CN103237904A - 联合生产生铁和高质量合成气的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在几种工艺和装置中组合使用了微波加热和等离子弧/电弧加热，该工艺和装置包括：生铁和高质量合成气的联合生产、生物质制备液体燃料、煤制备液体燃料、生物质和煤炭的联合气化、市政固体废物处理、废物-能量转化（农业废物、ASR和PEF）、用以回收锌和铁的EAF粉尘和BOF污泥处理、有毒底灰玻璃化以及溴、氯和硫的去除/循环利用。

Description

联合生产生铁和高质量合成气的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2011年6月14日申请的美国临时申请61/496,733号、2010年10月15日申请的美国临时申请61/393,521号和2010年8月3日申请的美国临时申请61/400,850号的权益，其内容通过引用方式并入本文。
发明背景
本发明涉及用于还原和熔炼铁矿石并产生具有受控的高质量组成的合成气的工艺和装置。
石油已经被认为是任何未来能源危机的中心。为了确保未来能源供给，长期以来都在研究用于将含碳材料（例如生物质和煤）转化为液体燃料的技术，因为这类材料有巨大的储量。将生物质和煤气化为富含一氧化碳和氢气的气体产物通常是该转化的第一步。常规的气化工艺包括借助从空气中分离出的氧气将含碳材料部分氧化。反应器通常是能够有助于高温高压反应的高压釜。
用于制备氧气的空气分离器和高温高压反应器都涉及高固定投资和操作成本，因此使得这种气化成为非常昂贵的工艺。
通常除一氧化碳和氢气之外，气化产物还包含10%-30%二氧化碳。需要除去二氧化碳以生产基本全部由一氧化碳和氢气构成的合成气产品。合成气是导致产生很多有用化合物如汽油、柴油、塑料、肥料和其他物质的很多化学反应的原料。
目前的合成气制备技术通常依赖于燃料燃烧来加热材料。
美国专利7,381,230公开了由包含含烃气体和含氧气体的进料流制备合成气的工艺。
美国专利7,452,392公开了将有机废物如市政垃圾、污水、再生垃圾和生物质转化为合成气的工艺。
美国专利7,717,971公开了由烃原料使用蒸汽重整系统制备合成气的工艺。
美国专利7,736,400公开了使用非热等离子反应器在约300℃-700℃范围内的温度下由固体碳质材料和氧载气制备包含大量甲烷、氢气和/或一氧化碳的气体的方法。
美国专利7,658,155公开了废物处理工艺，其通过在氧气和蒸汽存在下气化、或热解以制备尾气，并在单独的等离子装置中在氧气和蒸汽存在下处理该尾气来进行。
美国专利申请20080277265公开了将原料气重组成具有设计特征的重组气体的工艺，其通过施加足以将大部分气体分子重组为其构成成分的气体激励场，并促进有效的工艺加速以将所述构成成分重组为具有设计特征的重组气体来进行。
已公布的美国专利申请20080068765公开了用含氧气体使烃部分催化氧化以制备合成气的方法。
已公布的美国专利申请20060228294公开了使用熔融金属浴制备合成气的方法，其通过将进料直接注入熔融金属浴中，将氧气和蒸汽注入包围该熔融金属浴的容器中，连续去除生成的合成气；并定期除去熔融金属和玻璃质材料来进行。
已公布的美国专利申请20070102279公开了通过微波能将有机化合物还原为碳和气体的方法。
已公布的美国专利申请20060124445公开了用于烃气体重整的电加热反应器，所述重整通过使烃气体和氧化剂气体通过连接在两个电极之间的多孔但导电的衬里材料来进行。使用电源来为电极提供动力并导致在导电衬里中产生电子通量并加热该衬里。
已公布的美国专利申请20050191233公开了使烃部分催化氧化以制备合成气的工艺。
上述专利或已公布的专利申请仅教导了由碳质或有机材料制备合成气，并未描述合成气和金属的联合生产。
美国专利7,674,443公开了使用蒸汽和氧气气化碳质原料并使用氯气作为反应物和一氧化碳作为氧接受体（oxygen sink）来通过碳氯化制备纳米尺寸冶金粉末的集成工艺。
美国已公布的专利申请2002177745公开了将废物材料处理成更合宜的产品的方法，有利地通过将这些材料分解成其稳定的分子构成成分并在两个腔室中用微波辐射、激光、微波激射和/或超声能使它们重整为更合宜的物质来进行。
目前，钢是由两种类型的操作制备的：集成工厂和小型工厂。在集成工厂中，将烧结的铁矿石球粒、焦炭和石灰装入鼓风炉（BF）中。鼓入高速空气以燃烧焦炭生成一氧化碳和热量。通过一氧化碳将烧结的铁矿石球粒还原为热金属并使其熔融形成生铁水。然后将铁水送入碱性氧气转炉（BOF），在其中将纯氧鼓入铁水中以除去过量的碳并将铁转化为钢。与该制备途径相关的根本问题是需要焦炭和强化燃烧。焦炭的制备是污染最大的工业过程之一，且强化燃烧生成大量的粉尘并且大量能量浪费在废气中。
小型工厂使用电弧炉（EAF）来熔融废钢和/或DRI（直接还原铁）并生成通常质量较差的钢。小型工厂在常规上享有供应充足的废钢。然而，主要发展中国家近来的快速经济发展已经造成了废钢供应的短缺。
目前，DRI是通过三种类型的工艺制备的：气体/竖式炉、气体/流化床和煤/RHF（转底炉）或RKF（回转窑炉）。在气体/竖式炉工艺（例如Midrex或HYL）中，用源自重整天然气的热还原性气体在竖式炉中将铁矿石粉末加热并还原为铁粉。在气体/流化床工艺（例如Fior或FINMET）中，用同样源自重整天然气的热还原性气体在一系列流化床反应器中将铁矿石粉末加热并还原为铁粉。在煤/RHF或RKF工艺（例如FASTMET或INMETCO）中，通过在转底炉或回转窑中燃烧燃料来加热铁矿石球粒和碳质粉末。碳质材料充当还原剂将铁矿石球粒还原为海绵铁。目前DRI制备主要采用气体/竖式炉工艺。天然气的价格和不确定的供应已经在很多DRI工厂中造成操作困难。
除了通过固相反应制备DRI之外，还有几种铁熔炼工艺，例如COREX、HIsmelt和Mesabi Nugget，它们使用煤、天然气或油作为燃烧燃料或加热源来制备熔融铁或实施铁熔炼。
所有上述技术都依赖于通过来自加热源的传导、对流和辐射来对所述材料进行外部加热。
美国专利4,906,290公开了使用微波能干燥和加热矿石颗粒与含氧碳质材料的混合物以引发矿石的还原反应的方法。在此方法中，能够以与矿石颗粒相同的方式处理固体氧化物废物以回收所选定的元素。
美国专利6,277,168公开了基于使用微波能的新型炼钢技术。该技术能够从由铁氧化物微粒、碳粉末和助熔剂构成的混合物制备DRI、铁或钢。该技术意图消除很多目前的中间炼钢步骤，例如焦化、烧结、BF炼铁和BOF炼钢。在该技术中，能够以与铁精矿相同的方式处理具有Zn、Pb、Sn、Cd和Fe的副产物（例如BOF污泥和EAF粉尘）以提取有价值的金属。
已公布的美国专利申请2004/70060387公开了使用微波诱导等离子体还原含金属矿石或精矿的工艺。
PCT/AU88/00437公开了微波辐射矿物矿石和精矿以制备金属微滴的方法。
所有上述专利和专利申请都没有同时制备钢和气态燃料。
炼钢副产物（例如EAF粉尘和BOF污泥）不能直接处置，因为两种副产物都包含高含量的锌和毒性很高的铅和镉。已经公开了几种HTMR（高温金属回收）技术，教导了通过在炉子中在还原条件下用燃烧源加热它们来处理副产物的方法。锌和镉以氧化物的形式存在，它们经还原、挥发、再氧化并被与炉出口相连的袋式捕尘室捕获。最成功的HTMR技术是Waelz窑工艺。
美国专利申请10/950,260教导了用常规加热方法将EAF粉尘与一定量的碳的混合物预热到100℃-200℃的方法。然后在微波兼容窑中用微波加热经预热的粉尘，直至经预热的粉尘中的锌汽化形成金属蒸汽和残余物。然后将锌蒸汽冷凝或氧化并用袋式捕尘室捕获。将残余物从微波窑中除去并进一步加热以形成熔融材料。碳的用量由锌的百分比决定。
在此申请中描述的工艺中没有生成合成气。
在本发明人的已公布的国际申请WO 2008/051356号中，建议在初始使用微波能量和作为还原剂的碳（优选煤）使铁氧化物还原之后制备合成气。该合成气由通过过量的碳与铁氧化物还原所释放的氧在第一微波加热区中的反应产生的CO、和由烃和煤中的水分在第二加热区中产生的H2构成，两个反应都由于铁氧化物还原所产生的金属铁的存在而得到增强。
然而，期望控制合成气的组成以确保主要为H2组分以及CO，这类合成气可容易地转化为液体燃料（例如汽油）。
本发明的目的是通过提高其效率和产量来改进PCT WO 2008/051356中描述的方法和装置，并制备能够容易地转化为液体燃料的高质量合成气，同时还包括控制这类高质量合成气的组成的能力。
发明概述
本发明公开了在多个分离的区域中组合使用相继的微波加热与等离子弧/电弧加热的方法，该方法适用于多种方法，包括：生铁和高质量合成气的联合生产、生物质制备液体燃料、煤制备液体燃料、生物质和煤炭的联合气化、市政固体废物处理、废物-能量转化、EAF（电弧炉）粉尘和BOF（碱性氧气炉）污泥处理以回收锌和铁、有害底灰玻璃的固化，以及溴、氯和硫的去除/循环利用。
在生铁和合成气的联合生产中，将铁氧化物微粒与含碳材料（例如煤或生物质或具有大量挥发性烃（例如甲烷）和水分的有机废物）混合以形成进料混合物。将进料混合物以较浅的厚度装入反应器的气密腔中，相继地在微波和等离子弧/电弧加热区中加热。由于其良好的微波吸收能力，混合物最初通过第一区中的微波辐射快速加热到升高的温度。铁氧化物微粒被存在的碳还原变为部分还原DRI的导电物质。
将DRI输送到气密反应器腔中的等离子弧/电弧第二加热区，在此处它被快速加热到高得多的温度以完成进料混合物中铁氧化物的还原，并使由此生成的铁熔化形成生铁块。使微波加热产生的废气也强制通过高温等离子弧/电弧第二加热区，在此处将混合物加热到足够高的温度以使DRI熔化并使第一加热阶段产生的废气重整、分解和/或反应，得到CO和H2混合物形式的尾气。在净化之后，该尾气变成高质量合成气。该反应器可以是具有组合的微波和等离子弧/电弧加热或其他微波辅助混合加热的转底炉、回转窑、竖式炉、输送式加热炉或转动炉蓖炉。
在将生物质或有机废物转化为合成气中，将进料破碎到小于2”，与微波吸收材料混合，并供入具有后续相继的微波和等离子弧/电弧加热的气密反应器腔中。通过微波加热将进料快速热解，结果生成可燃气体、油蒸气、蒸汽和木炭。使废气强制流动通过并使木炭行进到高温等离子弧/电弧加热区域以重整、分解或反应，得到CO和H2混合物的尾气。可以在小型辅助反应器中进行合成气的进一步处理。在该处理和净化之后，尾气转化为适于转化为液体燃料的高质量合成气。
使用本发明的方法也能够处理EAF粉尘和BOF污泥以回收Zn和Fe，并生成合成气和陶瓷材料。在本申请中，将EAF粉尘或BOF污泥优选与低挥发性含碳材料混合以形成混合物。将该混合物装入反应器中，通过微波辐射加热到升高的温度。通过加热，粉尘或污泥中的氧化锌还原、熔化和汽化到废气中。将锌蒸气在还原气氛中冷凝形成锌颗粒。用袋式捕尘室收集锌颗粒。通过连续加热，粉尘或污泥中剩余的铁氧化物还原形成DRI。
等离子弧/电弧加热器的进一步加热将DRI转化为生铁块。所述废气在等离子弧/电弧加热过程中且在熔融铁和碳存在和升高的温度下重整、分解和反应之后变成CO和H2混合物的尾气。在净化后该尾气变为高质量的合成气。可以将其他材料混入粉尘或污泥中形成进料用以控制灰渣组成以产生适于销售的陶瓷材料。
附图简述
进一步参照几幅附图描述本发明，附图不限制要求保护的发明的范围，其中：
图1是适于实施本发明工艺的组合微波/等离子弧炉的图示。
图1A是图1中所示的炉的变型的图示。
图2是适于实施本发明的组合微波等离子弧转底炉的俯视图示。
图3是图1中所示的气体吹扫波导管的放大截面图示，其具有气体鼓吹、可靠清洁和容易替换的窗口。
图4是微波/等离子弧炉的可选形式的图示。
图5是辅助等离子加热气体重整/碳部分氧化反应器的图示。
图6是辅助感应加热气体重整/碳部分氧化反应器的图示。
图7是辅助直接电加热气体重整/碳部分氧化反应器的图示。
发明详述
在本发明的实践中，提供了能够连续操作的气密炉，图1中所示的炉子10具有腔室100，该腔室具有微波加热区101、气体强制等离子弧/电弧第二加热区102、冷却区103；供料系统，该供料系统由底部碳供料口104、主原料供料口105、固体产物出料机构106、气体产物出口107和覆盖有耐火层108的连续行进的炉膛组成，耐火层的厚度优选超过微波长度的一半。优选地，该炉子具有旋转炉膛90，其具有OD和ID以形成图2中所示的微波/等离子弧转底炉10A。
作为可选方式，该炉子可以由微波加热腔和分开的等离子弧/电弧加热腔组成，两者连接形成如下所述的集成炉。
微波通过波导段109引入微波加热区101中。波导段109以气密方式连接以将所示的各微波发生器连接到腔室100的加热区101。在集成的波导件中安装两个微波透明窗303、304（图3），一个位于发生器端部110附近，另一个在区101的入口111处。用惰性气体、CO、H2或合成气通过如图3中所示的端口301连续吹扫波导段109以防止在透明窗破裂时空气进入炉腔100中。否则，如果空气与所制备的合成气在升高的温度下混合，可能会发生爆炸。入口窗朝向腔室内部的表面用通过U形弯机构302引入的气体（优选与波导管吹扫气体相同）连续清洁。入口窗300由两个相同的半窗303和304构成，两者都可滑动地安装在框架中，一个处于工作位置，另一个304处于清洁和替换位置。每一滑动循环将两个半窗303、304的位置反转，并用刷子305清洁半窗303、304。滑动运动可由气缸（未示出）驱动并自动控制。如果受到损坏，各半窗303、304能够容易地替换，而不会中断操作。窗清洁刷子305和易于替换性使得微波加热适于应对多尘、潮湿和多烟的腔室环境。
为了提供生铁块和高质量合成气，底部加碳机构104与炉腔100相连。在等离子弧/电弧加热区102中安装精确排列的等离子单或双电极炬112，优选多行多列设置，弧间距为0.5”-12.0”，优选1.0”-2.0”，高度相等或逐渐降低。等离子弧/电弧加热区102的横截面积自微波加热区101缩小以确保基本上所有的废气都被超高温等离子弧快速加热。
等离子气体可以是H2、CO、合成气、H2O蒸汽或惰性气体。任选地，各等离子炬可使用不同的等离子气体。等离子弧/电弧加热区的平顶和原料层顶面之间的间距为0.25”-12”，优选在0.5”-2.0”范围内。等离子弧/电弧加热区长度足以形成熔融生铁并完成废气的原位重整、热裂化和与残余碳的反应，以形成高质量合成气。
为了将原料供料口105与合成气出口107分隔开并有助于气体单向流动到合成气出口107，腔室101具有至少一个动态材料幕201、202和203（图2）。为了有助于生铁块的生成，炉膛90以步进方式转动。停止持续时间和转动距离可调。而且，腔室100可以具有紧接在等离子弧/电弧区102之后安装的气体喷射器204（图2），其具有多个开孔以将熔融的生铁和灰渣吹切成块，或者安装有具有多个臂的水冷且水平旋转的轴以将熔融的生铁和灰渣切成块。
在本发明的实践中，将铁矿石（铁氧化物）开采、压碎、研磨并通过分离工艺选矿以提高铁含量。铁矿石的精矿微粒优选至少比100目更细，优选比325目更细，将其与优选至少比100目更细、优选比200目更细的含碳材料微粒(例如煤粉），和含氢化合物（作为固体微粒或液体）以特定的比例混合。烟煤通常具有大量的水分和挥发性烃含量（主要是甲烷）在废气中提供大量的氢气含量。
原料组分的适当比例是通过以下确定的：分析铁矿石中的铁氧化物含量和煤粉中的固定碳含量使得足以通过固定碳使铁氧化物完全还原；将上述材料以一定比例混合，在该比例时能够完全从铁氧化物中除去氧并生成具有2.06-6.67%（优选在共晶的4.3%附近以降低铁的熔点）的碳含量的铁，并得到H2/CO比例优选在0.5-3.0范围内（优选在2%附近）的合成气。该混合物以松散粉末状物质或具有粘合剂的团块的形式用作进料。
通过底部碳供料机构104将碳颗粒装入炉腔100中，以深度0.25”-2.0”、优选厚度为0.5”-1.0”的层113分布在底部耐火材料108上。碳层113充当耐火材料108和熔融生铁之间的绝缘体以及微波接受体。然后，将原料混合物以0.5”-12”的层114，优选厚度约1.5”，装入气密腔室中到底部碳层113之上。使用滑动门119设定进料混合物层114的深度。在相继加热过程中发生三个过程：铁矿石在第一区中部分还原；和铁熔炼；以及废气和碳的原位重整/热裂化/部分氧化形成合成气组合物。
对于铁矿石部分还原，首先微波能量在几分钟内将铁矿石层114和原料煤混合物加热到约800℃。在微波加热过程中，煤充当铁氧化物的还原剂，并通过碳的放热氧化反应充当辅助热源；以及充当合成气生成的氢气源。铁氧化物充当钢制备的铁源以及碳部分反应生成充当主要还原剂的CO的氧源。与常规煤气化不同，氧来自铁氧化物（化学循环）而不是来自由氧气设备制备的纯氧。
在微波加热过程中，铁矿石快速部分还原为直接还原铁（DPI）。在生成DPI之后，进料由于网状(networked)金属铁的形成而变成较差的微波吸收体。微波加热设计为以高加热效能导致约50-70%的金属化。在初始加热过程中煤中的挥发物（主要是甲烷，CH4）和蒸汽也释放出来。
然后，可以通过原料配比控制原料中的铁和碳含量以生成Fe-C共晶组合物（4.26%C）。在共晶组合物的情况下，Fe-C合金的熔点为1154℃。
在微波加热之后进行等离子弧加热以完成铁矿石还原并熔化该共晶或接近共晶的Fe-C材料（生铁）。炉膛步进式旋转或材料步进式前进与阵列式等离子炬设置的组合使得熔融的生铁形成铁块而没有死角。还可以使用气体喷射器204（图2）将熔融的生铁和灰渣吹切成块或使用具有多个臂的水平旋转轴将其切割成块。煤中的灰分和铁矿石中的杂质形成灰渣。可以通过在进料中添加助熔剂来调节灰渣组成以形成具有较低熔点、较低粘度、适度碱性且容易在冷却后与生铁块分离的适用于脱硫或脱磷的灰渣。
剩余的下方碳层113充当熔融铁块和灰渣与耐火材料基底108之间的隔离体并有助于将生成的铁块和灰渣通过螺旋推运器205（图2）从耐火材料基底排出并收集在罐115（图1）中。生成的生铁块可用作使用常规电弧炉的铁铸造或炼钢的进料。
在800℃或更高的温度，铁充当促进甲烷、其他烃、水蒸气和生物油蒸气转化为H2和CO的催化剂。等离子弧/电弧加热区102包括原位重整区102。该区是通过降低炉腔的平顶并缩小气流的横截面积而构造的以迫使空气与初熔铁块表面进行更好地接触。
在富碳微波还原区101中在快速铁矿石还原所需的升高的温度下，大部分水和CO2与碳反应生成H2和CO。在用等离子加热到甚至更高的温度（即铁的熔点）的原位重整区102中，这种环境进一步确保残余水蒸气和CO2与残余碳（例如层状的底部碳以及生物质焦炭）完全反应同样生成H2和CO。
在这种技术中，整个加热和反应过程发生在连续密闭系统中。因为燃烧不需要空气，因此该工艺受到Bouduard Equation的控制，通过微波加热产生的废气的原位重整仅生成了H2和CO。因此能够制备高质量的合成气。生物质组成、水分含量和铁氧化物、铁、CO和CO2对温度的平衡相图可用作控制尾气组成的参考。
因为没有显著的燃烧加热，因此尾气具有较低的温度且包含较少的颗粒物。然后将尾气通过净化系统以进一步冷却，除去颗粒物，通过水煤气变化（WGS）调节H2/CO比，回收硫并分离H2O和CO2，变成清洁的合成气。因为不需要蒸汽或燃烧，因此合成气制备具有较少的与H2O分离和NOx形成相关的问题。该合成气可以使用Fischer-Tropsch或Mobil工艺或其他化学方法转化为气体燃料，例如汽油和柴油。
混合物中的各种反应可写成：
Figure 844479DEST_PATH_IMAGE001
从这些反应式中，我们可以看到所有氧都是由气密微波反应器中的铁氧化物（方程5-10）提供的。在温度高于1000℃时，仅有CO和H2能够与碳共存（Bouduard Equation），将不存在CO2和H2O（方程1和2）。在该过程中在还原铁存在下来自生物质的挥发物将重整为CO和H2（方程3和4）。因此，微波/等离子反应器中的净产物将会仅为铁、CO和H2。这样在理论上实现了100%碳效能，与此相比，在常规工艺中仅为30%。将不需要常规气化所需的氧气分离器、蒸汽发生器或高温高压反应器，对于钢制备，将不需要焦炭和环境洗涤系统。
在一种选择中，腔室100可以具有含氢化合物注入口116（图1）。将另外的含氢混合物（例如H2O和废油）注入腔室中以提高H2/CO比，与含碳颗粒和底部碳颗粒反应，并提高合成气产量。
在优选形式中，腔室100可以具有用于添加生物质或有机废物的端口117。将额外的生物质或有机废物块以厚度为0.25”-2”的层118装入腔室中到主原料混合物层114上作为热绝缘体以降低热损失、更有效地利用热、提高合成气产量并有助于碳与过剩的蒸汽和CO2反应尤其是在等离子弧/电弧区域102中反应。受热后，生物质或有机废物释放出废气并留下多孔木炭层。木炭将与残余的水蒸气和CO2在等离子弧加热区102中反应产生更多的合成气。
在等离子弧/电弧区102之后，腔室100还可以具有感应加热区102A（图1A），其优选由RF（无线电频率加热器，如图1A中所示）加热。等离子弧/电弧实现初始熔炼以形成金属珠，RF感应加热完成熔炼以形成熔融的生铁和灰渣。为了各种目的，可以增加进一步加热金属珠的其他方式。
腔室100还可以在等离子弧/电弧区102之前具有木炭排放机构。生物质/有机废物木炭可以在输送到等离子弧/电弧区102之前排出。木炭将被磨碎以代替原料或底部碳层113中的一部分含碳颗粒。
图4中显示了可选择的装置，该装置基本上与上述用于联合生产生铁块和高质量合成气的装置相同，只是等离子弧/电弧加热区包括另一分开的竖式炉反应器401，其与微波加热腔101的固体产物排放口402相连以接收DRI和所有废气，并具有至少一个等离子弧炬403。该分开的等离子弧加热反应器401气密连接有DRI接收口、熔融生铁排放口404、熔融灰渣排放口405和合成气输出口406，其位于等离子弧的附近并在等离子气体和输出气体之间产生逆流。等离子弧加热和合成气输出机构的形状、尺寸、位置和结构确保合成气在输出之前经过等离子弧高温加热。微波转底炉腔体和等离子体竖式炉反应器的组合形成了集成的微波转底炉等离子弧竖式炉反应器。
将原料混合物以0.5”-12”厚的层（优选约4.0”）装入腔室100中，然后输送到反应器401中。在相继的加热阶段期间发生三个过程：铁矿石部分还原为DRI、铁熔炼和原位重整/热裂化/部分氧化。
产生与上述相同的结果，即联合生产生铁块和高质量合成气。在微波加热部分还原之后，将得到的DRI和废气排出并立即输送到相连的等离子弧加热反应器401中。
热DRI被等离子电弧加热，直至铁氧化物完全还原并生成熔融生铁和灰渣。将熔融生铁和灰渣分别排出。
包括挥发物、蒸汽、CO2和其他气体的废气在经受高温等离子弧时分解或反应形成CO和H2的混合物。过剩的蒸汽和CO2与剩余的碳反应生成CO和H2，H2/CO比在0.5-3.0范围内，且烃、CO2、H2O和O2分别少于5%，优选1%。将得到的合成气输出到净化系统（未示出）中以除去杂质并产生高质量合成气。
将原料混合物以0.5”-12”厚的层（优选约4.0”）装入微波加热区中，然后输送到PA-SF反应器中。在加热期间发生三个过程：铁矿石部分还原为DRI、铁熔炼和废气的原位重整/热裂化/部分氧化。
在微波加热部分还原之后，将得到的DRI和废气排出并立即输送到相连的等离子弧加热反应器401中。
热DRI在其中被等离子弧进一步加热，直至铁氧化物完全还原并生成熔融生铁和灰渣。将熔融生铁和灰渣分别排出。
包括挥发物、蒸汽、CO2和其他气体的废气在经受高温等离子弧时分解或反应形成CO和H2的混合物。过剩的蒸汽和CO2与剩余的碳反应生成CO和H2，H2/CO比在0.5-3.0范围内，且烃、CO2、H2O和O2分别少于5%。优选1%。将得到的合成气输出到净化系统中以除去杂质并变成高质量合成气。
本发明可以用于由各种生物质、煤、含氢化合物和有机废物，包括市政固体废物、农业废物、森林废物、废轮胎、汽车粉碎残渣和工艺工程燃料，制备高质量合成气。
对于将生物质、煤和有机废物直接转化为合成气，可以使用与上述用于联合生产生铁块和高质量合成气相同的装置，只是需要更小的微波功率和等离子弧功率。可以将水平旋转的搅拌棒安装在等离子弧/电弧加热区的附近以有助于残余的碳与废气的反应。
对大块的含碳材料如生物质、煤或有机废物，优选地还包含氢，进行处理以将尺寸降低到小于2.0”，优选小于0.5”。将经过处理的材料与微细的微波吸收材料混合，例如与作为微波接受体的小于3目、优选比100目更细的经高温处理的碳颗粒混合。为了提高制备的合成气中的氢气含量，还可以添加固态或液态的其他含氢化合物，例如H2O和废油。将这三种材料以一定比例混合，该比例使得能够有效吸收微波能并得到H2/CO比在0.5-3.0范围、优选约2.0的合成气。
将原料以0.5”-24”厚的层连续装入腔室中到耐火材料基底上，优选约2.0-6.0”厚。在加热期间发生两个过程：烃热解和原位重整/热裂化/部分氧化。
原料通过经受微波辐照而热解，释放出废气并留下木炭。将木炭输送并迫使废气进入相邻且受限的等离子弧/电弧加热区中。
包括位于挥发物或油蒸气中的烃、蒸汽、CO2和其他气体的废气在经受高温等离子弧时分解或反应形成CO和H2的混合物（原位重整）。过剩的蒸汽和CO2也与木炭在高温和等离子气体搅拌下反应生成CO和H2（碳部分氧化），以形成合成气，该合成气的H2/CO比在0.5-3.0范围内，且烃、CO2、H2O和O2分别少于5%，优选1%。
将剩余的木炭输送到相邻的冷却区并排出，将合成气输出到净化系统中以除去杂质并变成高质量合成气。将排出的木炭磨碎并将其一部分作为原料混合物中的经过高温处理的碳颗粒供料返回。
此外，可以在将原料混合物装入腔室中之前，将碳颗粒以0.25”-2.0”、优选0.5”-1.0”的层装入腔室中，用作底部碳和微波接受体。
如上所述，腔室100可以具有含氢化合物注入口116。在此情形中，可以将另外的含氢混合物注入腔室100中与经高温处理的碳颗粒和底部碳颗粒反应以及消耗剩余的木炭，以提高合成气产量和H2/CO比。
腔室100还可以具有用于添加额外的生物质或有机废物的端口117，将额外的生物质或有机废物块以厚度为0.25”-2”的层118装入腔室100中到主原料混合物层114上作为热绝缘体以降低热损失、更有效地利用热和提高合成气产量（图1和4）。
将原料以0.5”-24”厚的层连续装入腔室100中到耐火材料基底上，优选约2.0-6.0”厚，然后输送到等离子反应器中。在加热期间发生两个过程：烃热解和原位重整/热裂化/部分氧化。
原料在经受微波辐照时发生热解，释放出废气并留下木炭。将木炭排出并将废气引入相连的PA-SF反应器中。
包括位于挥发物或油蒸气中的烃、蒸汽、CO2和其他气体的废气在经受高温等离子弧时分解或反应形成CO和H2的混合物。过剩的蒸汽和CO2与木炭在高温和等离子气体搅拌下反应生成CO和H2，以形成合成气，该合成气的H2/CO比在0.5-3.0范围内，且烃、CO2、H2O和O2分别少于5%，优选1%。
将剩余的木炭排出到等离子反应器之外，将合成气输出到净化系统中以除去杂质并变成高质量合成气。将排出的木炭磨碎并将其一部分作为原料混合物中的经过高温处理的碳颗粒供料返回。剩余的灰分与木炭一起排出或通过等离子弧玻璃固化并通过灰渣口排出。
等离子反应器401可以具有与其相连的辅助气体重整/部分氧化反应器(如图5中所见)，特别是在转化生物质时。反应器500具有电弧炬501、柱形腔室、连续填充的固定碳颗粒床502、固定催化剂床503、与反应器401相连的气体流入口504、和合成气流出口505及灰分排出口506。将排出的木炭的一部分碾碎并供入该反应器中作为固定碳颗粒床502。
可选择地，等离子反应器401可以具有与其相连的辅助气体重整/部分氧化反应器600(如图6中所见)，且该反应器600至少具有ID可变的柱形腔室、连续填充的固定碳颗粒床602、施加到固定碳颗粒床上用于通过电极601加热的AC或DC电压、固定催化剂床603、气体流入口604和合成气流出口605及灰分排出口606。将排出的木炭的一部分碾碎并作为固定碳颗粒床供入该反应器中。
可选择地，等离子反应器401可以具有与其相连的辅助气体重整/碳部分氧化反应器700，反应器700具有至少一个ID可变的柱形腔室（如图7中所见）、连续填充的固定碳颗粒床702、施加到固定碳颗粒床上用于通过电极701加热的AC或DC电压、固定催化剂床703、气体流入口704和合成气流出口705及灰分排出口706。将排出的木炭的一部分碾碎并供入该反应器中作为固定碳颗粒床702。
该装置可用于EAF粉尘和BOF污泥的Zn和Fe回收。EAF粉尘和BOF污泥在干燥之后代替铁矿石作为主原料组分。操作相同。Zn由合成气净化系统中的袋式捕尘室以收集的粉末形式回收。铁作为生铁块回收。
前述说明书中使用的术语和表述方式用于描述而非限制。在这种术语和描述的使用中，不意于排除所显示和描述的特征或其部分的等同形式，应认识到本发明的范围仅由所附权利要求限定和限制。

Claims (35)

1.借助组合的微波和等离子弧/电弧加热由铁氧化物、含碳材料和含氢化合物联合生产生铁和高质量合成气的方法，包括：
将铁氧化物颗粒、含碳颗粒与固体微粒、液体或气体形式的含氢化合物包括H2O和烃混合；
混合的铁氧化物和含碳颗粒的比例设定为使得所述含碳颗粒在还原所述铁氧化物时从其中完全除去氧以形成碳含量在2.06-6.67%范围内的金属铁；
将所述混合物作为原料以0.5”至12”深的层装入气密腔室中，该气密腔室配有微波辐射端口、等离子弧/电弧、原料加料口、生铁固体材料排出口和合成气输出口；
在所述腔室中的微波加热区中通过施加微波能量加热所述混合物，直至通过铁氧化物的至少部分还原和金属铁的生成使所述混合物变得可导电，同时释放出由烃、CO、CO2和蒸汽构成的反应废气，使所述导电混合物材料和废气移动到所述气密腔室内相邻的等离子弧/电弧区中；
在碳颗粒存在下通过在所述离子弧/电弧区中施加等离子弧/电弧进一步加热所述导电材料，直至实现铁氧化物的基本完全还原并生成熔融生铁和灰渣；
在所述等离子弧/电弧区中通过足够高温度的加热和等离子气体搅拌，在作为催化剂的金属铁存在下使基本上全部的反应废气发生原位重整、热裂化和部分氧化，以及使碳颗粒与剩余CO2反应，生成基本上完全由H2和CO的混合物构成的合成气；
将所述熔融生铁和灰渣输送到相邻的冷却区中，形成固体生铁和灰渣；
将所述合成气输出到所述等离子弧/电弧区之外，并从中除去杂质以产生高质量合成气；以及
将所述固体生铁和灰渣通过所述固体材料排出口排出。
2.权利要求1的方法，进一步包括为所述腔室提供厚度为微波的至少一半的耐火材料底层，所述原料混合物在装入到所述腔室中时沉积到其上。
3.权利要求2的方法，包括为所述气密腔室提供底部碳颗粒加料口，并且进一步将碳颗粒以深度为0.25”至2.0”的底层装入所述腔室中，且该碳颗粒的装入在装入随后沉积到所述底层上的铁氧化物颗粒、含碳颗粒与含氢化合物的混合物之前，以用作耐火材料底层和熔融生铁之间的绝缘体以及微波接受体。
4.权利要求1的方法，进一步包括为所述腔室提供含氢化合物注入口，并且进一步包括将额外的含氢化合物注入所述腔室中以通过使所述废气与所述含碳颗粒反应提高所述合成气中的H2/CO比并提高合成气产量。
5.权利要求1的方法，进一步包括提供以多行和多列分布在所述离子弧/电弧区中的多个等离子弧/电弧，弧间的距离为0.5”至12.0”。
6.权利要求1的方法，进一步包括使所述等离子弧/电弧区的宽度和/或高度自所述微波加热区的高度和宽度减小，使得当所述废气移动到所述等离子弧/电弧区中时被高温等离子弧/电弧进一步加热。
7.权利要求1的方法，进一步包括将所述等离子弧/电弧区的平顶与所述混合物层的顶面之间的间距设定为0.25”至12”。
8.权利要求1的方法，其中在所述等离子弧/电弧区中加热到足以形成熔融生铁并使所述反应废气基本上完全原位重整、热裂化和部分氧化以生成H2与CO的混合物。
9.权利要求1的方法，进一步包括在所述腔室中提供用于生物质或有机废物的加料口，且进一步包括将生物质或有机废物块以0.2”至2”的层装入所述腔室中到铁氧化物颗粒、含碳颗粒和含氢化合物的混合物层上，以提供热绝缘体以降低热损失、更有效地利用热并提高合成气产量。
10.权利要求9的方法，进一步包括在所述微波加热区中加热所述生物质或有机废物从而释放出废气并在所述腔室中留下木炭层。
11.权利要求1的方法，进一步包括为所述容器提供至少一个动态材料幕，以将所述原料加料口与所述合成气输出口分隔开以有助于朝向所述合成气输出口的单向流动。
12.权利要求1的方法，进一步包括在所述等离子弧/电弧加热区之外为所述腔室提供电感应加热区，并进一步包括在离开所述等离子弧/电弧加热区之后在电感应加热区中完全熔炼熔融生铁和灰渣的步骤。
13.权利要求10的方法，进一步包括在所述多个等离子弧/电弧区之前为所述腔室提供木炭排出口，并进一步包括排出通过所述生物质/生物废物的所述加热制备的木炭。
14.权利要求1的方法，其中所述铁氧化物和含碳颗粒的尺寸设定为100目或更细的尺寸。
15.权利要求1的方法，其中控制所述混合物的比例以制备具有约4.3%碳含量的金属铁。
16.权利要求1的方法，其中所述混合物层形成为深度约1.5英寸。
17.权利要求1的方法，其中所述合成气中的H2：CO比控制在0.5-3.0范围内。
18.权利要求1的方法，其中烃、CO2、H2O和O2含量设定为小于所述合成气的5wt%。
19.权利要求1的方法，其中煤构成含碳颗粒，所述煤包含的主要是甲烷的挥发物构成所述烃，且所述煤中吸收的水分构成所述混合物中的H2O。
20.同时制备生铁和合成气的方法，通过以下进行：
生成煤颗粒与铁氧化物颗粒的混合物，所述煤包含烃挥发物和水分，所述煤颗粒中的煤足以还原所有的所述铁氧化物并且在还原后余留有未反应的煤颗粒；
在气密腔室中的第一加热区中加热所述混合物，以借助碳和所述第一区腔室中生成的CO还原所述铁氧化物，同时释放出包括在反应气体中的蒸汽和烃挥发物；
使还原的铁氧化物和未反应的煤及反应气体从所述第一加热区移动到所述腔室中的第二加热区，并通过操作一个或多个等离子电炬将部分还原的铁氧化物和反应气体进一步加热到足以完成所述铁氧化物颗粒的还原并使铁从还原的铁氧化物中熔化，所述铁氧化物还原生成的CO2与未反应的碳反应生成CO，并通过所述气体各组分的反应、裂化和重整由所述烃生成氢气和CO，由此形成几乎全部由H2和CO构成的合成气。
21.权利要求20的方法，进一步包括在装入铁氧化物颗粒、含碳颗粒和含氢化合物的混合物之前，将碳颗粒以0.25”至2.0”的层装入所述腔室中的炉膛内，以用作绝缘体以及微波接受体。
22.权利要求20的方法，进一步包括将额外的含氢化合物注入所述腔室中以通过所述方法提高所制备的合成气的产量和质量。
23.权利要求20的方法，其中在所述腔室上提供用于生物质或有机废物的加料口，且进一步包括将生物质或有机废物块以0.25”至2”的层装入所述腔室中到铁氧化物颗粒、含碳颗粒和含氢化合物的混合物层上作为热绝缘体，以降低热损失、更有效地利用热并提高合成气产量，加热所述生物质或有机废物块以释放出废气并留下木炭层。
24.权利要求23的方法，进一步包括将所述生物质/有机废物木炭层在输送到所述等离子弧/电弧区之前排出，并将木炭粉碎到比100目更细并添加到所述原料混合物中的所述含碳颗粒中。
25.权利要求20的方法，进一步包括使气体发生脉动或将熔融生铁流破碎成固体块的步骤。
26.权利要求20的方法，其中所述铁氧化物颗粒包括EAF粉尘或BOF污泥，且其中所述粉尘或污泥中的锌被还原、熔化、汽化并收集到安装在合成气净化系统中的袋式捕尘室中。
27.借助独特的组合微波和等离子弧/电弧加热将生物质和有机废物由各种生物质、有机废物和含氢化合物直接转化为高质量合成气的方法，包括：
将大块或有机废物处理成小于2.0”的块；
提供小于2目的经高温处理的碳颗粒作为微波接受体；
提供固体微粒、液体或气体形式的其他含氢化合物；
将上述材料以一定比例混合，该比例使得能够有效吸收微波能量并得到H2/CO比在0.5-3.0范围内的合成气；
将所述混合物以0.5”至23”的层连续装入气密腔室中，该气密腔室具有多个微波辐射端口、阵列排布的等离子弧/电弧、原料加料口、木炭排出口和合成气输出口；
通过施加微波能量加热所述混合物，直至所述混合物完全热解并得到木炭，同时释放废气；
将所述木炭输送到相邻且受限的等离子弧/电弧区中；
迫使所述废气通过所述受限的等离子弧/电弧区；
在等离子气体搅拌和所述木炭存在下在所述等离子弧/电弧区中使所述废气发生原位重整、热裂化和部分氧化，以生成H2/CO比在0.5-3.0范围内且烃、CO2、H2O和O2小于5%的合成气；
将所述木炭输送到相邻的冷却区中冷却；
将合成气输出到净化系统中以除去杂质并产生高质量合成气；以及
将所述木炭通过所述腔室中的所述木炭排出口排出。
28.还原铁氧化物并产生合成气的装置，包括：
包括气密腔室的炉子，在该气密腔室内限定了微波加热区和间隔开但气密连接的电弧等离子加热区，其具有可移动的炉膛，它能够通过加料机构接收沉积在其上作为原料的与铁氧化物混合的含碳材料，并将其输送到所述微波加热区并随后输送到所述电弧等离子加热区；
微波发生器，设置为将微波辐射导入所述微波加热区中的所述原料中以部分还原铁氧化物；
在所述电弧等离子加热区中的受限的电弧等离子高温加热器，用于使所述铁氧化物进一步还原并将还原的铁熔化成铁金属；
排料机构，用于将熔融的铁移出所述腔室；和
气体排出口，收集所述废气并将其导出所述腔室。
29.权利要求28的装置，其中所述腔室的形状是圆形的，且包括覆盖有耐火材料层的旋转炉膛，该耐火材料层的厚度为微波长度的至少一半。
30.权利要求28的装置，其中多个所述受限的等离子弧/电弧加热器包括以多行和多列分布在所述腔室内的所述电弧等离子加热区中的阵列排布的双电极电弧炬或阵列排布的等离子弧。
31.权利要求28的装置，其中所述腔室具有至少一个动态材料幕，以将原料加料口与合成气输出口分隔开并有助于合成气朝向所述合成气输出口的单向流动。
32.权利要求28的装置，其中所述腔室包括在等离子弧/电弧区之后的感应加热区，并进一步包括用于完全熔炼其中的熔融生铁和灰渣的感应加热器。
33.权利要求29的装置，其中所述圆形炉膛可步进式旋转，停顿时间和旋转距离可调节以有助于生铁块形成。
34.权利要求28的装置，进一步包括相连的辅助重整/部分氧化反应器用以从所述电弧等离子加热区接收废气，所述辅助反应器至少包括感应加热器、柱形腔室、连续填充的固定碳颗粒床、固定催化剂床、气体流入口、合成气流出口和碳颗粒加料口。
35.权利要求28的装置，进一步包括相连的辅助重整/部分氧化反应器用以从所述电弧等离子加热区接收气体，所述辅助反应器包括至少一个柱形腔室、连续填充的固定碳颗粒床、施加到所述固定碳颗粒床上用于加热它的电源、固定催化剂床、气体流入口和合成气流出口以及碳颗粒加料口。
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