一种处理含无机物质的残留物的方法与流程

一种提供处理含碳原料热分解期间的含无机物质的残留物的方法。更具体地，所述方法有效用于冷却含无机物质的残留物和防止压力积聚。

背景

通常称为气化的热分解过程包括有效将含碳原料例如城市固体废物(MSW)或煤转化为可燃气体的过程。气体可用于产生电力、蒸汽或作为产生化学品和液体燃料的基本原料。

热分解过程包括将含碳原料连同受控和/或受限量的氧和任选蒸汽进料到加热室(热分解单元或气化器)中。与利用过量氧操作产生CO₂、H₂O、SO_x和NO_x的煅烧或燃烧相反，热分解过程产生包括CO和H₂的粗气体组合物。更具体地，热分解过程包括含碳材料的部分氧化或缺空气氧化，其中将低于化学计量量的氧供应至气化过程，以促进一氧化碳产生，如WO 2009/154788描述。气化过程的成功极大地取决于产生的合成气的品质。期望在产生的合成气中增加的一氧化碳(CO)和氢(H₂)含量。

在热分解过程中加热原料时，原料中的含碳物质转化为CO、CO₂和H₂。原料中的矿物质连同任何未转化的含碳材料或未转化的碳形成灰分。灰分的量和组成(例如碳含量)可对分解过程的平稳运行以及对灰分的处置有影响。处理热灰分可导致蒸汽产生和处理设备中增加的压力。

概述

提供用于处理热分解过程中的含无机物质残留物的方法和系统。所述方法和系统有效用于降低可在处理含无机物质残留物期间出现的压力。所述方法有效用于启动期间(其中含无机物质的残留物可具有较高水平的碳)，以及在启动之后有效。

一种处理热分解过程中的含无机物质的残留物的方法，其包括将含无机物质残留物从热分解单元传送至烧尽区段，并将含无机物质残留物从烧尽区段通过过渡区段传送至灰贮槽。冷却含无机物质残留物以去除含无机物质残留物中约10%或更多的热量，然后到达灰贮槽。所述方法进一步包括使含无机物质的残留物与冷却介质在灰贮槽中接触并将产生的气态物质排出回到热分解单元。

在另一方面，一种降低热分解单元中的压力的方法包括将含无机物质的残留物从热分解单元通过过渡区段传送到灰贮槽中。所述方法包括通过使含无机物质的残留物与冷却介质接触来冷却传送通过过渡区段的含无机物质的残留物，且所述含无机物质的残留物以有效用于去除含无机物质的残留物中约10%或更多热量的速率传送通过过渡区段，然后到达灰贮槽。从灰贮槽产生的气态物质排出到热分解单元以保持灰贮槽中的压力在约15英寸水柱压力(表压)或更小。

在另一方面，一种用于降低热分解单元中的压力的系统包括：配置用于接收含无机物质的残留物的烧尽区段；有效用于使含无机物质的残留物从烧尽区段移动通过过渡区段并进入灰贮槽内的灰分推杆；配置用于在过渡区段中施用冷却介质到含无机物质的残留物的冷却介质喷洒器；和有效用于将气态物质排出回到热分解单元的排出管线。

附图简述

所述方法数个方面的以上和其它方面、特征和优点从以下附图将更加显而易见。

图1是包括气化区和烧尽区的热分解设备的示意图。

图2是包括气化区和烧尽区的热分解设备的一个方面的示意图，其中气化区包括4个区段或炉膛。

图3是包括气化区、烧尽区和焦油分解区(tar reduction zone)的热分解设备的一个方面的示意图，其中气化区包括5个区段或炉膛。

图4图示说明材料流动通过热分解单元。

在附图的数个视图中，相应的附图标记始终表示相应的组件。技术人员应理解，为简单和清晰起见图示说明附图中的元件，不一定按比例描绘。例如，在附图中的一些元件的尺寸相对于其它元件可放大以帮助改进对本发明方法和设备的各方面的理解。此外，通常不描绘在商业可行方面有用或必需的通用但熟知的元件，以有利于这些各方面较少阻碍的视图。

详述

以下描述不应理解为限制意义，而是仅为了描述示例性实施方案的一般原理而进行。本发明的范围应参考权利要求确定。

定义

除非另外限定，否则在本公开的该说明书中通篇使用的以下术语如下限定，且可包括以下限定定义的单数或复数形式：

修饰作何量的术语“约”指在现实世界条件下(例如在实验室、中试工厂或生产设施中)遇到的该量的变化。例如，用于混合物的成分或测量结果的量或通过“约”修饰的数量包括通常用于在生产工厂或实验室中在实验条件下的测量的变化和关注度。例如，当被“约”修饰时，产物的组分的量包括在工厂或实验室中在多个实验中的批次之间的变化和分析方法中固有的变化。不论是否被“约”修饰，所述量包括与那些量等价的量。本文陈述和被“约”修饰的任何数量还可作为不被“约”修饰的量用于本公开。

如本文所用的“含碳材料”指富含碳的材料，例如煤和石化产品。然而，在本说明书中，含碳材料包括不论固态、液态、气态或等离子态的任何碳材料。在可认为是含碳材料的许多项目中，本公开预期：含碳材料、含碳液体产物、含碳工业液体再循环物、含碳城市固体废物(MSW或msw)、含碳城市废物、含碳农业材料、含碳林业材料、含碳木材废料、含碳建筑材料、含碳植物材料、含碳工业废料、含碳发酵废料、含碳石化副产物、含碳醇生产副产物、含碳煤、轮胎、塑料、废物塑料、焦炉焦油、软纤维(fibersoft)、木质素、黑液、聚合物、废料聚合物、聚对苯二甲酸乙二酯(PETA)、聚苯乙烯(PS)、下水道淤泥、动物废料、作物残余、能源作物、林木加工残余、木材加工残余、牲畜废料、家禽废料、食品加工残余、发酵工艺废物、乙醇副产物、废颗粒、废微生物，和它们的组合。

术语“软纤维（fibersoft或Fibersoft或fibrosoft或fibrousoft）”表示一种由不同物质软化和浓缩而产生的含碳材料；在一个实例中，经由不同物质的蒸汽压热处理产生含碳材料。在另一个实例中，软纤维可包括城市、工业、商业和医药废物的蒸汽压热处理产生的纤维性糊状材料。

术语“城市固体废物”或“MSW”或“msw”表示可包括家庭、商业、工业和/或残余废物的废物。

术语“合成气”或“合成气体”表示对含有变化量的一氧化碳和氢的气体混合物命名的合成气体。生产方法的实例包括天然气或烃蒸汽重整以产生氢，煤的气化和一些类型的废料至能源气化设备。名称来源于它们在产生合成天然气(SNG)并用于生产氨或甲醇中作为中间体的用途。合成气可燃且通常用作燃料源或用于其它化学品生产的中间体。

“吨（Ton或ton）”表示美制短吨，即约907.2kg (2000磅)。

除碳和氢之外，原料将包括一定量的无机不可燃材料，通常称为术语“灰分”，其在原料的完全或部分燃烧期间分离。在特定温度下，灰分可熔化形成附聚物或“炉渣”。炉渣形成的过程称为“成渣”。

热分解单元设计与操作

适合的热分解过程和设备的一些实例提供于美国专利序列号13/427,144、13/427,193和13/427,247，全部都在2011年4月6日提交，全部通过引用并入本文。

现在参考图1，热分解设备10包括气化区103和烧尽区200。气化区可包括一个用于添加气体(例如含氧气体、蒸汽、二氧化碳)的入口，入口102；且烧尽区可包括用于添加气体的入口，入口202。气化区103接收含碳材料原料101。传送推杆710将原料的材料床移动通过热分解设备。传送推杆表面715可接收气体(例如含氧气体、蒸汽、二氧化碳)和允许气体在其表面退出。

可从烧尽区200去除固体灰分流205。灰分传送推杆720可将灰分移出热分解单元。灰分传送推杆表面725可接收气体(例如含氧气体、蒸汽、二氧化碳)和允许气体在其表面退出。可从气化区103去除粗合成气流105。

现在参考图2，气化设备11包括气化区113和烧尽区230。如该方面显示，气化区113包括4个气化炉膛：炉膛-I 310、炉膛-II 320、炉膛-III 330和炉膛-IV 340。在其它方面，气化区可包括1至10个炉膛。一个或多个气化炉膛可包括传送推杆710。传送推杆表面715可接收气体和允许气体在其表面退出。

各气化炉膛包括一个用于添加气体的入口：至炉膛-I的气体入口111，至炉膛-II的气体入口121，至炉膛-III的气体入口131，和至炉膛-IV的气体入口141。烧尽区包括一个用于添加气体的入口：气体入口202。含碳材料原料101可添加到气化区113的炉膛-I (入口炉膛)中。可从烧尽区230去除固体灰分流205。可利用灰分传送推杆720将灰分移出热分解单元。灰分传送推杆表面725可接收气体和允许气体在其表面退出。可从气化区113去除粗合成气流105。

现在参考图3，气化设备13包括气化区143、烧尽区500、连接区或炉喉300和焦油分解区400。气化区143包括5个气化炉膛：炉膛-I 110、炉膛-II 120、炉膛-III 130、炉膛-IV 140和炉膛-V 150。各气化炉膛包括一个用于添加气体的入口：至炉膛-I的气体入口611、至炉膛-II的气体入口621、至炉膛-III气体入口631、至炉膛-IV的气体入口641和至炉膛-V的气体入口651。烧尽区包括一个用于添加气体的入口：气体入口202。连接区或炉喉300包括一个用于添加气体的入口：气体入口301。

含碳材料进料101可添加到气化区143的炉膛-I(入口炉膛)中。一个或多个气化炉膛可包括传送推杆710。传送推杆表面715可接收气体和允许气体在其表面退出。可从烧尽区500去除固体灰分流205。可利用灰分传送推杆720将灰分移出热分解单元。灰分传送推杆表面725可接收气体和允许气体在其表面退出。可从焦油分解区400去除热合成气流405。

烧尽区段：图4更详细地图示说明热分解单元的各方面。在该方面，原料101移动进入进料炉膛820，然后进入气化区103的主炉膛。传送推杆710将材料移动通过气化区103。拨杆臂800可从传送推杆710伸入材料中。材料移动进入烧尽区段920。通过灰分传送推杆720将固体灰分205传送通过过渡区段822，进入灰贮槽860。在灰分205传送通过过渡区段822时，灰分与从一个或多个冷却介质喷洒器927提供的冷却介质接触。在该方面，所述方法包括：通过冷却介质喷洒器927以约5至约15加仑/分钟的速率提供冷却介质，在另一方面，约6至约14加仑/分钟，在另一方面，约7至约13加仑/分钟，在另一方面，约8至约12加仑/分钟，和在另一方面，约9至约11加仑/分钟。

在另一方面，喷洒在灰分上的冷却介质的量是产生的灰分的量的函数。在该方面，产生的灰分(磅/小时)与施用的冷却介质(加仑/小时)的比率为约2:1至约10:1，在另一方面，约3:1至约9:1，在另一方面，约4:1至约8:1，和在另一方面，约5:1至约7:1。

在一个方面，原料101随着材料路径840通过热分解单元。在另一方面，气体900可供应至传送推杆710。可在烧尽区段920中的一个或多个点处引入氧和蒸汽。粗合成气流105可从气化区103去除。

在一个方面，原料移动通过烧尽区段，其速率有效用于提供原料在烧尽区域中约0.5小时至约5小时的停留时间，在另一方面，约1至约4小时，和在另一方面，约2至约3小时。除含有非含碳矿物质之外，固体灰分还可包括未转化的碳或未转化的含碳物质。

烧尽区段有效用于降低含无机物质的残留物的碳量。在一个方面，离开烧尽区段的所述固体灰分的碳含量小于约10重量%。在一个方面，固体灰分的碳含量小于5重量%。在一个方面，固体灰分的碳含量与含碳材料进料的碳含量的比率小于约0.1。在一个方面，固体灰分的碳含量与含碳材料进料的碳含量的比率小于约0.01。

灰分的碳含量和含碳材料进料的碳含量指碳或含有碳的化学物质。在该方面，许多已知技术可用于测量碳含量。可用于测量碳的技术的一些实例包括且不限于：灼烧损失(LOI)测试、热重分析(TGA)、基于激光探针的光学方法、使用微波辐射的方法、使用核磁共振(NMR)的方法和各种ASTM方法(参见例如ASTM D6316)。

产生可包括一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)的粗合成气。期望粗合成气中具有较多CO和较少CO₂。在一个方面，所述粗合成气中CO/CO₂的摩尔比大于约0.75。在一个方面，所述粗合成气中的CO/CO₂摩尔比大于约1.0。在一个方面，所述粗合成气中的CO/CO₂摩尔比大于约1.5。热合成气可包括一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)。期望在热合成气中具有较多CO和较少CO₂。在一个方面，所述热合成气中的CO/CO₂摩尔比大于约0.75。在一个方面，所述热合成气中的CO/CO₂摩尔比大于约1.0。在一个方面，所述热合成气中的CO/CO₂摩尔比大于约1.5。

过渡区段和灰贮槽：如图4中进一步显示，灰分205传送通过过渡区段822进入灰贮槽860。灰贮槽860包括冷却介质922。在一个方面，冷却介质922为水。灰贮槽860中的冷却介质922维持在冷却介质水平面924。冷却介质水平面924限定冷却介质922上方的开放区域827。冷却介质水平面924有效用于提供水密封，使得开放区域827中的任何气态物质不能通过灰贮槽开口832排出到环境。灰贮槽860包括传送器947，其可连续去除湿灰分以在废弃装置948中处置。

在一个方面，灰分推杆移动的速率有效用于使含无机物质的残留物冷却至约2700℉或更低，如在过渡区段末尾和在进入灰贮槽之前测量。在另一方面，含无机物质的残留物冷却至约2600℉或更低，在另一方面，约2500℉或更低，在另一方面，约2400℉或更低，在另一方面，约2300℉或更低，在另一方面，约2200℉或更低，在另一方面，约2100℉或更低，和在另一方面，约2000℉或更低。在另一方面，灰分推杆移动约2至约5秒，然后暂停约8至约15秒，且在另一方面，灰分推杆移动约3至约4秒，然后暂停约9至约14秒。在一个方面，各推杆推动数或灰分推杆频率为每小时约1次推动或更少，和在另一方面，每2小时约1次推动或更少。

排出管线：在灰分205传送通过过渡区段822并与冷却介质接触时，湿灰分可在过渡区段822中形成气密密封。排出管线930有效用于驱散开放区域827中积累的任何压力。排出管线930经过阀/控制机构940并使气态物质排出回到热分解单元内。在该方面，排出管线有效用于保持灰贮槽中的压力在约15英寸水柱表压压力或更小，在另一方面，排出管线有效用于保持灰贮槽中的压力在约10英寸水柱表压压力或更小，和在另一方面，排出管线有效用于保持灰贮槽中的压力在约5英寸水柱表压压力或更小。排出回到热分解单元是重要的，因为排出返回的气态物质可包括CO和灰分。

在一个方面，施用冷却介质和移动灰分推杆有效用于提供约500至约1000磅蒸汽/小时，在另一方面，约600至约900磅蒸汽/小时，和在另一方面，约700至约800磅蒸汽/小时。在另一方面，排出回到热分解单元的蒸汽的量(磅/小时)与从其它来源添加到热分解单元的蒸汽总量(磅/小时)的比率为约0.6至约1或更少，在另一方面，约0.55至约1或更少，在另一方面，约0.5至约1或更少，在另一方面，约0.4至约1或更少，在另一方面，约0.3或更少，在另一方面，约0.25或更少，和在另一方面，约0.1至约1或更少。

在另一方面，产生的蒸汽的量是产生的灰分的量的函数。在该方面，产生的灰分(磅/小时)与产生的蒸汽(磅/小时)的比率为约2:1至约6:1，和在另一方面，约3:1至约4:1。

原料：根据所述方法，提供至热分解单元的原料形成热分解单元内的移动材料床。材料床的温度影响成渣。在该方面，所述方法有效用于保持在材料床中任一点不超过约2300℉的材料床温，在另一方面，材料床温不超过约2200℉，在另一方面，约2100℉，在另一方面，约2000℉，在另一方面，约1900℉，在另一方面，约1800℉，在另一方面，约1700℉，在另一方面，约1600℉，在另一方面，约1500℉，和在另一方面，材料床温不超过约1400℉。温度可通过任何已知方法测量，包括例如使用插入材料床中的热电偶。

原料/氧：将含碳材料进料引入到热分解单元。包含分子氧的第一气体供应到气化区和因此用分子氧处理含碳材料进料，以引发和促进含碳材料的化学转变。含碳材料进料的一部分气化产生第一气态产物。控制到热分解单元的氧供应，以优先促进从含碳材料形成一氧化碳。供应低于化学计量量的氧，以促进一氧化碳产生。在一个方面，氧提供至气化区，速率为约0.5至约1.5磅-摩尔/小时-英尺²热分解床，和在另一方面，约0.75至约1.25磅-摩尔/小时-英尺²热分解床。

虽然已经通过具体的实施方案、实施例及其应用来描述本文公开的本发明，但是本领域技术人员在不偏离权利要求所阐述的本发明范围的情况下可对其进行许多改进和变化。