用于将含碳原料转化为特定成分气体的系统技术方案

本发明专利技术提供带有集成控制子系统的含碳原料气化系统。所述系统大致以各种组合包括：具有一个或更多处理区域和一个或更多等离子体热源的气化反应器（或转换器）、固体残余物处理子系统、气体质量调节子系统、以及用于控制含碳原料到能量的转化的总体能量流动和转换并将气化过程的所有方面维持在最适设定点的集成控制子系统。所述气化系统还可以可选地包括热量回收子系统和／或气体产物调节子系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
[01]  本专利技术涉及含碳原料的气化，且尤其涉及用于将含碳原料转化为具有特定成分的气体的方法和装置。专利技术背景[02]  气化是使得能够以称为含碳原料的碳基原料来制造易燃或合成气体(例如H2、CO、CO2、CH4)的过程。所述气体能够用于发电或作为基本原材料来制造化学制品或液体燃料。该处理使得能够生产气体--所述气体能够用于发电或作为化学制品生产商的初级构成材料或运输燃料。[03]  特别地，所述气体能够用于：在锅炉中燃烧用于生成用于内处理的蒸汽和/或其它外部目的；用于通过蒸汽轮机发电；直接在燃气涡轮或燃气发动机中燃烧用于发电；燃料电池；制造甲醇和其它液体燃料；作为进一步的原料用于制造诸如塑料或肥料的化学制品；提取氢气和一氧化碳作为独立的工业燃料气体；以及需要的其它工业热需求。[04]  因为用于气化处理的有用原料能够是任何含碳材料，原料的类型能够具有很宽的范围。有用的原料能够包括，但不限于，任何废弃材料、煤、石油焦、重油、生物物质和农业废弃物。[05]  通常，气化处理包括：将含碳材料填料至加热室(气化装置)，以及控制和限制氧和蒸汽的量。在由气化装置内的状态产生的高工作温度下，化学键由于热能和部分氧化而断裂，并且无机矿物质熔化或变成玻璃状而形成称为熔渣(slag)的熔化玻璃状物质。[06]  气化(含碳原料至废气(off-gas)然后至合成气体的完全转化)能够在高温或低温下进行，并且在一个步骤中进行，或者阶段在一定条件(温度、反应添加剂)下分离到一定的程度，其方式为某些反应受益于其它-->反应。其能够在单个室内、单个室内的多个区域或多个室内进行。由于原料通过气化反应器，取决于反应器设计方案和原料的组分，能够接续地或同时地发生物理的、化学的和热的处理。随着在原料被加热及其温度升高，发生干燥，水是首先散发的部分。[07]  随着干的原料的温度上升，发生高温分解。在高温分解期间，原料被热解而释放焦油、苯酚和轻的挥发性碳氢气体，同时原料转化为炭。取决于原料的本源，所述挥发性物质可包括H2O、H2、N2、O2、CO2、CH4、H2S、NH3、C2H6以及非常低水平的非饱和碳氢化合物，诸如乙炔、烯烃、芳香物族化合物和焦油。一旦含碳材料转化为气态，诸如硫化合物和灰(ash)的不需要物质可以从气体去除。[08]  炭包括残余固体，所述残余固体包括有机和无机材料。在热解后，炭比干燥的原料具有更高的炭浓度，并且可以用作活性碳的来源。[09]  气化产物是炭中的碳和容器中的蒸汽、CO2和H2之间化学反应及得到的气体之间的化学反应的结果。气化反应由热(热解)驱动。这能够通过添加电或化石燃料(例如丙烷)以加热反应室或添加空气作为反应物来驱动放热气化反应而得以驱动。一些气化处理还使用间接加热，避免气化反应器中馈给材料的燃烧，以及避免气体产物被氮气和过量的CO2稀释。[10]  完成气化的装置在许多方面变化，但是取决于四个主要工程因素：反应器中的环境(氧或空气或蒸汽含量水平)、反应器的设计、内外加热装置、以及用于所述处理的工作温度。所述产物包括碳氢气体(也称为合成气体)、碳氢液体(油)以及炭(碳黑和灰)。[11]  某些气化系统采用等离子体技术。等离子体是物质的第四种状态：例如由放电得到的离子化气体。等离子体炬将气体分子加热到一个高的温度，使得所述分子分解为其构成原子。从离开等离子体发生器的原子热蒸汽回收反应热量，并且原子蒸汽的温度下降到一些原子开始重组的温度。由于输入的气体在化学计量学上具有不足的氧，从而具有足够的氧形成大量的一氧化碳，而没有足够的氧形成大量的二氧化碳。[12]  以等离子体炬能够得到的极高的温度(3000℃至7000℃)使得能-->够实现气化处理，其中所述气化处理实际上能够适应任何输入原料，包括接收环境(as-received condition)中的废弃物，包括任何形式或组合的液体、气体和固体。原料的范围能够从诸如家庭器具、轮胎、床的弹簧的市政固体废弃物到诸如低水平发射性废弃物的废弃物材料。[13]  等离子炬(技术)能够设置为使得所有的反应同时进行，或者能够设置在反应容器内使得所述反应接续地进行。在任一结构中，由于在反应器中包含等离子体炬，热解反应的温度(技术)升高。[14]  完成气化的装置在许多方面变化，但是取决于四个主要工程因素：反应器中的环境(氧、空气或蒸汽含量水平)、反应器的设计、热源的设计、以及用于所述处理的工作温度。影响气体产物质量的因素包括：原料组分、备料和微粒尺寸；反应器加热率；驻留时间；设备构造，包括其是采用干式还是浆式填料系统，填料-反应物流动几何参数，干灰或熔渣矿物去除系统的设计；是使用直接还是间接热产生和传送系统；以及合成气体清洁系统。[15]  这些因素已经在各种不同系统中考虑，已经建议采用等离子体弧发生器来以具有能量效率的方式将废弃物转化为电。这些系统例如在下列文件中公开：美国专利6,686,556，6,631,113，6,380,507，6,215,678，5,666,891，5,798,497，5,756,957，以及美国专利申请2004/0251241、2002/0144981。[16]  还有多个专利涉及煤的气化用于在不同的应用领域生成合成气体，所述专利包括美国专利4,141,694；4,181,504；4,208,191；4,410,336；4,472,172；4,606,799；5,331,906；5,486,269和6,200,430。[17]  含碳原料气化作用过程中产生的气体通常非常热并且脏，并需要进一步处理以将其转化为可用产品。例如，湿式净化器和干式过滤系统经常用于从气化期间产生的气体中去除颗粒物质和酸性气体。已经开发出许多气化系统，其包括处理气化作用过程中产生的气体的系统。[18]  美国专利第6,810,821号描述了一种用于对使用等离子体炬的废弃物处理系统的气体副产品进行处理的装置和方法，其采用无氮工作气体。美国专利第5,785,923号描述了用于连续的填料材料熔化的装置，-->其包括废气接收室，所述废气接收室具有废气加热装置，诸如等离子体炬，用于破坏挥发性材料。[19]  此背景信息提供用于公开本专利技术的申请人确信与本专利技术可能相关的信息。无需许可，也不应解释为任何先前的信息构成抵触本专利技术的现有技术。专利技术概述[20]  本专利技术的一个目的是提供将含碳原料转化为特定组分气体的系统，其包括：包括一个或更多处理区域、一个或更多等离子体热源的气化作用反应器；用于以可调节的含碳原料供给速度将含碳原料添加到所述气化作用反应器的一个或更多含碳原料输入装置，用于以可调节处理添加剂供给速度将处理添加剂添加到所述气化作用反应器的一个或更多处理添加剂输入装置，及用于输出所述气体的一个或更多出口、固体残余物处理子系统；气体质量调节子系统；整合控制系统，其包括：用于测量一个过更多系统参数以产生数据的系统监控装置、用于收集并分析由所述系统监控装置产生的数据的计算装置，及发射适当信号以影响位于系统各处的的一个或更多系统调节器中变化的输出装置，其中所述控制系统监控一个或更多系统参数并发射信号到适当心痛调节器以影响一个或更多系统调节器中的变化并因此产生特定组分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将含碳原料转化为特定组分的气体的系统，其包括：　　　　气化反应容器，其包括：　　　　一个或更多处理区域，　　　　一个或更多等离子体热源，　　　　一个或更多的含碳原料输入装置，用于以可调节的含碳原料填料速度将所述含碳原料添加到所述气化反应容器，　　　　一个或更多处理添加剂输入装置，用于以可调节的处理添加剂填料速度将处理添加剂添加到所述气化反应容器，　　　　一个或更多富碳材料添加剂输入装置，用于以可调节的富碳材料添加剂填料速度将富碳材料添加剂添加到所述气化反应容器，以及　　　　一个或更多用于所述输出气体的出口；　　　　固体残余物处理子系统；　　　　气体质量调节子系统；以及　　　　集成控制系统，其包括：　　　　系统监控装置，用于测量一个或更多系统参数而产生数据，　　　　计算装置，用于收集及分析由所述系统监控装置产生的所述数据，以及　　　　输出装置，其发送适当信号以影响遍布所述系统定位的一个或更多系统调节器中的变化，　　　　其中，所述控制系统监控所述一个或更多系统参数并发送信号至所述适当系统调节器以影响所述一个或更多系统调节器中的变化，并由此产生特定组分的气体产物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-6-3 60/687,4751.一种用于将含碳原料转化为特定组分的气体的系统，其包括：气化反应容器，其包括：一个或更多处理区域，一个或更多等离子体热源，一个或更多的含碳原料输入装置，用于以可调节的含碳原料填料速度将所述含碳原料添加到所述气化反应容器，一个或更多处理添加剂输入装置，用于以可调节的处理添加剂填料速度将处理添加剂添加到所述气化反应容器，一个或更多富碳材料添加剂输入装置，用于以可调节的富碳材料添加剂填料速度将富碳材料添加剂添加到所述气化反应容器，以及一个或更多用于所述输出气体的出口；固体残余物处理子系统；气体质量调节子系统；以及集成控制系统，其包括：系统监控装置，用于测量一个或更多系统参数而产生数据，计算装置，用于收集及分析由所述系统监控装置产生的所述数据，以及输出装置，其发送适当信号以影响遍布所述系统定位的一个或更多系统调节器中的变化，其中，所述控制系统监控所述一个或更多系统参数并发送信号至所述适当系统调节器以影响所述一个或更多系统调节器中的变化，并由此产生特定组分的气体产物。2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括热量回收子系统，其中所述热量回收子系统包括一个或更多气体到空气式热交换器，以及将所述气体产物传递至所述一个或更多气体到空气式热交换器的传递装置，其中所述传递装置与所述一个或更多输出气体出口流体连通。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述热量回收子系统进一步包括一个或更多热量回收蒸汽发生器，以及将所述气体产物传递至所述所述一个或更多热量回收蒸汽发生器的装置。4.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述气体质量调节子系统包括下列装置中的一个或更多：颗粒物去除装置、酸性气体去除装置、重金属去除装置、和用于当所述气体穿过所述气体质量调节子系统时调节所述气体的湿度和温度的装置。5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，进一步包括气体产物调节子系统。6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德烈亚斯坦桑格里斯，肯尼斯C坎贝尔，D米歇尔费斯拜，李科，
申请(专利权)人：普拉斯科能源集团公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]