CN101522561A - 使用等离子体炬热的气体重整系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种用于将来自气化反应的输入气体重整为重整气体的方法和设备。更具体地，本发明提供气体重整系统，其具有气体重整室、一个或多个等离子体炬、一个或多个氧源输入和控制系统，从而允许来自气化反应的输入气体转化为预期组成的气体。

Description

使用等离子体炬热的气体重整系统

技术领域

本发明涉及含碳原料气化的领域。特别是涉及使用等离子体炬热的气体精炼系统。

背景技术

气化是能将诸如市政固体垃圾(MSW)或煤的含碳原料转化为可燃气体的方法。该气体可被用来产生电、蒸气或者作为产生化学品和液体燃料的基本原料。所述气体可能的应用包括：在锅炉中燃烧以产生蒸气用于内加工和/或其它外在目标，或者通过蒸气涡轮产生电；在燃气轮机或煤气发动机中直接燃烧以产生电；燃料电池；产生甲醇和其它液体燃料；作为进一步的原料用于产生例如塑料和肥料的化学品；提取氢和一氧化碳作为分离的工业燃料气；和其它的工业应用。

一般而言，气化过程包括将含碳原料连同受控的和/或限制量的氧气和任选的蒸气一起进料入加热的室(气化器)。与煅烧或燃烧——其操作过量的氧产生CO₂、H₂O、SO_x、和NO_x——相反，气化过程产生包括CO、H₂、H₂S和NH₃在内的原料气组合物。在净化之后，主要目标气化产物是H₂和CO。有用的原料可包括任何市政垃圾、工业活动产生的废物和生物医药废物、污水、污泥、煤、重油、石油焦炭、重精炼残渣(heavy refineryresidual)、炼油厂废物、烃污染土壤、生物质和农业废物、轮胎和其它有害废物。取决于原料的来源，挥发物可包括H₂O、H₂、N₂、O₂、CO₂、CO、CH₄、H₂S、NH₃、C₂H₆、不饱和烃如乙炔、烯烃、芳族化合物、焦油、烃类液体(油)和烧焦物(炭黑和灰分)。

当原料被加热时，水是离析出的第一种组分。当干燥原料的温度增加时，热解发生。在热解期间，原料被热分解以释放焦油、酚和易挥发烃类气体，同时原料被转化为烧焦物。

烧焦物(char，炭)包括由有机物质和无机物质组成的残留固体。在热解后，烧焦物比干燥原料具有更高的碳浓度，并且可作为活性炭的来源。在高温(>1,200℃)运行的气化器中或者在具有高温区的系统中，无机物质被融化或玻璃化以形成称为炉渣的熔融玻璃样物质。

因为炉渣处于融化、玻璃化状态，其通常被发现是无害的，并且其可被作为无害物质在垃圾填筑地上处理掉，或者作为矿石、路基或其它建筑材料卖掉。通过煅烧来处理废物物质是更不想要的，因为在加热过程中极端浪费燃料和处理灰分作为残留废物物质的进一步的浪费，这些材料可被转化为有用的合成气和固体材料。

实现气化过程的手段能够以多种方式变化，但是依赖于四个主要的工程因素：气化器中的大气(氧或空气或水蒸气含量的水平)；气化器的设计；内部和外部加热方法；和方法的操作温度。影响产物气体的质量的因素包括：原料组分、制备物和颗粒大小；气化器加热速率；居留时间；包括其使用干或浆进料系统、原料-反应物流动几何学、干灰分或炉渣物质除去系统的设计的工业构型；其使用直接或间接发热和转移方法；和合成气净化系统。通常在大约650℃至1200℃范围内的温度下、在真空中、大气压下或高达大约100个大气压下实行气化。

已有数个系统被提议用来捕获气化过程产生的热，并且使用这种热产生电，这通常被称为组合的循环系统。

在与方法和整个气化系统产生的大量可回收的显热相关联的产物气体中的能量，通常能够产生足以推动该方法的电，从而减少局部电消耗的费用。气化一吨含碳原料所需要的电能的量直接取决于原料的化学组成。

如果在气化过程中产生的气体包括宽范围的挥发物，例如倾向于用“低质量”含碳原料在低温气化器中产生的气体类型，其通常被称为废气。如果气化器中的原料和条件产生气体——其中CO和H₂是主要化学物种类，气体被称为合成气。在通过气体质量调节系统冷却和清洁之前，一些气化设备使用技术将原料废气或原料合成气转化为更精炼气体成分。

使用等离子体加热技术气化物质是已在商业化应用许多年的技术。等离子体是高温发光气体，其至少部分离子化并且是由气体原子、气体离子和电子组成的。以这种方式用任何气体制造等离子体。当气体可以是中性的(例如，氩气、氦气、氖气)、还原性的(例如，氢气、甲烷、氨、一氧化碳)或氧化性的(例如，空气、氧气、二氧化碳)时，这对等离子体中的化学反应给出良好的控制。在体相中，等离子体是电中性的。

一些气化系统使用等离子体加热以在高温下推动气化过程和/或精制废气/合成气，这是通过在具有或不具有加入其它进料或反应物的情况下，转化、重建或重整更长链的挥发物和焦油成为较小的分子而实现的，当气体分子与等离子体加热接触时，它们将离解为组成原子。这些原子中的许多将与进料分子反应形成新的分子，而其它的可以与它们自己结合。随着与等离子体加热接触的分子的温度的降低，所有原子完全组合。当输入气体可被化学计算地控制时，输出气体可被控制例如产生大量的一氧化碳和少量的二氧化碳。

用等离子体加热所能够得到的非常高的温度(3000到7000℃)使得能进行更高温度的气化过程，其中实际上可提供任何进料原料——包括在接受条件下的废物，其包括任何形式的液体、气体和固体或组合。等离子体技术可被置于初始气化室中以使所有反应同时发生(高温气化)，可被置于系统内以使它们接续发生(低温气化，伴随高温精炼)，或者它们的一些组合。

在含碳原料的气化期间产生的气体通常是非常热的，但是可含有少量的不想要的成分，并且需要进一步的处理以将其转化为可用的产品。在将含碳材料转化为气态后，可从气体中除去不需要的物质(如金属、硫的化合物和灰分)。例如，通常使用干燥过滤系统和湿洗器来从气化期间产生的气体中除去颗粒物质和酸性气体。已经开发了许多包括处理气化过程期间所产生气体之系统的气化系统。

这些因素已经在各种不同系统的设计中进行了考虑：所述设计例如在下述文件中公开：美国专利第6,686,556、6,630,113、6,380,507；6,215,678、5,666,891、5,798,497、5,756,957号和美国专利申请第2004/0251241、2002/0144981号。也存在许多专利，其涉及在多种应用中使用的，用于产生合成气体的碳的气化的不同的技术，其包括美国专利第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号。

美国专利第6,810,821号描述了一种用于使用等离子体炬处理废弃物处理系统气体副产物的装置和方法——其采用的工作气体为包括二氧化碳和氧气但不包括氮的混合气体。不包括氮，是为了防止形成二氧化氮和氰化氢——其因为高温下在容器/反应器中空气等离子体工作气体与氧和烃的反应而形成。

美国专利第5,785,923号描述了一种用于连续进给原料熔融物的装置——其包括输入气体接收室，所述输入气体接收室具有诸如等离子体炬之类的输入气体炬加热器，用于消除挥发性物质。

现有系统和方法没有充分考虑在连续变化的基础上必须处理的问题。这些类型的气化系统中的一些描述用于对以气化反应产生可用气体的方法进行调节的手段。因此，在本领域中的重要的进步是：以使得过程的总效率和/或含有全部过程的步骤的总效率最大化的方式提供能有效气化含碳原料的系统。

发明内容

本发明的目的是提供使用等离子体炬热的气体精炼系统。根据本发明的一个方面，提供一种用于将来自气化反应的输入气体重整为限定化学组成的重整气体的系统，所述包括：具有第一端和第二端的带带耐火材料内衬的柱状室，所述室包括用于接收位于所述室的所述第一端处或附近的输入空气的输入；用于释放位于所述室的所述第二端处或附近的重整空气的输出；一个或多个与所述室流体连通的氧源输入；以及一个或多个等离子体炬；其中所述等离子体炬加热所述室，且所述输入空气从而被转化为重整气体。

根据本发明的另一方面，提供一种用于将来自气化反应的输入气体重整为重整气体的方法，所述方法包括以下步骤：在带耐火材料内衬室的进口输送所述输入气体；将氧源注入所述室；以一个或多个等离子体炬来炬加热所述室，从而产生所述重整气体；以及将所述重整气体从所述室移除。

本发明提供一种气体重整系统，用于将含碳原料气化得到的输入气体转化为限定化学成分的重整气体。特别地，所述气体重整系统使用来自等离子体炬的炬热来裂解气体分子，由此允许它们重组为诸如产生能量的下游应用有用的较小分子。所述系统还可以包括气体混合装置、工艺添加剂装置、以及控制系统，所述控制系统带有一个或多个传感器、一个或多个过程执行器以及计算装置来监测和/或调节重整反应。

附图说明

通过下面结合附图所作的详细描述，本发明的这些和其它优点将更加清楚。

图1是根据本发明一实施方式的气体重整系统的示意图。

图2是偶联至气化器的本发明气体重整系统的一实施方式的示意图。

图3是偶联至两个气化器的本发明气体重整系统的一实施方式的示意图。

图4是根据本发明一实施方式的气体重整室的示意图。

图5是气体重整室的一实施方式的示意图。

图6A和B示出气体重整室的一实施方式中挡板(baffle)的设置。图6A是示出包括桥壁挡板的气体重整室中的气流的图。图6B是示出包括湍流器或阻塞环(choke ring)挡板的气体重整室中的气流的图。

图7是示出流出A型喷嘴的流出气流的图。图7B是示出B型喷嘴的流出气流的图。

图8是示出一个实施方式的入口和等离子体炬端口的方向的示意图。

图9A是图5的气体重整室的截面视图。图9B是示出包括图5的气体重整室的气体重整系统的气化器内气流的图。图9C示出从气体输入至所述室内的喷射和其对图5的室中气流的影响。

图10是偶联至气体重整系统的一实施方式的传送反应器的示意图。

图11是两个夹杂流气化器的示意图，每个夹杂流气化器偶联至气体重整系统的一实施方式。

图12是两个固定床气化器的示意图，每个固定床气化器偶联至气化重整系统的一实施方式。

图13是偶联至气化重整系统的一实施方式的气旋气化器的示意图。

图14是水平方向的气化器的示意图，该气化器包含包括图5的气体重整室的气体重整系统的一实施方式。

图15是图14的气体重整系统和气化室的另一视图。

图16是图14的气体重整系统和气化室的截面图。

图17示出图14所示气化器的吹足(blown-up)截面图，详细示出气箱、托架滑枕(carrier cam)指、灰抽出器螺杆和台阶C的锯齿状边缘。

图18详细示出图14中所示气化器的托架滑枕外壳。

图19是图5的气体重整室的截面图，详细示出耐火的支撑。

图20是示例1的气体重整系统的一部分的示意图，详细示出根据本发明实施方式的炬安装系统。

具体实施方式

定义

除非另有限定，本文中使用的所有技术和科技术语的含义与本领域所属领域普通技术人员所理解的通常含义相同。

如本文中所使用的，术语＂感测元件＂被定义为描述构造成感测方法、方法设备、加工进料或方法输出的特征的系统的任何元件，其中这些特征可以由可用于监测、调节和/或控制系统的一种或多种局部、区域性和/或综合方法的特征值表示。气化系统的上下文中考虑的感测元件可包括但不限于：用于感测方法、流体和/或材料温度、压力、流动、组分和/或其它特征，以及在系统内给定点的材料位置和/或排列和在本系统内使用的任何方法设备的任何操作特征的传感器、检测器、监视器、分析器或它们的任意组合。本领域普通技术人员应该理解，上述感测元件的实例尽管每一个在气化系统的上下文内相关，但是可能不在本文本公开内容的上下文中特定相关，同样地，本文鉴别为感测元件的元件不应该根据这些实例限定和/或不恰当地解释。

如本文中所使用的，术语＂响应元件＂被定义为描述设定响应感测的特征的任何元件，以便根据一个或多个预确定的、计算的、固定的和/或可调节的操作参数操作与之可操作连接的方法设备，其中一个或多个控制参数被定义为提供期望的方法结果。气化系统的上下文中考虑的响应元件可以包括但不限于静态的、预置的和/或动态的可变驱动器、电源和任何其它可基于一个或多个控制参数配置给予设备作用的元件，其可以是机械的、电的、磁的、风力的、水力的或它们的组合。气化系统的上下文中考虑的并且一种或多种响应元件可操作连接的方法设备可包括但不限于：材料和/或原料进料工具、热源如等离子体加热源、添加剂进料工具、各种鼓风机和/或其它这类气体循环设备、各种气流和/或压力调节器、和其它可操作影响气化系统内的局部、区域性和/或综合方法的方法设备。本领域普通技术人员应该理解上述响应元件的实例尽管每一个在气化系统的上下文内相关，但是可能不在本文本公开内容的上下文中特定相关，同样地，本文鉴别为响应元件的元件不应该根据这些实例限定和/或不恰当地解释。

系统概述

参见图1，本发明提供的气体重整系统(GRS)3000包括气体重整室3002，气体重整室3002具有一个或多个输入气体进口3004、一个或多个重整气体出口3006、一个或多个等离子体炬3008、一个或多个氧源输入3010和控制系统。

本发明提供GRS用于转化含有挥发分子的原料输入气体，所述挥发分子可包括例如一氧化碳、氢气、轻链烃和二氧化碳以及污染颗粒物质如在含碳原料气化期间产生的煤烟和炭黑。该GRS提供密封的环境，其用于容纳和控制过程。其使用等离子体炬热量分解挥发分子成它们的组成元素，这些组成元素可重新结合成期望化学成分的气体。加工添加剂如空气和/或氧气和任选的蒸气可被用来提供重新结合必须的分子种类。等离子体炬热量也除去不想要的物质如石蜡、焦油、氯化化合物等等，这是通过分解和转化这些不想要的物质成更小的分子如H₂和CO实现的。GRS进一步包括控制系统，其调节过程，因而能使过程优化。

所述GRS设计为能够将来自气化反应的输入气体转化为限定成分的气体——其化学组成包括部分较小的分子和下游应用所需的组分。

气体重整系统(GRS)

参见图1，气体重整系统(GRS)3000包括气体重整室3002，气体重整室3002具有一个或多个输入气体进口3004、一个或多个重整气体出口3006、一个或多个等离子体炬3008、一个或多个氧源输入3010和控制系统。

在GRS下游，与气体重整室气体连通的感应送风机可被提供以维持气体重整室的压力为大约0到5毫巴。

参见图2，在一实施方式中，GRS 3000设计为与气化器2000直接偶联，从而气体重整室3002与气化器2000气体连通。因此气体重整室3002从气化器2000直接接收输入气体。在此种实施方式中，GRS 3000可进一步包括安装法兰3014或连接器，用来将气体重整室3002连接到气化器2000。为了有利于维护或修理，任选地，GRS能够以可逆的方式连接到气化器2000，从而在需要时可以移除GRS 3000。

在图3示出的一实施方式中，GRS 3000是独立式单元，器通过管3009或适当的管道从一个或多个存储罐或一个或多个气化器2000接收气体。在此种独立式单元中，GRS可以进一步包括适当的支撑结构。

气体重整室

参见图1至4，气体重整室3002具有一个或多个输入气体进口3004、一个或多个重整气体出口3006、一个或多个用于加热设备的端口和一个或多个用于氧源的端口。

输入气体通过室3002的一个或多个输入气体进口3004进入经等离子体炬加热的气体重整室3002，并且任选地由气体混合器混合。提供一个或多个进口3010，通过它们氧源被注入气体重整室3002。一个或多个重整气体出口3006使得能经重整的气体排出GRS 3000，并且转移到下游工艺，例如进行进一步精炼或用于存储在储存设备处。

设计目的

气体重整室3002是具有足够内部体积的室，以适应输入气体重整成经重整气体反应所需要的居留时间。

因此，在设计气体重整室中，可以考虑所需的气体居留时间。气体居留时间是气体重整室体积和几何学、气流速率、气体通过距离和/或气体通过该室的途径(即直线通路或旋转或旋风式途径)的函数。因此，气体重整室必须以如此方式成形或确定大小：气体通过该室的流体动力学考虑足够的气体居留时间。气体居留时间可通过应用气体喷射而被修改，所述气体喷射可促进气体通过气体重整室的旋转流动，以便气体通路是非线性的，并且因此具有更长的居留时间。

在一个实施方式中，气体居留时间为大约0.5至大约2.0秒。在一个实施方式中，气体居留时间为大约0.75至大约1.5秒。在进一步的实施方式中，气体居留时间为大约1至大约1.25秒。在又进一步的实施方式中，气体居留时间为大约1.2秒。

能够执行GRS的流模型，以确保气体重整室的特定设计提高工艺输入的正确混合，以及正确条件形成，以使得能够进行所需的化学重整。

形状和方向

气体重整室3002可以是任何形状，只要其允许能使输入气体足够化学重整为重整气体的适当的居留时间。气体重整室3002可被布置在各种位置，只要保持适当的输入气体和居留时间。

气体重整室的方向可以使基本上垂直的、基本上平行的或成角度的，并且具有宽范围的长度与直径的比例，其从大约2:1至大约6:1。在一个实施方式中，气体重整室3002的长度与直径的比例是3:1。

在一个实施方式中，气体重整室3002是直的管状，或文丘里形结构，包括第一(上游)端和第二(下游)端，并且其方向为基本上竖直或基本上水平。

在一个实施方式中，气体重整室3002大致水平或大致竖直设置，具有的容积允许足够的气体居留时间，以完成输入气体中碳氢有机物的裂解，具有的长度/直径比设计为确保气体速度处在优化区域内。

在图5所示的实施方式中，GRS 3000构造为用于偶联至气化器，气化重整室3202是直的、具有基本上垂直的带耐火材料内衬的圆柱状结构，该结构具有用于与气化器2000直接气体连通的开口底(上游)端3204、和接近或在室的顶(下游)端的重整气体出口3206。任选地，圆柱状室通过用带耐火材料内衬的盖在带耐火材料内衬的管或圆柱体的顶(下游)端加帽而形成。为了帮助维护或修理，任选地，盖可以可移去地密封管或圆柱体。

气体重整室的壁可以用耐火材料作内衬和/或水套可封装气体重整室以冷却和/或产生蒸气或回收可用的炬热量。

气体重整室可具有多个壁，连同用于热回收的冷却机构，并且该系统也可包括用于高压/高温蒸气产生或者其它热回收容量的热交换器。

任选地，气体重整室可包括一个或多个室，可以是垂直或水平定向的，并且可具有内部零件如挡板，以促进气体的反向混合和湍流。

任选地，气体重整室可包括在重整过程期间用于固体颗粒物质的收集器，所述固体颗粒物质可以被收集并任选地进料入进行进一步加工的气化器或气化系统的固体残渣隔室，例如固体残渣调节室，以进一步加工。

固体颗粒物质收集器是现有技术中公知的，包括但不限于离心分离机、惯性冲击挡板、过滤器等。

在一些实施方式中，GRS直接偶联至气化器，附加的固体颗粒收集器可能不是必须的，由于颗粒可以部分地直接掉回至气化器。

经重整气体离开GRS 3000的温度将在从大约400℃至1000℃的范围内。所述温度可以由下游热交换系统任选地减小，以回收热量并冷却经重整的气体。如果下游应用或元件需要，经重整气体的输出温度能够通过下述方式而降低：在气体重整室3002的顶部处循环冷却的重整气体，从而经冷却的重整气体和新重生的重整气体混合。气体重整室3002因此能够任选地包括临近室下游端的进口，用于将经冷却的重整气体注入新形成的热重整气体。

材料

气体重整室通常是内衬有耐火材料的室，该室的容积设置为容纳适当量的气体用于所需的气体停留时间，或者设置为使得其能够耐受高温。

适用于高温、非加压室的常规耐火材料对于本领域的普通技术人员是公知的。这类耐火材料的实例包括但不限于：高温烧结陶瓷(例如，氧化铝、氮化铝、硅酸铝、氮化硼、氧化铬、磷酸锆)、玻璃陶瓷和高铝砖以及陶瓷块和隔离防火砖，其中高铝砖主要含有二氧化硅、氧化铝、氧化铬和氧化钛。如果需要耐受力更好的耐火材料，可以使用诸如迪德(DidierDido flo)89CR和雷迪斯康柏克甫洛(Redax Compacflo)V253的材料。

在一实施方式中，耐火材料能够是多层设置，高密度层设置在内侧以耐受气体重整室内的高温、腐蚀和摩擦。在高密度层外是较低密度材料——其具有较低的耐受性能，但是具有较高的隔离性能。任选地，在该层之外是具有非常高隔离系数的非常低密度的泡沫板材料，之所以能够使用该材料是因为其将不会暴露于气体重整室中存在的腐蚀性环境。所述多层设计能够进一步任选地在泡沫板和陶瓷板材料的容器壳体之间包括外部层，以提供柔性层适应固体耐火材料和容器壳体之间的不同膨胀。在多层耐火材料中使用的适当材料是本领域的普通技术人员所公知的。

在一实施方式中，所述多层耐火材料能够进一步包括可压缩的耐火材料部分，可压缩的耐火材料部分分隔不可压缩的耐火材料部分，以允许耐火材料的竖直膨胀。所述可压缩的层能够任选地通过覆盖可延展的高密度耐火材料而得到保护使之免受摩擦。

在一实施方式中，所述多层耐火材料能够包括内部方向的氧化铬层；中间的氧化铝层以及外部的板(insboard)层。

在本发明的一实施方式中，气体重整室在整个气体重整室包括厚达约十七英寸或更厚的特别选择耐火材料内衬的层，以确保工艺炬热的最大保持，同时确保不会受到在处理期间形成的中间化学成分的化学反应的影响。

气体重整室底部中的耐火材料内衬会是更容易磨损和退化的，因为其必须耐受来自等离子体炬热工作源的较高温度。在一实施方式中，因此，较低部分的中的耐火材料设计为与气体重整室壁和顶部上的耐火材料相比包括更具有耐受力的“热面(hot face)”耐火材料。例如，壁和顶部的上的耐火材料能够由DIDIER RK30砖制成，用于较低部分的不同的“热面”耐火材料能够以雷迪斯康柏克甫洛(REDAX COMPAC-FLO)V253制造。

在气体重整室带有耐火材料内衬的实施方式中，气体重整室的壁能够任选地包括支撑用于耐火材料内衬或耐火材料锚接。

气体进口和出口

气体重整室3002包括：一个或多个输入气体进口3004以将输入气体进料入进行进一步处理的室；和一个或多个重整气体出口或口以将在重整反应中产生的重整气体转移到下游加工或储存。用于输入气体的进口(一个或多个)位于或靠近第一或上游端。进口可包括开口，可选地，可包括控制输入气体流入气体重整室的控制器和/或将输入气体注入气体重整室的注入器。

在一个实施方式中，用于将输入气体发送至气体重整室的一个或多个输入气体进口可以以促进同时发生、逆流、径向、切向或其它进料流动方向的方式被引入。

在一个实施方式中，提供具有渐增的圆锥形形状的单一输入气体进口。

在一个实施方式中，进口包括气体重整室的开放第一端，从而其与气化器直接连通。

在气化器与GRS直接偶联的实施方式中，气化器上用于偶联至GRS的附接位置可以策略性地定位，以在进入气体重整室前优化气体流动和/或使得输入气体的混合最大化。

在一个实施方式中，气体重整室位于气化器的中心，从而在进入气体重整室前优化输入气体的混合。

在一个实施方式中，进口包括位于靠近气体重整室第一(上游)端的开口。该实施方式使用输入气体进口发送在含碳原料气化期间产生的挥发物进入该室。

在一个实施方式中，进口包括一个或多个在靠近第一(上游)端的气体重整室的壁上的开口。

参见图3，在气体重整室3000连接到一个或多个气化器2000的实施方式中，气体重整室3002中的一个或多个进口可通过共同开口与一个或多个气化器2000直接连通，或者可经由管线3009或适当导管连接到气化器2000。

在重整反应中产生的重整气体通过一个或多个重整气体出口3006排出气体重整室。

用于气体重整室中产生的重整气体的一个或多个出口3006位于或靠近第二端或下游端。出口可包括开口，或可选地可包括控制重整气体流出气体重整室的设备。

在一个实施方式中，出口包括气体重整室的开放第二(下游)端。

在一个实施方式中，出口包括一个或多个位于靠近气体重整室第二(下游)端的开口。

在一个实施方式中，出口包括在靠近第二(下游)端的气体重整室的壁上的开口。

端口

气体重整室包括各种端口，所述各种端口包括一个或多个用于加热器的端口、一个或多个加工添加剂端口，和任选地一个或多个进入端口、观察端口和/或仪器端口。

加热器端口包括用于初级加热源(包括等离子体炬和任选的辅助加热源的端口。

在一个实施方式中，气体重整室包括一个或多个用于安装等离子体炬3016的端口。

在一个实施方式中，气体重整室3002包括两个或多个用于安装等离子体炬3016加热的端口。

在一个实施方式中，气体重整室包括三个或多个用于安装等离子体炬的端口。

在一个实施方式中，气体重整室包括四个或多个用于安装等离子体炬的端口。

在一个实施方式中，提供在沿气体重整室外周的直径位置安置等离子体源的两个端口。

在一个实施方式中，提供两个端口用于切向安装两个等离子体炬。

在一个实施方式中，用于切向安装等离子体炬的端口位于空气进口上方以提供对等离子体炬热量的最大暴露。

任选地，用于安装等离子体炬的端口可安装有滑动安装机构以帮助插入或从气体重整室移出等离子体炬(一个或多个)，并且该端口可包括自动门阀，以在等离子体炬(一个或多个)反应后密封该端口。

任选地，包括一个或多个加工添加剂端口或进口以能使待被注入的加工添加剂例如二氧化碳、其它烃或另外的气体进入气体重整室。任选地，提供端口或进口，以便不满足质量标准的重整气体可重新循环入气体重整室，以进一步加工。口或进口可位于各种角度和/或位置以促进在气体重整室内的材料湍流混合。

能够包括一个或多个端口以允许加工温度、压力、气体组成和其它目标条件的测量。

此外，气体重整室可进一步包括用于第二炬热源的一个或多个端口，以帮助气体重整室的预等离子体炬加热或等离子体炬加热。

任选地，提供塞子、盖子、阀和/或门密封气体重整室的一个或多个端口或进口。适当的塞子、盖子、阀和/或门是本领域已知的，并且可包括手动操作或自动的那些。端口可进一步包括适当的密封如密封盖。

氧源端口

如上面提到的，GRS含有用于一个或多个氧源的一个或多个进口，氧源(一个或多个)包括但不限于氧气、富氧空气、空气、氧化介质和蒸气，因此气体转化室包括用于氧源输入的一个或多个端口。

在一个实施方式中，气体转化室包括一个或多个用于空气和/或氧气进口的端口，任选地包括一个或多个用于蒸气进料的端口。

在一个实施方式中，气体重整室3002包括一个或多个氧源端口。在一个实施方式中，气体重整室包括两个或多个氧源端口。在一个实施方式中，气体重整室包括四个或多个氧源端口。在一个实施方式中，气体重整室包括六个或多个氧源端口。在一个实施方式中，提供在绕气体重整室外周的三层中排列的九个氧源端口。氧源端口可以为多种排列，只要该排列提供将氧源与输入气体充分混合。

气体混合器

气体重整室3002可以进一步任选地在或靠近输入气体进口处包括另外的或辅助的气体混合器，以混合输入气体，以便输入气体具有更均匀的组分和/或温度，和/或将输入气体与加工添加剂混合。混合器在输入气体进口处或靠近输入气体进口处可以包括一个或多个气体旋转喷嘴(air swirljets)，所述气体旋转喷嘴将少量空气注入输入气体并在输入气体流中产生旋转运动或湍流，由此混合输入气体。

在一个实施方式中，混合器在或靠近输入气体进口处包括两个或多个气体旋转喷嘴——其将少量空气注入输入气体并在输入气体流中产生旋转运动或湍流，从而利用注入的空气速率来混合输入气体。

在一个实施方式中，混合器在或靠近进口处包括三个或多个气体旋转喷嘴——其将少量空气注入输入气体并在输入气体流中产生旋转运动或湍流，从而混合输入气体。

在一个实施方式中，混合器在或靠近进口处包括四个或多个气体旋转喷嘴——其将少量空气注入输入气体并在输入气体流中产生旋转运动或湍流，从而混合输入气体。设计气体旋转喷嘴的数量以基于设定的气流和排出速率提供最大混合和旋转，以便喷射能进入到该室的中心。

挡板通过在输入气体中产生湍流，也可被用于引起混合输入气体。挡板是正常流动模式的机械障碍。挡板用于阻断燃烧室横截面的截面，这导致流速的快速增加和在挡板下游侧的相应的快速减小。这产生高水平的湍流并加速局部混合。

在气体重整室中，挡板可位于多个位置。挡板设置方式是本领域已知的，并且包括但不限于交叉挡板、桥壁挡板(图6A)和扼流圈挡板(图6B)设置方式。因此，在一个实施方式中，气体混合包括挡板。

氧源

如上面提到的，GRS包含氧源，该氧源可包括但不限于氧气、富氧空气、空气、氧化介质和蒸气。

在一个实施方式中，因此气体转化室包括一个或多个氧源入口。

在一个实施方式中，空气和/或氧气和蒸气进料包括高温抗性喷雾喷嘴或喷雾嘴。适当的空气喷嘴是本领域已知的，并且可包括任何商业上可获得的类型。单个型的喷嘴或多个型的喷嘴可以用在GRS中。示例的喷嘴包括图7所示的A型喷嘴和B型喷嘴。能够基于功能需要选择喷嘴类型，例如，A型喷嘴用于改变气流的方向以产生期望的旋转，B型喷嘴用于产生高速气流以达到某些穿透，并使得混合最大化。

喷嘴可引导空气至任何角度，只要该角度有效进行混合气体。在一个实施方式中，空气喷嘴切向放置。在一个实施方式中，成角度的吹气通过在进料喷嘴的尖处具有偏转板而实现，因此允许进口管和法兰(凸缘)与气体重整室成直角。

空气和/或氧气进口的排列基于气体重整室的直径、设定的流动和喷射速率，以便可达到适当的穿透、最大的转动和混合。本发明考虑氧气进口或口、蒸气进口或口和用于等离子体炬的口的各种排列，它们提供输入气体与注入的氧气和蒸气的充分混合，并对重整反应发生提供足够的居留时间。例如，氧气进口或口、蒸气进口或口和用于等离子体炬的口可以在绕气体重整室外周分层排列。这种排列考虑切线和分层注入等离子体气体、氧气和蒸气，这导致旋转运动和输入气体与氧气和蒸气的充分混合，并且提供重整反应发生足够的居留时间。

在空气和/或氧气进料口分层排列的实施方式中，空气和/或氧气喷嘴可任选地排列以最大化混合效果。

在一实施方式中，所有的空气或氧气输入端口切向地设置，由此允许较低高度的输入端口预混合气体，用炬将其加热，并且启动气体中的涡旋运动。较高高度的空气输入端口能够加速涡旋运动，由此允许循环的涡流方式得到发展和维持。

参见图9，在一实施方式中，最低高度的空气输入端口包括4个喷射口3212——其将预混合从较低气化器产生的气体，并对之以炬加热。其它较高的两层空气喷嘴3211将提供主要的动力和氧以混合气体并以炬将之加热至所需温度。

蒸气进口或口的排列在数量、水平、方向和角度上是灵活的，只要它们位于提供最优的温度控制能力的位置。

在一个实施方式中，气体重整室包括一个或多个蒸气进口或口。在一个实施方式中，气体重整室包括两个或多个蒸气进口或口。蒸气进口或口可以是各种排列，只要该排列提供与输入气体的充分混合。在一个实施方式中，提供在绕气体重整室的外周的两层中排列的两个蒸气进料口，并且位于直径位置。

氧气和/或蒸气进料口也可被定位，以便它们将氧气和蒸气在与气体重整室的内壁一定角度下，注入气体重整室，这促进气体湍流或旋转。基于室直径和设定的气体喷射流动和速率，选择该角度以达到足够的喷射穿透并且最大化混合。

在一个实施方式中，氧气和/或蒸气进口以大约50-70度之间的角度从气体重整室的内壁注入空气和蒸气。在一个实施方式中，氧气和/或蒸气进口以大约55-65度之间的角度从气体重整室的内壁注入空气和蒸气。在一个实施方式中，氧气和/或蒸气进口以大约60度的角度从气体重整室的内壁注入空气和蒸气。

在一实施方式中，能够排列空气喷嘴以便它们所有的在同一平面中，或者它们可在连续相继的平面中排布。设计空气喷嘴的排布以达到最大混合效果。在一个实施方式中，空气喷嘴在下上水平面排列。在一个实施方式中，在下面的水平面具有四个喷嘴，在上面的水平面具有另外六个喷嘴，其中三个喷嘴稍微高于其它三个以产生交叉喷射混合效果来达到更好的混合。

在一个实施方式中，气体重整室包括氧气输入、蒸气输入端口和用于等离子体炬的端口，它们被排列以便在整个室中气体和蒸气充分混合。

任选地，加工气体可成角度地被吹入该室，以便使气体产生气体旋转或旋风移动通过该室。等离子体炬也可成角度以提供该流的进一步旋转。等离子体炬和辅助等离子体热源

为了重整反应的进行，气体重整室必须被炬加热至足够高的温度。本领域工作人员可容易确定用于重整反应的足够温度。在一个实施方式中，温度为大约800℃至大约1200℃。在一个实施方式中，温度为大约950℃至大约1050℃。在一个实施方式中，温度为大约1000℃至大约1200℃。

因此GRS进一步包括一个或多个不转移电弧等离子体炬。不转移电弧等离子体炬是本领域已知的，并且包括不转移电弧交流和直流等离子体炬。多种气体可与等离子体炬一起使用，其包括但不限于空气、O₂、N₂、Ar、CH₄、C₂H₂和C₃H₆。本领域工作人员可容易确定可以在GRS中使用的等离子体炬的类型。

在一个实施方式中，等离子体炬是一个或多个不转移电弧交流等离子体炬(一个或多个)。在一个实施方式中，等离子体炬是一个或多个不转移电弧直流等离子体炬(一个或多个)。

在一个实施方式中，有两个等离子体炬，其切向安置以产生与空气和/或氧气进料旋转方向相同的旋转方向。在一个实施方式中，等离子体炬是两个300kW等离子体炬，每一个在需要(部分)容量下运行。

在一个实施方式中，气体重整设备包括两个或多个等离子体炬。在一个实施方式中，气体重整设备包括两个水冷却的、铜电极、NTAT DC等离子体炬。

在一个实施方式中，通过最大化释放炬热量，最小化等离子体炬加热的应用，这在碳或多碳分子主要重整CO和H₂期间通过优化注入气体重整室的空气和/或氧气的量进行。

控制系统

在本发明的一个实施方式中，可提供控制系统以控制在各种系统和/或本文所公开的子系统中实施和/或通过其实施的一个或多个过程；和/或提供本文所涵盖的用于影响这样的过程的一个或多个过程装置的控制。通常，控制系统可操作性地控制以下各种局部和/或区域过程：与给定系统、子系统或其元件相关，和/或与诸如气化系统的系统内实施的一个或多个全局过程相关，在所述系统内或与所述系统协作可运转本发明的各种实施方式，并从而调节其的各种适合影响指定结果的这些过程的控制参数。各种传感元件和响应元件因此分布在整个控制系统中，或与其的一个或多个元件相关，并用来获得各种过程、反应物和/或产物特征，将这些特征与有助于实现预期结果的这种特征的适合范围相比，以及经由一个或多个可控过程装置通过在一个或多个进行的过程中实施变化来响应。

通常，所述控制系统通常包括，例如，一个或多个用于感测与系统相关的一个或多个特征的传感元件，在所述系统中实施过程，因而提供输入，和/或从而产生输出。一个或多个计算平台互通地连接于这些传感元件用于访问(accessing)表示感测的特征的特征值，且配置该计算平台以将所述特征值与限定以表征这些特征适合用于选择的操作和/或下游结果的这样的值的预定范围相比较，并计算一个或多个有助于维持所述特征值在该预定范围之内的一个或多个过程控制参数。多个反应元件可因此可操作性地连接至一个或多个过程装置，所述过程装置可操作来影响所述系统、过程输入和/或输出并因而调整气体的所述感测的特征，以及互通地连接至所述计算平台用于访问计算出的控制参数并据此运转工艺设备。

在一个实施方式中，所述控制系统提供与含碳原料向气体转化相关的各种系统、过程、输入和/或输出的反馈、前馈和/或预测控制，以促进一个或多个与其相关所实施的过程的效率。例如，可评估各种过程特征，并可控制地调节之以影响这些过程，其可包含，但不限于，原料的热值和/或组分，产物气体的特征(例如，热值、温度、压力、流量、组分、碳含量等)、考虑这种特征的变化程度，以及输入成本与产出价值的比。连续地和/或实时地对各种控制参数进行调整，其可包括，但不限于，热源功率、添加剂进给率(例如氧气、氧化剂、蒸气等)、原料进给率(例如，一个或多个不同的和/或混合的给料)、气体和/或系统压力/流量调节器(例如，鼓风机、安全阀和/或调节阀、火花(flares)等)等等，其能够以以下方式来执行：根据设计和/或下游技术条件评估并优化一个或多个与过程相关的特征。

可选择地，或除此之外，可以配置所述控制系统来监测给定系统的各种元件的运转，用于确保适当的运转，用于确保所述过程在法律标准内实施(当这样的标准适用时)。

根据一个实施方式，所述控制系统可进一步用在监测和控制给定系统的总能量冲击。例如，可这样操作给定系统使得其能量冲击减少，或再次优化，例如通过优化一个或多个所实施的过程，或再次通过增加由这些过程所产生的能量(例如，废热)的回收。可选择地，或除此之外，可以配置所述控制系统来调整经由所述控制的过程产生的产物气体的组分和/或其它特征(例如，温度、压力、流量等)，这样使得这种特征不仅仅适应于下游使用，而且对有效的和/或最佳使用也基本上是最佳的。例如，在所述产物气体用于驱动给定种类的气体引擎来产生电的实施方式中，可这样调节所述产物气体的特征使得这些特征与这种引擎的最佳输入特征最佳地匹配。

在一个实施方式中，可以配置所述控制系统来调整给定过程，这样使得关于各种元件中反应物和/或产物的停留时间，和/或关于整个过程中各个过程的限制或性能指标被满足和/或最优化。例如，可控制上游过程速率来基本上匹配一个或多个后续的下游过程。

此外，在不同的实施方式中，控制系统可适用于以连续和/或实时方式的给定过程的各方面的顺序和/或同时控制。

通常，所述控制系统可以包括适用于现有应用(the application at hand)的任何种类的控制系统结构。例如，所述控制系统可以包括基本上集中的控制系统、分布式的控制系统或它们的组合。集中控制系统一般将包括中央控制器，该中央控制器被配置以与各种局部和/或远程传感装置互通；和响应元件，该响应元件被配置以分别感测与控制过程有关的各种特征并通过一个或多个适用于直接或间接地影响所述控制过程的控过程装置来对此响应。使用集中结构，经由一个或多个集中处理器(centralized processor)在中央实施大多数计算，这样使得用于实施所述过程的控制的大多数必需硬件和/或软件位于同一个位置。

分布式的控制系统将通常包括两个或多个分布式控制器，其可以各自与各个传感和响应元件连通用于监测局部和/或区域特征，且经由局部和/或区域过程装置(其被配置以影响局部过程或子过程)来对其反应。连通也可以经由各种网络配置发生在分布式控制器之间，其中经由第一控制器感测的特征可传达至第二控制器用于在那里进行响应，其中这种远端响应可以对在第一位置感测的特征起作用。例如，下游产物气体的特征可以通过下游监测装置感测，且通过调整控制参数来调整，所述控制参数与通过下游控制器控制的转化器相关。在一个分布式结构中，控制硬件和/或软件也分布在控制器之间，其中同样的但模块化配置的控制方案可以在各个控制器上实施，或者各种合作的模块化控制方案可以在各自的控制器上实施。

替代地，所述控制系统可以再分为分离的但是连通地连接的局部、区域和/或全局控制子系统。这种结构可以允许进行给定过程或相关过程系列发生并具有与其它局部控制子系统最小相互作用而局部地被控制。全局主控制系统随后可以与各自的局部控制子系统连通来向局部过程引导必要的调整用于全局结果。

本发明的控制系统可以使用任何上述结构，或任何其它本领域普遍已知的结构，其被视为在本公开内容的总的范围和本质中。例如，在本发明的上下文内控制的和实施的过程可在专门的局部环境中控制，当可适用时，可选地外部连通至用于相关上游或下游过程的任何中央和/或远程控制系统。另外，所述控制系统可包括设计以协作控制区域和/或全局过程的局部和/或全局控制系统的子元件。例如，可这样设计模块化控制系统使得控制模块交互式地控制系统的各种子元件，同时根据局部和/或全局控制的需要提供模块间连通。

所述控制系统通常包括一个或多个中央、网络和/或分布式处理器；一个或多个输入，用于接收当前从所述各种传感元件感测的特征；以及一个或多个输出，用于将新的或更新的控制参数传达至各种响应元件。所述控制系统的一个或多个计算平台也可包括一个或多个局部和/或远程计算机可读媒体(例如，ROM、RAM、可移动媒体、局部和/或网络访问媒体等)，用于在其中存储各种预定和/或再调整的控制参数、设置或优选的系统和过程特征运转范围、系统监测和控制软件、操作数据等等。任选地，所述计算平台也可直接地或经由各种数据存储装置访问过程模拟数据和/或系统参数优化和建模装置。另外，所述计算机平台可装备一个或多个可选图形用户界面和输入外围设备，用于向所述控制系统提供管理访问(系统升级、维护、修改、针对新系统模块和/或设备的适应修改，等等)，以及各种可选输出外围设备，用于连通外源(例如，现代、网络连接、打印机等)数据与信息。

所述处理系统和任何一个所述子处理系统能够包括专有硬件或任何硬件和软件的组合。任何子处理系统能够包括以下的任何组合：无或多个比例(P)、积分(I)或微分(D)控制器，例如P控制器、I控制器、PI控制器、PD控制器、PID控制器等。对于本领域技术人员显而易见的是P、I和D控制器组合的理想选择依赖于所述气化系统部分反应过程的动力学和延迟时间和所述组合意图控制的运转条件的范围，以及所述组合控制器的动力学和延迟时间。对于本领域中技术人员显而易见的是所述组合能够以模拟硬连线的形式来实施，其能够经由传感元件连续地监测特征值，并经由响应元件将其与指定值进行比较来影响各自的控制元件以作适当的调整来降低所述观察值和指定值之间的差异。对于本领域中技术人员更为显而易见的是，所述组合能够在混合数字硬件软件环境中实施。附加的任意采样、数据获取和数字处理的相应效应对本领域技术人员是已知的。P、I、D组合控制能够在前馈和反馈控制方案中实施。

在校正或反馈控制中，经由合适的传感元件监测的控制参数或控制变量值与指定值或范围相比较。控制信号基于两个值之间的偏差来确定，并将其提供给控制元件，以便降低所述偏差。应当理解常规反馈或响应控制系统可进一步适合于包括适应的和/或预测性的元件，其中对给定条件的响应可以根据模拟的和/或先前监测的反应来定制以对感测的特征提供响应，同时限制补偿作用中潜在的过冲(overshoot)。例如，提供给给定系统配置的获得的和/或历史的数据可以合作地用来调整对系统和/或过程特征的响应，所述特征从最优值中感测、在给定的范围中，先前对最优值的响应已经被监测且调整以提供理想的结果。这种适应的和/或预测的控制方案是本领域已知的，且同样地不认为脱离本公开内容的总的范围和本质。

控制元件

涵盖在本文中的传感元件，如以上所限定和描述的，能够包含包含，但不限于，监测气体的化学组分、流率和温度、监测温度、监测压力、监测气体不透明性以及各种与炬相关的参数(即炬功率和位置)的元件。

被检测的参数

气化技术通常产生的产物气体的H₂:CO比根据下游应用需要的H₂:CO比从高到约6:1至低到1:1变化。在一实施方式中，得到的H₂:CO比为1.1-1.2:1。在一实施方式中，得到的H₂:CO比为1.1:1。

在处理温度上，得到的经重整气体中的H₂:CO比取决于工作环境(热解或有足够的O₂/空气)，水分和已气化原料的相对C、H含量以及辅助碳进料的量。

考虑上面的一个或多个因素，本发明的控制系统在可能的H₂:CO比范围上调节经重整气体的组分——通过调节施加的等离子体炬热、空气和/或氧、碳和蒸气之间的平衡，由此允许经重整气体组分被针对特定的下游应用而优化。

可以定期地或连续地监测多个运行参数以确定系统是否在优化设置点内运行。被监测的参数可以包括，但不限于，气体的化学组分、流率和温度、系统内各位置的温度、系统的压力以及与炬相关的各种参数(即炬功率和位置)，并且这些数据用于确定是否需要调节所述系统参数。

经重整气体的组分和不透明性

能够采用本领域普通技术人员公知的方法来采样和分析产物气体。能够用于确定产物气体组分的一种方法是通过气体气体色谱(GC)分析。用于这些分析的采样点能够遍及整个系统中。在一个实施方式中，所述气体组分使用傅立叶变换红外(FTIR)分析仪(其测量气体的红外光谱)来测量。

本发明的一部分是确定在出口蒸气中是否有太多或太少的氧以及相应地调整工艺。在一实施方式中，一氧化碳蒸气中的分析仪或传感器检测二氧化碳或其它基准富氧材料的浓度。在一实施方式中，直接测量氧。

在一实施方式中，传感器针对一氧化碳、氢、烃和二氧化碳分析经重整气体的组分，并且基于分析得到的数据，控制器将信号发送至氧和/或蒸气进口，以控制注入到气体重整室的氧和/或蒸气量以及至等离子体炬的信号。

在一实施方式中，在系统中安装一个或多个可选的不透明度监视器，以提供不透明度的实时反馈，由此提供可选的机制用于工艺添加剂、主蒸气输入速度的自动控制，以维持特定物质的量低于最大允许浓度。

系统各处的的温度

在一个实施方式中，提供装置来监测经重整气体的温度和整个系统各处位置的温度，其中此种数据在连续的基础上获取。用于监测所述室中温度的装置可以位于室的外壁上或位于室的顶部、中部和底部处的耐热材料内。附加地，设置用于监测经重整气体的排出温度的传感器。

在一实施方式中，用于监测温度的装置由安装在系统所需位置处的热电偶提供。

系统的压力

在一实施方式中，设置装置来监测反应容器内的压力，其中此种数据在连续、实时的基础上获取。在进一步的实施方式中，这些压力监测装置包括位于反应容器任何位置(例如反应容器的竖直壁上)的压力感测器或压力头。

气体流动的速率

在一实施方式中，提供装置来监测系统各位置处的产物气体速率，其中此种数据在连续的基础上获取。

气体流动的波动可能是非均化条件(例如，对于电极变换的炬误工作或用尽，或其它支持设备误工作)的结果。作为临时的措施，气体流动中的波动可以通过风机速度、及原料、辅助原料、空气、蒸气的进给速度、以及炬过滤的反馈控制而校正。如果波动持续存在，可以停下系统直到解决问题。

工艺添加剂的添加

在一实施方式中，控制系统包括响应元件来调节反应物——包括任何工艺添加剂，以管理输入气体至经重整气体的化学重整。例如，工艺添加剂可以添加至室内以利于一定化学组分的输入气体转化为不同所需组分的经重整气体的有效转化。

在一实施方式中，如果传感器在经重整气体中检测到过量的二氧化碳，则减少蒸气和/或氧的注入。

本文中的响应元件，如上限定和陈述的，能够包括，但是不限于，各种以可运行的方式偶联至与工艺相关的设备的各种控制元件，其中所述设备构造为通过调节与之相关联的给定控制参数而影响工艺。例如，本文中通过一个或多个响应元件可运行的工艺设备，可以包括，但不限于，调节氧源输入和等离子体热的元件。

调节至炬(炬热)的功率

本发明的工艺使用等离子体炬热的可控制能力来驱动反应。工艺空气至精炼室内的添加还承受部分炬热负载——通过以经重整气体的燃烧来释放炬热能量。调节工艺空气的流率来将炬功率保持在良好的运行范围内。

调节等离子体炬热来将经重整气体的排出温度稳定在设计设定点。在一实施方式在，为了确保气化器中形成的炭和烟灰充分分解，设计设定点为大约1000℃。

调节系统中的压力

在一实施方式中，控制系统包括响应元件来控制室的内部压力。在一实施方式中，所述内部压力维持在负压，即略微低于大气压力的压力。例如，反应器的压力将维持在大约1-3毫巴真空。在一实施方式中，系统的压力维持在正压。

用于控制内部压力的此种装置的示例实施方式通过与GRS气体相连的抽吸风机提供。从而采用的所述抽吸风机将系统维持在负压。在其中维持正压的系统中，风机受控而在与负压情况相比较低的RPM下运行，或可以使用压缩机。

响应于系统各处的压力传感器所得到的数据，抽吸风机的速度将根据系统中的压力是增加(由此风扇将增速)还是减小(由此风扇将减速)而调节。此外，根据本发明的方法，系统可以相对于大气压力维持为稍微低于负压，以防止气体排出到环境中。

能够通过调节经重整气体风机的速度而使压力稳定。任选地，在低于风机最小运行频率的速度处，辅助控制替代地超驰(override)和调节再循环阀(recirculation valve)。一旦再循环阀返回至完全关闭，主控制重新接入。

用于与GRS一起使用的气化器

本发明适于与一个或多个气化器一起使用或与各种类型的气化器一起使用。气化器将含碳原料转化为输入气体产物。原料气化的阶段包括：i)干燥原料以去除残余水分；ii)使得经干燥原料的挥发性成分挥发，以产生炭中间产物，以及iii)重整炭以输入气体和灰。气化过程的气态产物因此包括挥发性成分和输入气体——其承受本发明的等离子体重整步骤以提供原始经重整气体产物。

通常，气化器包括带有耐火材料内衬的室，所述室具有一个或多个原料进口、炬加热装置、一个或多个任选的工艺添加剂进口、气体出口、以及任选的固体残留物或炉渣出口或去除系统。

气化工艺能够再各种不同的气化器中执行，所述各种气化器包括下面示例描述的气化器或本领域中公知的多种气化器。本领域中公知的气化器的例子包括，但不限于，夹杂流反应器容器、流化床反应器和旋转炉反应器——均适于接纳固体、颗粒、浆状、液体、气体或其组合的形式的原料。气化器能够具有宽范围的长度-直径比，并且能够竖直或水平方向设置。

在一实施方式中，与本发明一起使用的气化器是传送反应气化器3401(图10)——其将原料夹杂在气体蒸气中，并使之再循环通过气化区域以确保原料最大化地重整至输入气体。GRS 3000能够任选地在气体出口处直接偶联至传送反应器气化器。

在一实施方式中，与本发明一起使用的气化器是夹杂流气化器3402A(图11)。GRS 3000至夹杂流气化器的偶联将增加停留时间用于反应充分进行，并增加第二高温区域以确保气体质量。

在一实施方式中，与本发明一起使用的气化器是固定床气化器3403A、3403B(图12)。固定床气化器能够是多种设计——控制用于气化(以及高温分解)的流动和特性。GRS 3000偶联至输入气体出口以确保气体至较简单气体分子的彻底反应。

在一实施方式中，与本发明一起使用的气化器是旋风气化器3404(图13)。

实施例

图14至18结合包括图5所示的气体调节室的GRS的实施方式来示出转化器。

所述气化器2200包括具有原料输入2204的带耐火材料内衬的水平取向阶梯式气化室2202、气化出口2206和固体残渣出口2208。所述气化室2202是具有复数个底板水平2212、2214、2216的阶梯式底板的耐火内衬的钢焊件。

所述固体残渣出口装备有包括抽出器螺旋2209的灰分抽出器，其会将所述灰分从所述气化器中拉出，并将其投入灰分输送器系统。

各步骤具有穿孔的底板2270，通过该地板加热的空气能够被引入。为了避免所述空气孔在处理期间堵塞，选择所述空气孔的大小使得其产生限制，并从而造成穿过各孔的压力降。该压力降足以防止废物颗粒进入所述孔。

对于各水平或步骤的空气供应是独立可控的。传统所述穿孔底板2270的独立空气供应和分布由分离的形成各步骤底板的空气箱2272、2274、2276来实现。

移动穿过所述步骤由一系列多指载体滑枕2228、2230、2232来推进，各步骤的底板由单个多指载体滑枕来服务。所述系列载体滑枕进一步允许所述气化室中各步骤堆高度的控制和反应原料的总停留时间。各滑枕能够以可变速度移动穿过那个步骤的全部或部分长度。

各滑枕单元包括外部安装的引导部分、具有任选引导部分接合构件的多指滑枕、外部安装的驱动系统以及外部安装的控制装置。所述引导部分包括一对安装在帧上的通常水平、通常平行的狭长轨道2240(a)、2240(b)(未示出)。各轨道具有实质上L形的横截面。所述滑枕包括滑枕体2326和一系列狭长的实质上矩形的滑枕指状物2328，该指状物2328大小可滑动地移动穿过所述室壁中相应的可密封的开口。

推进所述滑枕沿所述轨道的动力由外部安装的电动变速马达2256来提供，其驱动马达输出轴2258可选择地向前或向相反的方向而允许(allowing for)所述滑枕以控制的速率伸长和收缩。位置传感器2269向所述控制系统传输滑枕位置信息。任选地，所述马达可进一步包括齿轮箱(gear box)。两个主动链轮齿2260安装在所述马达输出轴上。所述主动链轮2260和安装在轴2264上的相应的从动链轮2262与链成员(chainmember)2266相啮合，所述链成员2266由托架(bracket)固定至所述狭长矩形块2244上。

在所述阶梯式气化器中，个别步骤的条件被最优化用于不同程度的干燥、挥发和碳重整。

将所述原料引入所述室，经由所述原料输入(421)引至第一步骤上。该步骤的正常温度范围(测量所述物料堆的底部时)在300℃和900℃之间。此处的主要过程是伴有挥发和碳转化的干燥过程。

设计步骤II的底部温度范围在400℃和950℃之间。主要过程是伴有小程度(残余)的干燥操作以及大量的碳转化的挥发过程。

步骤III的范围在600℃和1000℃之间。在步骤III中的主要过程是伴有较少(残余)挥发的碳转化过程。

当所述固体给料物质穿过所述室时，由于其挥发部分挥发形成输入气体，因此质量和体积损失，且生成的木炭被反应形成额外的输入气体和灰分。

未精炼的输入气体通过所述气化器2200的气体出口2206排出，进入经由安装法兰3214耦合至所述气化器的GRS 3200，所述安装法兰3214直接连接所述气化器气体出口和GRS的单个锥形输入气体。将空气通过旋涡端口3212注入所述输入气体，以在所述输入气流中形成旋涡运动或湍流，从而在所述GRS内混合所述输入气体并形成再循环涡流图谱(vortexpattern)。在所述RGS内的气体的停留时间是约1.2秒。

参见图5，所述GRS包括实质上竖直安装的耐火内衬柱状室(其长-直径的分配为约3:1)和单个锥形输入气体进口(所述气化器经由安装法兰3214连接至该进口)。所述室安装有耐火内衬盖3203的盖子，从而形成密封气体重整室3202。

所述气体重整室包括各种包含一个或多个用于加热器3216端口的端口，一个或多个用于一个或多个氧源3210的端口，以及任选地一个或多个入口或观察端口3326和/或仪器端口3226。此外，所述气体重整室装备有提升点3230。

用在所述室壁上的耐火材料是以下多层：内侧设计有高密度层，以抵抗所述室内存在的高温、侵蚀和腐蚀；中间较低密度材料层，具有较低的抵抗性但是有较高的绝缘因子；以及外面极低密度泡沫板层，具有极高绝缘因子。外层——泡沫板和容器钢壳之间，是陶瓷毯材料，其提供柔性层以允许所述固体耐火材料和所述容器壳之间的微膨胀。所述耐火材料的竖值膨胀通过非可压缩耐火材料的可压缩耐火层分离段来提供。所述可压缩耐火材料除可伸长高密度耐火材料之外通过重叠来防止侵蚀。

参见图19，所述气体重整室进一步包括耐火材料支撑系统，该耐火材料支撑系统包括一系列环形伸展支架3220。每个支架被分段并包含允许膨胀的间隙。每个支架片段3222由一系列支撑托架)3224来支撑。

在GRS的该实施方式中，对于一个或多个氧源的一种或多种输入包含空气和蒸气输入。

所述GRS进一步包括三级切线安置的空气喷嘴、两个切线定位的等离子体炬、六个热电偶端口、两个燃烧端口、两个压力输送端口和若干备用端口。

参见图9，空气被通过三级空气喷嘴注入所述气流，所述三级喷嘴在较低级3212包含四个喷口，在较高级3211包含另外六个喷口，在较高级3211中，三个喷口略高于另外三个喷口，以形成交叉喷射混合作用来实现更好的混合。

所述GRS进一步包含两个切线安装的300kW水冷却的铜电极、NTAT、安装在滑行机构上的DC等离子体炬。所述两个等离子体炬放置在所述空气喷嘴的上方以最大地暴露于等离子体炬热(参见图9，3216)

所述等离子体动力供应将三相AC动力转化为各自等离子体炬的DC动力。作为中间步骤，所述单元先将所述三相AC输入转化为单一高频相。这允许斩波器部件(chopper section)中最终DC输出更好线性化。该单元允许输出DC电压可波动以便维持稳定的DC电流。

各自的等离子体炬3208安装在能够将所述炬3208移入并移出所述气体重整室的滑行机构上。所述炬3208通过密封装置密封至所述气体重整室3202上。该密封装置对闸门阀密封，其转而安装并密封至所述容器上。为了移动炬3208，其通过滑行机构从所述重整室3202中拉出。滑行的初始移动使安全性目的的高压炬动力供应丧失能力。当所述炬3208已经穿过所述闸门阀缩回时所述阀自动切断，且冷却循环停止。软管和电缆与所述炬3208是分离的，所述密封装置从所述闸门阀放出，所述炬3208通过升降机提升。

使用以上程序的反向程序进行炬3208的更换；所述滑行结构能够被调节来许可改变所述炬3208的插入深度。所述闸门阀机械地被操作，从而运转是自动的。气动执行器3233用来在冷却系统故障的情况下自动收回所述炬。用于运转所述执行器的压缩空气从专用空气储存器提供，因而甚至在电动力故障的情况下动力始终可利用。相同的空气储存器为所述闸门阀3234提供空气。电动互锁盖通过防止所述高压炬接头的通道被用作进一步安全装置。

将热电偶安装在所述气体重整室的不同的位置处，这样使得所述GRS内重整的气体的温度维持在约1000℃，且如果温度降于该温度之下，那么所述等离子体炬或空气注入的功率增加。

在该实施方式中，预设置每个步骤的空气流量，以基本上维持各步骤间恒定的温度范围和比率。例如，约36％的总空气流量对应于步骤A，约18％对应于步骤B，而约6％对应于步骤C，剩余的对应于附设的GRS(例如，40％总空气流量)。另外，空气输入比率可动态地变化以调节发生在所述气化器和/或GRS各步骤内的温度和工艺。

所述气体重整室内的气态混合物内的分子在等离子弧区中分裂为它们的组成元素，然后重组为重整气体。该热的粗重整气体经由所述重整气体出口3206从所述GRS排出。

因而描述的本发明，以下将是明显的：同样的发明可以以许多方式来变化。这样的变化不认为脱离本发明的精神和范围，且所有这样的对本领域技术人员来说明显的修改意图包含在所附权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种用于将来自气化反应的输入气体重整为具有限定化学组成的重整气体的系统，包括：

(a)具有第一端和第二端的带耐火材料内衬的柱状室，所述室包括：

用于在所述室的所述第一端处或其附近接收输入空气的输入；

用于在所述室的所述第二端处或其附近释放经重整空气的输出；

一个或多个与所述室流体连通的氧源输入；

(b)一个或多个等离子体炬；其中所述等离子体炬加热所述室，且所述输入空气从而被转化为经重整气体。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个氧源是一个或多个氧气输入和任选地一个或多个蒸气输入。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述氧气输入和所述蒸气输入包括与所述室流体连通的耐炬热雾化喷嘴。

4.根据权利要求3所述的设备，进一步包括用于分析所述输出气体成分和确定流量的传感器，以及用于从所述传感器接收数据并控制氧气和蒸气注入的工艺控制器。

5.一种用于将来自气化反应的输入气体重整为经重整气体的方法，包括以下步骤：

(a)在带耐火材料内衬的室的进口处输送所述输入气体；

(b)将氧源注入所述室；

(c)以一个或多个等离子体炬来炬加热所述室，从而产生所述经重整气体；以及

(d)将所述经重整气体从所述室移除。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包含预混合所述输入气体的步骤。

7.根据权利要求5所述的方法，进一步包含下述步骤：分析所述经重整气体的成分，以及基于所述分析步骤来控制所述氧气和/或蒸气的注入。

8.根据权利要求5所述的方法，其中所述氧源选自由空气、富氧空气和氧气所组成的组。

9.一种用于将原料转化为经重整气体的转化器，所述转化器包括与气体重整系统气体连通的水平取向的气化器；所述水平取向的气化器包括：

水平取向气化室，其具有一个或多个原料输入、一个或多个气体出口和灰分出口；

室加热系统；

一个或多个横向转移单元，用于在处理期间将物料移动经过所述气化室；以及

控制系统，用于控制所述一个或多个横向转移单元的移动；

所述气体重整系统，包括：

具有第一端和第二端的带耐火材料内衬的柱状室，

所述柱状室包括：

输入，用于从设置在所述柱状室的所述第一端处或其附近的气化器的一个或多个气体出口接收气体；

输出，用于在所述室的所述第二端处或其附近释放经重整气体；

一个或多个与所述柱状室流体连通的氧源输入；

一个或多个加热所述柱状室的等离子体炬；

其中来自所述原料进入所述柱状室的气化的气体与所述一个或多个氧源混合，并由一个或多个等离子体炬加热从而产生经重整气体。

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