本发明涉及含碳物质的气化方法，更具体地说，本发明涉及转化固体含碳燃料为具有提高了燃值的气态产品的气化方法。 含碳物质的气化，如煤的气化，已有三种基本方法：（1）固定床气化，（2）流化床气化和（3）悬浮或夹带气化。本发明涉及第三种方法，即悬浮或夹带气化。
夹带气化装置固有的缺点是产生高温产品气。为充分利用煤的热值，产品气中的热量必须得到回收。已知可直接用水或蒸汽对部分氧化气化反应进行淬冷（U.S2，957，387，U.S3，000711和U.S3，723，345所示）或间接地用热交换的方法部分冷却馏出气（U.S3，025，149所示）。然而还是有大量的热损失掉了，所产生的合成气的燃料值并未增大。
煤气化装置的反应有些是放热的，有些是吸热的。将煤气化过程中放热反应所生成地热提供给需要热量的吸热反应，这样的工艺方法是非常理想的，并且能有效地利用能源。
因此，本发明的一个目的就是提供一个用含氧气体对含碳材料进行部分氧化的放热反应器，与热量回收装置结合，其它的含碳材料与水反应使吸热反应得以有效地进行，生产高质量的合成气。如下文所述，上述目的及其它目的根据本发明得以实现。
概括地说，本发明提供含碳燃料气化的非催化两级向上流动法。第一阶段，含氧气体物流和第一次加入的液体载体中的含碳固体颗粒悬浮液在燃烧水平成渣反应区，即第一段反应器中燃烧。悬浮液的固体浓度为30～70%（重量）。在水平反应区，应用面对面安装的燃烧喷嘴，温度为1316～1649℃时发生燃烧。水平燃烧喷嘴最好是同轴的，但这并不是必需的。氧、含碳固体和液体载体转化为水蒸汽、液体载体蒸气、渣、炭和气态燃烧产物。在反应器中形成的渣依靠重力流到反应器底部，并通过排出孔流出反应器。
第二阶段，来自燃烧水平反应器的水蒸汽、液体载体蒸气、炭和气态燃烧产物在非燃烧垂直热回收器，即第二段反应器中，和第二次加入的液体载体中含碳固体颗粒的悬浮液接触，形成水蒸汽、液体载体蒸气、合成气和夹带在气体产物中的炭。这里所用的术语“非燃烧的”意思是加入二次含氧气体物流并没有促进进一步燃烧。垂直热回收器没有促进额外的、像在燃烧水平反应器中所发生的那种燃烧和放热反应。在垂直热回收器中，主要是利用在燃烧水平反应器中燃烧所产生的热量进行吸热反应。第二次加入的在液体载体中的含碳固体颗粒，和水蒸汽或其它雾化气体一起用喷嘴注入垂直热回收器，水蒸汽或其它雾化气体用来使含碳固体颗粒悬浮液雾化，使得反应更完善。在原注入点下游处注入第二次加入的悬浮液，可降低来自燃烧水平反应器的气体的温度，使在本方法中，更有效利用热量。因此，水平反应器基本上是一个燃烧反应器，而垂直热回收器基本上则是一个淬冷反应器。淬冷反应器提高了气体的热值。第二次加入的悬浮液的固体浓度为30～70%（重量）。垂直热回收器的温度为871～1093℃。在实现本方法的一个较好的具体实施方案中，非燃烧垂直热回收器直接与燃烧水平反应器的顶部连接，因此热的反应产物直接从水平反应器进入热回收器，减少了气态反应产物和夹带的固体的热损失。直接连接还具有保持温度，以防止由于冷却而在水平反应器中成渣以及形成固体沉积的优点。
来自非燃烧垂直热回收器的合成气和气体流出物中所夹带的炭，从顶部排出，并在旋风分离器中分离。旋风分离器排出的炭和液体载体混合形成稀的悬浮液。然后该悬浮液在沉降槽中浓集到浓度为10～30%（重量）。5～20%的浓集的、炭悬浮液（以加入第一步反应的固体碳燃料的总量为基准）作为循环加入第一段水平成渣反应器。最好是在和一股或多股构成第一次加入水平成渣反应器的物料的含碳固体颗粒的物流混合之后加入。
图1表示本发明的一个较好的实例的设备和流程图。
下面说明应用本发明的原理的方法，但此说明决不限制本发明的范围。
如图1明确地表示的那样，含有氧或含氧气体（例如空气或富氧空气）和第一次加入的液体载体与含碳固体颗粒的悬浮液的第一股物流和第二股物流分别通过混合喷嘴6和6a加入设备1。混合喷嘴6和6a分别面对面地按装在水平燃烧成渣反应器3里面，并从突出端10和11伸出。在水平燃烧成渣反应器3里面，原料物流经放热反应转化为水蒸汽、渣、炭、液体载体的蒸气、氢、一氧化碳、二氧化碳和少量的其它气体。作为付产品形成的渣，从反应器3，通过排出孔2排放到渣淬冷段9和连续泄压系统中（未画出）。水蒸汽、炭和中间气体离开反应器3之后，向上流入非燃烧热回收器4，第二次加入的液体载体和含碳固体颗粒的悬浮液通过喷嘴8注入热回收器4。在反应器3中产生的，并被携带向上的热量用来实现吸热过程。在热回收器4中发生的吸热过程包括：原料中水的汽化、碳与水蒸汽的反应和CO和H2O之间的水煤气的反应。碳和水蒸汽反应形成CO和H2，因此增加了有用气体的产量。在水煤气反应中，一氧化碳和水或水蒸汽反应形成二氧化碳和氢。因此，在热回收器4中发生的反应使中间产物气体增加氢含量，生产更高级的合成气。
混合（或双流）喷嘴6和6a使含碳固体颗粒悬浮液雾化，使含碳固体更有效地燃烧。喷嘴最好的型式是，有一根通悬浮液的中心管，一个围绕中心管的环状空间，环状空间中容有雾化气体，并和共同的内部混合区或外部混合区相通，用来雾化悬浮液。而且，非燃烧热回收器4的注入喷嘴8也可是上述型式的喷嘴。混合喷嘴6和6a以及注入喷嘴8都可以是内混或外混型式的，和普通的喷嘴一样。
图1进一步指出，热回收器4的流出物进入旋风分离器5。旋风分离器将该流出物分离为固体物流和气体物流。气体物流中包括合成气。气体物流的组成为：氢、一氧化碳、少量的甲烷、H2S、氨、水蒸汽、液体载体的蒸气、氮和二氧化碳。固体物流中含有炭和灰，这些炭和灰是在热回收器4中形成的，或者是从水平反应器3中带来的。合成气作为所要求的富含燃料的产品回收。使炭成为低浓度的悬浮液，沉降浓集，并和新鲜含碳固体和液体载体的悬浮液合并，再循环加入反应器3，下面对此做更详细说明。
由灰和炭组成的固体物流，在旋风分离器5中和气体物流分离后，和液体载体相遇，形成稀悬浮液，进入沉降器7以便浓集。沉降器包括分离装置和蒸发装置（未画出），可得到浓集的悬浮液。从沉降器7中出来的物流，作为循环炭悬浮液物流。炭和液体载体的循环悬浮液的固体浓度为20～40%（重量）比较好;30～40%（重量）更好。炭和液体载体悬浮液的固体的百分含量可以比较高，但是，固体浓度太高，会使水平反应器3的进料太粘，不便于用泵输送。要求炭和液体载体的循环悬浮液在通过混合喷嘴6和6a输入水平平反应器3之前和进料的含碳固体颗粒与液体载体的悬浮液在混合器7a中混合。
反应器3和热回收器4的结构材料没有严格要求。最好，但不是必需的，器壁是钢并用绝缘的可浇注的或陶瓷的纤维或耐火砖衬里，例如用密相镁-铬尖晶石、镁-铝尖晶石，或铬-锆砖，所有这些都是可以从各渠道买到的。在本方法中所用的这类的系统，对含碳固体具有高的热值回收率。另一种方法是燃烧水平反应器3和热回收器4不用衬里，而用“冷壁”系统。这里所用的术语“冷壁”的意思是像通常的工艺中所用的，器壁由外部冷却夹套冷却。在这系统中，渣在内壁凝固，保护了冷却夹套的金属壁。
本方法的反应条件，随进料的类型和所要求得到的转化的种类而变化。一般，反应器3的温度保持在1316℃～1649℃。在温度低于这温度范围时，渣变得更粘并会凝固，引起结垢，最后堵塞反应器。当高于1649℃时，反应迅速发生;但是，只生产少量的满足要求的气体产物，热损失变大，经济效益降低。热回收器4，要求温度为871℃～1093℃，因为在较低的温度下，含碳物质转化成气态产物的转化率较低，使得在重新配制的悬浮液和循环中的炭量增加。热回收器的上限温度主要是和燃烧水平反应器3的温度有关。从燃烧水平反应器3向上流出的热的中间产物，提供了在热回收器4中发生的吸热反应所需要的热量。虽然，设备的每一部分的温度是重要的，但是具体的反应条件，对本发明的设备和方法，从本质上讲，要求并不苛刻。本发明的方法，在大气压或较高的压力下实现。一般，反应器3的压力为345kpa～3100kpa（表压）。在压力大于3100kpa（表压）时，高压反应设备的成本使此方法在经济上缺乏吸引力;当压力低于345kpa（表压）时，反应器3和热回收器4的气体产物的产量较低，在经济上也没有吸引力。本法在压力为690kpa（表压）～2760kpa（表压）下操作比较好;1724～2760Kpa（表压）更为可取。
本法可用于任何含碳颗粒物料，而且，在两步反应中，含碳物料的浓度和性质并不需要一样，但是，含碳颗粒物料最好是煤，包括褐煤、烟煤、次烟煤，或者上述各种煤的混合煤，并没有什么限制。另一些含碳物料是煤焦、煤炭、煤液化残渣、颗粒碳、石油焦、油页岩的含碳固体、沥青砂、硬沥青、浓集的污水道淤渣，垃圾块，橡胶以及上述各物料的混合物。上述作为例子所列的物料，可以是粉碎的固体形式，或者是可用泵输送的在液体载体中的悬浮液的形式。
另一些含碳物料是液态含烃燃料，例如各种液烃燃料，包括石油分馏产品和残渣、汽油、煤油、石脑油、瓦斯油、渣油燃料、拨头油、燃料油、原油、煤焦油、由煤制造的油、页岩油、焦油砂油、液化石油气、芳烃（例如苯、甲苯和二甲苯馏分）、催化裂化操作中的循环瓦斯油、炼焦汽油的糖醛萃出物，以及上述各物料的混合物。
含碳物料还包括氧化含烃物料液体，即含结合氧的液态碳氢化合物，包括碳水化合物、纤维素物质、氧化燃料油、含烃物料氧化过程中的付产物和废液、醇、酮、醛、有机酸、酯、醚，以及它们的混合物。这些含烃物质也可以和上述各种含碳物料掺和使用。
当然，当所用的含碳物料是液态含烃物料时，不需要液体载体。而且，可能需要加水，液体水或水蒸汽，使水有足够的量和碳反应生成所要求的合成气。
含碳固体物料的液体载体，可以是任何能够汽化或参与生成所要求的气态产物的反应的液体，特别是参与生成一氧化碳和氢的反应。最容易达到要求的液体载体是水，水在反应器3和热回收器4中都形成水蒸汽。水蒸汽能和碳反应生成合成气的各个组分的气态产物，此外，除水之外的其它液体也可用来使含碳物料形成悬浮液。液体是水比较好，但是也可以是烃类，例如燃料油、残余油、石油和液体CO2。当液体载体是烃类时，可补充水或水蒸汽，使得有足够的水进行有效的反应。
任何至少含有20%氧的气体可以用来作为燃烧水平反应器3的含氧进料气体。比较好的含氧气体，包括氧、空气、富氧空气。空气作含氧气体时在反应器3中自由氧和碳初始原子比为1.5∶1～2.5∶1。用氧气时，上述比例为1∶1～2∶1。
含碳物料颗粒在液体载体中形成悬浮液，颗粒的浓度只要满足得到可用泵输送的混合物即可。浓度的一般范围高达固体物料容量占70%。含碳物料颗粒在悬浮液中的浓度比较好的范围，在本发明的第一步和第二步中都是30～70%（重量）。煤在水中的悬浮液的浓度为45～55%（重量）更好。
当煤为原料时，在和液体载体混合形成悬浮液之前先要粉碎。一般，可以使用任何相当细地粉碎的含碳物料，并且可以使用任何已知的降低固体粒径的方法。这些方法的例子，包括球磨机、棒磨机和锤磨机。粒径并不严格要求，但是细粉碎的碳颗粒比较好。在烧煤的发电厂中，用粉煤作燃料是常见的。这种煤的粒径分布好，其中煤的90%（重量）通过200目筛网（台勒Tyler系列）。
实施例1
含52%（重量）次烟煤（Western Coal）粉和48%（重量）水的水煤浆在26.7℃喷入水平燃烧反应器3，其速率为52加仑/分（196.84升/分），同时以温度为510℃，速率为40909公斤/小时加入空气，反应器3的内部温度为1427℃，压力为120psig（827.37千帕斯卡表压）。反应器3内生产的蒸汽和热的产品气体向上进入非燃烧的热回收器4，与二次进入的水煤浆接触，二次水煤浆含有52%（重量）的次烟煤粉和48%（重量）的水，温度为26.7℃，进料速率为20加仑/分（75.71升/分）。温度为240.6℃的雾化蒸汽以3181.82公斤/小时的速率与二次水煤浆同时进入热回收器4。
在热回收器4中，反应器3所产生的热被二次进料的水煤浆吸收，使其转化成更多的蒸汽和气态产品。热回收器4的内部温度为982℃。蒸汽和气态产品由热回收器4排出进入旋风分离器5，被分离成气体物流和固体物流。以干物质为基础，由反应器4排出的产物含有10.4%的氢气，10.4%的一氧化碳，15.0%的二氧化碳，0.04%的甲烷和65.0%的氮气。气体物流由旋风分离器排出的速率为45.454.5公斤/小时，含有11.8%的氢气，8.8%的一氧化碳，15.4%的二氧化碳，0.5%的甲烷和63.4%的氮气（基于干物质的体积比）。固体产物与温度为93～149℃、流速为300加仑/分（1135.6升/分）的水混合形成悬浮物浆体，其浓度可为25%（重量）的固体物质。该悬浮物可根据需要循环到反应器3或排出进行废物处理。
实施例2
含50%（重量）次烟煤粉和50%（重量）水的水煤浆以26.7℃喷入水平燃烧反应器3，速率为52加仑/分（196.84升/分），同时吹入空气，其温度为510℃，流速为40，909，09公斤/小时。反应器3的内部温度为1454℃，压力为110psig（758.42千帕斯卡表压）。反应器3内所生成的蒸汽和热产品气体向上进入非燃烧的热回收器4，与二次加入的水煤浆接触，二次水煤浆温度为26.7℃，含有40%（重量）的次烟煤粉和60%（重量）的水，流速为28加仑/分（106升/分）。温度为240.6℃流速为3181.82公斤/小时的雾化蒸汽与二次水煤浆同时进入热回收器4。在回收器4内，反应器3所产生的热被二次进入的水煤浆所吸收，使煤浆转化为更多的蒸汽和气体产品。热回收器4内的温度为982℃。蒸汽和气态产品从热回收器4排出，进入旋风分离器5，在此该混合物被分离成气体物流和固体物质。从反应器3顶部排出的气体产品含有9.5%的氢气，10.2%的一氧化碳，16.5%的二氧化碳，0.07%的甲烷和63.6%氮气（基于干物质的体积比）。气体产品从旋风分离器5顶部排出，速率为50.909公斤/小时，含有12%的氢气，10.0%的一氧化碳，11.0%的二氧化碳，0.5%的甲烷和66.4%的氮气（基于干物质的体积比）。固体产物与温度为93～149℃，流速为300加仑/分（1135.6升/分）的水混合，形成可被浓缩为25%（重量）固体的悬浮液，根据需要，该混合后的悬浮液可循环到燃烧反应器3或排出进行废物处理。
实施例3
在此例中，使用褐煤与水形成的水煤浆作为相似于图1所示装置1的一种反应器的进料，同时，使用纯度为99.6%的氧气作含氧气体，不使用空气。
含44.5%（重量）干褐煤的水煤浆以23.9℃注入水平燃烧反应器3，速率为1331.8公斤/小时。同时以17.2℃，速率为736.8公斤/小时注入氧气。反应器3内部温度为1371℃，压力为240psig（1655千帕斯卡表压）。经吹洗装置向水平燃烧反应器3加入45.45公斤/小时的氮气。水平燃烧反应器3内所产生的蒸汽和热产品气向上进入非燃烧热回收器4，与二次进料的悬浮浆体进行接触，二次进料的水煤浆温度为23.9℃，含有44.5%（重量）干褐煤，流速为397.27公斤/小时，同时以温度为240.6℃，流速为73.2kg/小时加入雾化蒸汽。在热回收器4内，反应器3中所产生的热被二次进料的水煤浆吸收，将其转化为更多的蒸汽和气态产品。热回收器4内部温度为1004℃。蒸汽和气态产品从热回收器4排出进入旋风分离器5，混合气体被分离成气体物流和固体物流。固体物流加入后被排掉。反应器3排出的产物含有43.3%的氢气，26.6%的一氧化碳，23.3%的二氧化碳，0.8%的甲烷和5.9%的氮气（均为干物质的体积比）。由旋风分离器排出的气体物流含有48.8的氢气，22.2%的一氧化碳，23.3%的二氧化碳，2.2%的甲烷和3.5%的氮气（均基于干物质的体积比）。
实施例4
含49.5%（重量）次烟煤粉和循环炭、50.5%（重量）水的混合水煤浆以温度为93.3℃注入水平燃烧反应器3，速率为86加仑/分（325.51升/分），同时以流速为13272.7公斤/小时加氧。进料水煤浆是0.926体积比的次烟煤浆（固体量为51%）和0.074体积比的循环炭焦浆（固体量为30%）的混合物。反应器3内部的温度为1560℃，压力为120psig（827.37千帕斯卡表压）。反应器3内所产生的蒸汽和热产品气向上进入非燃烧热回收装置4，与二次进料的浆体进行接触，二次进料的温度为32，22℃，含有50%（重量）的次烟煤粉和50%（重量）的水，流速为25加仑/分（94.6升/分），同时以温度为240.6℃，流速为3181.82公斤/小时加入雾化蒸汽。在热回收器4内，反应器3所产生的热被二次进料的水煤浆吸收，使其转化为更多的蒸汽和气态产物，热回收器4内的温度为1049℃。蒸汽和气态产品从热回收器4排出进入旋风分离器5，这种混合物被分离成气体物流和固体物流。反应器3顶部排出的气态产物含有32.7%的氢气，31.5%的一氧化碳，30.5%的二氧化碳，0%的甲烷和5.3%的氮气（均基于干物质的体积比）。气体产品以22.956.36公斤/小时的速率从旋风分离器5顶部排出，含有36.1%的氢气，26.7%的二氧化碳，31.8%的二氧化碳，0.5%的甲烷和4.9%的氮气（均基于干物质的体积比）。旋风分离器底部排出的固体与温度为93～149℃，流速为300加仑/分（1135.6升/分）的水混合，形成悬浮物浆体。该浆体被浓缩使之含25%（重量）固体后，循环到燃烧反应器3。
为对本发明进行说明，对一些有代表性的实施方案和细节进行了介绍。但在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可对本发明的实施方案进行各种变更和改良，这对本专业领域的技术人员是明显的。