气固两相反应装置和气固两相反应工艺 【技术领域】
本发明涉及气固两相反应领域， 具体地讲， 本发明涉及可以用于气固氧化反应、 气 固还原反应和不是氧化还原反应的场合 ( 例如， 物料的合成等 ) 的气固两相反应装置和气 固两相反应工艺。背景技术
通常， 对于气固两相反应， 在流化床反应器中气固两相接触比较充分， 因此， 可以 认为流化床是气固两相反应优选的设备之一。与固定床反应器相比， 流化床反应器具有很 多优点， 但也存在着一些缺点。例如， 在一般情况下， 通过向流化床反应器内通入热气体使 反应器内保持反应所需的温度， 因此， 流化床反应器是通过先加热反应气体， 再用反应气体 加热固体粉料的方式来实现的。为了安全起见， 在流化床反应器中， 反应气体不能直接与 空气接触， 因此需要采取换热器间接加热的方式， 这种方式受换热器换热面积的影响， 而且 与气体的压力、 温度和体积存在着一定关系， 因此要将气体加热到反应所需的温度， 能耗较 高。而且， 热气体通入反应器后， 由于固体粉料的比热容远远大于气体的比热容， 需要大量 的热气体来加热粉料， 这种方式也很难控制反应器内的温度。反应后的尾气也会带走大量 的热量， 造成热量的浪费。
如果采用加热流化床反应器的方式来保持反应所需的温度， 那么换热的区域就是 反应器的内壁， 而要将气体和固体粉料加热到足够的温度也比较困难。如果采用加热反应 器和加热气体结合的方式， 则会使得设备比较复杂， 同样， 反应后的尾气也会带走大量的热 量， 造成热量浪费， 能耗增加。
在流化床反应器用于还原反应时， 由于反应器内需要保持一定的温度， 而且有大 量的还原气体存在， 所以不允许有空气或氧气进入， 否则会产生爆炸的危险。然而， 用传统 的方法将固体粉料输送进反应器时， 很有可能会带入空气， 容易产生危险， 因此需要建造一 套特殊的粉料输送系统， 避免将空气带入反应器， 但这样又会使得整个系统更加复杂， 增加 了成本。 发明内容
为了解决现有技术中存在的问题， 本发明提供了用于气固氧化反应、 气固还原反 应和不是氧化还原反应的场合 ( 例如， 物料的合成等 ) 的气固两相反应装置和气固两相反 应工艺。
根据本发明的一个方面， 提供了一种气固两相反应装置， 所述气固两相反应装置 包括 ： 反应器 ； 燃烧装置， 位于所述反应器的内部， 其中， 可燃物与助燃气通过所述燃烧装 置燃烧以使所述反应器保持一定的温度， 并且固体物料随同助燃气一起进入所述反应器 内； 气固分离器， 用来对反应器内反应所产生的尾气进行分离。
根据本发明的一个实施例， 所述气固两相反应装置还包括 ： 可燃物提供装置， 设置 在所述反应器的外部并连接到所述燃烧装置， 用来向所述燃烧装置提供可燃物 ； 助燃气提供装置， 设置在所述反应器的外部并连接到所述燃烧装置， 用来向所述燃烧装置提供助燃 气； 物料提供装置， 设置在所述助燃气提供装置和所述燃烧装置之间， 用来供应固体物料。
根据本发明的一个实施例， 所述燃烧装置可以设置在所述气固两相反应装置的底 部或顶部。
根据本发明的一个实施例， 所述气固分离器可以连接到所述可燃物提供装置。
根据本发明的一个实施例， 所述气固两相反应装置还可以包括 ： 气体分布器， 与所 述燃烧装置相对地设置在所述反应器的内部， 用来使气固反应所需的气体均匀地分布在所 述反应器内部。
根据本发明的一个实施例， 所述气固两相反应装置还可以包括 ： 反应气体提供装 置， 设置在所述反应器的外部， 用来提供气固反应所需的气体。
根据本发明的一个实施例， 所述气固分离器可以连接到所述反应气体提供装置。
根据本发明的另一实施例， 所述燃烧装置可以设置在所述气固两相反应装置的侧 部。所述气固两相反应装置还可以包括 ： 气体分布器， 设置在所述气固反应的底部， 用来使 气固反应所需的气体均匀地分布在所述反应器内部， 其中， 所述燃烧装置可以位于所述气 体分布器的上方。
根据本发明的一个实施例， 可以在所述气固分离器与所述反应气体提供装置或所 述可燃物燃烧装置之间还设置有冷却装置。
根据本发明的另一方面， 提供了一种气固两相反应工艺， 所述气固两相反应工艺 包括以下步骤 ： 将可燃物和助燃气送入反应器内点火燃烧， 同时使固体物料随助燃气进入 反应器内， 其中， 控制可燃物和助燃气的比例， 使可燃物过量， 使得可燃物在助燃气的促进 下燃烧提供热量的同时与固体物料发生还原反应， 从而将固体物料还原。
根据本发明的又一方面， 提供了一种气固两相反应工艺， 所述气固两相反应工艺 包括以下步骤 ： 将可燃物和助燃气送入反应器内点火燃烧， 同时使固体物料随助燃气进入 反应器内， 其中， 控制可燃物和助燃气的比例， 使可燃物过量、 适量或不足量， 从而利用可燃 物燃烧的火焰对固体物料进行预热 ； 向反应器内部通入反应气体， 从而利用可燃物燃烧产 生的热量使固体物料与通入的反应气体反应。
根据本发明的一个实施例， 在将可燃物和助燃气送入反应器内点火燃烧前， 预先 向反应器内通入不燃的惰性保护气体， 以去除反应器内的氧气。
根据本发明的一个实施例， 在将可燃物和助燃气送入反应器前， 在反应器内直接 点火燃烧， 以去除反应器内的氧气。
根据本发明的一个实施例， 所述反应气体为还原气体或氧化气体， 固体物料与还 原气体或氧化气体反应产生的尾气排到反应器外部。
根据本发明的一个实施例， 气固反应排出的尾气经气固分离后得到的未反应的气 体再次进入反应器内部， 以使尾气循环利用。
根据本发明的一个实施例， 将未反应的气体冷却后再通入反应器。
根据本发明， 可以在不需要外加热源的情况下， 提高反应效率， 并且缓解固体物料 结粒的问题。 附图说明包括附图来提供对本发明的进一步理解， 并且附图包含在本说明书中并且构成本 说明书的一部分。附图示出了本发明的示例性实施例， 并且与描述一起用来解释本发明的 原理。在附图中 ：
图 1 是示出了根据本发明第一实施例的气固两相反应装置和工艺的示意图 ；
图 2 是示出了根据本发明第二实施例的气固两相反应装置和工艺的示意图 ；
图 3 是示出了根据本发明第三实施例的气固两相反应装置和工艺的示意图 ；
图 4 是示出了根据本发明第四实施例的气固两相反应装置和工艺的示意图 ；
图 5 是示出了根据本发明第五实施例的气固两相反应装置和工艺的示意图 ；
图 6 是示出了根据本发明第六实施例的气固两相反应装置和工艺的示意图。 具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述本发明， 在附图中示出了本发明的示例性实施例。 下面的描述包括各种具体的细节是为了帮助理解， 而这些应被认为仅仅是示例性的。 因此， 本领域普通技术人员应该认识到， 在不脱离本发明的范围和精神的情况下， 可以对在此描 述的实施例进行各种变型和修改。此外， 为了清楚起见， 省略了对公知功能和构造的描述。 附图中相同的标号用来表示相同的元件。 本发明提供了一种内部带有燃烧装置并且利用助燃气进行物料输送的气固反应 装置。具体地讲， 根据本发明的气固两相反应装置包括一套燃烧装置， 其中， 可燃物和助燃 气在气固装置的反应器内燃烧， 并且固体粉料通过助燃气体输送至反应器内。 更具体地讲， 根据本发明的气固两相反应装置包括反应器、 位于反应器内部的燃烧装置和位于反应器内 部或外部的气固分离器， 其中， 可燃物与助燃气通过燃烧装置燃烧以使反应器保持所需的 温度， 并且固体物料随同助燃气一同进入反应器内， 因此， 即使在物料输送过程中有泄露或 带入部分空气， 也不会产生危险。
根据本发明， 可燃物提供装置供应的可燃物可以是固体可燃物、 液体可燃物或气 体可燃物， 助燃气提供装置供应的助燃气可以是空气、 氧气等。 固体可燃物可以是碳粉和煤 粉中的至少一种， 液体可燃物可以是燃油和乙醇中的至少一种， 气体可燃物可以是氢气、 甲 烷和煤气中的至少一种。 然而， 本发明不限于此， 可燃物和助燃气也可以是本领域常用的其 他可燃物和助燃气。
下面将结合附图来更好地描述本发明。
图 1 至图 6 分别示出了根据本发明的第一实施例至第六实施例的气固两相反应装 置和工艺的示意图。
参照图 1， 根据本发明的气固两相反应装置包括反应器 1、 燃烧装置 2 和设置在反 应器 1 顶部的气固分离器 ( 未示出 )。
具体地讲， 反应器 1 可以是本领域常用的气固反应用的反应器， 用来提供固体物 料与气体进行氧化 / 还原反应或者使固体物料合成等的场合。因此， 在本发明的教导下， 本 领域技术人员可以根据实际需要来确定反应器的具体类型。
燃烧装置 2 设置在反应器 1 的内部， 燃烧装置 2 可以是本领域常用的燃烧器， 本领 域技术人员可以在本发明的教导下选择适合类型的燃烧器。在本发明的第一实施例中， 燃 烧装置 2 设置在反应器 1 的下部。然而， 本发明不限于此。
根据不同的工艺和情况 ( 例如反应的快慢、 固体物料粒度大小等等 )， 可以将燃烧 装置 2 设置在反应器 1 的底部、 顶部或侧部， 可以使燃烧火焰、 固体粉料和通入的气体形成 并流、 逆流或错流的方式。例如， 对于一些反应比较迅速的， 燃烧装置 2 可以设置在反应器 1 的顶部， 例如图 3 和图 4， 此时， 固体物料依靠自身的重力和气体的推力， 能够很快从反应 器顶部掉入反应器底部。对于一些反应比较慢的， 燃烧装置 2 可以设置在反应器 1 的底部 ( 例如图 1 和图 2)， 或者可以设置在反应器 1 的侧部 ( 例如图 5 和图 6)， 此时， 固体物料在 向下的重力和向上的气体浮力作用下， 能够在反应器中停留较长的时间， 还能够使气体和 固体混合得更好， 增大反应效率。
参照图 1 至图 6， 根据本发明的气固两相反应装置还包括均连接到燃烧装置 2 的可 燃物提供装置 ( 未示出 ) 和助燃气提供装置 ( 未示出 )， 其中， 通过可燃物提供装置向反应 器 1 内输送可燃物， 通过助燃气提供装置向反应器 1 内输送助燃气。通过控制可燃物和助 燃气的比例， 使可燃物过量、 刚好适量或不足量， 根据要进行的反应类型， 控制火焰为还原 焰、 氧化焰或中性焰。根据不同的工艺情况可以利用可燃物与助燃气在不同比例下的燃烧 产物。 具体地讲， 对于反应气体， 如果燃烧产物足够进行反应， 就不需额外通入反应气体， 例 如图 1、 图 2、 图 3 和图 5 ； 如果燃烧产物不够进行反应的， 或者也可以只利用可燃物与助燃 气燃烧产生的热量， 额外通入反应气体与固体物料进行反应， 例如图 4 和图 6。 例如， 甲烷在空气中的燃烧极限约为 5.3 ～ 14％ ( 体积百分比 )， 而根据理论计 算， 甲烷能够完全燃烧时， 与空气的比例约为 9％， 在这个比例下， 甲烷和空气中的氧气能够 完全燃烧生成二氧化碳和水。如果甲烷与空气的体积比高于 9％， 则甲烷过量， 会有一氧化 碳生成， 氧气全部反应掉 ； 相反， 如果甲烷与空气的体积比低于 9％， 则甲烷被完全消耗掉， 甲烷和氧气生成二氧化碳和水， 空气中还有过量的没反应完的氧气。图 1、 图 2、 图 3 和图 5 没有另外提供反应气体， 是根据不同反应的要求， 可以利用甲烷过量条件下与空气反应得 到的一氧化碳作为还原剂， 也可以利用过量空气中的氧气作为氧化剂。如果这些气体的量 足够气固反应的进行， 就无须再通入额外的反应气体。 其他的可燃物也适用于甲烷的情形。
参照图 1 至图 6， 气固两相反应装置还包括设置在燃烧装置 2 和助燃气提供装置之 间的物料提供装置 ( 未示出 )， 在助燃气提供装置和物料提供装置之间安装有阀门 ( 未示 出 )， 用来控制固体物料的进料。 用来提供固体物料的物料提供装置可以通过所述阀门与助 燃气提供装置流体连通， 从而使固体物料经物料提供装置进入助燃气提供装置而进入反应 器 1 内部。当根据本发明的气固两相反应装置工作时， 打开控制固体物料进料的阀门， 使固 体物料随助燃气进入反应器 1 内进行反应。助燃气中的氧气在进入反应器 1 后被燃烧消耗 掉， 因此， 即使物料输送有泄露或带入部分空气， 也不会产生危险。因此， 根据本发明， 采用 助燃气作为固体物料的输送介质， 安全可靠。 在本发明中， 本领域技术人员在本发明的教导 下可以根据实际需要来确定阀门的位置， 例如， 将阀门安装在助燃气提供装置向燃烧装置 2 提供助燃气的管路上， 然而， 本发明不限于此。
根据本发明， 气固两相反应装置还包括出料口 ( 未示出 )， 出料口可以设置在反应 器 1 的顶部、 底部或侧部。本领域技术人员应该明白， 在本发明的教导下， 可以根据实际需 要设置出料口的位置。根据本发明的气固两相反应装置可以进行连续出料， 也可以间歇出 料。具体地讲， 固体与气体发生反应生成的固体产物可以从反应器的顶部、 底部或侧部出 料， 也可以与尾气一同排出并经过一个气固分离器 ( 未示出 ) 将尾气和所得物料进行分离。
具体地讲， 根据本发明， 可以在反应器 1 的顶部设置气固分离器 ( 未示出 )， 以将固 体与气体反应生成的产物进行气固分离， 从而将产物中的固体产物与气体进行分离。气固 分离器可以是本领域常用的装置， 气固分离器可以设置在反应器 1 的内部， 例如为过滤装 置 ( 例如陶瓷过滤器 ) 或布袋除尘器的形式 ； 气固分离器可以设置在反应器 1 的外部， 例如 为旋风除尘器等类似的形式。 然而， 本发明不限于此， 本领域技术人员可以在本发明的教导 下根据需要设置适合类型的气固分离器。
此外， 根据本发明， 为了使反应气体在反应器内均匀地分布， 还可以在反应器 1 的 内部设置气体分布器 3， 如图 4 至图 6 所示。这里， 气体分布器 3 可以是本领域常用的气体 分布器， 主要是将气体进行均匀分布， 使气体在反应器内各个位置的流速流量保持一致， 例 如多孔气体分布板等。
具体地讲， 在图 4 中， 气体分布器 3 与燃烧装置相对地设置在反应器的两侧， 通过 反应气体提供装置 ( 未示出 ) 从反应器的底部向反应器 1 内通入反应气体， 反应气体经过 气体分布器 3 而被均匀地分布。由可燃物燃烧产生的火焰气流与外部通往的气体的气流不 处于同一个方向， 可以使得气体和固体之间充分混合， 形成紊流， 起到一个类似于搅拌的作 用， 从而防止部分轻的颗粒一进入反应器就随气体被带出， 也防止重的颗粒一进入反应器 就掉入反应器底部。 与图 4 不同的是， 在图 5 和图 6 中， 燃烧装置 2 设置在反应器 1 的一侧， 此时， 燃烧 装置 2 靠近气体分布器 3， 并且其位置在气体分布器 3 的上方， 以使固体物料能够被经过气 体分布器 3 的反应气体吹起而均匀地分布在反应器 1 内。具体地讲， 由可燃物燃烧产生的 火焰气流与经气体分布器均匀分布的气流不处于同一个方向， 可以使得气体和固体之间充 分混合， 形成紊流， 起到一个类似于搅拌的作用， 从而防止部分轻的颗粒一进入反应器就随 气体被带出， 也防止重的颗粒一进入反应器就掉入反应器底部。
在图 6 中， 通过反应气体提供装置 ( 未示出 ) 从反应器的底部向反应器 1 内通入 反应气体， 反应气体经过气体分布器 3 而被均匀地分布， 从而使进入反应器 1 内部的固体物 料均匀地吹起而悬浮， 使得固体物料与反应气体进行充分的反应。因此， 根据本发明， 经过 气体分布器 3 的反应气体使固体物料悬浮， 从而增加了气固两相的接触面积， 因而提高了 反应效率。
根据本发明， 还可以在气固分离器与反应气体提供装置之间设置冷却装置， 例如， 在图 4 和图 6 中设置冷却装置 ( 未示出 )。通常， 大部分气固还原反应为吸热反应， 需要持 续提供热量供反应进行 ； 但也有一些气固两相还原反应是放热反应， 如果反应器内的可燃 物一直在燃烧而产生热量， 则可能会使反应器温度过高， 而且如果底部通入的温度相对较 低的反应气体无法使反应器温度降下来， 就只有将循环的尾气冷却后再返回去循环， 利用 这部分冷却的尾气来降低反应器内的温度。因此， 在本发明中， 对于放热反应， 如果反应器 内温度过高， 则可以通过冷却装置对部分尾气先进行冷却， 再将冷却后的尾气送入反应器 进行循环， 从而使反应器内所需温度保持一定。 当然， 也可以通过直接冷却反应器的方式来 使温度降低。
对于放热反应， 可以直接通过反应气体提供装置向反应器提供 “冷” 的反应气体来 降低反应所需的温度。根据本发明的另一实施例， 如果底部通入的温度相对较低的反应气 体无法使反应器温度降下来， 就只有将循环的尾气冷却后再返回去循环， 利用这部分冷却
的尾气来降低反应器内的温度。根据本发明的又一实施例， 可以通过直接冷却反应器的方 式来使温度降低。
在这里， 需要指出的是， 在本发明中， 对反应气体的温度没有要求， 只是相对于燃 烧物燃烧产生的火焰的温度而言， 通入的反应气体要 “冷” 一些 ； 也就是说， 通入的反应气体 不需要预加热， 可直接通入反应器内。
根据本发明， 尾气的循环与否也根据不同工艺和情况来选择， 例如图 1 与图 2、 图3 与图 4。 在某些情况下， 气体价格较贵， 或者气体有毒有害， 需要气体中的有效成分能够完全 利用， 就需要循环， 使气体反应彻底后再排出。尾气循环也可以使气体和固体形成并流、 逆 流或错流等， 改变固体在反应器内的停留时间， 与气体充分接触。 如果靠额外通入的气体或 者可燃物、 助燃气燃烧的气体来使固体物料流态化， 需要的气量较大， 如果尾气循环的话， 就能够减少这些气体的量。尾气循环还可以起到保持反应器内温度的作用， 因此尾气是否 循环也要根据反应是吸热或放热来决定。如果靠燃烧能够保持反应器内的温度， 尾气可以 不循环。 如果反应器内温度过高， 可以将尾气进行冷却后再通入反应器进行降温， 也可以不 循环尾气， 直接冷却反应器， 或者靠调节可燃物与助燃气的比例控制火焰温度。 如果反应器 内温度过低， 可以将尾气进行加热后再通入反应器进行升温， 也可以不循环尾气， 直接加热 反应器， 或者靠调节可燃物与助燃气的比例控制火焰温度。
下面的表 1 示出了根据本发明的图 1 至图 6 所示的装置适用的反应类型和具体情 况。
表 1 图 1 至图 6 的气固两相反应装置适用的情形对比
下面将参照附图来描述根据本发明第一实施例的气固两相反应工艺。
参照附图， 根据本发明， 分别通过可燃物提供装置 ( 未示出 ) 和助燃气提供装置 ( 未示出 ) 将可燃物和助燃气从反应器 1 的顶部、 底部或侧部送入反应器 1 内， 通过反应器 1 内部的燃烧装置对可燃物和助燃气进行点火燃烧， 同时通过固体物料提供装置 ( 未示出 ) 提供的固体物料随助燃气一同进入反应器 1 的内部。
在本发明中， 控制可燃物和助燃气的比例， 对于气固还原工艺， 可使可燃物过量或
刚好适量， 控制火焰为还原焰或中性焰。例如， 通入碳粉和空气进行燃烧， 使碳粉过量而空 气不足量， 燃烧时就会产生一氧化碳， 如果得到的一氧化碳的量满足还原需要， 就不用再额 外通入还原气体， 例如图 1、 图 2、 图 3 和图 5。 也可以使碳粉和空气刚好适量， 利用燃烧产生 的热量， 再额外通入还原气体进行反应， 例如图 4 和图 6。气固还原工艺尽量不采用空气过 量、 额外通入还原气体的工艺， 因为反应器内温度较高， 通入的还原气体与过量的空气在反 应器内相遇， 可能会有爆炸的危险。
对于气固氧化反应， 使可燃物不足量或刚好适量， 控制火焰为氧化焰或中性焰。 例 如， 可通入煤气和空气燃烧， 空气过量或适量， 额外通入氧气作为氧化剂， 再通入细铁粉， 反 应后即可得到氧化铁粉。 还可以是， 通入煤气和空气燃烧， 空气过量， 再通入细铁粉， 和过量 空气中的氧气反应后即可得到氧化铁粉， 就无需通入其他氧化气体， 例如图 1、 图 2、 图3和 图 5。
根据本发明的当前实施例， 可燃物在助燃气的促进下燃烧提供热量的同时， 可燃 物本身或燃烧产物与固体物料发生氧化、 还原或合成反应， 固体物料与气体反应产生的固 体产物可以直接排到反应器外部， 或者通过气固分离器进行气固分离而排到反应器外部收 集。 为了确保在气固反应时反应器内没有多余的氧气， 可以在点火燃烧前， 预先向反 应器内通入不燃的惰性保护气体， 以将反应器内的氧气 (O2) 排出， 或者， 可以直接点火燃烧 以通过燃烧将反应器内的氧气完全消耗掉。这里， 不燃的惰性保护气体是指不参与燃烧和 不参与反应的气体， 例如， 氮气、 氦气等。
因此， 根据本发明的气固两相反应装置， 避免了传统反应器存在的问题， 主要的优 点有以下几个方面 ：
(1) 不需要外加热源， 利用可燃物 ( 可燃液体、 气体或固体 ) 的燃烧产生反应所需 的热量。通过调整反应器底部通入气体的量与可燃物和助燃气的量来保持反应所需温度 ： 反应所需的温度较高， 可增大可燃物和助燃气的量 ； 反应所需的温度较低， 可增大底部通入 的冷反应气体的量。
(2) 采用助燃气作为固体物料的输送介质， 安全可靠。 助燃气中的氧气在进入反应 器后被燃烧消耗掉。即使物料输送有泄露或带入部分空气， 也不会产生危险。
(3) 进行反应时， 通常需要气体过量， 因此尾气中还有部分未反应完的气体， 而且 尾气会带走一部分热量， 将部分尾气进行循环， 可以充分利用尾气中未反应完的有用成分， 还可以充分利用尾气的余热。
(4) 利用循环的尾气和通入的反应气体使固体物料悬浮， 增加气固两相接触面积， 提高反应效率。
(5) 固体物料从火焰中穿过， 可以对物料进行预加热， 可以减少气体加热固体的 量， 还可以在一定程度上缓解固体物料结粒的问题。
(6) 对于反应是放热反应的， 如果反应器内温度过高， 部分尾气可先经过冷却再循 环， 使反应器内所需温度保持一定。
(7) 该工艺和反应器可以进行连续操作， 也可以间歇操作。 物料可以从反应器下部 出料， 也可以与尾气一同排出， 经过一个气固分离器将尾气和反应后物料进行分离。
(8) 燃烧产生的火焰气流能够在反应器中起到搅拌的作用。
已经在此公开了示例性实施例， 虽然采用了特定的术语， 但是仅在一般的、 描述的 意义上而不是出于限制的目的来使用和解释这些特定的术语。因此， 本领域普通技术人员 应该理解， 在不脱离由权利要求所阐述的本发明的精神和范围的情况下， 可以对本发明的 实施例进行各种变型和修改。