器的反应器。
16.权利要求14或15的方法，其特征在于将燃料供给作为急速加热器的反应器(1)，所述预热段基本上利用反应器(1)的废热操作。
17.前述权利要求任一项的方法，其特征在于测量来自反应器(1)的固体的实际出口温度，根据测量的实际出口温度与设定出口温度的关联性，改变冷却或加热的气体或气体混合物、冷却介质和/或燃料的供应。
18.一种用于输送细粒固体的装置，特别是实施权利要求1-17任一项的方法的装置，其包括构成流化床反应器的反应器(1)，其特征在于反应器(1)具有供气系统，形成该供气系统，使流经该供气系统的气体将固体从至少部分被供气系统环绕的固定环形流化床(10)带入混合室(7)。
19.权利要求18的装置，其特征在于供气系统具有至少一个供气管(3)，该供气管(3)从反应器(1)的下部区域基本垂直向上延伸进入反应器(1)的混合室(7)，且该供气管(3)至少部分被其中形成有固定环形流化床(10)的环形室环绕。
20.权利要求19的装置，其特征在于供气管(3)参照反应器(1)的横截面近似中心排列。
21.权利要求18-20任一项的装置，其特征在于在反应器(1)下游提供用于分离固体的分离器，特别是旋风分离器(9)、热气静电集尘器或袋滤器。
22.权利要求19-21任一项的装置，其特征在于在反应器(1)的环形室中提供气体分布器(5)，该气体分布器(5)将所述室分成上部流化床区域(10)和下部气体分布器室(4)，其中气体分布器室(4)与流化气的供应管道(6)相连。
23.权利要求19-22任一项的装置，其特征在于反应器(1)具有至少一个通向供气管(3)的燃料和/或冷却介质供应管道(6)和/或至少一个通向环形室的这种供应管道(6)。
全文摘要
本发明涉及一种在流化床反应器中输送细粒固体的方法及相应的装置。建议将第一气体或气体混合物从下部通过中心管(3)导入反应器(1)的混合室(7)，中心管(3)至少部分被通过供应流化气流化的固定环形流化床(10)所环绕。调节第一气体或气体混合物和用于环形流化床(10)的流化气的气体速度，使中心管(3)中的颗粒弗鲁德数是1－100，环形流化床(10)中的颗粒弗鲁德数是0.02－2，混合室(7)中的颗粒弗鲁德数是0.3－30。
文档编号B01J8/18GK1767893SQ200380107426
公开日2006年5月3日 申请日期2003年12月12日 优先权日2002年12月23日
发明者J·弗里塔格, M·赫施, M·斯特罗德 申请人:奥托昆普技术公司