CN1156437A - 实现吸热反应以便热分解固体物质而生成气体和固态残余物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现吸热反应、以便热分解固体物质而生成气体和固体残余物的方法，其中，把固体物质送入一反应室后靠辐射加热到500℃-1200℃之间一温度，从而使固体物质热分解成所述固体残余物和所述气体，然后把气体与固体物质分离并可回收产物中含有的显热而重新使用。

Description

实现吸热反应以便热分解固体物质 而生成气体和固态残余物的方法

技术领域

本发明涉及实现吸热反应、从而比方说靠热辐射热分解固体物质而生成高纯度气体产物和具有工业价值的固态残余物的方法。例如，热分解黄铜矿、煤的黄铜矿残余物以及铁和铜的其它黄铜矿精砂而回收硫并生成具有工业价值的固态产物；或热分解石灰石而生成石灰和二氧化碳。背景技术

现有方法是在反应/过程环境中直接燃烧燃料、矿物质或可再生物。燃料可以是燃油、柴油、木材、木炭、矿煤、天然气等等。

一般来说，反应环境有一定的几何条件：例如水泥工业中所使用的直立型反应器/炉或水平型反应器/炉，或有一定斜度的转动反应炉。

在反应环境中直接燃烧燃料需要有一定比例的燃烧空气，从而会以氮、过量的氧和其它空气气体污染环境。

在反应环境中直接燃烧燃料会生成最终来自燃料的颗粒以及不完全燃烧气体，例如CO、NO_x(氮的氧化物)和SO_x(硫的氧化物)之类的有害气体，它们与反应中生成的有用气体混合而冲淡它们，有时需要在下游使用提纯气体产品的装置而大大提高投资。

所需固态产品会受在反应炉环境中直接燃烧燃料时生成的气体的污染。

固态反应物颗粒/矿石的大小必须在上、下限之间，对于反应炉的顺利工作来说有一最佳大小：颗粒/矿石应足够大，以便减小粉碎成本以及使烟气气流的阻力尽量小或压力降尽量小；但又应足够小，以便在反应区中以最少滞留时间进行充分反应，而颗粒不致受气体运动的牵制(拖带)。

传热机制基本上依靠直接燃烧燃料而生成的高热气体的对流，一部分依靠燃烧区中火焰旁的热辐射。这一传热机制还决定了直立式或水平式(或有一定斜度)反应炉环境中在气流方向上的温度分布，温度在气流出口方向上降低，从而造成效率损耗。

总的来说，用来构成反应炉环境以及/或者保护反应炉的外部钢板的大量耐火材料占据了很大一部分投资，并且其装配需使用极有经验的技工才不致发生反应炉性能低劣的问题，例如高热气体渗入相邻两耐火砖之间的接头中，耐火砖表面上温度梯度不均匀而造成耐火砖破裂(热冲击)以及将钢板烧热到超过它们能承受的高温。

为了把反应炉反应区的反应温度控制在最佳温度，当反应区的温度上升到合适的反应温度以上时，除了仪表外，还需使用附加设备把从反应炉流出的较低温气体重新循环到反应炉内部反应区中，从而成本提高。

直立式反应炉内部几何形状不规则，需要根据下列反应变量进行复杂的计算和制图才能保证反应炉的性能：温度分布和所达到的温度水平、气流向着反应炉顶端的向上流动、矿石/颗粒向着反应炉底部从此排出的流动。

在水泥转窑式水平(或稍有斜度)反应炉中，转炉内部呈均匀圆柱形，但转动机构以及转窑两端的接头成本很高。发明的公开

本发明的实质是靠热辐射机制提供反应所需热能。这一机制无需任何材料介质把热量从一表面传到另一表面。

因此，本发明实质上涉及这样的方法，其中，把热量提供给颗粒/矿石而以吸热现象进行化学反应。利用热辐射可无需气体或气体混合物之类其它介质的中介而从辐射介质直接传到固体物质表面，而在固体上达到反应所需高温。

使用热辐射可使基本靠辐射的热量从一颗粒或矿石传到相邻颗粒或矿石，从而反应区的所有横截面基本保持在所需反应温度的同一温度。“面对”辐射面的矿石或颗粒首先被加热，因此，其表面变成辐射面而靠辐射把热量传给紧旁“面向”它的颗粒/矿石，直到所有颗粒/矿石达到同一反应温度。

向颗粒/矿石的辐射过程进行得极快。这样的高传热速率使得颗粒/矿石的滞留时间缩短，从而提高了给定反应炉的生产率或对于一定的生产量可降低体积/投资。

由于反应靠热量从矿石表面传到颗粒/矿石内部进行，所以这是本方法的控制机制。因此，颗粒/矿石表面的温度提升到所需反应温度越快，反应就越充分、越快。热辐射较之使用燃烧燃料(燃油、天然气、煤等等)生成的高热气体的现有加热过程可更高效得多地达到颗粒/矿石表面所需高温。

此外，热辐射为干净(清洁)能量，反应生成的气体产物为100％纯度，而在现有反应中，反应气体会受CO以及(燃料或石灰石或固体反应物中的)SO₂之类的硫衍生物的不完全燃烧而生成的N₂、O₂、Ar之类的空气成分的污染。

燃料的燃烧或电能的使用可在反应环境外部进行。其目的是靠热辐射把该环境的边界面加热到所需反应温度。

燃料可以是燃油、柴油、木材、木炭、煤、天然气。也可使用电能等等。

在本发明中，反应环境的几何条件不受限制，可以是圆柱形、平面形、球形、直立、水平或倾斜。

选定的燃料的燃烧和/或电能的使用在反应环境的外部进行而不参与反应，从而不污染反应生成的气体和固体产物。反应产物，不论气态还是固态，其纯度都为100％。

若固体反应物为石灰石，生成的含碳气体为100％的纯度，其巨大的优点在于可把它作为最终产品或在下游反应中用作反应物。

生成的氧化钙(CaO)(石灰)的纯度很高(与石灰石纯度相应)，且在室温条件下有很强反应力。

这一反应生成的石灰由于在反应区的整个过程中温度保持不变和稳定而有很强的反应力。

原则上，送入该反应炉的固体颗粒/矿石的大小不受限制，可以是粉末状的小颗粒，也可以是更大的颗粒，因此不需考虑磨碎和/或压制成圆的成本；由于反应炉中不存在大量气体，因此不存在牵制(拖带)现象和/或无需淘析小颗粒。

传热机制主要依靠热辐射，因此在限定环境中效率更高。

反应炉中的温度分布在整个反应区中平稳且更均匀；该反应区的温度可更容易地由界定反应环境的边界面的温度以及由界定辐射面的这些相同壁体的热惯性予以控制。为了在围成反应炉环境的表面上获得一定温度，需要使用合适材料，例如耐火板，从而可在耐火板后使用价廉材料，例如耐火水泥和耐火块。

因此本发明一般涉及一种实现吸热反应的方法，以便比方说热分解固体物质而生成高纯度的气体和固态残余产物，为此，把该固体物质送到一反应室中后靠辐射加热到500℃～1200℃，使固体物质热分解成所述固态残余物和所述气体，然后把气体与固体物质分离，以便回收产物所含热量而重新使用。

颗粒/矿石状固体材料作为原材料(例如石灰石和黄铜矿)，送到反应炉顶部被反应生成的高热气体预热后以两种方式通过由热辐射造成的高温反应区：

1.颗粒/矿石的固定床在一抽走反应炉底部处经反应的固体颗粒/矿石的机械机构作用下靠重力不断向下运动；下行速度限定成可在反应炉的高温区中获得所需滞留时间。

2.较小的颗粒(从粉末到直径为几毫米的颗粒)可在反应炉中作自由落体流动，在高温区的滞留时间限定成足以靠热辐射吸收反应所需热量。

本发明可用于主要靠热辐射传热而达到高温的吸热的任何气体-固体反应。此外，它还可用于要求气体产物纯净(100％)或纯度很高、而固体产物反应力很强的任何气体-固体反应。

本发明的应用例有在大气压下热分解成CO₂和CaO： 或者，大气压下热分解黄铜矿、铁和铜的黄铜矿残余物和黄铜矿精砂：

图1到4示出辐射反应炉的各种构形。

辐射源为电热表面，或用其它方法加热，例如燃烧燃油、天然气等等，辐射源可呈任何形状：圆管状、球状和平面状。这些辐射表面的几何条件使它易于装在反应炉中而使高温的分布最佳并以最高热效率运行。

图1示出向里辐射的圆柱形表面，其中，固体矿石/颗粒在辐射圆筒内，热源为位于表面侧边的电能或燃烧气体和火焰。

图2示出向外辐射圆柱面，其中，热源(电能或燃烧气体和火焰)在该圆筒顶部输入而颗粒/矿石状固体反应物位于辐射圆筒外部。

图3示出辐射平面，其中，热源(由电或燃烧气体和火焰提供)沿侧向输入，而矿石/颗粒状固体反应物位于辐射平面之间。

图4示出辐射球面，其中，热源(由电或燃烧气体和火焰提供)从外部输入，而矿石/颗粒固体反应物位于辐射球面内。

总之，本发明反应可成批、半批或连续地在500℃-1200℃的高温下进行，或者在任何压力(例如大气压)下以稳态进行，而颗粒大小可任意，从粉末状到直径为15cm、20cm或更大颗粒。

可用感应式鼓风机吹出气体，并回收热量以便用反应炉出口处仍在400℃-800℃高温下的气体的藏热(显热)来比方说产生蒸气、预热气体或液体或预热固体反应物。

在处理黄铜矿、黄铜矿残余物和铁和铜的黄铜矿精砂的特殊情况下，进行冷凝蒸气的冷凝和回收，其产物具有商业/工业价值。

Claims (8)

1.一种实现吸热反应以便热分解固体物质而生成气体和固体残余物的方法，其特征在于，把固体物质送到一反应室后靠辐射加热到500℃-1200℃的温度，从而把该固体物质热分解成所述固体残余物和所述气体，然后使气体与固体物质分离并可回收产物中含有的热量以便重新使用。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，用燃烧燃料或用电进行加热。

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，该燃料为燃油、柴油、木材、木炭、煤和天然气。

4.按权利要求2所述的方法，其特征在于，在反应环境外部进行燃料的燃烧或电的使用。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，反应环境呈圆柱形、平面形、球形，直立或水平或倾斜。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，处理黄铜矿、含黄铜煤渣等等以及铁和铜的黄铜矿精砂，以回收硫并生成具有工业价值的固体产品。

7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，处理石灰石而生成石灰和二氧化碳。

8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，它成批、半分批或连续进行或在任何压力下以稳态进行。

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