氣化爐和對含碳原料進行氣化處理的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及化工領域，具體地，涉及氣化爐和對含碳原料進行氣化處理的方法。
【背景技術】
[0002]我國本土油氣資源相對匱乏，而煤炭資源較為豐富。把以煤、生物質為代表的固體碳燃料轉化為清潔的氣體燃料或化工合成燃料是符合我國國情的能源利用技術路線:既符合我國的實際自然情況，又能夠有效緩解解決經濟發展進程中日益突出的環境問題。
[0003]液態金屬氣化爐采用液態金屬作為爐內介質，這種氣化爐主要如下幾個方面的優勢:
[0004]溫度便于控制，液態金屬是熱的良導體，能夠將碳原料氧化、金屬氧化等放熱過程放出的熱量供給碳原料熱解、熱解產物(焦油、酚類等)重整等吸熱過程，將碳原料、金屬轉化過程中釋放的熱能重新轉化為產品氣中的化學能，較現有的氣固流化床、氣流床氣化爐提高了能量利用率。而且液態金屬自身密度較大、擁有巨大的體積熱容，能夠保證在燃料特性發生變化或氣化爐負載產生突變的情況下爐內溫度相對穩定或平穩變化，進而保證產品氣的質量和氣化爐的壽命。
[0005]爐內介質與碳原料充分接觸，由于爐內金屬在工作過程中為液態，爐內介質與碳原料接觸充分。相較于氣態爐內介質，爐內單位體積液態介質具有更高的分子數密度，能夠更好地與固體碳原料進行反應并發揮金屬自身的催化作用。因此液態金屬氣化爐能夠在相對溫和的運行條件下處理更為復雜的氣化原料，簡化了系統復雜度，提高了氣化爐運行穩定性。液態金屬介質與碳原料充分的接觸也便于固定煤中硫、磷、砷、鉛、萊、鎘等有害元素，實現氣體生產、凈化過程的一體化，直接為下游用戶提供潔凈的產品氣。
[0006]原料準備簡化，由于液態金屬氣化爐轉化能力強，碳原料經粗破碎之后即可加入氣化爐。省去了現有氣流床氣化爐的制粉、制水煤漿步驟。
[0007]排渣簡便，可通過向爐內投入白云石等造渣劑將煤中有害元素富集于泡渣之中，隨后渣層渣可在重力與表面張力的作用下浮于液態金屬上方，形成熔渣帶排除。以上技術在鋼鐵、玻璃等領域已經發展成熟并廣泛應用，克服了現有氣流床氣化爐排渣難、易結焦的問題。
[0008]目前國外已經出現了基于液態金屬的碳氣化設備:美國的Ze-gen公司采用銅基氣化爐處理廢舊建材，該設備已經進入中試階段；加拿大Diversified-Energy公司則采用鐵基氣化爐處理生活垃圾以及褐煤，驗證了產品氣體生產-凈化過程一體化的可行性。但是作為采用高溫熔融態金屬作為爐內介質的氣化爐，爐內介質的流動與傳遞特性和氣化爐運行過程中的安全性是液態金屬氣化爐面臨的主要問題，限制了氣化爐的應用。
[0009]由此，氣化爐有待于研究。
【發明內容】
[0010]本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種利用金屬和金屬氧化物的密度差作為驅動力，實現爐內床層物料的自然循環的氣化爐。
[0011]根據本發明的一個方面，本發明提供了一種氣化爐。根據本發明的實施例，該氣化爐包括:殼體，所述殼體限定出熔煉空間；熔池，所述熔池設置在所述熔煉空間的底部，用于對金屬原料進行冶煉，以便得到熔融態金屬；空氣管路，所述空氣管路設置在所述殼體上，并且伸入至所述熔池內，用于向所述熔池提供空氣，以便利用所述空氣對所述熔融態金屬進行氧化處理，并且得到熔融態金屬氧化物；以及噴槍，所述噴槍設置在所述殼體上，并且伸入至所述熔煉空間內，用于向所述熔煉空間提供含碳原料和氣化劑，以便所述含碳原料與所述氣化劑、所述熔融態金屬氧化物和所述熔融態金屬接觸，并且獲得包括氫氣和一氧化碳的合成氣。
[0012]根據本發明實施例的氣化爐，利用金屬和金屬氧化物的密度差作為驅動力，無需價格昂貴的高溫金屬循環栗，即可實現氣化爐內床層物料的自然循環，并且，該氣化爐的結構簡單，物質傳遞特性好，系統穩定性和產氣性能高，氣化爐的生產成本低。
[0013]另外，根據本發明上述實施例的氣化爐，還可以具有如下附加的技術特征:
[0014]根據本發明的實施例，該氣化爐進一步包括:隔板，所述隔板設置在所述熔池中，其中，所述隔板的底部與所述熔煉空間的底部之間形成有適于所述熔融態金屬通過的縫隙，所述隔板的側壁上設置有適于所述熔融態金屬氧化物通過的通孔。由此，整個反應過程中空氣不與含碳原料以及合成氣直接接觸，在提高產品氣的熱值的同時保證了氣化爐運行的安全性，省去了現有氣化裝置昂貴復雜的空氣分離系統。
[0015]根據本發明的實施例，所述噴槍為自由式噴槍或固定式噴槍。由此，噴槍在噴射過程中會進行擺動，實現含碳原料連續進給的同時攪拌爐內反應物，原料轉化速率更快。
[0016]根據本發明的實施例，該氣化爐進一步包括:進料口，用于提供金屬原料和造渣劑；排氣管，用于排出所述合成氣；預熱單元，所述預熱單元與所述噴槍相連，用于在所述氣化劑進入所述噴槍前，對所述氣化劑進行預熱處理，以便得到預熱后的氣化劑。由此，造渣-排渣工藝主動排渣，保證液態金屬熔池的潔凈性，實現氣化爐連續，穩定運行。此外，對氣化劑進行預熱，促進氣化劑與含碳原料進行反應，生產合成氣。
[0017]根據本發明的實施例，該氣化爐包括:兩個相對設置的所述隔板，所述兩個相對設置的所述隔板將所述熔池分隔為氣化區、氧化區和造渣區，其中，所述進料口向所述造渣區中供給所述金屬原料和所述造渣劑，所述空氣管路伸入至所述氧化區中，所述噴槍伸入至所述氣化區中。由此，氣化過程主要在氣化區進行，金屬氧化主要在氧化區進行，熔渣及爐內雜質的造渣過程主要在造渣區進行，使上述各反應空間相互隔離，保證反應過程中空氣不與含碳原料以及合成氣直接接觸，在提高產品氣的熱值的同時保證了氣化爐運行的安全性，省去了現有氣化裝置昂貴復雜的空氣分離系統。
[0018]根據本發明的另一方面，本發明提供了一種對含碳原料進行氣化處理的方法。根據本發明的實施例，該方法包括:對金屬進行冶煉，以便得到熔融態金屬；利用空氣對所述熔融態金屬進行氧化處理，以便得到熔融態金屬氧化物；以及將含碳原料與所述熔融態金屬氧化物和氣化劑反應，以便獲得包括氫氣和一氧化碳的合成氣。
[0019]根據本發明實施例的方法，利用金屬和金屬氧化物的密度差作為驅動力，無需價格昂貴的高溫金屬循環栗，即可實現床層物料的自然循環，并且，該方法操作簡單，物質傳遞特性好，穩定性和產氣性能高。
[0020]根據本發明的實施例，所述含碳原料為選自石墨、裂解炭黑、焦炭、石油焦、煤、生物質炭和成型生物質的至少一種。由此，以價格低廉的含碳原料即可氣化制備合成氣，生產成本低。
[0021]根據本發明的實施例，該方法進一步包括:對所述氣化劑進行預熱處理，以便得到預熱后的氣化劑；利用造渣劑富集所述熔渣和所述含碳原料中的雜質，以便得到泡渣。由此，造渣-排渣工藝主動排渣，保證液態金屬熔池的潔凈性，實現氣化爐連續，穩定運行。此夕卜，對氣化劑進行預熱，促進氣化劑與含碳原料進行反應，生產合成氣。
[0022]根據本發明的實施例，所述造渣劑為選自石灰石、白云石、鋁礬土、粗鋁和粗錫的至少一種。由此，造渣效果好。
[0023]根據本發明的再一方法，本發明提供了一種利用氣化爐對含碳原料進行氣化處理的方法。根據本發明的實施例，所述氣化爐包括:殼體，所述殼體限定出熔煉空間；熔池，所述熔池設置在所述熔煉空間的底部；空氣管路，所述空氣管路設置在所述殼體上，并且伸入至所述熔池內；兩個相對設置的隔板，所述隔板設置在所述熔池中，所述隔板的底部與所述熔煉空間的底部之間形成有適于所述熔融態金屬通過的縫隙，所述隔板的側壁上設置有適于所述熔融態金屬氧化物通過的通孔，所述兩個相對設置的所述隔板將所述熔池分隔為氣化區、氧化區和造渣區，其中，所述空氣管路伸入至所述氧化區中；以及噴槍，所述噴槍設置在所述殼體上，并且伸入至所述氣化區內，用于向所述氣化區提供含碳原料和氣化劑；以及進料口，所述進料口設置在所述殼體上，并且伸入至所述造渣區內，用于向所述造渣區提供金屬原料和造渣劑，所述方法包括:通過進料口，將所述金屬原料供給至所述熔池，并對所述金屬原料進行冶煉，以便獲得熔融態金屬，利用所述空氣管路向所述氧化區提供空氣，以便通過所述空氣在所述氧化區對所述熔融態金屬進行氧化處理，并且得到熔融態金屬氧化物，其中，所述熔融態金屬氧化物從所述氧化區經所述通孔進入所述氣化區和所述造渣區，所述熔融態金屬從所述氣化區和所述造渣區經所述縫隙進入所述氧化區，以便使所述熔融態金屬氧化物和所述熔融態金屬在所述熔池內循環流動；利用所