CN113336196A - 基于微波加热的气化裂解装置及快速制备硫磺气体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微波加热的气化裂解装置及快速制备硫磺气体的方法，装置包括气化裂解炉壳体及微波发生系统，气化裂解炉壳体的内壁上设有绝热层，气化裂解炉壳体的内部由上而下依次设有进料室、气化室、过热室及出料室，过热室与出料室之间设有分隔器，该分隔器上开设有透气孔，微波发生系统与气化室和/或过热室相适配，气化裂解炉壳体选用能反射微波的金属材料，绝热层选用能穿透微波的耐高温绝热材料，分隔器选用能反射微波或吸收微波的材料；当快速制备硫磺气体时，在气化室及过热室内装填加热载体。与现有技术相比，本发明可满足各种不同介电性能的极性物料、非极性物料的加热气化需要，满足大型工业化生产配套需要。

Description

基于微波加热的气化裂解装置及快速制备硫磺气体的方法

技术领域

本发明属于气化裂解技术领域，涉及一种基于微波加热的气化裂解装置及快速制备高温硫磺气体的方法。

背景技术

气化裂解炉是用于将固体或液体物料进行气化裂解反应的设备。对于硫磺、废硫酸、有机物、生物质、煤等物料来说，其气化裂解过程需要在高温密闭的气化裂解炉内进行。

通常工艺对气化裂解炉的要求是：能迅速将反应物加热到300-1200℃甚至更高的温度，以确保介质停留时间短，过程副反应少，产物得率高，并需确保稳定高效供热和传热，以及经济适用的耐高温、耐腐蚀材料。根据裂解所用原料及其供热方式的不同，可选用不同的裂解炉炉型，常用的有蓄热式裂解炉、管式裂解炉等。

石英管式裂解炉具有耐腐蚀、耐高温特性，是目前应用最广泛、技术最成熟的气化裂解炉。然而，石英材料存在易碎、加工尺寸及耐温有限等缺点，通常只适合使用在实验室设备或小规模处理条件下。电阻加热可以快速升温，温度调节方便，但单个加热元件功率有限，且加热元件容易损坏，使用寿命短，更换麻烦。电感应加热升温速度快，加热温度高，加热功率热负荷大，调节控制方便，但也存在壳体材料耐腐蚀、耐温等方面问题，特别是加热温度要求超过1000℃场合，壳体材料选择很困难。微波加热具有选择性加热特性，并具有升温速度快、加热效率高等优点，已从传统食品加工行业迅速推广运用到工业设备及过程加热。

硫磺是重要的基础化工原料，可广泛用于生产二氧化硫、硫酸、二硫化碳、不溶性硫磺、金属硫化物，也可以用来还原硫酸盐矿石、硫酸盐工业废渣和工业废硫酸生产附加值更高的硫产品。

硫磺的物理特性是常温下为淡黄色斜方晶体，呈马鞍型S₈环状结构，熔点为115.207-120℃，着火点250℃，沸点444.6℃，固体密度(1.96-2.07)×10³kg/m³，闪点207℃。温度发生变化时，可发生固、液、气三态转变，30-95.39℃时为斜方晶、95.39-115.207℃时为单斜晶；当温度加热到大于115.207℃时，达到熔融温度，硫磺由固态转变为非晶体液体，并在159℃时，S₈的环状结构开始破裂为开链结构形成线型聚硫大分子，并随之粘度升高，通常也将159℃定义为八元环的最低聚合温度；当温度达到160℃时，液体的粘度大约会增加100倍，到190℃时粘度最大，继续加热时长链开始断裂，粘度又重新下降，液体硫磺在130-152℃的流动性达到最佳状态；当温度达到444.6℃开始气化，硫磺在气态时存在多种原子构型，在气态硫中随着温度变化存在着下列裂解平衡：

444.6℃气化点时体积百分数：S₂ 3.5％，S₆ 54.0％，S₈42.5％；593.3℃时体积百分数：S₂ 15.5％，S₆ 59.1％，S₈ 25.4％；800℃时体积百分数：S₂97.0％，S₆ 2.9％，S₈ 0.1％；在450-900℃之间，气体硫磺实际上是S₂、S₄、S₆、S₈的混合物，随着温度升高，存在着多原子硫分子吸收能量裂解向低原子硫分子转变，即S₈→S₆→S₄→S₂→S₁，800℃以上时硫蒸气主要由S₂组成，1400℃以上时硫蒸气由S₂裂解向单原子S₁转变。不同形态硫磺的活性差别很大，温度越高分子链越短反应活性越高，对应不同的工艺技术和产品品质要求，则需要采用不同结构形态的硫磺参与反应。

现有工业化装置采用硫磺燃烧生产二氧化硫和硫酸大都可以采用液体硫磺为原料；而硫磺用于生产二硫化碳、不溶性硫、金属硫化物以及硫酸盐、废硫酸的还原时，采用气体硫磺要比液体或固体硫磺的反应速度、反应效率、反应得率要高出很多；并随着气体温度升高，气体硫磺分子量减少，反应活性不断提高。现有的硫磺加热气化制取高温硫磺气体的技术中，利用液体硫磺电加热能快速气化制得高纯度高温硫磺气体，并利用气体硫磺分解含石膏的水泥生料制得了合格的硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥产品，使传统碳还原(焦炭+硫酸钙→CaS)的固固预还原反应转化为硫还原法(硫磺气体+硫酸钙→CaS)的气固反应成为现实，预还原反应时间由20-30分钟缩短为5-45秒，预还原反应的温度也由1000-1150℃下降为700-900℃，以硫代碳还原石膏的效果和优势是显然的，但是在预还原反应温度700-900℃下，硫磺气体还原石膏生成CaS的反应为S₄、S₂气体+硫酸钙→CaS，反应为吸热反应，如果能改为S₁气体+硫酸钙→CaS，则反应为放热反应，反应时间将由5-45秒缩短为0.1-10秒，反应速度会更快。在二硫化碳生产中，如果采用高温硫磺气体与焦炭反应一步法直接合成，反应时间短，反应得率高，产品品质更高，生产工艺将更为简单。然而，在温度1400-2000℃下，硫磺气体为S₁气体状态，常规的加热气化方式很难获得如此高的温度，也没有能耐如此高温硫腐蚀的加热设备材料。

随着科技的发展和学科间的交叉融合，诸如微波、电磁等外场技术不断引入传统冶金、化工、建材等工业过程，产生了新的工业方法和理论。外场技术的引入，强化了传统工业过程，具有高效、低耗的突出优点，应用前景非常广阔。

微波技术引入工业过程中，主要是利用微波加热物质所体现出的优良性能。物料介质可分为极性分子和非极性分子，在电磁场作用下，极性分子从随机分布状态转为按电场方向进行取向排列，这些取向运动以每秒数十亿次的频率不断变化，造成分子的剧烈运动与磨擦碰撞，从而产生热量，使电能直接转化为热能，可见，微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热。不同介质材料在微波电磁场作用下的热效应是不一样的。由极性分子所组成的物质，能较好地吸收微波能，如水分子为强极性分子，是吸收微波的最好介质，所以凡含水分子的物质必定吸收微波；有机化学反应中常用的溶剂如乙醇、甲酰胺等具有偶极的溶剂受微波照射时也会有加热效应的出现。另一类由非极性分子组成的物质，它们基本上不吸收或很少吸收微波，如己烷、CCl₄、硫磺等小分子溶剂，以及聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、玻璃、陶瓷等高分子及无机材料，这些材料能透过微波，但不吸收微波，可作为微波加热用的容器或支承物，或作为密封材料。固体硫磺是S₈八元环状结构，液体硫磺是S_8n开链线型聚合结构，无论是固体硫磺还是液体硫磺均为极性较弱的分子，像硫磺这一类非极性分子或极性较弱的分子在受微波照射时热效应不明显，很难通过直接吸收微波能而被加热升温。因此，如何利用微波加热硫磺等类似非极性分子是科研工作者研究的重要课题。

中国专利CN112745961A公开了一种立式微波加热生物质气化反应器，通过在微波反应器内设置多块隔板，将微波反应器分成多个反应区域，该隔板为一个封闭的金属腔体，金属封闭腔上下两面为镶有多个透波材料的金属板，金属封闭腔侧面与微波发生器波导管、微波源连接，启动微波发生器向金属腔体内反射微波，即有微波透过金属板透波材料射向反应区域，并对反应区域内生物质进行加热气化，通过多次翻转金属隔板使所有物料均匀受热。然而，该微波气化反应器仅适合于类似生物质极性物料的加热气化，气化反应器内工作温度也会受金属隔板的耐温限制。

中国专利CN213141937U公开了一种新型微波加热催化生物质气化的反应装置，该装置包括控制柜、微波源、波导管、微波加热炉体和炉体底座，微波加热炉体由外壳体、保温材料及内部竖直设置的石英玻璃管三部分组成，石英玻璃管内部设有加热载体碳化硅颗粒。该装置适合极性生物质和非极性物料的加热气化，但其微波加热炉由外壳体、保温材料、石英玻璃管三部分组成，结构比较复杂，并且因受内壳石英玻璃管的加工尺寸限制，单台设备的处理规模小，适合作为实验设备和小规模使用，但无法实现大型工业化应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微波加热的气化裂解装置及快速制备硫磺气体的方法。本发明中的气化裂解装置采用能反射微波的金属壳体，内衬透波的绝热材料，并在内腔可选地设置能吸波的惰性极性材料作为加热载体，通过微波加热内腔中的加热载体或极性介质物料，实现极性介质(如废硫酸、有机物介质、煤、生物质)和非极性介质(如硫磺)的加热气化、裂解或反应。若应用于硫磺加热，可根据气体产品对温度的需要，快速制得500-2000℃不同温度要求的高温硫磺气体，满足工业过程对还原气的需求。制得的高温硫磺气体可作为工业还原气(剂)，用来还原分解石膏、废硫酸、二氧化锰等物料或作为生产不溶性硫、二硫化碳、金属氧化物的原料。本发明气化裂解装置结构简单，耐高温，电热效率高，生成速度快，反应得率高，气化温度高，可实现装置规模大型化，并能利用固体或液体硫磺连续化生产高纯度气体还原剂——高温硫磺气体。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

基于微波加热的气化裂解装置，该装置包括气化裂解炉壳体及微波发生系统，所述的气化裂解炉壳体的内壁上设有绝热层，所述的气化裂解炉壳体的内部由上而下依次设有进料室、气化室、过热室及出料室，所述的过热室与出料室之间设有分隔器，该分隔器上开设有透气孔，所述的微波发生系统与气化室和/或过热室相适配，所述的气化裂解炉壳体选用能反射微波的金属材料，所述的绝热层选用能穿透微波的耐高温绝热材料，所述的分隔器选用能反射微波或吸收微波的材料。

进一步地，所述的气化裂解炉壳体的材质为碳钢、不锈钢、铝合金或钛材等能反射微波的金属材料的一种或一种以上的组合，优选采用普通碳钢或SS304不锈钢；所述的绝热层的材质为陶瓷纤维或硅酸铝等能穿透微波的耐高温绝热材料的一种或一种以上的组合；所述的分隔器的材质为：1)能反射微波的材料，如SS310不锈钢、高铬铸铁等耐高温金属材料；或者，2)能吸收微波的材料，如碳化硅、二硅化钼、介波陶瓷等耐高温非金属材料的一种。

进一步地，所述的气化室及过热室装填有加热载体，所述的加热载体选用能吸收微波的惰性极性材料。

所述的加热载体的材质为活性炭、碳化硅陶瓷或微波介质陶瓷，优选为碳化硅陶瓷。加热载体为具有透气、吸波、传热性能的任意形状的多孔块体或球形颗粒。

进一步地，所述的微波发生系统包括微波电源、微波发生源及波导管，所述的微波电源与微波发生源之间设有导线，并通过导线相连，所述的波导管的一端与微波发生源连接，另一端与气化裂解炉壳体的侧壁相连。

进一步地，所述的气化裂解炉壳体的侧壁上设有连接口，所述的连接口处设有能穿透微波的窗口，所述的窗口的材质为石英玻璃或陶瓷材料；所述的波导管上设有水负载仪及返回微波强度检测仪。气化裂解炉壳体与窗口之间采用耐高温密封材料形成密封结构，窗口的内侧复合有能透波的耐高温绝热材料。

进一步地，所述的微波发生系统至少设有两个，并分别与气化室及过热室处的气化裂解炉壳体相连。

进一步地，所述的气化裂解炉壳体上设有与进料室相连通的进料口以及与出料室相连通的出料口，所述的气化裂解炉壳体的侧面设有检修人孔、温度检测口及炉内观察口，所述的温度检测口处设有温度检测仪表，所述的炉内观察口处设有微波强度检测仪。

一种快速制备硫磺气体的方法，基于所述的气化裂解装置，所述的方法包括以下步骤：

1)在气化室及过热室内装填加热载体，之后启动微波发生系统，使加热载体升高温度；

2)将硫磺通入气化裂解炉壳体内的进料室中，硫磺向出料室运动的过程中，在气化室及过热室内与高温加热载体直接接触并吸收热量，硫磺气化裂解得到高温硫磺气体。

进一步地，步骤2)中，所述的硫磺为液体硫磺或固体硫磺，优选采用液体硫磺进料。气化裂解的温度为500-2000℃，时间为1-120秒。

本发明在快速制备硫磺气体时，选用惰性极性材料作为吸波加热载体，利用微波选择性加热原理，将微波馈入气化裂解炉壳体内的气化室、过热室，其中的加热载体吸收微波而转化为热量，加热载体温度升高，气化物料进入气化室、过热室与区域内的高温加热载体进行热交换，使物料温度升高而气化裂解制得高温气体产品。装置在用于处理硫磺物料的气化裂解过程时，硫磺经计量后通入气化裂解炉壳体内，经与加热载体直接接触吸收热量而使硫磺升温、气化、过热、裂解制得温度为500-2000℃的高温硫磺气体。

本发明气化裂解装置的结构简单，利用微波加热特性，根据被加热气化物料的介电性能，通过装填或不装填吸波性能好的惰性加热载体，满足各种不同极性分子的加热气化温度要求，尤其是对如硫磺这类介电性能低、吸收微波性能差的非极性分子，通过微波快速加热惰性载体并升温，再将载体的热量高效传递给硫磺介质并升温气化、裂解、过热，获得不同温度段的高温硫磺气体产品，可以满足不同工艺对硫磺气体的温度和分子结构的要求。特别是某些化工反应如石膏分解、二氧化锰还原等，采用＞800℃的硫磺气体参与反应要比使用500-800℃的硫磺气体反应时反应活性高得多，反应速度更快，反应得率更高，可提高反应效率和生产效能，并有利于反应系统的热平衡，为工业副产石膏、二氧化锰、半焦粉等物料的资源化高效利用找到了新途径。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)气化裂解炉壳体选用能反射微波的金属材料，所述的绝热层选用能穿透微波的耐高温绝热材料，使炉内的气化裂解温度可以根据产品气体的要求保持在不同的温度段，特别可以满足某些工艺要求裂解气需大于1000℃的工况，有效解决了现有加热技术设备材料耐温耐腐蚀问题。

2)省去了石英玻璃管内胆，简化了设备结构，并可使气化裂解炉处理规模大型化，解决了设备放大问题，可使气化裂解炉配套用于大型工业化装置。

3)气化裂解炉壳体内可以选择装填吸波性能优良的惰性材料作为加热载体，也可少装填或不装填，来满足各种不同介电性能的极性物料、非极性物料的加热气化需要，几乎可以加热气化裂解处理各种极性分子或非极性分子物料，对原料的适应性广，特别是解决了类似像硫磺物料这类介电性能很差、无法通过直接吸收微波而加热气化的难题，可以快速获得高浓度、大气量高温硫磺气体，满足工业过程对还原气的需求，以用来生产二硫化碳、不溶性硫、金属硫化物，并可作为工业还原气(剂)还原分解石膏、硫酸盐、废硫酸、二氧化锰等物料。

4)工艺技术完善，介质升温迅速，通过调节微波发生系统的功率实现气化裂解炉内温度的精准控制，确保气化裂解效率，避免加热温升慢导致待处理物料无法有效气化裂解、粘结在气化裂解炉内的问题。

5)设置多重系统安全保护设施，确保关键部件微波源长期稳定运行，如波导管上设有水负载仪、返回微波强度检测仪，通过检测返回的微波强度来调节控制微波源的微波强度，尽量减少返回微波的强度，少量返回微波通过水负载仪吸收，可极大避免微波元件磁控管受返回波干扰而降低性能，延长磁控管使用寿命，降低更换费用和成本。

6)微波电源功率负荷从0％-100％调整可在瞬间完成，能满足被加热气化物料如硫磺气化裂解时瞬间热负荷增加的变化需要，生产负荷的变化调节方便灵活，并为维持炉内温度稳定提供保证。

7)液体进料时，采用泵送压力雾化或惰性气体动力雾化或布液器的方式将待加热液体以雾滴微小颗粒喷入炉内，使液体被迅速加热气化，比传统表面蒸发的气化效率高数十倍，可实现被加热物料如液体硫磺的快速气化。

8)采用PLC或DCS控制系统，并与微波发生系统进行通信和调节控制，生产负荷的变化调节方便灵活。气化室、过热室可采取独立的微波源和微波电源进行控制，通过检测相应区域的温度场和微波场来调节控制微波发生系统加热电源的功率。需要调整原料气化负荷时，通过调节原料的加入量并与气化裂解炉温度、电源功率连锁，实现温度流量自动化控制。

9)气化裂解炉壳体内为密闭的空间，没有空气和其它惰性气体混入，液体喷雾选择泵送压力雾化，或在后续工艺允许的前提下采用氮气或类似惰性气体动力雾化，可方便生产出5-100％的高纯度气体。

附图说明

图1为本发明中气化裂解装置的主视剖视结构示意图；

图2为本发明中气化裂解装置的俯视剖视结构示意图；

图3为实施例1中采用液体硫磺泵送喷雾快速气化的气化裂解装置的主视剖视结构示意图；

图4为实施例1中采用液体硫磺泵送喷雾快速气化的气化裂解装置的俯视剖视结构示意图；

图5为实施例2中采用液体硫磺泵送+惰性气体助吹喷雾快速气化的气化裂解装置的主视剖视结构示意图；

图6为实施例2中采用液体硫磺泵送+惰性气体助吹喷雾快速气化的气化裂解装置的俯视剖视结构示意图；

图7为实施例3中采用固体硫磺螺杆挤出快速气化的气化裂解装置的主视剖视结构示意图；

图8为实施例3中采用固体硫磺螺杆挤出快速气化的气化裂解装置的俯视剖视结构示意图；

图中标记说明：

1-微波发生系统，11-微波电源，12-微波源，13-波导管，14-导线，15-控制电缆，16-水负载仪，17-返回微波强度检测仪，18-微波示意线，19-微波强度检测仪；

2-气化裂解炉壳体，20-内胆，21-进料室，22-气化室，23-过热室，24-出料室，25-连接口，26-窗口，27-耐高温密封材料，28-检修人孔，29-炉内观察口；

3-绝热层；

4-分隔器；

5-加热载体；

6-进料口，60-进料示意线，61-液体物料进口，611-雾化喷头，612-喷雾管组件，613-流量计，614-精硫泵，615-精硫储槽，616-硫磺过滤器，617-粗硫泵，618-熔硫槽，62-固体物料进口，621-布液器，622-连接管组件，623-螺杆挤出机，624-称量设备，625-喂料机，626-料仓；

7-出料口，70-出料示意线；

8-温度检测口；

9-温度检测仪表；

10-控制系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2所示的基于微波加热的气化裂解装置为立式密闭结构，气化裂解炉壳体2内衬绝热层3，自上至下包括进料室21、气化室22、过热室23、出料室24共4个区域，进料室21连接进料口6，出料室24连接出料口7，在过热室23与出料室24之间设有分隔器4。进料口6包括液体物料进口61、固体物料进口62、气体物料进口中的至少一个，进料口6可以在进料室21的侧面或顶面。出料口7包括气体出口、固体出口，出料口7可以在出料室24的侧面或底面。分隔器4上设有任意形状的透气孔，其开孔率为10％-90％，优选为30％-60％。分隔器4上的气化室22、过热室23所在区域选择性装填有惰性材料作为加热载体5。在气化室22、过热室23侧面设有连接口25，与微波发生系统1的波导管13通过法兰连接。

气化裂解炉壳体2为圆筒型、方筒型或多边筒型的任意一种，优选圆筒型。气化裂解炉壳体2的上顶及下底为椭圆、锥体、平板的任意一种或一种以上的组合。

气化裂解炉壳体2内的4个区域均设有温度检测口8和温度检测仪表9，温度检测仪表9优选采用铠装热电偶，通过控制电缆15与控制系统10连接，用以检测每个区域的温度。气化室22、过热室23设有炉内观察口29和微波强度检测仪19，通过控制电缆15与控制系统10连接，用以观察、检测加热情况和微波强度。在气化裂解炉壳体2上不同高度区域设置检修人孔28。连接口25上设有透波窗口26、耐高温密封材料27和保温隔热材料，形成透波、隔热的密封结构，防止气化裂解炉壳体2内介质及热量泄漏到波导管13内腐蚀损坏磁控管等微波源12的元件。

气化裂解炉壳体2选择可反射微波的金属材料，绝热层3选择可穿透微波的耐高温保温绝热材料，分隔器4选择吸波或反射波的耐高温材料，加热载体5选择介电性能优良的活性炭或碳化硅的一种，优选采用多孔块状或球形颗粒碳化硅。

根据加热负荷需要，气化室22、过热室23的连接口25上至少分别安装一个微波发生系统1，即微波发生系统1至少设有两个，在气化裂解炉壳体2上自上而下沿气化室22、过热室23均有分布，同一高度区域沿周向不同位置至少布置一个；微波发生系统1由微波电源11、微波源12、波导管13、导线14等组成，波导管13上依次设有水负载仪16、返回微波强度检测仪17，并通过控制电缆15与控制系统10连接，返回微波强度检测仪17用来检测返回微波的强度，水负载仪16用来吸收返回的微波。

可选地，在气化裂解炉壳体2内设有内胆20，材料为陶瓷或碳化硅。

本发明设置PLC或DCS控制系统10，并与各控制设备通过控制电缆15连接，用于监测、调节、控制整个系统的物料流量、各部位温度、微波强度、用电设备的电压、电流、功率变化情况，并根据工艺设定要求实现流量、温度自动控制。

如果气化裂解装置处理的物料为介电性能优良的极性吸波固体物料，则可选择不装填加热载体5，使微波直接作用在待处理物料上即能吸波升温气化裂解。如果处理物料为介电性能一般的固体、液体、气体物料，单靠物料本身吸波升温比较缓慢，加热升温效果差，则可选择少量装填吸波性能优良的加热载体5，通过加热载体5吸波温升快来带动被处理物料温度升高而快速气化裂解。如果处理的物料为介电性能很差的弱极性物料或非极性物料，无法通过微波直接作用于物料加热温升，则必须选择装填吸波性能优良的加热载体5，在微波作用下，加热载体5吸收微波而快速升温，在物料通过加热载体5时发生热交换，而将热量传递给被处理的物料，实现物料的加热升温、气化、裂解。

本发明气化裂解装置用于介电性能很差的硫磺介质气化时，必须装填加热载体5，原料硫磺选择液体硫磺或固体硫磺的一种，优选采用液体硫磺进料，相应的装置改进见图3至图8。

若采用液体硫磺进料，其制备方法为：将固体或液体硫磺加热熔融成粗硫磺液体，然后经过滤得到精制硫磺液体，再通过精硫泵614送入气化裂解炉；液体硫磺入气化裂解炉选择泵送雾化喷头611雾化、惰性气体助力雾化喷头611雾化、布液器621布料(液体分布管、分液盘或分液槽)等进料方式的一种，优选采用泵送雾化喷头611雾化。雾化喷头611至少设置一个。液体硫磺加热熔融采用蒸汽、导热油或电加热的任何一种。硫磺加热熔融的温度为120-160℃。

固体或液体硫磺通过蒸汽、导热油或电等在熔硫槽618中加热熔融，在120-160℃下制得液体粗硫磺，然后经粗硫泵617、硫磺过滤器616制得精硫磺液体入精硫储槽615，再通过精硫泵614、流量计613计量后送入液体物料入口61、喷雾管组件612、雾化喷头611形成雾状硫磺液滴，在气化室22高温环境下，雾状硫磺吸收加热载体5的热量升温，在大于气化点时气化为硫磺气体，并经过热室23进一步加热温升达到工艺要求的高温硫磺气体。随着硫磺气体温度的不断升高，S₈长链结构被破坏裂解，由S₈裂解为S₈+S₂，S₆裂解为S₄+S₂，S₄裂解为S₂+S₂，在气体温度达到800℃时，S₂含量达到97％；微波作用于硫磺气化裂解反应，降低了硫磺裂解的温度，当微波加热升温到1200-2000℃时，S₂会进一步裂解为S₁，根据不同工艺技术方案对气体硫磺的分子结构和温度要求，可以选择制得不同温度的硫磺气体产品。

通过增加微波发生系统1的输出功率，对应增加输出的微波强度，来维持内腔加热载体5的温度，使得气化室22、过热室23能维持稳定的微波场和温度场，从而获得不同工艺要求的裂解产品气体温度。

液体硫磺进料可选择泵送直接喷头雾化(见图3、图4)或泵送+惰性气体助吹喷头雾化(见图5、图6)或布液器621(见图7、图8)，优选采用泵送直接喷头雾化进料方案。

系统运行和温度控制由PLC或DCS实现，液体硫磺流量、气化裂解炉壳体2内部温度与控制电源功率、微波强度自动控制。

实施例1：

利用本发明中基于微波加热的气化裂解装置气化制取硫磺气体，过程如下：

如图3、图4所示，本实施例采用固体硫磺为原料，经蒸汽盘管间接加热熔融成液体硫磺，由粗硫泵617送入硫磺过滤器616过滤去除固体及有机物杂质，过滤后精制液体硫磺入精硫储槽615储存，然后通过精硫磺泵614、流量计613调节控制硫磺量，并送气化裂解炉壳体2的液体物料进口61，由雾化喷头611直接雾化，经气化裂解炉壳体2微波加热气化获得高温硫磺气体。

气化裂解炉壳体2采用SS304不锈钢，加热载体5选用蜂窝状碳化硅，分隔器4选用SS310不锈钢，微波源12选用915MHz、100kW磁控管，微波馈入的窗口26选用石英玻璃，波导管13、水负载仪16选用铝合金，控制系统10采用PLC控制。PLC自动调节控制微波发生系统1的开启数量、功率调整，维持气化裂解炉内稳定的微波场和温度场。

为了降低炉内高温透过窗口26将热量传递到波导管13内影响磁控管性能和使用寿命，窗口26内侧复合绝热材料，窗口26结构设置确保微波能有效馈入气化裂解炉，尽量避免微波返回波导管13，少量返回的微波经水负载仪16吸收，以降低返回微波对微波源12元件的影响。同时通过波导管13上的返回微波强度检测仪17检测返回的微波强度，通过控制系统10调节控制微波发生系统1的微波的强度和功率。另外，水负载仪16、微波源12设有循环水吸波、冷却设施，确保微波发生系统1在安全的温度范围内长周期稳定运行。

具体应用如下：将固体硫磺加入熔硫槽618，在蒸汽盘管的加热作用下，当温度加热到大于118℃时，固体硫磺熔融变成液体，随着温度进一步提高至152℃，液体硫磺的流动性达到最佳状态，经粗硫泵617送入硫磺过滤器616过滤，去除硫磺中的固体杂质，获得精制的液体硫磺送入精硫储槽615缓冲储存，蒸汽加热保持精硫储槽615温度在140-155℃，再通过变频调节精硫泵614、流量计613控制液体硫磺流量在2吨/小时，并送至安装在气化裂解炉液体物料进口61的雾化喷头611，本实施例选用5个雾化喷头均布(参见图4)。

气化裂解装置采用8台100kW、915MHz微波发生系统1，气化室22安装6台，过热室23安装2台；高频微波电源11作用于微波源12产生微波经波导管13馈入气化裂解炉气化室22、过热室23，惰性材料碳化硅作为加热载体5吸收微波被加热升温，调节微波电源11功率控制气化室22区域内部温度在500-600℃、过热室23内部温度在600-900℃；启动精硫泵614，将液体硫磺稳定在约2吨/小时，经雾化喷头611雾化喷入气化室22的加热载体5上，雾化的硫磺液滴吸收加热载体5的热量而迅速升温气化，并经过热室23进一步加热温升制得800-900℃、700Nm³/h硫等离子体产品喷入后续相关反应系统使用。气化裂解炉出料口7的气体产物中硫的摩尔分率为95-100％。

实施例2：

如图5、图6所示，本实施例采用液体硫磺为原料，熔硫槽618选用导热油间接加热保温维持熔融液体硫磺，液体硫磺雾化采用氮气助吹雾化，气化裂解炉壳体2选用普通碳钢材料，分隔器4采用多孔陶瓷板，加热载体5选用整体块孔碳化硅吸波材料，孔径为3-15mm，硫磺液体或气体走碳化硅块孔的孔内，微波作用在块体上使整个块体温度升高，硫磺物料接触块孔吸收块体的热量而被加热温升气化、裂解。气化室22选用7台100kW、915MHz微波发生系统1，过热室23选用5台100kW、915MHz微波发生系统1，系统采用DCS控制。其它设备配置同实施例1。

本实施例的另一个效果是可以将硫磺介质隔离密封在惰性材料的块孔内穿过，降低壳体、连接口密封和材料防腐要求。

具体应用如下：将液体硫磺加入熔硫槽618，通过导热油加热作用维持液体硫磺温度在135-155℃，液体硫磺的流动性达到最佳状态，经粗硫泵617送入硫磺过滤器616过滤，去除硫磺中的固体杂质，获得精制的液体硫磺送入精硫储槽615缓冲储存，导热油加热保持精硫储槽615温度在140-154℃，再通过精硫泵614、流量计613，调节阀控制液体硫磺流量在1.5m³/h，并送至安装在气化裂解炉进料端的硫磺雾化喷头611，并经氮气助吹雾化，本实施例选用一个雾化喷头611。

调节微波电源11功率控制气化室22内部温度在500-900℃、过热室23内部温度在1000-2000℃。在该温度环境下，由硫磺雾化喷出的液体硫磺雾滴被加热而迅速升温气体裂解，DCS自动调节控制微波发生系统1的开启数量、功率调整，维持气化裂解炉内稳定的微波场和温度场，制得1200-2000℃、约2500Nm³/h超高温硫磺气体产品喷入后续相关反应系统使用。气化裂解炉出料口7的气体产物中硫的摩尔分率为50-85％。

实施例3：

如图7、图8所示，本实施例中，气化裂解炉壳体2内设置内胆20，材料为陶瓷或碳化硅的一种。采用固体硫磺为原料，固体硫磺颗粒进入料仓626缓存，经喂料机625、称量设备624稳定给料量后送入螺杆挤出机623，经螺杆壳体上的电加热使固体硫磺熔融为液体硫磺，并挤入连接管组件622，再分配到下层布液器621内。布液器621采用液体分布管型式，由多个同心圆环组合而成，并与连接管组件622连通，布液器621的底部均布有1-6mm的喷液孔，依靠螺杆挤出机623挤出压力将熔融的液体硫磺送入气化裂解炉，并通过连接管管径和喷液孔尺寸调整实现液体硫磺以料幕形式在气化裂解炉横截面上均匀分布。加热载体5选用15-25mm球形碳化硅颗粒，气化室22选用4台150kW、915MHz微波发生系统1，过热室23选用2台75kW、915MHz微波发生系统1，其它设备配置同实施例1。

本实施例中，液体分布管也可以改为分液盘或分液槽等有利于硫磺液体在进料室21横截面上均匀布料的方式进料。

具体应用如下：将原料固体硫磺加入料仓626，料仓626内的硫磺颗粒经喂料机625、称量设备624称重并控制在约2.5吨/小时，加入螺杆挤出机623，经电加热使固体硫磺熔融变成液体送入布液器621，经分配成料幕形式加入气化裂解炉。

调节微波电源11功率控制气化室22内部温度在500-600℃、过热室23内部温度在700-1200℃。在该温度环境下，由布液器621排出的液体硫磺与加热载体5碳化硅接触，发生热交换，液体硫磺被加热而迅速升温进行气体裂解，DCS自动调节控制微波发生系统1开启数量、功率调整，维持气化裂解炉内稳定的微波场和温度场，制得800-1200℃、约550Nm³/h高温硫磺气体产品喷入后续相关反应系统使用。气化裂解炉出料口7的气体产物中硫的摩尔分率为95-100％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于微波加热的气化裂解装置，其特征在于，该装置包括气化裂解炉壳体(2)及微波发生系统(1)，所述的气化裂解炉壳体(2)的内壁上设有绝热层(3)，所述的气化裂解炉壳体(2)的内部由上而下依次设有进料室(21)、气化室(22)、过热室(23)及出料室(24)，所述的过热室(23)与出料室(24)之间设有分隔器(4)，该分隔器(4)上开设有透气孔，所述的微波发生系统(1)与气化室(22)和/或过热室(23)相适配，所述的气化裂解炉壳体(2)选用能反射微波的金属材料，所述的绝热层(3)选用能穿透微波的耐高温绝热材料，所述的分隔器(4)选用能反射微波或吸收微波的材料。

2.根据权利要求1所述的基于微波加热的气化裂解装置，其特征在于，所述的气化裂解炉壳体(2)的材质为碳钢、不锈钢、铝合金或钛材中的一种或更多种，所述的绝热层(3)的材质为陶瓷纤维或硅酸铝中的一种或更多种，所述的分隔器(4)的材质为SS310不锈钢、高铬铸铁、二硅化钼、碳化硅或介波陶瓷中的一种或更多种。

3.根据权利要求1所述的基于微波加热的气化裂解装置，其特征在于，所述的气化室(22)及过热室(23)装填有加热载体(5)，所述的加热载体(5)选用能吸收微波的惰性极性材料。

4.根据权利要求3所述的基于微波加热的气化裂解装置，其特征在于，所述的加热载体(5)的材质为活性炭、碳化硅陶瓷或微波介质陶瓷。

5.根据权利要求1所述的基于微波加热的气化裂解装置，其特征在于，所述的微波发生系统(1)包括微波电源(11)、微波发生源(12)及波导管(13)，所述的微波电源(11)与微波发生源(12)之间设有导线(14)，并通过导线(14)相连，所述的波导管(13)的一端与微波发生源(12)连接，另一端与气化裂解炉壳体(2)的侧壁相连。

6.根据权利要求5所述的基于微波加热的气化裂解装置，其特征在于，所述的气化裂解炉壳体(2)的侧壁上设有连接口(25)，所述的连接口(25)处设有能穿透微波的窗口(26)，所述的窗口(26)的材质为石英玻璃或陶瓷材料；所述的波导管(13)上设有水负载仪(16)及返回微波强度检测仪(17)。

7.根据权利要求1所述的基于微波加热的气化裂解装置，其特征在于，所述的微波发生系统(1)至少设有两个，并分别与气化室(22)及过热室(23)处的气化裂解炉壳体(2)相连。

8.根据权利要求1所述的基于微波加热的气化裂解装置，其特征在于，所述的气化裂解炉壳体(2)上设有与进料室(21)相连通的进料口(6)以及与出料室(24)相连通的出料口(7)，所述的气化裂解炉壳体(2)的侧面设有检修人孔(28)、温度检测口(8)及炉内观察口(29)，所述的温度检测口(8)处设有温度检测仪表(9)，所述的炉内观察口(29)处设有微波强度检测仪(19)。

9.一种快速制备硫磺气体的方法，基于如权利要求1至8任一项所述的气化裂解装置，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

1)在气化室(22)及过热室(23)内装填加热载体(5)，之后启动微波发生系统(1)，使加热载体(5)升高温度；

2)将硫磺通入气化裂解炉壳体(2)内的进料室(21)中，硫磺向出料室(24)运动的过程中，在气化室(22)及过热室(23)内与高温加热载体(5)直接接触并吸收热量，硫磺气化裂解得到高温硫磺气体。

10.根据权利要求9所述的快速制备硫磺气体的方法，其特征在于，步骤2)中，所述的硫磺为液体硫磺或固体硫磺，气化裂解的温度为500-2000℃，时间为1-120秒。

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