联合生产生铁和高质量合成气的方法和装置

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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