CN210765189U - 一种双熔浴有机固废喷吹气化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，属于有机固废无害化、减量化、资源化、能源化处置消纳领域，也属于有机物超高温单原子裂解气化制取合成气的范畴。液面调节炉与气化炉底部连通，内部盛有1200‑1700℃的熔融铁基合金液，其上覆盖有熔融液态渣层，液面调节炉上方气体压力或液量增加，使得气化炉内熔体液面上升，浸没物料喷枪，向熔浴中浸没喷吹待气化有机物颗粒，同时向熔体鼓入气化剂氧气、富氧空气等，有机物气化成为富含CO和氢气的合成气，无机物大部分进入到熔渣中，随着渣液的积累而定期排出。熔铁液始终保持不增不减。能够将绝大多数有机废弃物气化为洁净可燃气体，用作燃料气或者化工产品合成气。

Description

一种双熔浴有机固废喷吹气化装置

技术领域

本实用新型属于化工领域，分类号为C10J3，具体涉及一种双熔浴有机固废喷吹气化装置。

背景技术

人类社会进入工业化以来，社会生活以及生产过程排出的垃圾、废弃物以惊人的数量不断增长和积累，已经成为人类社会必须面对的重大生态环境难题。虽然人们使用填埋、焚烧、堆肥等多种手段来处理垃圾固废，特别是其中的有机物，但目前常用的处理手段要么处理的速度和数量难以适应固废飞速增长的节奏，要么是在处理过程中容易产生新的二次污染，要么是处理的成本高企，或者是受到土地容量等的限制而难以为继。世界各国都不同程度存在垃圾围城、垃圾固废侵占人类生存空间、垃圾固废导致生态环境恶化的难题。

从现代钢铁冶金、有色金属冶金的冶炼过程中，利用喷枪将高速气体射流吹向金属液或者渣液，形成激烈的气液混合流动，带来熔池的激烈搅拌，构成了反应动力学上良好的混合条件，对于金属与渣液熔池的动量传递、热能传递、质量传递具有良好的作用，行业内称之为“过程强化”手段，这也是现代冶金科学技术着力发展的一种提高效率、提高产率的技术路径。

更进一步，将高速气体射流浸没喷吹入金属液或者渣液，以及用高速气体射流作为载气，将固相粒子喷吹进入到熔融金属液、熔融渣液内部，构成了所谓的熔铁浴、熔渣浴的反应条件，气固液三相在气体射流的动能搅拌下，得到充分混合，反应的总速率进一步快速提升，特别是固相粒子比起块状固体，具有更大的比表面积，与气泡、熔池的接触更为良好，反应效率大为提高。

在钢铁冶金的鱼雷罐铁水预处理、高炉炼铁、转炉炼钢、熔融还原炼铁，以及有色重金属铅锌铜镍锡等的熔池熔炼的工业实践中，将燃料、脱硫剂粉体、矿粉等喷吹入金属液熔池、渣液熔池构成了熔铁浴反应、熔渣浴反应，已经是相当成熟的单元操作，体现出速度和效率方面的极大优势。

下面仅以钢铁冶金熔炼过程来详细阐述。钢铁工业有三个重要功能。首先是生产钢铁制品，这是为全社会所熟知的。还有两大功能往往并不为公众所知，那就是处理消纳社会和其他工业大宗固体废弃物的功能，以及因此而来的能源转化功能。这后两个功能是紧密相关的。德国、日本等国的钢铁工业，从1980 年代开始，即有意识地处理社会固体废弃物，例如高炉喷吹废旧塑料代替喷煤，取得很好的效果，尽管高炉喷吹废旧塑料，并不是熔铁浴、熔渣浴的处理方式，但是已经具有了钢铁工业实现第二功能的雏形。至于第三功能，钢铁企业为周边的社区提供煤气、电力、供暖等，已经持续了数十年以上。这个阶段钢铁工业对废弃物的消纳处理，以及将煤炭能源以另外一种气体燃料、热蒸汽、热水、电力等方式提供给社会，其主要功能—生产钢铁产品，并没有被冲淡，也只是一种协同式发挥其环境功能。更为彻底的做法是：放弃钢铁的生产，只是利用钢铁冶金中比较成熟的熔铁浴、熔渣浴反应工艺和装备，借鉴其成熟的单元操作，用高效的双熔浴方式，将有机物固体废弃物高速喷吹进入熔浴中，并鼓入气化剂，进行彻底处理和转化，将其中碳氢元素转化为洁净合成燃气，而无机物大部分进入到渣中，实现减量化、无害化处置，合成气体既可以作为燃料气体，也可以通过适度变换其中的H/C比例，为下一步的化工合成提供合格原料气，由此将能够对人类环境状况、能源格局带来革命性的影响。

熔铁浴、熔渣浴组成的双熔浴，用来作为触媒，处理高速喷入的有机物固相颗粒，在有氧气存在的情况下，进行有机物的气化，其主要优势在于：(1) 碳氢化合物的超高温快速裂解：熔铁浴、熔渣浴的温度高达1400-1600℃，有机物接触后，特别是在浸没喷吹，被熔铁、熔渣包围的状态下，有机物分子在数十毫秒的时间内迅速裂解，裂解为碳一产物，碳原子溶解进入铁液，氢原子结合成氢气分子逸出熔浴。(2)溶解碳与氧的快速反应：氧气鼓入熔池，与铁生成FeO，FeO处于动态的分解-化合的平衡中，铁液中溶解有一定的[O]，溶解态的氧与碳的反应速度，比固体碳与空气中氧的反应速度快1-2个数量级，快生成 CO气体逸出熔体，与氢气混合在一起成为合成燃气；(3)不产生复杂的有机物等中间产物：由于达到1400℃以上的超高温，有机物超高温裂解为单原子无机物或者双原子气体分子，没有任何复杂的有机物，也没有中间产物，例如比较致命的中间产物二噁英等，也没有焦油等有机物；(4)碳转化率很高：几乎没有残留的未分解有机物，碳原子转化率高达98-99％，几乎所有有机物转化为最简单的无机物——溶解碳或者一氧化碳气体以及氢气；(5)硫元素较为彻底的吸收：硫元素在被铁液吸收，成为FeS，在铁液中溶解度很高，铁浴对于硫的吸收相当迅速，合成气中硫含量极低，通过喷吹石灰、石灰石颗粒，使得硫从铁液中转移到高碱度渣中，以溶解在渣中的CaS形式脱除；(6)熔铁浴、熔渣浴充当了多重角色和作用：液态触媒、催化剂、分散剂、蓄热体、流动基体、温度热量缓冲体调节剂、碳溶液、氧溶解体、碳氧快速反应载体、铁液为硫吸收体、气体产物洗涤剂过滤机、气体产物净化剂、熔渣为无机物吸收体、高碱度渣为硫的最终吸收体、重密度液态密封体包裹，等等。

与其他的处理有机废弃物的方式比较，熔铁浴的优势是显而易见的。简单比较如下：

垃圾焚烧：从最终产物来说，垃圾焚烧只有热能，不产生任何气体化学产品。焚烧过程温度一般只有600-900℃，容易产生二噁英为代表的有毒有害的中间有机物，需要外加优质燃料提高其燃烧温度，燃烧过程不稳定，容易波动。燃烧温度远低于熔铁浴1400℃以上的超高温。焚烧过程有机物经常有残留，需要二次处理。

塑料裂解：塑料如果自然降解，一般需要300-400年，而在熔铁浴炉中，0.1 秒就能转化为洁净燃气。采用其他加热的方式热裂解，虽然能产出一些类似石油化工的烃类产物，但转化过程温度低，烟尘量很大，产生大量二次污染，残留物量大复杂，易滋生次生污染，同时转化率也较低。

堆肥发酵等微生物降解：对于部分农业、林业、养殖业的废弃物，堆肥发酵产生沼气，是一种低成本的处理方式。但是生物发酵，受到比较多的不确定性因素影响，比如季节、温度，部分寒冷地区冬季无法产气，效率低、速度慢，不适合大规模转化。特别是畜禽粪便中的抗生素残留量很大，抗生物能够杀灭本来用来分解生物质的微生物，导致微生物降解丧失活性。而熔铁浴由于温度超高，反应速度不受任何自然环境影响，是大规模快速处理生物质以及能源转化的利器；

等离子体超高温裂解：对于危废，现在普遍采用等离子体高温裂解的方法。等离子体高温裂解的温度确实实现了超高温，使得待处理危废得到较为彻底的裂解转化，但是缺陷也是明显的：一个是等离子体需要耗电，而熔铁浴本身是对外供能的，能源的一正一负，显示了其经济性的巨大差异。还有，等离子体枪昂贵而且功率很小，一个典型的熔铁浴炉，产出的热能其功率可以接近GW 级别，而一个典型的等离子枪功率只有不到100KW级别，差了10000倍左右，无法成为主流的大宗固废处理方式。况且，等离子体枪虽然温度高，但其物料加热也是裸露在空气中，升温过程仍然有可能产生中间复杂有机物的毒害，而高温熔铁浴由于铁液、渣液的密闭包裹作用，气体冲出双熔浴后，必然几乎不含任何有机物成分。

即使是在煤气化方面，熔铁浴也有很重要的优势。常规的煤气化，常常集中在固定床、流化床、气流床这三种，且工艺装备技术已经开发很成熟，达到单炉每昼夜能够气化2000多吨煤的量级。但现有气化炉，对煤种还是有所挑剔的，对于煤的结焦性、黏结性、灰分熔点、反应活性、粒度、热稳定性、成浆性、含水率的要求都是比较苛刻的，每种气化炉对于煤种都有各自特定要求，不太适应其他煤种。而熔铁浴由于其流动基体是铁浴，几乎可以气化任何有机物，对不同种类的煤高度适应，就连生活垃圾也可以气化。而且气化产物可以不含任何氧化性气体、气相不含硫，没有焦油等物质，成分单纯、操作稳定。

熔铁浴不仅在固废的消纳处置方面拥有极大的优势，更大的优势在于能够将地球上绝大多数生活垃圾、农业林业废弃物如秸秆/枝桠/甜高粱/锯末/海藻、畜禽粪便、废旧塑料、废旧橡胶轮胎等转化为洁净燃气，进而转化为石油化工产品，例如合成优质汽柴油、石蜡、石脑油、润滑油、合成天然气、烯烃、聚烯烃、醇醚等产品。

以中国为例，历史积存了700亿吨固废，其中很大比例是有机物，每年新增固废几十亿吨，其中农业固废10亿吨，畜禽粪便17亿吨，生活垃圾4亿吨，经由熔铁浴转换，可以合成数亿吨的油气产品，减少中国在液体化石能源、气体化石能源方面对外的过度依赖，同时也减少化石能源使用过程的碳排放。生活垃圾以及生物质废物，制成气体、液体能源，本身是碳中性的，不增加大气二氧化碳排放。

地球上每年光合作用生成的生物质量高达1500亿吨，扣减掉其中的水分，绝干生物质量也高达数百亿吨，采用熔铁浴处理的话，意味着能产生数十亿吨油气产品，基本达到当前化石能源的消费程度。这意味着地球人类社会依靠熔铁浴的转化效果，能够开始告别化石能源时代，真正进入到生物质能源时代。依靠熔铁浴的过程强化转化效果，光合作用—熔铁浴转化，构成了闭环循环，垃圾围城和依赖化石能源成为了历史。同时，这也意味着当前全球化石能源布局所导致的紧张的全球政治、经济关系，也将会迎来极大程度的缓和——如果世界各国人民能够在自己的土地上依赖每年太阳恩赐的光合作用生物质，就合成出现代社会所需要的油气资源，那么在中东进行激烈的角逐就不再必要。

综上所述，在处理固废垃圾、生物质资源方面，较之于传统工艺过程，熔铁浴简单粗暴，效率奇高，甚至可以称之为终极版的雷霆手段，也是垃圾和有机固废的终结者。从能源的角度看，熔铁浴打通了从光合作用到生物质到替代化石能源的最后一个关键环节，开辟了一条人类不再依赖化石能源的新路径，也有助于终结世界各国在中东等油气输出国的激烈角逐和争夺。

实际上，地球深处所进行的地核、地幔、地壳反应器，也有类似的三重跨界的属性。地球深处的液态铁镍合金，会将地球浅层的生物质、碳酸盐，在地球的地质活动中，慢慢运送到地球深处，接触到液态铁之后，会被裂解或者还原为低价态碳元素，同时水也会被液态铁还原成为氢，一氧化碳或者碳元素，与氢气在极高压力、一定温度、铁氧化物催化剂作用下，能够生成碳氢化合物，形成油气资源。从某种意义上，这一缓慢的地质过程，被人类所主动应用，意味着仿地幔反应器能够对地球的碳转化产生极大的促进作用。

中国科学院化工冶金研究所(现名过程工程研究所)的王大光、谢裕生、郭占成等在1993年提出了中国专利申请93104740.1《煤-氧-矿-熔剂复合喷射铁浴造气与炼铁》，是中国较早的铁浴熔池造气的专利文献。虽然其铁浴造气的目的在于炼铁，但如果将其四种输入物中的“矿”放弃，相当于是煤-氧-熔剂三者在熔铁浴中气化造气。

美国专利1803221提出将有机碳氢化合物导入到金属熔池，从而产出氢气，而碳元素溶解于金属液后被鼓入的氧所氧化。

美国专利US2647045中，采用熔渣作为气化介质，将可燃物料喷吹到熔渣液面以下进行气化，并且使熔渣运动。美国专利US4388084中，熔铁浴作为气化介质，采用非浸没喷枪将煤等碳氢化合物喷吹到熔铁表面，进行气化造气。

美国专利US4574714和US4602574提出了在类似炼钢的设备中，将有毒或者废弃有机物喷吹到熔池进行气化，以实现无害化处置。

美国专利US6110239采用两个区域的熔铁浴对有机物进行气化，一个是加料区域，用于将有机物接触熔铁浴而裂解，生成氢气，单独逸出，碳溶解于铁浴后流动到氧化区域，通入氧进行碳的气化，气体中主要是CO，实现氢气与 CO气体分开产生和收集。类似的分数个区域进行熔铁浴气化的美国专利还有US4187672，US4244180。采用单一气化区做法的美国专利有US4496369， US4511372，US4574714，US4602574等。

美国公司申请的国际专利，进入中国申请号为200680020777.8的专利申请中，主张用精确的分析检测获得原料的准确数据，以便在金属熔池中更好地处理有机物和无机物，将有机物气化，而无机物玻璃化。

法国一家玻璃企业的国际专利申请，进入中国申请号为200980121557.8的方案中，使得有机物接触到熔融玻璃液而发生气化。

清华大学申请的中国专利201510611503.7，提出利用液态金属的接触，使得有机物气化。

北京科技大学杨天钧教授与刘述临教授合作，1989年完成了其《熔融还原技术》专著一书，于1991年经由冶金工业出版社出版发行(ISBN7-5024-0905-X)，系统总结了其在联邦德国RWTH Aachen大学和北京科技大学所进行的熔融还原技术研究，以及当时行业内非高炉炼铁相关实验室研究和工业试验研究的进展。其中的第三章《由转炉技术派生的熔融还原方法》侧重谈了煤炭经由铁水熔池造气的CIG法、CGS法、COIN法、MIP法等工艺流派。

随后的1998年，杨天钧教授又与黄典冰博士、孔令坛教授合作撰写了《熔融还原》一书(ISBN7-5024-2150-5/TF 497 TF557)，收录在“冶金反应工程学丛书”中，依然由冶金工业出版社出版，该书着重从工艺操作角度对非高炉炼铁进行了综合阐述和评价，铁浴熔池造气是其中的一个单元操作。

刚刚在2019年冶金工业出版社出版了《现代有色金属侧吹冶金技术》一书 (ISBN978-7-5024-7916-9)，由李东波、陈学刚、王忠实所著，重点描述了中国恩菲工程公司在近年来的重有色金属熔池熔炼中，采用侧吹浸没燃烧技术的研究和工业实践。侧吹浸没燃烧如果氧量降低至不完全氧化，而喷吹的物质是煤粉的话，也相当于浸没式熔池造气。

清华大学卓建坤、陈超、姚强三位合作完成的《洁净煤技术》(第二版) 一书，2015年由化学工业出版社出版(ISBN 978-7-122-24843-5)，属于“21世纪可持续能源丛书”之一，在第5章介绍煤气化技术时，在移动床、流化床、气流床这几种主流技术之外，专门介绍了熔融床气化法，并将之分类为熔渣床法、熔盐床法、熔铁床法三种。

许祥静、张克峰主编的教材《煤气化生产技术》(第三版)2015年版化学工业出版社(ISBN 978-7-122-24727-8)也同上述论著中一样，对于煤的熔融床气化作了相同的分类和描述。

中国的山东墨龙石油机械股份公司(股票代码002490)将原来属于Rio Tinto 矿业巨头(力拓集团)位于澳大利亚Kwinana的熔融炼铁HIsmlet工艺的试验工厂所获知识产权整体收购，并在中国山东重新建设，北京科技大学杨天钧、张建良等教授带队进行工艺研究优化，山东冶金设计院、首钢国际工程公司的技术团队进行了设备优化和工程建设方面的提升，已经优于原来的工厂，其中每小时90吨粉煤喷吹熔池造气，提供熔池热能和还原剂溶解碳，其单元操作与熔铁浴造气，有较大的相似之处，产出铁水在商业上已经具备了与高炉竞争的优势。该技术成果与2017年实现稳定运行，2018年获得鉴定。

综合上述专利及技术文献，更重要的是，从数十年钢铁冶金、有色冶金相关的单元操作的工业实践看，下述难题并没有得到有效的解决：

(1)喷枪寿命：比较有效的有机物粒子喷吹方式是浸没在熔融液面之下喷吹，在钢铁冶金、有色金属熔池熔炼、玻璃窑的浸没燃烧中，都有大量的工业实践。但是浸没燃烧对于喷枪的寿命是一个极大的挑战。例如在钢铁冶金过程中，高炉产出的铁水，在进入转炉炼钢之前的脱硫操作，往往将喷枪插入铁液中，喷吹一些碱性物料进行脱硫操作，这种喷枪采用耐材制作，内衬钢管，典型的插入液池的浸没时间是每次10分钟，喷枪寿命不过几十次。这与煤气化、垃圾及生物质气化设备所需要的动辄几千小时的要求，相去甚远。在某些钢铁冶金操作中，采用自耗式氧枪，钢管既是吹氧喷管，本身也是耗材，不断损耗，同时后续不断补偿，使得喷吹作业能够继续。这在敞开式的作业是可以作为一种无奈的选择，但在气化所需的封闭空间，插入口的密封等难题，也使得这并不是一种长期可行的常规做法。

从浸没的程度看，插入铁液中是最优的，有机物颗粒被送达到铁液的深处，受热发生超高温裂解，形成溶解碳以及氢气逸出，同时氧气鼓入到铁液，在保持溶解碳的一定浓度下，几乎全部C生成CO而不会生成二氧化碳气体，气化过程相当顺利可靠。但化学过程的完美抵挡不了喷枪寿命太短的现实难题。喷枪末端浸没在铁液中，由于铁液的热流巨大、冲刷力强，喷枪的寿命往往在几个小时的程度，甚至很难逾越几十小时，更换喷枪非常频繁。在短暂的科研实验中，这样做持续数个小时是可以的，但在大规模的工业生产中，频繁更换设备则是工业生产过程中的梦魇。

目前比较折中的做法是，炉料喷枪并不直接插入铁液中，而是插入渣液，渣液由于传热能力远远低于铁液，热流强度小，同时粘度大，对于喷枪的冲刷作用较小，喷枪的寿命比在铁液中较大的提高。但即使这样，采用耐火材料制成的喷枪，也难以达到工业上比较理想的寿命。后来更倾向于采用水冷喷枪，利用水冷带走大量热量，对于喷枪进行降温以延寿。在喷枪外侧，与熔渣接触的部分，熔渣被降温而冷凝，形成一个凝壳，对于喷枪起到保护作用。实质上是一个水冷的套管，里面才是真正的喷枪管道。为了实现高的传热效果，钢制水冷件的材料传热系数是不够的，必须使用导热更好的铜质材料，铜质材料昂贵，喷枪价格由此而高企。铜材本身的质地较软，耐磨性能差，炉料颗粒高速通过导致的磨损相当大，只能在喷枪最内侧采用耐磨钢制材料做成喷吹管，同时又由于铜材的强度低、热变形大、刚度小，不足以支撑整体结构，需要采用铜材与钢材复合在一起的铜钢复合水冷件，这种复合材料需要爆炸复合两种不同类型的金属板，以实现冶金结合，加工周期长、加工难度大。由于爆炸复合过程需要使用炸药，而且爆炸本身的安全性和扰民特点，爆炸复合操作的时间、地点受到政府的严格管控，只有少数特许企业在偏僻的深山里，在特定的日期，才能进行铜钢复合板的爆炸复合成形，而且在高度发达的工业化国家才有此项加工能力和管理体系，在工业基础较为薄弱的国家进行此类气化生产线的运营，复合材料水冷喷枪的备货、进口将是比较复杂的一个难以普及的设备环节。

更为重要的是，采用水冷件，意味着与高温渣液、铁液紧邻的部位充满了水流，此中潜藏着巨大的安全隐患。液态水接触到高温渣、铁，会发生极为严重的爆炸，导致重大安全生产事故，造成设备全面损毁、企业被迫长期停产整顿，甚至人员伤亡，以至于项目完全失败。此种水冷设备的操作和维护，需要极为严密的实时在线监控和严格的管理体系的贯彻执行，也需要极高的员工素质和责任意识，否则发生漏水、水管破裂等引发后续重大灾难事故，只是概率大小和时间问题。

(2)炉衬损耗与寿命：为了将溶解碳氧化为CO气体，要将氧气鼓入熔池，首先会生成FeO，实际上溶解碳的氧化是通过FeO的动态分解与合成释放溶解氧来完成的，这就导致炉渣中势必有一定量的(FeO)含量。如果要气化的有机固废是生活垃圾、生物质等低热值或者含水率高的物料，那么在熔渣中进行一定比率的二次燃烧，释放更多的二次燃烧热来维持整个渣浴、铁浴的温度恒定。这势必要求渣中的(FeO)含量进一步提高。渣中含有一定量的(FeO)，炉渣熔点降低，流动性增加，混合搅拌更为便利，但是含有FeO的液态熔渣，对于耐火材料炉衬侵蚀是极为严重的，这种熔渣在行业内被戏称为“王水”，意味着接触到耐火材料后，快速溶蚀，导致炉衬材料失效而无法服役。

同样的，应对这种难题的一个做法是采用水冷炉壁，也就是水冷铜质冷却壁，甚至采用铜钢复合的昂贵材料制成，在其内壁接触熔渣的部位形成炉渣的水冷凝壳，阻碍了热流的进一步传递，虽然热能散失量有所增加，但是能维持炉衬长时间服役。如前所述，水冷炉壁的形式，虽然能够保证炉衬长久使用，但是这是建立在比较完善的设备加工、安装、使用、维护的全套工业流程之上的，在工业基础雄厚的国家比较容易实现和安全运行，在很多能源欠缺、工业基础相对薄弱的地区，以及劳动力素质和培训不够完备的项目所在地，其安全隐患和风险也是巨大的。

(3)炉气及热排渣的物理显热损失大：由于排出的合成气和液态炉渣的温度较高，显热较大，如果没有对这两部分显热回收的话，热损失较大。

(4)通常为间断排渣，操作不方便：如果借鉴钢铁工业的单元操作，炉渣是定期间断排放的，而不是连续排渣的，操作连续性不好。

(5)高温炉气除尘较为困难：最初生成的合成气，突破熔池后，温度高达 1500℃左右，且含尘量较大，如果渣中有较大二次燃烧率，那么可能合成气的温度更高，给降温、除尘带来很大的难题。

(6)煤炭以外的碳氢有机物的气化：煤炭针对其不同种类，所开发的气化炉已经相对成熟，但是不同煤种之间气化炉设备很难通用。而其他多种有机物，特别是生物质、生活垃圾等来源复杂、成分波动较大的有机物，很难采用煤炭气化的设备和工艺。

实用新型内容

根据以上现有技术的不足，本实用新型提供一种双熔浴有机固废喷吹气化装置。

本实用新型所述的一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，用于将有机固体废物喷吹入熔铁浴和浮于其上的熔渣浴，进行超高温裂解并与气化剂作用产生出可燃合成气体，其特征在于，装置包括：

气化炉，所述气化炉为密闭式结构，所述气化炉侧壁至少安装有一支可喷吹固体颗粒且能浸没在熔渣浴或熔铁浴中的物料喷枪，以及一支安装在气化炉上方的超音速射流喷枪；

液面调节炉，所述液面调节炉为密闭式结构，所述液面调节炉的底部通过连通管与气化炉的底部相连通，所述液面调节炉的上部开设有铁液注入槽，所述铁液注入槽连通设置有密封承压机构，所述液面调节炉的底部开设有出铁口；

排渣换热竖炉，所述排渣换热竖炉与气化炉上部相连通，承装自气化炉201 中自行溢出的液态熔渣，并冷却液态熔渣至低温固相后排出。

本实用新型中，气化炉和液面调节炉可盛放1200-1700℃熔铁浴(即熔融铁基合金液，熔融铁基合金液为至少含有C元素的Fe-C熔体，含碳量2-5wt％，其中，气化炉内可以承装的熔融铁基合金液的深度为600-2000毫米，其上熔融渣液的厚度为500-3000毫米)及其上方熔渣浴(熔融渣液)。液面调节炉上的密封承压机构，通过气体加压方式能够将液面调节炉内部的气体压强升至2-5 个大气压，压迫液面调节炉内部的熔融铁基合金液流向气化炉导致气化炉内的熔融铁基合金液和熔融渣液的液面抬升，且熔融渣液面能够浸没物料喷枪的喷口。从物料喷枪中随着载气射流喷射的有机物固相粒子射入熔渣浴，形成熔渣浴气化，进一步穿透熔渣浴抵达熔融铁基合金液中，形成熔铁浴气化，有机物碳氢氧形成的CO气体和H₂逸出熔铁浴-熔渣浴形成的双熔浴，作为高温含尘的初合成气向气化炉上部空间运动，合成气的绝对压力为0.11-0.20MPa，此时整个装置处于气化操作状态；高温含尘的初合成气经过汽化冷却烟道进行降温、除尘，合成气继续经过除尘及余热锅炉进一步回收显热，汽化冷却烟道、余热锅炉获得的蒸汽用于待气化有机物料的干燥。液面调节炉上方的压力能够调整恢复为一个大气压，使得液面调节炉内部的熔融铁基合金液面恢复上升到原来位置，同时气化炉内熔融铁基合金液和其上的熔融渣液面下降至常压时的高度，将原来浸没的物料喷枪暴露出来，气化操作暂停，整个装置进入到准备状态。在停止气化操作的准备状态，可以进行喷枪维护和更换操作，在此阶段，超音速射流喷枪采用氮气的超音速射流，对积存在气化炉底部的熔融渣液进行喷吹，使之飞溅至炉壁上，实现溅渣护炉的炉衬维护操作。值得注意的是，在溅渣护炉操作之前、喷枪维护更换之前，需要用物料喷枪切换为向气化炉内部喷吹调整气化炉内熔渣成分、性质的炉渣调质剂。

上文中提到的“物料喷枪中随着载气射流喷射的有机物固相粒子射入熔渣浴”，其中，有机物固相粒子为废旧塑料、废旧橡胶及橡胶轮胎、农业固体废弃物、林业固体废弃物、畜禽粪便、甜高粱生物质、农业秸秆、生活垃圾、RDF、化工行业含有可燃成分的危险固体废弃物、高硫煤、劣质煤、石油化工残余可燃固体废弃物等中的一种或几种，以及上述有机物与建筑垃圾、无机固废、废渣、污泥、无机盐、污水、废水等的混合物；有机物固相粒子的粒径不大于3mm。载气为压缩空气、氮气、水蒸气、含有VOCs的气体、合成气返回气中的一种或多种。

其中，优选方案如下：

还包括有汽化冷却烟道，所述汽化冷却烟道与气化炉上部相连通。

还包括有除尘及余热锅炉，所述除尘及余热锅炉的进气口与汽化冷却烟道的出气口相连通。

所述汽化冷却烟道位于气化炉正上方具有一垂直段，且该垂直段的内径是气化炉内径的1.3～2倍。

所述除尘及余热锅炉与排渣换热竖炉底部之间连通有气体回流管道。该气体回流管道用于输送已冷却合成气体、空气和水蒸气，与熔渣向下运动方向逆流吸收熔渣显热后合并入气化炉新生成的合成气体，对新生成的初合成气起到降温冷却效果。

所述气化炉至少安装有一支提供含氧气体气化剂且能浸没在熔渣浴或熔铁浴的浸没氧枪，可向气化炉201内喷吹氧气、空气、富氧空气、预热最高至1300℃的空气或富氧空气。

所述物料喷枪的喷口位置位于熔铁浴液面上方100-300mm处，且浸没于熔渣浴中，所述物料喷枪的喷口与水平面呈斜向下40-60度夹角，喷口延长线与熔铁浴-熔渣浴界面相交，且交点与熔铁浴-熔渣浴界面几何中心的距离不大于熔铁浴-熔渣浴界面几何半径的1/2。

所述密封承压机构包括增压室、增压进气口、泄压口和密封盖，所述增压进气口、泄压口和密封盖分别安装于增压室上。值得注意的是，增压进气口、泄压口和密封盖具体安装位置并不加以限定，能实现其各自功能即可，密封盖在安装时尽量靠近铁液注入槽，方便加料。

所述液面调节炉侧壁安装有一支可喷吹辅助造渣剂且能浸没在熔渣浴或熔铁浴中的浸没燃料喷枪，还安装有一支提供含氧气体气化剂且能浸没在熔渣浴或熔铁浴的浸没喷枪。

所述排渣换热竖炉的底部还连通设置有冷渣密封斗，所述排渣换热竖炉与冷渣密封斗之间设有锁渣阀门，所述冷渣密封斗底部安装有阀门。

从上述分析可知，本实用新型所涉及的领域，从最初的工艺原来和单元操作上，来源于钢铁冶金的非高炉炼铁过程，但在本实用新型中，铁液不增不减作为触媒而存在，故行业上不属于钢铁冶金或者有色重金属冶金的熔池熔炼。其主要功能在于消减和处理有机固体废弃物，包括生活垃圾、生物质废弃物、废旧塑料等等，属于环保中固废、危废处理行业。其产物是富含CO气体和氢气的合成气，既可以作为燃料，更适合作为化工合成原料，属于化工合成及能源化工的范畴

本实用新型的优点在于：

(1)方便快速调整熔池液面高低，有利于喷枪的更换、维护：无论是喷枪末端浸没在熔渣浴中抑或是浸没在熔铁浴中，喷枪的维护、检查、更换是必不可少的，为此需要能够方便快速地调节熔池液面高低。熔池液面降低直至喷枪末端裸露，持续降低液面到熔渣表面辐射热流减小，可以把喷枪整体拔出拆走进行离线检查、维修，甚至更换部分外侧烧损、熔损部件，然后将已经维修好的喷枪换装上，然后开通并保持气体供应，此时可以再将液面上升恢复到设定高度，浸没喷枪末端，进行造气作业。

液面降低低于喷枪末端使得喷枪裸露后，可以停止供气，喷枪也不会堵塞，减少了熔池温降，节约了热量，同时节约了不必要的气体输入浪费。而如果保持喷枪浸没在熔池中，必须保持供气，即使不喷吹有机物料用于造气，也必须鼓入和喷吹惰性气体，以维持喷枪不会被渣液、铁液倒灌堵塞。液面降低至喷枪裸露，在生产间隙中，节约成本，也方便喷枪的更换和维护。

此种操作条件下，为安全和降低成本考虑，可以采用非水冷的喷枪，例如最内层是物料喷管，采用耐磨钢材制作，可以长期使用，最外侧是耐火材料打结，中间层采用高热阻绝热材料或者绝热设计，也可以用气流冷却，此种喷枪造价低廉，简单易加工易维修，在本厂内部的机修单元对中间层、最外侧耐火材料进行维修、加工、重新组装，就可以使得喷枪再生，重新投入使用。

(2)热喷补、溅渣护炉，对炉衬进行及时维护修补：熔池液面下降到一定程度，相当于气化炉内整个熔铁浴清空，只留下一定厚度的渣层，此时用喷枪喷入一定的调渣剂，使得熔渣的熔点、流动性发生一定的改变，然后用喷枪或者顶枪用高速气体射流喷入惰性气体，使得调渣后的熔渣被惰性气体射流的动量冲击而发生喷溅，将熔渣喷溅到炉壁上，再缓慢流下，附着的一层粘稠炉渣对炉衬形成保护，类似氧气转炉炼钢过程在出钢完毕后的切换氮气射流进行溅渣护炉的操作，氧气转炉的炉衬寿命由此可以达到数万炉次，大大延长了一个炉役的寿命。

(3)连续排渣、渣的物理显热回收、高温炉气除尘：用自然溢渣操作，无需打开出渣口，也无需中断气化操作。通过引入一部分已经被冷却了的合成气返混，既吸收了熔渣显热，又一定程度冷却了新生成的合成气，带来降温效果。同时排渣换热竖炉带来上方的汽化冷却烟道直径增大，炉气速度降低，有利于粗颗粒机械夹带灰尘回落到炉内，另外速度降低，停留时间加大，汽化冷却烟道的降温作用更显著，炉气温度进一步降低。

(4)炉气显热回收，经过汽化冷却烟道和余热锅炉，产生热蒸汽，供应给前序的垃圾、生物质干燥用，使得喷吹入炉的生物质炉料以及水蒸气变换调节合成气H/C比例之用，得到了有效的热回收利用，整体的能源利用效率得到进一步提升。可以用蒸汽发电，在缺乏电力供应的地区，能够为本厂的破碎、机械挤压脱水、气体加压等动力用电提供电力支撑，也可以为周边社区供电、供热、供蒸汽。

(5)喷枪插入方向，末端在渣中，但是射流能够抵达一定深度的熔铁浴内部，有利于充分利用熔铁浴对有机物的裂解作用以及对碳的溶解作用，同时又可以利用渣相的保护进行气化剂的氧化，不至于导致太高的金属铁液滴氧化损失。

(6)二次燃烧，在渣中进行，而不是在渣上方的自由空间中，直接浸没在渣中进行二次燃烧，燃烧热量直接被炉渣吸收，热利用率更高，也容易传导给铁液，维持熔池温度和热量平衡。

附图说明

图1是铁液中溶解C的二元合金状态图；

图2是C、H、Fe元素氧化顺序图；

图3是二次燃烧优先氧化顺序图；

图4是铁液中溶解S的二元合金状态图；

图5是熔锍中CaS溶解的状态图；

图6是复杂有机物固废气化的总体工艺流程图；

图7是带有液面调节功能的双熔浴有机固废喷吹造气装置；

图8是初始及维护状态的熔浴液面示意图；

图9是气化操作状态的熔浴液面示意图；

图中：101、液面调节炉 102、增压室 103、增压进气口 104、泄压口 105、密封盖106、铁液注入槽 107、出铁口 109、连通管 113、铁液包 131、浸没燃料喷枪 132、浸没喷枪201、气化炉 210、喷粉罐 301、熔铁浴 302、熔渣浴 303、气化炉自由空间 401、排渣换热竖炉 402、冷渣密封斗 403、锁渣阀门 410、热渣 411、冷渣 420、运渣设备 501、汽化冷却烟道 502、除尘及余热锅炉 7031、物料喷枪 7032、浸没氧枪 901、新合成气体 902、已冷却合成气体 903、返回热合成气体 P1、液面调节炉内部空间气压 P2、气化炉内部空间气压 h1、初始及维护状态时相对于液面调节炉底部的熔铁浴液面高度 h2、气化状态时液面调节炉内的熔铁浴液面高度 h3、气化状态时气化炉内的熔铁浴相对于液面调节炉底部的液面高度。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本实用新型做进一步说明。

实施例1：

有机物颗粒高速喷吹进入熔铁浴-熔渣浴后，有机物中碳氢化合物迅速受热裂解，碳链、碳氢链断裂，氢原子结合成氢气分子，碳溶解于铁液中，铁液可以溶解的碳含量在3-5％之间，使得Fe-C合金的熔点大幅度降低，含碳4.3％的铁碳合金熔体，熔点低至1148℃，如图1的Fe-C状态图所示。这使得工业上在 1250℃以上即可以维持铁基合金为液态熔体，既减少了热损失，又能保障炉衬和喷枪寿命延长，此温度对于有机物的裂解气化已经较为彻底。但综合考虑到渣液熔点和流动性，为了液态排出熔渣，一般控制熔池温度在1350-1600℃更为有利。

在有大量液态熔融铁存在的熔池，对有机物的气化提供了绝好的触媒。气化不同于燃烧，燃烧是充分氧化、完全氧化，一般氧要稍微过量。气化也不同于干馏，干馏是绝氧的，尽量不需要氧。气化是一个不完全氧化的半氧化、半还原过程。由于大量液态铁的存在，既充当了氧、碳的传递介质，同时铁的还原性，又使得只能生成CO气体而不过度氧化为CO₂气体。图2是熔铁-熔渣浴对有机物气化的主要元素C、H、Fe发生氧化反应的自由能变化，与冶金物理化学研究所使用的Ellingham图类似，从中可以看出，标准状态下，熔铁浴中通入氧，只会优先氧化溶解碳、固体碳生成CO气体，只有碳含量降低到很低的水平时，才会发生铁的优先氧化。氧喷吹进入铁浴，与铁生成FeO，动态平衡又一定程度释放为溶解氧，与溶解碳反应，反应速度以及传递过程比固态碳与气体分子氧的速度快1-2个数量级。

熔铁-熔渣浴气化过程，热平衡是一个关键。众多的化学和物理环节中，只有碳的不完全氧化生成CO气体是一个放热过程，如反应方程式(1)，而其余的诸多过程，特别是升温至1350-1600摄氏度的熔池同等高温，例如有机物料的裂解及升温、水的汽化蒸发以及水蒸气升温、鼓入氧气的升温、石灰基添加剂的升温，以及水蒸气与碳反应的气化过程，如反应方程式(2)，都是吸热过程。

对于热值较高的有机物，也就是总碳含量较高，而水分、灰分、氧元素较少的，气化本身就可以实现热平衡，可以实现碳原子几乎全部转移到气相CO中，氢元素全部转入气相的H2中，合成气产率比较高。甚至由于碳含量高、水分低使得按照反应方程式(1)获得的热量释放带来整个熔池的过热，需要引入一定量的水蒸气、二氧化碳气体、空气、含有雾化水的空气或者富氧空气、铁矿石以及其他金属氧化物作为气化剂，以实现熔池冷却。此种情况下，由于反应方程式(2)，合成气中氢气比例提高，总产气量提高，合成气热值也相应提高。

更多的情况下，例如生物质、生活垃圾等低热值的有机物，其中含有较多水分，甚至化合水、氢氧化合物在进入超高温双熔浴，都是按照水的特性进行汽化、蒸汽升温、蒸汽汽化溶解碳，这三重吸热效应是很大，而且由于此类有机物中O/C比、H/C比较高，大部分碳元素按照方程式(2)进行汽化，只有少量碳按照方程式(1)进行气化，反应释放热严重不足，使得熔池降温严重，气化过程无法持续进行。此时，需要通过下述几种方式进行热补偿：

A、鼓入纯氧，或者预热的富氧空气，例如使用热风炉预热40％以上富氧空气至1100-1300摄氏度，这在钢铁冶金的高炉中是常用做法；

B、尽量提前烘干物料，减少水分带入。可以使用产出高温合成气的物理显热来进行有效的物料干燥；

C、使用预热过的CaO型辅助造渣剂，而不是CaCO₃类型，后者分子量大、热分解要吸热、释放的CO₂作为气化剂也是吸热反应。但由于造渣剂总量不是很大，能够减少的热消耗不是很显著；

D、配入高热值的其他可燃物，例如煤粉、工业废塑料、废旧橡胶轮胎等，提高入炉料表观热值；

E、增加二次燃烧率。每mol的碳元素与氧充分氧化，释放热能为394.1kJ，如反应方程式(4)所示，而碳在生成CO的不完全氧化过程中，只释放了110.4kJ 热量，相当于只释放了28％，剩余72％热量是在反应方程式(3)所体现的二次燃烧中体现了。通过鼓入适量过剩氧进行二次燃烧，也就是增加合成气的氧化度，能够释放大量的热能，维持整个熔池温度恒定。

C+H₂O＝CO+H₂______ΔH＝135.0kJ/mol(2)

C+O₂＝CO₂______ΔH＝-394.1kJ/mol(4)

图3是图2局部的清晰展示。可以看到，进行CO的二次氧化时，如果氧先接触到铁液，那么优先氧化的是铁，而不是CO气体，为此二次氧化所鼓入的氧，应从熔渣浴优先鼓入，从物理上与大量铁液隔绝，为此，二次燃烧用氧尽量从熔渣浴或者自由空间鼓入，由较厚的渣层或者泡沫渣向整个熔池传热。故二次氧化喷枪插入位置一般都是在侧壁或顶部，浸没氧枪出口浸没于熔渣浴302或者熔渣浴上方液面以上。根据物料热值，也就是总碳含量，以及相应的O/C比例，二次燃烧率一般在15-50％的范围内。这就必须在熔铁浴之上覆盖一层熔渣浴，以便形成熔铁-熔渣双熔浴的必要性。

熔铁浴的另一个优势在于对硫的吸收和脱除。无论煤还是石油工业固废，往往有较高的硫含量。熔铁浴能够迅速吸收硫，使得气相中的H2S含量极少，甚至合成气以及后续的燃烧过程无需专门脱硫，例如合成气中硫含量小于30mg/NM3。这是因为铁极易与S化合成FeS，液态铁中可以溶解很高浓度的FeS，如图4的Fe-S状态图所示。

尽管液态铁能够瞬间将喷吹入铁浴的有机物中硫元素固化在铁液中，但本实用新型中，铁液是作为一个触媒介质而存在，理论上是“不生不灭、不垢不净、不增不减”的，并不是炼铁过程协同处理有机固废，S元素在铁液中的长期积累是不可持续到，为此通过喷吹入炉CaO基的辅助造渣剂进行脱硫，FeS接触到 CaO后生成CaS，与FeS形成低熔点硫化物相，如图5所示，并最终CaS溶解在高碱性氧化物多元渣系中，有机物中灰分导致渣量的不断增多，含有CaS的渣定期排出或者连续溢渣而排除。

在废旧塑料中往往含有PVC聚氯乙烯，以及生活垃圾中，使得喷吹入炉待气化的有机物含有较高的氯元素。氯元素在熔铁浴气化过程中结合H生成HCl 气体，如果同时喷吹入过量CaO基辅助造渣剂，则能够生成CaCl2，大部分溶解在渣中，少量挥发进入炉气，在后续降温冷却过程中作为除尘灰而收集。此种无机盐类似的氯元素，对设备和环境并没有腐蚀和健康危害。

生活垃圾以及固废中的重金属，例如铅锌镉，在熔铁浴气化中，其金属能够直接挥发进入气相，后续冷凝然后收集，其氯化物、氧化物则能够被溶解在铁液中碳所还原，生成金属蒸气，也进入气相。后续冷凝而获得收集，作为副产品提供给有色金属冶炼企业使用。

不挥发重金属，例如铜镍等，则直接金进入铁液，并不影响铁浴功能的发挥。

有机固废中钾钠元素，在熔铁浴气化过程中，变身为钾钠的氯化盐、氧化物，随炉气挥发，降温冷却过程进入除尘灰，收集后可作为农业化肥原料进一步处理。

更为详尽的化学组分、元素在熔铁-熔渣浴气化中的去向，参见表2。

表2复杂来源有机物各种元素、成分在双熔浴中气化的化学反应分析

熔铁浴有机固废转化，适合多种有机固废，甚至适合有机-无机混合型固废，能够处理和转化的固废包括但不限于：(1)普通各种煤、高硫煤、劣质煤、低阶煤、煤泥矸石；(2)有机固废、有机危废；(3)石油化工行业的油泥、污泥、不可利用固废；(4)废旧塑料、废旧橡胶轮胎；(5)含有一定可燃价值即低价C、H元素的混合型废弃物；(6)生物质中农业秸秆、农业加工固废、甜高粱秸秆；(7)林业加工锯末、林业枝桠、棕榈壳、其他林业固废；(8) 畜禽粪便、渔业牧业、养殖业的固废；(9)经过适度干燥的生活垃圾、RDF等； (10)含有VOCs的有机气体；(11)少量掺混污水、难处理废水的多相有机废弃物。

图6是全部人类生活垃圾、工业排放的有机废弃物通过熔铁-熔渣浴进行洁净能源转换的整体示意图。复杂来源混合型废弃物，经过多次分拣、分选，将其中可回收的黑色金属(磁性/无磁性)、有色金属(重金属/轻金属)、玻璃、废纸、废塑料(PE/PVC/PP/PS/ABS等)分离并进行资源再生，剩余无法直接作为材料利用的，经过多次破碎、粉碎，机械挤压脱水、干燥(优先使用气化炉产出合成气的显热或其回收后的蒸汽热)，然后进入喷粉罐，根据其硫氯氟等元素的量，配入一定CaO基造渣剂，喷出进入熔铁-熔渣浴，同时，气化剂氧气、预热的富氧空气、水蒸气等同时鼓入，并根据熔池热平衡，配入冷却用气化剂水蒸气或含雾化水气体，更多情况是额外鼓入二次燃烧氧化剂氧气或者预热的富氧空气，产出一定氧化度的类似水煤气的合成气，几乎不含CH₄、H₂S等气体，其中主要有效成分CO+H₂占据全部可燃气体的99％以上。合成气经过降温除尘，同时回收显热，产出蒸汽，气体投入下一环节使用。

合成气净化降温后，既可以直接燃烧作为热源，例如钢铁冶金中炼铁热风炉的燃料、烘烤钢包，金属镁还原、金属熔化的燃料，以及取暖、生活等，更为常见的是作为天然气代用品进入锅炉产出蒸汽或者热水，以及燃气轮机发电、蒸汽轮机发电，抑或是IGCC联合循环发电。同时通过水蒸气变换，调节H/C 比例，既可以制取工业氢气，也可以为合成氨提供原料。

更进一步的应用，是化工合成，例如合成天然气、F-T合成制取燃料油如汽柴油和石蜡油、石脑油，或者合成烯烃、聚烯烃，合成醇醚等化工产品等。

经由熔铁浴转化，含有有机物的垃圾、固废能够转化为富含CO和H2的合成气，并且能够通过水蒸气变换调节H/C比例，下游延伸产品和应用包括但不限于：(1)燃气热能；(2)蒸汽热能；(3)发电；(4)氢气；(5)合成人工天然气；(6)费托合成汽油、柴油、润滑油、石脑油等费托合成系列产品； (7)合成出甲醇、乙醇、乙二醇、二甲醚，以及烯烃、芳烃、聚烯烃等多种原本依赖石油化工的产品。

由此可见，通过熔铁-熔渣双熔浴，大多数有机固废，或者有机-无机混合型固废，都能够将其中的有机质成分有效转化为碳一合成气，其原料来源是光谱和无需选择的，是通用的。

实施例2：

结合图7、图8、图9予以说明。

液面调节炉101与气化炉201底部通过连通管109相连通。液面调节炉101 上部连通有一个铁液注入槽106，预熔好的温度1200-1700℃的熔融铁液装入铁液包113中，从铁液包113中将熔融铁液注入到铁液注入槽106中，铁液流入到液面调节炉101，随着铁液量的逐步增加，连通管109中也注满了铁液，液面逐步上升到气化炉201底部。

加注熔铁液达到预定量后，熔铁液夹带的部分熔渣分别上浮到液面调节炉 101和气化炉201的熔铁浴301上方，浮在熔铁浴301上形成熔渣浴302，适当从气化炉201侧壁物料喷枪7031喷吹部分配制好的渣料，同时从液面调节炉101 侧壁上的浸没燃料喷枪131喷吹保护渣，用于熔铁液保温。

此时液面调节炉101内部空间气压P1与气化炉内部空间气压P2都是当地一个大气压，液面持平，熔铁浴液面高度相对于液面调节炉底部为h1。此时为准备状态，如图8所示。

决定开始喷吹物料进行气化操作时，进行增压操作。铁液注入槽106置于一个可以密封的增压室102内部，增压室102开口处用于兑入铁液，兑装铁液后，即可用密封盖105密封盖好，并能够从内部承受超过数个大气压的压力。从增压进气口103将压缩空气、氮气等气体鼓入，使得增压室102内压力P1提高至高于一个大气压，并持续提升其压力。铁液注入槽106尽管可以有一个挡板用于防止炉内热量向外辐射，并不会阻止气体压力的传递。液面调节炉101 上方空间压力与增压室102趋于一致达到P1，此时由于P1>P2，气化炉内的熔铁浴301液面上升，相应其上方熔渣浴302液面也随之上升，液面达到设定高度后，增压进气口103停止增压，保持这个压力，并在随后的操作过程中，监测增压室102内部压力，低于设定值即打开增压进气口103进行增压操作，如果高于设定压力，则打开泄压口104进行泄压操作，恢复设定压力。

正常气化操作时，可以设定气化炉压力P2为0.13-0.20MPa，相应的P1压力为0.20-0.30MPa，两者压差决定了两个炉内铁液面的高度差。

P₁-P₂＝ρg(h3-h2)

其中ρ为熔融铁液的密度，含碳量较高的熔铁液，密度大约6800-7000kg/M³，据此可以计算出如果压差是1atm，那么两炉内的液面高差约为1.4-1.5m。

这是以熔融铁液为基准的计算，如果考虑渣的密度影响，那么还要考虑两边渣层厚度，进行更为精确的计算。实质上，气化炉201内的渣层往往更厚一点，但由于气化炉201内渣层在气化过程中始终处于泡沫化状态，尽管渣层较厚，但实际密度低于常规静止渣层，在不是特别精确的工艺计算中，两部分渣层的静压力差可忽略不计。

气化炉201内的熔铁浴301与熔渣浴302的界面，设定在低于气化炉侧壁物料喷枪7031以下一定距离，既要保证熔铁浴301不会浸没接触物料喷枪7031 的下端，又要保证物料喷枪7031斜向下喷出的粉料射流能够穿透渣层而抵达一定深度的熔铁浴中，以便更好接触铁液而气化或者碳溶解。一般来说，经验上可以设定物料喷枪7031下端口距离静态的熔铁-熔渣界面尚有200-300mm的距离。

在熔渣浴302浸没物料喷枪7031、浸没氧枪7032之前，两者已经通入了惰性气体如氮气进行喷吹，所有喷枪在浸没入熔池之前都要提前喷吹惰性气体，以防熔体倒灌凝固堵塞，这成为一个基本的原则。同样地，液面调节炉101侧壁浸没燃料喷枪131和浸没喷枪132也要贯彻这一原则。

随着气化操作的开始，浸没在熔渣浴302中的物料喷枪7031和浸没氧枪7032开始工作。经过干燥并破碎至3mm以下的有机物固废粒子装在喷粉罐210 中，打开阀门后随着载气氮气射流，由物料喷枪7031喷射进入熔渣中，并在强大气体射流动能的作用下，穿透熔渣浴302，射入熔铁浴301中，喷射出来的有机物固废颗粒，接触到超高温的熔渣浴302、熔铁浴301，瞬间吸收热量爆裂并裂解，氢元素结合成氢气分子气泡而上浮，碳元素溶解到熔铁浴301中，提高了铁液的碳含量。为了保证射流能够穿透熔渣抵达熔铁液，所述物料喷枪7031的喷口与水平面呈斜向下40－60度夹角，喷口延长线与熔铁浴301－熔渣浴302界面相交，且交点与熔铁浴301－熔渣浴302界面几何中心的距离不大于熔铁浴301－熔渣浴302界面几何半径的1/2。

与此同时，浸没氧枪7032也从准备状态喷射氮气防堵塞的临时功能，切换到正式提供气化剂的状态。可供选择的气化剂为纯氧、预热过的富氧空气、富氧空气、预热的空气、空气，以及可能附加在上述主要气化剂中的水蒸气、雾化水、二氧化碳气体等。其中以纯氧对于气化过程以及产出的气体成分最为有利，其次是预热过的富氧空气。水蒸气、雾化水、二氧化碳气体不能作为主要的气化剂，只能是在熔池过热的情况下用来冷却熔池的辅助气化剂。

这里浸没氧枪7032喷吹的气化剂以纯氧为例。浸没氧枪7032与物料喷枪 7031呈一定夹角，一定垂直间隔、与水平面保持一定倾角的方式布置，也可以与物料喷枪7031安置成同心多层套管类型。

随着浸没氧枪7032将纯氧射流鼓入熔渣浴302中，并与渣液中混杂的铁液滴作用，生成FeO，既溶解在渣中，也溶解在铁液中，并释放氧原子，与铁中溶解碳发生碳氧反应，其速率要比固体碳颗粒与氧气分子反应的速率快1-2个数量级。产生大量CO气泡，与H₂气泡一起，搅动熔铁浴301上部和整个熔渣浴 302，形成类似“涌泉”一样的中心向四周翻滚的状态，形成以CO和H₂为主的炉气，逸出熔池向上流动，并机械夹带一部分熔渣、熔铁微粒。

有机固废中含有一定的无机物灰分，垃圾等混合固废也含有不能气化的无机物，这些无机物进入到熔渣浴302中，成为熔渣的一部分。随着喷吹炉料气化过程的不断进行，熔渣浴302的量不断增加，再加上熔渣浴302在炉气的搅动下，始终处于较为激烈的泡沫化程度，体积膨胀，当总量和膨胀率使得熔渣浴302高度超过排渣换热竖炉401与气化炉201连接处的围堰时，超过部分熔渣溢流到排渣换热竖炉401中，并凝固为固体状态的热渣410，排渣换热竖炉 401里面从下到上盛满了先后排出的渣，最下部的冷渣411温度低，只有 100-150℃，最上部温度高，刚刚溢流的热渣410温高达1400-1500℃，换热介质为已冷却合成气体902，或者混合一定的空气，加压后从排渣换热竖炉401的底部鼓入，吸收热渣显热后成为返回热合成气体903，从排渣换热竖炉401的上部进入到气化炉自由空间303，类似于一个固定床的气固换热器。

被气体换热而降温的炉渣，经过排渣换热竖炉401下方的锁渣阀门403，在不影响已冷却合成气体902的压力前提下，定期排到下方的冷渣密封斗402中积存，并定期通过冷渣密封斗402下方的阀门将渣排出至运渣设备420中运走，至专门的渣处理场地进行后期处理，无机物根据性质和环境安全进行铁及铁氧化物回收、无机盐回收或处置、建材利用、无害化处置等。

新合成气体901逸出熔池，温度高达1400-1500℃，并携带一定量的固液相杂质，向上流动，与返回热合成气体903气体混合，由于返回热合成气体903 温度显著低于新合成气体901，使得整体炉气温度有所下降。同时气化炉自由空间303的直径包含了排渣换热竖炉401部分的直径，气化炉自由空间303区域直径显著增大，炉气流动速度降低，动量减小，部分灰尘、液滴在侧壁向下回落，气化炉自由空间303的侧壁及顶部布置有汽化冷却烟道501，能一定程度吸收炉气热量，使得炉气温度进一步降低，速度减小，含尘量进一步下降。

当炉气进入到除尘及余热锅炉502时，温度可能已经降低到800-1100℃，典型地，小于1000℃，直接进行旋风除尘，排除部分大颗粒尘渣，然后进入余热锅炉换热，产出过热蒸汽，炉气进一步降温到200℃以下，然后进行布袋、静电等深度除尘，除尘后气体进入燃气储柜，方便下一步深加工或者利用，或直接供应给下游化工合成、清洁燃烧使用。

气化进行一段作业后，通过调节液面调节炉101及其增压室102内部的气体压力P1，可以方便灵活地停止气化操作，进入到维护或者等待状态，也就是图8所显示的准备状态。具体做法是：泄压口104打开，将增压室102内部的压力P1释放到常压，此时，液面调节炉101上方压力恢复为1atm，使得液面调节炉101内部的熔渣、铁液液面上升，相应地，气化炉201内部的熔铁浴301、熔渣浴302液面下降，与物料喷枪7031、浸没氧枪7032脱离接触，物料喷枪 7031和浸没氧枪7032裸露在自由空间中，方便取出离线维修，或者直接更换。在取出旧的物料喷枪7031、浸没氧枪7032的同时，可以换上相应的假枪模型，不会粘连喷枪口。

在维护或者准备阶段，还可以进行炉衬的热喷补操作，也就是溅渣护炉。溅渣护炉之前，在进入图8所示的准备状态后，用原有物料喷枪7031喷吹炉渣调质剂进入熔铁浴302，炉渣调质剂往往是煅烧白云石颗粒、镁砂，或者其他富含MgO的无机材料，以及可能的其他富含氧化铝、氧化铬的矿物或者耐火材料原料，使得炉渣的熔点、粘度、流动性符合一定的要求，完成喷吹后，再移除物料喷枪7031、浸没氧枪7032，并在原有的插入喷枪的位置安置外形与喷枪一直的假枪模型，堵住喷枪安装口。完成熔渣的调质后，启动超音速射流喷枪706，通入氮气，上下运动超音速射流喷枪706的位置，以超音速射流向下喷吹，溅起气化炉201底部熔渣，喷溅到侧壁上，并大部分附着于侧壁，随着温度降低，结合成为炉衬耐火材料的一部分，对炉壁进行了很好的修补护炉。

超音速射流喷枪706在气化操作时，也可以上提至较高位置闲置，也可以喷吹富氧空气、氧气、预热富氧空气，对炉气进行一定程度的二次燃烧，并通过熔渣向下传递热量。

在图8显示的维护和准备状态，液面调节炉101内的渣层浸没了液面调节炉101侧壁的浸没燃料喷枪131和浸没喷枪132，可以喷吹入一定的燃料、气化物料，对液面调节炉101内熔池进行补热，具体操作类似于气化炉201内的碳氧反应及二次燃烧。不同的是，液面调节炉101内的渣液热补偿，需要浸没燃料喷枪131与浸没喷枪132进行完全的二次燃烧，将热量最大程度留在熔池内，并没有造气的目的。

如果需要彻底停炉用于长时间停产或者大修，在图8所示的维护状态下，用开堵眼机打开液面调节炉101下方的出铁口107，将其中的所有铁液连带渣液释放出来，将铁液铸成小块状，方便下次开炉预熔后使用。

所采用的铸铁块预熔手段有：其他的电弧炉、感应熔化炉、煤氧或者焦炭为燃料的化铁炉，或者直接在液面调节炉101中装入块状铸铁，用浸没燃料喷枪131、浸没喷枪132喷吹燃料进行熔化，也可以采用类似铝热法在液面调节炉 101中进行产生化学热的熔化，铝热法产生的氧化铝直接进入到熔渣浴302中。

实施例3：

液面调节炉101内高6000mm，内径3500mm，气化炉201内高9000m，内径平均为4000mm，连通管109内径600mm，在靠近液面调节炉101的部分转变为扁平状截面，连通管109与液面调节炉101连接部分的端口高300mm，宽度为1000mm，轴线长度3000mm，气化炉201底面高度比液面调节炉101底面高2100mm。

预熔液态铁水143吨，含碳量3-5wt％，热兑入液面调节炉101，并充填入连通管109，到达气化炉201下底面水平。液面调节炉101内熔铁液面高度h1 为2100mm。

调节液面调节炉101所在增压室102内的压力P1至绝压0.28MPa，同时维持气化炉自由空间303的压力P2为绝压0.13MPa，两者相差0.15MPa，液面高度相差h3-h2大约1750mm，使得液面调节炉内101内熔铁液面高度h2降低为 850mm，气化炉201内高度从0升至为900mm，相对于液面调节炉101底面的相对高度h3为3000mm，不包含连通管109内的熔铁液，气化炉201内高900mm，直径4000mm的熔铁液质量约为80吨。液面调节炉101内残留熔铁液为57吨，连通管109内存留熔铁液约为6吨。

为了便于安装侧壁物料喷枪7031和浸没氧枪7032，在气化炉201一侧的壁上实行了一个折弯段，如图7所示，使得物料喷枪7031和浸没氧枪7032能以更为陡直的角度插入熔池中。物料喷枪7031与水平面呈50度角从炉壁插入气化炉201内，下端距离气化炉201下底面1100mm，浸没氧枪7032以与水平面呈40度角从炉壁插入气化炉201内，下端距离气化炉201下底面1150mm，物料喷枪7031与浸没氧枪7032在地面的投影呈45度夹角。

气化炉201中的熔铁浴301上方的渣液厚度400-500mm，溢渣口距离底面距离2000mm。排渣换热竖炉401内径2000mm，内高4000mm，下部入风口将已经冷却至200℃的已冷却合成气体902引入，已冷却合成气体902的量为新产生气体量的20-40％，经与热渣410换热后，形成返回热合成气体903，与新合成气体901混合，用来给新合成气体901降温。

汽化冷却烟道501的垂直段高度6000mm，内径6000mm，至顶部后，转为水平段或者倾斜段，水平或倾斜段冷却烟道内径3000mm，长度为10米。超音速射流喷枪706穿过汽化冷却烟道501顶部进入炉内，气体类型可以在氧气、氮气、预热富氧空气之间切换喷射。

物料喷枪7031喷吹3mm以下的物料10-20t/hr，可以采用0.7-1.0MPa压缩氮气作为载气喷吹，载气流量为1100NM³/hr，浸没氧枪7032采用超音速射流喷吹或普通吹管，压力达到0.8-1.2MPa，马赫数达到1.5-2.0，流量可达 15000NM³/hr，超音速射流喷枪706可以喷吹富氧空气、预热至1200℃的富氧空气、常温工业纯氧等，进行一定程度的二次燃烧，对渣进行热补偿。超音速射流喷枪706在准备状态切换至氮气，大流量对调质之后的熔渣进行喷溅护炉。典型可燃有机物，每吨物料产出的合成气CO与H₂体积为1000-2000NM³/t.

实施例4：

采用高硫煤进行气化，以纯氧为气化剂，采用上述实施例2的装置，进行喷吹气化。高硫煤的主要工业分析、元素分析和热值如下。

表3：高硫煤成分分析

由于燃料含碳高，为防止熔池过热，采用水蒸气混合纯氧进行气化，水蒸气占气化剂体积比22％。

合成燃料气成分CO体积占比81％，H₂体积占比19％，热值12.7MJ/NM，产气量1860NM³/t燃料，初始煤气温度为1500℃，每吨燃料产出合成气降温余热回收产出1.2MPa蒸汽3吨，碳原子转化率99％，冷煤气效率78％。

煤气硫含量可低至20-30ppm，意味着后续燃烧在过量空气系数的情况下，甚至可以不专门脱硫，或者脱硫的任务要减轻很多。粗热煤气含尘较高，可达 10-50g/M³，经过降温除尘后可达10mg/M³的含尘率。

实施:5：

无害化、减量化、资源化、能源化处理危废中的医疗危废、含氰危废、废矿物油、医药农药等危险固废、有机残渣、涂料废物等等，经过物理形态的破碎处置，喷吹进入铁浴，进行造气反应，获得以CO+H₂为主的合成气，有机物获得良好的转化，无机物进入渣中，根据含硫、含卤素水平喷吹石灰或者硅酸盐、硼酸盐，进行玻璃态固化，实现了减量化、无害化。此过程中，可以将含有高浓VOCs的待处理气体，作为上述固体物料或者液态可燃物的喷吹载气使用，使得VOCs同时在双熔浴获得稳妥处置。

实施例6：

处理和转化混合型废旧塑料，包含聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚丙烯腈、聚氨酯等多种塑料混合物，热值为35MJ/kg，含氯量大约为8％，制成小于3mm粒子，以氮气为载气，喷吹入上述实施例的双熔浴中，熔铁-熔渣浴温度保持在1200-1400℃，每小时喷吹量10-15吨，同时鼓入纯氧为气化剂，按照CaCl₂的化学计量比例配入过量的石灰吸收氯，每吨废旧塑料转变成的合成气为 2200NM³，主要成分CO含量48％，H2气体积含量48％，氮气比例3％，热值为12MJ/NM³，氯元素90％以CaCl₂进入渣中，剩余氯化物随烟气进入到除尘系统，降温除尘系统通过类似石灰脱硫的系统，对烟气中余氯进一步回收。对炉气进行降温冷却换热，每吨废旧塑料副产蒸汽3吨。

实施例7：

处理和转化废旧橡胶轮胎。废旧橡胶轮胎中含有橡胶、炭黑、硫、氧化锌以及钢线等。上述组成均可在熔铁浴-熔渣浴气化工艺中得到良好的处理和回收。废旧轮胎经过机械、冷冻破碎，喷吹进入熔铁-熔渣双熔浴中，氧气或者富氧空气进行气化。橡胶、炭黑作为碳及碳氢化合物，彻底气化为合成气体。硫被铁液吸收，进而被喷吹的添加剂石灰、石灰石中的CaO吸收，成为CaS进入到渣中排出。ZnO作为轮胎填料，在铁浴中被铁液中碳所还原，ZnO作为弱还原剂、气化剂，提供氧参与了铁液溶解碳的气化。生成金属锌蒸气随炉气逸出熔池，降温后大部分得到回收，成为金属锌，少量Zn蒸气重新被氧化为ZnO进入除尘灰中。钢丝直接进入到铁浴，补充为铁液的一部分。

实施例8：

含水率较高的复杂污泥、渣滓，以及少量污水、废水，在不适合烘干后再处理时，混合废旧塑料、废旧橡胶轮胎、高热值危废等等，计算热平衡后，喷吹进入双熔浴进行无害化、减量化处理。污水作为气化剂使用，通过喷吹氧气、预热富氧空气，获得较高的二次燃烧率使得熔池热平衡，产出一定的含有H₂和 CO可燃气体的合成气。无机物转化为熔渣排出。

实施例9：

处理和转化生物质秸秆，包括且不限于普通秸秆、甜高粱秸秆、林业加工废弃物、林业枝桠、畜禽粪便等。上述生物质先经过简单自然堆放干燥或机械挤压，脱去部分水分。然后进行深度破碎和干燥，采用的热源为气化炉显热回收装置回收的热蒸汽，干燥原料水分，使得生物质的含水率进一步降低，然后喷吹进入气化炉的双熔浴进行气化。采用较高的二次燃烧率以保证熔池热平衡，获得合成气量为880NM3/t原料。含氨氮有机物通过铁浴转化为N₂，无害化排放进入大气。含磷物质最终在炉渣中成为磷酸钙，可以作为农业土壤废料使用。

实施例10：

处理和转化复杂来源生活垃圾。未经任何分类的混合垃圾，经过初步破碎、分拣分选，分离出可以直接回收利用的金属、纸张、玻璃、塑料后，进行挤压脱水、热干燥蒸发脱水，采用合成气与混合气体回收物理显热获得的蒸汽发电，进一步采用回收合成气显热的蒸汽对原料干燥脱水，干燥后进一步破碎、粉碎，置入喷粉罐，根据其含氯水平准备化学过量的CaO颗粒在其他喷粉设备中，在氮气为载气的气力输送下，进入到熔铁-熔渣浴中，喷吹预热至1200摄氏度含氧 45％的富氧空气为气化剂，进行双熔浴造气。最终获得的合成气数量为820NM³/t 物料。

总结：通过上述实施例能看出，本装置及方法，几乎适合于所有具有一定热值的有机物固废的处理，以及资源化、无害化、减量化、能源化利用。混合复杂来料中的有机物得到了彻底利用，转化为洁净的合成气，无机物通过熔融炉渣得到转化或者部分回收利用。越难以用传统较低温度处理的物料，本装置和方法的超高温、双熔浴的浸没转化的优势越明显。采用本装置和方法，几乎不存在任何有机物难处理的困境，也不存在有机物本身及其处理过程中产生的二次污染，也没有有机物处理过程的其他毒害。即使无机物，通过调节炉渣碱度，或者石灰化、或者玻璃化，也能得到一定程度稳妥处置。更为重要的是，含有热值的有机物转化成通用的碳一燃气，既是理想的二次能源，也是更多更广泛化工产品合成的原料。

Claims (10)

1.一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，用于将有机固体废物喷吹入熔铁浴(301)和浮于其上的熔渣浴(302)，进行超高温裂解并与气化剂作用产生出可燃合成气体，其特征在于，装置包括：

气化炉(201)，所述气化炉(201)为密闭式结构，所述气化炉(201)侧壁至少安装有一支可喷吹固体颗粒且能浸没在熔渣浴(302)或熔铁浴(301)中的物料喷枪(7031)，以及一支安装在气化炉(201)上方的超音速射流喷枪(706)；

液面调节炉(101)，所述液面调节炉(101)为密闭式结构，所述液面调节炉(101)的底部通过连通管(109)与气化炉(201)的底部相连通，所述液面调节炉(101)的上部开设有铁液注入槽(106)，所述铁液注入槽(106)连通设置有密封承压机构，所述液面调节炉(101)的底部开设有出铁口(107)；

排渣换热竖炉(401)，所述排渣换热竖炉(401)与气化炉(201)上部相连通，承装自气化炉(201)中自行溢出的液态熔渣，并冷却液态熔渣至低温固相后排出。

2.根据权利要求1所述的一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，其特征在于：还包括有汽化冷却烟道(501)，所述汽化冷却烟道(501)与气化炉(201)上部相连通。

3.根据权利要求2所述的一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，其特征在于：还包括有除尘及余热锅炉(502)，所述除尘及余热锅炉(502)的进气口与汽化冷却烟道(501)的出气口相连通。

4.根据权利要求2所述的一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，其特征在于：所述汽化冷却烟道(501)位于气化炉(201)正上方具有一垂直段，且该垂直段的内径是气化炉(201)内径的1.3～2倍。

5.根据权利要求3所述的一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，其特征在于：所述除尘及余热锅炉(502)与排渣换热竖炉(401)底部之间连通有气体回流管道。

6.根据权利要求1所述的一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，其特征在于：所述气化炉(201)至少安装有一支提供含氧气体气化剂且能浸没在熔渣浴(302)或熔铁浴(301)的浸没氧枪(7032)。

7.根据权利要求1所述的一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，其特征在于：所述物料喷枪(7031)的喷口位置位于熔铁浴(301)液面上方100－300mm处，且浸没于熔渣浴(302)中，所述物料喷枪(7031)的喷口与水平面呈斜向下40－60度夹角，喷口延长线与熔铁浴(301)－熔渣浴(302)界面相交，且交点与熔铁浴(301)－熔渣浴(302)界面几何中心的距离不大于熔铁浴(301)－熔渣浴(302)界面几何半径的1/2。

8.根据权利要求1所述的一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，其特征在于：所述密封承压机构包括增压室(102)、增压进气口(103)、泄压口(104)和密封盖(105)，所述增压进气口(103)、泄压口(104)和密封盖(105)分别安装于增压室上。

9.根据权利要求1所述的一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，其特征在于：所述液面调节炉(101)侧壁安装有一支可喷吹辅助造渣剂且能浸没在熔渣浴(302)或熔铁浴(301)中的浸没燃料喷枪(131)，还安装有一支提供含氧气体气化剂且能浸没在熔渣浴(302)或熔铁浴(301)的浸没喷枪(132)。

10.根据权利要求1或5所述的一种双熔浴有机固废喷吹气化装置，其特征在于：所述排渣换热竖炉(401)的底部还连通设置有冷渣密封斗(402)，所述排渣换热竖炉(401)与冷渣密封斗(402)之间设有锁渣阀门(403)，所述冷渣密封斗(402)底部安装有阀门。

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