文丘里管插件、可替換的文丘里管和流化的方法

專利名稱：文丘里管插件、可替換的文丘里管和流化的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于流化的設備以及流化的方法，并涉及將顆粒從流化床中選擇 性地去除的方法。在另一方面，本發明涉及流化床反應器并涉及氣化的方法。在另一個方 面，本發明涉及用于流化床反應器的可替換的文丘里管插件、涉及具有可替換的文丘里管 插件的流化床反應器、以及涉及氣化的方法。在另一方面，本發明還涉及流化床煤氣化、涉 及煤氣化的方法以及涉及將灰分顆粒從流化床中選擇性地去除的方法。
背景技術：
流化通常被定義為一種通過使顆粒細小的固體與氣體或液體接觸而使之轉化成 流體樣狀態(fluid-like state)的操作。由于顆粒物質相對于流化介質的高的表面積體 積比，流化床具有高熱以及高傳質系數是人們所公知的。流化床廣泛用于各種類型的工業 過程中，諸如化學反應、催化反應、分級、干燥、混合、造粒、涂覆以及冷卻。在許多工業應用中，流化床由裝有顆粒狀物質的垂直定向的柱體構成，流體(氣 體或液體)通過位于床體底部的分布器向上泵入。當流動的流體的曳力(drag force)超 過重力時，顆粒被提升并且發生流化。流化床技術用于煤氣化中。有很多專利申請涉及流化床和/或煤氣化。在Jequier等人的美國專利第2，906，608號，以及Mattews等人的美國專利第 3，935，825號中，披露了一種煤氣化反應器，其中將成團的煤灰分從盛裝精細分離的煤的流 化床反應器中排出，而不會除去精細分離的煤顆粒。這些專利并入本文作為參考。在所參考類型的煤向氣的轉化過程中，流化床設置了室(vessel)。氣體分布格柵 通常置于該室中并界定了流化床的底部表面。該格柵的中心部分可以是圓柱或圓錐形，并 包含通道。在該通道的頂部，安裝了一個具有固定開口的緊縮件(頸縮件，constriction)， 該開口界定了具有固定喉部尺寸的文丘里管，從而使氣流以均勻向上的速度通過文丘里管 進入室從而進入流化床。當通過文丘里管引導高速氣體流時，文丘里管可作為一種僅允許 一定質量或尺寸和/或更大尺寸的成團顆粒通過通道及文丘里管喉部排出的分級器。于1977年5月17日授權的Schora等人的美國專利第4，023，280號中披露了一 種將物質留在室中的流化床，其通過文丘里管孔口或通道接收高速氣流，從而促使灰分顆 粒成團。這些顆粒由文丘里管孔口逆流向上，在通道中形成半固定床。該半固定床的具體 尺寸部分取決于文丘里管的孔口尺寸。界定孔口的光圈隔膜閥(iris valve)可調整孔口 的橫截面積，從而通過文丘里管控制氣流的速度。于1984年3月6日授權的Vorres的美國專利第4，435，364號中披露了一種用于 將例如灰分的成團固體從精細分離地固體烴類物質(例如煤)的流化床中排出的設備。團 聚作用受到流化床環境中的烴類物質的無機組分之間的高溫反應的影響。文丘里管被用作 將成團的固體從流化床中排出的通道。將螺旋地下降或以其他方式下降的凸起(ridge)設 置于文丘里管的緊縮的柱狀開口的內表面上，以使得成團的排出物具有不同的以及增加的 速率，從而改善了固體物質的分離和分級。
于1984年6月12日授權的Strohmeyer，Jr.的美國專利第4，453，495號披露 了對于蒸汽發生器循環流化床燃燒系統的整體控制。尤其是在部分加載的情況下，該系 統包括用于具有循環流化床燃燒系統的蒸汽發生器的整體控制裝置，在該循環流化床燃 燒系統中，氣體再循環裝置用于補充燃燒空氣流，以保持循環回路中的氣體流速足以夾帶 (entrain)顆粒并維持所需的顆粒質量流率，從而將爐氣溫度限定在1550F的預定值，并且 其中氣體再循環質量流在蒸汽發生器流體熱吸附回路的各個部分之間分配來自氣體以及 再循環顆粒的熱傳遞，以并列的方式選擇性地控制氣體及循環顆粒質量流速，從而在流體 熱吸附回路之間，彼此最佳地補充熱傳遞的分配，同時將爐氣溫度保持在預設點。于1984年6月19日公布的授予Strohmeyer，Jr.的美國專利第4，454，838號披 露了一種密實型熱交換器，其用于具有循環流化床燃燒系統的蒸汽發生器，由此在爐氣流 中產生具有夾帶有燃料和惰性物質的固體顆粒的床。提供了在爐的下游收集高溫床固體顆 粒的裝置。密實型熱交換器將收集到的熱顆粒經過熱傳遞表面向下引流，該表面是蒸汽發 生器流體回路的一部分。以重力的方式引導流動。隨著流體對壓實的固體物質的冷卻，流 體熱交換回路周圍的固體顆粒的致密壓實產生了高的熱傳遞速率。設置熱交換表面有助于 使固體顆粒流過熱交換器。于1984年7月31日授權的Strohmeyer，Jr的美國專利第4，462，341號披露了 一種具有循環流化床燃燒系統的蒸汽發生器，由此允許空氣沿氣路逐漸增快地(增長地， incrementally)流動，從而按照沿氣路以保持不同溫度的方式控制燃燒速率和燃燒溫度。 在氣路的初始段(即燃燒開始處)可保持在1550F附近的某一溫度范圍，這個溫度最適于 固硫，燃燒區的末段可以升溫至1800F，從而通過燃燒區下游的氣液熱交換表面產生更大程 度的熱傳遞。于1988年5月24日授權的Coulthard的美國專利第4，745，884號披露了一種流 化床蒸汽發生系統，其包括直立式燃燒室、氣/固分離器、對流煙道鍋爐(convection pass boiler)以及設置于鍋爐正下方的熱交換器，除氣/固分離器外，上述所有元件均封裝于一 個水冷壁(waterwall)結構中，該水冷壁具有與反應室以及對流煙道鍋爐和熱交換器共用 的外水冷壁和中心水冷壁。該系統組件的緊密結合消除了常規多固體流化床蒸汽發生器中 出現的很多問題。于1992年1月21日授權的Raufast的美國專利第5，082，634號披露了一種流化 床設備，其包含設置在該設備下部的流化格柵，該格柵在其中心處具有與排氣室連通并以 旋轉表面的形式存在的圓形孔口，該旋轉表面由至少兩個同軸的截去尖端的圓錐旋轉體的 相連的側面構成，其實際頂點方向朝下。盡管流化床技術的已取得上述的所有發展，但還是可能遇到一個問題，即從流化 床中選擇性地去除顆粒的能力，在煤氣化的情況下，不同類型的煤中包含具有不同灰分特 性的灰分，所遇到的問題是將具有不同質量及不同尺寸的灰分或成團的灰分從流化床中去 除。同時，現有技術中的設備利用一種閥，該閥用于將孔口的第一橫截面積改變為第二橫截 面積，諸如Schora等人的授權的美國專利第4，023，280號中披露的上述光圈隔膜閥，這種 閥提供了橫截面積的突然改變。本發明的文丘里管插件具有在第一和第二橫截面積之間的 過渡區域的設計。

發明內容
根據本發明的一種非限制性具體實施方式
，提供了一種流化床設備。該流化床設 備包括具有頂部和底部的室，其界定了頂部和底部之間的流化床區域，并界定了位于底部 用于引入流化介質并去除顆粒的通道。該設備還包括置于通道中的第一文丘里管，其中該 第一文丘里管可與第二文丘里管替換。根據本發明的另一種非限制性具體實施方式
，提供了一種流化床設備。該設備包 括具有頂部和底部的室，其界定了頂部和底部之間的流化床區域，并界定了位于底部用于 引入流化介質的中心通道，還界定了在中心通道周圍用于去除顆粒的環形通道。該設備還 包括置于環形通道中的第一文丘里管，其中該第一文丘里管可與第二文丘里管替換。根據本發明的再一種非限制性具體實施方式
，提供了一種流化的方法。該方法包 括，將顆粒引入室的流化床區域。該方法還包括通過第一可替換文丘里管去除顆粒。


圖1是在反應器底部和中心具有通道的本發明的流化床反應器100的一個非限制 性實施例的示意圖。圖2是本發明的流化床反應器100的另一個非限制性實施例的示意圖，其與圖1 的不同之處至少在于反應器下部的中心管28。圖3是圖1的反應器100的下部的示意圖，其示出了插件201的一種非限制性具 體實施方式。圖4是圖2的反應器100的下部的示意圖，其示出了環形間隙(space)的外部部 分中的插件201的一種非限制性具體實施方式
。圖5是圖3的插件201的俯視圖。圖6是圖4的插件201的俯視圖。圖7是圖2的反應器100的下部的示意圖，其示出了在環形間隙的內部和外部部 分中的插件201的一種非限制性具體實施方式
。圖8是圖7的插件201的俯視圖。圖9是適用于產生多個通道22的插件201的一種非限制性具體實施方式
的俯視 圖。圖10是適用于將圓形通道改造成另一種形狀(在所示的非限制性實施例中為菱 形)的插件201的一種非限制性具體實施方式
的俯視圖。圖11是示出了多個過渡表面的插件201的一種非限制性具體實施方式
的側視圖。
具體實施例方式本發明的各種具體實施方式
包含作為可替換的文丘里管插件。作為非限制性的 實施例，這些不同的插件可用于改變通道的直徑、改變通道的表面輪廓、改變通道的表面特 性、改變通過該通道的流動方式、改變通道的橫截面形狀、將通道劃分成較小的通道、和/ 或改變通過該通道的流速。本發明提到了可與可替換文丘里管插件相結合的各種設備，包 括但不限于反應器、混合器、分離器、分級器、噴灑裝置以及流化床。這些可替換的文丘里管插件可用于完成多個任務，包括但不限于改變通過通道的流速以實現顆粒的淘洗或空氣分級。一般地，淘洗或空氣分級是一種使用垂直向的氣流或 液體流(通常向上)將較輕的顆粒從較重的顆粒中分離出來的過程。選擇一定的空氣速度 以使得具有所希望參數的顆粒以與氣流相逆地通過通道降落。通常，顆粒的尺寸、質量、形 狀和/或表面積將決定顆粒是否能以與具有給定速度的氣流相逆地通過通道降落。可通過 改變氣流的速度調整割點(cut point)。在本發明中，這可通過使用可替換的文丘里管插件 來實現，這些可替換的文丘里管插件可以是根據顆粒的質量或尺寸提供顆粒的分級的任意 合適的設計。對于給定體積的氣流，減小/增大通道的橫截面積將增加/減小通過該通道 的氣體速度，并使得具有不同質量和尺寸的顆粒通過該文丘里管降落。圖1和圖2中示出了本發明的流化床的兩種非限制性具體實施方式
，其示出了包 括用于使流化床中的灰分或顆粒結塊的裝置的流化床氣化設備或裝置100的示意圖。圖1 和圖2的裝置100之間的區別體現于該裝置的下部。圖2利用了中心管28，其中灰分通過 環形通道30排出。圖1的這種裝置已經描述于Jequier等人的美國專利第2，906，608號 以及Matthews等人的美國專利第3，935，825號中，這兩個專利都結合于本文中作為參考。簡言之，裝置100包括一個其中設置有(retain)流化床12的室10。室10進一步 包含外壁110。粉末狀的新進料煤經由管線14進入，并容納于室或反應器10的底部作為流 化床12，其床體密度為約15至50磅每立方英尺。床體10中的煤通過與蒸汽和空氣反應而 被轉化成氣態燃料組分。這些氣態燃料組分通過排放管15室10流出，而灰分顆粒通過中 心管22排出。成形的斜面格柵18位于床12的底部的室10中。空氣和蒸汽通過管線20進入， 并穿過格柵18中的端口，從而輔助保持床12的流化狀態。由于灰分的密度較大，床12中 進料煤中包含的灰分通常沉降在流化床12的底部附近。因此，灰分顆粒沿著通常為圓錐形 的格柵18的側面向下流動，并流進或進入在格柵18底部中心形成的排出腔(withdrawal chamber)或顆粒出口通道22。本發明的文丘里管插件可用于改變顆粒出口通道22的橫截 面積，改變顆粒出口通道22的表面輪廓，改變顆粒出口通道22的表面特性，劃分顆粒出口 通道22，改變顆粒出口通道22的橫截面形狀，并且通過所有這些方法大體上改變通過通道 進入流化床的流化介質的速度和/或流動方式以及通過該文丘里管插件下降的顆粒和灰 分的選擇性。本發明的流化床的各種具體實施方式
包括適用于使顆粒經流化床得以分級的可 替換的文丘里管插件。通常的想法是利用各種文丘里管插件來提供所希望的流速、流動方式、流動特性、 所希望的雷諾數、所希望的湍流量、所希望的層流量、和/或所希望的流動方向。可改變這 些當中的任一項來控制從流化床中去除的顆粒的質量、尺寸以及形狀。另參照圖3和圖4，其分別示出了圖1和圖2的室10的通道22的放大的分解圖。 圖3和圖4示出了具有其中設置有不同環形插件201的通道22的各種非限制性具體實施 方式。圖5和圖6分別示出了圖3和圖4的插件201的局部俯視圖。圖7和圖8是其中設置有插件201的環形通道的各種非限制性具體實施方式
的局 部側視圖以及局部俯視圖。與提供了一種僅位于環形通道一側上的插件的圖4的插件201 相比，圖7的插件201提供了位于環形通道內側和外側的上的插件。當然，本發明考慮到了 文丘里管插件可被設置于環形孔隙內側、外側或兩側。
本領域的技術人員將理解的是，可通過任何合適的方式將插件201緊固于適當的 位置上。作為一個非限制性的實施例，插件201可以通過摩擦而配合(friction fit)于恰 當位置處，可以通過其下方和/或上方的固持件將其保持于恰當位置處，或用一個或多個 緊固件或木栓(peg)對其進行緊固。在一種非限制性的具體實施方式
中，可將可替換的文丘里管插件201設計為能夠 提供不同的橫截面流體面積。這使得速度能夠以恒定的流量改變。當然，本發明也考慮到 了插件可用于提供所希望的任何合適的橫截面積以及通過文丘里管的速度。在一種非限制性的具體實施方式
中，可替換的文丘里管插件201可被設計為根據 需要將流體引至任何方向，例如以排放口(vent)的形式。這可以使流動方式發生改變。在另一種非限制性具體實施方式
中，可替換的文丘里管201可被設計為提供不同 形狀的橫截面積。這能夠使流動方式和/或通過通道的氣體的速度發生改變。圖10示出 了可用于將通道的形狀由環形變為菱形的插件201。作為非限制性的實施例，可以插入文丘 里管插件以提供橢圓形、方形、矩形、三角形和/或菱形通道。當然，本發明也考慮到了可利 用插件來提供所希望的任何合適的規則或不規則的η邊幾何圖形。在另一種非限制性的具體實施方式
中，可替換的文丘里管插件201可被設計為提 供不同的表面流體特性。這能夠使通過通道的流動方式發生改變。例如，通道可具有平滑 的表面，并且可插入提供粗糙表面以影響通過通道的流動的插件。應該認為本發明能夠提 供任何合適的表面特征，其非限制性的實施例包括經涂覆的表面以提供任何表面特性、凸 起的表面(即，凸緣、凸塊、凸起輪廓(convexfeatures)和/或凸出物)和/或凹陷的表面 (淺凹陷、刻紋、凸起輪廓(convex features)和/或凹槽)。在另一種非限制性的具體實施方式
中，可替換的文丘里管插件201可被設計為提 供不同的化學和/或物理抗性。例如，當從第一種類型的物質處理變為第二種類型的物質 處理時，需要提供更加適合用于處理第二種類型物質的文丘里管。作為一個非限制性實施 例，當處理第二物質時，則轉變成用某種能夠抵抗化學/物理降解/侵蝕的物質進行處理、 涂覆的文丘里管插件或由某種能夠抵抗化學/物理降解/侵蝕的物質制成文丘里管插件。在另一種具體實施方式
中，可替換的文丘里管插件可被設計為提供沿氣體流動路 徑的不同表面輪廓。這能夠留出流動過渡區來控制氣體流動。因此，除了改變通道的直徑 之外，本發明的文丘里管插件還可用于提供所希望的表面輪廓。同時，閥體將提供橫截面積 的突然改變，本發明的文丘里管插件可允許由第一直徑向第二直徑的過渡。表面輪廓可以 根據需要是直線形的(linear)或曲線形的。可以考慮具有一個或多個過渡區域的一個或 多個直線性表面和/或曲線表面的任意數量的具體實施方式
。作為一個非限制性實施例， 圖11是具有多個以直線性表面220、221、222、223以及224形式的過渡區的插件201的局 部圖。例如，從表面點204到205，由于位于其間的表面220存在坡度，通道的橫斷面積/直 徑減小。從表面點205到206，由于表面221存在坡度，通道的橫截面積/直徑將減小，且 沿表面221的通道的橫截面積/直徑的減小比沿表面220的減小更加迅速(劇烈，rapid)。 從表面點206到207，通道的橫截面積/直徑將沿表面222保持相對恒定。從表面點207至 208，由于其間的表面223存在坡度，通道的橫截面積/直徑將增加。從表面點208至209， 由于表面224存在坡度，通道的橫截面積/直徑將增加，且沿表面223的通道的橫截面積/ 直徑的增加比沿表面224的增加更加迅速。
在另一種非限制性具體實施方式
中，可替換的文丘里管插件201可被設計為提供 不同數量的通道22。圖9示出了插件201，其將通道分成多個通道。根據本發明，插件201 可用于將通道拆分成任何所希望數目的具有任何合適形狀/尺寸的多個通道。這些通道22 可具有相同或不同的橫截面積、相同或不同的截面形狀、和/或相同或不同的表面輪廓。在另一種非限制性具體實施方式
中，可替換的文丘里管插件結合了上文討論的特 征的任意組合。具有可替換的插件的本發明的流化床將以本領域技術人員公知方式進行操作。基 本上使用空氣、富氧空氣、氧氣和蒸汽作為流化介質。煤和灰分顆粒形成于流化床中，提供 合適的條件以使煤燃燒從而形成產物氣體。通過流化床底部去除灰分顆粒。根據本發明的 方法，根據需要利用不同的可替換文丘里管插件，以選擇所需的灰分顆粒。已經參照煤的氣化描述了本發明。應該理解的是，本發明不僅限于煤的氣化，而是 能夠用于許多需要使顆粒流化的應用。
權利要求
一種流化床設備，包含具有頂部和底部的室，其將流化床區域界定于所述頂部和所述底部之間，并且界定了位于所述底部的用于引入流化介質并去除顆粒的通道；以及設置于所述通道中的第一文丘里管，其中，所述第一文丘里管可用第二文丘里管替換。
2.根據權利要求1所述的設備，進一步包含用于替換所述第一文丘里管的第二文丘里管。
3.根據權利要求2所述的設備，其中，所述第一文丘里管具有第一橫截面積，并且所述 第二文丘里管具有不同于所述第一橫截面積的第二橫截面積。
4.根據權利要求2所述的設備，其中，所述第一文丘里管具有第一形狀的第一橫截面 積，并且所述第二文丘里管具有第二形狀的第二橫截面積，所述第一形狀與所述第二形狀 不同。
5.根據權利要求2所述的設備，其中，所述第一文丘里管具有第一表面輪廓，并且所述 第二文丘里管具有第二輪廓，所述第一輪廓與所述第二輪廓不同。
6.根據權利要求2所述的設備，其中，所述第一文丘里管具有具備第一特性的第一表 面，并且所述第二文丘里管具有具備第二特性的第二表面，所述第一特性與所述第二特性 不同。
7.根據權利要求2所述的設備，其中，所述第一文丘里管適合于當對具有第一灰分特 性的第一種煤進行流化時使用，并且所述第二文丘里管適合于當對具有第二灰分特性的第 二種煤進行流化時使用，所述第一特性與所述第二特性不同。
8.—種流化床設備，包含具有頂部和底部的室，其將流化床區域限定于所述頂部和所述底部之間，并且限定了 位于所述底部的用于引入流化介質的中心通道，并且還限定了在所述中心通道周圍的用于 去除顆粒的環形通道；以及設置在所述環形通道中的第一文丘里管，其中，所述第一文丘里管可用第二文丘里管替換。
9.根據權利要求8所述的設備，進一步包含用于替換所述第一文丘里管的第二文丘里管。
10.根據權利要求9所述的設備，其中，所述第一文丘里管具有第一橫截面積，并且所 述第二文丘里管具有不同于所述第一橫截面積的第二橫截面積。
11.根據權利要求9所述的設備，其中，所述第一文丘里管具有第一形狀的第一橫截面 積，并且所述第二文丘里管具有第二形狀的第二橫截面積，所述第一形狀與所述第二形狀 不同。
12.根據權利要求9所述的設備，其中，所述第一文丘里管具有第一表面輪廓，并且所 述第二文丘里管具有第二輪廓，所述第一輪廓與所述第二輪廓不同。
13.根據權利要求9所述的設備，其中，所述第一文丘里管具有具備第一特性的第一表 面，并且所述第二文丘里管具有具備第二特性的第二表面，所述第一特性與所述第二特性 不同。
14.根據權利要求9所述的設備，其中，所述第一文丘里管適合于當對具有第一灰分特 性的第一種煤進行流化時使用，而所述第二文丘里管適合于當對具有第二灰分特性的第二種煤進行流化時使用，所述第一特性與所述第二特性不同。
15.一種流化方法，包括將顆粒引入室的流化床區域；以及通過第一可替換的文丘里管去除顆粒。
16.根據權利要求17所述方法，進一步包括用第二文丘里管替換所述第一文丘里管。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述第一文丘里管具有第一橫截面積，并且所 述第二文丘里管具有不同于所述第一橫截面積的第二橫截面積。
18.根據權利要求16所述的方法，其中，所述第一文丘里管具有第一形狀的第一橫截 面積，并且所述第二文丘里管具有第二形狀的第二橫截面積，所述第一形狀與所述第二形 狀不同。
19.根據權利要求16所述的方法，其中，所述第一文丘里管具有第一表面輪廓，并且所 述第二文丘里管具有第二輪廓，所述第一輪廓與所述第二輪廓不同。
20.根據權利要求16所述的方法，其中，所述第一文丘里管具有具備第一特性的第一 表面，并且所述第二文丘里管具有具備第二特性的第二表面，所述第一特性與所述第二特 性不同。
21.根據權利要求16所述的方法，其中，所述第一文丘里管適合于當對具有第一灰分 特性的第一種煤進行流化時使用，并且所述第二文丘里管適合于當對具有第二灰分特性的 第二種煤進行流化時使用，所述第一特性與所述第二特性不同。
全文摘要
本發明提供了一種具有團聚通道的流化床設備，該團聚通道中設置有可移除的文丘里管插件。
文檔編號B01J8/18GK101883630SQ200880115585
公開日2010年11月10日 申請日期2008年9月11日 優先權日2007年9月12日
發明者大衛·H·尼科爾, 蒂莫西·E·韋爾 申請人:綜合能源系統技術有限責任公司