捕捉和回收利用微粒的系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于气化炉的旋风分离器系统，该气化炉具有两个或更多个串联排列的旋风分离器。该旋风分离器系统包括：第一级旋风分离器、第一料腿，第一回料阀；第二级旋风分离器、第二料腿、组合料腿，以及组合回料阀。第一回料阀与组合料腿在组合回料阀上方连接。组合回料阀与组合料腿相连接用于接收第一和第二固体颗粒组分的混合物，并且与气化炉相连接用于将第一和第二固体颗粒组分的混合物返回至气化炉。本发明还公开了一种利用旋风分离器系统捕捉和回收利用微粒的方法。
【专利说明】捕捉和回收利用微粒的系统及方法发明领域
[0001]本发明涉及使用流化床反应器的煤气化。更具体地，本发明涉及从流化床反应器排放的合成气流中捕捉固体，随后将固体返回至流化床反应器的方法和装置。
【背景技术】
[0002]煤气化是将煤转化成主要包含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气的过程。气化炉的主要类型有:移动床气化，气流床气化炉和流化床气化炉。根据原料和气化炉的类型及操作条件的不同，气化炉排放的粗合成气(crude syngas)中包含不同含量的一氧化碳,氢气，水蒸汽，固体和烃。
[0003]在流化床气化炉中，床体中容纳有一定量的小固体颗粒或称为“微粒”(fines)，微粒的数量主要取决于原料中含有的微粒数量以及气化器的操作条件，例如温度、压力、速度和气体/固体接触等。一部分微粒不可避免地被粗合成气夹带或携带出气化炉。这些微粒含有未转化的碳，并由此带来气化炉的“损失”。
[0004]大多数流化床气化炉操作在温度稍低于灰熔点(ash fus1n)温度的环境下，以避免在气化炉中形成使流化床去流化(defIuidize)的煤洛(clinker)以及导致气化炉被迫停机。相对低的操作温度及由此而来的流化床气化炉的非排洛模式(non-slagging mode)操作消除了高操作温度下熔融灰所导致的与排渣气流床气化炉相关的很多设计和操作方面的问题。然而，低操作温度也限制了流化床气化炉的碳转化率。为提高流化床气化炉的碳转化率，必须保持从气化炉损失的微粒尽可能少，因此必须捕获被粗合成气携带出的微粒并将其返回到气化炉进行更多的气化反应。
[0005]增加气体和固体在流化床气化炉中的停留时间和/或降低粗合成气离开气化炉的表观速度(superficial velocity)能减少粗合成气携带走的微粒数量。然而这些方法会显著增加气化炉的成本。一种更可行的提高流化床气化炉整体碳转化率的方法是捕捉和回收利用被带走的微粒。
[0006]旋风分离器系统已被商用来捕捉来自流化床反应器的废气所携带得固体颗粒，之后将捕捉到的固体送回反应器。然而，来自流化床气化炉的粗合成气中所携带的固体通常包含非常小(例如直径小于20微米)并且轻的固体颗粒或者微粒，这些固体颗粒或者微粒很难被常规旋风分离器捕获到。此外，这些微粒往往难以通过旋风分离器或被排放，从而导致频繁的固桥(solids bridge)或堵塞问题,并最终导致气化炉和旋风分离器系统被迫停机。不同的设备和方法，例如采用气动和/或机械输送机、阀、喷射器，或者旋转进料器，已被尝试用来解决这些流化床反应器在高温和高压下操作的问题。然而，现有的设备和方法不能为这些问题提供一个可靠的长期解决方案。
[0007]因此，本发明的目的在于，针对在高温高压下操作的流化床反应器或者气化炉，提供一种更可靠简单的捕获和回收利用微粒的装置和方法。
【发明内容】
[0008]本发明基于(至少部分地基于)意外发现在两级串联的旋风分离器中，组合第一级微粒与第二级微粒能够在不需要任何回转或移动装置的情况下，提供一种简单的解决方案，以有效地捕捉被粗合成气携带出流化床气化炉的微粒，并将这些微粒回收至气化炉。
[0009]因此，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于气化炉的旋风分离器系统，该气化炉具有两个或更多个串联排列的旋风分离器。该旋风分离器系统包括:第一级旋风分离器、第一料腿，第一回料阀、第二级旋风分离器、第二料腿、组合料腿，以及组合回料阀。第一级旋风分离器具有第一进口和第一出口。第一进口与气化炉流体连通，并且从气化炉接收第一气-固混合物。第一料腿与第一级旋风分离器相连接用于收集从第一气-固混合物中分离出来的第一固体颗粒组分。第一回料阀与第一料腿相连接用于接收第一固体颗粒组分。第二级旋风分离器具有第二进口和第二出口。第二进口与第一出口流体连通，并且从第一级旋风分离器接收第二气-固混合物。第二料腿与第二级旋风分离器相连接用于收集从第二气-固混合物中分离出来的第二固体颗粒组分。组合料腿同时与第一回料阀和第二料腿相连接。组合回料阀与组合料腿相连接用于接收第一和第二固体颗粒组分的混合物，并且与气化炉相连接用于将第一和第二固体颗粒组分的混合物返回至气化炉。
[0010]根据本发明的另一个方面，本发明提供一种气化炉系统。该气化炉系统包括气化炉和本发明提供的旋风分离器系统。
[0011]气化炉可以是流化床气化炉。第一进口可以为半蜗壳(half volute)进口，第二进口为切向进口。
[0012]在一些实施例中，第一回料阀包括与第一料腿相连接的用于接收第一固体颗粒组分的第一垂直下降管、第一垂直下降管下游方向的第一下倾段、第一下倾段下游方向的第一上升管，以及第一上升管下游方向的第二下倾段。组合料腿可以在组合料腿的分支点与第二料腿和第一回料阀的第二下倾段相连接。
[0013]在一些实施例中，组合回料阀包括用于接收第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分混合物的第二垂直下降管、第二垂直下降管下游方向的第三下倾段、第三下倾段下游方向的第二上升管，以及第二上升管下游方向并且连接回气化炉的第四下倾段。
[0014]本发明还提供一种捕捉和回收利用微粒的方法。一种方法包括将来自气化炉的第一气-固混合物送到第一级旋风分离器的第一进口，在第一级旋风分离器中将第一气-固混合物分离为第二气-固混合物和第一固体颗粒组分，将来自第一级旋风分离器第一出口的第二气-固混合物输送至第二级旋风分离器的第二进口，并且收集依次通过与第一级旋风分离器相连接的第一料腿和与第一料腿相连接的第一回料阀的第一固体微粒组分，在第二级旋风分离器中从第二气-固混合物中分离出第二固体颗粒组分，通过与第二级旋风分离器相连接的第二料腿收集第二固体颗粒组分，收集来自第一回料阀的第一固体颗粒组合和来自第二料腿的第二固体颗粒组分的混合物，该混合物依次通过与第一回料阀和第二料腿共同连接的组合料腿和与组合料腿和气化炉共同连接的组合回料阀，以及将第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分的混合物从组合回料阀返送回气化炉。
[0015]本发明的另一种方法包括在气化炉中产生第一气-固混合物，将来自气化炉的第一气-固混合物输送到第一级旋风分离器的第一进口，在第一级旋风分离器中将第一气-固混合物分离为第二气-固混合物和第一固体颗粒组分，将来自第一级旋风分离器的第一出口的第二气-固混合物输送至第二级旋风分离器的第二进口，并且收集依次通过与第一级旋风分离器相连接的第一料腿和与第一料腿相连接的第一回料阀的第一固体微粒组分，在第二级旋风分离器中从第二气-固混合物中分离出第二固体颗粒组分，通过与第二级旋风分离器相连接的第二料腿收集第二固体颗粒组分，收集来自第一回料阀的第一固体颗粒组合和来自第二料腿的第二固体颗粒组分的混合物，该混合物依次通过与第一回料阀和第二料腿共同连接的组合料腿和与组合料腿和气化炉共同连接的组合回料阀，以及将第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分的混合物从组合回料阀返送回气化炉。
[0016]参见下述附图及描述，本发明的上述和其它优点，及其获得和使用方法将更加明显易懂。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1示出本发明一种实施例所提供的气化炉、旋风分离器和料腿的整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]本发明涉及有效地捕获和回收利用被携带出反应器如气化炉或燃烧器的微粒，从而提高反应器的收集效率和系统的整体性能。特别地，这种旋风分离器和料腿的配置能够将很细的微粒回收至反应器进行利用。将旋风分离器和料腿进行组合的这种具体配置方式使得来自第二级旋风分离器的非常细的微粒能够在不使用机械移动装置的情况下被处理及回收至反应器。
[0019]旋风分离器和料腿常在现有技术中被使用，并且两级旋风分离器的组合也是常见的。然而，本发明首次提出将串联排列的两级旋风分离器的料腿进行组合从而达到意想不到的有益效果。这些有益效果包括防止在第二料腿的下降管中形成固体和静止或缓慢移动的微粒柱，同时防止气体短路(gas short-circuiting)(即来自第一旋风分离器的气/固体混合物经过第一料腿从底部进入第二级旋风分离器)，这将极大降低第二级旋风分离器的效率，或导致其完全失效。具体地，通过各种实验所确定的具体配置(即将第一料腿的下倾段224接入第二级料腿的下降管(见下文)，或者“将第一接入第二”)是非常理想的，因为其它的替代方式(例如，“将第二接入第一”或者“组合第一与第二”)无法实现本发明所提供的技术优点，其有效地允许更高容量和更高流速的来自第一料腿的气/固体蒸汽推送或携带来自第二级旋风分离器的微粒返回进入气化炉。
[0020]另外，第一料腿的下倾段224连接至第二级料腿的下降管的稀相区位置(通常接近或位于下降管的上部)。此外，第二级料腿的下降管的直径和长度根据进入第一旋风分离器的第一进口 23的气/固体混合物的流率和固体内容来选择，并确定了通过确定整个系统的吹风气体量，特别是通过第一料腿的吹风气体量，从而消除或最小化短路气体进入第二级旋风分离器情况的发生，同时不会在第二料腿中形成非移动的固体柱(solid column)。
[0021]更具体地，参见图1所示，本发明提供了一种具有两个或者多个串联排列的旋风分离器的旋风分离器系统10。该旋风分离器系统10具有第一级旋风分离器20、第一料腿21、第一回料阀22、第二级旋风分离器30、第二料腿31、组合料腿40，以及组合回料阀50。图1示出示气化炉、旋风分离器和料腿的整体结构示意图。
[0022]第一级旋风分离器是第一个旋风分离器，该旋风分离器接收来自反应器输出的合成气(即第一气-固混合物)，将合成气分离为第一气体组分和第一固体颗粒组分，并将其传送至下游设备进行进一步处理。
[0023]参见图1，第一级旋风分离器20具有用于从气化炉60接收第一气-固混合物的第一进口 23，以及用于将第一气体组分传输至第二级旋风分离器30的第一出口 24。在一种优选的配置中，第一进口 23是半蜗壳进口(half-volute inlet)。第一级旋风分离器20的主体包括第一圆筒部分25和第一圆锥部分26。第一料腿21与第一圆锥部分26相连接用于收集第一固体颗粒组分。第一固体颗粒组分随后经过与第一料腿21相连接的第一回料阀22。
[0024]优选地，第一回料阀22具有与第一料腿21相连接的第一垂直下降管221，用于接收第一固体颗粒组分。随后，第一固体颗粒组分经过第一下倾段222、第一上升管223，以及与组合料腿40相连接的第二下倾段224。
[0025]第二级旋风分离器为接收第一气体组分(即第二气-固混合物)的旋风分离器，进一步分离该混合物为第二气体组分和第二固体颗粒组分(含有固体颗粒，例如，尺寸在50、40、30、20，或10微米或更小范围内)，并提供给下游设备进行更多处理或者排放气体和固体颗粒组分。
[0026]参见图1，与第一级旋风分离器20相类似，第二级旋风分离器30具有从第一级旋风分离器20接收第二气-固混合物的第二进口 32，以及向下游设备传输第二气-固混合物的第二出口 33，以进一步处理或者排放第二气体组分。在一种优选地配置中，第二进口 32为切向进口(tangential inlet)。第二级旋风分离器30的主体包括第二圆筒部分34和第二圆锥部分35。第二料腿31与第二圆锥部分35相连接以收集第二固体颗粒组分。第二固体颗粒组分随后穿过与第二料腿31相连接的组合回料阀40。
[0027]参见图1，组合回料阀40 (例如，在组合回料阀40的分支点41处)同时与第一回料阀22和第二回料腿31相连接。第一固体颗粒组分与第二固体颗粒组分的混合物随后穿过组合回料阀50并返回到气化炉60。如图1所示，组合回料阀50与组合料腿40、气化炉60相连接。
[0028]优选地，组合回料阀50具有接收第一固体颗粒组分与第二固体颗粒组分的混合物的第二垂直下降管501，与之相连接的第三下倾段502，第二上升管503，以及连接回气化炉60的第四下倾段504。
[0029]进一步地，本发明提供了一种包含上述气化炉60和旋风分离器系统10的气化炉系统。
[0030]本发明所提供的及与之类似的旋风分离器和气化炉系统能够用于更方便有效地捕捉和回收利用非常细小的微粒。
[0031]相应地，本发明提供一种使用本发明的旋风分离器系统捕获和回收利用微粒的方法。在该方法中，第一气-固体混合物从气化炉60被传送到第一进口 23，并在第一级旋风分离器20中被分离为第二气-固混合物和第一固体颗粒组分。第二气-固混合物从第一出口 24进入第二进口 32，而第一固体颗粒组分通过第一料腿21和之后的第一回料阀22被收集。在第二级旋风分离器30中，从第二气-固混合物中分离出第二种固体颗粒组分，并通过第二料腿31被收集。来自第一回料阀22的第一固体颗粒组分以及来自第二料腿31的第二固体颗粒组分随后都被组合料腿40所收集。第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分的混合物经过组合回料阀50返回到气化炉60。
[0032]本发明提供另一种使用本发明的旋风分离器系统捕获和回收利用微粒的方法。在该方法中，在气化炉60中产生第一气-固混合物(例如来自煤气化的粗合成气)，并从气化炉60经由第一进口 23传送到第一级旋风分离器20。随后该第一气-固混合物通过旋风分离器系统10并按照上述过程进行处理。
[0033]由第一和第二级旋风分离器捕获的固体颗粒或微粒含有未转化的碳，必须送回至气化炉进行更多的气化反应，以提高气化炉的总碳转化率。气化炉的操作压力高于旋风分离器内的压力。需要特殊设计和操作特点使的所捕获的微粒从低压回到高压。该问题一直以来对于流化床反应器是具有挑战性的问题，特别对于原料具有广泛颗粒尺寸分布的流化床气化炉。由第一级旋风分离器捕获的固体颗粒比较粗、重以及数量大，因此，将这些固体返送回气化炉没有返送第二级微粒那么困难。
[0034]被第二级旋风分离器捕捉的微粒比第一级微粒小、轻，并且数量上也少很多。这些微粒通常表现出粘性和容易在管道中形成固桥或者堵塞从而导致频繁影响流动和排放问题。为密封对抗更高度背压，该背压是气化炉与第二级旋风分离器之间的压差，需要小而长的管道或者“料腿(dipleg)”将第二级微粒返送回气化炉，特别是在具有低固体质量流率(solids mass flow rate)的情况下。所需的长而小的料腿进一步加重了第二级微粒的流动和排放问题。
[0035]与惰性或者反应气体一起沿着料腿的吹气(aerat1n)被用于辅助固体颗粒的流动和排放。第二级微粒的吹气或者流化比较困难，是因为颗粒间的相互作用力大于气体作用产生的作用力。如果向料腿过度吹气或者如果吹气气体被导入料腿，吹气气体将阻碍固体颗粒的流动造成堵塞以及微粒再循环系统的停机。
[0036]上述微粒再循环问题通常是造成很多流化床反应器和气化炉的旋风分离器和料腿系统失败的根本原因。如上所述，微粒再循环问题对于第二级微粒更加严重。正如“【背景技术】”中所提到的，很多方法和装置试图减轻这个问题，然而结果却并不理想。
[0037]本发明将第二级微粒与直径比第一级微粒小两个数量级的颗粒相组合，以消除上述第二级微粒所带来的问题，而无需使用任何机械或旋转装置，该装置通常用在流化工业却只带来差而不可靠的结果。
[0038]在第一级旋风分离器中捕捉到的微粒被第一级料腿和回料阀排放到第二级料腿的稀相。第一级微粒随后与第二级微粒在组合料腿中混合。组合固体混合物流动通过组合料腿，然后通过组合回料阀重新注入到气化炉中。第一级微粒的质量流率(mass flow rate)比第二级微粒大约高2个数量级。因此，组合固体混合物将表现为与第一级微粒一样较粗较重。这将完全消除由于第二级微粒的粘性性质所带来的以及难以在长而直径小的料腿中进行吹气或者流化等问题。
[0039]本发明的另一个重要特点是，相对地传统回料阀中通常使用的水平腿，本发明的回料阀配置有倾斜腿。倾斜腿将减少吹气气体流速并促进固体流动。这对于第一级回料阀更为重要，因为供给回料阀的吹气气体需要最小化，以免对第二级旋风分离器的性能产生任何不利影响。
[0040]可以为回料阀和料腿使用吹风气体例如二氧化碳或者蒸汽，以在微粒返回气化炉之前促进吹风气体与微粒中未转化的碳进行气化反应。
【权利要求】
1.一种用于气化炉的旋风分离器系统，该气化炉具有两个或更多个串联排列的旋风分离器，其中，所述旋风分离器系统包括: 具有第一进口和第一出口的第一级旋风分离器，其中，所述第一进口与气化炉流体连通，并且从所述气化炉接收第一气-固混合物； 与第一级旋风分离器相连接的第一料腿，用于收集从第一气-固混合物中分离出的第一固体颗粒组分； 与第一料腿相连接的第一回料阀，用于接收第一固体颗粒组分； 第二级旋风分离器具有第二进口和第二出口，其中第二进口与第一出口流体连通，并且从第一级旋风分离器接收第二气-固混合物； 与第二级旋风分离器相连接的第二料腿，用于收集从第二气-固混合物中分离出的第二固体颗粒组分； 与第一回料阀和第二料腿共同连接的组合料腿；以及 与组合料腿相连接的组合回料阀，用于接收第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分的混合物，并且组合回料阀与气化炉相连接，用于将第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分的混合物返送回气化炉。
2.根据权利要求1所述的旋风分离器系统，其中，所述气化炉为流化床气化炉。
3.根据权利要求1所述的旋风分离器系统，其中，所述第一进口为半蜗壳进口。
4.根据权利要求1所述的旋风分离器系统，其中，所述第二进口为切向进口。
5.根据权利要求1所述的旋风分离器系统，其中，所述第一回料阀包括与第一料腿相连接的用于接收第一固体颗粒组分的第一垂直下降管、第一垂直下降管下游方向的第一下倾段、第一下倾段下游方向的第一上升管，以及第一上升管下游方向的第二下倾段。
6.根据权利要求5所述的旋风分离器系统，其中，所述组合料腿在组合料腿的分支点与第二料腿和第一回料阀的第二下倾段相连接。
7.根据权利要求1所述的旋风分离器系统，其中，所述组合回料阀包括用于接收第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分的混合物的第二垂直下降管、第二垂直下降管下游方向的第三下倾段、第三下倾段下游方向的第二上升管，以及第二上升管下游方向并且连接回气化炉的第四下倾段。
8.一种用于捕捉和回收利用微粒的方法，包括: 将来自气化炉的第一气-固混合物送至第一级旋风分离器的第一进口； 在第一级旋风分离器中将第一气-固混合物分离为第二气-固混合物和第一固体颗粒组分； 将来自第一级旋风分离器第一出口的第二气-固混合物输送至第二级旋风分离器的第二进口，并且收集依次通过与第一级旋风分离器相连接的第一料腿及与第一料腿相连接的第一回料阀的第一固体微粒组分； 在第二级旋风分离器中，从第二气-固混合物中分离出第二固体颗粒组分； 通过与第二级旋风分离器相连接的第二料腿收集第二固体颗粒组分； 收集来自第一回料阀的第一固体颗粒组分与来自第二料腿的第二固体颗粒组分的混合物，所述混合物依次通过与第一回料阀和第二料腿共同连接的组合料腿和与组合料腿和气化炉共同连接的组合回料阀；以及将第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分的混合物从组合回料阀返送回气化炉。
9.一种气化炉系统,包括: 气化炉，以及 具有两个或更多个串联排列的旋风分离器的旋风分离器系统，其中，所述旋风分离器系统包括: 具有第一进口和第一出口的第一级旋风分离器，其中，所述第一进口与气化炉流体连通，并且从所述气化炉接收第一气-固混合物； 与第一级旋风分离器相连接的第一料腿，用于收集从第一气-固混合物中分离出的第一固体颗粒组分； 与第一料腿相连接的第一回料阀，用于接收第一固体颗粒组分； 第二级旋风分离器具有第二进口和第二出口，其中，第二进口与第一出口流体连通，并且从第一级旋风分离器接收第二气-固混合物； 与第二级旋风分离器相连接的第二料腿，用于收集从第二气-固混合物中分离出的第二固体颗粒组分； 与第一回料阀和第二料腿共同连接的组合料腿；以及 与组合料腿相连接的组合回料阀用于接收第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分的混合物，并且组合回料阀与气化炉相连接用于将第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分的混合物返送回气化炉。
10.根据权利要求9所述的气化炉系统，其中，所述气化炉为流化床气化炉。
11.根据权利要求9所述的气化炉系统，其中，所述第一进口为半蜗壳进口。
12.根据权利要求9所述的气化炉系统，其中，所述第二进口为切向进口。
13.根据权利要求9所述的气化炉系统，其中，所述第一回料阀包括与第一料腿相连接的第一垂直下降管用于接收第一固体颗粒组分、第一垂直下降管下游方向的第一下倾段、第一下倾段下游方向的第一上升管，以及第一上升管下游方向的第二下倾段。
14.根据权利要求13所述的气化炉系统，其中，所述组合料腿在组合料腿的分支点与第二料腿、第一回料阀的第二下倾段相连接。
15.根据权利要求9所述的气化炉系统，其中，所述组合回料阀包括第二垂直下降管用于接收第一固体颗粒组分和第二固体颗粒组分的混合物、第二垂直下降管下游方向的第三下倾段、第三下倾段下游方向的第二上升管，以及第二上升管下游方向并且连接回气化炉的第四下倾段。
16.一种用于捕捉和回收利用微粒的方法，包括: 在气化炉中产生第一气-固混合物； 将来自气化炉的第一气-固混合物输送到第一级旋风分离器的第一进口； 在第一级旋风分离器中将第一气-固混合物分离为第二气-固混合物和第一固体颗粒组分； 将来自第一级旋风分离器的第一出口的第二气-固混合物输送至第二级旋风分离器的第二进口，并且收集依次通过与第一级旋风分离器相连接的第一料腿和与第一料腿相连接的第一回料阀的第一固体微粒组分； 在第二级旋风分离器中，从第二气-固混合物中分离出第二固体颗粒组分；通过与第二级旋风分离器相连接的第二料腿收集第二固体颗粒组分； 收集来自第一回料阀的第一固体颗粒组合与来自第二料腿的第二固体颗粒组分的混合物，所述混合物依次通过与第一回料阀和第二料腿共同连接的组合料腿和与组合料腿和气化炉共同连接的组合回料阀；以及 将第一固体颗粒组 分和第二固体颗粒组分的混合物从组合回料阀返送回气化炉。
【文档编号】C10J3/00GK104053753SQ201280041091
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2012年6月25日 优先权日:2011年6月24日
【发明者】弗朗西斯·刘, 宗耀·罗伯特·盛 申请人:综合能源有限公司