CN1729273B - 生产低温焦炭的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产低温焦炭的方法，其中将颗粒煤和可能另外的固体在流化床反应器(2)中通过含氧的气体加热到700-1050℃。为了改进能量利用，提出将一次气体或气体混合物通过至少一个供气管(3)从底部送入反应器(2)的混合室段(8)，所述的供气管(3)至少部分被通过供应流化用气体流化的环状固定流化床(6)包围。这样调节一次气体或气体混合物的流速以及环状流化床(6)的流化用气体的流速，以致供气管(3)中的Particle-Froude-Numbers为1-100，在环状流化床(6)中为0.02-2，而在混合室(8)中为0.3-30。

Description

生产低温焦炭的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种生产低温焦炭的方法，其中将颗粒煤和可能的其他固体在流化床反应器中通过含氧的气体加热到700-1050℃，以及涉及一种相应的设备。 

这样的方法和设备例如用于生产低温焦炭或生产低温焦炭和矿石例如铁矿石的混合物。在后一种情况中，除了颗粒煤外，还将颗粒矿石送入低温焦化反应器。然后可将用这一方法生产的低温焦炭或低温焦炭和矿石的混合物在随后的例如熔炼法中处理。 

从DE 10101157 A1已知一种生产铁矿石和低温焦炭的热颗粒混合物的方法和设备，其中将颗粒煤和经预热的铁矿石送入低温焦化反应器，以及其中通过提供含氧的气体和煤组分的部分氧化产生800-1050℃范围的温度，将颗粒固体保持在紊流状态中，并从反应器的上部送入固体分离器。低温焦化反应器可为流化床反应器，这一方法可用固定流化床或循环流化床进行。为了使设备的能量需要量减少，因此提出在铁矿石送入低温焦化反应器以前用固体分离器的热废气预热。但是，用这一方法要达到的产品质量(它尤其取决于传质和传热条件)需要提高。在固定流化床的情况下，主要由于虽然很长的固体停留时间是可调节的，但是由于较低的流化程度，传质和传热都较差，以及例如来自产品冷却的含粉尘的废气可能难以与这一方法相配合。另一方面，循环流化床由于有较高的流化程度，所以有较好的传质和传热条件，但是正是由于这一较高的流化程度，所以它的停留时间受到限制。 

发明描述

所以，本发明的目的是要提供一种可更有效地进行的生产低温焦炭的方法，特别是具有良好能量利用的特点。 

根据本发明，这一目的通过上述的方法来达到，其中将一次气体或气体混合物通过供气管(中心管)从底部送入反应器的混合室，所述的中心管至少部分被通过供应流化用气体流化的环状固定流化床包围，以及其中这样调节一次气体或气体混合物的流速以及环状流化床的流化用气体的流速，以使中心管中的Particle-Froude-Numbers为1-100，在环状流化床中为0.02-2，而在混合室中为0.3-30。 

在本发明的方法中，在热处理过程中，固定流化床的优点例如足够长的固体停留时间可与循环流化床的优点例如良好的传热和传质令人惊奇地彼此结合，而又可避免这两种体系的缺点。当一次气体或气体混合物通过中心管的上部时，它将来自称为环状流化床的环状固定流化床的固体带入混合室，以致由于固体和气体之间高的滑流速度，形成剧烈混合的悬浮流体，从而达到两相之间的最佳传热。 

由于离开中心管的一次气体或气体混合物的流速下降和/或由于在反应器壁上的碰撞，在混合室中一大部分固体从悬浮体中沉积出来并落回固定环状流化床中，而仅少量未沉积的固体与一次气体或气体混合物一起从混合室排出。因此，在固定环状流化床的反应器段和混合室之间形成固体循环。一方面由于足够长的停留时间以及另一方面由于良好的传质和传热，因此得到送入低温焦化反应器的热能的良好利用和极好的产品质量。本发明方法的另一优点是，有可能在不降低产品质量的条件下在部分负荷下操作本方法。 

为了确保在混合室中特别有效的传质和传热以及在反应器中足够的停留时间，优选这样调节流化床的一次气体混合物和流化用气体的气速，以致在中心管中无量纲Particle-Froude-Numbers(Fr_p)为1.15-20，在环状流化床中为0.115-1.15，和/或在混合室中为0.37-3.7。Particle-Froude-Numbers用以下方程式定义： 

${\mathrm{Fr}}_P=\frac{u}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_f}*d_p*g}}$

其中 

u＝气流的有效速度，米/秒 

ρ_S＝固体颗粒的密度，公斤/米³

ρ_f＝流化用气体的有效密度，公斤/米³

d_p＝在反应器操作过程中反应器藏量颗粒(或形成的颗粒)的平均直径，米 

g＝重力常数，米/秒²

当使用这一方程式时，应当认为d_p不表示提供给反应器的材料的颗粒直径(d₅₀)，而是在反应器操作过程中形成的反应器藏量的平均直径，它可与所用材料(一次颗粒)的平均直径在两个方向上有明显差别。例如在热处理过程中，由平均直径为3-10微米的很细颗粒材料形成例如平均直径为20-30微米的颗粒(二次颗粒)。另一方面，某些材料例如某些矿石在热处理过程中会被烧裂。 

根据本发明的一个发展，提出将部分从反应器排出的和在分离器例如旋风分离器中分离的固体循环到环状流化床中。优选根据混合室上方的压力差来控制循环到环状流化床的产品流的数量。视固体供应、粒度和气体速度而定，在混合室中得到一定的料面，通过分开从环状流化床和从分离器取出的产品可对其施加影响。 

为了使煤很好地流化，将粒度小于10毫米、优选小于6毫米的煤作为原料送入低温焦化反应器。 

对于本发明的方法来说，高挥发性煤例如褐煤是特别有用的原料，它可能还含有一些水分。 

作为流化用气体，优选将空气送入低温焦化反应器，当然也可使用熟悉本专业的技术人员已知的其他所有的气体或气体混合物。 

在0.8-10巴、特别优选在2-7巴的压力下操作低温焦化反应器是有利的。 

本发明的方法不限于低温焦炭的生产，而根据具体的实施方案，还可通过同时将其他固体送入低温焦化反应器的方法，用于生产矿石和低 温焦炭的混合物。本发明的方法特别适用于生产铁矿石和低温焦炭的混合物。 

在这一实施方案中，铁矿石送入低温焦化反应器以前，首先它将在预热段中预热，所述的预热段包括热交换器和下游的固体分离器例如旋风分离器。用这一实施方案，可生产Fe∶C重量比为1∶1至2∶1的铁矿石和低温焦炭的混合物。 

根据本发明的一个发展，提出在悬浮流体热交换器中借助反应器下游旋风分离器的废气来加热铁矿石。用这一方法，可使方法的能量总需求量进一步下降。 

此外，本发明还涉及一种特别适用于实施上述方法的设备。 

根据本发明，所述的设备包括构成用于颗粒煤可能还有其它固体的低温焦化的流化床反应器的反应器。在所述的反应器中，装有供气体系，它伸入反应器的混合室，以致通过供气体系的气体将来自至少部分包围供气体系的固定环状流化床的固体带入混合室。优选的是，这一供气体系伸入混合室。但是，也可能让供气体系结束于环状流化床的表面下方。然后将气体例如通过侧孔送入环状流化床，由于其流速，它将来自环状流化床的固体带入混合室。 

根据本发明，供气体系有从反应器下部基本上竖直向上优选伸入反应器混合室的供气管(中心管)，所述的供气管至少部分被其中形成环状固定流化床的室包围。中心管可在其出口有一喷嘴和有一个或多个沿壳壁表面分布的孔口，以致在反应器操作过程中固体不断通过孔口进入中心管，并通过中心管的一次气体或气体混合物带入混合室。当然，也可在反应器中设置有不同或相同尺寸和形状的两个或两个以上供气管。但是优选的是，根据反应器的截面，在大致中心位置设置至少一个供气管。 

根据一个优选的实施方案，在反应器下游安装用于分离固体的旋风分离器。 

为了使固体可靠的流化和形成固定流化床，在低温焦化反应器的环状室安装气体分配器，它将所述的室分成上部环状流化床和下部气体分配器，所述的气体分配器与流化用气体和/或气体燃料的供气导管相连。 所述的气体分配器可为气体分配室或由管子和/或喷嘴组成的气体分配器，在那里部分喷嘴可与流化用气体的供气相连，而另一部分喷嘴可与气体燃料的单独供气相连。 

根据本发明的一个发展，提出设置预热段，所述的预热段包括悬浮流体热交换器和在其下游但在低温焦化反应器上游的旋风分离器。 

根据本发明，在反应器的环状流化床和/或混合室中，可安装用于偏折固体和/或流体流的装置。例如，有可能在环状流化床中安装环状围堰，其直径在中心管直径和反应器壁直径之间，以致围堰的上缘超过操作过程中得到的固体料面，而围堰的下缘离气体分配器等有一定的距离。因此，在反应器壁附近从混合室分离出的固体必需在中心管的气流带回混合室以前首先在围堰下缘处通过围堰。用这一方法，增强了固体在环状流化床中的交换，以致得到固体在环状流化床中更均匀的停留时间。 

从以下实施方案和附图的描述还可了解到本发明的发展、优点和可能的应用。所描述和/或说明的所有特点本身或任何组合构成本发明的主题，而与其包含于权利要求书或其在前引用相独立。 

附图简介

图1表示本发明第一个实施方案的方法和设备的工艺图； 

图2表示图1表示的带有反应器温度控制的设备的工艺图； 

图3表示本发明另一个实施方案的方法和设备的工艺图。 

优选实施方案的详述

在图1中所示的生产不包括其他固体的低温焦炭的方法中，将粒度小于10毫米的细颗粒煤通过导管1送入低温焦化反应器2。在其下部中心区中，反应器2有被形成环状截面的室4包围的竖直中心管3。所述的室4被气体分配器5分成上部和下部。下部室用作流化用气体的气体分配室，流化煤的固定流化床6(环状流化床)位于室的上部，流化床稍微伸出中心管3的上孔板端。 

空气作为流化用气体通过导管7送入环状流化床6，所述的气体流过气体分配室和气体分配器5进入环状室4的上部，在那里它通过形成固定流化床6使要进行低温焦化的煤流化。优选这样选择送入反应器2的气体速度，以致环状流化床6中的Particle-Froude-Number为0.12-1。 

空气同样通过中心管3不断送入低温焦化反应器2，流过中心管3的所述空气通过混合室段8和上导管9进入旋风分离器10。优选这样调节送入反应器2的气体速度，以致中心管3中的Particle-Froude-Number为6-10。由于高的速度，流过中心管3的空气将来自环状固定流化床6的固体通过上孔板段带入混合室段8，以致形成强烈混合的悬浮流体。由于气体喷射流的膨胀和/或通过在反应器壁上的碰撞，流速下降，带入的固体迅速减速，部分落回环状流化床6。只有少量未沉积的固体从低温焦化反应器2与气流一起通过导管9排出。因此，在固定环状流化床6的反应段和混合室8之间，形成固体循环，借此确保良好的传质和传热。可通过选择环状流化床6的高度和外径使反应器中的固体停留时间在宽范围内调节。将旋风分离器10中分离的固体通过导管11送入产品排出导管12，而将仍然热的废气通过导管13送入另一旋风分离器14，与可能残留的固体分离，并通过废气导管15排出。将旋风分离器14中分离的固体通过导管16再送入反应器2用于低温焦化。 

正如图1所示，任选的是，可将一部分从反应器2排出的和旋风分离器10中分离的固体循环到环状流化床6中。可根据混合室8上方的压力差(ΔP_MC)来控制循环到环状流化床6的产品流量。 

低温焦化需要的工艺热量通过煤组分的部分氧化来获得。 

一部分低温焦炭连续从低温焦化反应器2的环状流化床6中通过导管19排出，与通过导管11从旋风分离器10中排出的产品混合，并通过产品导管12排出。 

正如图2所示，可通过改变流化用空气的体积流量来控制反应器的温度。提供的氧(O₂)越多，产生的反应热越多，以致在反应器中得到更高的温度。优选的是，通过导管7的体积流量保持不变，而送入中心管3的体积流量通过导管18来改变，例如借助装有转速控制器的鼓风机。

与上述设备不同，图3所示的设备可能特别用于生产低温焦炭和铁矿石的混合物，它包括在反应器2上游的悬浮流体热交换器20，其中颗粒铁矿石通过导管21送入，低温焦化反应器2下游旋风分离器10的废气优选用于悬浮和加热，一直到矿石一大部分表面水分被除去。借助气流，悬浮流体随后通过导管13送入旋风分离器14，在其中铁矿石与气体分离。随后，分离出的预热固体通过导管16送入低温焦化反应器2。 

当然，图1和2所示的压力控制的部分循环以及温度控制也可用于图3所示的设备。另一方面，在图1和2中所示的设备中也可省去压力和/或温度控制。 

在下文中，参考两个说明本发明的实施例来说明本发明，但不是对本发明的限制。 

实施例1(不加矿石的低温焦化)

在对应图1的设备中，将128吨/小时含有25.4％(重量)挥发组分和16％(重量)水分的粒度小于10毫米的煤通过导管1送入低温焦化反应器2。 

将68000标米³/小时空气通过导管18和7送入反应器2，所示的空气在导管18和导管7(流化用气体)的分配比为0.74∶0.26。低温焦化反应器2中的温度为900℃。 

64吨/小时低温焦炭通过导管12从反应器2中取出，所述的焦炭含有88％(重量)炭和12％(重量)灰分。此外，通过导管15取出157000标米³/小时900℃工艺气体，所述的工艺气体有以下组成： 

11％(体积)CO 

10％(体积)CO₂

24％(体积)H₂O 

20％(体积)H₂

1％(体积)CH₄

34％(体积)N₂

实施例2(带矿石预热的低温焦化)

在对应图3的设备中，将170吨/小时铁矿石通过导管21送入悬浮流体热交换器20，然后在旋风分离器14中的经气体分离通过导管16送入低温焦化反应器2。此外，将170吨/小时含有25.4％(重量)挥发组分和17％(重量)水分的颗粒煤通过导管1送入低温焦化反应器2。 

将114000标米³/小时空气通过导管18和7送入反应器2，所示的空气在导管18和导管7(流化用气体)的分配比为0.97∶0.03。低温焦化反应器2中的温度调节至950℃。 

210吨/小时低温焦炭和铁矿石的混合物通过导管2从反应器2中取出，所述的混合物含有 

16％(重量)Fe₂O₃

49％(重量)FeO 

28％(重量)炭，和 

7％(重量)灰分。 

此外，通过导管15从设备中取出225000标米³/小时518℃工艺气体，所述的工艺气体有以下组成： 

11％(体积)CO 

11％(体积)CO₂

22％(体积)H₂O 

15％(体积)H₂

1％(体积)CH₄

40％(体积)N₂。 

参考数表：

1  固体导管 

2  低温焦化反应器 

3  供气管(中心管) 

4 环状室 

5 气体分配器 

6 环状流化床 

7 流化用气体的供气导管 

8 混合室 

9 导管 

10第一旋风分离器 

11固体排出导管 

12产品排出导管 

13导管 

14第二旋风分离器 

15废气导管 

16预热固体的供料导管 

18气流导管 

19固体排出导管 

20悬浮流体热交换器 

21矿石供料导管 

鼓风机 

Claims (18)

1.一种生产低温焦炭的方法，其中将颗粒煤在流化床反应器(2)中利用含氧气体加热到700-1050℃，其特征在于，将一次气体或气体混合物通过至少一个供气管(3)从底部送入反应器(2)的混合室段(8)，所述的供气管(3)至少部分被通过供应流化用气体流化的环状固定流化床(6)包围，以及调节一次气体或气体混合物的流速以及环状流化床(6)的流化用气体的流速，使供气管(3)中的Particle-Froude-Numbers为1-100，在环状流化床(6)中为0.02-2，而在混合室(8)中为0.3-30，并且其中流过中心管(3)的空气将来自环状固定流化床(6)的固体带入混合室(8)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，供气管(3)中的Particle-Froude-Number为1.15-20。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在环状流化床(6)中的Particle-Froude-Number为0.115-1.15。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，在混合室(8)中的Particle-Froude-Number为0.37-3.7。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，将反应器(2)排出的和在分离器(10)中分离的固体的一部分循环到环状流化床(6)。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，根据混合室(8)上方的压力差来控制循环到环状流化床(6)的产品物流的量。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，将粒度小于10毫米的煤作为原料送入反应器(2)。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于，将高挥发性的煤作为原料送入反应器(2)。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于，将空气作为流化用气体送入反应器(2)。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于，反应器(2)中的压力为0.8-10巴。

11.根据权利要求1的方法，其特征在于，另外将铁矿石送入反应器(2)。

12.根据权利要求11的方法，其特征在于，铁矿石在送入反应器(2)以前进行预热。

13.根据权利要求10-12中任一项的方法，其特征在于，从反应器(2)中排出铁矿石和低温焦炭产品，其铁与碳的重量比为1∶1至2∶1。

14.一种生产低温焦炭的实施权利要求1-13中任一项的方法的设备，所述的设备包括构成流化床反应器的反应器(2)，其中反应器(2)形成有供气体系，致使流过供气体系的气体将来自至少部分包围供气体系的固定环状流化床(6)的固体带入混合室(8)，其中将分离固体的分离器(10)安装在反应器(2)的下游，所述的分离器(10)有导向反应器(2)的环状流化床(6)的固体返回导管以及排出固体的一部分的固体导管(11)。

15.根据权利要求14的设备，其特征在于，供气体系有至少一个从反应器(2)的下部基本上竖直向上延伸到反应器(2)的混合室(8)的供气管(3)，所述的供气管(3)被至少部分围绕供气管(3)延伸的并在其中形成固定流化床(6)的室包围。

16.根据权利要求15的设备，其特征在于，根据反应器(2)的截面，在接近中心位置安装供气管(3)。

17.根据权利要求14的设备，其特征在于，在反应器(2)的环状室(4)中，安装有气体分配器(5)，它将所述的室(4)分成上部环状流化床段(6)和与流化用气体供气导管(7)相连的下部气体分配室。

18.根据权利要求14的设备，其特征在于，在反应器(2)的上游安装预热段，所述的预热段由热交换器(20)和分离器(14)组成。

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