CN1040968C - 生产氢气的方法及所用的设备 - Google Patents

Abstract

一种多区域熔融金属铁气化器。用于通过向第一区域或罐的熔融金属中引入碳，将含氢和碳的原料，如丙烷、溶剂脱沥青产物等，转化为在一定压力下的大致纯净的氢气和CO/CO₂气流，然后将熔融金属循环到第二区域或罐中与含氧气体接触。最好氢气主要在第三区域或罐中产生，碳氧化物在第二区域或罐中产生。根据本发明，一个一米直径的罐可由甲烷生产出20百万标准立方英尺/每天的压力在2-50atm的氢气。

Description

生产氢气的方法及所用的设备

本申请是1992年9月1日申请的美国专利申请号939,533(代理人备案号6391BUS)的部分续申请，它本身是1991年9月20日申请的USSN763,097的续申请(代理人备案号6391AUS)，而这又是1990年6月21日申请的美国专利申请号542,234(代理人备案号6333AUS)的部分续申请。

美国专利申请号542,234,1990年6月21日申请(代理人备案号6333AUS)，和美国专利申请号625,350,1990年12月11日申请(代理人备案号6333CUS)涉及本发明的普通技术领域并且两者特意被引入本文供参考。

本发明的普通技术领域涉及将烃类转化为两股气流：含有较纯的氢气的气流和含有碳氧化物的气流。更具体地说，本发明涉及熔融金属或熔融浴反应介质与上述转化方式的应用。

由授权于Tyrer的US1,803,221披露了两区域熔融铁气化器，它是通过成正切线(tangentially)吹气来控制两区域之间铁的循环；在授权于Rasor的US4,187,672中，两区域熔融铁气化器生产不混熔的氧化铁层，该氧化铁层将温度升高到使熔浴保持熔融状态所需的温度；在授权于Mayes的US4,338,096中，两区域熔融铁气化器在带有“泡沫流”多相液流的区域间循环；在授权于Rurmmel的US2,647,045中，两区域熔融铁气化器也生产铁氧化物。

许多专利包括授权于Bach的US4，574,714和4,602,374均公开了没有在两区域之间循环的单个反应区域。

有几篇文献披露了熔融铁不仅用来作为煤气化的气化介质，还用来作为各类烃的热解介质。然而在这些文献中并没育披露的是，各区域的特殊设备，两区域之间的循环速率，以及在它们之间如何控制转换以便既保持热平衡而又获得足够纯的高压氢气流。

一般来说，本发明包括至少三个熔融金属区域装置，依次称作第一熔融金属区域装置，第二熔融金属区域装置，和第三熔融金属区域装置。熔融金属组分也要包括在特定区域内的任何熔融物料层；例如，熔融的金属如铁和它的合金，和炉渣组分(它形成含有此类熔融金属的单独的熔融层)。

在该第一熔融金属区域中，有一装置用来导入原料和优选还导入(或与原料一起，或与原料分开)炉渣层组分或熔融金属组分，两者优选在该第一熔融金属区域装置中物料的熔融金属表面之下。优选地，另外有用来保留炉渣层的装置和用来控制该第一区域装置中压力的第一压力装置。用来保留炉渣层的装置(从像在核电站中这样的装置的其它用途来说是众所周知的)例如提供了能够测量亚原子粒子流的检测器。这些装置能够被固定到压力调节装置上以在区域装置中保持所需的液面高度。另外，可选择性地至少有一个下列一种或多种物质的导出装置：1)熔融金属组分；2)炉渣层组分；和3)气态组分。最后，有第一区域循环导入装置和第一区域循环导出装置，使得熔融金属主要因密度的差异从一个区域装置中转移到另一个区域装置中。

该第二区域(在这里碳被氧化)优选包括：第二区域压力调节装置，用于控制压力和选择性地从该第二区域装置中除去气态组分；第二导出装置，用于除去熔融金属：第二区域循环导入装置，用于再循环熔融金属组分；和第二区域循环导出装置，用于循环熔融金属组分，气体如氧气或氧气与蒸汽的第二次输入。

该第三区域包括：第三区域熔融金属入口，用于将熔融金属组分导入第三区域装置；第三区域导出装置，用于排出熔融金属组分；第三区域压力调节装置，用于控制压力和从该第三区域装置中除去气态组分；和，选择性地，第三区域气态组分导入装置，用于导入气态组分。在该第三区域中高纯氢气发生的至关重要性在于还原介质的持续供给，即浓解碳的浓度在至少1％(按重量)的范围。任何较大量的铁氧化物的存在将产生一氧化碳，因而阻止了高纯氢的产生。

有几个循环管道，它们包括第一循环管道、第二循环管道和第三循环管道。其中第一循环管道连接第一和第二区域装置；第二循环管道连接第二和第三区域装置；和，最后，第三循环管道连接第三区域装置和第一区域装置，它们都是以流体密封的方式进行连接以使得熔融金属从区域1转移到区域3和回到区域1。

另外，该第一区域在熔融金属水平面下方具有通过第四管道装置导入固体组分的装置，通过第四管道将固体组分或气态组分导入区域1。另外，有用于除去气态组分(最初具有非常高的温度)的压力调节装置。在与压力调节装置接触之前，气态组分例如被间接热交换器冷却。而且，有用于除去炉渣层组分的装置，以及额外补充量的熔融金属应该是必须的，这是因为在导入原料组分的过程中熔融金属物料的增加。增加熔融金属的量的这种情况例如可以在导入切碎的轮胎的情形下发生，该轮胎含有在橡胶内缠绕的钢丝。

同现有技术相比，本发明另一个优点是本发明能够在6.89×10³-2.07×10⁷帕，较好1.03×10⁵-1.03×10⁷帕，和最好在约2.07×10⁵-4.83×10⁶帕的压力范围内释放出基本纯的氢气流。

直到现在为止，还有几个未曾讨论过的优点。其中最为明显的是经济实用。该系统可以使用众多的原料，不管是否危险，而不需费力地去克服困难或解决问题。其它操作方面的优点包括比较容易控制热平衡，这可适应生产氢气的量发生的变化。普通的氢气设备经设计至少可达到某些最低产量。如果不能达到设计所要求的最低氢气产量，那么就使氢气设备的运转发挥不了应有的作用或有困难。本发明的一个优点是可以大范围地改变氢气的产量。例如，设计产量为0.4百万立方米/天的氢气设备可以从该最高产量减少至0.04百万立方米/天。这与一般设计的产量为0.4百万立方米/天的氢气设备不一样，它甚至不能使其产量减少至0.16百万立方米/天。因而根据本发明氢气设备，在大范围内制造所需量的氢气方面其有较大的灵活性。

根据本发明所造的氢气设备的另一个明显的优点是在一个步骤中就可制得较纯的氢气，而且容易做到。这确实是真的，因为借助于炉渣层将硫除去是本发明反应器的总特征。

除了上述优点之外，本发明的氢气设备尤其适合于使用炼油工艺液流(通常称作溶剂脱沥青残渣(solvent deasphalted pitch)(SDA)残渣))，该液流是当石油残渣与轻质烃类溶剂接触时产生的炼油副产物流。溶剂从残渣中除去馏出油，剩下沥青，它是高碳含量、低氢含量、高硫含量和高金属含量。具有类似性能的该种液流和其它液流在大多数炼油厂是存在的，并且所有这些液流可以容易地用作本说明的原料。

本发明的氢设备还有一个优点是能够将乙烷或甲烷加入到高压区，产生大致纯净的氢气。此外，低氢含量的烃类可导入低压区，或区1或区2，目的在于提供为了保持氢气设备正常运转所需的热平衡。关于低氢含量的碳的例子是溶剂、沥青、上述SDA残渣、未自真空蒸馏塔的渣油和煤。总之，具备一个三区域系统，能够将高氢含量的烃类(烃类)如甲烷或乙烷引入到高压区，而低氢含量的烃类处在低压(如基本上在大气压下)下，并且通过平衡每一种气流的量，提供了另外一种热平衡的途径和方法。目的在于获得高纯氢气的烃类是由大致上只有碳和氢所组成的物料，其H∶C摩尔比至少是1∶1，较好是至少1.5∶1，并可在大范围约1∶1至4∶1内。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。

附图公开了以横截面侧视图表示的氢气设备。

附图中所公开的是熔融金属气化设备12，它包括三个熔融金属区域装置，第一熔融金属区域14，第二熔融金属区域16和第三熔融金属区域15。

在该第一熔融金属区域14中有：在相应于管道63的表面的下方由第一区域导入装置50导入原料的装置；

第一区域循环导入装置52；第一区域循环导出装置54；气体导出装置39；第一区域炉渣层导出通道45；混合溢流板94；注料塞70；热交换器32；调压装置28；排出、冷却和贮存熔融物料的装置42。第一熔融金属区域装置14的壁、底和顶具有三层。第一层包括金属外壳11。第二层包括绝热层9和第三层包括耐火砖层10。

第二区域或第二熔融金属区域16包括：第二区域循环导入装置51；第二区域循环导出装置53；气体出口39；混合溢流板94；熔融金属注料塞70；壁和顶优选至少包括三层；混合溢流板94；熔融金属出口92；气相出口39，熔融金属出口92；最好有燃烧加热气体入口68；气体输入管道77；蒸气或其它气体输入管道78。

熔融金属区15包括：第三区域循环入口56，第三区域循环出口57；优选具有至少三层的壁、底和顶；气相出口39；熔融金属注料塞70。

连接第一、第二和第三熔融金属区域的是：管道22、18和24。在管道22中，有一气体注射装置74，包括管道75和阀门72。在管道24中，也有一气体注射装置74，也包括单独的管道75和阀门72，其起着与管道22中气体注射装置72相同的作用。

在管道63中，有阀门65，螺旋进料机64(由发动机66带动)。料斗62存储物料，物料最好因重力进入进料机64的喉部。

简单地说，称为设备12的系统操作如下：

原料(气体或固体形成或两者都有)通过管63被导入设备12中。气态组分可从物料源(未画出)经过阀门65导入。借助于进料机64，进入管道63的固体原料由液流体、蒸气或其它气体携带冲向第一区域原料入口50。原料最好在熔融层80下方导入，该熔融层包括有熔融金属(例如铁或含铁的其它物料)以改进可熔性和反应活性。一般地，一蒸气栓塞会阻止熔融金属进入管道63。在第一熔融金属区域装置14中，优选有三个不同的物料层。第一层是熔融金属80，其中溶解有原料和一些气态输入料(也是由管道63导入的)。浮在熔融金属层80上的是炉渣层84。一般密度比熔融金属低的炉渣会浮在熔融金属层80上面。在炉渣层84上方的是蒸气层81。在蒸气层81中主要是氢气，带有一些一氧化碳和痕量的甲烷。层84的精确水平是由蒸气层81中所保持的压力大小决定的。蒸气层81中压力大小是由压力控制器或压力调节装置28测得的。压力调节装置28为管道40上的阀门30提供定值控制。压力传感器26监测阀门30上游的压力以确定相对于加压蒸气源(未画)来说是打开或者关闭阀门30。一般地，阀门或打开或关闭是为了保持压力在蒸气水平或蒸气层81的压力范围内。

为了由第一区域炉渣导出通道45从炉渣层84中排出炉渣层组分，需要调节气体层81和89中的压力。炉渣排出罐44内的气体压力由炉渣压力控制系统48测定。炉渣压力控制系统48包括一个压力控制器60，它为两阀门46和47设定值。管道56分成两根导出管道，它们分别装有阀门46和47。压力控制器60为每一个阀门(分别是46和47)设定值，以便使导入气体增加压力以保持气体层89的压力。当压力超过所设定的值，两阀门中一个将打开降低压力。换言之，阀门47可让加压气体流入，而阀门46则可让此压力降低，这样罐44内的总压力(在气体层89中测得)保持在所需要的值。这样可依次由气体81的相对压力和气体89的相对压力决定炉渣层组分从84经过通道45流入罐44。在除炉渣罐44中有一液体层88，最好包括水或其它一些能够除去大量热量的介质。换言之，液体层88是骤冷层，能使层84中炉渣组分固化成固体颗粒87。颗粒料87经管道59导入由发动机61带动的进料机管道58。由管道58传输的物料被送往未披露的位置。附加的液体可借助于一个阀门(未画出)导入罐44中。附加的熔融金属组分可由注料塞70导入罐14中。

应该注意，在设备12的最初起动阶段，熔融金属可通过由普通号码70表示的任何注料塞导入。有关这种至少三个区域的起动的详细情况，在US专利申请号No.625,350和No.542,234中得到了讨论和公开。

每一区域中各层的准确位置可由每一区域中所存在的相对压力确定。因此，改变罐14的气体层81的压力将导致三个区域中每一个的熔融层位置的变化。

区域16包括了与区域14和15同样的一些项目，至少就压力控制而言。熔融金属从罐14按照箭头71所示方向传输经过管道24，通过入口51进入罐15。流进入口51的物料确保了至少两个源的搅拌。第一搅拌源是溢流板94，它确保了入口51至第二区域出口53之间的迂回流动。第二搅拌源是气体组分通过管道77和78的导入。正如前面所解释的，气体输入料的导入管道77可导入氧气或甚至可导入烃类原料。气体输入料的导入管道78可导水蒸汽或其它气体组分。通过在熔融金属层82下方的这些管道导入的气体组分将在罐15中进行适当的反应，而该反应将参照本发明的实施例更详细地讨论。气体组分进入气相83，其中气体组分通过气体出口39和绝热烟囱38排出。绝热烟囱38中非常热的气体组分通过热交换器32，在此处气体组分与从入口34进入的和从出口36离开的物料进行间接热交换。被冷却的气体然后进入管道40，在这里压力调节控制器28保持管道40中压力在所需的值。阀门30具有设定值以释放过量的气体，来保持管道40内的压力在所需要的值。该值是由罐15内物料的所需液面和根据在蒸气层83中检测到的所需压力来决定。从层82流过来的熔融金属通过第三区域出口53进入管道18，然后再进入罐16。熔融金属由混合溢流板94进行搅拌，板94与区域14和15中混合溢流板的设计相类似。

进入第三区域循环入口56的熔融金属在层85中混合，然后部分按照箭头71的方向通过第三区域循环导出装置57进入管道22。

选择性地但也是优选地，气体物料(如乙烷和甲烷)经管道96和阀门98导入气体组分的入口97。接着，与在罐15中一样，罐16的气体层90通过与已经就罐14和15所描述的相同的压力控制系统来保持在一定的压力。相同的功能元件采用同样的数值。经第二区域循环导出装置53离开的熔融金属进入管道22，然后再返回到罐14中，其中它是经第一区域循环入口52进入熔融层80的。选择性地但也是优选地，存在一个气流控制装置74，包括阀门72和管道75。它们中的每一个分别向下插入通过管道22和24的壁。取决于通过管75注射到管道22或24中的气体量，熔融金属按照箭头71的方向的运动速率可提高或降低。气体组分从气体源(未画出)经阀门72和经管道75导入管道22，将趋向于提高管道22内沿箭头71的方向的循环速率。然而，气体组分导入循环管道24将降低管道24内由箭头71表示的循环速率。

实施例1详细讨论了适合于通过刚才讨论的各种管道导入物料的速率。在实施例1中，还讨论了甲烷和乙烷作为在第一区域14中发生氢气的烃类原料，除非另外还添加了具有较高碳/氢含量的原料组分。

表A用表列出了优造的        参数水平

参数	一般	较好	最好
				原料C∶H摩尔比氧原料O∶C摩尔比Kg熔融金属循环量：Kg原料(Kg是公斤)Fe的熔融金属组合物第一炉浴第二炉浴第三炉浴第三浴温度第二浴(碳氧化物)温度第一浴温度第一浴压力(×105帕)区域3的H2气流压力(×105帕)区域2的CO2气流压力(×105帕)高度；浴1-浴2&浴3(浴2&浴3大略在同一高度)	0.1-41-225-50001-5％的碳(重量)比第一浴高50℃比第一浴高50℃1150-2600℃1-51-2001-20010-100米	0.5-3.51-1.5100-20002-4.5％的碳(重量)1200-2550℃1250-2550℃1200-2550℃1-32-1002-10010-150米	2-3＝1200-8003-4.2％的碳(重量)1225-1300℃1275-1350℃1250-1325℃1-23-503-5010-100米

关于该装置如何起动和熔融金属如何被导入该系统和如何首先引起循环的详细情况，参见美国专利申请号542,234，1990年6月21日申请(代理人备案号6333AUS)。在该美国专利申请号还披露了停机操作步骤。

实施例1

(本发明使用补充的碳原料+甲烷作为初始原料)

本实施例显示了仅由甲烷或乙烷作为单独的原料发生氢气的情况。将甲烷(和/或乙烷)分解为碳和氢(吸热反应)所需要的能量并没有被当产生碳氧化物时所释放的能量补偿。这是事实，因为将一氧化碳转变为二氧化碳所释放的能量并未传给熔融金属，而是当部分受热气体经与第二区域15相连通的管道38排出时能量从系统中跑了。只有碳与氧反应生成一氧化碳所释放的热量传给了熔融金属。基本上，在第一区域14中产生氢气和在第二区域15中产生碳氧化物。

在该实施例中还显示出这种一种必要性：循环速率必须是至少25磅铁/每磅从导入到氢气设备12或氢气设备112中的任何原料溶解而来的碳。

参考附图，下面简要讨论本发明优选实施方案的稳态操作。

理解本发明的熔融金属气化器的稳态操作的最直接方式是考虑各种能量和进出该系统的物料之间的关系。

在稳态操作时，就能量平衡方面的考虑而言，罐12(第一区域)中烃类热分解为氢和碳(碳溶解(dissolved)在熔融金属中)的速率决定了罐12的热需求量。

该热需求量可由进入罐12的熔融金属的温度降低来满足。这必须由溶解在罐14的熔融金属中的碳的放热反应(氧化为一氧化碳)。补偿。罐14中的放热反应可由在比其进入时的温度更高的温度下离开的熔融金属来调节。为了使整个系统保留在稳态，几个同时的要求必须达到平衡。

首先，罐12和15中净热量需求(任何系统热量损失)和将所有进入到该系统中的原料加热至其操作温度所需要的热量必须由罐14中释放的热量补偿。

其次，熔融金属循环速率必须如以下条件：在进入的和离开的熔融金属之间碳浓度的差值乘以熔融金属的质量流速等于罐12的净碳进料速率。在碳含量在约4.2％(重量)时熔化铁刚好有最低熔点。在较高或较低的碳含量下，铁碳熔化液的熔点升高。在约6％C(重量)下，在任何温度下不能使更多的碳溶解。如果所有进入罐14的碳被氧化，则最低碳含量是0。而0表示极端下限，实际实施下限高一些。下文将讨论该极限。这意味着最低熔融金属循环速率是1/(0.042-0)或23.8磅熔融金属/每磅碳。

再次，管道22和24中密度差异必须足以确定和保持所需要的熔融金属循环速率。管道22和24中之间的密度差异部分地由温度差、由碳含量差异和由在两管道中每一个之中的熔融金属的注射气体含量引起的。

如果在原料中存在硫或其它不希望有的污染物，硫将会生成硫化氢并随离开罐14的气体排出。在绝大多数情况下，硫化氢是不允许有的。在炼油物流有硫化氢存在的大部分情况下，硫化氢可由特殊的吸收系统除去。对于本发明，可加入某些含有钙的助熔(flux-ing)化合物，例如碳酸钙或氧化钙。该助熔化合物会形成熔融炉渣层，漂浮在熔融金属上面。助熔化合物中所含的钙在罐14的温度下经过反应生成氧化钙。氧化钙与熔融金属中的硫反应生成硫化钙并保留在炉渣层中。熔融金属中较高的碳含量有利于熔融金属中的硫与炉渣层反应。助熔化合物和炉渣可定期或连续添加和/或排出。

因为随着烷烃气体的碳原子数下降，氢/碳摩尔比增大，每摩尔碳所需要的吸热对于甲烷来说是最高的，其次是乙烷。分解甲烷和乙烷的吸热反应所需的热量比将它们所含的碳燃烧生成一氧化碳所产生的热量还多。不太可能利用由碳反应生成二氧化碳所产生的热量，因为当生成一氧化碳时，它迅速逃离熔融金属浴。如果存在足够的氧气促使反应形成二氧化碳，该反应仅在熔融金属层上方的气体区83中发生而且不能加热熔融金属。一氧化碳氧化成二氧化碳的主要的结果是提高了离开罐14的气体的温度。由于受热交换物料的限制，将进去的气流加热到816℃，以上是无法达到的。离开的气体的温度太高并没有好处。

本发明最重要的特征在于，当进入到罐14中的气体原料未含有足够的碳使系统在热平衡的条件下运转，可与气体原料一道加入高碳含量原料(如溶剂脱沥青产物)，使系统处于热平衡。如果在原料中加入过量的高碳含量的原料，将蒸汽加入到罐15中生成氢气和一氧化碳(放热反应)，使系统处于热平衡。

罐14中压力可在略高于大气压(10⁵帕)至稍高于2.76×10⁶帕的范围内，压力上限不受任何主要条件的限制，除非需要从经济上平衡使罐保持高压的额外费用与因在高压下产生氢气而使加压费用的节省。在高于2.76×10⁶帕的压力下，当罐14温度为1371℃时，甲烷，氢气和碳之间的化学平衡使得罐14的排出气体中氢气纯度下降到95％以下。

操作温度受罐15＝4、15和16中耐火材料衬里的温度限制的约束，并且，该温度越高，热量损失也大。高温、高进料速率和高熔融金属循环速率的综合作用使耐火材料衬里的烧蚀速度更快。罐14中原料气和罐15中氧气和蒸汽与热的排出气体的热交换是希望有的。原料流出气流热交换一方面受热交换设备的费用限制，另一方面是高的热效率带来的节省之需要。熔融金属循环速率必须至少是24磅熔融金属/每磅碳。最理想的循环速率是在100-1000磅熔融金属/每磅碳的范围内。

实施例1的以下细节解释了特定操作条件下的上述概念。对于这种情况，原料由纯甲烷构成。这决不是想要限定可被处理的烃类原料的范围，而选择它是为说明之目的。选择原料进料速率为16克/小时。这接近甲烷的分子量(以克计)，简单地正好选择速率为16吨/小时。甲烷中约4克生成氢气，相应地，12克生成碳(熔于熔融金属)。对于本实施例的目的，原料甲烷通过与罐15排出的氢气进行热交换而被升温到760℃，上述吸热反应所需的热量和将甲烷升温至反应温度(在本条件下为1250℃)所需的热量是大约72,000卡。在第二区域16中，12克碳被氧气(已经与排出的一氧化碳进行热交换升温至760℃，氧化为一氧化碳。由该反应产生的热量，不包括将氧气升温至操作条件(在本条件下为1291℃，所需要的热量，是大约62,000卡。系统中附加的热量损失是取决于系统的特性。在本实施例中损失10,000卡的热量值。

该系统没有处于热平衡，因为罐15中需要72,000卡，系统损失10,000卡，而罐16中只能产生62,000卡。欠缺约20,000卡。通过向罐14另外添加13克高碳含量的原料，罐14需要15,000卡热量，从而，在罐16中另外产生62,000卡热量，使热量过剩。这就让大量的蒸气加入到罐16中，蒸汽与碳的吸热反应生成氢和一氧化碳。为使系统处于热平衡，蒸汽的添加速率是变化的。

当将助熔剂加入到罐14中时，另外还需要热量将助熔剂升温至操作温度。助熔剂的添加速率由高碳含量物料速率乘以其含硫量再乘以炉渣与硫的反应效率来决定。越多的助熔剂加入到罐14中，就需要越少的蒸气加入到罐16中使系统处于热平衡。

改进

所讨论的特定的组成、方法或实施方案只是想要说明由本说明书披露的发明。在这些组成、方法或实施方案上的变化对本技术领域(以本说明书的内容为基础的技术领域)的熟练人员来说是很明显的，因而，想要将其包括进来作为本文所披露的发明的一部分。例如，附图没有显示出一件设备(如磁力泵)，此类设备在说明本发明的功能时是不需要的，因而，除非另有说明，否则可被排除。

本发明的一个变化形式，是：在全部或部分系统的耐火衬里和钢壁之间安装冷却夹套。调节冷却速度，这样，在耐火衬里的内壁上将形成固化的炉渣或铁层，以防止或减少炉渣或熔融铁对衬里的腐蚀。这样，这种安排在熔融炉渣与耐火材料衬里接触的地方特别有用。

本发明的另一种变化形式是：加入有害的有机化合物如dioxin，多氯化联苯类，氰类，多卤化有机化合物类和类似物作为全部和部分高碳含量的(含碳的)原料。这些物料或者在第一区域的熔融金属表面的下方注射进去，或者注射到流出管道24(也称为循环管道24)中。从管道24导入物料，使其在高温下的停留时间更长。在1200℃，以上的温度下，所有有害的有机物料快速而完全分解，即化学键如C-C键热断裂。硫、氯和溴被炉渣层84或甚至可能被86吸收。重金属如铬、镉、汞、铅或砷或者与熔融铁形成合金，或者被炉渣吸收。

本发明还有另外一个变化形式是：将来自石灰石洗涤器的废石灰石用作炉渣组分(例如钙原料)来源的全部或部分，加到入第一区域14或114中。来自石灰石洗涤器的废石灰石很少含有10％以上的硫，并且所存在的钙中至少80％或者是氧化钙或者是碳酸钙。

本发明还有另外一个变化形式是：添置由与第一和第二区域的耐火材料衬里类似或相同的耐火材料制造的挡板或混合装置，为的是在第一或第二区域内引起更多所需要的流动形式。

本发明还有另外一个变化形式是：采用电磁泵作为控制熔融铁流速的的第二级装置。这种类型的泵研制出来用于在核工业中的增殖反应堆中循环液态金属冷却剂。

本发明还有另外一个实施例是加入了含重金属的催化剂如裂化催化剂，它来源于流体催化裂化或除金属系统，比如在授权于Myers的US4,390,415，授权于Hettinger的US4,406,773，授权于Busch的US4,427,539等中所公开的。催化剂中高达7000-8000ppm的金属在重点集中于裂化已提炼过的原油以生产汽油状组分的操作中是不常见的。本发明的方法和设备就从重金属污染过的裂化催化剂中获得金属而言取得了特别好的效果。在用于从熔融金属浴中获得重金属(如钒)的步骤当中，无非是在处理过程中的某一处除去所有的碳组分，然后将重金属引入炉渣层并从炉渣层中回收重金属，说明书中的M表示“千”(1000)和ppm指百万分之一(重量)。

在另一个变化了的实施例中，向熔融金属铁中加镍或锰，能够改进熔融金属铁的性能，预料它能够更容易地溶解和进行化学反应。

可使用三个或多重区域的熔融金属浴，例如，当将不同的原料加入到几个不同的炉浴中时。

参考引用其它说明书是想要将这些专利或文献引入本文作为参考，并包括这些专利所引用的任何专利或其它文献。

Claims (12)

1.一种产生基本纯的氢气流的方法，该方法包括：

(a)将含碳原料导入第一区域中的温度为1200-2550℃的第一熔融金属浴中以保持该第一熔融金属浴中溶解有1-5wt％的碳；

(b)输送该第一熔融金属浴的一部分到第二区域的第二熔融金属浴中：保持该第二熔融金属浴中的温度比该第一熔融金属浴高50℃，保持这两温度，并通过在该第二熔融金属浴中添加控制量的氧气来氧化碳以减少该第二熔融金属浴的碳含量；

(c)从该第二熔融金属浴中输送一部分熔融物料到第三区域的第三熔融金属浴中，通过添加大致纯净的烃类原料保持该第三熔融金属浴的碳含量为1-5wt％和温度比该第一熔融金属浴高50℃，从而在该第三区域内产生大致纯的氢气；和

(d)将该第三熔融金属浴的一部分循环到该第一熔融金属浴中；

其中从该第一区域输送到该第二区域再回到该第一区域的熔融物料的总量是25-5000kg熔融金属/每kg原料；对原料中每摩尔的碳有1-2摩尔氧气被加入到该第二区域中，在所有该熔融金属浴中的碳含量被保持在1％以上。

2.权利要求1的方法，其中对每kg原料将循环100-2000kg熔融金属；氧/碳的总摩尔比在1-1.5的范围内；以加入到该第一区域中的含碳原料和以加入到该第三区域中的纯烃类原料为基础，所加入的全部碳是0.1-4摩尔/每摩尔所加入的氢。

3.权利要求1的方法，其中该第一区域比该第二区域高10-150米，两区域间的物料输送借助于因温度和碳含量差异引起的密度差异。

4.权利要求3的方法，其中该第一区域比该第二区域高10-100米，两区域间的物料输送借助于因温度和碳含量差异引起的密度差异。

5.一种用于生产基本纯和加压的氢气的三或多区域熔融金属气化设备，包括：在1200-2550℃的温度和10⁵-2×10⁵帕的压力下操作的第一区域，在1250-2550℃的温度和2×10⁵-100×10⁵帕的压力下操作的第二区域和在1200-2550℃的温度和2×10⁵-100×10⁵帕的压力下操作的第三区域，其中该第一区域装置在空间上位于该第二和第三区域装置的上方；和其中：

在操作上连接到该第一区域装置的是：

(a)第一区域循环导出装置，它用于将该第一区域装置以流体密封的方式连接到循环管道中；

(b)第一区域循环导入装置，它用于将该第一区域装置以流体密封的方式连接到循环管道中；

(c)第一区域原料导入装置，它用于将碳基原料或炉渣层组分导入该第一区域装置；

(d)第一区域气体导出装置，它用于排出一部分在该第一区域装置中存在的气相组分；

(e)第一区域水平面保持装置，它用于保持该第一区域装置内熔融金属和炉渣在所需要的水平面高度；

在操作上连接到该第二区域装置的是：

(f)第二区域循环导出装置，它用于将该第二区域装置以流体密封的方式连接到循环管道中；

(g)第二区域循环导入装置，它用于将该第二区域装置以流体密封的方式连接到循环管道中；

(h)第二区域气体导出装置，它用于排出一部分在该第二区域装置中存在的气相组分；

(i)第二区域原料导入装置，它用于将氧气或氧气和水蒸汽导入该第二区域装置；

以及，在操作上连接到该第三区域装置的是：

(j)第三区域循环导出装置，它用于将该第三区域装置以流体密封的方式连接到循环管道中；

(k)第三区域循环导入装置，它用于将该第三区域装置以流体密封的方式连接到循环管道中；

(i)第三区域气体导出装置，它用于排出一部分在该第三区域装置中存在的气相组分；

(m)第三区域原料导入装置，它用于将烃基原料导入该第三区域装置；

(n)至少三个循环管道，包括第一、第二和第三循环管道，每一个具有一个入口端和一个出口端，和

其中该第一循环管道的入口端被连接到该第一区域循环导出装置和该第一循环管道的出口端被连接到该第二区域循环导入装置；该第二区域循环管道的入口端被连接到该第二区域循环导出装置和该第二循环管道的出口端被连接到该第三区域循环导入装置；和该第三循环管道的入口端被连接到该第三区域循环导出装置和该第三循环管道的出口端被连接到该第一区域循环导入装置；以及

熔融金属主要和基本上唯有在由该设备不同部位中熔融金属物料的温度和碳含量的差异引起的密度差异的影响下流动。

6.权利要求5的设备，其中该第一区域气体导出装置，该第二区域气体导出装置和该第三区域气体导出装置每一个都包括有一个间接热交换器和用来控制各自区域装置内蒸气压力大小的压力调节阀。

7.权利要求5的设备，其中该第一区域水平面保持装置包括一个用于检测该第一区域装置内炉渣或熔融金属的水平面高度的装置和一个用于在该第一区域装置和该压力调节排出区域装置的内部之间引起压力差的压力调节排出区域装置。

8.权利要求5的设备，其中另外有一个向下的气体注射装置，其可将气体导入到该第一和第三循环管道中的一个或两个之中。

9.权利要求5的设备，其中该第一区域原料导入装置包括一个用来在该第一区域装置的任何熔融金属物料组分的表面的下方导入物料的装置。

10.权利要求5的设备，其中该第三区域原料导入装置包括一个用来在该第三区域装置的任何熔融金属物料组分的表面的下方导入含碳气体的装置。

11.权利要求5的设备，其中该第二区域原料导入装置包括一个用来在该第二区域装置的任何熔融金属物料的表面的下方导入氧气或H₂O的装置。

12.权利要求8的设备，其中该向下插入的气体注射装置位于该第一或第三循环管道的下半部分并贯通管壁。