專利名稱：多區域熔融金屬氫氣發生器的制作方法
本申請是1992年9月1日申請的美國專利申請號939，533(代理人備案號6391BUS)的部分續申請，它本身是1991年9月20日申請的USSN763，097的續申請(代理人備案號6391AUS)，而這又是1990年6月21日申請的美國專利申請號542，234(代理人備案號6333AUS)的部分續申請。
美國專利申請號542，234，1990年6月21日申請(代理人備案號6333AUS)，和美國專利申請號625，350，1990年12月11日申請(代理人備案號6333CUS)涉及本發明的普通技術領域并且兩者特意被引入本文供參考。
本發明的普通技術領域涉及將烴類轉化為兩股氣流含有較純的氫氣的氣流和含有碳氧化物的氣流。更具體地說，本發明涉及熔融金屬或熔融浴反應介質與上述轉化方式的應用。
由授權于Tyrer的US1，803，221披露了兩區域熔融鐵氣化器，它是通過成正切線(tangentially)吹氣來控制兩區域之間鐵的循環;在授權于Rasor的US4，187，672中，兩區域熔融鐵氣化器生產不混熔的氧化鐵層，該氧化鐵層將溫度升高到使熔浴保持熔融狀態所需的溫度;在授權于Mayes的US4，338，096中，兩區域熔融鐵氣化器在帶有“泡沫流”多相液流的區域間循環;在授權于Rummel的US2，647，045中，兩區域熔融鐵氣化器也生產鐵氧化物。
許多專利包括授權于Bach的US4，574，714和4，602，574均公開了沒有在兩區域之間循環的單個反應區域。
有幾篇文獻披露了熔融鐵不僅用來作為煤氣化的氣化介質，還用來作為各類烴的熱解介質。然而在這些文獻中并沒有披露的是，各區域的特殊設備，兩區域之間的循環速率，以及在它們之間如何控制轉換以便既保持熱平衡而又獲得足夠純的高壓氫氣流。
一般來說，本發明包括至少三個熔融金屬區域裝置，依次稱作第一熔融金屬區域裝置，第二熔融金屬區域裝置，和第三熔融金屬區域裝置。熔融金屬組分也要包括在特定區域內的任何熔融物料層;例如，熔融的金屬如鐵和它的合金，和爐渣組分(它形成含有此類熔融金屬的單獨的熔融層)。
在該第一熔融金屬區域中，有一裝置用來導入原料和優選還導入(或與原料一起，或與原料分開)爐渣層組分或熔融金屬組分，兩者優選在該第一熔融金屬區域裝置中物料的熔融金屬表面之下。優選地，另外有用來保留爐渣層的裝置和用來控制該第一區域裝置中壓力的第一壓力裝置。用來保留爐渣層的裝置(從像在核電站中這樣的裝置的其它用途來說是眾所周知的)例如提供了能夠測量亞原子粒子流的檢測器。這些裝置能夠被固定到壓力調節裝置上以在區域裝置中保持所需的液面高度。另外，可選擇性地至少有一個下列一種或多種物質的導出裝置1)熔融金屬組分;2)爐渣層組分;和3)置導入固體組分的裝置，通過第四管道將固體組分或氣態組分導入區域1。另外，有用于除去氣態組分(最初具有非常高的溫度)的壓力調節裝置。在與壓力調節裝置接觸之前，氣態組分例如被間接熱交換器冷卻。而且，有用于除去爐渣層組分的裝置，以及額外補充量的熔融金屬應該是必須的，這是因為在導入原料組分的過程中熔融金屬物料的增加。增加熔融金屬的量的這種情況例如可以在導入切碎的輪胎的情形下發生，該輪胎含有在橡膠內纏繞的鋼絲。
同現有技術相比，本發明另一個優點是本發明能夠在1-3000，較好15-1500，和最好在約30-700磅/英寸2的壓力范圍內釋放出大制純凈的氫氣流。
直到現在為止，還有幾個未曾討論過的優點。其中最為明顯的是經濟實用。該系統可以使用眾多的原料，不管是否危險，而不需費力地去克服困難或解決問題。其它操作方面的優點包括比較容易控制熱平衡，這可適應生產氫氣的量發生的變化。普通的氫氣設備經設計至少可達到某些最低產量。如果不能達到設計所要求的最低氫氣產量，那么就使氫氣設備的運轉發揮不了應有的作用或有困難。本發明的一個優點是可以大范圍地改變氫氣的產量。例如，設計產量為20百萬(20MM)標準立方英尺/天的氫氣設備可以從該最高產量減少至2百萬(2MM)標準立方英尺/天。這與一般設計的產量為20百萬(20MM)標準立方英尺/天的氫氣設備不一樣，它甚至不能使其產量減少至8百萬(8MM)標準立方英尺/天。因而根據本置導入固體組分的裝置，通過第四管道將固體組分或氣態組分導入區域1。另外，有用于除去氣態組分(最初具有非常高的溫度)的壓力調節裝置。在與壓力調節裝置接觸之前，氣態組分例如被間接熱交換器冷卻。而且，有用于除去爐渣層組分的裝置，以及額外補充量的熔融金屬應該是必須的，這是因為在導入原料組分的過程中熔融金屬物料的增加。增加熔融金屬的量的這種情況例如可以在導入切碎的輪胎的情形下發生，該輪胎含有在橡膠內纏繞的鋼絲。
同現有技術相比，本發明另一個優點是本發明能夠在1-3000，較好15-1500，和最好在約30-700磅/英寸2的壓力范圍內釋放出大制純凈的氫氣流。
直到現在為止，還有幾個未曾討論過的優點。其中最為明顯的是經濟實用。該系統可以使用眾多的原料，不管是否危險，而不需費力地去克服困難或解決問題。其它操作方面的優點包括比較容易控制熱平衡，還可適應生產氫氣的量發生的變化。普通的氫氣設備經設計至少可達到某些最低產量。如果不能達到設計所要求的最低氫氣產量，那么就使氫氣設備的運轉發揮不了應有的作用或有困難。本發明的一個優點是可以大范圍地改變氫氣的產量。例如，設計產量為20百萬(20MM)標準立方英尺/天的氫氣設備可以從該最高產量減少至2百萬(2MM)標準立方英尺/天。這與一般設計的產量為20百萬(20MM)標準立方英尺/天的氫氣設備不一樣，它甚至不能使其產量減少至8百萬(8MM)標準立方英尺/天。因而根據本發明氫氣設備，在大范圍內制造所需量的氫氣方面具有較大的靈活性。
根據本發明所造的氫氣設備的另一個明顯的優點是在一個步驟中就可制得較純的氫氣，而且容易做到。這確實是真的，因為借助于爐渣層將硫除去是本發明反應器的總特征。
除了上述優點之外，本發明的氫氣設備尤其適合于使用煉油工藝液流(通常稱作溶劑脫瀝青殘渣(solventdeasphaltedpitch)(SDA)殘渣))，該液流是當石油殘渣與輕質烴類溶劑接觸時產生的煉油副產物流。溶劑從殘渣中除去餾出油，剩下瀝青，它是高碳含量、低氫含量、高硫含量和高金屬含量。具有類似性能的該種液流和其它液流在大多數煉油廠是存在的，并且所有這些液流可以容易地用作本說明的原料。
本發明的氫設備還有一個優點是能夠將乙烷或甲烷加入到高壓區，產生大致純凈的氫氣。此外，低氫含量的烴類可導入低壓區，或區1或區2，目的在于提供為了保持氫氣設備正常運轉所需的熱平衡。關于低氫含量的碳的例子是溶劑、瀝青、上述SDA殘渣、未自真空蒸餾塔的渣油和煤。總之，具備一個三區域系統，能夠將高氫含量的烴類(烴類)如甲烷或乙烷引入到高壓區，而低氫含量的烴類處在低壓(如基本上在大氣壓下)下，并且通過平衡每一種氣流的量，提供了另外一種熱平衡的途徑和方法。目的在于獲得高純氫氣的烴類是由大致上只有碳和氫所組成的物料，其H∶C摩爾比至少是1∶1，較好是至少1.5∶1，并可在大范圍約1∶1至4∶1內。值得注意的是，甲烷的H∶C是4∶1，乙烷的是3∶1，和辛烷的是2.25∶1。
附圖
公開了以橫截面側視圖表示的氫氣設備。
附圖中所公開的是熔融金屬氣化設備12，它包括三個熔融金屬區域裝置，第一熔融金屬區域14，第二熔融金屬區域16和第三熔融金屬區域15。
在該第一熔融金屬區域14中有在相應于管道63的表面的下方由第一區域導入裝置50導入原料的裝置;
第一區域循環導入裝置52;第一區域循環導出裝置54;氣體導出裝置39;第一區域爐渣層導出通道45;混合溢流板94;注料塞70;熱交換器32;調壓裝置28;排出、冷卻和貯存熔融物料的裝置42。第一熔融金屬區域裝置14的壁、底和頂具有三層。第一層包括金屬外殼11。第二層包括絕熱層9和第三層包括耐火磚層10。
第二區域或第二熔融金屬區域16包括第二區域循環導入裝置51;第二區域循環導出裝置53;氣體出口39;混合溢流板94;熔融金屬注料塞70;壁和頂優選至少包括三層;混合溢流板94;熔融金屬出口92;氣相出口39，熔融金屬出口92;最好有燃燒加熱氣體入口68;氣體輸入管道77;蒸氣或其它氣體輸入管道78。
熔融金屬區15包括第三區域循環入口56，第三區域循環出口57;優選具有至少三層的壁、底和頂;氣相出口39;熔融金屬注料塞70。
連接第一、第二和第三熔融金屬區域的是管道22、18和24。在管道22中，有一氣體注射裝置74，包括管道75和閥門72。在管道24中，也有一氣體注射裝置74，也包括單獨的管道75和閥門72，其起著與管道22中氣體注射裝置72相同的作用。
在管道63中，有閥門65，螺旋進料機64(由發動機66帶動)。料斗62存儲物料，物料最好因重力進入進料機64的喉部。
簡單地說，稱為設備12的系統操作如下原料(氣體或固體形成或兩者都有)通過管63被導入設備12中。氣態組分可從物料源(未畫出)經過閥門65導入。借助于進料機64，進入管道63的固體原料由液流體、蒸氣或其它氣體攜帶沖向第一區域原料入口50。原料最好在熔融層80下方導入，該熔融層包括有熔融金屬(例如鐵或含鐵的其它物料)以改進可熔性和反應活性。一般地，一蒸氣栓塞會阻止熔融金屬進入管道63。在第一熔融金屬區域裝置14中，優選有三個不同的物料層。第一層是熔融金屬80，其中溶解有原料和一些氣態輸入料(也是由管道63導入的)。浮在熔融金屬層80上的是爐渣層84。一般密度比熔融金屬低的爐渣會浮在熔融金屬層80上面。在爐渣層84上方的是蒸氣層81。在蒸氣層81中主要是氫氣，帶有一些一氧化碳和痕量的甲烷。層84的精確水平是由蒸氣層81中所保持的壓力大小決定的。蒸氣層81中壓力大小是由壓力控制器或壓力調節裝置28測得的。壓力調節裝置28為管道40上的閥門30提供定值控制。壓力傳感器26監測閥門30上游的壓力以確定相對于加壓蒸氣源(未畫)來說是打開或者關閉閥門30。一般地，閥門或打開或關閉是為了保持壓力在蒸氣水平或蒸氣層81的壓力范圍內。
為了由第一區域爐渣導出通道45從爐渣層84中排出爐渣層組分，需要調節氣體層81和89中的壓力。爐渣排出罐44內的氣體壓力由爐渣壓力控制系統48測定。爐渣壓力控制系統48包括一個壓力控制器60，它為兩閥門46和47設定值。管道56分成兩根導出管道，它們分別裝有閥門46和47。壓力控制器60為每一個閥門(分別是46和47)設定值，以便使導入氣體增加壓力以保持氣體層89的壓力。當壓力超過所設定的值，兩閥門中一個將打開降低壓力。換言之，閥門47可讓加壓氣體流入，而閥門46則可讓此壓力降低，這樣罐44內的總壓力(在氣體層89中測得)保持在所需要的值。這樣可依次由氣體81的相對壓力和氣體89的相對壓力決定爐渣層組分從84經過通道45流入罐44。在除爐渣罐44中有一液體層88，最好包括水或其它一些能夠除去大量熱量的介質。換言之，液體層88是驟冷層，能使層84中爐渣組分固化成固體顆粒87。顆粒料87經管道59導入由發動機61帶動的進料機管道58。由管道58傳輸的物料被送往未披露的位置。附加的液體可借助于一個閥門(未畫出)導入罐44中。附加的熔融金屬組分可由注料塞70導入罐14中。
應該注意，在設備12的最初起動階段，熔融金屬可通過由普通號碼70表示的任何注料塞導入。有關這種至少三個區域的起動的詳細情況，在US專利申請號No.625，350和No.542，234中得到了討論和公開。
每一區域中各層的準確位置可由每一區域中所存在的相對壓力確定。因此，改變罐14的氣體層81的壓力將導致三個區域中每一個熔融層位置的變化。
區域16包括了與區域14和15同樣的一些項目，至少就壓力控制而言。熔融金屬從罐14按照箭頭71所示方向傳輸經過管道24，通過入口51進入罐15。流進入口51的物料確保了至少兩個源的攪拌。第一攪拌源是溢流板94，它確保了入口51至第二區域出口53之間的迂回流動。第二攪拌源是氣體組分通過管道77和78的導入。正如前面所解釋的，氣體輸入料的導入管道77可導入氧氣或甚至可導入烴類原料。氣體輸入料的導入管道78可導水蒸汽或其它氣體組分。通過在熔融金屬層82下方的這些管道導入的氣體組分將在罐15中進行適當的反應，而該反應將參照本發明的實施例更詳細地討論。氣體組分進入氣相83，其中氣體組分通過氣體出口39和絕熱煙囪38排出。絕熱煙囪38中非常熱的氣體組分通過熱交換器32，在此處氣體組分與從入口34進入的和從出口36離開的物料進行間接熱交換。被冷卻的氣體然后進入管道40，在這里壓力調節控制器28保持管道40中壓力在所需的值。閥門30具有設定值以釋放過量的氣體，來保持管道40內的壓力在所需要的值。該值是由罐15內物料的所需液面和根據在蒸氣層83中檢測到的所需壓力來決定。從層82流過來的熔融金屬通過第三區域出口53進入管道18，然后再進入罐16。熔融金屬由混合溢流板94進行攪拌，板94與區域14和15中混合溢流板的設計相類似。
進入第三區域循環入口56的熔融金屬在層85中混合，然后部分按照箭頭71的方向通過第三區域循環導出裝置57進入管道22。
選擇性地但也是優選地，氣體物料(如乙烷和甲烷)經管道96和閥門98導入氣體組分的入口97。接著，與在罐15中一樣，罐16的氣體層90通過與已經就罐14和15所描述的相同的壓力控制系統來保持在一定的壓力。相同的功能元件采用同樣的數值。經第二區域循環導出裝置53離開的熔融金屬進入管道22，然后再返回到罐14中，其中它是經第一區域循環入口52進入熔融層80的。選擇性地但也是優選地，存在一個氣流控制裝置74，包括閥門72和管道75。它們中的每一個分別向下插入通過管道22和24的壁。取決于通過管75注射到管道22或24中的氣體量，熔融金屬按照箭頭71的方向的運動速率可提高或降低。氣體組分從氣體源(未畫出)經閥門72和經管道75導入管道22，將趨向于提高管道22內沿箭頭71的方向的循環速率。然而，氣體組分導入循環管道24將降低管道24內由箭頭71表示的循環速率。
實施例1詳細討論了適合于通過剛才討論的各種管道導入物料的速率。在實施例1中，還討論了甲烷和乙烷作為在第一區域14中發生氫氣的烴類原料，除非另外還添加了具有較高碳/氫含量的原料組分。
表A用表列出了優選的參數水平
關于該裝置如何起動和熔融金屬如何被導入該系統和如何首先引起循環的詳細情況，參見美國專利申請號542，234，1990年6月21日申請(代理人備案號6333AUS)。在該美國專利申請號還披露了停機操作步驟。
實施例1(本發明使用補充的碳原料+甲烷作為初始原料)本實施例顯示了僅由甲烷或乙烷作為單獨的原料發生氫氣的情況。將甲烷(和/或乙烷)分解為碳和氫(吸熱反應)所需要的能量并沒有被當產生碳氧化物時所釋放的能量補償。這是事實，因為將一氧化碳轉變為二氧化碳所釋放的能量并未傳給熔融金屬，而是當部分受熱氣體經與第二區域15相連通的管道38排出時能量從系統中跑了。只有碳與氧反應生成一氧化碳所釋放的熱量傳給了熔融金屬。基本上，在第一區域14中產生氫氣和在第二區域15中產生碳氧化物。
在該實施例中還顯示出這種一種必要性循環速率必須是至少25磅鐵/每磅從導入到氫氣設備12或氫氣設備112中的任何原料溶解而來的碳。
參考附圖，下面簡要討論本發明優選實施方案的穩態操作。
理解本發明的熔融金屬氣化器的穩態操作的最直接方式是考慮各種能量和進出該系統的物料之間的關系。
在穩態操作時，就能量平衡方面的考慮而言，罐12(第一區域)中烴類熱分解為氫和碳(碳溶解(dissolved)在熔融金屬中)的速率決定了罐12的熱需求量。
該熱需求量可由進入罐12的熔融金屬的溫度降低來滿足。這必須由溶解在罐14的熔融金屬中的碳的放熱反應(氧化為一氧化碳)。補償。罐14中的放熱反應可由在比其進入時的溫度更高的溫度下離開的熔融金屬來調節。為了使整個系統保留在穩態，幾個同時的要求必須達到平衡。
首先，罐12和15中凈熱量需求(任何系統熱量損失)和將所有進入到該系統中的原料加熱至其操作溫度所需要的熱量必須由罐14中釋放的熱量補償。
其次，熔融金屬循環速率必須如以下條件在進入的和離開的熔融金屬之間碳濃度的差值乘以熔融金屬的質量流速等于罐12的凈碳進料速率。在碳含量在約4.2%(重量)時熔化鐵剛好有最低熔點。在較高或較低的碳含量下，鐵碳熔化液的熔點升高。在約6%C(重量)下，在任何溫度下不能使更多的碳溶解。如果所有進入罐14的碳被氧化，則最低碳含量是0。而0表示極端下限，實際實施下限高一些。下文將討論該極限。這意味著最低熔融金屬循環速率是1/(0.042-0)或23.8磅熔融金屬/每磅碳。
再次，管道22和24中密度差異必須足以確定和保持所需要的熔融金屬循環速率。管道22和24中之間的密度差異部分地由溫度差、由碳含量差異和由在兩管道中每一個之中的熔融金屬的注射氣體含量引起的。
如果在原料中存在硫或其它不希望有的污染物，硫將會生成硫化氫并隨離開罐14的氣體排出。在絕大多數情況下，硫化氫是不允許有的。在煉油物流有硫化氫存在的大部分情況下，硫化氫可由特殊的吸收系統除去。對于本發明，可加入某些含有鈣的助熔(flux-ing)化合物，例如碳酸鈣或氧化鈣。該助熔化合物會形成熔融爐渣層，漂浮在熔融金屬上面。助熔化合物中所含有的鈣在罐14的溫度下經過反應生成氧化鈣。氧化鈣與熔融金屬中的硫反應生成硫化鈣并保留在爐渣層中。熔融金屬中較高的碳含量有利于熔融金屬中的硫與爐渣層反應。助熔化合物和爐渣可定期或連續添加和/或排出。
因為隨著烷烴氣體的碳原子數下降，氫/碳摩爾比增大，每摩爾碳所需要的吸熱對于甲烷來說是最高的，其次是乙烷。分解甲烷和乙烷的吸熱反應所需的熱量比將它們所含有碳燃燒生成一氧化碳所產生的熱量還多。不太可能利用由碳反應生成二氧化碳所產生的熱量，因為當生成一氧化碳時，它迅速逃離熔融金屬浴。如果存在足夠的氧氣促使反應形成二氧化碳，該反應僅在熔融金屬層上方的氣體區83中發生而且不能加熱熔融金屬。一氧化碳氧化成二氧化碳的主要的結果是提高了離開罐14的氣體的溫度。由于受熱交換物料的限制，將進去的氣流加熱到816℃(1500°F)以上是無法達到的。離開的氣體的溫度太高并沒有好處。
本發明最重要的特征在于，當進入到罐14中的氣體原料未含有足夠的碳使系統在熱平衡的條件下運轉，可與氣體原料一道加入高碳含量原料(如溶劑脫瀝青產物)，使系統處于熱平衡。如果在原料中加入過量的高碳含量的原料，將蒸汽加入到罐15中生成氫氣和一氧化碳(放熱反應)，使系統處于熱平衡。
罐14中壓力可在略高于大氣壓(14.7磅/英寸2)至稍高于400磅/英寸2的范圍內，壓力上限不受任何主要條件的限制，除非需要從經濟上平衡使罐保持高壓的額外費用與因在高壓下產生氫氣而使加壓費用的節省。在高于400磅/英寸2的壓力下，當罐14溫度為1371℃(2500°F)時，甲烷，氫氣和碳之間的化學平衡使得罐14的排出氣體中氫氣純度下降到95%以下。
操作溫度受罐15＝4、15和16中耐火材料襯里的溫度限制的約束，并且，該溫度越高，熱量損失也大。高溫、高進料速率和高熔融金屬循環速率的綜合作用使耐火材料襯里的燒蝕速度更快。罐14中原料氣和罐15中氧氣和蒸汽與熱的排出氣體的熱交換是希望有的。原料流出氣流熱交換一方面受熱交換設備的費用限制，另一方面是高的熱效率帶來的節省之需要。熔融金屬循環速率必須至少是24磅熔融金屬/每磅碳。最理想的循環速率是在100-1000磅熔融金屬/每磅碳的范圍內。
實施例1的以下細節解釋了特定操作條件下的上述概念。對于這種情況，原料由純甲烷構成。這決不是想要限定可被處理的烴類原料的范圍，而選擇它是為說明之目的。選擇原料進料速率為16克/小時。這接近甲烷的分子量(以克計)，簡單地正好選擇速率為16噸/小時。甲烷中約4克生成氫氣，相應地，12克生成碳(熔于熔融金屬)。對于本實施例的目的，原料甲烷通過與罐15排出的氫氣進行熱交換而被升溫到760℃(1400°F)。上述吸熱反應所需的熱量和將甲烷升溫至反應溫度(在本條件下為1250℃(2282°F))所需的熱量是大約72，000卡。在第二區域16中，12克碳被氧氣(已經與排出的一氧化碳進行熱交換升溫至760℃(1400°F))氧化為一氧化碳。由該反應產生的熱量，不包括將氧氣升溫至操作條件(在本條件下為1291℃(2356°F)所需要的熱量，是大約62，000卡。系統中附加的熱量損失是取決于系統的特性。在本實施例中損失10，000卡的熱量值。
該系統沒有處于熱平衡，因為罐15中需要72，000卡，系統損失10，000卡，而罐16中只能產生62，000卡。欠缺約20，000卡。通過向罐14另外添加13克高碳含量的原料，罐14需要15，000卡熱量，從而，在罐16中另外產生62，000卡熱量，使熱量過剩。這就讓大量的蒸氣加入到罐16中，蒸汽與碳的吸熱反應生成氫和一氧化碳。為使系統處于熱平衡，蒸汽的添加速率是變化的。
當將助熔劑加入到罐14中時，另外還需要熱量將助熔劑升溫至操作溫度。助熔劑的添加速率由高碳含量物料速率乘以其含硫量再乘以爐渣與硫的反應效率來決定。越多的助熔劑加入到罐14中，就需要越少的蒸氣加入到罐16中使系統處于熱平衡。
改進所討論的特定的組成、方法或實施方案只是想要說明由本發明書披露的發明。在這些組成、方法或實施方案上的變化對本技術領域(以本說明書的內容為基礎的技術領域)的熟練人員來說是很明顯的，因而，想要將其包括進來作為本文所披露的發明的一部分。例如，附圖沒有顯示出一件設備(如磁力泵)，此類設備在說明本發明的功能時是不需要的，因而，除非另有說明，否則可被排除。
本發明的一個變化形式，是在全部或部分系統的耐火襯里和鋼壁之間安裝冷卻夾套。調節冷卻速度，這樣，在耐火襯里的內壁上將形成固化的爐渣或鐵層，以防止或減少爐渣或熔融鐵對襯里的腐蝕。這樣，這種安排在熔融爐渣與耐火材料襯里接觸的地方特別有用。
本發明的另一種變化形式是加入有害的有機化合物如dioxin，多氯化聯苯類，氰類，多鹵化有機化合物類和類似物作為全部和部分高碳含量的(含碳的)原料。這些物料或者在第一區域的熔融金屬表面的下方注射進去，或者注射到流出管道24(也稱為循環管道24)中。從管道24導入物料，使其在高溫下的停留時間更長。在1200℃(2192°F)以上的溫度下，所有有害的有機物料快速而完全分解，即化學鍵如C-C鍵熱斷裂。硫、氯和溴被爐渣層84或甚至可能被86吸收。重金屬如鉻、鎘、汞、鉛或砷或者與熔融鐵形成合金，或者被爐渣吸收。
本發明還有另外一個變化形式是將來自石灰石洗滌器的廢石灰石用作爐渣組分(例如鈣原料)來源的全部或部分，加到入第一區域14或114中。來自石灰石洗滌器的廢石灰石很少含有10%以上的硫，并且所存在的鈣中至少80%或者是氧化鈣或者是碳酸鈣。
本發明還有另外一個變化形式是添置由與第一和第二區域的耐火材料襯里類似或相同的耐火材料制造的擋板或混合裝置，為的是在第一或第二區域內引起更多所需要的流動形式。
本發明還有另外一個變化形式是采用電磁泵作為控制熔融鐵流速的的第二級裝置。這種類型的泵研制出來用于在核工業中的增殖反應堆中循環液態金屬冷卻劑。
本發明還有另外一個實施例是加入了含重金屬的催化劑如裂化催化劑，它來源于流體催化裂化或除金屬系統，比如在授權于Myers的US4，390，415，授權于Hettinger的US4，406，773，授權于Busch的US4，427，539等中所公開的。催化劑中高達7000-8000ppm的金屬在重點集中于裂化已提煉過的原油以生產汽油狀組分的操作中是不常見的。本發明的方法和設備就從重金屬污染過的裂化催化劑中獲得金屬而言取得了特別好的效果。在用于從熔融金屬浴中獲得重金屬(如釩)的步驟當中，無非是在處理過程中的某一種除去所有的碳組分，然后將重金屬引入爐渣層并從爐渣層中回收重金屬，說明書中的M表示“千”(1000)和ppm指百萬分之一(重量)。
在另一個變化了的實施例中，向熔融金屬鐵中加鎳或錳，能夠改進熔融金屬鐵的性能，預料它能夠更容易地溶解和進行化學反應。
可使用三個或多重區域的熔融金屬浴，例如，當將不同的原料加入到幾個不同的爐浴中時。
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權利要求
1.一種用于生產大致純凈和加壓的氫氣的三或多區域熔融金屬氣化設備，包括第一區域，第二區域和第三區域，其中該第一區域裝置在空間上位于該第二和第三區域裝置的上方；和其中在操作上連接到該第一區域裝置的是(a)第一區域循環導出裝置，它用于將該第一區域裝置以流體密封的方式連接到循環管道中；(b)第一區域循環導入裝置，它用于將該第一區域裝置以流體密封的方式連接到循環管道中；(c)第一區域原料導入裝置，它用于將碳基原料或爐渣層組分導入該第一區域裝置；(d)第一區域氣體導出裝置，它用于排出至少一部分在該第一區域裝置中存在的氣相組分；(e)第一區域水平面保持裝置，它用于保持該第一區域裝置內熔融金屬和爐渣在所需要的水平面高度；在操作上連接到該第二區域裝置的是(f)第二區域循環導出裝置，它用于將該第二區域裝置以流體密封的方式連接到循環管道中；(g)第二區域循環導入裝置，它用于將該第二區域裝置以流體密封的方式連接到循環管道中；(h)第二區域氣體導出裝置，它用于排出至少一部分在該第二區域裝置中存在的氣相組分；(i)第二區域原料導入裝置，它用于將氧氣或氧氣和水蒸汽導入該第二區域裝置；以及，在操作上連接到該第三區域裝置的是(j)第三區域循環導出裝置，它用于將該第三區域裝置以流體密封的方式連接到循環管道中；(k)第三區域循環導入裝置，它用于將該第三區域裝置以流體密封的方式連接到循環管道中；(l)第三區域氣體導出裝置，它用于排出至少一部分在該第三區域裝置中存在的氣相組分；(m)第三區域原料導入裝置，它用于將烴基原料導入該第三區域裝置；(n)至少三個循環管道，包括第一、第二和第三循環管道，每一個具有至少一個入口端和至少一個出口端，和其中該第一循環管道的入口端被連接到該第一區域循環導出裝置和該第一循環管道的出口端被連接到該第二區域循環導入裝置；該第二區域循環管道的入口端被連接到該第二區域循環導出裝置和該第二循環管道的出口端被連接到該第三區域循環導入裝置；和該第三循環管道的入口端被連接到該第三區域循環導出裝置和該第三循環管道的出口端被連接到該第一區域循環導入裝置；因而，該第一區域裝置中的熔融金屬將主要和基本上唯有在密度差異的影響下流動，密度差異基本上僅是因為在該設備不同部位中熔融金屬物料的溫度和碳含量的差異引起的，其中該熔融金屬組分的溫度壓力分別是在第一區域裝置中溫度在1200-2500℃(2192-4532°F)范圍內；在第二區域裝置中溫度在1250-2550℃(2192-4532°F)范圍內；和在第三區域裝置中溫度在1200-2500℃(2192-4532°F)范圍內；和其中第一區域內壓力是在1-2大氣壓范圍內，第二和第三區域內壓力是在2-100大氣壓范圍內。
2.權利要求1的設備，其中該第一區域氣體導出裝置，該第二區域氣體導出裝置和該第三區域氣體導出裝置每一都包括有一個間接熱交換器和用來控制各自區域裝置內蒸氣壓力大小的壓力調節閥。
3.權利要求1的設備，其中該第一區域水平面保持裝置包括一個用于檢測該第一區域裝置內爐渣或熔融金屬的水平面高度的裝置和一個用于在該第一區域裝置和該壓力調節排出區域裝置的內部之間引起壓力差的壓力調節排出區域裝置。
4.權利要求1的設備，其中另外有至少一個向下的氣體注射裝置，其可將氣體導入到該第一和第三循環管道中的一個或兩個之中。
5.權利要求1的設備，其中該第一區域原料導入裝置包括一個用來在該第一區域裝置的任何熔融金屬物料組分的表面的下方導入物料的裝置，因而，在該含碳氣體中所含的氫能夠在高壓下以大致純凈的形式產生。
6.權利要求1的設備，其中該第三區域原料導入裝置包括一個用來在該第三區域裝置的任何熔融金屬物料組分的表面的下方導入含碳氣體的裝置。
7.權利要求1的設備，其中該第二區域原料導入裝置包括一個用來在該第二區域裝置的任何熔融金屬物料的表面的下方導入氧氣或H2O的裝置;因而產生了氫氣和碳氧化物。
8.權利要求7的設備，其中該含碳原料含有C∶H摩爾比在1∶1-n∶(2n+1)范圍內的物料，其中n是該含碳原料中C的平均摩爾數。
9.權利要求4的設備，其中該至少一個向下插入的氣體注射裝置位于該第一或第三循環管道的下半部分并貫通管壁。
10.一種既可以在1-200大氣壓的范圍內的壓力下發生大致純凈氫氣又可以發生高BTU燃料氣流的方法，該方法包括(a)將含碳原料導入第一區域中的溫度為1200-2550℃(2191-4532°F)的第一熔融金屬浴中以保持該第一熔融金屬浴中溶解有1-5wt%的碳;(b)輸送至少一部分該第一熔融金屬浴到第二區域的第二熔融金屬浴中保持該第二熔融金屬浴中的溫度至少比該第一熔融金屬浴高50℃(122°F)，保持這兩溫度，并通過在該第二熔融金屬浴中添加控制量的氧氣來氧化碳以減少該第二熔融金屬浴的碳含量;(c)從該第二熔融金屬浴中輸送至少一部分熔融物料到第三區域的第三熔融金屬浴中，通過添加大致純凈的烴類原料保持該第三熔融金屬浴的碳含量為約1-5wt%和溫度至少比該第一熔融金屬浴高50℃(122°F)，從而在該第三區域內產生大致純凈的氫氣;和(d)將至少一部分該第三熔融金屬浴循環到該第一熔融金屬浴中;其中從該第一區域輸送到該第二區域再回到該第一區域的熔融物料的總量是25-5000kg熔融金屬/每kg原料;對原料中每摩爾的碳有約1-2摩爾氧氣被加入到該第二區域中，在所有該熔融金屬浴中的碳含量被保持在約1%以上。
11.權利要求10的方法，其中足夠的H2O作為蒸汽加入到該第二區域中以平衡在該第二區域中與氧反應所放出的熱量，以便保持該第二熔融金屬浴中的溫度在所需要的范圍內。
12.權利要求10的方法，其中對每kg原料將循環約100-2000kg熔融金屬;氧/碳的總摩爾在1∶1-1.5∶1的范圍內;以加入到該第一區域中的含碳原料和以加入到該第三區域中的純烴類原料為基礎，所加入的全部碳是約0.1-4摩爾/每摩爾所加入的氫。
13.權利要求10的方法，其中該第一區域比該第二區域高約1-200米，兩區域間的物料輸送借助于因溫度和碳含量差異引起的密度差異。
14.權利要求12的方法，其中該第一區域比該第二區域高約1-200米，兩區域間的物料輸送借助于因溫度和碳含量差異引起的密度差異。
15.一種產生大致純凈的、壓力在100-200大氣壓氫氣流和產生高BTU燃料氣流的方法，該方法包括a.在第一、第二和第三密封區域內提供第一、第二和第三熔融金屬浴，這些爐浴相互連通后允許從該第一爐浴流向第二爐浴，流向第三爐浴，再循環回到該第一爐浴;b.保持該第一爐浴在約1200-2550℃，該第二和第三爐浴至少比該第一爐浴高50℃;c.向該第一爐浴中加入烴類原料;d.向該第二爐浴加入約1-2摩爾氧/每摩爾加入到該第一爐浴中的該烴類原料中的碳;e.將25-5000kg熔融金屬從該第一爐浴中循環到該第二爐浴，到該第三爐浴，再循環回到該第一爐浴/每kg該烴類原料中所含的碳;f.向該第二區域中加入約1-2摩爾氧/每摩爾該烴類原料中所含的碳;其中，該循環借助于因每兩區域之間溫度和碳含量的變化引起的該熔融金屬的密度差異。
全文摘要
一種多區域熔融金屬鐵汽化器，用于通過向第一區域或罐的熔融金屬中引入碳，將含氫和碳的原料，如丙烷、溶劑脫瀝青產物等，轉化為在一定壓力下的大致純凈的氫氣如CO/CO
文檔編號C01B3/24GK1095358SQ94104288
公開日1994年11月23日 申請日期1994年4月20日 優先權日1993年4月22日
發明者D·P·馬隆 申請人:埃什蘭石油公司