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在多个金属浴反应器中的气体转移

阅读：751发布：2022-10-18

专利汇可以提供在多个金属浴反应器中的气体转移专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明描述一种经济上可行的环境方面无瑕疵的用来把固体给料、液体给料、气体给料和相关烃类给料转化成可以在联在一起的多个金属浴反应器中进一步处理的高纯高压气流的程序。，下面是在多个金属浴反应器中的气体转移专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种能够抵挡高温和高压的反应器系统，其中包括：
a.能够装有浴液温度(T1)和浴罐压力(P1)的浴液的第一浴罐，以及
b.以外壳温度(T10)为特色的反应器外壳，
其中第一浴罐装在外壳里面而且有安排在其间有气体区域压力P10的气体区域，而且P10近似地与P1相同，而T10小于T1。
2.根据权利要求1的反应器系统，进一步包括在外壳里面的第二浴罐。
3.根据权利要求2的反应器系统，其中每个浴罐都是用有至少100000psi的拉伸强度而且能够装熔融金属的材料做成的。
4.根据权利要求3的反应器系统，其中每个浴罐都包含不锈钢或石墨。
5.根据权利要求3的反应器系统，其中每个浴罐包含熔融金属。
6.根据权利要求4的反应器系统，其中第二浴罐被安排在第一浴罐上面。
7.根据权利要求6的反应器系统，其中第二浴罐的浴罐压力P2低于P1。
8.根据权利要求7的反应器系统，进一步包括与第二浴罐和第一浴罐流体连通的第一导管，借此P1和P2之间的压力差引起驻留在所述第一浴罐中的熔融金属向所述第二浴罐转移。
9.根据权利要求8的反应器系统，其中第一导管包括安排在第一浴罐下半部的入口和安排在第二浴罐上半部的出口。
10.根据权利要求9的反应器系统，其中第一导管包括控制熔融金属转移的第一阀门。
11.根据权利要求9的反应器系统，进一步包括与第二浴罐和第一浴罐流体连通的第二导管，借此地心引力引起驻留在所述第二浴罐中的熔融金属浴液向所述第一浴罐转移。
12.根据权利要求11的反应器系统，其中第二导管包括安排在第二浴罐下半部的入口和安排在第一浴罐上半部的出口。
13.根据权利要求12的反应器系统，其中第二导管包括控制熔融金属转移的第二阀门。
14.根据权利要求12的反应器系统，其中每个浴罐的特征在于至少一个气体排放口、至少一个蒸汽入口、至少一个给料入口和/或至少一个气体入口。
15.根据权利要求14的反应器系统，其中每个入口都位于每个浴罐中的熔融金属表面以下。
16.根据权利要求15的反应器系统，其中至少一个入口包括鼓风口。
17.根据权利要求13的反应器系统，进一步包括：
a.能够装有浴液温度T3和浴液压力P3的熔融金属浴液的第三浴罐；
b.安排在所述第三浴罐上面能够装有浴液温度T4和浴罐压力P4的熔融金属浴液的第四浴罐；
c.以外壳温度T11为特色的第二反应器外壳，其中第三浴罐被装在第二反应器外壳之内而且有安排在其间有气体区域压力P11的气体区域，其中P11近似与P3相同，而T11小于T3；
d.与第三浴罐和第四浴罐流体连通的第三导管，借此P3和P4之间的压力差引起驻留在所述第三浴罐中的熔融金属向所述第四浴罐转移，其中第三导管包括安排在第三浴罐下半部的入口和安排在第四浴罐上半部的出口；
e.与第三浴罐和第四浴罐流体连通的第四导管，借此地心引力引起驻留在所述第四浴罐中的熔融金属浴液向所述第三浴罐转移；其中第四导管包括安排在第四浴罐下半部的入口和安排在第三浴罐上半部的出口。
18.根据权利要求17的反应器系统，其中每个浴罐都以顶部空间为特色，而且第一浴罐的顶部空间与第三浴罐的熔融金属浴液流体连通；第四浴罐的顶部空间与第二浴罐流体连通。
19.一种反应器系统，其中包括：
a.能够装有浴液温度T1和浴液压力P1的浴液的第一浴罐；
b.安排在所述第一浴罐上面能够装有浴液温度T2和浴罐压力P2的浴液的第二浴罐；
c.与第一浴罐和第二浴罐流体连通的第一导管，借此P2和P1之间的压力差引起驻留在所述第一浴罐中的液体向所述第二浴罐转移；以及
d.与第一浴罐和第二浴罐流体连通的第二导管，借此地心引力引起驻留在所述第二浴罐中的液体向所述第一浴罐转移。
20.根据权利要求19的反应器系统，其中第一和第二浴罐装液体，其中液体是熔融金属。
21.一种用来制造高纯度甲烷气体的程序，该程序包括下列步骤：
a.把含碳的原料流添加到装第一熔融金属浴液的第一浴罐中(其中第一浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的压力P1下)，而后产生包含一氧化碳和硫化氢的第一罐气流；
b.把第一罐气流从第一浴罐移开并且引导该气流进入装第三熔融金属浴液的第三浴罐(其中第三浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的第三压力P3下)，非必选地添加氧的来源(例如，包含蒸汽或氧的原料)，而后产生包含氢、SO3和二氧化碳的第三罐气流；
c.把第三罐气流从第三罐移出，并且非必选地浓缩其中的SO3和/或除去二氧化碳；借此获得净化的氢气；
d.把蒸汽添加到装以低含碳量为特色的第四熔融金属浴液的第四浴罐中(其中第四浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的第四压力P4下)，借此产生纯净氢气；
e.把步骤(c)和/或(d)产生的气流添加到装维持在至少1巴，优选至少100巴的第二压力P2和低于大约800-1000F的温度下以高含碳量为特色的第二熔融金属浴液的第二浴罐中，借此产生纯净甲烷。
22.一种用来制造高纯合成气的程序，该程序包括下列步骤：
a.把含碳的原料流添加到装有第一熔融金属浴液的第一浴罐中(其中第一浴罐维持包含在至少1巴，优选至少100巴的压力P1下)，而后产生包含一氧化碳和硫化氢的第一罐气流；
b.把第一罐气流从第一浴罐移出并且把该气流引进装有第三熔融金属浴液的第三浴罐(其中第三浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的第三压力P3下)，非必选地添加诸如蒸汽或者含氧原料之类氧的来源，于是产生包含氢、SO3和二氧化碳的第三罐气流；
c.把第三罐气体流从第三罐中移出，并且非必选地浓缩其中的SO3和/或除去二氧化碳，借此获得纯净的氢气；
d.把蒸汽添加到装有以低含碳量为特色的第四熔融金属浴液的第四浴罐中(第四浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的第四压力P4下)，借此产生纯净氢气；
e.把氧气添加到装有维持在至少1巴，优选至少100巴的第二压力P2和低于大约
1000F的温度下以高含碳量为特色的第二熔融金属浴液的第二浴罐中，借此产生纯净的一氧化碳。
23.根据权利要求21或22使用根据权利要求17的反应器系统的方法。
24.一种用来制造高纯度氢气的程序，该程序包括下列步骤：
a.把含碳的原料流添加到装有第一熔融金属浴液的第一浴罐中(其中第一浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的压力P1下)，而且通过引进氧的来源产生潜热和维持富含金属氧化物的熔融金属浴液；
b.把富含金属氧化物的熔融金属浴液转移到上面的维持在至少1巴，优选至少100巴的第二压力P2，和高于大约500F的温度下的第二浴罐中；
c.把蒸汽添加到上面的熔融金属浴液中，借此产生高纯度氢气。
25.根据权利要求24使用权利要求1-20之中任何一项的反应器的程序。
26.根据权利要求21-25之中任何一项的程序，其中一种或多种熔融金属浴液包含具有悬浮在其中的铁的铁和/或锡。
27.用来生产合成气(CO/H2)和/或H2气流或高纯高压CH4和CO2气流的程序是通过把包含诸如煤的烃的给料引进多个熔融金属浴液反应器中进行分开和持续生产的，所述的熔融金属浴液反应器产生气流，该气流在联在一起的多个金属浴反应器中被进一步处理。
28.使用权利要求1-20之中任何一项所述的反应器将含碳的给料转换成来自烃类给料的一种或多种H2、CH4、CO或CO2气流的程序。
29.根据权利要求21-28之中任何一项的程序，其中烃类给料包含煤。
30.根据权利要求21-28之中任何一项的程序，其中烃类给料包含石油焦、煤、褐煤、油页岩、天然气或生物质。
31.根据权利要求21-28之中任何一项的程序，其中烃类给料包含液态或气态的烃类。
32.根据权利要求21-28之中任何一项的程序，其中烃类给料包含有至少大约每磅
4000BTU的含热量的废弃材料。
33.根据权利要求21-28之中任何一项的程序，其中给料是通过螺旋挤压底部或侧面注入或用蒸汽冷却的顶端注射枪添加的。
34.根据权利要求21-28之中任何一项的程序，其中至少一个浴罐的压力被维持在大约10巴以上和/或低于大约600巴，优选在大约150-200巴之间。
35.根据权利要求21-28之中任何一项的程序，其中反应器压力受烃类给料添加速率控制。
36.根据权利要求21-28之中任何一项的程序，其中通过将压力差维持在大于举起金属所需要的且克服在垂直和/或对角线方向上的金属转移管道中的阻力所需要的压力的水平上，以使熔融金属浴液在所述的第一浴罐和所述的第二浴罐之间和/或在所述的第三浴罐和所述的第四浴罐之间转移。
37.根据上述权利要求之中任何一项的程序，进一步包括从气体中提取Hg的步骤。
38.根据权利要求21的程序，进一步包括通过用水的淬熄提取SO3生产H2SO4的步骤。
39.根据权利要求21的程序，进一步包括把在离开第三浴罐的气流中的H2和CO2分开的步骤。
40.根据权利要求21的程序，进一步包括通过添加助熔剂(例如，Ca、Fe、K、Mg、Na、Si、Sn和Ti的一种或多种氧化物)形成熔渣层的步骤。
41.根据权利要求21的程序，进一步包括维持这样的相对压力以致P1大于P3，P3大于P4，P4大于P2，借此允许气态物质在没有气体压缩的浴罐之间转移。
42.根据权利要求21-28的方法，其中在前两个垂直地或水平地排成一线的浴液中的浴液金属是两种以上金属的合金，包括有充份的氧化电位的金属以减少水，而第二组垂直地或者水平地排成一线的金属浴液包含取自包括锑(Sb)、钴(Co)、锗(Ge)、铟(In)、钼(Mo)、铅(Pb)、钨(W)和锌(Zn)或其它金属在内的一系列活泼金属的两种以上金属的合金。
43.根据权利要求21-28的方法，其中在前两个垂直地排成一线的浴液中的浴液金属是两种以上金属的合金，其中至少金属之一是将在浴液条件下减少水的活性较低的金属，而第二组垂直地排成一线的金属浴液包含两种以上金属的合金，其中至少金属之一取自包括铋(Bi)，镉(Cd)，铜(Cu)，金(Au)，铱(Ir)，汞(Hg)，镍(Ni)，锇(Os)，铂(Pt)，铼(Re)，铑(Rh)，钌(Ru)，硒(Se)和碲(Te)在内的一系列相对较缺乏活性的金属。

说明书全文

在多个金属浴反应器中的气体转移

[0001] 相关申请

[0002] 这份申请要求给予2008年2月1日申请的美国专利临时申请第号61/025,684的利益。上述申请的全部教导在此通过引证被并入。发明领域

[0003] 本发明描述用来生产包含甲烷(CH4)、合成气(CO/H2)和氢(H2)的高纯高压气流的方法。该方法能有利地用来以比目前用现有技术的方法可得的成本低的成本大量地生产这些气体产品。甲烷气流能作为燃料或能源和/或作为基本成份用来生产许多分子量比较高的烃。氢气能用于多种应用，包括但不限于还原溶解在液态金属中的碳、燃料电池的H2库和加氢反应。在一个实施方案中，合成气(CO/H2)能以1∶1的比例在高压和高纯度下递送供诸如Fischer-Tropsch反应之类的变化非常多的化学转化使用。

背景技术

[0004] 现在已经明确全世界能源短缺，而且已经特别强调用来把我们丰富的自然资源的(例如，煤)转变转化成用途更宽广的气体材料(例如，合成气(CO/H2)，氢(H2)，甲烷(CH4)和其它低分子量的烃)的新技术。此外，天然气和能代替天然气使用的高价值能源的经济生产已变成经济需要。天然气有包括大约80％-85％甲烷(CH4)大约10％乙烷(C2H6)以及不同百分比的包括丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10)在内的高级烃的组成。天然气的主要成份(甲烷)有大约23875Btu/Ib的热值。

[0005] 就地生产和在像发电那样的消耗能源的应用中利用天然气和其它高BTU值气体组合物有具体的利益。虽然煤的燃烧产生蒸汽，能用来发电，但是煤沉积物往往包含相当数量的杂质(例如，硫和汞)并因此在利用之前必须经受费用高昂的处理。因此，把煤中的碳直接转化为像甲烷气体这样的高纯度的烃类产品仍然是非常令人向往的目标。现在可用的许多程序尚未被证明是经济的。为了满足当前的能源和原材料需求，必须研发能使用潜在的低级煤资源的非常经济的和生态学方面无瑕疵的新程序。

[0006] 与煤的气化迥然相反，焚烧通常包括用高温火焰点火的高温分解(1200℃)和燃烧的组合。在这样高的温度下，高温分解把有机化合物转变成更容易氧化的形式，但是氧化步骤需要由此产生的起初的高能碳质碎屑与氧的真实碰撞。在分子水平上缺乏有效的混合妨碍氧化的比率。作为替代，更现代化的煤气化方法是在高温下开始的，但是为了热分解成分子碎屑然后把原子碳用其它特定的化学转化变成可用的气态物种，煤被注入灼热的熔融金属浴液。

[0007] 举例来说，在Rummel的美国专利第2,647,045号中，从铁矿石的还原或从“煤产品的非易燃残留物”获得熔融熔渣浴液沿着环路流动，最后粉碎的煤被注入该浴液，和分开添加的空气也连同“吸热的气体反应物(例如，水和CO2)”一起被传输。Johanson的美国专利第3,700,584号在把煤转化成有用的烃类产品的气化程序中处理含氧量高的低质量的煤。

[0008] 在美国专利第4,388,084号中，铁浴被用于煤的气化。在授权给Okarmira等人的关于使用熔融铁浴气化煤的主题的美国专利第4,389,246号中描述从乙烷的底吹。乙烷或其它烃类气体用来搅动该混合物并且被Okamura等人视为等同于氧化气体。从上方注入被用于Gcrabardt等人的美国专利第4,043,766号、Qkamura等人的美国专利第4,389,246号、Okane等人的美国专利第4,388,084号和Bell等人的美国专利第4,431,612号。

[0009] 其它的利用蒸汽和碳生产合成气的程序已被揭示。举例来说，Leonarz的美国专利第1、592、861号描述了通过让蒸汽在熔融金属浴中接触未化合的碳生产水煤气的方法。蒸汽在900℃到1200℃的温度下被分解成它相应的元素。气体中与氧化合的碳在数量上足以产生一氧化碳但是不够制造可感知量的二氧化碳。

[0010] 熔融的铁被Rasor在美国专利第4,187,672号和第4,244,180号中作为溶剂用于通过从液面以上引进煤生成碳；然后，碳在长期驻留期间部份地被氧化铁氧化和部份地通过从上方引进的氧被氧化。举例来说，原煤能在熔融金属浴(例如，熔融的铁)中在1200℃到1700℃的温度下被气化。注入蒸汽，与碳反应吸热并节制该反应。Rasor的揭示主张截然不同的碳化和氧化舱室。

[0011] Bach等人在美国专利第4,574,714号和第4,602,574号中描述通过把有机废弃物连同氧一起注入金属浴或熔渣浴(例如，在炼钢设备中利用的)破坏有机废弃物的程序。Nagel等人在美国专利第5,322,547号和第5,358,549号中描述引导有机废弃物进入包括使含金属成份中的金属化学还原成溶解的中间产物的第一还原剂的熔融金属浴液。第二还原剂被引进该熔融金属浴液。第二还原剂在熔融金属浴液的工作条件下化学还原溶解的中间产物中的金属，借此，间接地化学还原废弃物中的金属成份。

[0012] 氢气(H2)能使用许多不同的技术利用给料(例如，天然气、生物质和水(蒸汽))生产出来。Okane等人第4,388,084号揭示通过在大约1500℃的温度下把煤、氧和蒸汽注射到熔融的铁之上使煤的气化的程序。使用可氧化的金属物种使蒸汽还原制造氢气也是已知的。举例来说，Belke等人的美国专利第4,343,624号揭示利用蒸汽的氧化程序三阶段生产氢的方法和装置。Malone等人的美国专利第5,645,615号揭示通过使用浸没枪把给料注入熔融金属分解包含碳和氢的给料的方法。马隆等人在美国专利第6,110,239号中描述生产在5个大气压以上的压力下操作的富氢和富一氧化碳的气流的烃类气化程序，其中为了调整碳的浓度，熔融金属在同一反应器里面被转移到靠垂直隔板产生的不同区域。

[0013] Kindig等人在美国专利第6,682,714、6,685,754和6,663,681号中的方法描述被使用金属/金属氧化物偶把氧和H2O分开通过蒸汽还原形成氢气的生产。该方法利用Nagel等人的基本操作之一，美国专利第5,358,549号用碳的来源(例如，CO或煤)还原溶解的金属氧化物。蒸汽与包括溶解在稀释金属(例如，锡)中的第一活泼金属(例如，铁)的熔融金属混合物接触。活泼金属氧化成金属氧化物，形成氢气，然后金属氧化物能被还原回金属以便在没有金属或金属氧化物向第二反应器实质性运动的情况下进一步生产H2。建议防止这样的非气体材料(例如，Fe和FeO)的物理运动，在包括数百吨材料的工业有用的规模上，可能减少与氢气生产相关的费用。Kindig等人(美国专利第7,335,320号)使用数百吨材料按1∶1摩尔比生产包含氢的合成气体(H2∶CO)，不需要把碳的氧化物从气流中除去。

[0014] 除了铁/氧化铁之外，已经使用许多金属/金属氧化物系统。举例来说，Spacil的美国专利第3,821,362号举例说明使用Sn/SnO2形成氢。熔融的锡分裂成原子并且与蒸汽接触形成SnO2和H2；SnO2被还原回液体锡。

[0015] Davis等人在美国专利公开第20060228234号(欧洲专利第RP1874453号)中已经描述了在高温金属浴反应器中借助蒸汽与金属铁反应处理有机和无机废弃材料生产合成气的程序和装置。然而，为了维持合成气的均衡生产，这个程序需要注射氧、蒸汽和/或共同馈送的一种或多种较高热值的附加给料。

[0016] 然而，不管上述程序，更有效地在高压和高温下产生合成气的方法仍然是令人向往的目标。

发明内容

[0017] 在一个实施方案中，本发明涉及能够经受高温和高压的反应器系统。该反应器系统可能拥有一个或多个反应舱室而且能用于需要一个或多个步骤的程序。

[0018] 在一个实施方案中，该程序包括把煤这样的烃类给料注入第一高温液态金属浴(例如，在此描述的反应器舱室)，借此为在高达200巴的压力或按重量计达99％以上纯度下提供有价值的产品(例如，甲烷(CH4)，合成气(CO/H2)，H2，CO和高级烃)的特殊化学操作提供机会。在第一浴中产生的尾气(例如，CO、CO2、H2S、H2和N2)能被转移到第二熔融金属浴(例如，在相同的或不同的反应器中)而且能被进一步处理。杂质能作为熔渣被除去或者以气态形式留在下面的浴中。还原化学可能发生在另一个金属浴(例如，联在一起的上面的浴)中。溶解在第一或主要的金属浴液中的碳可能被转移到优选在上面的用于还原反应(例如，在高压下生产纯净甲烷的碳的还原或生产CO和/或H2的水的还原)的第二浴中(例如，垂直地或水平地，举例来说，在压力差作用下或借助机械方法)。在互连浴之间的金属转移率能通过使用退出气体控制阀释放浴内压力和或通过调整给料注入速率来控制。在上面邻接的富含金属氧化物的没有杂质的液态金属浴中金属被蒸汽氧化提供化学计量比(CO/H2)为1∶1的纯高压合成气流。这种多个金属浴结合技术能改善多种不同的提供高纯高压气体产品的烃类材料，易卖的副产品(包括但不限于H2O4和CO2)除外。

[0019] 本发明的一个优选实施方案描述利用包含多个区域的熔融金属浴交替地、独立地和/或同时地分开生产，优选连续地分开生产程序在哪一个高纯且非必选高压的合成气(CO/H2)或氢气(H2)气流和/或高纯高压的“含碳”气流。术语“高纯的”合成气或氢气意味着气流按重量计包含至少大约99％的CO和/或H2，优选至少大约99.5％。按重量计大约99.9％的纯度水平依照在此描述的发明已经实现。术语“高纯的”含碳气流意味着气流包含按重量计至少大约99％的含碳化合物，例如，烃类(优选甲烷，和/或其它C1-C4的烃)，和优选至少包含化合物的按重量计碳的大约99.5％，例如，按重量计优选至少大约99.5％的甲烷。按重量计大约99.9％的甲烷纯度再一次能实现。

[0020] 用在此描述的程序生产的气流能在高压下获得。当然，气体的压力可能下降，或者，作为替代，该压力可能被进一步增加或该气流能被液化。术语“高压”合成气或氢气在提及退出该程序的气流的时候意味着压力为至少大约1巴、优选至少大约10巴或最优选至少大约100巴的气流。反应器优选能适应高达大约600巴的压力，例如，在大约150巴和200巴之间。附图说明

[0021] 图1是本发明的金属浴反应器范例的方案视图。

[0022] 图2是新颖的熔融金属储器的另一个范例的方案视图。

[0023] 图3是能按水平和垂直两种位置并置构成用来实施本发明的方法的完整的反应器的一系列熔融金属浴的示意图。

具体实施方式

[0024] 本发明的方法的特征和其它细节现在将参照附图3予以更具体地描述而且在权利要求书中指出。人们将理解本发明的特定实施方案是作为例证而不是作为本发明的限制展示的。这项发明的主要特征能在不脱离本发明的范围的情况下用于各种不同的实施方案。

[0025] 在一个实施方案中，本发明涉及能够经得住高温和高压的反应器系统，该系统包括：

[0026] a.能够装有浴液温度T1和浴罐压力P1的浴液的第一浴罐；以及

[0027] b.以外壳温度T10为特色的反应器外壳，

[0028] 其中第一浴罐被装在外壳里面而且有安排在其间的有气体区压力P10的气体区域，其中P10近似等于P1而T10低于T1。不止一个浴罐(例如，两个、三个、四个或更多)能被包括在一个、两个或更多个反应器外壳之内。

[0029] 在另一个实施方案中，本发明包括反应器系统，其中包括：

[0030] a.能够装有浴液温度T1和浴液压力P1的金属浴液的第一浴罐；

[0031] b.安排在所述第一浴罐上面能够装有浴液温度T2和浴罐压力P2的浴液的第二浴罐；

[0032] c.与第一浴罐和第二浴罐流体连通的第一导管，借此P2和P1之间的压力差引起驻留在所述第一浴罐中的液体向所述第二浴罐转移；以及

[0033] d.与第一浴罐和第二浴罐流体连通的第二导管，借此地心引力引起驻留在所述第二浴罐中的液态金属向所述第一浴罐转移。

[0034] 熔融金属反应器(包括但不限于在此描述的反应器)的浴罐装有下面将更详细地描述的熔融金属浴液。通常，熔融金属浴液包含活泼物种，例如，铁/氧化铁和/或镍。活泼物种(例如，铁)可以被添加进去并保持作为固体(例如，铁屑)而且就本身而言不需要熔融。业已发现熔融金属浴液的密度可能有利地接近于活泼物种的密度，借此保持固体活泼物种实质上处于悬浮状态。这能通过优化浴液合金成份和温度并因此优化浴液熔点来实现。维持活泼物种处于悬浮状态允许较低的反应温度，改善反应时间和避免由于分层造成的损失。

[0035] 浴液温度(T1、T2、T3、T4，等等)通常高于大约200F，优选高于大约500F，而且能高达大约1000F或大约3000F以上。另一方面，反应器外壳温度通常是实质上低于浴罐温度而且可能在舱室温(或以下)和大约500F之间。浴液温度和外壳温度之差可能是，举例来说，至少大约100F，优选至少大约200F和更优选大于大约300F。

[0036] 浴罐压力实质上与浴罐周围的气体区域压力一样。如果压力在大约10％之内，举例来说，在大约5％之内，那么这些压力被视为实质上相同。优选，气体区域压力略微大于浴罐压力(例如，大约1％)。浴罐压力优选至少大约1巴，例如，大于5巴，例如，大于大约10巴或大约100巴。600巴以上的压力能实现。优选，浴罐压力在大约150巴和200巴之间。

[0037] 在反应器外壳里面围住浴罐的气体区域优选填充气体，例如，惰性气体。适当的气体包括空气、二氧化碳和氩气。二氧化碳是优选的。当使用惰性气体很重要(例如，反应器外壳配备感应线圈)的时候，可能使用氩气。气体可能是为提供好的绝缘特性而选择的。

[0038] 每个浴罐优选用能经得住熔融金属浴液并且优选有至少50000psi，优选至少大约100000psi的拉伸强度的材料制成。举例来说，可能使用5英寸厚的不锈钢罐或石墨罐。罐可以非必选地酌情衬以耐火材料。

[0039] 反应器系统可以非必选地在每个外壳内包含第二浴罐或第三浴罐或更多的浴罐。在一个实施方案中，第二浴罐被垂直地安排在第一浴罐之上，虽然水平安排罐也是可能的。
在垂直地安排浴罐的情况下，罐可能用与反应器外壳联结的板(例如，不锈钢板)隔开。罐优选用板密封，例如，用压缩密封件。

[0040] 至少两个罐的液体浴液优选处于液体连通状态。在一个实施方案中，在第二(或上面的)浴罐的浴罐压力P2低于第一或下面的浴罐的浴罐压力P1。这提供能在没有机械装置帮助的情况下把下面的浴液的液体升高或运送到上面的浴液中的压力差。当然，浴罐之间的液体转移也能靠机械实现或协助。

[0041] 在这个实施方案中，反应器系统进一步包括与第二浴罐和第一浴罐流体连通的第一导管，借此P1和P2之间的压力差引起驻留在所述第一浴罐中的熔融金属向所述第二浴罐转移。第一导管优选包含安排在第一浴罐下半部的入口和安排在第二浴罐上半部的出口。优选，第一导管包含控制熔融金属转移的第一阀门。

[0042] 作为替代或补充，该反应器系统包含与第二浴罐和第一浴罐流体连通的第二导管，借此地心引力引起驻留在所述上面的第二浴罐中的熔融金属浴液向所述第一浴罐转移。第二导管优选包含安排在第二浴罐下半部的入口和安排在第一浴罐上半部的出口。第二导管可以包括控制熔融金属转移的第二阀门(例如，球阀)。在第一和第二两个导管都存在的情况下，浴罐之间的双向流动能实现。

[0043] 该反应器系统优选配备适当的入口和出口。举例来说，每个浴罐可能以至少一个气体排放口、至少一个蒸汽入口、至少一个给料入口、至少一个气体蒸汽入口和/或熔渣转移口为特色。入口可能位于上方，或优选位于每个浴罐的熔融金属表面以下，而且可能包括风口注射。气体排放口通常位于反应器的顶部空间。熔渣转移口通常大致位于液体浴液的液面。

[0044] 这些罐可能进一步包含用来指导给料、气体和/或熔融金属在浴液里面的流动控制驻留时间的折流板、板或其它装置。

[0045] 该反应器系统可能包含众多前面讨论过的反应器。在这个实施方案中，反应器系统能进一步包括，举例来说：

[0046] a.能够装有浴液温度T3和浴液压力P3的熔融金属浴液的第三浴罐；

[0047] b.安排在在所述第三浴罐上面能够装有浴液温度T4和浴罐压力P4的熔融金属浴液的第四浴罐；

[0048] c.以外壳温度T11为特色的第二反应器外壳，其中第三浴罐被装在第二反应器外壳之内而且有安排在其间的有气体区域压力P11的气体区域，而且其中P11近似地与P3相同，T11低于T3；

[0049] d.与第三浴罐和第四浴罐流体连通的第三导管，借此P3和P4之间的压力差引起驻留在所述第三浴罐中的熔融金属向所述上面的第四浴罐转移，其中第三导管包含安排在第三浴罐下半部的入口和安排在第四浴罐上半部的出口；

[0050] e.与第三浴罐和第四浴罐流体连通的第四导管，借此地心引力引起驻留在所述第四浴罐中的熔融金属浴液向所述第三浴罐转移；其中第四导管包含安排在第四浴罐下半部的入口和安排在第三浴罐上半部的出口。

[0051] 多个反应器外壳可能是分开的和截然不同的或联在一起的，例如，作为有四个浴罐的四元配置反应器。其它的安排也能想像。

[0052] 参照图1和图2，图1是通常用数字10指出的液态金属或熔融金属浴系统范例的方案视图。在图1的范例中，系统10包括安排在反应器外壳16里面的第一舱室12和第二舱室14。系统10可能包括一个、两个或更多个舱室。此外，系统10的多个舱室可能被合并成一个或多个分开的罐，在此通常称之为反应器。

[0053] 为了描述的目的，系统10被用来处理来自给料的固体、液体和气体元素。给料被注入高温液态金属浴液18，在那里诸元素分解成它们的原子成份。在高压下操作的多种液态金属浴考虑到为了重要的利益进一步分割元素和化合物。所以，促使液态金属从一个舱室或浴向另一个转移的系统促成一些利益。

[0054] 为了解释的目的，第一舱室12在此是作为主要的或起始的反应器浴提供的。给料被注入装在第一舱室或浴12里面的熔融金属18。熔融金属18经由通常以数字20指出的熔融金属转移系统转移到第二舱室或浴14之中以便进一步处理。熔融金属18可能被进一步转移到附加的舱室或回到主舱室12。

[0055] 可能利用各种不同的方法和机制转移熔融金属18。转移系统20的一个范例将在此描述并且适合水平地或垂直地转移熔融金属18。在列举的范例中，转移系统20利用压力差。举例来说，熔融金属18a被放舱室12中，而熔融金属18b被放在舱室14中，该舱室在这个范例中从立面看或根据压力头在舱室12上面。液态金属转移系统20包括管道22和控制单元24。管道22在舱室12和14之间提供一条或多条流动路径。在这个范例中，导管22a提供从舱室12到舱室14的路径而导管22b提供从舱室14到舱室12的路径。控制单元24从功能上和操作上与一个或多个排放口26a、26b和舱室12和14相连。利用来自舱室12和14的压力差以及给料和排放规则，控制器24能提供金属18通过各个舱室的预期运动。

[0056] 本系统的另一方面是提供新颖的热障罐设计。现在参照图2，举例说明单舱室反应器16的方案视图。反应器16包括内罐26和外罐28。位于内罐26和外罐28之间的是流体热障材料30。在目前的范例中，热障材料30是液体或气体。热障材料的一个范例30是氩气。

[0057] 内罐26可能在160巴那样的压力下。流体热障30(例如，氩气)可能以接近或高于内罐压力的压力装在罐26和28之间。热障30促成防止外罐30受内部温度损害并且提供压力安全壳装置。

[0058] 反应器系统能有利地用于多阶段反应。举例来说，每个浴罐能以顶部空间为特色，而且第一浴罐的顶部空间与另一浴罐(例如，第三浴罐)的熔融金属浴流体连通；第四浴罐的顶部空间与另一浴罐(例如，第二浴罐)流体连通。附加的罐可能被合并在外壳之内，对第一和/或第二浴罐来说在其上、其下、其间或旁边。举例来说，热交换器能被并入，以帮助优化浴中产生的热量的驱散。各种不同的组合可能很容易想像。

[0059] 反应器系统能用来制造高纯、高压气流和其它产品。

[0060] 本发明的另一方面包括优选(但不必限于)使用在此描述的反应器制造高纯、高压气流的程序。在本发明的一个实施方案中，用来制作高纯度甲烷气体的程序包括下列步骤：

[0061] a.把含碳的原料流添加到装第一熔融金属浴液的第一浴罐中，其中第一浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的压力P1下，而且正在产生包含一氧化碳和硫化氢的第一罐气流；

[0062] b.把第一罐气流从第一浴罐移出并且把该气流引进入装第三熔融金属浴液的第三浴罐，其中第三浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的第三压力P3下，非必选地添加氧源(例如，蒸汽或包含氧的原料)，而且正在产生包含氢、SO3和二氧化碳的第三罐气流；

[0063] c.把第三罐气流从第三罐移出并且非必选地浓缩其中的SO3和/或除去二氧化碳，借此获得纯的高压氢气；

[0064] d.把蒸汽添加到装以低含碳量为特色的第四熔融金属浴液的第四浴罐中，其中第四浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的第四压力P4下，借此产生纯净的氢；

[0065] e.把步骤(c)和/或(d)产生的气流添加到装维持在至少1巴，优选至少100巴的第二压力P2和低于大约1000F，优选大约800F的温度之下以高含碳量为特色的第二熔融金属浴液的第二浴罐中，借此产生纯的甲烷。

[0066] 在另一个方面，用来制作高纯度合成气的程序包括下列步骤：

[0067] a.把含碳的原料流添加到装第一熔融金属浴液的第一浴罐中，其中第一浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的压力P1下，以及产生包含一氧化碳和硫化氢的第一罐气流；

[0068] b.把第一罐气流从第一浴罐移出并且把该气流引进装第三熔融金属浴液的第三浴罐，其中第三浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的第三压力P3下，非必选地添加氧源(例如，蒸汽或含氧的原料)以维持富含金属氧化物的浴液环境，以及产生包含氢、SO3和二氧化碳的第三罐气流；

[0069] c.把第三罐气流从第三罐移出，并且非必选地浓缩其中的SO3和/或除去二氧化碳，借此获得纯的氢气；

[0070] d.把蒸汽添加到装以低含碳量为特色的第四熔融金属浴液的第四浴罐中，其中第四浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的第四压力P4下，借此产生纯的氢气；

[0071] e.把氧气添加到装维持在至少1巴，优选至少100巴的第二压力P2和低于大约1000F的温度之下以高含碳量为特色的第二熔融金属浴液的第二浴罐中，借此产生纯的一氧化碳。

[0072] 在另外一个实施方案中，用来制作高纯度氢气的程序包括下列步骤：

[0073] a.把含碳的原料流添加到装第一熔融金属浴液的第一浴罐中，其中第一浴罐维持在至少1巴，优选至少100巴的压力P1下，以及产生富碳的熔融金属浴液；

[0074] b.把富碳的熔融金属浴液转移到上面的维持在至少1巴，优选至少100巴的第二压力P2和低于大约1000F的温度之下的第二浴罐中；

[0075] c.把蒸汽添加到富碳的熔融金属浴液中，借此产生高纯度氢气。

[0076] 这些程序能使用一个或多个上述的反应器，例如，一个双联反应器或一对双联反应器。

[0077] 这些程序打算使用熔融金属浴液。熔融金属浴液可能包含许多金属物种而且可能包括活性的或非活性的物种。活性物种优选经历氧化/还原反应的那些。可以选择镍和铁，铁是优选的。当然，活性物种本身不需要熔融。在一个实施方案中，活性物种可以作为固体(例如，以铁屑的形式)添加和维持。熔融金属浴液可能是为实质上具有相同的固体活性物种密度在浴液中促成悬浮和避免分层而选定的。在一个实施方案中，熔融金属浴液可能是为促进各罐之间(例如，在甲烷或合成气生产系统的第一和第二罐之间)的纯碳传送而选定的。用于第一和第二罐的一种优选浴液可能是有铁屑悬浮在其中的Sn/Pb合金。

[0078] 金属浴液也可能包括锑(Sb)、钴(Co)、锗(Ge)、铟(在)、钼(Mo)、铅(Pb)、钨(W)、铋(Bi)、镉(Cd)、铜(Cu)、金(Au)、铱(Ir)、汞(Hg)、镍(Ni)、锇(Os)、铂(Pt)、铼(Re)、铑(Rh)、钌(Ru)，硒(Se)和/或碲(Te)。

[0079] 用于这些程序的给料通常是含碳的而且优选含烃的给料。适当的给料包括包含煤、石油焦、煤、褐煤、油页岩、天然气或生物质、液体的或气体的烃类(例如、甲烷、乙烷，等等)。废弃材料(例如，有每磅至少大约4000BTU含热量的废弃物)也能使用。为了提供改善的或最佳的碳、氧、水平衡，可以选择给料的组合。

[0080] 给料可能用几种方法添加，包括但不限于：螺旋挤出、底部或侧面注入或者蒸汽冷却的顶枪注入。

[0081] 依照前面关于反应器的讨论，至少一个、两个、三个、四个或所有浴罐的压力可能被维持在至少大约1巴，例如，至少大约10巴以上，例如，在1(或10)巴和大约600巴之间的压力下。优选的是压力维持在大约150-200巴之间的范围。反应器(或罐)的压力能用烃类给料添加速率来控制或维持。

[0082] 本发明涉及这样的发现，即通过维持压力差大于沿着垂直和/或对角线方向在金属转移管道中举起金属和克服阻力所需要的压力，熔融金属浴液可能很容易在裕罐之间传送。这个特征将就反应器更详细地讨论。

[0083] 在硫化氢、一氧化碳和/或水的转变中，(依照本文关于第三和第四浴罐的举例说明)浴液优选维持在至少高于金属或合金的熔点(例如，1000℉)而且通常不高于大约3000℉的温度(例如，在大约2000℉和3000℉之间)。一般地说，用于从碳转换成甲烷的浴液不高于800-1000℉。同样，在第一浴罐中从给料转换成一氧化碳和碳通常也不高于
1000℉。

[0084] 在此描述的程序时常使用包含特定数量的杂质(例如，重金属和汞)的给料。许多重金属在第一罐中被以熔渣层的形式从该程序中除去。然而，汞时常是以气流形式从第一罐中除去的。在一个实施方案中，本发明进一步包括在它进入第三浴罐之前或甚至在它退出第三浴罐之后在浴罐气流中之时提取Hg的步骤。

[0085] 同样，烃类给料通常包含硫。把烃类给料添加到熔融金属浴中通常将硫转换成硫化氢(例如，在第一浴罐中)。把氧添加到熔融金属浴液中(例如，在第三浴罐中)维持富含金属氧化物的浴液能导致硫化氢转换成SO3，后者随后以第三浴罐的尾气流的形式被除去。本发明注视通过用水淬熄生产H2SO4(一种非常有用的畅销产品)从这个尾气流中提取SO3的附加步骤。

[0086] 高压二氧化碳也用第三浴罐生产。该方法注重从垂直的第二组浴中较低的浴的尾气流分离出CO2的非必选步骤。二氧化碳能用于进一步的应用而且能作为超临界流体获得。超临界的或其它高压的CO2气流能用于增强型采油的CO2管道直接注入。能被隔离成盐碱含水层。

[0087] 根据权利要求1的方法包括用水氧化溶解在上面的第一熔融金属浴液中的碳生产CO+H2的步骤。

[0088] 在此描述的程序使用若干种化学。举例来说，该程序注重重复利用从垂直的第二组浴中上面的浴回到上面的第一浴的尾气流重新获得的H2作为还原气体用于通过用蒸汽氧化活性浴液金属(例如Fe)产生金属氧化物和氢气的甲烷和类似烃类的生产。

[0089] 如上所述，该程序注重产生熔渣层。熔渣层帮助除去杂质和控制尘埃和灰烬。所以，本发明的程序可能包括通过添加由Ca、Fe、K、Mg、Na、Si、Sn、Ti等等的典型氧化物组成的助熔剂形成熔渣层的步骤。

[0090] 维持两个、三个、四个或更多个浴罐之间的压力平衡能优化该系统的效率和在此描述的程序。举例来说，在本文描述的四罐系统中，这样维持相对压力，以致第一浴罐的压力致使它通常或总是高于第三浴罐，后者通常依次维持在比第四浴罐高的压力，而第四浴罐依次通常维持在高于第二浴罐的压力。这种配置允许优化气态物质在在所有的浴之间的转移，而不需要气体压缩。在各个罐保持成对垂直安排的情况下，这种安排也允许在成对的罐之间有良好的熔融金属转移。

[0091] 在一个实施方案中，以熔融金属催化剂取代固态载体催化剂用H2将原子碳还原成烃类将增加总的催化剂表面积同时减少用来提供可比的固体催化剂的结构需求和减少固体催化剂利用得到可比的烃类产量所需要的过高的温度熔化的潜能。

[0092] 人们将了解，就上述程序而论，并非所有的步骤在所有的应用中都是必备的和/或一个步骤能用等同的程序步骤代替。因此，本发明包括处理，该处理以上述的一个、两个、三个、四个或所有的指定步骤为特色。在一些实施方案中，引进烃类给料的浴罐也能被修正。因此，虽然明确描述的程序通常提及把给料添加到第一浴罐中，但是将给料添加到任何其它的浴罐中是可能的。

[0093] 人们可能使用两个双浴反应器或四个一套的配置直接生产合成天然气(SNG)或纯甲烷。在本发明的一个版本中，高浓度的含碳碎屑(例如，有，举例来说，按重量计至少15％的碳的给料)被转移到邻接的熔融反应器。这样的程序步骤可能包括(a)通过，举例来说，在150-200巴的工作压力下的底部注入把烃类饲养引进第一熔融金属浴(例如，“初级Sn浴”)，从而引起烃类原料分解成氢和含碳碎屑，后者溶解或悬浮在熔融金属浴中，借此增加总的净碳浓度。作为替代或补充，浴液金属可能包括金属或金属的合金，例如，Fe，Ni或相关的“活性”浴液金属。

[0094] 在优选的操作模式中，控制熔融金属中的碳浓度，使它不超过它的可溶性限度。由此产生的富氢(H2)气流也可能包含CO。CO的产量通常与包含在烃类原料中的氧的摩尔量成正比。然后，这个气流和N、S、Hg的副产品以及其它气体污染物和曳出尘埃(如果有)被转移到第二反应器(例如，“初级Fe浴”)。

[0095] 这后一个浴优选有能充当氧源把源于第一浴(例如，“初级Sn浴”)的气流首先转化成CO2、SO3、N2和H2同时提供上面的有部份氧化的金属实质上没有碳和其它杂质的“次级Fe浴”的高度氧化的金属(例如，FeO)。尾气与第一熔融金属区(例如，初级Sn浴)的分离是通过在连续的冷凝器中把Hg和SO3除去和借助变压吸附(PSA)从CO2中除去H2实现的。

[0096] S+3FeO＝SO3+3Fe

[0097] 第一熔融金属浴液或初级Sn浴液的一部分能通过基于垂直对准的反应器浴之间的压差的操作逆向地转移到邻接的上面包含金属的浴(“次级Sn浴”)中。转移所需的压力差是浴液金属的比重和与举起高度(柱的英寸数)的关系的函数。改变下面的和上面的金属浴之间的压力差能控制转移率。金属转移也能通过使用，举例来说，出口气体控制阀和给料注入速率释放或建立压力来控制。上面的或“次级Sn浴”被注入蒸汽以便与溶解的碳反应，产生摩尔比为1∶1的CO+H2(合成气)，或被注入氢气以形成甲烷，下面将更详细地描述。

[0098] C+H2O＝CO+H2

[0099] 在一个实施方案中，金属可能从上面的浴液转移到下面的浴液，一种需要改变压力差的操作。调整反应器之间的浴液压力也能有利于气体从一个反应器转移到另一个，例如，通过选择压降。维持第一浴罐的相对压力(P1)高于下面的第三浴罐的相对压力(P3)，而后者高于上面的或第二浴罐(P2)的相对压力是特别有用的。如果上面的或第二浴总是维持在比另外三个浴低的压力，那么气态材料可能总是转移到上面的浴，以便在减少浴液压力，不需要间歇性的气体压缩。

[0100] 生产高纯、高压(超临界)的CO2气流是特别地有利的。与气体压缩的资本费用和能源费用相关联的主要费用可能将整个程序的开支增加达百分之二十。CO2气流在超临界条件下退出反应器这一事实能用来大大促进增强型采油的CO2管道直接注入或退隐到盐碱含水层，并从中获得很大的利益，因为这将消除压缩费用。

[0101] 这个程序的另一个优选操作模式通过利用压力差把在“下面的初级Fe浴”中的没有杂质的高度氧化的液态金属(Fe/FeO)转移到上面的将压力维持在大约200巴的“次级Fe浴”中生产纯甲烷(CH4)气流。作为替代，金属浴液可能包含Pb、Sn或其它的金属和合金。下面的高度氧化的“初级Fe浴”的金属浴液的状态能通过靠重力以连续的方式转移来自邻接的上面的浴的包含溶解的FeO的熔融金属来维持。由于上面的“次级Fe浴”在注入蒸汽进一步氧化金属的时候基本上没有所有的碳和其它的有害杂质(例如N，S，Hg)，所以产生纯H2气流。这个纯H2气流能被不断地移出，或在这个

[0102] Fe+H2O＝FeO+H2

[0103] 的应用中它能被注入上面的碳饱和的液态属浴(“次级Sn浴”)，该液态属浴维持在低于大约800℉的温度下，以优化纯CH4的生产。

[0104] C+2H2＝CH4

[0105] 值得注意的是用于甲烷生产的原子碳直接还原的化学计量需要2H2。这是超越利用合成气(CO∶H2)越过Ni催化剂的传统方法的截然不同的利益，因为这个程序必须与水转移反应(CO+H2O＝H2+CO2)串联地操作，而且甲烷化步骤需要净消耗形成水分子的3H2。

[0106] 使用熔融金属催化剂生产甲烷和相关的烃有其它好处。如同技术上已知的那样，能完成这个类型的原子碳还原的大多数程序都利用吸附在固体催化剂载体上的金属催化剂。这样的方法相对于熔融金属的催化剂有表面积大大减少的缺点。这些类型的催化表面时常需要相对较高的温度来影响预期的产量减少而且由于陪随的高放热可能遭受催化剂熔融产生的“热点”。

[0107] 本发明的方法瞄准以相对较低的成本大量生产高质量的甲烷、合成气和氢的高压气流。与这样的高附加值气流的可得的生产方法相关联的高成本证明需要更经济的和对环境更友好的方法。依照本本发明，大量的高纯、高压气流能被经济地产生。

[0108] 本发明通常涉及通过在熔融金属浴中以化学方法氧化或还原烃类给料的含碳成份生产和重新获得气态产品在一系列联在一起的金属浴中进一步转移和补救的方法。烃类组合物可能起源于煤的来源(例如，伊利诺州的6号煤)、石油焦、6号燃料油之类的油、有足够的BTU值经济的生物质和生物质掺混物或废烃来源。

[0109] 熔融金属浴可能优选由铁(Fe)或锡(Sn)或这两种金属的合金组成。特定的金属合金可能起源于两种以上金属的混合物或通过把一种或多种这样的金属氧化物(例如Fe2O3或SnO2)引进熔融金属浴在原地借助溶解的碳或CO或相似成份的作用在该浴液内将金属氧化物还原成它对应的金属。液态金属浴液也可能包含起源于可能包括锑(Sb)、钴(Co)、锗(Ge)、铟(在)、钼(Mo)、钨(W)、铅(Pb)和锌(Zn)的一系列活泼金属的一种或多种金属。如同技术上众所周知的那样，这些所谓的“活泼金属”和它们各自的金属氧化物在浴液的温度和氧分压下有氧化自由能，该自由能大于碳转换为一氧化碳的自由能。反之，金属浴液也可能包括至少一种选自相对“不活泼的金属”的目录的金属，该目录可能包括铋(Bi)、镉(Cd)、铜(Cu)、金(Au)、铱(Ir)、汞(Hg)、镍(Ni)、锇(Os)、铂(Pt)、铼(Re)、铑(Rh)、钌(Ru)、硒(Se)和碲(Te)。潜在浴液金属的后一个目录在用这个系列的金属的浴液温度对氧分压(P02)的自由能的曲线表达的“CO线”(2C+O2＝2CO)的上方。这样的相对“不活泼的金属”在我们的方法的条件下应该有相对较高的与金属和金属氧化物平衡的氧分压(P02)。这样的金属能用来限制活泼金属在实际上参与金属氧化步骤的金属浴内的有效浓度。

[0110] 图3举例说明的金属浴系列是适合实践本发明的方法的综合反应器的一个实施方案。虽然我们不想受限于任何一种熔融金属浴反应器设计，但是有一些对图3描绘的多个液体金属浴反应器来说独特的设计元素。高温液态金属浴密封罐被设计成在超过200巴的高压下操作。更明确地描述这个反应器的临时专利申请第61/025,684号已经完成申请。熔融金属浴本身被维持在高于该金属浴的压力的高压密封罐包围着。这个系统就这样的气化系统而言对现有技术来说是新颖的，因为结构完整的金属浴密封罐在暴露于浴内金属的高操作温度下的时候不直接地在200巴的压力下变量于高操作温度下，这是有利的。外部的气体区域也足够作为温度缓冲区，因为外部的钢制承压罐不经受液态金属浴内的高温。
这是这项发明在设计和操作安全方面的明显优势，因为如同在Kindig等人的教导(美国专利公开第20020124466号)中详细说明的那样，煤的气化优选在不超过5psi的环境压力或接近环境压力下操作。当该单元在升高的压力下操作的时候，形成可观数量的会污染氢气流的含甲烷产品。高压在反应器内的驻留时间方面也提供优势以保证蒸汽在反应器内有适当的驻留时间。但是更重要的是，尾气产品流以仅仅比时常接近200巴的金属浴工作压力略低的压力退出反应器。这在需要气体产品(例如，合成气)处于高压的应用中在与压缩尾气相关联的资本成本方面提供明显的经济利益。

[0111] 这项发明的另一个新颖的方面是液态金属转移系统。虽然传统观念认为金属在液态金属浴液内运动有损于程序的性价比，但是我们的发明是根据垂直对准的反应器浴之间的压差工作的。因为我们已经在反应器内的高压下，所以把碳饱和的金属从较低的泵送到较高的位置的成本不直接增添到操作成本上。因此，在高压下精确控制金属转移率是超越现有技术的主要优势。金属转移率能通过使用出口气体控制阀和给料注入速率释放或建立压力来控制。金属从下面的浴移动到上面的浴需要一个压差，该压差要大于在金属转移管道中举起金属和克服阻力所需要的压力。大体上，克服金属转移管道阻力的重力实现熔融金属的返回，从上面的浴液到下面的浴液的熔融金属碳被大大耗损。该金属转移系统能在有或没有转移管道控制阀的情况下使用，取决于所用的给料和金属催化剂。

[0112] 在操作期间适当地控制液态金属的流率和气体流量是这种多浴反应器设计的另一个独特特征。因此，灼热金属和气体在反应器里面的流动本身被设计用沉浸式浴液静态剥离器禁止。在流动方面使用这样的中间中断是独特的，因为液态金属被剥离器改变方向，从而影响在浴液中增加的驻留时间之前被转移中很，同时经过剥离器的气流提供缩小的气泡大小。在高压下操作与缩小的气泡大小组合的浴液与有大气泡冲破表面引起飞溅的动荡表面的现有技术相比提供成膜的液态金属浴液表面。静止的表面也使产品气体以及金属和熔渣飞溅湿对罐壁的污染最小。

[0113] 把给料引进反应器的方法也有基本的重要性。虽然我们不想受限于任何一种类型的馈送系统，但是在这项发明的优选模式中，材料应该被直接送进熔融金属浴液。这保证以可测量的方式控制分解速率并因此控制压力的上升。以粒度非常统一的颗粒方式提供的引进固体原料的优选方式可能是借助螺旋挤出作为固体或以泥浆形式引进的。气体和液体可能是以技术上已知的得到确认的方式引进的。

[0114] 这个多个液态金属浴反应器系统能有效地用于使用两个以上多浴反应器的模式。优选的实施方案是使用两个双浴反应器或四元配置直接生产合成天然气(SNG)或纯甲烷。
参照图3，固体烃类给料(包括但不限于煤或石油焦)以产生150-200巴受控压力的速率经由入口1馈送到反应器中下面的Sn浴2之中。在烃类给料的热分解之时，存在于给料中的水分把溶解的碳氧化成气体CO和H2。碳的过度氧化导致形成CO2。浴液条件可以这样选择，以致溶解的碳达到饱和的浴液将导致还原成CO的吸热还原反应。

[0115] CO2+C＝2CO

[0116] 来自下面的浴2的CO和其它尾气通常将包含污染物，包括H2S、N2和Hg。这个气流经由气体转移出口6和入口12被馈送到较低的铁(Fe/FeO)浴13。下面的铁浴13富含FeO并且将来自浴2的组合气流在冷凝出汞之后转换成以CO2、SO3和H2为主的气流，同时提供没有碳的部份氧化的铁金属，然后，后者能经由转移管线15转移到上面的铁浴18。

[0117] 源自给料的水在它转变成CO之时通过放热反应被氧化成CO2并且把热量提供给下面的Fe浴。因此，存在于给料中的水与现有技术程序相比较未必是有害的问题。因此，在一个实施方案中，给料可能非必选地包含水，例如，在按重量计达大约70％的数量，优选按重量计达50％，更优选按重量计达大约20％。在一些实施方案中，水或蒸汽能与给料一起或分开地注入浴液2，完全是为了这个目的。举例来说，蒸汽可能以按碳的重量计至少60％，优选按重量计介于大约10％和40％之间的数量添加到给料中。为了在给料中实现按碳的重量计的达大约70％的总含水量，外加水的数量与最初存在于给料中的水的数量有关。在其它的实施方案中，水可以被注射到浴中，以便就地产生蒸汽。

[0118] 下面的浴2可以非必选地充当烃类给料的洗涤器，借此提供碳饱和的金属Sn或包含大量碳的金属Sn组合物。优选的是，金属Sn组合物实质上没有杂质。金属Sn组合物能借助差压或机械经由转移管线5转移到上面的Sn浴8。上面的铁浴18优选实质上没有溶解的碳。蒸汽经由入口17被注入浴18以便进一步氧化金属Fe，产生FeO和纯H2。

[0119] 这个非常纯的高压H2气流从点21退出并且能被全部或部份地回收和/或通过阀门11注入上面的碳饱和的液态金属Sn浴8。非常纯的高压CH4可以借助通过溶解在上面的液态金属Sn浴8中的碳的还原反应来生产。在上面的Fe浴18中的Fe/FeO金属流能经由转移管线19被转移到下面的Fe浴13，以便被来自下面的Sn浴2的尾气流还原。在该系统中处处(例如，顶部空间4、10、14和20)保持高压(例如，在大约150-200巴之间)以便优化产品气流的纯度和压力。使用这样的一系列联在一起的金属浴代表明显地背离了已知的方法并且不仅提供不需要传统的固体废弃物的气体洗涤和处理的系统而且还允许这些夹带的杂质转变成易销售的高压尾气流(CO2，SO3和H2)。

[0120] 熔渣在需要时将通过熔渣退出点3从下面的Sn浴2中除去。烃类原料(例如，灰烬含量高的原料)可能经过下面的初级熔融金属浴2先把一部分灰尘从熔渣层的烃类原料中分离出来。当一部分灰尘在熔渣层中被带走的时候，顶部空间4中的灰尘浓度以及借此经由排放口6用气流移出的灰尘浓度将降低。熔渣优选至少除去一部分从烃类给料产生的灰尘，这在烃类给料拥有高灰尘含量的情况下是特别真实的。

[0121] 在本发明的程序的优选实施方案中，来自烃类原料的硫也能利用该程序除去和/或回收。产生的SO3能通过冷凝从气流16中除去。用水淬熄产生纯度高达90％以上的硫酸(H2SO4)，一种经济价值可观的副产品。

[0122] 熔融金属反应器可以包括两组联合反应器(如图3所示)或者可以包括一个联合反应器，例如，图3所示的垂直排列的两个这样的熔融金属浴(浴2和浴8)。在这个实施方案中，来自下面的金属浴的尾气可以以传统的方式洗涤以便把杂质从所产生的合成气中除去。这个实施方案保持维持高压和可逆的金属循环的明显优势，借此保证上面的浴实质上没有作为尾气和与熔渣一起退出的灰尘退出下面的浴的给料杂质(例如S和Hg)。举例来说，按这个模式的操作在利用Fe、Sn或相似的金属合金的水分诱导氧化生产高纯度、高压氢气流时呈现明显的优势。在本发明的这个只有两个垂直并置的金属浴的实施方案中，来自烃类原料的硫也被允许在下面的熔融金属浴中逐渐形成，通过反应形成硫化氢并且借助传统方法(例如，碱洗，等等)在高压下从尾气中除去。

[0123] 金属浴液最初的液体状态能借助等离子体火炬、电弧或最优选借助感应线圈加热来实现。铁浴的预期温度(高达3000℉)能借助通过线圈或环流动的感应电流或通过注入的氧Fe的放热氧化反应来维持。下面的Fe浴13的温度能通过CO氧化成CO2的反应逐渐增加。

[0124] 适合通过注入点21把预定数量的蒸汽注入浴18的方法包括简单的蒸汽枪。蒸汽注入是一种能用来有效地控制该程序由于水与铁反应造成的温度变化的方法。因为铁浴和锡浴必须在实质上不同的温度下工作，所以让以接近2000℉的温度离开气体阀门21的H2气流在通过入口阀11把这个H2还原剂气流引进上面的Sn浴8之前先经过热交换器是必需的，在这种情况下温度不应该超过900℉。然而，来自这个温度下降的潜热能被有利地用于生产用于伴生的水还原步骤的蒸汽。此外，来自基本上在放热条件下工作的Fe浴的热量的转移能改善Sn浴的热平衡，在那里碳被水氧化的吸热反应倾向于耗尽浴液温度。

[0125] 例证

[0126] 例证I

[0127] 高纯高压甲烷(CH4)是利用包含79.0％碳、3.6％氢、6.7％硫和9.0％水的石油焦给料生产的。磨细的石油焦是以1磅/秒的速率通过注入点1从底部注入95O℉的熔融Sn浴2的。烃类给料的热分解导致在下浴气体区域4中150巴的恒定压力。熔融的Sn/C通过将上面的气体空间10维持在135巴的降低的压力下从下面的Sn浴2经由转移管线9转移到上面的Sn浴8中。必要时除去熔渣是通过熔渣转移系统3维持的。额外的0.39磅/秒的水是通过注入点1注入浴2的，用于在为对在下面的Sn浴2中C变成CO的氧化反应。

[0128] 组合尾气(CO、H2、H2S、Hg和N2)源源不断地通过气体转移控制阀6和注入点12转移到285O℉的熔融Fe/FeO底浴13中。CO通过在下面的浴13中氧化铁(FeO，Fe2O3，等等)的作用被全部或部份地氧化成CO2并且借此提供热量，以便全部或部份地维持浴液温度。来自下面的Fe/FeO浴13的尾气通过气体阀门16以149巴的压力退出，用于进一步的处理。

[0129] 熔融的Fe/FeO借助压差从下面的Fe/FeO浴13转移到上面的Fe/FeO浴18。上面的气体空间20被维持在141巴。蒸汽(0.60磅/秒)被注入上面的维持在285O℉的Fe/FeO浴18。纯H2的高压(141巴)气流被生产出来，并且通过气体阀门21退出(0.07磅/秒)。H2气以1900℉的入口温度进入热交换器，与经过处理的气流分开的H2气以0.09磅/秒的速率通过气体阀门16离开。在热还原到75O℉之后，H2以0.09磅/秒的速率通过注入点7转移到碳饱和的熔融Sn浴8中。溶解的C被H2气还原，产生CH4气体进入气体区域10。区域10中的气体有75O℉的温度并且通过气体阀门11退出反应器。

[0130] 高纯高压CH4气流是以0.62磅/秒的速率连续生产的。易卖的产品是利用剩余的尾气生产的，0.17磅/秒的SO3和1.18磅/秒的CO2。

[0131] 浴8中的Sn被再循环回到Sn浴2。同样，浴18中的Fe浴液被再循环到Fe浴13。该方法优选以连续的方式运行。

[0132] 例证II

[0133] 高纯高压甲烷(CH4)是利用混合被包含55.5％碳，4.7％氢、2.2％硫、9.7％水和3.4％灰烬的70％生物质/30％石油焦混合给料生产的。磨细的烃类给料以13磅/秒的速率通过注入点1从底部注入95O℉的熔融Sn浴2。烃类给料受制于热分解。在下浴气体区域4中维持150巴的恒定压力。熔融的Sn/C从下面的Sn浴2转移到上面的Sn浴8，后者在上面的气体空间10中维持135巴的低压。必要时的熔渣清除是通过熔渣转移系统3维持的。额外的0.02磅/秒的水源源不断地通过注入点12注入浴2，用于在下面的Sn浴2中将C氧化成CO。组合尾气(CO、H2、H2S、N2)源源不断地通过气体转移控制阀6和注入点
12转移到285O℉的的熔融Fe/FeO底浴13中。来自两个来源的CO、给料和额外的水都在下面的浴13中借助氧化铁(FeO、Fe2O3，等等)的作用被氧化成CO2以便提供热量维持浴液温度。来自下面的Fe/FeO浴13的尾气在149巴的压力下通过气体阀门16退出，用于进一步的处理。熔融的Fe/FeO借助压差从下面的Fe/FeO浴13转移到在141巴的上面的Fe/FeO浴18。同时地，蒸汽(5.3磅/秒)被注入上面的维持在285O℉的Fe/FeO浴18，产生纯H2气的高压气流，该气流通过气体阀门21退出(0.6磅/秒)并且在1900℉的温度下进入热交换器，其中H2气(0.8磅/秒)与经过处理的气流分开，通过气体阀门16离开。在热还原到75O℉之后，H2通过注入点7转移到碳饱和的熔融Sn浴8中。溶解的C(4.0磅/秒)被H2气还原，从而产生CH4气体，该气体发展成维持在75O℉的温度下的气体区域10并且通过气体阀门11退出反应器。

[0134] 高纯高压CH4气流以5.3磅/秒的速率被源源不断地生产出来。易卖的产品是利用剩余的尾气生产的；0.7磅/秒的SO3和11.7磅/秒的CO2。

[0135] 例证III

[0136] 高纯高压甲烷(CH4)是利用包含60.5％碳、4.1％氢、2.6％硫、13.6％水和9.9％灰的伊利诺州6号煤给料生产的。磨细的煤通过注入点1以14.2磅/秒的速率从底部注入95O℉的熔融Sn浴2。烃类给料的热分解在下浴气体区域4中造成150巴的恒定压力。熔融的Sn/C从下面的Sn浴2转移到上面的Sn浴8，后者在上面的气体空间10中维持135巴的较低压力。必要时除去熔渣是通过熔渣转移系统3维持的。额外的2.1磅/秒的水通过注入点1注入较低的Sn浴2，用于在较低的Sn浴2中C变成CO的氧化反应。组合尾气(CO、H2、H2S、N2)源源不断地通过气体转移控制阀6和注入点12转移到285O℉的熔融Fe/FeO底浴13。来自两个来源(给料和外加的水)的CO借助氧化铁(FeO，Fe2O3，等等)的作用在较低的浴13中被氧化成CO2提供热量维持浴液温度。来自下面的Fe/FeO浴13的尾气以149巴通过气体阀门16离开，以便进一步处理。熔融的Fe/FeO借助压差从较低的Fe/FeO浴13转移到上面的141巴的Fe/FeO浴18。同时，蒸汽(5.9磅/秒)被注入维持在285O℉的上面的Fe/FeO浴18，产生纯H2气体的高压气流，该气流通过气体阀门21(0.7磅/秒)退出，进入在1900℉的温度下的热交换器把H2气(1.0磅/秒)与经过处理通过气体阀门16离开的气流分开。在热还原到75O℉之后，H2通过注入点7转移到碳饱和的熔融Sn浴8。溶解的C被H2气还原，产生逐渐发展成气体区域10的气体CH4，该甲烷气体维持在75O℉的温度下并经过气体阀门11退出反应器。

[0137] 高纯高压CH4气流源源不断地以6.7磅/秒的速率生产出来。用剩余尾气(0.9磅/秒的SO3)生产的易卖产品作为H2SO4被回收，13.0磅/秒的CO2作为高纯高压气流被转移。

[0138] 例证IV

[0139] 高纯高压甲烷(CH4)是利用包含85.0％碳、9.7％氢、2.1％硫和0.7％水的6号燃料油给料生产的。该给料以8磅/秒的速率通过注入点1从底部注入95O℉的熔融Sn浴2。烃类给料的热分解在下浴气体区域4中造成150巴的恒定压力。熔融的Sn/C从较低的Sn浴2转移到上面的Sn浴8中，后者在上面的气体空间10中维持135巴的较低压力。必要时清除熔渣是通过熔渣转移系统3维持的。额外的3.2磅/秒的水通过注入点1注入较低的Sn浴2，用于在较低的Sn浴2中把C氧化成CO。组合尾气(CO、H2、H2S、N2)源源不断地通过气体转移控制阀6和注入点12转移到285O℉的熔融Fe/FeO底浴13中。来自两个来源(给料和外加的水)的CO借助氧化铁(FeO、Fe2O3，等等)的作用在较低的浴13中被氧化成CO2提供热量维持浴液温度。来自下面的Fe/FeO浴13的尾气以149巴通过气体阀门16退出，用于进一步的处理。熔融的Fe/FeO借助压差从较低的Fe/FeO浴13转移到上面的141巴的Fe/FeO浴18中。同时，将蒸汽(3.6磅/秒)注入维持在285O℉产生纯H2气的高压气流的上面的Fe/FeO浴18，该气流通过气体阀门21(0.4磅/秒)退出，而后进入热交换器在1900℉的温度下把H2气(1.1磅/秒)与经过处理通过气体阀门16离开的气流分开。在热还原到75O℉之后，H2通过注入点7转移到碳饱和的熔融Sn浴8。溶解的C被气体H2还原，生成逐渐发展成气体区域10的气体CH4，该甲烷维持在75O℉的温度下并且通过气体阀门退出反应器11。

[0140] 高纯高压CH4气流被源源不断地以6.1磅/秒的速率生产出来。易卖的产品是利用剩余尾气生产的；0.4磅/秒SO3和8.1磅/秒的CO2。

[0141] 例证V

[0142] 高纯高压合成气(CO/H2)是利用包含73.2％碳、4.5％氢、5.2％氧、2.4％硫、6.1％水和7.0％灰烬的匹兹堡8号煤给料生产的。磨细的给料通过注入点1以15磅/秒的速率从底部注入95O℉的熔融Sn浴2。烃类给料的热分解在下浴气体区域4中造成150巴的恒定压力。包含溶解的碳的熔融Sn/C从下面的Sn浴2转移到上面的Sn浴8，后者在上面的气体空间10中维持135巴的较低压力。必要时清除熔渣是通过熔渣转移系统3维持的。额外的5.3磅/秒的水和8.3磅/秒的氧气通过注入点7注入浴8，用来把C(9.8磅/秒)氧化成CO。组合尾气(CO、H2、H2S、N2)不断地通过气体转移控制阀6和注入点12转移到285O℉的熔融Fe/FeO底浴13。来自较低的浴的CO(2.8磅/秒)在较低的浴13中借助氧化铁(FeO、Fe2O3，等等)的作用被氧化成CO2，提供热量维持浴液温度。来自下面的Fe/FeO浴13的尾气以150巴通过气体阀门16离开用于进一步的处理。熔融的Fe/FeO借助压差从较低的Fe/FeO浴13转移到上面的141巴的Fe/FeO浴18。同时，蒸汽(2.4磅/秒)被注入上面的Fe/FeO浴18，后者维持在285O℉产生通过气体阀门21退出的纯H2气的高压气流(0.3磅/秒)。

[0143] 高纯高压合成气气流以22.8磅/秒CO和0.6磅/秒H2气的速率源源不断地生产出来并且通过气体转移阀门11退出，在那里它与来自气体转移阀门21的1.2磅/秒的H2气和来自气体转移阀门16的纯H2气流产品组合。利用剩余尾气(0.9磅/秒的SO3)生产的易卖品是作为H2SO4回收的，而4.4磅/秒的CO2是作为高纯高压气流转移的。

[0144] 例证VI

[0145] 高纯高压氢气(H2)是利用包含79.0％碳、3.6％氢、6.7％硫和9.0％水和0.4％灰烬的石油焦给料生产的。磨细的给料(15磅/秒)和10.5磅/秒的氧通过注入点1从底部注入285O℉的熔融Fe浴2。烃类给料的热分解在下浴气体区域4中造成149巴的恒定压力。熔融的Fe/FeO从较低的Fe浴2转移到上面的Fe浴8，后者在上面的气体空间10中维持141巴的较低压力。必要时清除熔渣通过熔渣转移系统3来维持。外加的24.0磅/秒的蒸汽通过注入点7注入浴8，用于Fe到FeO+H2的氧化。

[0146] 高纯高压H2气流以2.7磅/秒的速率源源不断地生产出来并且通过气体转移阀门11退出，在那里它与从气体转移阀门16产生的0.7磅/秒的纯H2气流组合。利用来自气体转移阀门16的剩余尾气在处理之后生产的易卖产品是作为H2SO4回收的0.9磅/秒的SO3和作为高纯高压气流的43.4磅/秒的CO2。

[0147] 虽然这项发明已经参照其优选的实施方案被具体地展示和描述，但是熟悉这项技术的人将理解在形式和细节方面各种不同的变化可以在不脱离权利要求书所囊括的本发明的范围的情况下完成。

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