[发明专利]气化含碳材料的方法和所用的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种将大分子量有机材料(含碳材料)例如煤、废油、粉碎的轮胎、垃圾或废弃物等气化成气体燃料、一氧化碳和氢气的方法，且还涉及该方法所用的装置。

背景技术

含碳液体废料例如废油或废有机溶剂和固体含碳材料例如煤或粉碎的废轮胎的气化是指将包含在有机材料中的碳和氢转变成燃料气体、一氧化碳和氢气(通称为合成气体)。因为气化是要求连续供热的吸热反应，所以气化炉应当保持在足以使得反应持续进行的高温下。

在气化的常规方法中，气化炉是通过由供应用作气化的含碳材料与氧气的氧化反应而产生的燃烧热而保持在高温下。另外，在气化反应足以进行的高温状态下，供应水蒸气或水以促进气化并增长在所制得的合成气体中氢气的浓度。

图1a至1c示意地显示了应用至煤的气化反应器的常规系统的机理；图1a、1b和1c分别表示静态落地式、流体落地式和冲洗流体落地式。煤、作为一类含碳材料，通常是根据其尺寸由上述三种常规方法之一进行气化。每种方法在供应煤、氧气和水蒸气方面，和在排放由气化反应制得的气体和剩下的灰分方面均是不同的，但是它们在气化反应器中实施的反应相互是等同的。通常地，静态落地式是用于天然煤块、而流体落地式是用于几毫米大小的煤、冲洗流体落地式是用于几十微米大小的煤。

美国专利6,120,567(2000年9月19日)描述了一种通过固体、有机生物材料的气化产生热的加热系统。在该方法中，在催化型的初级氧化室中的有机材料是在氧不足的条件下逐步加热以制得气态的可燃烧的流出物，该流出物通过在二次氧化室中燃烧而被进一步氧化成充分氧化的状态。

美国专利6,084,147(2000年7月4日)公开了一种分解被金属离子污染的废弃材料的方法，其中通过注入水蒸气/氧气混合物至陶瓷珠粒的流化床中而快速地进行分解。在该方法中，流化的气体混合物搅拌起所述珠粒，这于是有助于破碎固体废料，且氧气允许一些氧化反应偏离干燥、热分解和水蒸气重整的热力学要求。热解的大部分在第一阶段发生，通过使用共反应剂以改变无机物的氧化状态并使加热分离金属废物设定使得第二阶段能完成热分解和废物形式的调整和气化

另外，美国专利6,001,144(1999年12月14日)介绍了一种气化含有有机物质的废料的方法，该废料可以通过在空气或氧气和水蒸气的存在下部分氧化而被燃烧或气化。该气化方法包括下列步骤：调整所供应的水蒸气和含碳的有机物质的水蒸气/碳(H₂O/C)的摩尔比以基本上达到1和10之间，基本上在700-900℃温度下部分氧化所述有机物质，且在持续供应空气或氧气的同时间断地供应水蒸气以燃烧以碳作为主要成分的剩余可燃物。

因为气化是吸热反应，所以要求反应器保持在大约1300℃的高温下以持续反应。在常规的气化反应方法中，将氧气同含碳化合物(-CH₂)一同供应至气化反应器，由此引发了在含碳化合物中的碳和氢成分的氧化，并由该氧化产生燃烧热以保持在反应器中气化所需的高温。氧化反应是示意如下：

                            (1)

            (2)

反应1表示通常在主要成分为碳的煤中发生的燃烧反应，而反应2是在大分子量废料或有机材料例如废油中发生的主要燃烧反应。

氧气的需求量，随着供应至反应器中的煤(C)或废油(-CH₂)的性质变化，达到煤或废油的0.5～1.0倍重量。供应至反应器中的氧气是按照反应1和2消耗以增长在反应器中的温度并制得燃烧产物，H₂O和CO₂。

燃烧产物经历了与碳(其是有机材料的主要成分)的气化反应，正如反应3和4所示，气化反应要求比燃烧反应更长的反应时间和更高的温度以持续进行反应。有机材料例如废油(-CH₂)的气化反应是如反应5和6所示。

                      (3)