用于气化的系统和方法

用于气化的系统和方法
【专利摘要】一种系统包括具有第一外壳的气化器，所述第一外壳具有第一入口、第一出口和第一内部体积。所述第一入口构造为接收第一燃料原料进入所述第一内部体积，且所述第一出口构造为从所述第一内部体积输出第一合成气。所述系统也包括等离子体气化器，所述等离子体气化器设置于所述第一出口的下游，并联接至通过气化器由所述第一燃料原料产生的废物流。
【专利说明】用于气化的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请为2010年 I 月 6 日提交的题为“System for Removing Fine ParticulatesFrom Syngas Produced by Gasifier (用于从由气化器产生的合成气中去除细颗粒的系统)”的美国专利申请N0.12/683,413的部分连续申请，所述申请以全文引用的方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本文公开的主题涉及气化系统，更特别地涉及改进的颗粒去除系统和方法。
【背景技术】
[0004]整体煤气化联合循环(IGCC)发电厂能够从各种碳质原料(如煤或天然气)相对清洁和有效地产生能量。IGCC技术可通过在气化器中与氧气和蒸汽反应而将碳质原料转化为一氧化碳(CO)和氢气(H2)的混合物，即合成气。这种发电厂通常清洁和加工气体，以用作下游应用中的燃料。然而，由气化器产生的气体混合物通常含有显著量的颗粒，所述颗粒可包括无机污染物和未 经转化的有机材料。不幸地，在可利用合成气之前，这些颗粒必须通常使用水洗出，使用陶瓷过滤器过滤出，使用旋风分离器消除，或经由另一方法去除。此外，被丢弃的未经反应的碳质颗粒可减小这种气化系统的碳转化效率。

【发明内容】

[0005]范围与原始要求保护的本发明相同的某些实施例总结如下。这些实施例不旨在限制所要求保护的本发明的范围，相反，这些实施例仅旨在提供本发明的可能形式的简要总结。实际上，本发明可涵盖可与如下所述的实施例类似或不同的多种形式。
[0006]在第一实施例中，一种系统包括具有第一外壳的气化器，所述第一外壳具有第一入口、第一出口和第一内部体积。所述第一入口可接收第一燃料原料进入所述第一内部体积，且所述第一出口可从所述第一内部体积输出第一合成气。所述系统也包括等离子体气化器，所述等离子体气化器设置于所述第一出口的下游，并联接至通过气化器由所述第一燃料原料产生的废物流。
[0007]在第二实施例中，一种方法包括在气化器中气化第一燃料原料以产生第一合成气和废物流、过滤所述废物流以产生第二燃料原料，以及在等离子体气化器中处理所述第二燃料原料以产生第二合成气。
[0008]在第三实施例中，一种系统包括设置于非暂时性机器可读介质上的指令。所述指令配置为在气化器中气化第一燃料原料以产生第一合成气和废物流、过滤所述废物流以产生第二燃料原料，以及在等离子体气化器中处理所述第二燃料原料以产生第二合成气。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]当参照附图阅读如下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在整个附图中，同样的附图标记表示同样的部件，其中:
[0010]图1为具有颗粒去除系统的整体煤气化联合循环(IGCC)发电厂的一个实施例的框图；
[0011]图2为包括颗粒去除系统(其包括等离子体炬系统)的如图1所示的气化系统的一个实施例的框图；
[0012]图3为包括在非等离子体基气化器的下游的等离子体气化器的如图1所示的气化系统的一个实施例的框图；
[0013]图4为包括在合成气冷却器的下游的等离子体气化器的如图1所示的气化系统的一个实施例的框图；
[0014]图5为包括在气体清洁单元的下游的等离子体气化器的如图1所示的气化系统的一个实施例的框图；
[0015]图6为包括等离子体系统的如图1所示的气化系统的一个实施例的框图，所述等离子体系统沿着将气化器联接至合成气冷却器的管道设置；
[0016]图7为包括多个会聚的等离子体流的等离子体气化器的一个实施例的横截面侧视图；
[0017]图8为沿着图7的线8-8获取的等离子体气化器的一个实施例的横截面图，其示出了具有会聚的等离子体流的等离子体炬系统；
[0018]图9为沿着图7的线8-8获取的等离子体气化器的一个实施例的横截面图，其示出了具有会聚的等离子体片的等离子体炬系统；
[0019]图10为具有粉末处理系统的整体煤气化联合循环(IGCC)发电厂的一个实施例的框图；且
[0020]图11为包括粉末处理系统(其包括等离子体炬系统)的如图10所示的气化系统的一个实施例的框图。
【具体实施方式】
[0021]本发明的一个或多个特定实施例将如下描述。为了提供这些实施例的简明描述，实际实施的所有特征可能不在说明书中描述。应了解在任何这种实际实施的开发中，如同在任何工程或设计项目中一样，必须进行许多实施相关的决定以实现开发者的特定目标，如符合系统相关和商业相关的限制，一个实施与另一个实施的特定目标可能不同。此外，应了解这种开发能力可能是复杂且耗时的，但对于具有本公开的益处的本领域技术人员而言仍然是设计、装配和制造的常规任务。
[0022]当介绍本发明的各个实施例的构件时，冠词“一”、“所述”旨在意指存在一个或多个构件。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在为包括性的，并意指存在除了所列要素之外的另外的要素。
[0023]如下所讨论，颗粒去除系统的实施例使用聚焦能量(例如等离子体能)来处理来自气化器的所得流体流。如本文所用，聚焦能量至少大于大约5MJ/m3。例如，聚焦能量可为大约10MJ/m3至70MJ/m3 之间。对于另外的例子，在一个实施例中，等离子体可具有大约50MJ/m3的能量密度。本文所述的聚焦能量系统可包括能够产生并引导一个或多个聚焦能量束或片的一个或多个聚焦能量设备。例如，颗粒去除系统可包括等离子体炬系统，所述等离子体炬系统构造为将源自一个或多个等离子体炬的一个或多个等离子体流引导至流体流。以此方式，聚焦能量系统(例如等离子体炬)可例如通过使无机颗粒熔化以及使有机颗粒反应而导致流体组成的改变。因此，当惰性气体经过炬时，等离子体炬能够保持至多大约5000°C的内部温度。例如，等离子体炬中的内部温度可至少大于大约2000°C、300(TC、400(rC或5000°C。如本文所用，等离子体可定义为能够达到足以熔化无机颗粒和/或使有机颗粒反应的温度的任何部分电离的气体。此外，如本文所用，等离子体炬可定义为能够通过其喷嘴而产生等离子体的定向流的任何设备。颗粒去除系统的前述特征可有利于在相关的气化系统中增加碳转化效率，因为在气化器中的非等离子体基气化之后保持未反应的有机颗粒仍然可在颗粒去除系统中反应。因此，本文所述的独特的颗粒去除系统可允许气化系统从原料供应产生最大量的可用的合成气。此外，由于无机副产物的高密度，颗粒去除系统可有利于更容易地分离可用的合成气和可用的合成气的污染物。
[0024]在某些实施例中，颗粒去除系统可包括等离子体气化器，所述等离子体气化器具有设置于等离子体气化室内的一个或多个聚焦能源(例如等离子体炬)。等离子体炬可将等离子体流引导通过等离子体气化室至流体流。例如，等离子体气化器可包括外壳，所述外壳具有联接至外壳的一个或多个等离子体炬。在这种实施例中，等离子体炬可朝向彼此定向，以大致会聚等离子体流。此外，可设置一个或多个等离子体炬，以在与流体流的下游方向相对的上游方向上引导一个或多个等离子体流。在其他实施例中，等离子体炬系统可设置于非等离子体基气化器的下部区域(例如下游区域)内。例如，等离子体炬可位于与气化器的第一出口相邻的区域中，所述区域至少小于气化器的内部体积的大约30%。对于另外的例子，颗粒去除系统可联接至合成气冷却器的出口、气体清洁单元的下游、水处理系统的下游或与水处理系统关联，或气化系统中的任何其他合适的位置。
[0025]在某些实施例中，如关于图10和11在下文讨论，粉末处理系统可使用如上讨论的等离子体气化器来处理由 非等离子体气化器从第一燃料原料产生的所得废物流，以产生第二合成气。因此，可增加气化系统的碳转化效率，并且由于不再需要将废物流输送回非等离子体气化器从而可消除或减少废物流的处理和回收。此外，粉末处理系统可允许工厂操作者以如下模式运行工厂:碳转化率在非等离子体气化器(例如在抑氧环境中)中较低，因为粉末处理系统能够转化来自非等离子体气化器的任何未反应的碳以产生合成气。因此，工厂的总体碳转化率可保持在所需的水平下。
[0026]图1为可产生和燃烧合成气体(即合成气)的整体煤气化联合循环(IGCC)系统100的一个实施例的示图。IGCC系统100的元件可包括可用作用于IGCC的能源的燃料源101，如固体进料。燃料源101可包括煤、石油焦、生物质、木基材料、农业废物、焦油、焦炉煤气和浙青，或其他含碳物质。尽管在IGCC系统100的整个上下文中示出了颗粒去除系统的实施例，但本文公开的颗粒去除系统可在使用或产生合成气的多种类型的工厂的任意者中使用。例如，颗粒去除系统可用于产生CO、氢气、甲醇、氨或任何其他化学或燃料产品的任何工厂中。即，本文所述的颗粒去除系统可与除了 IGCC工厂之外的工厂一起使用。此外，在一些实施例中，可使用无动力产生(例如发电机)的颗粒去除系统。
[0027]燃料源101的固体燃料可传递至原料制备单元102。原料制备单元102可例如通过将燃料源101砍碎、研磨、切碎、磨碎、压块或造粒而将燃料源101调整尺寸或再成形，以产生原料。另外，可将水或其他合适的液体添加至原料制备单元102中的燃料源101，以产生浆料原料。在其他实施例中，不将液体添加至燃料源，因此生成干燥原料。
[0028]可将原料从原料制备单元102传递至气化器104。气化器104可将原料转化为合成气，例如一氧化碳和氢气的组合。该转化可通过如下方式实现:取决于所用的气化器104的类型，使原料经受高压(例如大约20巴至85巴)和高温(大约700°C至1600°C)下的受控量的蒸汽和氧气。气化过程可包括经历热解过程的原料，通过所述热解过程而加热原料。取决于用于产生原料的燃料源101，在热解过程中气化器104内的温度可为大约150°C至700°C。在热解过程中原料的加热可产生固体(例如炭)和残余气体(例如一氧化碳、氢气和氮气)。来自热解过程的从原料剩余的炭的重量可仅为初始原料重量的大约30%。
[0029]然后可在气化器104中进行燃烧过程。燃烧可包括将氧气引入至炭和残余气体。炭和残余气体可与氧气反应以形成二氧化碳和一氧化碳，这提供了用于随后的气化反应的热量。在燃烧过程中的温度可为大约700°C至1600°C。接着，可在气化步骤过程中将蒸汽引入气化器104中。炭可与二氧化碳和蒸汽反应，以产生在大约800°C至1100°C的温度下的一氧化碳和氢气。实质上，气化器利用蒸汽和氧气以使原料中的一些被“燃烧”而产生一氧化碳并释放能量，这驱动了第二反应，所述第二反应进一步将原料转化为氢气和另外的二氧化碳。
[0030]以此方式，所得气体通过气化器104而制得。该所得气体可包含大约85%的等比例的一氧化碳和氢气，以及CH4、HC1、HF、C0S、NH3、HCN和H2S (以原料的硫含量计)。该所得气体可称为脏的合成气或未处理的合成气，因为其含有例如H2S。气化器104也可产生可为湿润无机材料的废物，如炉渣109。该炉渣109可从气化器104中移出，并例如作为道路基层或作为另一建筑材料而进行处理。
[0031] 颗粒去除系统106可联接至IGCC系统100的一个或多个部件，如在具有气化器104和气体清洁单元110的区域107内。例如，颗粒去除系统106可联接至气化器104的下游部分，或在气化器104的出口的下游。进一步例如，颗粒去除系统106可联接至合成气冷却器、气体清洁单元110、水处理单元或IGCC系统100中的任何其他部件。换言之，颗粒去除系统106设置于气化器104的主气化区(例如非等离子体气化)的下游。颗粒去除系统106包括聚焦能量系统，如等离子体炬系统108。聚焦能量系统(例如等离子体炬系统108)可提供高能聚焦束，如能量密度为大约50MJ/m3的束。等离子体炬系统108可包括一个或多个等离子体炬，所述一个或多个等离子体炬构造为从气化器104的主气化区的下游的流体(例如未反应的合成气)中去除颗粒。即，等离子体炬系统108构造为熔化无机颗粒，并使由气化器104制得的所得气体中的有机颗粒反应。在某些实施例中，无机颗粒和有机颗粒可具有小于大约80mm的平均粒径。例如，颗粒可具有大约500微米至IOOmm之间的平均粒径。一个或多个等离子体炬可为能够产生适用于气化过程的等离子体的任何炬。例如，等离子体炬可包括能够接收电流并产生电弧的两个电极。当惰性气体经过电弧时，等离子体炬能够保持至多大约5000°C的内部温度。例如，等离子体炬中的内部温度可至少大于大约2000°C、3000°C、400(rC或5000°C。前述部件可有利于增加IGCC系统100中的碳转化效率，因为在气化器104中的气化之后保持未反应的有机颗粒仍然可在颗粒去除系统106中反应。这可使IGCC系统100能够使从原料产生的可用的合成气的量达到最大。此外，相比于常规系统，这种系统106和108可产生更致密的无机副产物，由此有利于更容易地从可用的合成气的污染物分离可用的合成气。[0032]气体清洁单元110构造为清洁来自气化器104的未反应的合成气。气体清洁单元110可洗涤未反应的合成气，以从未反应的合成气中去除HC1、HF、C0S、HCN和H2S,其可包括通过例如硫处理器112中的酸性气体去除过程而在硫处理器112中分离硫111。此外，气体清洁单元110可经由水处理单元114而从未反应的合成气中分离盐113，所述水处理单元114可利用水纯化技术以 从未反应的合成气产生可用的盐113。在某些实施例中，水处理单元114包括颗粒去除系统106和/或等离子体炬系统108。随后，来自气体清洁单元110的气体可包括清洁的合成气或经处理的合成气，(例如，硫111已从合成气中去除)，并具有痕量的其他化学品，例如NH3 (氨)和CH4 (甲烷)。
[0033]气体处理器116可用于从经处理的合成气中去除残余气体组分117，如氨和甲烷，以及甲醇或其他残余化学品。然而，从经处理的合成气中去除残余气体组分117为可选的，因为即使当含有残余气体组分117时(例如尾气)，经处理的合成气也可用作燃料。在此时，经处理的合成气可包含大约40%的CO、大约55%的H2和大约3%的CO2,并基本上去除了 H2S。可将该经处理的合成气作为可燃燃料传输至燃气涡轮发动机118的燃烧器120，例如燃烧室。此外，可在传输至燃气涡轮发动机之前从经处理的合成气中去除C02。
[0034]IGCC系统100还可包括空气分离单元(ASU) 122。ASU122可操作以通过例如蒸馏技术而将空气分离为组分气体。ASU122可从由补充空气压缩机123供应至其的空气中分离氧气，且ASU122可将经分离的氧气传递至气化器104。另外，ASU122可将经分离的氮气传输至稀释剂氮气(DGAN)压缩机124。
[0035]DGAN压缩机124可将从ASU122接收的氮气至少压缩至等于燃烧器120的压力水平，以不妨碍合成气的适当燃烧。因此，一旦DGAN压缩机124将氮气充分压缩至适当水平，DGAN压缩机124可将经压缩的氮气传输至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。例如,氮气可用作稀释剂以有利于控制排放。
[0036]如前所述,经压缩的氮气可从DGAN压缩机124传输至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。燃气涡轮发动机118可包括涡轮机130、驱动轴131和压缩机132以及燃烧器120。压缩机120可接收燃料，如合成气，所述燃料可在压力下从燃料喷嘴喷射。该燃料可与经压缩的空气以及来自DGAN压缩机124的经压缩的氮气混合，并在燃烧器120内燃烧。所述燃烧可产生热的加压废气。
[0037]燃烧器120可将废气引导至涡轮机130的排气出口。当来自燃烧器120的废气经过涡轮机130时，废气迫使涡轮机130中的涡轮叶片沿着燃气涡轮发动机118的轴线旋转驱动轴131。如所示，驱动轴131连接至燃气涡轮发动机118的各种部件，包括压缩机132。
[0038]驱动轴131可将涡轮机130连接至压缩机132以形成转子。压缩机132可包括联接至驱动轴131的叶片。因此，涡轮机130中涡轮叶片的旋转可使得将涡轮机130连接至压缩机132的驱动轴131旋转压缩机132内的叶片。压缩机132中的所述叶片旋转使得压缩机132压缩经由压缩机132中的空气进气而接收的空气。然后，经压缩的空气可进料至燃烧器120，并与燃料和经压缩的氮气混合以允许更高效率的燃烧。驱动轴131也可连接至负载134，其可为固定负载，如用于例如在发电厂中产生电功率的发电机。实际上,负载134可为由燃气涡轮发动机118的旋转输出提供动力的任何合适的设备。
[0039]IGCC系统100也可包括蒸汽涡轮发动机136和热回收蒸汽发生(HRSG)系统138。蒸汽涡轮发动机136可驱动第二负载140。第二负载140也可为用于产生电功率的发电机。然而，第一和第二负载134、140可为能够通过燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136驱动的其他类型的负载。另外，尽管如示出的实施例所示，燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136可驱动分别的负载134和140，但燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136也可串联利用以经由单个轴来驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机136以及燃气涡轮发动机118的具体构造可为具体实施的，并可包括部分的任意组合。
[0040]系统100也可包括HRSG138。可将来自燃气涡轮发动机118的经加热的废气输送至HRSG138且用于加热水，并产生用于为蒸汽涡轮发动机136提供动力的蒸汽。可将来自例如蒸汽涡轮发动机136的低压部分的废气引导至冷凝器142。冷凝器142可利用冷却塔128来将经加热的水交换成冷冻水。冷却塔128用于将冷却水提供至冷凝器142，以协助冷凝从蒸汽涡轮发动机136传输至冷凝器142的蒸汽。可转而将来自冷凝器142的冷凝物引导至HRSG138。再次，也可将来自燃气涡轮发动机118的废气引导至HRSG138，以加热来自冷凝器142的水并产生蒸汽。
[0041]在诸如IGCC系统100的联合循环系统中，热废气可从燃气涡轮发动机118流动并传递至HRSG138，在HRSG138处热废气可用于产生高压高温蒸汽。由HRSG138产生的蒸汽可随后经过蒸汽涡轮发动机136以用于动力产生。另外，也可将产生的蒸汽供应至可使用蒸汽的任何其他过程，如供应至气化器104。燃气涡轮发动机118发电循环常称为“至顶循环(topping cycle) ”,而蒸汽润轮发动机136发电循环常称为“底循环(bottoming cycle)”。通过组合这两个循环(如图1所示)，IGCC系统100可在两个循环中产生更大的效率。特别地，可捕集来自至顶循环的废热，并将其用于产生在底循环所用的蒸汽。
[0042]图2为气化系统或过程150的一个实施例的框图，其包括具有聚焦能量系统(例如等离子体炬系统108)的独特的颗粒去除系统106。气化系统150可使用部分氧化气化过程(例如德士古气化过程(TGP))以从液体烃类、石油残余物、焦炭或它们的组合产生合成气体。然而，颗粒去除系统106可与多种其他类型的气化过程一起使用。例如，颗粒去除系统106尤其可适于与壳牌煤气化过程(SCGP)、康菲石油公司的E-气体气化过程和三菱重工(MHI)干燥进料气化过程等一起使用。
[0043]所不的气化系统150包括原料制备系统或过程152、气化器104、合成气冷却器154、粉末或炉渣去除系统或过程156、颗粒去除系统106和气体清洁单元110。所示的原料制备系统152包括构造为接收水160和煤162的煤研磨机158、浆料罐164和浆料泵166。粉末或炉渣去除系统156包括阀168和170以及一个或多个闭锁式料斗172以收集和/或输送炉渣109。气体清洁单元110包括产生经洗涤的合成气176的水洗器174、阀178、黑水180和再循环回路182。
[0044]气化器104包括第一入口 186、第一出口 188和外壳190。外壳190限定第一内部体积192 (例如上游部分)，所述第一内部体积192可在操作过程中充当主气化室。距离194限定第一内部体积192的高度。气化器104的下部区域196 (例如下游部分)与第一出口 188相邻，并由高度198限定。气化器104的下部区域196可至少小于第一内部体积192或气化器104的整 个体积的大约5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%或45%。第一管道200将气化器104的第一出口 188联接至合成气冷却器154的第二入口 202。外壳204限定合成气冷却器154的第二内部体积206。第二出口 208将合成气冷却器154联接至第二管道210。第三出口 212将合成气冷却器154联接至粉末或炉渣去除系统156。[0045]在所示实施例中，气化器104为适用于TGP中的气流床气化炉。即，在气化过程中，气化器104的操作温度可为大约1200°C至1500°C，且操作压力可小于大约27至80巴。因此，气化器104可包括耐火内衬，所述耐火内衬在操作过程中充当惰性热屏蔽。这种耐火内衬可由能够承受至多或大于大约500°C、1000°C、150(TC或甚至2000°C的温度的多种耐火材料制得。即，耐火内衬可由当暴露于这种高温下时保持其预定物理和化学特性的任何材料制得。用于气化器104中的合适的耐火材料可包括陶瓷(例如粘土或矿物质)、金属(例如钛、钨)、陶瓷金属(即陶瓷和金属的复合材料)，或其他耐火材料(例如二氧化硅、氧化铝)。
[0046]在本文示出和描述的气化系统150的实施例中，气化器104为气流床气化炉，其中所得合成气经由位于气化器104底部的第一出口 188离开气化器104。然而，应注意，本文公开的独特的颗粒去除系统106可与包括其中出口不设置于气化器的底部部分的气化器的多种其他气化过程一起使用。例如，所公开的实施例可与固定床气化器或流化床气化器结合使用。在这种实施例中，流动通过气化器的方向可为向上的，使得所得合成气可经由位于气化器的顶部部分或接近气化器的顶部部分的出口离开。进一步例如，颗粒去除系统106可与其他气流床气化炉一起使用，其中在通过气化器在大致向上的方向上建立流动。
[0047]颗粒去除系统106包括等离子体炬系统108。图2的颗粒去除系统106可位于气化系统150内的多个位置。例如，颗粒去除系统106可位于与第一出口 188相邻的气化器104的下部区域196 (例如下游部分)，如箭头214所示。在这种实施例中，等离子体炬系统108可包括围绕下部区域196的圆周设置的多个等离子体炬，或设置于下部区域196中的单个等离子体炬。换 言之，颗粒去除系统106可位于主气化区(例如非等离子体基气化)下游的非等离子体基气化器104内。进一步例如，颗粒去除系统106可联接至在气化器104的第一出口 188与合成气冷却器154的第二入口 202之间的第一管道200，如箭头216所示。在这种实施例中，包括于等离子体炬系统108中的一个或多个等离子体炬可位于第一管道200中或位于第一管道200上。例如，多个等离子体炬可沿着第一管道200的壁设置。等离子体炬可以以适用于熔化无机颗粒并使合成气中的有机颗粒反应的任何方式设置。例如，等离子体炬可朝向彼此定向，使得来自等离子体炬的多个等离子体流在预定点处会聚。在另外的实施例中，颗粒去除系统106可位于合成气冷却器154的下游的任何合适的位置，如箭头218所示。例如，等离子体炬系统108可连接至第二管道210，所述第二管道210联接至合成气冷却器154的第二出口 208。进一步例如，等离子体炬系统108可直接联接至合成气冷却器154。
[0048]在操作过程中，原料制备系统152制备在水中大约50%至70%重量的煤的浆料进料。具体地，将水160和煤162输入至煤研磨机158中。煤研磨机158将煤162破碎至更小粒子，并将所述粒子与水160混合以形成煤在水中的浆料进料。然后将所述浆料进料传递至浆料罐164以在使用之前储存。浆料泵166进入浆料罐164中的浆料进料，并将适用于气化过程150的量经由管道220传递至气化器104。因此，浆料泵166可以以连续模式(即浆料泵166每分钟供应设定量的浆料进料)、逐步模式(即浆料166以特定时间间隔供应预定的增加的量)或任何其他合适的模式操作。此外，在某些实施例中，浆料泵166可从位于气化器104中或位于气化器104下游的一个或多个传感器接收反馈，并响应所述反馈调节泵送的浆料进料的量。所示的实施例包括浆料进料系统，其中原料制备系统152制备煤的浆料进料。然而，在其他实施例中，原料制备系统152可为构造为制备干燥进料的干燥进料系统。即，在一些实施例中，可使用干燥进料系统而非浆料进料系统。
[0049]浆料进料和氧气222经由位于气化器104的顶部的第一入口 186供应至气化器104。反应物和炉渣在大致下游的方向上从气化器104的第一入口 186流动至气化器104的第一出口 188。即，进料浆料和气化剂(例如氧气)通过气化器104的流动同时发生。此外,通过气化器104的这种流动可具有小于大约3、4、5或6秒的停留时间。在气化过程中，所示的气流床气化炉104的操作温度可为大约1200°C至2000°C，且操作压力可小于大约80巴。所示的气流床气化炉104利用蒸汽和氧气来允许浆料进料中的一些燃烧，以产生一氧化碳并释放能量。这些产物驱动第二反应，所述第二反应将原料进一步转化至氢气和另外的二氧化碳。这些反应在无任何聚焦能量系统(如等离子体炬系统)的情况下发生，因此可描述为非等离子体气化机制。换言之，使用氧气和蒸汽的反应通常升高气化器104的整个体积的温度，而不依赖于聚焦能源(例如等离子体炬)。因此，所得气体由气化器104制得，而不使用聚焦能量系统(如等离子体炬)。所得气体可包含大约85%的等比例的一氧化碳和氢气，以及CH4、HC1、HF、C0S、NH3、HCN和H2S (以原料的硫含量计)，但可能不包含焦油、可冷凝烃类、酚类和氨。在非等离子体气化机制过程中，气化器104也可产生废物，如熔融粉末或炉渣109。
[0050]在气化器104中产生的合成气和炉渣可通常以向下的方式(例如下游方向)从气化器104的第一出口 188流动通过第一管道200，并经由第二入口 202进入合成气冷却器154。在某些实施例中，在所得合成气/炉渣混合物进入合成气冷却器154之前，颗粒去除系统106的部件可作用于所得合成气/炉渣混合物。即，等离子体炬系统108可设置于气化器104的下部区域196 (例如下游部分)中，和/或联接至第一管道200。在这种实施例中，等离子体炬系统108可包括一个或多个等离子体炬，所述一个或多个等离子体炬构造为从气化器104的主气化区的下游的流体中去除颗粒物质。等离子体炬可熔化无机颗粒，并使由气化器104制得的 所得气体产品中的有机颗粒反应。即，颗粒去除系统106可作用于在气化器104中发生的非等离子体基气化机制的产物。因此，颗粒去除系统106构造为排他地处理作为主气化过程的产物出现的粉末。这样，相比于不具有所述新型颗粒去除系统106的系统，前述特征可有利于增加碳转化效率。例如，在气化器104中的非等离子体基气化机制之后保持未反应的有机颗粒仍然可经由等离子体炬系统108在下游进一步反应。
[0051]在进入合成气冷却器154之后，所得流体(例如合成气和炉渣混合物)流动通过合成气冷却器154的气体通道，所述气体通道在流动方向224上纵向延伸通过第二内部体积206。因此，所得流体通过第二入口 202进入合成气冷却器154，并纵向流动通过合成气冷却器154。合成气随后通过第二出口 208离开合成气冷却器154，炉渣经由第三出口 212丢弃。以此方式，所得流体可与合成气冷却器154的管道接触，且流动通过所述管道的流体(如水226)可在其行进通过合成气冷却器154时用于冷却所得流体。该冷却过程的一个结果可为在管道中产生蒸汽228，蒸汽228可随后被传输至高压鼓以用于收集和传输至热回收蒸汽发生器138 (参见图1)。
[0052]合成气冷却器154也可在合成气冷却器154的下部区域中包括如下机构:所述机构可协助引导经冷却的合成气和炉渣通过各自的出口 208和212离开合成气冷却器154。例如，炉渣109可被引导为在大致向下的方向224上流动，以经由出口 212离开合成气冷却器154。相比之下，经冷却的合成气可被引导为向第二出口 208和第二管道210流动。离开第三出口 212的炉渣被导向炉渣去除系统156以用于加工。炉渣首先进入阀168，所述阀168控制经由闭锁式料斗172分离和去除的炉渣的量。闭锁式料斗172收集进入的流体，并以所需速率将其传递至阀170。经去除的炉渣109可随后进行处理或在下游应用中使用。
[0053]所得合成气经由第二出口 208离开合成气冷却器154。在一些实施例中，合成气可在离开合成气冷却器154之后由颗粒去除系统106进一步处理。即，如前所述，颗粒去除系统106可进一步使任何有机物反应，并经由聚焦能量(例如来自等离子体炬的等离子体束)熔化合成气中留下的任何残余无机物，如箭头218所示。未反应的合成气可随后进入气体清洁单元110以用于进一步加工。水洗器174从合成气中去除粉末，从而产生经洗涤的合成气176，相比于未经处理的合成气，所述经洗涤的合成气176含有降低量的污染物。经洗涤的合成气176可用于燃气轮机燃料、化学品制造等。丢弃的流离开水洗器174。丢弃的流的第一部分通过阀178作为黑水180进行处理。丢弃的流的第二部分被引导通过再循环回路182，以在水洗器174中进一步清洁未经处理的合成气。
[0054]图3-5为气化系统的各个实施例的框图，其中聚焦能量系统(例如等离子体炬系统108)可设置于 一个或多个聚焦能量气化器(例如等离子体气化器)内。具体地，图3示出了气化系统或过程250，其包括原料制备系统或过程152、气化器104、等离子体单元252、合成气冷却器154、粉末或炉渣去除系统或过程156，和气体清洁单元110。如前所述，气化器104包括第一入口 186、第一出口 188,和限定第一内部体积192的外壳190。然而,在该实施例中，气化器104的第一出口 188开放至管道254中，所述管道254将气化器104的出口 188联接至等离子体单元252的第三入口 256。外壳258限定等离子体单元252的第三内部体积260。管道262将等离子体单元252的第四出口 264联接至合成气冷却器154的第二入口 202。如前所述，外壳204限定合成气冷却器154的第二内部体积206，第二出口208将合成气冷却器154联接至第二管道210，且第三出口 212将合成气冷却器154联接至粉末或炉渣去除系统156。
[0055]如上文详细所述，在操作过程中，原料制备系统152制备在水中大约50%至70%重量的煤的浆料进料。即，浆料泵166进入浆料罐164中的浆料进料，并将适用于气化过程150的量经由管道220传递至气化器104。浆料进料和氧气222经由位于气化器104的顶部的第一入口 186供应至气化器104。反应物和炉渣在大致下游的方向上从气化器104的第一入口 186流动至气化器104的第一出口 188。气化器104利用蒸汽和氧气以使浆料进料中的一些能够燃烧，以产生一氧化碳并释放能量。随后的反应经由非等离子体气化机制将原料进一步转化为氢气和另外的二氧化碳。以此方式，气化器104制造所得气体并产生废物(例如炉渣)。
[0056]在气化器104中产生的合成气和炉渣可通常以向下的方式(例如下游方向)从气化器104的出口 188流动通过管道254，并经由入口 256进入等离子体单元252。在进入等离子体单元252之后，所得流体(例如合成气和炉渣混合物)流动通过等离子体单元252的通道，所述通道在流动方向224上纵向延伸通过第三内部体积260。在图3示出的实施例中，等离子体单元252包括聚焦能量系统(例如等离子体炬系统108)。在这种实施例中，等离子体单元252可包括一个或多个聚焦能量设备(例如等离子体炬)，所述一个或多个聚焦能量设备构造为从气化器104下游的流体中去除颗粒物质。在一些实施例中，等离子体单元252可为等离子体处理单元，如等离子体气化器。等离子体单元252中的聚焦能量设备(例如等离子体炬)可熔化无机颗粒，并使由气化器104制得的所得流体中的有机颗粒反应。因此，颗粒去除系统106构造为排他地气化作为主气化过程的产物出现的粉末。这样，在气化器104中的非等离子体基气化机制之后保持未反应的有机颗粒仍然可在等离子体单元252中在气化器104的下游反应。在一些实施例中，非等离子体基气化机制可包括气流床、固定床、流化床、沸腾床或循环流化床。
[0057]位于等离子体单元252中的等离子体炬可以以适用于处理由气化器104所产生的流体流的任何方式设置。例如，一个或多个等离子体炬可以以多种设置联接至外壳258。在某些实施例中，等离子体炬可围绕外壳258的内壁周向设置，并朝向彼此定向以大致会聚出现的等离子体流。在另一实施例中，等离子体炬可围绕外壳258的内壁以不同角度设置，使得等离子体流的子集构造为会聚(例如，可设置2、3、4、5或更多的等离子体炬的多个组，使得每组炬具有会聚的等离子体流)。在另外的实施例中，一个或多个等离子体炬可构造为相对于纵向流动通过等离子体单元252的第三内部体积260，在上游方向、下游方向或上游及下游方向上引导等离子体流。实际上，在目前想到的实施例中，一个或多个等离子体炬可在等离子体单元252内以任何方式设置。
[0058]经由出口 264离开等离子体单元252的经等离子体处理的流体(例如合成气和炉渣)可通常以向下方式(例如下游方向)流动通过管道262并经由第二入口 202进入合成气冷却器154。所得流体通过第二入口 202进入合成气冷却器154，并纵向流动通过合成气冷却器154，经等离子体处理的流体在所述合成气冷却器154中被冷却。如上所述，合成气随后通过第二出口 208离开合成气冷却器154，炉渣经由第三出口 212丢弃。离开第三出口212的炉渣被导向炉渣去除系统156以处理或用于下游应用中。未反应的合成气可随后进入气体清洁单元110以用于进一步加工。如前所述，气体清洁单元110产生可用于燃气轮机燃料、化学品制造等的经洗涤的合成气176。
[0059]图4为气化系统或过程280的一个实施例的框图，其包括原料制备系统或过程152、气化器104、合成气冷却器154、粉末或炉渣去除系统或过程156、等离子体单元252，和气体清洁单元110。相比于图3，等离子体单元252在通过气化过程280的流体流动路径中位于合成气冷却器154之后。即，在该实施例中，原料制备单元152制备浆料进料，所述浆料进料与氧气222 —起进料至气化器104以用于主气化过程(例如非等离子体基气化)。然而，从气化器104出现的所得流体不像图3那样立即进入等离子体单元252，而是经由管道200进入合成气冷却器154。所得流体随后在合成气冷却器154中冷却，并分离成炉渣109和未经处理的合成气。未经处理的合成气经由出口 208离开合成气冷却器154，并经由入口256进入等离子体单元252。即，在该实施例中，仅未经处理的合成气而无炉渣109进入等离子体单元252。等离子体单元252可包括一个或多个聚焦能量设备(例如等离子体炬)，所述一个或多个聚焦能量设备构造为在冷却和炉渣去除之后从未经处理的合成气中去除颗粒物质。在等离子体单元252中的聚焦能量设备可熔化无机颗粒，并使保持于未经处理的合成气中的有机颗粒反应。经由出口 264离开等离子体单元252的经过高能(例如等离子体)处理的未经处理的合成气进入气体清洁单元110,气体清洁单元110产生经洗漆的合成气 176。
[0060] 图5为在气化器104的下游具有等离子体单元252的气化系统或过程290的另一实施例的框图。在该实施例中，气化系统290包括原料制备系统或过程152、气化器104、合成气冷却器154、粉末或炉渣去除系统或过程156，和气体清洁单元110。然而，相比于图2-4的实施例，等离子体单元252位于气体清洁单元110中或者与气体清洁单元110关联。因此，从合成气冷却器154的出口 208出现的未经处理的合成气被传递至气体清洁单元110。如前所述，未经处理的合成气传递至水洗器174，所述水洗器174去除粉末，由此产生经洗涤的合成气176。在某些实施例中，去除的粉末可用于等离子体单元252中，以熔化无机颗粒并使去除的粉末(例如滤饼)中的有机颗粒反应，如下文进一步详细讨论。经洗涤的合成气176可用于燃气轮机燃料、化学品制造等。丢弃的流离开水洗器174。丢弃的流的一部分被引导通过再循环回路182，以在水洗器174中进一步清洁。丢弃的流的另一部分通过阀178作为黑水180进行处理。
[0061]在图5所示的实施例中，等离子体单元252可构造为通过入口 256接收黑水180，并经由等离子体基气化处理黑水180，和/或等离子体单元252可构造为通过入口 256接收滤饼(例如过滤出黑水的粉末)，并经由一个或多个等离子体流或等离子体片使滤饼反应。即，在目前预期的实施例中，颗粒去除系统106 (例如等离子体单元252)可联接至废水管道或废水处理单元，或者系统106可联接至去除颗粒管道或递送系统。黑水180的等离子体处理可使黑水中的任何有机颗粒反应而形成副产物气体。可捕集、冷却和清洁所述副产物气体以用于随后的使用或处理。另外，黑水180中的无机颗粒可熔化，并在等离子体单元252的底部形成液体硅酸盐。液体硅酸盐可从等离子体单元252传递至水淬，液体硅酸盐在水淬处冷凝成固体硅酸盐以用于处理。同样，滤饼的等离子体处理也可从可能保持于滤饼中的任何未反应的碳产生副产物气体。
[0062]应注意，本文所示的等离子体单元252可为适用于所示气化系统中的任何类型的气化器。例如，合适的气化器可能够使用等离子体而在抑氧环境中气化进料，并能够在略微负压下操作。进一步 例如，在一些实施例中，等离子体单元252可为固定床气化器。在这种实施例中，等离子体气化可在大约2000°C至5000°C的温度下发生，且副产物气体可在大约700°C至1500°C的温度下离开等离子体单元252。进一步例如，等离子体单元252可为流化床气化器。在这些实施例中，等离子体反应区可具有小于大约2000°C至5000°C的温度。
[0063]图6为示出了一个示例性等离子体系统108的气化系统或过程300的框图。气化系统300包括构造为接收燃料101和氧气222的气化器104、管道200、等离子体系统108、合成气冷却器154、粉末或炉渣去除系统156，和气体清洁单元110。在操作过程中，燃料101和氧气222经由入口 186进入气化器104。气化器104利用氧气经由非等离子体基气化将燃料转化为所得气体和废物(例如炉渣)。所得流体(例如气体和废物)经由出口 188离开气化器104，并进入管道200。所得流体沿着由箭头302表示的路径在下游方向上行进通过管道200。聚焦能量系统(例如等离子体系统108)构造为沿着管道200的纵轴在上游方向上引导聚焦能量流(例如等离子体流)，如箭头204所示。以此方式，聚焦能量流(例如等离子体流304)的上游方向与流体流302的下游方向相对，使得流体流302在管道200中与等离子体流304会聚。即，等离子体系统108设置为在第一方向上引导等离子体流304，所述第一方向通常与流体流302的第二方向相对。例如，在所示实施例中，第一方向与第二方向之间的角度为大约180度。在另外的实施例中，第一和第二方向可以以小于大约5、10、15、20、30或40度的相对于彼此的角度进行取向。例如，第一方向可沿着纵轴设置，且第二方向可以以离纵轴10度的角度设置。进一步例如，第一方向可以以离纵轴5度的角度设置，且第二方向可以以离纵轴10度的角度设置。因此，在这种实施例中，等离子体流304与流体流302相互作用，从而使有机颗粒反应，并熔化包含于流体流302中的无机颗粒。
[0064]在与等离子体流304相互作用之后，经等离子体处理的流体306通过第二入口 202进入合成气冷却器154，并纵向流动通过合成气冷却器154，经等离子体处理的流体在所述合成气冷却器154中被冷却。如上所述，合成气随后通过第二出口 208离开合成气冷却器154，炉渣经由第三出口 212丢弃。离开第三出口 212的炉渣被导向炉渣去除系统156以处理或用于下游应用中。未反应的合成气可随后进入气体清洁单元110以用于进一步加工。如前所述，气体清洁单元110产生可用于燃气轮机燃料、化学品制造等的经洗涤的合成气176。
[0065]图7为示例性等离子体单元252的底部截面(例如下游部分)的横截面侧视图。在所示实施例中，等离子体炬系统108包括等离子体单元252、多个等离子体炬320、322、324、326、328、330和332，以及等离子体控制器334。多个等离子体炬在不同的轴向、径向和/或周向位置处围绕外壳258的壁设置。例如，等离子体炬320和332设置于第一轴向位置，炬322和330设置于第二轴向位置，炬324和328设置于第三轴向位置，且炬326设置于等离子体单元252的第四轴向位置(例如底部)。此外，等离子体炬332以相对于等离子体炬330第一角度336设置，且等离子体炬328以相对于等离子体炬330第二角度338设置。同样地，等离子体炬320以相对于等离子体炬322第一角度336设置，且等离子体炬324以相对于等离子体炬322第二角度338设置。在所示实施例中，等离子体炬322和330在与等离子体单元252的纵轴交叉(例如垂直)(例如垂直于流体流)的水平面中设置。因此，第一角度336被引导至下游,而第二角度338被引导至上游。第一角度336和第二角度338可为I至90度之间、5至80度之间、10至70度之间、20至60度之间、30至50度之间，或约45度。此外，第一角度336和第二角度338可彼此相同或不同。在另外的实施例中，第一角度336和第二角度338在操作过程中为可变的。即，在操作过程中，等离子体炬中的每一个的角度可改变，以适应操作条件、性能特性等的改变。例如，在一个实施例中，第一角度336可变化，使得等离子体炬332以垂直于流354的角度引导流352。等离子体炬326与流体流354相对。
[0066]等离子体炬的前述设置可具有如下效果:使多个等离子体流340、342、344、346、348,350和352朝向彼此会聚于等离子体单元252中的中心区域处。即，多个等离子体炬设置为朝向彼此引导多个等离子体流。在所示实施例中，七个等离子体流会聚。然而，在可供选择的实施例中，可设置任意数量的等离子体炬，使得任意数量的等离子体流会聚。例如，会聚流的数量可为大约2至10，5至20或任何其他合适的数量。进一步例如，会聚流的数量可为至少大约3、4或5。也应注意，多个等离子体炬可在外壳258内具有多种设置。尽管图7仅示出了 7个等离子体炬，但等离子体炬系统108可包括任意数量的等离子体炬，例如I至10、I至50或I至100。此外，可基于等离子体单元252的特性(例如等离子体单元252的尺寸或容量)而选择 等离子体炬之间的间距。例如，等离子体炬可在外壳258内均匀或非均匀间隔。如所示，等离子体单元252在外壳258内以均匀设置而支撑等离子体炬。然而，相邻的等离子体炬之间的距离可为等距的，或可在等离子体炬之间变化。此外，尽管所示实施例显示了在等离子体炬系统108中的等离子体炬，但可在聚焦能量系统(例如等离子体炬系统108)中使用任何类型的聚焦能量设备(例如等离子体炬)的任何合适的设置。[0067]在操作过程中，流体流354朝向等离子体炬326在大致下游方向上(例如相对的方向)建立。当流体流354纵向行进通过等离子体单元252时,多个等离子体流会聚于流354上，并与流体的内容物相互作用。例如，等离子体能量可熔化包含于流体中的无机颗粒。进一步例如，等离子体能量可使流体中的有机颗粒(如来自非等离子体基气化过程的残余物)反应。再次，包括这种等离子体基气化步骤可具有增加总气化系统的碳转化效率，因为在非等离子体基气化之后保持未反应的碳质材料仍然可等离子体基气化过程中反应。
[0068]在所示实施例中，等离子体控制器334构造为独立地控制与等离子体炬320、322、324、326、328、330和332相关的等离子体流。即，等离子体控制器334可基于来自传感器系统的反馈、基线参数、预设极限、历史数据等控制等离子体炬系统108中的多个等离子体炬的操作特性。例如，等离子体控制器334可构造为基于流354的特性(如体积、流速、粘度等)激活或停用多个等离子体炬中的每一个。等离子体控制器334也可构造为基于流动特性改变第一角度336和/或第二角度338。进一步 例如，等离子体控制器334可与测量流354的特性的传感器系统结合操作，并可取决于所接收的反馈而使用闭环控制，从而以均匀方式或非均匀方式改变等离子体炬的活动。例如，如果传感器系统检测到通过等离子体单元252的流354的速率降低，则等离子体控制器334可激活等离子体炬中的一个或多个以适应流体的减少。同样地，如果流354的速率增加，则等离子体控制器334可激活等离子体炬中的一个或多个以适应必须由等离子体能量处理的增加的流体负载。甚至进一步例如，等离子体控制器334可控制等离子体炬的操作特性，如温度、能量/体积等。在这种实施例中，可使用传感器，所述传感器检测在离开的气体流中的未反应的有机颗粒的量，并相应地调节操作特性。例如，等离子体控制器334可调节角度336和/或338，以通过产生等离子体羽(例如大规模漩涡)而有利于更好的混合。
[0069]图8为沿着图7的线8-8获取的等离子体单元252的横截面图，其示出了等离子体单元252内的单个轴向位置。如所示，等离子体单元252包括等离子体炬322、等离子体炬330、等离子体炬370和等离子体炬372。即，等离子体炬322、330、370和372围绕外壳258的壁的圆周在不同位置处设置。等离子体炬的所述周向设置可具有如下效果:使多个等离子体流342、350、374和376朝向彼此会聚于等离子体单元252中的中心径向区域处。在所示实施例中，四个等离子体流会聚。然而，在可供选择的实施例中，可设置任意数量的等离子体炬，使得任意数量的等离子体流可会聚。例如，会聚流的数量可为至少大约3、4或
5。也应注意，多个等离子体炬可在外壳258内在任何径向位置处具有多种设置。尽管图8仅示出了 4个等离子体炬，但等离子体炬系统108可包括在任一轴向位置处设置的任意数量的等离子体炬，例如I至10、I至50或I至100。另外，等离子体炬可围绕外壳258的圆周均匀或非均匀间隔。即，相邻的等离子体炬之间的距离可为等距的，或可在等离子体炬之间变化。可在等离子体炬系统108中在任意轴向位置处使用等离子体炬的任何合适的设置。此外，尽管所示实施例显示了在等离子体炬系统108中的等离子体炬，但可在聚焦能量系统中使用任何类型的聚焦能量设备的任何合适的设置。
[0070]图9为沿着图7的线8-8获取的等离子体单元252的一个可供选择的示例性实施例的横截面图。在该实施例中，多个等离子体炬322、330、370和372构造为产生多个等离子体片390、392、394和396。即，在操作过程中，等离子体炬322产生从等离子体炬322向外偏离进入内室260的等离子体片390。类似地，等离子体炬370产生从炬370向外偏离的等离子体片392，等离子体炬330产生从炬330向外偏离的等离子体片394，且等离子体炬372产生从炬372向外偏离的等离子体片396。这些等离子体片390、392、394和396可在共同平面中，以增加等离子体单元252内的覆盖范围，由此使流中的更多的流体/颗粒反应。前述特征可具有如下效果:使等离子体片会聚于室260内的中心区域处。包含于这种片中的等离子体能量与包含于通过等离子体单元252的流体流中的颗粒相互作用。即，如前所述，等离子体片390、392、394和396构造为熔化无机颗粒，并使流体流中的有机颗粒反应。如前所述，尽管所示实施例显示了在等离子体单元252中的等离子体炬，但可在聚焦能量系统中使用任何类型的聚焦能量设备的任何合适的设置。
[0071]在某些实 施例中，利用上述等离子体气化器的粉末处理系统可用于处理自第一燃料原料的气化而产生的废物流。现在参照图10，描述了包括粉末处理系统的IGCC系统100的一个例子。气化系统100包括可通过原料制备单元102接收燃料101 (例如第一燃料原料)的气化器104、气体清洁单元110、黑水处理系统402、粉末过滤器404和粉末处理系统406。尽管粉末处理系统406可与IGCC系统100 —起使用，但粉末处理系统406也可用于使用或产生合成气的多种类型的工厂中的任意者中。例如，粉末处理系统406可用于如上所述的产生CO、氢气、甲醇、氨或任何其他化学或燃料产品的任何工厂中。此外，在一些实施例中，可使用无动力产生(例如发电机)的粉末处理系统406。
[0072]关于图1如上所述，固体燃料101可传递至原料制备单元102，在气化器104中气化，之后在气体清洁单元110中清洁所产生的合成气，以产生经处理的合成气。在气体清洁单元110中产生的废物流被传递至黑水处理单元402，并过滤通过粉末过滤器404，以从黑水436中分离粉末而产生灰水438。在某些实施例中，粉末过滤器可捕集粉末粒子的大约90-100%，其中粉末的大约20-60%小于50微米。因此，粉末形成含有大约20-60%的水和40-80%的固体材料的滤饼405。所得滤饼405可具有显著量的未反应的碳，所述未反应的碳可经由粉末处理系统406(例如使用一个或多个高能流或片，如在聚焦能量系统408中的等离子体)而转化为第二合成气409。合成气409转而可用于为动力产生设备410 (如燃烧系统、发动机、涡轮机等)提供动力。相比于由气化器104中的第一燃料原料的气化而产生的合成气，第二合成气可具有不同的组成。这可能由如下所导致:相比于第一燃料原料，在滤饼405中的增加量的无机材料。在另一实施例中，废物流可包括来自相邻工厂的废物和/或生物质废物(如木材或庭院废物)，或不含硫的任何可燃材料，或它们的组合。应注意，粉末处理系统406中的滤饼405的气化也产生炉渣412，所述炉渣412可在炉渣处理单元416中与气化器104中产生的炉渣109组合。如上所讨论，炉渣109和412可进行处理，并用作例如道路基层或建筑材料。在另外的实施例中，控制器420可联接至气化器104和粉末处理系统406，以独立地并同时地控制气化器104和粉末处理系统406，如下文详细描述。
[0073]粉末处理系统406包括聚焦能量系统408 (例如等离子体炬系统)。图11为包括具有聚焦能量系统408的粉末处理单元406的IGCC系统100的区域430的框图。区域430可位于气体清洁单元110的下游，使得粉末处理系统406可通过入口阀432接收废物流。在一个实施例中，粉末处理系统406的聚焦能量系统408包括具有等离子体炬系统442的等离子体气化器440。等离子体炬系统442可提供高能聚焦束(例如等离子体流和/或片)以熔化无机组分，并使滤饼405中存在的有机组分反应。滤饼405可包括来自原料气化的粉末或煤烟。在某些实施例中，等离子体炬系统442可包括一个或多个等离子体炬443，所述一个或多个等离子体炬443产生适用于气化过程的等离子体445。例如，等离子体炬443可包括用于接收电流并产生电弧的两个电极。当惰性气体(例如氮气、氩气等)经过电弧时，等离子体炬443可保持至多大约5000°C的内部温度。例如，等离子体炬443中的内部温度可至少大于大约 2000°c、300(rc、400(rc或 5000°C。
[0074]本文所示的等离子体气化器440可为适用于所示气化系统中的任何类型的气化器，且等离子体气化器440可具有至少小于气化器104的内部体积的大约2.5%、5%、7.5%、10%> 12.5%或15%的内部体积。在一个实施例中，等离子体气化器440可为固定床气化器。因此，气化可在大约2000°至5000°C之间的温度下发生。在另一实施例中，等离子体气化器440可为如下气化器:其可在缺氧环境中气化滤饼405中的未反应的碳，并可在略微负压下操作。在另一实施例中，等离子体气化器440可包括流化床气化器。这样，滤饼405的气化可在小于大约2000°C至5000°C的温度下发生。
[0075]在滤饼405在等离子体气化器440中气化之后，所得第二合成气409作为第二未经处理的合成气409 (其可保持在低压(例如环境压力)下)通过出口阀434离开，并在合成气处理单元448中进行处理以去除在气化过程中产生的任何不希望的材料，从而产生低压第二经处理的合成气450。在一个实施例中，合成气处理单元448可包括洗涤器，所述洗涤器例如但不限于硫洗涤单元。在另一实施例中，合成气处理单元448可使用液相氧化过程(可得自德克萨斯州休斯顿的天然气技术产品公司(Gas Technology Products LLCCorporation of Houston, TX)的LO-CATl(_液体氧化还原)，以从未经处理的合成气中去除硫。第二经处理的合成气450可用于为动力产生设备410提供动力，所述动力产生设备410可包括燃气轮机、具有往复式活塞的内燃机，或另一气体动力发动机。例如，在一个实施例中，动力产生设备410可为Jenbacher往复式燃气发动机，或由纽约斯克内克塔迪的通用电气公司(General Electric Company of Schenectady, N.Y)提供的其他类型的发动机。Jenbacher发动机(或其他设备410)适于燃烧低压(例如环境压力)燃料，如可从等离子体气化器440产生的合成气。例如，发动机可包括具有I至30个、4至20个或8至16个汽缸和相关的往复式活塞的内燃机。在另一实施例中，动力产生设备410可为蒸汽发生器。在另一实施例中，第二经处理的合成气可与从气化器104中的第一燃料原料产生的合成气组合。取决于如何使用，第二经处理的合成气450可压缩或不压缩。
[0076]在本公开的一个实施例中，控制器420可使用经由输入信号462而提供的信息，以执行包含于机械可读或计算机可读存储介质上的指令或编码，并产生到达各种控制设备(如控制阀或泵)的一个或多个输出信号460。例如,基于包含于控制器420的机械可读或计算机可读介质上的指令或编码的执行，输出信号460可用于控制第一燃料原料102和废物流(例如滤饼405)的气化。特别地，执行的指令可指示气化第一燃料原料102、纯化合成气、过滤废物流(例如黑水436)，和在等离子体气化器440中处理滤饼405以产生第二合成气409。在某些实施例中,温度传感器452和/或压力传感器456可将输入信号462传送至控制器420，从而分别指示等离子体气化器440的温度和/或压力。因此，如果指示的温度或压力超过等离子体气化器440的极限，则控制器420可传送输出信号460以关闭等离子体气化器440或激活安全释放机构。在另一实施例中，操作者可将指令提供至控制器420，从而以使得气化器104中的第一燃料原料102的碳转化率降低的模式运行IGCC系统100。例如，第一燃料原料102的限氧环境气化可产生滤饼446中的增加量的未转化的碳。等离子体气化器440可气化来自滤饼446中的第一燃料原料102的气化的未转化的碳，因此，可保持IGCC系统100的碳转化效率。
[0077]本发明的技术效果包括使用包括聚焦能量系统(例如等离子体炬系统442)的粉末处理系统406，所述聚焦能量系统处理在IGCC气化系统100中产生的废物流(例如滤饼405)。气化废物流含有显著量的未反应的碳，所述未反应的碳可被转化为合成气。这样，可增加碳转化效率，并可显著减少或消除处理或回收所得废物流的需要。所产生的合成气在合成气处理单元448中清洁,并用于为动力产生设备410 (如Jenbacher发动机或蒸汽发生器)提供动力。此外，粉末处理系统406的实施允许IGCC气化系统的操作者以气化器104中的碳转化率较低的模式运行工厂，因为粉末处理系统406可转化剩余的未反应的碳。
[0078] 本书面描述使用包括最佳方式的实例以公开本发明，并使得任何本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或体系以及进行任何引入的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果其他实例具有不与权利要求书的文字语言不同的结构元件，或者如果其他实例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性差别的等同结构元件，则这样的其他实例旨在落入权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种系统，其包括: 气化器，所述气化器包括具有第一入口、第一出口和第一内部体积的第一外壳，其中所述第一入口构造为接收第一燃料原料进入所述第一内部体积，且所述第一出口构造为从所述第一内部体积输出第一合成气；以及 等离子体气化器，所述等离子体气化器设置于所述第一出口的下游，并联接至通过气化器从所述第一燃料原料产生的废物流。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述等离子体气化器包括具有第二入口、第二出口和第二内部体积的第二外壳，其中多个等离子体炬联接至所述第二外壳。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二内部体积至少小于所述第一内部体积的大约5%。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个等离子体炬朝向彼此定向以大致会聚等离子体流。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述废物流包含滤饼，所述滤饼由过滤通过与所述等离子体气化器流体连通的粉末过滤器单元的黑水源制得。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述等离子体气化器包括第二入口，所述第二入口构造为接收来自所述粉末过滤器的所述滤饼。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述滤饼在所述等离子体气化器中进行处理以产生第二合成气。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，等离子体气化器构造为将所述第二合成气传递通过第二出口。
9.根据权利要求7所述的系统，其包括动力产生设备，所述动力产生设备构造为接收所述第二合成气以产生动力。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述动力产生设备包括燃气轮机、内燃机或蒸汽轮机。
11.一种方法，其包括: 在气化器中气化第一燃料原料，以产生第一合成气和废物流； 过滤所述废物流，以产生第二燃料原料；以及 在等离子体气化器中处理所述第二燃料原料，以产生第二合成气。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一燃料原料包含煤、油或生物质，或它们的组合。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述等离子体气化器包括第二入口、第二出口、第二内部体积和多个等离子体炬。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二燃料原料包含滤饼。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述滤饼通过第二入口传递至所述等离子体气化器，并用多个等离子体炬进行处理，以产生所述第二合成气。
16.根据权利要求11所述的方法，其包括将所述第二合成气传递至合成气处理单元。
17.根据权利要求11所述的方法，其包括在燃烧系统中燃烧所述第二合成气。
18.—种系统,其包括: 设置于非暂时性机器可读介质上的指令，其中所述指令配置为:在气化器中气化第一燃料原料，以产生第一合成气和废物流；以及 在等离子体气化器中处理来自所述废物流的滤饼，以产生第二合成气。
19.根据权利要求18所述的系统，其包括具有所述指令的控制器。
20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述指令配置为控制包括两个或更多个气化器的整体煤气化联合循环(IGCC)发电厂的操作。
【文档编号】C10J3/48GK103965965SQ201410033764
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2013年1月24日
【发明者】R.A.德皮伊 申请人:通用电气公司