用流化床处理气体和粒状固体的方法和装置的制作方法

专利名称：用流化床处理气体和粒状固体的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用流化床处理气体和粒状固体的方法和装置。流化床反应器在顺流操作时主要包括混合室、升气管和带有通向混合室的固体返回管的旋风分离器。
本发明适用于用热还原气，特别是来自熔炼还原容器的热废气，还原金属矿石。本发明还特别适用于含危险物质和有问题物质(例如粘性物质)的废气的纯化和快速冷却。
在大规模工业实践中，流化的应用越来越广泛。例如，已经知道来自冶金和化学工业的被污染热废气的纯化是基于循环流化床技术的。该方法能无问题地回收热能是另一优点。例如，澳洲专利553033描述了一种方法，即在所谓的流动反应器中，从载有熔滴的气体中回收热量，使熔滴与热交换器的加热表面接触，其特征在于将固体颗粒与载有熔滴的气体混合，使气体温度在热交换器之前降低至熔滴的低共熔温度以下。该方法所述的数据是气速3～20m/sec，气体中颗粒含量是10～500g/mol，入口气体温度是300～1500℃，出口气体温度是500～1200℃，平均粒径是100～200微米。
流化床技术的另一个较宽的应用范围是煤气化。德国专利第2742644号涉及一种含碳固体的连续气化方法和实施该方法的设备。在该方法中，固体通过一个轴状容器的从顶部到底部至少三个区域。下降的产品流速至多是5m/min，并且保持固体旋转上升状态的流化气的流速至多为大约6m/sec。
欧洲专利申请第0304931号涉及在循环流化床中含碳固体材料的气化或燃烧，其中流化床反应器中气体速率保持在高达2～10m/sec的水平，大部分固体与气体一道从反应容器中排出，在随后的旋风分离器中分离，然后被送回反应器。初步纯化的气体随后在气体纯化装置中脱去固体微粒。该方法的特征在于来自气体纯化装置的微粒物质与来自旋风分离器的旋转物质聚结在一起，最后也被送入反应容器中。流动型循环流化床反应器用于例如从热气流中回收热量或用热气处理固体颗粒，热气作为流化气体通常从底部的园形入口送入反应器。在流动反应器中不需要固定筛来承载流化床材料。这种系统当然也存在一些缺点，尤其是大规模使用时。引入流化床的气体并不总能避免重固体颗粒落下流化床，而逆流地通过反应器底部的进料口。特别是反应器外壁上的固体颗粒的强烈向下流动导致颗粒通过反应器入口流出。人们也知道，固-气流动系统中的紊流会增加上述通过入口处流出的损失。固体颗粒倒流回流化床反应器前的主要处理装置将引起问题并使过程控制复杂化。此外，从入口掉出来的颗粒或结块会引起湍动、紊流，并减小气流本身的气体速率，因而导致混合室中流化床建立时的紊流。
从而本发明基于的问题是设计一种方法和装置，使得在气体引入装有固体颗粒流化床的混合室时，固体颗粒不会与引入的气体呈逆流从混合室的入口逸出。本发明基于的进一步具体的问题是设计一种用流化床技术还原金属矿石的方法和装置，它应用非常便利，使得非常热的还原气(例如来自熔炼还原容器的废气)以1700℃以上的温度直接进入混合室，在混合室中冷却至适当的还原温度，这样便不会有大量的固体颗粒由混合室逆流进入还原气进料管。本发明的另一目的是设计一种方法，使它能够有效地与熔炼还原过程联合操作。
本发明在混合室入口的紧前面以35m/sec以上的气体速度将气体引入混合室，从而解决了上述所有问题。
根据本发明的一个优选的实例，将热气通过一个长度(1)直径(D)比率(1/D)大于1的气体入口管道送入混合室，并且使固体颗粒在混合室下部锥形部分的向下的边界流动以至少20°的角度在混合室的入口处与基本垂直向上的热气流相遇，混合室下部的锥形部分倾斜角度小于70°。
本发明方法使固体颗粒不致掉入混合室底部的气体入口管道中，使全部颗粒仅在流动方向离开混合室。
本发明优选装置的特征在于混合室具有一个气体入口管道，气体通过该管道进入混合室;气体入口管道的长径比率(1/D)大于1;混合室底部锥形部分的壁面倾角小于70°。
当采用本发明方法用于金属氧化物的还原时，最好使用流化床或循环流化床。反应器包括金属矿石与热还原气混合的混合室;将来自混合室的这些固体颗粒和气体分离的旋风分离器;将来自混合室的固体颗粒和气体构成的悬浮气流送入旋风分离器的升气管;至少将部分来自旋风分离器的固体送返混合室的固体返回管。
与以前混合室中高鼓风速率导致不利因素的观点相反，本发明热气以高入口速率进入混合室(速率大于35m/sec)，惊人地导致了混合室中优异的流动特性，这可通过许多积极效果反映出来。本发明混合室中的高入口气速出人意料地不产生先有技术所描述的缺点，反而产生有利效果，现详述如下在流动反应器中应用本发明，我们可以达到对固体颗粒混合物和热气温度的选择性调节。所述固体颗粒如金属矿石、沙粒或废气粉尘;所述热气如来自熔炼还原容器的废气或来自炉膛的废气。
为此，本发明中混合室内表面的部分或全部须充分冷却，例如水冷却。混合室的部分内壁可用一层或多层耐火材料作衬里，包括充分冷却的区域。通过选择充分冷却的、未衬有耐火材料的内表面与衬有耐火材料的内表面之比，我们便首先有可能控制和调节混合室中流化床混合物的温度。选择流过混合室内表面冷却管道的冷却剂导致另一控制的可能性，例如，我们可用水、油、水蒸汽、压缩空气或它们的混合物。
混合室中流化床混合物温度控制的又一措旋是调节新固体颗粒(如金属矿石)的供应量。而且，也可将冷却剂，如水蒸汽、水和/或油，直接喷入混合室。
本发明的一个实质性特点是由于当还原气的入口温度高于金属矿石的最佳还原温度时，所用的混合室便作为热还原气的冷却器。所用的还原气主要是来自熔炼还原容器的废气。其温度通常明显高于所需的有利的还原温度。该废气通常载有粉尘并以较高的速率以一边(例如从底部)的中心通入混合室。根据本发明，入口速率在35m/sec以上，并且可根据例如粒径和颗粒的比重、混合室中流化床高度、循环流化床材料的总量、混合室的尺寸和形状而变化。
最低速率也在某种程度上取决于导入的热气体的操作压力。操作压力越高则最低气速越低。对于来自熔炼还原设备的废气，熔融还原容器的压力也会形响混合室中的压力。例如，如果本发明方法在相等的条件下采用，混合室的入口气速在约1.5巴的操作压力下至少为120m/sec在约3.5巴的操作压力下至少为85m/sec。
混合室中的流动类型取决于较高的入口气速以及气体入口管道和混合室底部的大小和形状。按本发明这便保证了流化床保持在混合室中并且使热气的温度降低至最佳点。在金属矿石的还原中，气体的迅速冷却导致了引入的反应气体的温度迅速降低至有利于还原的温度，气体与固体的良好混合导致流化床中的均匀还原。在流动反应器中，流动特性可以被想像成流动基本上沿着中心的对称轴与容器壁相反的方向行进。这样便导致了内循环流动。由于混合室一般都是垂直的，所以容器中心的流动向上，而容器外壁上的流动向下。
根据本发明，混合室下部倾斜锥角以及颗粒的向下流动的方向限制在70°以下，最好在45°-70°。热气的入口最好布置在混合室下部锥形部分的中心。混合室还包括一个园柱形中间部分和上部的锥形区域，锥形区域上带有连接升气管的中心孔。已经证明混合室下部锥形部分与水平方向形成45°-70°的倾角特别有利，这是由于在此角度下可得到特别优越的流动特性。如果该倾角(即混合室下部锥形区器壁的倾角)大于70°，则向下流动的颗粒越来越接近垂直方向，然后颗粒以高速进入气体进料管。从混合室漏出的上述颗粒因而离开流化床，还可导致气体入口管的结皮，因此证明对气体流动不利。
本发明设计的气体入口管惧有的长径比(1/D)大于1，以确保可能进入气体进料管的颗粒和颗粒聚结构在其中解散，并被入口管中的高气速送回混合室。
根据本发明，混合室的固体颗粒与还原气一道仅在流动方向上一起离开混合室，即它们仅仅流入随后的升气管中。固体颗粒与流动方向相反由混合室进入气体进料管这一现象有可能被35m/sec的高入口气速所避免。特别是如果本发明方法与熔炼还原设备结合，混合室流化床存在的颗粒粒径大于1mm，比重(D)大于4g/cm3，如果进入混合室入口前气速至少为60m/sec(优选至少100m/sec)，则上述效果便特别明显。
在其它应用中，例如冷却和/或纯化来自气体透平燃烧器、气化器或其它高温过程(例如烧结过程)的气体，当流化床主要粒径为4至200微米，且比重(D)小于4g/cm3时，本发明方法可成功地用于避免颗粒(例如烟道尘)漏出混合室进入气体进料管。混合室入口前的热气体速率最好调节至35-80m/sec。
如上所述，本发明可成动地用于还原金属矿石的过程。还原金属矿石的最佳温度在流化床反应器的升气管中也是成功的。温度调节的方法已经描述。实践中，人们可以从已知的平均温度和还原气的量，以及已知的矿石进料速率和来自旋风分离器的返回物入手，所述返回物包括载气和各种添加剂(例如渣化剂)。可在此基础上建立热平衡，从而算得混合室出口的理论气温。该理论气温通常高于最佳还原气温，热散失和充分冷却的区域与混合室中有耐火衬里的内壁面积之比必须相应地固定，以使升气管入口处的还原气温对应于所需的温度。
在对称轴区域位于混合室底部具有还原气入口的混合室和在对面与混合室连接的外气管的垂直状态构成了本发明的一个优越的设计，但这并不是唯一可能的结构。
由旋风分离器循环至混合室的固体可以是例如部分还原的金属氧化物，它随后与混合室中流化床一起再次上升，从而保持了循环流化床的功能。例如，可以在流化床反应器中采用两个或多个旋风分离器，以提高细粉的分离效果。
任何所需的产物流部分都可以从固体返回管通过支管进入下一步处理步骤或送入贮罐。业已证明，交部分还原的金属氧化物直接(即在加热状态下)送入熔炼还原设备，例如产生混合室废气的熔炼还原容器，特别有效。该方法在本发明范围内。
流化床的密度在设备的不同部位各不相同。混合室中，流化床密度，即固体颗粒和空气的悬浮体的密度，是10-200Kg/m3，但最好是20～100Kg/m3。在连接的升气管中，产物流密度较低，而在上部，即进入旋风分离器之前，它是2～30Kg/m3，但最好是3～10Kg/m3。在连接旋风分离器和混合室的固体返回管中，产物流密度通常高于进入旋风分离器之前的密度。
混合室对于本发明方法涉及的流动反应器是一个重要装置。它通常是旋转对称的、长球状容器，它在下端与还原气进料管相连;在上端与升气管相连。升气管的自由直径通常大于还原气进料管的自由直径。固体返回管的终端与混合室连接。新物料(例如未预先还原的或金属石原料)通过另外的连接管送入混合室。
参照附图和实施例详述本发明。


图1是本发明设备的混合室剖面的示意图;
图2是本发明设备剖面的示意图;
图1是流化床反应器的混合室的轴向剖面示意图;本发明采用这种流化床来还原金属矿石。
混合室14包括下部锥形部分1，柱状体2和上部锥形部分3。还原气通过直径D＝5和长度1＝15的管道4流入混合室。长度(1＝15)与直径(D＝5)之比(1/D)大于1。在混合室的还原气入口区域，可以装一环状喷咀6，喷出各种气体以抑制粘性废气固体的结皮，对混合室中的流动类型产生有利的影响。
混合室的截面也可以是正方形或矩形/长方形的。在这种情况下，入口也是正方形或矩形，1/D比值是指长度与入口短边长度的比值。
混合室的壳体7由钢板制成。该壳体可以是全部或部分充分冷却。这时，它是完全水冷却的(未示出)。低部锥形1和部分也是柱形体2衬有耐火衬里8。该耐火衬里主要用来隔热以便调节混合室中流化床的热散失。
直径为10的升气管9与混合室直接相连。固体通过固体返回管11从旋风分离器返回混合室。将细粒粗矿石送入混合室流化床的管道未画出。
混合室的一个优选的细节是下部的锥形容器部分1，尤其是该锥体的倾角12，该下部的锥形部分可以是如图中所示的锥形，但是也可以是其它形状的，例如矩形截面的反应器。如果锥形部分1的倾角是45～70°，则在混合室下部的锥形部分中心开一气体入口会产生对流化床有利的流动类型。例如，已经证明12°～65°的倾角是实用的。
图2是按照流动技术原理设计的流化床反应器的示意图。
气-固悬浮体由混合室14通过升气管9经入口15进入旋风分离器16。气体和固体在旋风分离器16中分离。含少量细尘的处理气体经气体出口17离开旋风分离器。
固体由旋风分离器经过气体出口管18出来，经过固体返回管19被部分循环至混合室。固体的另一部分经下降管20送去进一步使用。
来自出料管18的循环固体经过固体返回管19进入混合室14的下部，通常是锥形部分1。热气(例如来自熔炼还原设备的热还原气)也经过管道4流入混合室14的该部分1。
可用不同的方式来设计将热气供给混合室14下部1的所述管道4。管道4的设计一方面取决于入口热气的温度，另一方面也取决于流动反应器与气体发生器配合时的几何形状和距离。
当气体温度低时，管道4可设计成简单的钢管，当气体温度高时。管子的里面应衬以耐火隔热衬里。为了与熔炼还原设备相匹配，已经证明例如直接用砖砌通道来代替上述管道是有效的。
在任何情况下，上述通道或其它上述管道都显然较所述热气进料管的直径长。已经证明，工作时用1/D比大于1是有利的，以便可靠地避免固体颗粒落回上述管道。如果固体颗粒的大块聚结物由混合室落回该气体入口管，也许是由于气体的高速湍流，它们便分解为小块固体被气流又送回混合室。这种有利的效应已经证明是有用的，尤其对于通常以超过35m/sec的较低流速送入混合室的密度较小的尘粒。对于密度较大的固体颗粒，例如来自熔炼还原设备的比重大于4g/cm3的固体颗粒，其流速通常明显较高，至少为60m/sec，往往超过100m/sec，经验表明在此气速下，固体颗粒不再落回热气进料管。
作为用流化床还原金属矿石的方法的一个非限定性实施例，本说明书现在将涉及铁矿石的预先还原。本发明方法在此是产生熔炼铁的熔炼还原设备的一个必要部分。
发了在熔炼还原设备中每天生产500吨熔炼铁，将831吨细粒矿石与渣化剂一道在流化床里预先还原，在加热的状态下送入熔炼还原容器中。来自烷炼融还原容器的废气含16%CO，10%CO2，3.6%H210%H2O，60.4%N2，温度是1680℃，粉尘负载2.9吨/小时。它以72000Nm3/h的流量和120m/sec的入口速率直接进入流化床的混合室。在混合室的入口区内，有一个附加的气体由此流入的环形喷咀，特别用来减少废气夹带的粘性尘粒在此形成的结皮。
混合室和升气管的下半部是水冷的。约350Nm3/h的水流过冷却系统，被从50℃加热至80℃。
上述废气与32吨/小时的矿石和数倍于该量的预先还原的矿石一道经过固体返回管被送入混合室。一部分预先还原的矿石被送入熔炼还原容器(图中未画出)。预先还原的矿石平均含有24%Fe3O4，58%FeO，4%SiO2，7.6%CaO，2.6%Al2O3，温度是850℃。
在升气管中，流化床温度是900℃，固体与80000Nm3/h的气体一道经过升气管流入旋风分离器。
预先还原所用的废气具有较低的还原能力，这是因为它来自用燃尽约50%反应气CO和H2工作的熔炼还原过程。使用具有较高还原能力的还原气从而导致金属矿石的较高程度的还原仍然在本发明范围内。将此方法与其它方法或处理步骤相结合的适用性和可能性是本发明的一个优越特点。
对所述的优选的实例和实施例也可进行多种改善、应用和变化，但仍在本发明范围内。
权利要求
1.一种用流化床处理气体和粒状固体的方法，气体和粒状固体被引入混合室混合，然后由混合室排出送入旋风分离器，一部分分离出的固体被循环至混合室，其特征在于气体以35m/sec以上的速率进入混合室。
2.权利要求1的方法，其特征在于气体以几乎恒速经过至少长于入口直径的距离而引入混合室。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于与比重超过4g/cm3的粒状固体混合的气体以大于60m/sec的入口速率被引入。
4.权利要求1至3的一种或多种方法，其特征在于混合室中固体颗粒向下的边界流动以至少20°的角度与引入混合室的热气流相遇。
5.权利要求1至4的一种或多种方法，其特征在于热还原气以至少60m/sec的入口速率引入混合室，优选100m/sec，比重大于4g/cm3的固体颗粒位于混合室的流化床中，并且仅仅向下地将固体冲出混合室。
6.权利要求1至5的一种或多种方法，其特征在于升气管中的流化床温度根据金属矿石被调节至对该金属矿石的还原有利的温度。
7.权利要求1至6的一种或多种方法，其特征在于流化床温度被调节至750～1050℃，最好是900℃，以还原铁矿石。
8.权利要求1至7的一种或多种方法，其特征在于混合室中流化床的温度通过下列方法调节改变混合室中充分冷却表面与衬里表面的比值;改变冷却剂;改变冷却剂流速;改变矿石进料速率;加入冷却或加热剂。
9.权利要求8的方法，其特征在于混合室里的温度通过将全部所述步骤结合，或通过将任意几个所述步骤结合或通过所述步骤之一来调节。
10.权利要求1至9的一种或多种方法，其特征在于混合室用作还原气尤其是来自熔炼还原器的废气的气体冷却器。
11.权利要求1至10的一种或多种方法，其特征在于固体颗粒和气体的悬浮体的产物流密度在混合室中被调节至10～200Kg/m3，最好是20～100Kg/m3，在旋风分离器前的升气管中被调节至2～30Kg/m3，最好是3～10Kg/m3。
12.权利要求1至11的一种或多种方法，其特征在于来自气体透平燃烧器、气化器或另外的产生热气的高温过程的热气以35-80m/sec的气速引入，从而流化床中出现的固体颗粒大部分粒径为4～200微米，比重小于4g/cm3，并且没有固体颗粒逆流进入气体进料管。
13.一种用流化床处理气体和固体的装置，流化床反应器顺流操作时主要包括一个混合室、一个升气管和一个带有通向混合室的固体返回管道的旋风分离器，其特征在于混合室有一个气体进料管，该管的长径比1/D大于1，所述混合室下部有一个倾斜锥角小于70°的锥形容器部分。
14.权利要求13的装置，其特征在于混合室下部的锥形部分的倾斜锥角是45～70°。
15.权利要求13或14的装置，其特征在于混合室的金属外壁全部或部分充分冷却，最好是水冷却的。
16.权利要求13至15的一种或多种装置，其特征在于混合室的内壁完全或部分衬有一层或多层耐火材料衬里。
17.权利要求13至16的一种或多种装置，其特征在于混合室的气体入口装有一个环状喷咀用于引入附加的气体。
全文摘要
一种用流化床处理气体和固体的方法，流化床反应器顺流操作时主要包括一个混合室、一个升气管和一个装有通向混合室的固体返回管的旋风分离器，气体在混合室入口前以高于35m/sec的气速被引入混合室。
文档编号C21B13/10GK1072614SQ9211208
公开日1993年6月2日 申请日期1992年9月25日 优先权日1991年9月25日
发明者G·J·哈迪, J·M·甘泽, I·D·韦布, T·海彭伦, K·米约彭伦, I·诺彭伦 申请人:Hi冶炼有限公司, 阿尔斯特罗姆公司