[发明专利]依托固体氧化物电化学池的液态金属碳气化装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于液态金属碳气化技术领域，特别涉及一种依托固体氧化物电化学池的液态金属碳气化装置及方法。

背景技术

我国油气资源匮乏而煤炭资源相对丰富，把以煤、生物质为代表的固体碳燃料转化为合成气直接作为燃料或作为费-托合成液体燃料的原料是一条适合我国国情、的能源技术路径。碳气化炉的固体碳原料来源广泛，易于获取，不仅可以利用储量相对丰富的煤炭，还可以通过对生物质(如秸秆、谷壳、木屑)甚至有机垃圾等进行加工处理而得到。

采用液态金属作为煤气化炉内部介质主要存在四个方面的优势：

1.温度均一：液态金属是热的良导体，可以保证气化炉内温度相对均匀，对炉温的控制较现有的气固流化床、气流床气化炉容易，进而能够有效地控制气化反应进程、气体产率与产品气成分。

2.进料简便：液态金属可将经过简单破碎处理的含碳原料携带至炉内，在入炉前通过液态金属完成对原料的干燥。相比于现有的气力输送进料系统省去了复杂的磨煤系统和送风装置，放宽了对原料粒度的要求；相比于水煤浆进料系统，省去了水气化所需的大量热能，提高了原料的气化效率。特别适合于质地柔韧难于破碎、含水量大的生物质气化。

3.排渣容易：现有气化炉气化温度较高，排渣为液态排渣。炉渣在排出过程中逐渐冷却凝固，因煤种变化和操作条件波动引起的炉渣意外凝固可能堵塞气化炉渣管，阻碍气化炉的工作。采用液态金属作为炉内介质，液态炉渣在重力与表面张力的作用下浮于液态金属上方，形成熔渣带，并在排出过程中逐渐冷却凝固。由于熔渣凝固温度高于金属凝固温度，因此可采用浮法玻璃工业中的常用工艺，利用液态金属排出凝固后的固态渣层。

4.气体净化：液态金属与煤中硫、磷、砷等非金属元素能够形成较为稳定的化合物，与铅、汞等重金属元素能够形成较为均一的合金。使得煤中主要的杂质富集于金属内部或熔渣中，便于集中处理和资源化利用。提高了产品气体的品质，降低了产品气净化的成本。

美国的Ze-gen公司目前已近实现了基于家具/地毯工业废料的液态铜气化炉，功率达到500kW，Hydromax公司则提出了铁催化碳原料气化的理论，给出了中型(20-80MW)液态铁气化炉的设计概念。英国伯明翰大学的N.A.Warner研究了铅、锡、锌、铋等多种金属运用于碳燃料气化的功能特性以及气体净化性能，其研究成果将运用于英国CRE集团公司2020年建成的500MW整体煤气化联合循环电站中。

目前的气化炉主要采用空气和纯氧作为气化剂与含碳原料反应产生产品气并为气化炉提供热量。直接输入空气的气化炉，其产品气由于含有大量的氮气而热值偏低，也难以直接作为下一步化工过程的原料；供给纯氧虽然能够保证产品气的产率和质量，但是常规的氧气供应需要能耗高昂的空分系统，增加系统的能耗与复杂度。依托固体氧化物电化学池则可以有效地为气化炉内金属提供氧离子以及溶解氧，以完成原料的气化。其供氧量主要依靠外界负载以及电能供给调控，能够定量地保证供氧量。

目前固体氧化物电化学池根据几何结构的不同常分为管式、板式和瓦楞式三种。其中管式固体氧化物电化学池密封可靠，结构紧凑，发展较为成熟。早在2004年，Siemens Westinghouse公司就已经依托管式固体氧化物电化学池建成了330kW的管式固体氧化物燃料电池电站系统。美国国家航空航天局(NASA)也开展了利用固体氧化物电解池在火星上制氧，发展人类星际基地的研究。

本申请拟将管式固体氧化物电化学池置于液态金属熔池中为碳原料的气化供氧，形成内源式供氧机制。使得气化原料与氧接触更为均匀充分，进而促进反应的发生。

发明内容

本发明申请旨在设计一种依托固体氧化物电化学池的液态金属碳气化装置，提供一种固体碳原料的连续给料气化技术路线，解决气化炉的排渣问题。装置依托内源供氧机制加快碳原料的气化，保证产品气体的产率和质量，并利用液态金属完成气体净化。满足我国依托低品位碳原料提供高质量燃气、原料气的需求。

针对现有技术不足，本发明提供了一种依托固体氧化物电化学池的液态金属碳气化装置及方法。

一种依托固体氧化物电化学池的液态金属碳气化装置，所述液态金属碳气化装置由进料系统、液态金属循环回路、管式固体氧化物电化学池供氧系统、气化剂处理系统、产品气体净化系统、排渣装置和金属熔池构成；