用于处理可流化物质的流化床反应器和为此使用的方法.pdf

本发明涉及用于化学处理和/或物理处理可流化物质的流化床反应器(1)和为此使用的方法。工艺气体经由至少一个中心管(3)引入到反应器内部(2)中，流化气体经由风口底部(7)引入到反应器内部(2)中。在风口底部(7)下面设置的中心管(3)的金属壁、与中心管(3)相连的容器(4)的金属壁、以及环形空间(9)的金属壁设有绝热涂层(6，10)。

1.  用于在反应器内部(2)化学处理和/或物理处理可流化物质的流化床反应器，包括用于将工艺气体引入到反应器内部(2)中的至少一个中心管(3)和底部，其中在安装位置在中心管(3)下面提供容器(4)，用于提供工艺气体的导管(5)开口在所述容器(4)中，其中提供了围绕中心管(3)的环形空间(9)，其特征在于，中心管(3)的金属壁、容器(4)的金属壁以及环形空间(9)的金属壁设有绝热涂层(6，10)，其中环形空间(9)的外壁(8)的至少一些部分与容器(4)的壁形成一个单元。

2.  权利要求1的流化床反应器，其特征在于，所述底部是用于将流化气体引入到反应器内部(2)中的风口底部(7)。

3.  权利要求1或2的流化床反应器，其特征在于，在安装位置在风口底部(7)下面提供围绕中心管(3)的环形空间(9)，用于提供流化气体的第二导管(11)开口在所述环形空间(9)中。

4.  前述权利要求中任一项的流化床反应器，其特征在于，在安装位置在中心管下面提供相对于中心管直径增大的容器(4)。

5.  前述权利要求中任一项的流化床反应器，其特征在于，绝热涂层(6，10)由耐火混凝土制成的至少一个层或衬里形成。

6.  前述权利要求中任一项的流化床反应器，其特征在于，中心管(3)的金属壁、容器(4)的金属壁和/或环形空间(9)的金属壁由耐热的碳钢制成。

7.  前述权利要求中任一项的流化床反应器，其特征在于，环形空间(9)的外壁(8)的至少一些部分支撑在容器(4)的壁上。

8.  前述权利要求中任一项的流化床反应器，其特征在于，在安装位置刚好在风口底部(7)下面，在中心管(3)中优选在安装位置的用于提供流化气体的第二导管(11)上方设置至少一个补偿器元件(14)，用于补偿沿中心管(3)的长度上的与温度有关的变化。

9.  前述权利要求中任一项的流化床反应器，其特征在于，在容器(4)中和/或在环形空间(9)中，特别是在各自安装位置的下部区域提供至少一个开口(12，13)，用于排出灰尘和/或可流化物质。

10.  用于在反应器中，特别是在前述任一项权利要求的流化床反应器(1)中化学处理和/或物理处理可流化物质的方法，其中经由中心管(3)将温度超过1000℃的工艺气体引入到反应器内部(2)中，温度超过100℃的流化气体，特别是预热的返回气体，经由风口底部(7)引入到反应器内部(2)中，其中经由设置在安装位置的风口底部(7)下面并围绕中心管(3)的环形空间(9)供应流化气体，用于提供流化气体的导管(11)开口在环形空间(9)中，中心管(3)的壁没有被另外冷却。

11.  权利要求10的方法，其特征在于，工艺气体以超过1150℃、特别是约1250℃的温度被引入到反应器内部(2)中。

12.  权利要求10或11中任一项的方法，其特征在于，工艺气体以超过30kPa、优选超过45kPa、特别是约60kPa的压力被引入到反应器内部(2)中。

13.  权利要求10-12中任一项的方法，其特征在于，流化气体以超过200℃、特别是约350℃的温度被引入到反应器内部(2)中。

14.  权利要求10-13中任一项的方法，其特征在于，通过处理将可流化物质、特别是钛铁矿还原锻烧。

15.  权利要求1-9中任一项的流化床反应器(1)用于通过权利要求10-14中任一项的方法还原煅烧钛铁矿的用途。

用于处理可流化物质的流化床反应器和为此使用的方法
技术领域
本发明涉及用于在反应器内部化学处理和/或物理处理可流化物质的流化床反应器，其包括用于将工艺气体引入到反应器内部的至少一个中心管和用于将流化气体引入到反应器内部的风口底部，其中在安装位置在中心管下面提供一个容器，第一导管开口在所述容器中，用于提供工艺气体，并且其中在安装位置在风口底部下面提供围绕所述中心管的环形空间，一导管开口在所述环形空间中，用于提供流化气体。此外，本发明涉及在这种反应器中化学处理和/或物理处理可流化物质的方法。
背景技术
从现有技术可知，如上所述的流化床反应器是已知的，其中围绕中心管的环形空间在离容器有一段距离处连接于中心管。中心管的壁主要由耐高温的不锈钢制成，以便能够经受在处理可流化物质过程中出现的经常达到约1000℃的高温。另外，经常提供对中心管的冷却，为此，主要在中心管周围产生窄的间隙，其部分位于用于提供流化气体的环形空间内，并且例如环境温度的空气由所述窄的间隙通过。
尽管有冷却且使用了相对昂贵的耐高温不锈钢，但是不仅中心管内的高温仅可以在很困难的情况下部分地加以控制，而且这种反应器中的整个构造也被认为是需要改进的，尤其是在其刚性和疲劳强度方面，特别是在温度变化的情况中(设备的启动和停工)。除了作用于中心管的热载荷之外，还有由于支撑在所述中心管上的用于提供流化气体的环形空间所引起的机械载荷。
在使用这种反应器时，能量效率也被认为是需要改进的，因为被加热的工艺气体通过其中而提供的中心管的冷却导致工艺气体被冷却，由此使效率降低。
发明内容
因此，本发明的目的是建立如上所述的反应器和方法，其中可以实现所述方法的能量效率的提高而不损害结构的操作安全。
根据本发明，这个目的基本上由如上所述的反应器实现，在该反应器中，中心管的金属壁、容器的金属壁和环形空间的金属壁设置有绝热涂层，其中环形空间的外壁至少一些部分与所述容器的壁形成连续的单元。所述中心管的金属壁、容器的金属壁和环形空间的金属壁的衬里使作用于这些壁的热载荷显著减小，特别是在使用较高温度的工艺气体和/或流化气体的方法的情况中。同时，在容器的壁和环形空间的壁中获得基本均匀的温度分布，使得在这些构件之间的过渡区不会产生热应力。由于环形空间的外壁与容器壁形成一个单元，因此作用于中心管的机械载荷也得到显著降低。因此，由于本发明的流化床反应器构造，实现了优于已知反应器的结构更简单且显著更坚固的构造，并且还可以经受较高的热载荷和/或机械载荷。根据本发明，术语“单元”限定了环形空间的外壁邻接容器的壁并且优选所述两个壁彼此固定或连接，例如通过粘合等手段彼此固定或连接。然而，这并不排除所述两个壁可以彼此分开，例如用于由于磨损等引起的更换。
根据本发明的优选实施方案，绝热涂层由耐火混凝土衬里形成。所述绝热涂层也可以包括至少一层耐火砖和/或耐火混凝土和/或一层轻质耐火砖和/或绝热混凝土。通常使用多层结构。
借助本发明的流化床反应器的构造实现了使由于热膨胀引起的热载荷和机械载荷降低，有可能生产耐热碳钢制成的中心管、容器、和/或环形空间的金属壁。这与通常使用的耐高温不锈钢相比便宜得多，使得本发明的流化床反应器的制造成本可以保持较低。
在环形空间的外壁的至少一些部分支持在容器壁上时，可以实现特别有效的中心管机械卸载。从而进一步增强流化床反应器的刚度。这还提供了将高压(例如约60kPa)的热工艺气体侧面引入到容器中，而不用担心应力峰值破坏反应器。
根据本发明的优选实施方案，在中心管中在安装位置刚好在风口底部下面布置至少一个补偿器元件，用于补偿在中心管长度方向的与温度有关的变化。值得推荐的是，例如在安装位置在风口底部和用于提供流化气体的第二导管之间提供所述补偿器元件。因此，所述补偿器元件设置在中心管内，以便容易接近。还可以提供在补偿器元件紧邻附近的检修孔以便于接近。通过补偿长度上的温度相关变化，补偿器元件本身减小中心管内由此引起的应力。这也有助于减小作用于本发明的反应器上的载荷。
操作中，不能排除粉末和/或可流化物质通过中心管或通过风口底部进入容器和/或进入环形空间。这可以导致气体流动的显著恶化。因此，根据本发明，在容器中和/或在环形空间中、特别是在各自安装位置中的下部区域中提供了用于排出粉末和/或可流化物质的至少一个开口。这样，可以有效避免中心管、或风口底部、或在其下面设置的容器或环形空间的堵塞，而不增加清理成本。
此外，通过用于在反应器(例如在如上所述的流化床反应器)中化学处理和/或物理处理可流化物质的方法实现本发明的目的，其中温度超过400℃、优选超过600℃、特别优选超过800℃的工艺气体经由中心管被引入到反应器内部，而温度优选穿过100℃的流化气体经由风口底部被引入反应器内部。根据本发明，流化气体经由设置在安装位置的风口底部下面并围绕中心管的环形空间提供，一导管开口在该环形空间中，用于提供流化气体，中心管的壁没有被另外冷却。换句话说，本发明的方法设计为使得可以将相对高温的流化气体引入到反应器内部。由于将同样相对高温的工艺气体引入到反应器内部，由此明显地改善所述方法的能量效率。优选地，在此处使用经过预热的返回气体作为流化气体。
本发明方法的能量效率还可以通过省去中心管的额外冷却而得以进一步改善，因为中心管以及通过中心管的经过预热的工艺气体没有被额外的冷却所冷却。
根据本发明方法的优选实施方案，工艺气体以超过1000℃、特别是超过1150℃的温度被引入到反应器内部。此外，工艺气体的压力可以超过30kPa，优选超过45kPa，特别是为约60kPa。此外，被引入到反应器内部的流化气体的温度优选超过200℃，特别是超过300℃。
反应器中的温度甚至可以比所引入的气体的温度更高，例如通过内部燃烧。这可以通过用例如喷管将燃料引入到反应器中或在进入反应器之前将被引入的气体与气体燃料混合来实现。此外，有可能在被引入的气体燃烧之后和/或燃烧流化床反应器中的气体所包含的灰尘。
本发明的方法和本发明的流化床反应器可特别地用于钛铁矿或类似的可流化物质的煅烧(例如还原)，并且还可以用于锻烧氢氧化铝、用于预热其它物质(例如含铁的矿石)、或用于在流化床反应器中燃烧物质。
本发明的方法的另一个实例在于，在锻烧反应器中，经由中心管将热废气引入到反应器中，所述热废气还包含固体污染物。在反应器内部，获得了较低的温度，所述温度取决于在反应器中进行的反应以及进入反应器的固体质量流。优选地，这类反应器用于其中由于反应器温度低而使燃料在反应器内部的燃烧不能进行或者只能通过昂贵的低燃燃料例如丁烷来实现燃烧的工艺中。对于粘土的煅烧，例如需要650℃的反应器温度，这通过提供高达1200℃的热废气来实现。取决于对最终产品的要求，所述热气体可以通过在反应器之前的燃烧室燃烧没有残留的燃料(例如天然气等)来产生，或通过燃烧含灰燃料(例如，煤、生物质等)来产生，可能与气体净化一起使用。
附图说明
下面通过实施例并且参考附图描述本发明。描述和/或举例说明的所有特征都本身或以任何组合形式形成本发明主题，而与它们包含在权利要求中或它们的反向引用无关。
唯一的附图示意地示出了在特别优选的实施例中的本发明的流化床反应器的一部分的截面图。如图所示，安装位置的流化床反应器1的下部区域示出了反应器内部2，其中可流化物质(例如钛铁矿)经历化学处理和/或物理处理(例如热处理)，特别是经历还原煅烧(reducing calcination)。
具体实施方式
在图中向上突出到反应器内部2中的中心管3开口在反应器内部2中。在安装位置，并且在附图中下方，与中心管3相比直径增大的容器4邻接中心管3。第一导管5开口在这个容器4中，第一导管5用于引入温度为例如约1250℃的热工艺气体，所述工艺气体然后流过容器4和中心管3进入反应器内部2中。
中心管3和容器4二者都是基本上由耐热的碳钢制成，其内侧衬有耐火混凝土层6。中心管3和容器4的这种内绝热起到可以完全避免中心管3被例如环境空气额外冷却的作用。在所述附图的特别优选的实施例中，中心管3的上部由耐高温的不锈钢制成，优选没有这种衬里。
在另一个实施例中，这个上部可以完全省略，使得中心管直接终止在风口底部的水平面。在这个特别的实施例中，优选风口底部以一定角度设置和/或省略喷嘴，使得底部仅是一个板(可能衬有耐火砖)。
优选围绕中心管3的反应器内部2底部的一些部分构成风口底部7，该风口底部7具有多个开口在反应器内部2中的喷嘴。与该附图不同，所述底部可以以某一角度设置而无需装备喷嘴。在安装位置，在风口底部7下面，由壁8形成围绕中心管3的环形空间9。如图所示，环形空间9的壁8支持在容器4的顶壁上。因此，中心管3基本上不承受环形空间9产生的机械载荷，并且反应器1的构造在整体上变得更坚固。同时，通过将中心管3包括在环形空间9中，使得沿着中心管3的整个长度基本上实现了热的近似恒定分布，因此不会有由于不同的热膨胀所引起的局部载荷峰值。
壁8也可以由耐热的碳钢制成并在面对中心管3的内侧上衬有绝热层10，例如耐火混凝土的绝热层10。
绝热层6和10起到如下作用，即，尽管通过环形空间9和中心管3提供的气体具有不同温度，但是在中心管3的金属壁、容器4的金属壁以及壁8的金属壁内部实现至少近似相等的温度，从而可以显著地减少热应力。
第二导管11优选开口在环形空间9中，流化气体通过所述第二导管11引入到环形空间9中并经由环形空间9通过风口底部7进入反应器内部2。从而将存在于反应器内部2中的可流化物质流化。作为流化气体，优选使用被预热到例如约350℃的气体，有可能是返回气体。
原则上，还有可能不完全地为环形空间9提供流化气体，而将其一部分分离并为其提供气体。在另外的实施例中，还有可能部分地保持环形空间开放和/或根本没有气体引入或通过。
如图所示，在安装位置的容器4的下端和在安装位置的环形空间9的下端，分别在壁8中形成开口12和13。开口12和13的尺寸确定为使得通过风口底部7或中心管3落入到环形空间9中或落入到容器4中的工艺气体或流化气体和/或可流化物质所夹带的灰尘可以从环形空间9或从容器4中排出，由此防止工艺气体或流化气体的供应通道的堵塞或阻塞。
容器4的尺寸优选设计为使得这个容器可以在反应器意外停工的情况下完全地接收落回到中心管中的材料而不会阻塞供应导管5。同样地，优选环形空间9构造为使得在突然停工的情况中，落回的材料不会阻塞供应导管11。
在中心管3的上部区域，提供了补偿器元件14，其在示出的实施例中设置为刚好在风口底部的下面，并且容易地经由例如通过环形空间9的检修孔15接近。补偿器元件14适合于吸收沿中心管3的长度上的例如与温度有关的变化。因此，其可以进一步减小作用于中心管3的载荷。
数字标号列表：
1    流化床反应器
2    反应器内部
3    中心管
4    容器
5    第一导管(工艺气体)
6    绝热涂层
7    风口底部
8    壁
9    环形空间
10   绝热涂层
11   第二导管(流化气体)
12   容器4中的开口
13   壁8中的开口
14   补偿器元件
15   检修孔