專利名稱：用流化床處理氣體和粒狀固體的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用流化床處理氣體和粒狀固體的方法和裝置。流化床反應器在順流操作時主要包括混合室、升氣管和帶有通向混合室的固體返回管的旋風分離器。
本發(fā)明適用于用熱還原氣，特別是來自熔煉還原容器的熱廢氣，還原金屬礦石。本發(fā)明還特別適用于含危險物質(zhì)和有問題物質(zhì)(例如粘性物質(zhì))的廢氣的純化和快速冷卻。
在大規(guī)模工業(yè)實踐中，流化的應用越來越廣泛。例如，已經(jīng)知道來自冶金和化學工業(yè)的被污染熱廢氣的純化是基于循環(huán)流化床技術的。該方法能無問題地回收熱能是另一優(yōu)點。例如，澳洲專利553033描述了一種方法，即在所謂的流動反應器中，從載有熔滴的氣體中回收熱量，使熔滴與熱交換器的加熱表面接觸，其特征在于將固體顆粒與載有熔滴的氣體混合，使氣體溫度在熱交換器之前降低至熔滴的低共熔溫度以下。該方法所述的數(shù)據(jù)是氣速3～20m/sec，氣體中顆粒含量是10～500g/mol，入口氣體溫度是300～1500℃，出口氣體溫度是500～1200℃，平均粒徑是100～200微米。
流化床技術的另一個較寬的應用范圍是煤氣化。德國專利第2742644號涉及一種含碳固體的連續(xù)氣化方法和實施該方法的設備。在該方法中，固體通過一個軸狀容器的從頂部到底部至少三個區(qū)域。下降的產(chǎn)品流速至多是5m/min，并且保持固體旋轉上升狀態(tài)的流化氣的流速至多為大約6m/sec。
歐洲專利申請第0304931號涉及在循環(huán)流化床中含碳固體材料的氣化或燃燒，其中流化床反應器中氣體速率保持在高達2～10m/sec的水平，大部分固體與氣體一道從反應容器中排出，在隨后的旋風分離器中分離，然后被送回反應器。初步純化的氣體隨后在氣體純化裝置中脫去固體微粒。該方法的特征在于來自氣體純化裝置的微粒物質(zhì)與來自旋風分離器的旋轉物質(zhì)聚結在一起，最后也被送入反應容器中。流動型循環(huán)流化床反應器用于例如從熱氣流中回收熱量或用熱氣處理固體顆粒，熱氣作為流化氣體通常從底部的園形入口送入反應器。在流動反應器中不需要固定篩來承載流化床材料。這種系統(tǒng)當然也存在一些缺點，尤其是大規(guī)模使用時。引入流化床的氣體并不總能避免重固體顆粒落下流化床，而逆流地通過反應器底部的進料口。特別是反應器外壁上的固體顆粒的強烈向下流動導致顆粒通過反應器入口流出。人們也知道，固-氣流動系統(tǒng)中的紊流會增加上述通過入口處流出的損失。固體顆粒倒流回流化床反應器前的主要處理裝置將引起問題并使過程控制復雜化。此外，從入口掉出來的顆?；蚪Y塊會引起湍動、紊流，并減小氣流本身的氣體速率，因而導致混合室中流化床建立時的紊流。
從而本發(fā)明基于的問題是設計一種方法和裝置，使得在氣體引入裝有固體顆粒流化床的混合室時，固體顆粒不會與引入的氣體呈逆流從混合室的入口逸出。本發(fā)明基于的進一步具體的問題是設計一種用流化床技術還原金屬礦石的方法和裝置，它應用非常便利，使得非常熱的還原氣(例如來自熔煉還原容器的廢氣)以1700℃以上的溫度直接進入混合室，在混合室中冷卻至適當?shù)倪€原溫度，這樣便不會有大量的固體顆粒由混合室逆流進入還原氣進料管。本發(fā)明的另一目的是設計一種方法，使它能夠有效地與熔煉還原過程聯(lián)合操作。
本發(fā)明在混合室入口的緊前面以35m/sec以上的氣體速度將氣體引入混合室，從而解決了上述所有問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的實例，將熱氣通過一個長度(1)直徑(D)比率(1/D)大于1的氣體入口管道送入混合室，并且使固體顆粒在混合室下部錐形部分的向下的邊界流動以至少20°的角度在混合室的入口處與基本垂直向上的熱氣流相遇，混合室下部的錐形部分傾斜角度小于70°。
本發(fā)明方法使固體顆粒不致掉入混合室底部的氣體入口管道中，使全部顆粒僅在流動方向離開混合室。
本發(fā)明優(yōu)選裝置的特征在于混合室具有一個氣體入口管道，氣體通過該管道進入混合室;氣體入口管道的長徑比率(1/D)大于1;混合室底部錐形部分的壁面傾角小于70°。
當采用本發(fā)明方法用于金屬氧化物的還原時，最好使用流化床或循環(huán)流化床。反應器包括金屬礦石與熱還原氣混合的混合室;將來自混合室的這些固體顆粒和氣體分離的旋風分離器;將來自混合室的固體顆粒和氣體構成的懸浮氣流送入旋風分離器的升氣管;至少將部分來自旋風分離器的固體送返混合室的固體返回管。
與以前混合室中高鼓風速率導致不利因素的觀點相反，本發(fā)明熱氣以高入口速率進入混合室(速率大于35m/sec)，驚人地導致了混合室中優(yōu)異的流動特性，這可通過許多積極效果反映出來。本發(fā)明混合室中的高入口氣速出人意料地不產(chǎn)生先有技術所描述的缺點，反而產(chǎn)生有利效果，現(xiàn)詳述如下在流動反應器中應用本發(fā)明，我們可以達到對固體顆粒混合物和熱氣溫度的選擇性調(diào)節(jié)。所述固體顆粒如金屬礦石、沙?；驈U氣粉塵;所述熱氣如來自熔煉還原容器的廢氣或來自爐膛的廢氣。
為此，本發(fā)明中混合室內(nèi)表面的部分或全部須充分冷卻，例如水冷卻?；旌鲜业牟糠謨?nèi)壁可用一層或多層耐火材料作襯里，包括充分冷卻的區(qū)域。通過選擇充分冷卻的、未襯有耐火材料的內(nèi)表面與襯有耐火材料的內(nèi)表面之比，我們便首先有可能控制和調(diào)節(jié)混合室中流化床混合物的溫度。選擇流過混合室內(nèi)表面冷卻管道的冷卻劑導致另一控制的可能性，例如，我們可用水、油、水蒸汽、壓縮空氣或它們的混合物。
混合室中流化床混合物溫度控制的又一措旋是調(diào)節(jié)新固體顆粒(如金屬礦石)的供應量。而且，也可將冷卻劑，如水蒸汽、水和/或油，直接噴入混合室。
本發(fā)明的一個實質(zhì)性特點是由于當還原氣的入口溫度高于金屬礦石的最佳還原溫度時，所用的混合室便作為熱還原氣的冷卻器。所用的還原氣主要是來自熔煉還原容器的廢氣。其溫度通常明顯高于所需的有利的還原溫度。該廢氣通常載有粉塵并以較高的速率以一邊(例如從底部)的中心通入混合室。根據(jù)本發(fā)明，入口速率在35m/sec以上，并且可根據(jù)例如粒徑和顆粒的比重、混合室中流化床高度、循環(huán)流化床材料的總量、混合室的尺寸和形狀而變化。
最低速率也在某種程度上取決于導入的熱氣體的操作壓力。操作壓力越高則最低氣速越低。對于來自熔煉還原設備的廢氣，熔融還原容器的壓力也會形響混合室中的壓力。例如，如果本發(fā)明方法在相等的條件下采用，混合室的入口氣速在約1.5巴的操作壓力下至少為120m/sec在約3.5巴的操作壓力下至少為85m/sec。
混合室中的流動類型取決于較高的入口氣速以及氣體入口管道和混合室底部的大小和形狀。按本發(fā)明這便保證了流化床保持在混合室中并且使熱氣的溫度降低至最佳點。在金屬礦石的還原中，氣體的迅速冷卻導致了引入的反應氣體的溫度迅速降低至有利于還原的溫度，氣體與固體的良好混合導致流化床中的均勻還原。在流動反應器中，流動特性可以被想像成流動基本上沿著中心的對稱軸與容器壁相反的方向行進。這樣便導致了內(nèi)循環(huán)流動。由于混合室一般都是垂直的，所以容器中心的流動向上，而容器外壁上的流動向下。
根據(jù)本發(fā)明，混合室下部傾斜錐角以及顆粒的向下流動的方向限制在70°以下，最好在45°-70°。熱氣的入口最好布置在混合室下部錐形部分的中心。混合室還包括一個園柱形中間部分和上部的錐形區(qū)域，錐形區(qū)域上帶有連接升氣管的中心孔。已經(jīng)證明混合室下部錐形部分與水平方向形成45°-70°的傾角特別有利，這是由于在此角度下可得到特別優(yōu)越的流動特性。如果該傾角(即混合室下部錐形區(qū)器壁的傾角)大于70°，則向下流動的顆粒越來越接近垂直方向，然后顆粒以高速進入氣體進料管。從混合室漏出的上述顆粒因而離開流化床，還可導致氣體入口管的結皮，因此證明對氣體流動不利。
本發(fā)明設計的氣體入口管懼有的長徑比(1/D)大于1，以確保可能進入氣體進料管的顆粒和顆粒聚結構在其中解散，并被入口管中的高氣速送回混合室。
根據(jù)本發(fā)明，混合室的固體顆粒與還原氣一道僅在流動方向上一起離開混合室，即它們僅僅流入隨后的升氣管中。固體顆粒與流動方向相反由混合室進入氣體進料管這一現(xiàn)象有可能被35m/sec的高入口氣速所避免。特別是如果本發(fā)明方法與熔煉還原設備結合，混合室流化床存在的顆粒粒徑大于1mm，比重(D)大于4g/cm3，如果進入混合室入口前氣速至少為60m/sec(優(yōu)選至少100m/sec)，則上述效果便特別明顯。
在其它應用中，例如冷卻和/或純化來自氣體透平燃燒器、氣化器或其它高溫過程(例如燒結過程)的氣體，當流化床主要粒徑為4至200微米，且比重(D)小于4g/cm3時，本發(fā)明方法可成功地用于避免顆粒(例如煙道塵)漏出混合室進入氣體進料管。混合室入口前的熱氣體速率最好調(diào)節(jié)至35-80m/sec。
如上所述，本發(fā)明可成動地用于還原金屬礦石的過程。還原金屬礦石的最佳溫度在流化床反應器的升氣管中也是成功的。溫度調(diào)節(jié)的方法已經(jīng)描述。實踐中，人們可以從已知的平均溫度和還原氣的量，以及已知的礦石進料速率和來自旋風分離器的返回物入手，所述返回物包括載氣和各種添加劑(例如渣化劑)。可在此基礎上建立熱平衡，從而算得混合室出口的理論氣溫。該理論氣溫通常高于最佳還原氣溫，熱散失和充分冷卻的區(qū)域與混合室中有耐火襯里的內(nèi)壁面積之比必須相應地固定，以使升氣管入口處的還原氣溫對應于所需的溫度。
在對稱軸區(qū)域位于混合室底部具有還原氣入口的混合室和在對面與混合室連接的外氣管的垂直狀態(tài)構成了本發(fā)明的一個優(yōu)越的設計，但這并不是唯一可能的結構。
由旋風分離器循環(huán)至混合室的固體可以是例如部分還原的金屬氧化物，它隨后與混合室中流化床一起再次上升，從而保持了循環(huán)流化床的功能。例如，可以在流化床反應器中采用兩個或多個旋風分離器，以提高細粉的分離效果。
任何所需的產(chǎn)物流部分都可以從固體返回管通過支管進入下一步處理步驟或送入貯罐。業(yè)已證明，交部分還原的金屬氧化物直接(即在加熱狀態(tài)下)送入熔煉還原設備，例如產(chǎn)生混合室廢氣的熔煉還原容器，特別有效。該方法在本發(fā)明范圍內(nèi)。
流化床的密度在設備的不同部位各不相同?；旌鲜抑?，流化床密度，即固體顆粒和空氣的懸浮體的密度，是10-200Kg/m3，但最好是20～100Kg/m3。在連接的升氣管中，產(chǎn)物流密度較低，而在上部，即進入旋風分離器之前，它是2～30Kg/m3，但最好是3～10Kg/m3。在連接旋風分離器和混合室的固體返回管中，產(chǎn)物流密度通常高于進入旋風分離器之前的密度。
混合室對于本發(fā)明方法涉及的流動反應器是一個重要裝置。它通常是旋轉對稱的、長球狀容器，它在下端與還原氣進料管相連;在上端與升氣管相連。升氣管的自由直徑通常大于還原氣進料管的自由直徑。固體返回管的終端與混合室連接。新物料(例如未預先還原的或金屬石原料)通過另外的連接管送入混合室。
參照附圖和實施例詳述本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明設備的混合室剖面的示意圖;
圖2是本發(fā)明設備剖面的示意圖;
圖1是流化床反應器的混合室的軸向剖面示意圖;本發(fā)明采用這種流化床來還原金屬礦石。
混合室14包括下部錐形部分1，柱狀體2和上部錐形部分3。還原氣通過直徑D＝5和長度1＝15的管道4流入混合室。長度(1＝15)與直徑(D＝5)之比(1/D)大于1。在混合室的還原氣入口區(qū)域，可以裝一環(huán)狀噴咀6，噴出各種氣體以抑制粘性廢氣固體的結皮，對混合室中的流動類型產(chǎn)生有利的影響。
混合室的截面也可以是正方形或矩形/長方形的。在這種情況下，入口也是正方形或矩形，1/D比值是指長度與入口短邊長度的比值。
混合室的殼體7由鋼板制成。該殼體可以是全部或部分充分冷卻。這時，它是完全水冷卻的(未示出)。低部錐形1和部分也是柱形體2襯有耐火襯里8。該耐火襯里主要用來隔熱以便調(diào)節(jié)混合室中流化床的熱散失。
直徑為10的升氣管9與混合室直接相連。固體通過固體返回管11從旋風分離器返回混合室。將細粒粗礦石送入混合室流化床的管道未畫出。
混合室的一個優(yōu)選的細節(jié)是下部的錐形容器部分1，尤其是該錐體的傾角12，該下部的錐形部分可以是如圖中所示的錐形，但是也可以是其它形狀的，例如矩形截面的反應器。如果錐形部分1的傾角是45～70°，則在混合室下部的錐形部分中心開一氣體入口會產(chǎn)生對流化床有利的流動類型。例如，已經(jīng)證明12°～65°的傾角是實用的。
圖2是按照流動技術原理設計的流化床反應器的示意圖。
氣-固懸浮體由混合室14通過升氣管9經(jīng)入口15進入旋風分離器16。氣體和固體在旋風分離器16中分離。含少量細塵的處理氣體經(jīng)氣體出口17離開旋風分離器。
固體由旋風分離器經(jīng)過氣體出口管18出來，經(jīng)過固體返回管19被部分循環(huán)至混合室。固體的另一部分經(jīng)下降管20送去進一步使用。
來自出料管18的循環(huán)固體經(jīng)過固體返回管19進入混合室14的下部，通常是錐形部分1。熱氣(例如來自熔煉還原設備的熱還原氣)也經(jīng)過管道4流入混合室14的該部分1。
可用不同的方式來設計將熱氣供給混合室14下部1的所述管道4。管道4的設計一方面取決于入口熱氣的溫度，另一方面也取決于流動反應器與氣體發(fā)生器配合時的幾何形狀和距離。
當氣體溫度低時，管道4可設計成簡單的鋼管，當氣體溫度高時。管子的里面應襯以耐火隔熱襯里。為了與熔煉還原設備相匹配，已經(jīng)證明例如直接用磚砌通道來代替上述管道是有效的。
在任何情況下，上述通道或其它上述管道都顯然較所述熱氣進料管的直徑長。已經(jīng)證明，工作時用1/D比大于1是有利的，以便可靠地避免固體顆粒落回上述管道。如果固體顆粒的大塊聚結物由混合室落回該氣體入口管，也許是由于氣體的高速湍流，它們便分解為小塊固體被氣流又送回混合室。這種有利的效應已經(jīng)證明是有用的，尤其對于通常以超過35m/sec的較低流速送入混合室的密度較小的塵粒。對于密度較大的固體顆粒，例如來自熔煉還原設備的比重大于4g/cm3的固體顆粒，其流速通常明顯較高，至少為60m/sec，往往超過100m/sec，經(jīng)驗表明在此氣速下，固體顆粒不再落回熱氣進料管。
作為用流化床還原金屬礦石的方法的一個非限定性實施例，本說明書現(xiàn)在將涉及鐵礦石的預先還原。本發(fā)明方法在此是產(chǎn)生熔煉鐵的熔煉還原設備的一個必要部分。
發(fā)了在熔煉還原設備中每天生產(chǎn)500噸熔煉鐵，將831噸細粒礦石與渣化劑一道在流化床里預先還原，在加熱的狀態(tài)下送入熔煉還原容器中。來自烷煉融還原容器的廢氣含16%CO，10%CO2，3.6%H210%H2O，60.4%N2，溫度是1680℃，粉塵負載2.9噸/小時。它以72000Nm3/h的流量和120m/sec的入口速率直接進入流化床的混合室。在混合室的入口區(qū)內(nèi)，有一個附加的氣體由此流入的環(huán)形噴咀，特別用來減少廢氣夾帶的粘性塵粒在此形成的結皮。
混合室和升氣管的下半部是水冷的。約350Nm3/h的水流過冷卻系統(tǒng)，被從50℃加熱至80℃。
上述廢氣與32噸/小時的礦石和數(shù)倍于該量的預先還原的礦石一道經(jīng)過固體返回管被送入混合室。一部分預先還原的礦石被送入熔煉還原容器(圖中未畫出)。預先還原的礦石平均含有24%Fe3O4，58%FeO，4%SiO2，7.6%CaO，2.6%Al2O3，溫度是850℃。
在升氣管中，流化床溫度是900℃，固體與80000Nm3/h的氣體一道經(jīng)過升氣管流入旋風分離器。
預先還原所用的廢氣具有較低的還原能力，這是因為它來自用燃盡約50%反應氣CO和H2工作的熔煉還原過程。使用具有較高還原能力的還原氣從而導致金屬礦石的較高程度的還原仍然在本發(fā)明范圍內(nèi)。將此方法與其它方法或處理步驟相結合的適用性和可能性是本發(fā)明的一個優(yōu)越特點。
對所述的優(yōu)選的實例和實施例也可進行多種改善、應用和變化，但仍在本發(fā)明范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用流化床處理氣體和粒狀固體的方法，氣體和粒狀固體被引入混合室混合，然后由混合室排出送入旋風分離器，一部分分離出的固體被循環(huán)至混合室，其特征在于氣體以35m/sec以上的速率進入混合室。
2.權利要求1的方法，其特征在于氣體以幾乎恒速經(jīng)過至少長于入口直徑的距離而引入混合室。
3.權利要求1或2的方法，其特征在于與比重超過4g/cm3的粒狀固體混合的氣體以大于60m/sec的入口速率被引入。
4.權利要求1至3的一種或多種方法，其特征在于混合室中固體顆粒向下的邊界流動以至少20°的角度與引入混合室的熱氣流相遇。
5.權利要求1至4的一種或多種方法，其特征在于熱還原氣以至少60m/sec的入口速率引入混合室，優(yōu)選100m/sec，比重大于4g/cm3的固體顆粒位于混合室的流化床中，并且僅僅向下地將固體沖出混合室。
6.權利要求1至5的一種或多種方法，其特征在于升氣管中的流化床溫度根據(jù)金屬礦石被調(diào)節(jié)至對該金屬礦石的還原有利的溫度。
7.權利要求1至6的一種或多種方法，其特征在于流化床溫度被調(diào)節(jié)至750～1050℃，最好是900℃，以還原鐵礦石。
8.權利要求1至7的一種或多種方法，其特征在于混合室中流化床的溫度通過下列方法調(diào)節(jié)改變混合室中充分冷卻表面與襯里表面的比值;改變冷卻劑;改變冷卻劑流速;改變礦石進料速率;加入冷卻或加熱劑。
9.權利要求8的方法，其特征在于混合室里的溫度通過將全部所述步驟結合，或通過將任意幾個所述步驟結合或通過所述步驟之一來調(diào)節(jié)。
10.權利要求1至9的一種或多種方法，其特征在于混合室用作還原氣尤其是來自熔煉還原器的廢氣的氣體冷卻器。
11.權利要求1至10的一種或多種方法，其特征在于固體顆粒和氣體的懸浮體的產(chǎn)物流密度在混合室中被調(diào)節(jié)至10～200Kg/m3，最好是20～100Kg/m3，在旋風分離器前的升氣管中被調(diào)節(jié)至2～30Kg/m3，最好是3～10Kg/m3。
12.權利要求1至11的一種或多種方法，其特征在于來自氣體透平燃燒器、氣化器或另外的產(chǎn)生熱氣的高溫過程的熱氣以35-80m/sec的氣速引入，從而流化床中出現(xiàn)的固體顆粒大部分粒徑為4～200微米，比重小于4g/cm3，并且沒有固體顆粒逆流進入氣體進料管。
13.一種用流化床處理氣體和固體的裝置，流化床反應器順流操作時主要包括一個混合室、一個升氣管和一個帶有通向混合室的固體返回管道的旋風分離器，其特征在于混合室有一個氣體進料管，該管的長徑比1/D大于1，所述混合室下部有一個傾斜錐角小于70°的錐形容器部分。
14.權利要求13的裝置，其特征在于混合室下部的錐形部分的傾斜錐角是45～70°。
15.權利要求13或14的裝置，其特征在于混合室的金屬外壁全部或部分充分冷卻，最好是水冷卻的。
16.權利要求13至15的一種或多種裝置，其特征在于混合室的內(nèi)壁完全或部分襯有一層或多層耐火材料襯里。
17.權利要求13至16的一種或多種裝置，其特征在于混合室的氣體入口裝有一個環(huán)狀噴咀用于引入附加的氣體。
全文摘要
一種用流化床處理氣體和固體的方法，流化床反應器順流操作時主要包括一個混合室、一個升氣管和一個裝有通向混合室的固體返回管的旋風分離器，氣體在混合室入口前以高于35m/sec的氣速被引入混合室。
文檔編號C21B13/10GK1072614SQ9211208
公開日1993年6月2日 申請日期1992年9月25日 優(yōu)先權日1991年9月25日
發(fā)明者G·J·哈迪, J·M·甘澤, I·D·韋布, T·海彭倫, K·米約彭倫, I·諾彭倫 申請人:Hi冶煉有限公司, 阿爾斯特羅姆公司